СХЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА Российский патент 2014 года по МПК H03F3/217 

Область техники

Это изобретение, в целом, относится к силовой электронике и, в частности, к усовершенствованной системе возбуждения магнитного подшипника.

Предшествующий уровень техники

Традиционный усилитель магнитного подшипника подобен по топологии усилителю, используемому для привода с переключаемым магнитным сопротивлением. Однако ситуация с усилителем магнитного подшипника отличается тем, что передаваемая мощность будет полностью реактивной (поскольку не выполняется никакая механическая работа).

На практике магнит может быть смоделирован как катушка индуктивности с потерями в меди и, возможно, даже с потерями в сердечнике. Однако в установках с длинными силовыми кабелями, проходящими в магнитные подшипники (что часто имеет место в реальных воплощениях, поскольку часто требуется промежуток между механизмами, содержащими подшипники, и схемами возбуждения подшипника, например, когда подшипник находится в энергозависимом газовом компрессоре), действия емкости и линии передачи длинных силовых кабелей магнита, проходящих в магнитные подшипники и выходящих из них, и их соответственные схемы возбуждения будут давать в результате высокие токи на переключающихся гранях и очень высокие напряжения на нагрузке (т.е. на магнитном подшипнике).

Высокие токи могут вызвать повреждение или другие вредные воздействия на подшипники или схемы возбуждения. Вредные воздействия могут также усиливаться, что является особой проблемой, поскольку рабочие напряжения для таких магнитных подшипников составляют (уже) обычно порядка нескольких сотен вольт (например, 600 В).

Таким образом, имеется потребность в усовершенствованной системе возбуждения магнитного подшипника.

Краткое изложение сущности изобретения

Варианты осуществления настоящего изобретения подают энергию, связанную с переключением силовых кабелей магнита, моделируемой линии передачи, обратно в линию постоянного тока (т.е. источник питания) усилителя возбуждения магнита и будут ограничивать напряжение на нагрузке без компрометации динамических характеристик усилителя возбуждения подшипника.

Таким образом, предоставлена схема возбуждения магнитного подшипника, приводимая в действие от пары шин напряжения линии постоянного тока, причем упомянутая схема возбуждения магнитного подшипника имеет, по меньшей мере, один усилитель, обеспечивающий выходной ШИМ сигнал возбуждения для возбуждения обмотки магнитного подшипника, причем упомянутый выходной ШИМ сигнал возбуждения обеспечивается в обмотку магнитного подшипника через множество шин сигнала возбуждения, причем упомянутая схема возбуждения магнитного подшипника содержит пару устройств смещения напряжения, соединенных с шинами напряжения линии постоянного тока и выполненных с возможностью обеспечения пары шин напряжения ограничителя смещения из шин напряжения линии постоянного тока, и первичное фиксирующее уровень средство, соединенное между каждой шиной напряжения ограничителя смещения и соответственной одной из шин сигнала возбуждения. Таким образом, обе шины ограничителя соединяются с каждой “ножкой” магнитного подшипника через первичное фиксирующее уровень средство.

Выборочно, каждое устройство смещения напряжения дополнительно содержит цепь развязывающего конденсатора, соединенную между землей и каждой шиной напряжения ограничителя смещения.

Выборочно, первичное фиксирующее уровень средство содержит пару фиксирующих уровень диодов на соответственную шину сигнала возбуждения.

Выборочно, пара первичных фиксирующих уровень диодов соединена последовательно между шинами напряжения ограничителя смещения, и узел между первичными фиксирующими уровень диодами соединен с соответственной шиной сигнала возбуждения.

Выборочно, устройство смещения напряжения содержит одно из следующего: последовательный резистор, соединенный между соответственной шиной напряжения линии постоянного тока и шиной напряжения ограничителя смещения, (силовой) стабилитрон, имеющий предварительно определенное пороговое напряжение, соединенный между соответственной шиной напряжения линии постоянного тока и шиной напряжения ограничителя смещения, преобразователь постоянного тока в постоянный ток, выходным сигналом которого является напряжение линии постоянного тока между шинами напряжения линии постоянного тока и входным сигналом которого является предварительно определенное напряжение смещения, соединенный между соответственной шиной напряжения линии постоянного тока и обеими шинами напряжения ограничителя смещения, или конденсатор, резистор и переключатель, образующие задерживающую схему.

Выборочно, устройство смещения напряжения содержит (силовой) стабилитрон, а схема дополнительно содержит резистор последовательно с каждым стабилитроном.

Выборочно, устройство смещения напряжения содержит мощный стабилитрон, сформированный из стабилитрона малой мощности, соединенного через силовой MOSFET или IGBT транзистор.

Выборочно, силовой стабилитрон содержит множество стабилитронов малой мощности, выборочно соединенных через силовой MOSFET или IGBT транзистор, чтобы обеспечить силовой стабилитрон с переменным пороговым напряжением.

Выборочно, выпрямительные диоды могут быть соединены между устройствами смещения напряжения и шинами напряжения линии постоянного тока, чтобы обеспечивать передачу мощности только обратно в напряжение линии постоянного тока.

Выборочно, устройства смещения напряжения расположены либо на конце усилителя всей системы, содержащей магнитный подшипник, усилитель магнитного подшипника и длину кабелей между ними, либо на конце магнитного подшипника всей системы, содержащей магнитный подшипник, усилитель магнитного подшипника и длину кабелей между ними.

Выборочно, вторичное фиксирующее уровень средство может быть соединено между каждой шиной напряжения линии постоянного тока и шиной сигнала возбуждения.

Выборочно, вторичное фиксирующее уровень средство содержит дополнительное множество (силовых) диодов последовательно с резисторами, соединенных между каждой шиной напряжения линии постоянного тока и шиной сигнала возбуждения.

Вариант вышеупомянутой схемы возбуждения магнитного подшипника может также использоваться для схем возбуждения другого механизма.

Краткое описание чертежей

Дополнительные детали, аспекты и варианты осуществления изобретения будут описаны, только в качестве примера, со ссылкой на чертежи. На чертежах одинаковые ссылочные номера используются, чтобы идентифицировать одинаковые или функционально подобные элементы. Элементы на фигурах проиллюстрированы для простоты и ясности и не обязательно изображены в масштабе.

Фиг.1 схематически изображает, как обмотки магнитного подшипника могут начинаться отдельно или совместно использовать обратный маршрут, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 изображает принципиальную схему высокого уровня схемы усилителя магнитного подшипника в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 изображает принципиальную схему компонентного уровня схемы усилителя магнитного подшипника, имеющего только устройство первичного фиксирующего уровень диода, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4А - 4С изображают принципиальные схемы компонентного уровня силового стабилитрона и стабилитрона переменной мощности в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 изображает форму сигнала напряжения относительно времени входного напряжения магнитного подшипника, приложенного без настоящего изобретения.

Фиг.6 изображает форму сигнала напряжения относительно времени входного напряжения магнитного подшипника в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Поскольку проиллюстрированные примеры настоящего изобретения, большей частью, могут быть осуществлены с использованием электронных компонентов и схем, известных специалистам в данной области техники, детали не будут объяснены в некоторой большей степени, чем степень, считаемая необходимой для понимания и восприятия основных концепций настоящего изобретения, и для того чтобы не затенять идеи настоящего изобретения или не отвлекать от них.

Магнитные подшипники используются во множестве ситуаций, наиболее заметно, в заводских механизмах, таких, что нашли применение в приведении в действие многих промышленных процессов. Примеры включают в себя промышленные насосы, генераторы и тому подобное. Часто для безопасности/гигиены или других причин магнитные подшипники располагаются отдельно от своих схем управления и возбуждения. Схемы возбуждения обычно содержат множество усилителей, питаемых от подходящего напряжения линии постоянного тока (источника питания), причем каждый усилитель подает специально управляемый сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) возбуждения в одно или более множеств обмоток в магнитном подшипнике.

Обычная система работает с напряжениями линии постоянного тока от 0 В до 390 В, от 0 В до 600 В или от -150 В до +150 В (т.е. с диапазоном 300 В, центрированным относительно земли). Однако методология настоящего изобретения не ограничена таким образом. Разные диапазоны напряжения просто требуют разных используемых значений сопротивления, напряжений пробоя/пороговых напряжений и тому подобного.

ШИМ сигналы возбуждения, возбуждающие обмотки магнитного подшипника, часто находятся на высокой частоте. Для таких высокочастотных импульсов (длинные) силовые кабели магнита, соединяющие схемы возбуждения с магнитным подшипником, могут рассматриваться как линия передачи.

Обычной практикой, используемой, чтобы получать наилучшую импульсную характеристику или самую плоскую частотную характеристику из линии передачи, является возбуждать ее из (последовательного) импеданса источника, равного характеристическому сопротивлению линии передачи, и заканчивать ее (параллельным) сопротивлением или импедансом аналогичного значения (так называемое согласование импеданса). Это исключает отражения в линии передачи.

Принимая в качестве примера 200 метровый кабель, подходящий для использования в качестве прокладки силовых кабелей магнита, тестовые измерения определяют характеристическое сопротивление, равное 43 Ом (где тесты измеряли квадратный корень индуктивности на единицу длины, разделенный на емкость на единицу длины).

Для такого кабеля высокое значение индуктивности магнита (20 мГн или более) обмотки магнитного подшипника фактически представляет конечную нагрузку холостого хода на конце магнитного подшипника силового кабеля магнита (на обычно используемой несущей частоте 10 кГц широтно-импульсной модуляции).

Просто включение резистора 43 Ом параллельно с обмоткой магнитного подшипника обеспечило бы хорошую конечную нагрузку (благодаря ее соответствию характеристическому сопротивлению силового кабеля, моделируемого с помощью линии передачи), но также внесло бы значительные потери мощности вследствие существенного сопротивления через напряжение, подаваемое в соответствующую обмотку магнитного подшипника.

Например, потери мощности = V²/R, и когда рабочее напряжение равно 600 В (что является достаточно типичным в применениях магнитного подшипника), мгновенные потери для одного магнита были бы:

(600*600)/43=8372 Ватт.

Учитывая, что мощность подается в подшипник в виде ШИМ сигнала, полное напряжение подается только в течение части времени (причем обычным примером является около 10%). Это делает потери мощности, фактически наблюдаемые на резисторе 43 Ома на конце магнитного подшипника силовых кабелей магнита, около 837 Ватт на магнит. Однако эти уровни являются, все же, очень высокими.

Эта мощность не только должна бы обеспечиваться источником электропитания (вместе с мощностью, используемой самим магнитным подшипником (подшипниками)), но эта излишняя мощность также должна рассеиваться в нагрузке. В герметизированных подшипниках потери в оболочке также могут вносить дополнительный вклад в такие резистивные потери/ослабление.

Без параллельного резистора конечной нагрузки, импульсный сигнал, поступающий на конец магнита, будет видеть импеданс более высоким, чем характеристическое сопротивление кабеля, и напряжение перехода импульса будет удвоено, так как импульс отражается без инвертирования обратно по направлению к посылающему концу.

Кроме того, нежелательно просто использовать последовательный резистор в источнике (равный 43 Ом, чтобы соответствовать вычисленному характеристическому сопротивлению силовых кабелей питания в этом примере), поскольку это было бы приблизительно в 100 раз больше, чем собственное сопротивление кабеля, вызывая нежелательное, значительное и недопустимое падение напряжения постоянного тока пропорционально току, передаваемому в обмотку магнита (поскольку потери мощности = I²R). Для того чтобы дать представление, обычно рекомендуется использовать сопротивление кабеля, равное менее 0,5 Ом, чтобы поддерживать потери мощности I²R как можно меньшими. Таким образом, сопротивление 43 Ом увеличивало бы это полное сопротивление кабеля приблизительно в 100 раз. Кроме того, эта топология требовала бы резистора (очень) высокой номинальной мощности (которые являются громоздкими и дорогими).

Кроме того, поскольку импеданс источника фактически равен нулю на конце усилителя, любой сигнал возбуждения, отраженный от дальнего конца, будет фактически инвертироваться и возвращаться обратно (т.е. отражаться) по направлению к магнитному подшипнику, чтобы еще раз отражаться обратно по направлению к усилителю без инвертирования. Это могло бы происходить регулярно, давая в результате “зацикливание” в линии (что является особенно вредным для схем усилителя). Более подробно, если имеется фактическая оконечная нагрузка холостого хода на дальнем конце и нулевой импеданс на посылающем конце, любой импульс, поступающий на дальнем конце на холостом ходу будет удваиваться по величине (например, до 1200 В, если первоначальное напряжение было 600 В) и проделывать свой путь обратно в посылающий конец, только, чтобы столкнуться с оконечной нагрузкой короткого замыкания и распространиться обратно в конец нагрузки, теперь инвертированным, и т.д. Такой эффект может быть продемонстрирован при низком напряжении в коаксиальном видеокабеле. Результат похож на кольцевую схему затухания, но с прямоугольной, а не с синусоидальной формой сигнала. Коэффициент затухания кольцевой схемы зависит от потерь в силовом кабеле магнита (т.е. потерь через фактическое последовательное сопротивление кабеля по сравнению с характеристическим сопротивлением 43 Ом, вычисленным с помощью моделирования силовых кабелей как линии передачи). Обычно кольцевая схема могла бы затухать на от 5% (кабель магнита с большим поперечным сечением) до 40% (коаксиальный видеокабель) для каждого перехода вверх и вниз длинного кабеля.

Однако было обнаружено, что с помощью фиксации уровня первого избыточного отклика на ступенчатое воздействие с помощью “фиксирующего уровень” диода, подключенного к напряжению, установленному немного выше (относительно полярности напряжения, т.е. выше положительного числа, которое является более положительным, и выше отрицательного числа, которое является более отрицательным) напряжение шины питания ШИМ усилителя, возбуждающего обмотку магнитного подшипника, и восстановления энергии от зацикливания в этих шинах напряжения “ограничителя”, можно в значительной степени уменьшить амплитуду любых дополнительных эффектов зацикливания вперед и назад в одном столкновении. Это в сущности является результатом завершения избыточной части напряжения отражения в искусственный почти нулевой импеданс на дальнем конце на холостом ходу.

Второй “фиксирующий уровень” диод может использоваться для отрицательных переходов, и в этом случае ограничивающее напряжение должно быть немного выше отрицательного напряжения возбуждения, т.е. более отрицательным, чем отрицательная шина, подающая мощность в источник импульсов (т.е. усилитель возбуждения магнитного подшипника).

Предпочтительно “фиксирующие уровень” диоды являются диодами с быстрым накоплением заряда и используются в паре (на ветвь силового кабеля магнитного подшипника).

Каждый силовой кабель магнита содержит две “ножки”, т.е. проводник тока, проходящий из усилителя возбуждения в обмотку магнитного подшипника, и проводник тока, приходящий обратно из обмотки магнитного подшипника в усилитель возбуждения. Обмотки магнитного подшипника часто возбуждаются противолежащими парами, таким образом, множество противолежащих магнитов могут совместно использовать один обратный маршрут, например, ветвь, как изображено на фиг.1 (где А1 и В1 110 представляют отдельную/изолированную разводку кабелей возбуждения магнита, а А2/В2 представляют совместно используемую общую обратную ситуацию).

Каждая обмотка/ножка магнитного подшипника (или совместно используемый обратный маршрут) обычно имеет два связанных ограничивающих диода, таким образом, четыре используются на обмотку магнитного подшипника. В одном варианте осуществления диоды не имеют последовательных резисторов и подключаются на смещение напряжения ограничителя выше и ниже ограничений напряжения линии постоянного тока на предварительно определенную величину смещения напряжения. Однако резисторы, соответствующие сопротивлению силовых кабелей магнита, могут использоваться в альтернативных вариантах осуществления.

Каждое напряжение ограничителя (т.е. приемника напряжения) предпочтительно имеет два развязывающих конденсатора, причем один соединен с землей, а другой подключен к напряжению ограничителя противоположной полярности. Земля является обычно локальным потенциалом земли металлообрабатывающего станка, не земляным проводником в кабеле магнита.

Несмотря на то что отдельная схема может подавать напряжения ограничителя, является предпочтительным использовать напряжение линии постоянного тока, таким образом, что энергия возвращается в линию постоянного тока, а не теряется. Таким образом, с точки зрения энергетической эффективности, гораздо лучше использовать устройства смещения напряжения, соединенные обратно с линией постоянного тока, чтобы возвращать мощность в линию постоянного тока всякий раз, когда положительное напряжение возбуждения превышает положительный потенциал напряжения линии постоянного тока на предварительно определенную величину смещения, а также для отрицательного напряжения возбуждения, превышающего отрицательный потенциал линии постоянного тока. Напряжения смещения обычно бывают от 15 В до 50 В соответствующей величины линии постоянного тока (т.е. от (-15 В до +615 В) и от (-50 В до +650 В) для обычного напряжения линии постоянного тока, равного 600 В).

Когда кабель возврата мощности не предусмотрен, имеется вариант использовать схему задерживающего резистора, чтобы рассеивать мощность, которая иначе возвращалась бы в источник. В этом случае схема, которая подает в соответственный кабель возврата мощности, подавала бы вместо этого в электролитический конденсатор большой емкости, и этот конденсатор разряжался бы с помощью резистора, соединенного через конденсатор с помощью полупроводникового переключателя. Обычным действием для такой задерживающей схемы является, для переключателя, начинать проводить, когда напряжение поднимается выше высокого (более высокого) порогового значения), и прекращать проводить, когда напряжение конденсатора опускается ниже низкого (более низкого) порогового значения. Гистерезис между двумя уровнями напряжения мог бы быть обычно от 15 до 50 В и, таким образом, оба порога были бы выше разброса напряжения линии постоянного тока, и, таким образом, не было бы необходимо использовать устройство смещения напряжения, чтобы вместо этого распределять уровни фиксирующего напряжения вне диапазона линии постоянного тока. Однако это является неэффективным осуществлением, так как энергия просто расточительно сбрасывается в задерживающую схему.

Устройства смещения напряжения обычно используются парами, одно для положительного смещения в положительную шину напряжения ограничителя, а другое для отрицательного смещения в отрицательную шину напряжения ограничителя. Устройства смещения напряжения могут быть расположены на любом конце кабеля возврата мощности (т.е. на конце схемы возбуждения/управления или на конце нагрузки).

Может использоваться ряд разных устройств смещения, например, может использоваться простой резистор, чтобы создавать смещение напряжения. Однако в этом случае напряжение смещения является прямо пропорциональным току возврата мощности. Таким образом, резистор является простым и дешевым, но не обеспечивает наилучшие характеристики.

Самым простым вариантом осуществления устройства смещения постоянного напряжения является стабилитрон. При возбуждении больших напряжений и токов обычно используется стабилитрон. Напряжение стабилитрона (пробоя, т.е. пороговое) будет в диапазоне от 10 В до 50 В, а ток стабилитрона мог бы быть целых 5 А. Таким образом, рассеяние может быть до 250 Вт. Мощный стабилитрон может быть осуществлен с помощью соединения обычного стабилитрона 400 мВт (т.е. малой мощности) подключенного через силовой полупроводник, такой как полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник MOSFET) или биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), чтобы создавать напряжение затвора некоторой определенной величины, меньшей чем напряжение коллектора (при использовании IGBT) или стока (при использовании MOSFET). Пороговое напряжение силового стабилитрона тогда является напряжением пробоя стандартного стабилитрона (обычно 400 мВт) плюс пороговое напряжение затвора силового полупроводника (которое может быть обычно от 5 В до 10 В). Сумма устанавливается находящейся в диапазоне от 10 В до 50 В, упомянутом ранее.

Более сложным решением является использовать преобразователь постоянного тока в постоянный ток, чтобы выполнять смещение напряжения вместо силового стабилитрона. Идеально использовался бы гальванически изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный ток, который имеет входное напряжение, которое является таким же, что и пороговое напряжение силового стабилитрона, который заменяет преобразователь постоянного тока в постоянный ток. Выходное напряжение является обычно напряжением линии постоянного тока (т.е. 0 В или +600 В). Входное напряжение может регулироваться с помощью расположения преобразователя постоянного тока в постоянный ток таким образом, что преобразователь доставляет постепенно больше мощности обратно в шину линии постоянного тока, когда напряжение повышается выше установленной величины (от 10 В до 50 В). Это улучшает эффективность мощности, но за счет более сложных схем ограничителя.

Другой возможностью является использовать конфигурацию повышающего преобразователя (не гальванически изолированного), чтобы возвращать мощность из напряжения ограничителя смещения в шину линии постоянного тока. В этом случае контур управления повышающего преобразователя должен был бы быть установлен таким образом, чтобы регулировать входное напряжение с помощью регулировки тока, принимаемого со входа, вверх, когда входное напряжение повышается выше установленной величины.

Кроме того, может быть второе множество фиксирующих уровень диодов, которые имеют резисторы, приблизительно равные характеристическому сопротивлению силового кабеля магнита, соединенные последовательно с ними. Это второе множество фиксирующих уровень диодов подключается непосредственно к напряжению линии постоянного тока кабеля возврата мощности (не к напряжению ограничителя смещения). Присутствие резистора не дает ограничивающему диоду становиться предпочтительным маршрутом для тока маховика, и величина выбирается таким образом, чтобы должным образом закончить характеристическое сопротивление. Последовательный порядок вторичных фиксирующих уровень диодов и последовательного резистора может быть изменен на обратный. Добавление этого второго множества фиксирующих уровень диодов вызывает дополнительную сложность, поскольку потребуются два множества кабелей возврата мощности (одно множество кабелей возврата 'смещения' и одно множество кабелей возврата 'линии постоянного тока'). Это влечет за собой либо второй кабель возврата мощности (на линию постоянного тока), либо, что устройства смещения напряжения расположены на конце нагрузки кабеля. Небольшие преимущества вторичного множества диодов не могут оправдать дополнительную сложность и проблемы, связанные с наличием устройств смещения напряжения, расположенных на конце нагрузки кабеля.

Если система использовала бы только вторичные фиксирующие уровень диоды (с последовательными резисторами), тогда первоначальные выбросы на фронте импульса напряжения были бы, все же, значительными по сравнению с выбросами, испытываемыми при использовании только первичных фиксирующих уровень диодов, поскольку они не являются настолько эффективными. Но длительность 'циклов' могла бы быть значительно уменьшена. Использование как первичных, так и вторичных фиксирующих уровень диодов обеспечивает сочетание их соответственных преимуществ.

Фиг.2 изображает принципиальную схему высокого уровня схемы 200 усилителя магнитного подшипника, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 напряжение/источник электропитания 210 линии постоянного тока подает питание на множество усилителей (220а-с) обмотки магнитного подшипника, причем каждый возбуждает, по меньшей мере, одну обмотку магнитного подшипника. Обмотки магнитного подшипника соединены через соответственные контакты (на фиг.2 изображены только два множества контактов - 130а/b). С каждым соответственным контактом 130а/b магнита соединены первичные фиксирующие уровень диоды 140а/b и, выборочно, фиксирующие уровень диоды 150а/b (пунктирные линии). Первичные фиксирующие уровень диоды 140а/b подключены между положительной шиной 160 напряжения ограничителя и 'отрицательной' шиной напряжения ограничителя, обеспеченными соответственными устройствами 165 и 175 смещения напряжения. Эти устройства смещения напряжения, в свою очередь, возвращаются к подходящему напряжению линии постоянного тока (т.е. для линии постоянного тока 0-600 В положительная шина ограничителя подключается к +600 В, а 'отрицательная' шина ограничителя подключается к 0 В) через блокирующие диоды 180 обратной связи. При осуществлении вторичные фиксирующие уровень диоды с резисторами 150а/b непосредственно соединяются с линией 210 постоянного тока. Каждый усилитель 220а-с имеет одно или более множеств первичных/вторичных фиксирующих уровень диодов, и они могут либо все использовать один и тот же кабель возврата мощности, либо отдельные кабели. Фиг.2 также изображает, где обеспечены соответственные части схемы, либо в шкафу управления, расположенном удаленно к месту, где установлен механизм, включающий в себя магнитный подшипник, либо в самом механизме.

Фиг.3 изображает принципиальную схему компонентного уровня схемы усилителя магнитного подшипника, имеющую только устройство первичного фиксирующего уровень диода 140а, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, где ссылочные номера соответствуют принципиальной схеме высокого уровня фиг.2, для того чтобы проиллюстрировать компонент, обычно используемый для соответственных частей всей схемы. Также изображены некоторые дополнительные компоненты, такие как параллельная катушка индуктивности и резистор последовательно с каждым ответвлением 310 кабеля (они также часто включаются, чтобы ограничивать скорость изменения тока со временем при состояниях короткого замыкания), обмотка 320 магнитного подшипника и цепь 330 развязывающего конденсатора.

Фиг.4А - 4С изображают, как силовой стабилитрон и переменный стабилитрон могут быть сформированы из одного или более стабилитронов (165^D1:1-N) малой мощности, соединенных с транзистором (165^D2) IGBT или MOSFET с высоким энергопотреблением, последовательно с резистором (165^R). Эти устройства могут формировать одно или более напряжений смещения ограничителя (положительных и отрицательных).

Фиг.5 изображает форму сигнала напряжения или тока относительно времени входного напряжения магнитного подшипника, приложенного без настоящего изобретения, где имеются выбросы 150 напряжения, видимые на форме волны сигнала напряжения возбуждения, изображенной в верхней части диаграммы, и циклы на форме волны сигнала тока, изображенной в нижней части.

Между тем, фиг.6 изображает в верхней части форму волны сигнала напряжения относительно времени входного напряжения магнитного подшипника, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, где выброс удален, чтобы образовать плато 610, видимое на форме волны сигнала напряжения возбуждения, а в нижней половине форма волны сигнала тока изображает уменьшенную продолжительность эффекта зацикливания. Было обнаружено, что, если напряжения ограничителя смещения являются слишком малыми (т.е. не распространяются достаточно устойчиво выше напряжения линии постоянного тока), тогда напряжение возбуждения имеет более длительное затухание.

Было обнаружено, что это из-за того, что, если напряжение, к которому подключается “фиксирующий уровень” диод (диоды), является слишком низким (т.е. слишком близким к напряжению линии постоянного тока), соответственный фиксирующий уровень диод может взять верх над диодом маховика в усилителе возбуждения магнитного подшипника, вызывая очень длинный задний фронт на импульсе тока на входе кабеля. При этих условиях ток обратного маршрута приблизительно равен половине суммы токов магнита в магнитах, с которыми связан ток обратного маршрута. Этого следует избегать с помощью обеспечения устойчивых напряжений ограничителя посредством подходящих устройств смещения напряжения, таких как устройство силового стабилитрона фиг.4.

В иллюстративной топологии, работающей при 600 В, было обнаружено, что при использовании резистора 22 Ом в каждой ветви возврата мощности в усилитель, ток обычно уменьшается приблизительно до 0,7 А, а не равен половине суммы токов магнита (10 А каждый), и из этого можно заключить, что два напряжения ограничителя, к которым подключаются стабилитроны, приблизительно на 15 В выше напряжения шины линии постоянного тока 600 В и на 15 В ниже шины 0 В. Таким образом, в сущности имеются параллельные линии формы волны сигнала напряжения от -15 В до +615 В, когда источник импульса был сгенерирован от 0 В до 600 В. Однако разные значения компонентов могут давать в результате/требовать другой уровень напряжения, в виде параллельных линий, обычно от 10 В - 50 В.

Даже, когда имеют место эти уровни ограничивающего напряжения, все же, могут быть некоторые длинные задние фронты тока, например, когда был более длительный интервал между кратковременными импульсными помехами мощности, чем “фиксирующий уровень” диод (диоды) способен ограничить, и, в результате два уровня параллельных линий (-15 В и +615 В) могут переместиться внутрь по направлению к напряжениям линии постоянного тока (например, 0 В и +600 В). Однако этого можно избежать с помощью использования устройства смещения напряжения, питаемого от магистральной линии постоянного тока, например, активного силового стабилитрона, выборочно последовательно с резистором 22 Ома. С помощью изменения напряжения стабилитрона (см. фиг.4С) задний фронт тока и ограничивающее напряжение могут быть оптимизированы.

Будет понятно, что раскрытые специфические значения компонентов являются только иллюстративными, а никоим образом не ограничивающими. Таким образом, в кратком обзоре, обычно может быть, по меньшей мере, одно множество (пара) фиксирующих уровень диодов на ответвление кабеля магнита с устройством приемника напряжения (напряжения ограничителя смещения) для каждой стороны (положительной и отрицательной) линии постоянного тока. Каждый приемник напряжения может требовать два развязывающих конденсатора, один на землю, а другой в приемник напряжения противоположной полярности. Земля является обычно локальным потенциалом земли металлообрабатывающего станка, не земляным проводником в кабеле магнита. Между тем, дополнительные опции для изменения включают в себя: А) фиксирующие уровень диоды могут включать в себя или могут не включать в себя последовательный резистор; В) возможность использования более одного множества фиксирующих уровень диодов (например, одно множество с последовательными резисторами, а другое множество без последовательных резисторов), соединенных с разными приемниками напряжения.

Разные способы обеспечения приемника напряжения могут включать в себя: С1) простой последовательный резистор (но смещение напряжения линии постоянного тока изменяется с протеканием тока); С2) силовой стабилитрон, чтобы добавлять постоянное напряжение к напряжению линии постоянного тока; С3) преобразователь напряжения постоянного тока в постоянный ток для преобразования напряжения стабилитрона в напряжение шины линии постоянного тока (чтобы уменьшать потери мощности и избегать необходимость рассеивать излишнее тепло); С4) последовательный резистор, дополнительный к силовому стабилитрону (для добавления защиты, если стабилитрон поврежден коротким замыканием); С5) сбрасывание мощности непосредственно в задерживающий резистор с управлением пороговым напряжением и без линии возврата мощности (но это не является достаточно энергетически эффективным). Силовые стабилитроны или преобразователи постоянного тока в постоянный ток могут быть на любом конце кабеля магнита.

Стандартные выпрямительные диоды 180 на конце усилителя обратного маршрута 180 постоянного тока обычно обеспечены только из-за причин защиты, чтобы предотвращать прямой поток тока.

Может быть одна обратная шина постоянного тока, необходимая для каждого отдельного усилителя, чтобы не давать линиям постоянного тока становиться соединенными между собой. Номинальное значение тока наихудшего случая обычно равно половине суммы токов магнита (следует заметить, что это вызвано соображениями самонагревания провода, так как падение напряжения не является в данном случае проблемой). Размер провода, равный 2,5 мм², должен быть достаточным для кабелей возврата мощности. В качестве сравнения, длинные кабели питания магнита, вероятно, должны иметь поперечное сечение, равное, по меньшей мере, 10 мм².

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к усовершенствованной системе возбуждения магнитного подшипника. Достигаемый технический результат - ограничение напряжения на нагрузке без компрометации динамических характеристик усилителя возбуждения подшипника. Схема возбуждения магнитного подшипника, приводимая в действие от пары шин напряжения линии постоянного тока, имеет, по меньшей мере, один усилитель, обеспечивающий выходной ШИМ сигнал возбуждения для возбуждения обмотки магнитного подшипника, упомянутый выходной ШИМ сигнал возбуждения подается в обмотку магнитного подшипника через множество шин сигнала возбуждения, причем схема возбуждения магнитного подшипника содержит пару устройств смещения напряжения, соединенных с шинами напряжения линии постоянного тока и выполненных с возможностью обеспечения пары шин напряжения ограничителя смещения из шин напряжения линии постоянного тока, и первичное фиксирующее уровень средство, соединенное между каждой шиной напряжения ограничителя смещения и соответственной одной из шин сигнала возбуждения. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Схема возбуждения магнитного подшипника, приводимая в действие от пары шин напряжения линии постоянного тока, причем упомянутая схема возбуждения магнитного подшипника имеет, по меньшей мере, один усилитель, обеспечивающий выходной ШИМ сигнал возбуждения для возбуждения обмотки магнитного подшипника, причем упомянутый выходной ШИМ сигнал возбуждения обеспечен в обмотку магнитного подшипника через множество шин сигнала возбуждения, причем упомянутая схема возбуждения магнитного подшипника содержит:
пару устройств смещения напряжения, соединенных с шинами напряжения линии постоянного тока и выполненных с возможностью обеспечения пары шин напряжения ограничителя смещения из шин напряжения линии постоянного тока, и
первичное фиксирующее уровень средство, соединенное между каждой шиной напряжения ограничителя смещения и соответственной одной из шин сигнала возбуждения.

2. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 1, в которой каждое устройство смещения напряжения дополнительно содержит цепь развязывающего конденсатора, соединенную между землей и каждой шиной напряжения ограничителя смещения.

3. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 1, в которой первичное фиксирующее уровень средство содержит пару фиксирующих уровень диодов на соответственную шину сигнала возбуждения.

4. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 3, в
которой пара первичных фиксирующих уровень диодов соединена последовательно между шинами напряжения ограничителя смещения, и узел между первичными фиксирующими уровень диодами соединен с соответственной шиной сигнала возбуждения.

5. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 1, в которой устройство смещения напряжения содержит:
последовательный резистор, соединенный между соответственной шиной напряжения линии постоянного тока и шиной напряжения ограничителя смещения, или
(силовой) стабилитрон, имеющий предварительно определенное пороговое напряжение, соединенный между соответственной шиной напряжения линии постоянного тока и шиной напряжения ограничителя смещения, или
преобразователь постоянного тока в постоянный ток, выходным сигналом которого является напряжение линии постоянного тока между шинами напряжения линии постоянного тока и входным сигналом которого является предварительно определенное напряжение смещения, соединенный между соответственной шиной напряжения линии постоянного тока и обеими шинами напряжения ограничителя смещения, или
конденсатор, резистор и переключатель, образующие задерживающую схему.

6. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 5, в которой устройство смещения напряжения содержит стабилитрон, а схема дополнительно содержит резистор последовательно с каждым стабилитроном.

7. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 5, в
которой устройство смещения напряжения содержит силовой стабилитрон, сформированный из стабилитрона малой мощности, соединенного через силовой MOSFET или IGBT транзистор.

8. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 7, в которой мощный стабилитрон содержит множество диодов Зенера малой мощности, выборочно соединенных через силовой MOSFET или IGBT транзистор, чтобы обеспечить мощный стабилитрон с переменным пороговым напряжением.

9. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 1, дополнительно содержащая выпрямительные диоды, соединенные между устройствами смещения напряжения и шинами напряжения линии постоянного тока, чтобы обеспечить передачу мощности только обратно в напряжение линии постоянного тока.

10. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 1, в которой устройства смещения напряжения расположены:
на конце усилителя всей системы, содержащей магнитный подшипник, усилитель магнитного подшипника и длину кабелей между ними, или
на конце магнитного подшипника всей системы, содержащей магнитный подшипник, усилитель магнитного подшипника и длину кабелей между ними.

11. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 1, дополнительно содержащая вторичное фиксирующее уровень средство, соединенное между каждой шиной напряжения линии постоянного тока и шиной сигнала возбуждения.

12. Схема возбуждения магнитного подшипника по п. 11, в которой вторичное фиксирующее уровень средство содержит
дополнительное множество (силовых) диодов последовательно с резисторами, соединенных между каждой шиной напряжения линии постоянного тока и шиной сигнала возбуждения.