Электрическая машина постоянного тока с вентильно-механическим коммутатором Советский патент 1984 года по МПК H02K13/14 

Изобретение относится к электриче ским машинам, в частности к машинам постоянного TOKci с дополнительными устройствами для улучшения коммутации. Известна электрическая машина постоянного тока с вентильно-механическим коммутатором (ВМК), содержащая коллектор с проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними группы щеток, каждая из которых сортоит из основной и вспомогательной, подключенной к зажиму источ ника питания через полупроводниковое переключающее устройство, и схему управления И , Однако в этой машине основная щет ка, ширину больше изолирунлде пластины, в момент закорачивания ком мутируемой секции может искрить всле ствие того, что.в секции наводятся ЭДС, обусловленные влиянием главного поля, пульсацией тока як.оря и другими причинами. Наиболее близкой к предлагаемой машине по технической сущности и достигаемому результату является элект рическая машина постоянного тока с ВМК, содержащая механический коллектор с проводящими и изолирующими пла стинами, контактирующие с ними разно полярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной, подключен ной к соответствующему зажиму источника питания, и двух, р,.1Сположенных по разные стороны от нее, дополнительных щеток, связанных с тем же за жимом источника п.тания через управляемые вентили и с коммутирующим кон туром, состоящим из конденсатора и включенного с ним последовательно реверсивного узла, из двух встречнопараллельно соединенных тиристоров, схему управления с датчиком положени ротора и блоком выходных усилителей 2J. Недостаток известной машины состо ит в невозможности применения ее в электроприводах с широким диапазоном регулирования скорости, что обусловлено наличием коммутационной реакции якоря, выражающейся в намагничивающем или размагничивающем действии по ля, создаваемого токами коммутируемы секций, на основное магнитное поле при работе машины в большом диапазоне изменения частот вращения с посто янным временем ко.ммутации, Целью изобретения является расширение области применения путем умень шения устранения влияния коммутацион ной реакции якоря при работе машины в большом диапазоне изменения частот вращения. Эта цель достигается тем, что в электрической магаине, содержащей механический коллектор с проводящими и изолирутощими пластинами, к он т aj тирую щие с-ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной, подключенной к зажиму цепи питания, и двух, расположенных по разные стороны от нее, дополнительных щеток, связанных с. тем же зажимом через управляемые вентили и с коммутиругадим контуром, состоящим из конденсатора и включенного с ним последовательно узла из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, схему управления с датчиком положения ротора и блоком выходных усилителей, датчик положения выполнен с двумя чувствительными элементами, установленными симметрично относительно геометрической нейтрали машины, машина снабже-. на элементом регулируемой задержки врембши и узлом контроля скорости, . вход которого связан с чувствительными элемента.ми, который состоит из включенных последователы-ю логического элемента ИЛИ, преобразователя частота-напряжение, порогового устройства и ;0-триггера, выходы которого связаны с входами двух логических элементов И, вторые входы которых подключены к выходам двух чувствительных элементов датчика, выход первого логического элемента И связан, с входом блока выходных усил.ителей непосредственно, а выход второго логического элемента И подключен к входу того же блока через элемент регулируемой задержки времени, связанный в свою очередь с выходом преобразователя частота-напряжение узла контроля скорости Один из чувствительных элементов обеспечивает работоспособность вентильного кo A 1yтaтopa при изменении частоты вращения ротора от-нуля до некоторой средней величины П., , второй чувствительный элемент используется при изменении частоты вращения от значения п., до. максимальной величины Г1,,ц.р. Узел контроля скорости предназначен для определения того, в каком диапазоне частот вращения работает машина Если эти частоты меньше значения п., , то сигнал имеется инверсном выходеD-триггера. При частотах вращения больше п сигнал . существует на прямом выходе D-триггера. Инверсный выходР -триггера и выход первого чувствительного элемента связаны с входом первого логического элемента И, выход последнего подключен к входу блока выходгых усилителей Прямой выход D-триггера и выход второго чувствительного элемента связаны с входом логического элемента И, выход его подключен к входу блока выходных усилителей через элемент регулируемой задержки времени. На фиг, 1 приводится электрическая схема машины постоянного тока (для упрощения изображена только одна щеточная группа и связанные с ней элементы схемы управления и вен тильного коммутатора,подключенные положительному зажиму источника. Остальные щеточные группы, число ко торых равно числу полюсов машины, имеют аналогичную схему);на фиг. 2 два положения коммутируемой секции до начала и после окончания коммута ции (изображено пунктиром) относигельно геометрической нейтрали, кот рой соответствует ось 00, при макси мальной частоте вращения машины на фиг. 3 - то же, но при меньшей частоте вращения п ; на фиг, 4 - по ложения секции при частоте вращения h, когда коммутационный процесс на чинается с некоторой задержкой по в мени. Машина содержит якорную обмотку подключенную к механическому коллек тору 2 с проводящими 3 и 4 и изолирукяцими 5-7 пластинами, контактирующие с ними группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки 8, подключенной непосредственно к зажиму источника питания, и двух вспомогательных 9 и 10, связанных с тем же зажимом источника через уп равляемые тиристоры 11 и 12, отключ ние которых обеспечивается конденса тором 13 и включенным с ним -последовательно реверсивным узлом из двух тиристоров 14 и 15. Необходимая последовательность включения тиристоров обеспечивается схемой 16 управления содержащей датчик положения ротора с двумя чувствительными элементами (светодиодами) и формирователями 17 и 18, установленными относительно вращающегося кодового диска 19 с отверстиями 20, узел 21 контроля скоро сти и блок 22 выходных усилителей, связанный с чувствительными элементами двумя каналами. Первый канал, обеспечивающий работу схемы при частотах вращения выше значения п , содержит логический элемент И 23, элемент 24 регулируемой задержки. Второй канал, работающий при частотах ниже значений п , состоит из логиче.ского элемента И 25. Узел контроля. скорости, связанный с выходами чувствительных элементов, содерх{ит логический элемент ИЛИ 26, преобразователь 27 частота-напряжение, пороговый элемент 28 и Р-тригг ер 29. Блок- выходных усилителей состоит из логического элемента ИЛИ 30, элемента 31 задержки, генератора 32 импульсов, логического элемента 33 и выходных усилителей 34-36. При работе машины скользящие контакты перемещаются по коллектору справа налево. Пока основная щетка 8 контактирует с проводящей пластиной 4, ток нагрузки протекает от зажима источника через контакт 8 и пластину 4, через обмотку 1 якоря и соответствующие контакты, связанные с зажимом источника противоположной полярности. Все тиристоры заперты за исключением тиристора 12-, на который подаются отпирающие импульсы, вырабатываемые генератором 32 и проходящие через логический элемент 33, находящийся в открытом состоянии, и выходной усилитель 36. По мере захода основного контакта 8 на изолятор 6 ток нагрузки Ig переходит в шунтирующий контур, образованный открытым тиристором 12 и контактом 10. До начала коммутации конденсатор 13 имеет некоторое начальное напряжение, полярность которого обозначена без скобок (фиг. 1). Коммутационный процесс начинается в момент времени, когда OCHOBHOI1 контакт 8 полностью переходит на изолятор 6. При этом с усилителя 34 подаются управляющие сигналы на включение тиристора 15, снимаются сигналы управления с тиристора 12 благодаря отключению логического, элемента 33. Конденсатор 13 начинает разряжаться через секцию обмотки, связанную с плг гтинами 3 и 4, по контуру: 13-9-3 - секция обмотки - 4-10-15-13. По истечение выдержки времени д , которая отсчитывается элементом 31 задержки, разрядный ток конденсатора достигает значения, приблизительно равного току в параллельной ветви обмотки якоря ig/2 , напряжение на . конденсаторе изменяет полярность, а ток в секции близок к нулю. В тот же момент с усилителя 35 подаются управлягацие сигналы на включение тиристоров 11 и 14. Конденсатор начинает перезаряжаться по контуру 13-1412-11-13, В момент времени, когда ток перезаряда конденсатора становится равным прямому току через тиристор 12, последний отключается. Полный ток нагрузки при этом, протекающий через тиристор 11, проходит через вспомогательный контакт 9, а также через тиристор 14, конденсатор 13 и контакт 10. Процесс перезаряда конденсатора до напряжения исходной полярности продолх ается до тех пор, пока не закончится реверсирование тока в коммутируемой секции. Затем отключается тиристор 14, поскольку ток перезаряда конденсатора 13 становится равным нулю, а полный ток ig продолжает протекать через тиристор 11 и вспомогательный контакт 9. По мере перехода основного контакта 8 с изолирующей пластины 6 на проводящую 3, токовая загрузка вспомогательного контакта 9 и тиристора 11 уменьшается. Когда основной контакт переходит на проводящую пластину приблизительно одной второй частью своей контактной поверхности ток вспомогательного контакта 9 и тиристора 11 практически равен нулю На этом заканчивается полный коммутационный цикл. Следующий цикл начинается в момент времени, когда основ ной контакт 8 полностью переходит на изолятор 5. Рассмотрим более подробно влияние коммутационной реакции якоря на --работу машины и способы ее компенсации в предлагаемом устройстве. Известнр, что коммутационная реак ция якоря, выражаквдаяся в ослаблении или усилении основного магнитного поля при определенных скоростях и нагрузках, может вызвать нарушение устойчивости работы всей системы электропривода. Известно также, что если за время коммутации Ск , т.е. за время реверсирования тока в секции, процесс протекает так, что намагничивающая реакция токов коммутируемой секции равна размагничивающей то ток коммутации не влияет на основ чое магнитное поле машины, В первом приближении это условие выполняется если расположение: коммутируемой до начала и после окончания ког.1мутации симметрично относительно геометрической нейтрали машины. Этому условию соответствует расположение секции 1и 11(фиг.2;при .Система управления в рассматриваемом устройстве настроена так, что при максимальной частоте вращения машины MofKc время коммутации Сц равно времени перемещения якорг на одно колjjeKTopHoe деление, которое определяется из формулы () где К - число коммутируемых секций обмотки, равное числу проводящих пластин коллектора, h - текущее значение частоты врагдения машины. Путь, проходимый скользящим контактом по р.абочей поверхности коллектора за время коммутации при любой частоте вращения, определяется по формуле , где В - диаметр коллектора. При максимальной скорости вращения 5 ) (фиг. 2), гдег - ширина коллекторного деления, равная ширине коммутируемой секции, приведенной к диаметру коллектора. Если скорость вращения о путь щетки за время коммутации в соответствии с равенством (2) уменьшается, , и секция за время коммутации имеет несимметричное расположени относительно, геометрической нейтрали (фиг, 3), Чтобы . занимала симметричное относительно геометрической нейтрали положение, коммутация в секции должна начатьс с некоторой задержкой, которая определяется из формулы з-Го- к)/2- 3) Тогда по истечении времени задержки f,j в соответствии с равенством {2} секция переместится относительно геометрической нейтрали на величину Sj и займет положение Г до начала коммутации (фиг. 4). После окончания коммутации положение секции И показано пунктиром (фиг. 4). Таким образом, при работе с задержкой можно также получить симметричное расположение секции относительно геометрической нейтрали и компенсировать коммутационную реакцию якоря. По мере уменьшения скорости время задержки f увеличивается вследствие возрастания величины Т - в равенствах (1) и (3) . В рассматриваемой схеме реализация указанных принципов управления осуществляется следующим образом. При максимальной скорости враще- i ния, когда .секция подходит к нейтра-: ли и занимает положение I (фиг. 2), благодаря соответствующему положению кодового диска включается чувствительный элемент 17, который вырабатывает однополярный импульс, подаваемый на первый вход элемента И 23. На второй вход этого элемента поступает разрешающий, сигнал 1 с прямого выхода J) -триггера 29, Поэтому сигнал чувствительного элеме -:та проходя через регулируеГЫй элемэмт задержки 24 поступает на в.ход блока 22 выходных усилителей. Как указывалось при максимальной частоте вращения ( О При частотах вращения ri., п i п ,, схема работает аналогично, однако элемент 24 регулируемой задер;к.ки обеспечивает задержку полезного сигнала датчика положения в соответствии с выражением (3) ., При частотах вращения п п за,пержка Тд сильно возрастает, а величина Sf, уменьшается настолько,что если в момент начала кo №iyтaции секция занимает симметричное положение относительно геометрической нейтрали,, то влияние коммутационной ресШции якоря незначительно. Поэтому при частотах вращения коммутационный процесс осуществляется сигналом, вырабатываемым чувствительным .элементом 18, включение которого с помощью кодового диска осуществляется в тот момент, когда секция занимает сиг-ииетричное положение относительно геометрической нейтрали машины. С выхода элемента 18 через логический элемент И 25, на второй вход которого поступает разрешающий сигнал i с инверсного выхода Ь -триггера 29,

сигнал управления подается на вход блока выходных усилителей.

Использование двух чувствительных элементов в датчике положения, обеспечивающих работоспособность устройства в разных диапазонах изменения частот вращения, позволяет существенно упростить схемы элементов и расширить область применения электрической мамины.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТСьЯННОГО ТОКА С ВЕНТИЛЬНО - МЕХАНИЧЕСКИМ КОММУТАТОРОМ, содержащая механический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной, подключенной к одному из зажимов источника питания, и двух, расположенных по разные стороны от нее, дополнительных щеток, связанных с тем же зажимом источника питания через управляемые вентили и с коммутирующим контуром, состоящим из конденсатора и включенного с ним последовательно реверсивного узла из двух .встречно-параллельно соединенных ти-. |ристоров, схему управления с датчиком) положения ротора и блоком в ыходных усилителей, отличающая с- я тем, что, с целью расширения области применения путем уменьшения устранения влияния коммутационной реакции якоря при работе машины в большом диапазоне изменения частот вращения, датчик положения выполнен с двумя чувствительными элементами, установленными симметрично относительно геометрической нейтрали машины, машина снабжена элементом регулируемой за держки времени и узлом контроля скорости, вход которого связан с чувствительными элементами, который состоит из включенных последовательно ло-2 гического элемента ИЛИ, преобразователя частота-напряжение, порогового (Л устройства иD-триггера, выходы которого связаны с входами двух логических элементов И вторые вхсды которых подключены к выходам двух чув-,-. ствительных элементов датчика, выходе первого логического элемента И связан с входом блока выходных усилителей непосредственно, а выход второго логического элемента И подключен к входу того же блока через элемент а регулируемой задержки времени, свясо занный в свою очередь с выходом преобразователя частота-напряжение узла контроля скорости.

11:

4ПД

0

фиг. 2

О

«-5

.

Го

d фиг. 5

TO