ОДНОЯКОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H02K47/00 H02M7/92 

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано в двух вариантах преобразования энергии.

Известен одноякорный преобразователь, содержащий якорь с коллектором и контактными кольцами, а также главные и добавочные полюсы традиционного исполнения [Г.Н.Петров. Электрические машины. Часть третья. М.: Энергия. 1968. С. 145]. Аналог одноякорного преобразователя с независимой компенсирующей системой не обнаружен.

В первом характерном варианте машина работает преобразователем рода тока и не требует приводного двигателя. При этом в статическом режиме преобразования трехфазного тока в постоянный машина не нуждается в компенсационной обмотке, поскольку составляющие МДС якоря и , соответствующие переменной и постоянной составляющим тока якоря по всей длине окружности якоря, развернутой вдоль угловой координаты α, практически сбалансированы. При переходных процессах, вызванных ударными нагрузками со стороны потребителя постоянного тока, баланс и временно нарушается за счет неконтролируемого преобразования кинетической энергии вращающегося якоря, и добавочные полюсы в своем традиционном применении со своей задачей не справляются, что приводит к опасным нарушениям коммутации. По тем же причинам может нарушаться баланс и и при переходных процессах в режиме преобразования постоянного тока в трехфазный. Кроме того, в этом режиме баланс составляющих МДС якоря и сильно зависит от характера трехфазного тока, то есть от cosϕ, поскольку график смещается относительно оси коммутационной зоны в ту или иную сторону на электрический угол ϕ.

Во втором характерном варианте применения одноякорный преобразователь, приводимый во вращение первичным двигателем, работает генератором двойного тока, питая потребителей со стороны контактных колец трехфазным током, а со стороны коллектора - постоянным. В этом случае и действуют согласно, резко усложняя условия в коммутационной зоне и потенциальные условия на коллекторе. Неопределенность этих условий осложняется и изменениями cosϕ.

В любом из перечисленных режимов дополнительные полюсы при традиционном включении принципиально неадекватны, так как не могут реагировать на существование и изменение , поскольку их обмотка обтекается только постоянной составляющей тока якоря.

Задачей усовершенствования объекта заявки на изобретение является компенсация результирующей МДС якоря F_А(α) в коммутационной зоне до заданного уровня, включая возможность перекомпенсации в любом из указанных вариантов использования машины.

В предлагаемом одноякорном преобразователе для решения этой задачи предназначена независимая компенсирующая система, в состав которой входят последовательно соединенные обмотки добавочных полюсов и компенсационная, расположенная на главных полюсах вместо беличьей клетки или вместе с ней, датчик переменного тока и фазометр, включенные в одну из фаз, датчик постоянного тока, микроконтроллер, на входы которого поступают сигналы с датчиков тока и фазометра, и блок питания обмоток постоянным током, построенный на основе широтно-импульсного преобразователя, на вход которого с микроконтроллера поступает управляющий сигнал, обеспечивающий заданный уровень компенсации результирующей МДС якоря в коммутационной зоне, включая возможность перекомпенсации, в любом режиме работы машины.

Отказ от беличьей клетки не исключает возможности асинхронного пуска преобразователя трехфазного тока в постоянный, когда ее роль принимают на себя замкнутые на резисторы цепи обмоток возбуждения и компенсационной, а в других режимах машина в пусковой беличьей клетке не нуждается. Упомянутые резисторы и соответствующая коммутационная аппаратура в конструкцию одноякорного преобразователя не входят.

На фиг.1 представлены диаграммы МДС постоянного и переменного токов, а также диаграмма результирующей МДС F_А(α) для варианта работы машины преобразователем рода тока в случае ϕ=0°. На той же фигуре представлены диаграммы МДС постоянного и переменного токов, а также диаграмма результирующей МДС F'_А(α) для варианта работы машины преобразователем рода тока в случае ϕ=30°.

На фиг.2 представлены диаграммы МДС постоянного и переменного токов, а также диаграмма результирующей МДС F_A(α) для варианта работы одноякорного преобразователя генератором двойного тока в случае ϕ=0°.

На фиг.3 представлена блок-схема заявляемого одноякорного преобразователя. Якорь 1 через контактные кольца может соединяться с трехфазной цепью, а через коллектор - с цепью постоянного тока. В любом варианте конструктивное исполнение якоря - с единой обмоткой, обтекаемой одновременно трехфазным и постоянным токами, или с раздельными обмотками для трехфазного и постоянного токов - принципиального значения не имеет. Обмотка возбуждения 2, как и в большинстве случаев, соединена параллельно с якорем. Обмотки добавочных полюсов 3 и компенсационная 4 соединены последовательно и включены на блок питания компенсирующей системы 5, построенный на основе широтно-импульсного преобразователя. Род тока источника электроэнергии для блока 5 значения не имеет. В цепь одной из фаз включены датчик переменного тока 6 и фазометр 7, а в цепь постоянного тока - датчик постоянного тока 8. Сигналы с датчиков тока и фазометра, содержащие необходимую и достаточную информацию о режиме работы одноякорного преобразователя, поступают на входы микроконтроллера 9. Способ передачи этой информации - цифровой или аналоговый - значения не имеет. Под микроконтроллером подразумевается функционально-техническое единство микропроцессора, устройств памяти, управления, ввода/вывода и периферийных устройств. С выхода микроконтроллера сигнал управления, обеспечивающий заданный уровень компенсации м.д.с. якоря, обусловленной совместным действием постоянной и переменной составляющих тока якоря, подается на вход блока 5, питающего постоянным током последовательно соединенные обмотки 3 и 4. Способ формирования управляющего сигнала - цифровой или аналоговый - значения не имеет.

Алгоритм компенсации результирующей МДС якоря в коммутационной зоне до заданного на стадии проектирования машины уровня основывается на обработке информации об отклонениях фактического режима работы машины от эталонного, например, номинального. Задача управления компенсирующей системой сводится к минимизации до заданного уровня разности площадей S, ограниченных расчетными графиками результирующей МДС якоря F_A(α) и МДС компенсирующей системы F_C(α) на двух участках окружности якоря, развернутой вдоль угловой координаты α. Первый участок начинается на оси дополнительного полюса (α=0) и заканчивается на оси главного полюса . Второй участок начинается на оси главного полюса и заканчивается на оси дополнительного полюса (α=π). Математической основой этого алгоритма является метод наименьших квадратов, а структурная схема представлена на фиг.4. От варианта преобразования энергии и режима работы одноякорного преобразователя работа алгоритма не зависит.

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано в двух вариантах преобразования энергии. Техническим результатом является компенсация результирующей магнитодвижущей силы (МДС) якоря в коммутационной зоне до заданного уровня, включая возможность перекомпенсации в любом варианте использования машины. В одноякорном преобразователе используется независимая компенсирующая система, в состав которой входят последовательно соединенные обмотки добавочных полюсов и компенсационная, расположенная на главных полюсах, датчик переменного тока и фазометр, включенные в одну из фаз, датчик постоянного тока, микроконтроллер, на входы которого поступают сигналы с датчиков тока и фазометра, и блок питания обмоток постоянным током, построенный на основе широтно-импульсного преобразователя, на вход которого с микроконтроллера поступает управляющий сигнал, обеспечивающий заданный уровень компенсации результирующей МДС якоря в коммутационной зоне. 4 ил.

Одноякорный преобразователь, содержащий якорь с коллектором и контактными кольцами, а также главные и добавочные полюсы традиционного исполнения, отличающийся тем, что он дополнен независимой компенсирующей системой, в состав которой входят последовательно соединенные обмотки добавочных полюсов и компенсационная, расположенная на главных полюсах вместо беличьей клетки, датчик синусоидального тока и фазометр, включенные в одну из фаз, датчик постоянного тока, микроконтроллер, на входы которого поступают сигналы с датчиков тока и фазометра, и блок питания обмоток постоянным током, построенный на основе широтно-импульсного преобразователя, на вход которого с микроконтроллера поступает управляющий сигнал, обеспечивающий заданный уровень компенсации МДС якоря в коммутационной зоне машины в любом режиме работы.