ВЕНТИЛЬНАЯ МАШИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2008 года по МПК H02P27/06 H02M5/275 H02M7/53 

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

Известен самовозбуждающийся инвертор [1], содержащий трехфазный мост транзисторов и три трансформатора. На каждом трансформаторе расположены первичные, синхронизирующие обмотки и обмотки обратной связи.

Недостатком является то, что из-за наличия трансформаторов с обмотками ухудшаются весогабаритные показатели и увеличивается трудоемкость изготовления инвертора в целом.

Известна вентильная машина переменного тока [2], содержащая ротор, статор с трехфазной рабочей обмоткой, соединенной в звезду и подключенной к выходу мостового автономного инвертора, состоящего из ветвей на транзисторах различной проводимости, и дополнительную трехфазную обмотку управления транзисторами инвертора, концы которой согласно-последовательно соединены с рабочей обмоткой, а начала соединены через токоограничительные сопротивления с базами транзисторов инвертора. Недостатками 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.

Прототипом является вентильная машина [3], 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, дополнительную 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.

Недостатками являются: магнитная система каждой фазы находится в режиме насыщения в течение одной трети полупериода, что вызывает дополнительные потери мощности в сердечнике статора и приводит к снижению КПД электрической машины, наличие трехфазной синхронизирующей обмотки, а также второй трехфазной обмотки управления вызывает увеличение расхода меди, усложняет технологию производства, снижает надежность и вызывает дополнительные потери мощности как во входных цепях транзисторов, так и в трехфазной синхронизирующей обмотке.

Задачей изобретения является повышение КПД и надежности работы, упрощение конструкции и технологии производства вентильной машины переменного тока, повышение точности задания сдвига фаз между выходными напряжениями инвертора.

Поставленная задача решается созданием вентильной машины переменного тока, содержащей ротор, статор с трехфазной рабочей обмоткой, соединенной в звезду, и тремя обмотками управления, подключенными к выходу мостового автономного инвертора, состоящего из ветвей на транзисторах различной проводимости, к базам которых подключены токоограничительные сопротивления, вольтодобавочный трансформатор с тремя вторичными обмотками, начала которых соединены через токоограничительные сопротивления к базам транзисторов мостового автономного 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 мостовому автономному 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, согласно изобретению в статоре размещены взамен трехфазных обмоток управления три обмотки управления, начала которых подключены к выходу мостового автономного инвертора, а концы - к концам вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора, трехфазная рабочая обмотка, соединенная в звезду, начала которой подключены к выходу мостового автономного инвертора, а нейтральная точка звезды подключена к началу первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора.

Сущность изобретения пояснена чертежами. На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема трехфазной вентильной машины переменного тока. На фиг.2а - зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля, на 2б - временные диаграммы магнитных индукций фаз. На фиг.3 - временные диаграммы фазных напряжений. На фиг.4 - напряжение на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора. На фиг.5 - формирование прямоугольных управляющих напряжений транзисторов.

Трехфазный мостовой автономный 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 комплиментарные пары.

К выходам А, В, С трехфазного мостового автономного инвертора подключены начала соответствующих фаз рабочей обмотки 7, 8, 9. Концы обмотки 7, 8, 9 соединены в звезду.

Начала обмоток управления 10, 11, 12 подключены соответственно к выходам А, В, С мостового автономного инвертора.

Начало первичной обмотки 13 вольтодобавочного трансформатора 14 соединено с нулевой точкой звезды, которую образует трехфазная рабочая обмотка, а конец - со средней точкой источника постоянного напряжения, образованной конденсаторами 15 и 16 одинаковой емкости.

Начала вторичных обмоток 17, 18, 19 вольтодобавочного трансформатора подключены к токоограничительным сопротивлениям 20, 21, 22 соответственно, а концы вторичных обмоток 17, 18, 19 подключены к концам обмоток управления 10, 11, 12 соответственно.

Дополнительный полумостовой каскад на комплиментарных транзисторах 23, 24, управляемый задающим генератором 25, подключен параллельно трехфазному мостовому автономному инвертору по цепи питания. Нагрузкой этого каскада является обмотка управления 26 вольтодобавочного трансформатора. Конец этой обмотки подключен к средней точке источника питания, начало - к средней точке 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 В_А фазы А равна индукции отрицательного насыщения (точка 6 на фиг.2а).

2. Магнитная индукция В_B фазы В соответствуют точке д (фиг.2а).

3. Магнитная индукция В_С фазы С соответствует точке д (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.

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

На основании временных диаграмм, магнитных индукций фаз (фиг.2б) построены временные диаграммы напряжений на рабочих обмотках (фиг.3). Следует отметить, что напряжения на рабочих обмотках одновременно являются фазными напряжениями.

Фазные напряжения имеют двухступенчатую форму с амплитудой первой ступени 1/3 U_ип и второй ступени - 2/3 U_ип, где U_ип - напряжение источника постоянного напряжения. 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 27 начинает вращаться.

Временная диаграмма напряжения U_o 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, 4] и расширяет диапазон регулирования частоты вращения вентильной машины переменного тока.

Минимальная мощность вольтодобавочного трансформатора, необходимая для синхронизации, может быть принята равной мощности дополнительного полу мостового каскада, описанного в [3, 4].

Управляющие напряжения транзисторов мостового автономного инвертора формируются на обмотке управления u'_ó1 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 17, 18, 19 вольтодобавочного трансформатора 14. Временная диаграмма на фиг.5 поясняет формирование прямоугольных управляющих напряжений транзисторов мостового автономного инвертора фазы А. Напряжение управляющей обмотки u'_ó1 суммируется с напряжением u'_o вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора.

Регулирование частоты выходных напряжений трехфазного мостового автономного инвертора осуществляется за счет изменения частоты управляющих импульсов, подаваемых на транзисторы 23, 24 от задающего генератора 25.

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 59,5%, коэффициент мощности 0,8. Мостовой автономный инвертор выполнен на транзисторах КТ825А и КТ827А, образующих комплиментарные пары. Частота выходных напряжений инвертора 200 Гц.

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

Использование предлагаемого изобретения позволяет улучшить КПД вентильной машины переменного тока за счет того, что магнитная система каждой фазы входит в режим насыщения кратковременно, упростить конструкцию и технологию производства вентильной машины переменного тока, а также сократить расход меди за счет упрощения схемы соединения обмоток статора и уменьшения количества обмоток управления, при этом сокращается разброс параметров, за счет чего повышается точность задания сдвига фаз между выходными напряжениями мостового автономного инвертора.

Источники информации

1. А.с. № 1506502 (СССР), М. Кл. Н02М 1/538. 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, № 33.

2. А.с. № 1046863 (СССР), М. Кл. Н02К 29/02. Асинхронная вентильная машина. // Костырев М.Л., Кудояров В.Н., Волгин В.Н., Грачев П.Ю., Дудышев В.Д. Опубл. Б.И. 1983, № 37

3. Патент № 2147154 (РФ), М. Кл. 7 Н02К 29/00. Вентильная машина переменного тока. // Газизов P.M., Зиннер Л.Я., Кропачев Г.Ф., Макаров В.Г., Толмачева А.В. Опубл. Б.И. 2000, № 9.

4. А.с. № 432642 (СССР), М. Кл. Н02m 7/48. Трехфазный инвертор. // Войтович И.А., Моин B.C., Лысенко Л.А. Опубл. Б.И. 1974, № 22.

Изобретение относится к области электротехники, может быть использовано в системе электропривода. Техническим результатом является повышение КПД и надежности работы, упрощение конструкции и технологии производства. Вентильная машина переменного тока содержит ротор, статор с трехфазной рабочей обмоткой, соединенной в звезду, три обмотки управления, начала которых подключены к выходу мостового автономного инвертора, а их концы - к концам вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора. Начала трехфазной рабочей обмотки подключены к выходу мостового автономного инвертора, а ее концы образуют нейтральную точку звезды и подключены к началу первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора. Использование указанной схемы соединения обмоток приводит к тому, что магнитная система каждой фазы входит в режим насыщения лишь кратковременно. 5 ил.

Вентильная машина переменного тока, содержащая ротор, статор с трехфазной рабочей обмоткой, соединенной в звезду, и трехфазные обмотки управления, подключенные к выходу мостового автономного инвертора, состоящего из ветвей на транзисторах различной проводимости, к базам которых подключены токоограничительные сопротивления, вольтодобавочный трансформатор с тремя вторичными обмотками, начала которых соединены через токоограничительные сопротивления к базам транзисторов мостового автономного 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 ее начало - к нулевой точке звезды, образованной трехфазной рабочей обмоткой, а также полумостовой каскад на транзисторах, подключенный параллельно мостовому автономному 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, отличающаяся тем, что в статоре размещены три обмотки управления, начала которых подключены к выходу мостового автономного инвертора, а концы - к концам вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора, трехфазная рабочая обмотка, соединенная в звезду, начала которой подключены к выходу мостового автономного инвертора, а нейтральная точка звезды подключена к началу первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора.