ВЕНТИЛЬНАЯ МАШИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H02K29/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе электропривода.

Известен трехфазный самовозбуждающийся инвертор [1], содержащий трехфазный мост транзисторов и три трансформатора. На каждом трансформаторе расположены первичные, синхронизирующие обмотки и обмотки обратной связи. Из-за наличия трансформаторов с обмотками ухудшаются весогабаритные показатели и увеличивается трудоемкость изготовления инвертора в целом.

Наиболее близкой к предложенной вентильной машине переменного тока по количеству сходных признаков является асинхронная вентильная машина [2], со держащая ротор, статор с m-фазной рабочей обмоткой, соединенной в звезду и подключенной к выходу мостового автономного инвертора, состоящего из ветвей на транзисторах различной проводимости, и дополнительную m-фазную обмотку управления транзисторами инвертора, концы которой согласно-последовательно соединены с рабочей обмоткой, а начала соединены через токоограничительные сопротивления с базами транзисторов инвертора. Недостатками данной схемы являются: отсутствие синхронизации выходных напряжений инвертора в момент пуска электрической машины, что приводит к затягиванию ее пуска, базовый ток управления транзисторов имеет трехступенчатую форму с удвоенной амплитудой в середине полупериода, что вызывает дополнительные потери мощности во входной цепи транзистора и приводит к снижению КПД инвертора, а также отсутствие возможности задания направления вращения ротора электрической машины.

Задачей изобретения является повышение надежности работы вентильной машины переменного тока за счет наличия синхронизации выходных напряжений инвертора как при пуске электрической машины, так и при работе ее на нагрузку, повышения точности задания сдвига фаз между выходными напряжениями инвертора, формирования прямоугольных управляющих напряжений транзисторов, задания направления вращения ротора электрической машины и регулирования частоты выходных напряжений инвертора.

Поставленная задача решается созданием вентильной машины переменного тока, содержащей ротор, статор с трехфазной рабочей обмоткой, соединенной в звезду, и трехфазную обмотку управления, подключенную к выходу мостового автономного инвертора, состоящего из ветвей на транзисторах различной проводимости, к базам которых подключены токоограничительные сопротивления. Причем она дополнительно содержит трехфазную синхронизирующую обмотку, каждый конец которой соединен с концом рабочей обмотки предыдущей фазы, а начала подключены к выходу мостового автономного инвертора, вторую трехфазную обмотку управления, каждый конец которой соединен с концом первой обмотки управления предыдущей фазы, вольтодобавочный трансформатор с тремя вторичными обмотками, начала которых соединены через токоограничительные сопротивления с базами транзисторов инвертора, а концы - с началами второй обмотки управления, и первичной обмоткой, конец которой подключен к средней точке источника постоянного напряжения, образованной двумя конденсаторами одинаковой емкости, а начало - к нулевой точке звезды, образованной трехфазной рабочей обмоткой, а также полумостовой каскад на транзисторах, подключенный параллельно инвертору по цепи питания, управляемый от задающего генератора, причем между средней точкой полумостового каскада и средней точкой источника постоянного напряжения подключена обмотка управления вольтодобавочного трансформатора.

Сущность изобретения пояснена чертежами. На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема трехфазной вентильной машины переменного тока. На фиг. 2 - зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля, а также временные диаграммы магнитных индукций фаз. На фиг.3 - временные диаграммы напряжений на рабочих обмотках, синхронизирующих обмотках и фазных напряжений. На фиг.4 - напряжение на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора. На фиг. 6 - формирование прямоугольных управляющих напряжений транзисторов.

Трехфазный мостовой инвертор, входящий в состав вентильной машины переменного тока, выполнен на транзисторах 1-6 (фиг.1). Транзисторы 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6 образуют комплементарные пары.

К выходам трехфазного инвертора подключены начала синхронизирующей обмотки 7, 8, 9 соответствующих фаз. Концы синхронизирующей обмотки 7, 8, 9 соединены с концами рабочей обмотки 11, 12, 10 соответственно. Начала рабочей обмотки соединены в звезду.

Концы первой обмотки управления 13, 14, 15 соединены с концами второй обмотки управления 18, 16, 17 соответственно. Начала первой обмотки управления 13, 14, 15 подключены к выходам фаз C, A, B инвертора.

Начало первичной обмотки 19 вольтодобавочного трансформатора 20 соединено с нулевой точкой звезды, которую образует трехфазная рабочая обмотка, а конец - со средней точкой источника постоянного напряжения, образованной конденсаторами 21 и 22 одинаковой емкости.

Начала вторичных обмоток 23, 24, 25 вольтодобавочного трансформатора подключены к токоограничительным сопротивлениям 26, 27, 28 соответственно, а концы вторичных обмоток 23, 24, 25 подключены к началам второй обмотки управления 16, 17, 18 соответственно.

Дополнительный полумостовой каскад на комплементарных транзисторах 29, 30, управляемый задающим генератором 31, подключен параллельно трехфазному инвертору по цепи питания. Нагрузкой этого каскада является обмотка управления 32 вольтодобавочного трансформатора. Конец этой обмотки подключен к средней точке источника питания, начало - к выходу полумостового каскада.

Трехфазная вентильная машина переменного тока работает следующим образом. Предположим, что при подаче напряжения питания включились транзисторы 1, 4, 6 (фиг.1). Открытому состоянию названных транзисторов соответствует следующее положение рабочих точек фаз на кривой намагничивания:
1. Магнитная индукция B_A фазы A равна индукции отрицательного насыщения (точка б на фиг.2а).

2. Магнитная индукция B_B фазы B соответствуют точке г (фиг.2а).

3. Магнитная индукция B_C фазы C соответствует точке в (фиг.2а).

Период работы вентильной машины состоит из шести интервалов постоянства структуры одинаковой длительности. В течение каждого интервала постоянства структуры открыты три какие-либо транзистора инвертора и одна из фаз находится в области насыщения.

Временные диаграммы магнитных индукций фаз представлены на фиг.2б.

На основании временных диаграмм магнитных индукций фаз (фиг.2б) построены временные диаграммы напряжений на синхронизирующих и рабочих обмотках, а также фазных напряжений (фиг.3).

Фазные напряжения U_A, U_D, U_C формируются в соответствии с соотношениями:
U_a=U_a ^c-U_b ^p,
U_b=U_b ^c-U_c ^p,
U_c=U_c ^c-U_a ^p,
где U_a ^c, U_b ^c, U_c ^c - напряжение на синхронизирующих обмотках 7, 8, 9 соответственно,
U_a ^p, U_b ^p, U_c ^p - напряжения на рабочих обмотках фаз статора 10, 11, 12 соответственно.

Амплитуда напряжений на синхронизирующих обмотках и рабочих обмотках составляет 1/3U_ип, где U_ип - напряжение источника постоянного напряжения. Фазные напряжения при этом имеют двухступенчатую форму с амплитудой первой ступени 1/3U_ип и второй ступени - 2/3U_ип. Следует отметить, что при такой форме в спектре фазных напряжений отсутствуют третья и кратные ей гармоники. Под действием трехфазной симметричной системы напряжений в статоре вентильной машины создается круговое вращающееся магнитное поле. Ротор 33 начинает вращаться.

Временная диаграмма напряжения U₀ на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора показана на фиг. 4. Видно, что это напряжение имеет форму меандра и изменяется с частотой, превышающей основную частоту инвертора в три раза. По первичной цепи вольтодобавочного трансформатора протекает третья гармоника тока, которая в значительной степени улучшает синхронизацию выходных напряжений инвертора [3] и расширяет диапазон регулирования частоты вращения вентильной машины переменного тока.

Минимальная мощность вольтодобавочного трансформатора, необходимая для синхронизации, может быть принята равной мощности дополнительного полумостового каскада, описанного в [3].

Управляющие напряжения транзисторов инвертора формируются как разность напряжений на второй обмотке управления U_у2 и первой обмотке управления U_у1 и в этом случае имеют двухступенчатую форму, аналогичную форме фазных напряжений. При 180 градусном управлении это приводит к снижению коэффициента полезного действия транзисторов.

Формирование управляющих напряжений прямоугольной формы осуществляется за счет вторичных обмоток 23, 24, 25 вольтодобавочного трансформатора 20. Временная диаграмма на фиг.5 поясняет формирование прямоугольных управляющих напряжений транзисторов инвертора фазы A. Разность напряжений управляющих обмоток U_у2 и U_у1 суммируется с напряжением U₀' вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора.

Регулирование частоты выходных напряжений трехфазного инвертора осуществляется за счет изменения частоты управляющих импульсов, подаваемых на транзисторы 29, 30 от задающего генератора 31.

Проведены испытания макетного образца трехфазной вентильной машины переменного тока номинальной мощностью 90 Вт, частотой вращения 10600 об/мин и напряжением 36 В. Номинальный коэффициент полезного действия 58%, коэффициент мощности 0,8. Мостовой инвертор выполнен на транзисторах КТ 825 А и KT 827 А, образующих комплементарные пары. Частота выходных напряжений инвертора 200 Гц.

Результаты испытаний трехфазной вентильной машины переменного тока показали наличие синхронизации выходных напряжений инвертора при пуске и работе под нагрузкой, заданного направления вращения, управляющих напряжений транзисторов прямоугольной формы и возможности регулирования частоты выходных напряжений инвертора.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
1. A.c. N 1506502 (СССР). Трехфазный самовозбуждающийся инвертор. // Зиннер Л. Я., Кропачев Г.Ф., Миляшов Н.Ф., Тарасов В.Н., Николаев Я.Н., Ибрагимов Т.Н. Опубл. Б.И. 1989, N33.

2. A.c. N 1046863 (СССР). Асинхронная вентильная машина. // Костырев М. Л. , Кудояров В.Н., Волгин В.Н., Грачев П.Ю., Дудышев В.Д. Опубл. Б.И. 1983, N37.

3. A.c. N 432642 (СССР). Трехфазный инвертор. // Войтович И.А., Моин B. C., Лысенко Л.А. Опубл. Б.И. 1974, N 22.

Изобретение может быть использовано в системе электропривода. Техническим результатом является повышение надежности работы вентильной машины переменного тока за счет наличия синхронизации выходных напряжений инвертора при пуске электрической машины, работе ее на нагрузку, повышения точности задания сдвига фаз между выходными напряжениями инвертора. Вентильная машина переменного тока содержит ротор, статор с трехфазной обмоткой, которая соединена в звезду и подключена к выходу мостового инвертора, состоящего из ветвей на транзисторах различной проводимости, трехфазную обмотку управления, служащую для управления транзисторами инвертора. Причем она дополнительно содержит трехфазную синхронизирующую обмотку и вторую трехфазную обмотку управления, вольтодобавочный трансформатор с тремя вторичными обмотками, а также полумостовой каскад на транзисторах, подключенный параллельно инвертору по цепи питания, управляемый от задающего генератора, причем между средней точкой полумостового каскада и средней точкой источника постоянного напряжения подключена обмотка управления вольтодобавочного трансформатора. 5 ил.

Вентильная машина переменного тока, содержащая ротор, статор с трехфазной рабочей обмоткой, соединенной в звезду, и трехфазную обмотку управления, подключенную к выходу мостового автономного инвертора, состоящего из ветвей на транзисторах различной проводимости, к базам которых подключены токоограничительные сопротивления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит трехфазную синхронизирующую обмотку, каждый конец которой соединен с концом рабочей обмотки предыдущей фазы, а начала подключены к выходу мостового автономного инвертора, вторую трехфазную обмотку управления, каждый конец которой соединен с концом первой обмотки управления предыдущей фазы, вольтодобавочный трансформатор с тремя вторичными обмотками, начала которых соединены через токоограничительные сопротивления с базами транзисторов инвертора, а концы - с началами второй обмотки управления, и первичной обмоткой, конец которой подключен к средней точке источника постоянного напряжения, образованной двумя конденсаторами одинаковой емкости, а начало - к нулевой точке звезды, образованной трехфазной обмоткой, а также полумостовой каскад на транзисторах, подключенный параллельно инвертору по цепи питания, управляемый от задающего генератора, причем между средней точкой полумостового каскада и средней точкой источника постоянного напряжения подключена обмотка управления вольтодобавочного трансформатора.