Высокоскоростной вентильный электродвигатель Советский патент 1986 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высокоскоростным вентильным электродвигателям и может быть испольэовано в приводах высокооборотных механизмов, не требующих больших пусковых моментов, таких как компрессоры, насосы, центрифуги и другие устройства. Известны высокоскоростные вентильные .электродвигатели, содержащие электрическую машину с многофазной якорной обмоткой,, датчик положения ротора, полупроводниковый коммутатор включающий в себя тиристорные силовы ключи, через которые к источнику питания подключена якорная обмотка, транзисторные силовые ключи, включенные в цепь питания постоянного то ка, и систему управления ключами. Транзисторные силовые ключи такого двигателя предназначены для прерывания цепи питания в моменты, когда требуется запирание какого-либо из силовых тиристорных клэчей. Вследствие этого исключается необходимост Б коммутирующих реактивных элементах при наличии которьк существенно возрастают габариты и масса коммутатора Li. Недостатками данного устройства являются низкие рабочее напряжение и мощность двигателя. Это обусловлено необходимостью работы силовых транзисторов с максимальным током двигателя на максимальном напряжении. Кро ме того, поскольку транзисторы включены в цепь питания двигателя и рабо тают с номинальным током, имеют мест существенные потери в транзисторах, снижающие КПД двигателя, Наиболее близок к предлагаемому высокоскоростной вентильный электродвигатель, содержащий индуктор с сис темой возбуждения, якорь с многофазной обмоткой, от каждой фазы ко.торо вьтолнены отводы, датчик положения ротора, тиристорный коммутатор, чере который к источнику питания подключе на якорная обмотка, дополнительньй коммутатор, через который к источник питания подключены отводы якорной об мотки и каждый ключ которого состоит из последовательно соединенных допол нительного тиристора и транзистора. а также систему управления, включаю щую в себя усилители-формирователи, устройство переключения режима работы и распределители управляющих импульсов с двумя управляющими входами один из которых соединён с выходом датчика положения ротора, другой с устройством переключения режима работы, а выходы - с управляющими цепями силовых ключей обоих коммутаторов , Наличие дополнительного коммутатора с полностью управляемыми силовыми транзисторными ключами обеспечивает пуск двигателя и разгон его до частоты вращения, при которой возможна надежная работа тиристорного коммутатора в режиме естественной коммутации. Питание двигателя осуществляет-, ся от управляемого источника (например, от управляемого вьшрямителя). . Переключение режима работы двигателя с искусственной коммутации (при работе с транзисторным коммутатором) на естественную необходимо осуществлять при напряжении, не превьшающем предельно-допустимого для выбранного типа транзисторов, Подключение дополнительного коммутатора к отводам фаз якорной обмотки позволяет повысить частоту вращения в сравнении .с частотой вращения, достигаемой при работе всей обмотки при равном напряжении питания. За счет этого обеспечивается работа двигателя от высоковольтных источников питания (до 6Р-8 кВ) при использовании для пуска относительно низковольтных транзисторов 121. Недостаток двигателя заключается в сложности из-за наличия дополнительных отводов от фаз якорной обмотки. В особенности, это касается серийно выпускаемых синхронных машин, выполнение дополнительных отводов от обмотки которых связано со значительными затратами и возможно только при наличии специального оборудования. Цель изобретения - упрощение конструкции. Указанная цель достигается тем, что высокоскоростной вентильный электродвигатель, содержащий индуктор, якорь с многофазной обмоткой, обмотку возбуждения, подключенную к источнику питания, датчик положения ротора, полупроводниковый коммутатор, включающий в себя силовые ключи в вице тиристоров и параллельно подключенных им цепей из последовательно соединенных дополнительного тиристора и транзистора, через которые к управНяемому вьтрямителю подключена якорная обмотка, и систему управления.

состоящую из устройства переключения режима работы, распределителей управляющих импульсов, два входа каждого из которых соединены с датчиком положения ротора и устройством переключения режима работы, а три выхода через усилители-формирователи соединены с управлякицими цепями элементов соответствующего силового ключа, снабжен элементами задержки, включенными между устройством переключения режима работы и распределителями управляющих импульсов, источник питания вьтолнен с двумя выходами, соединенными с обмоткой возбуждения через переключатель, причем управляющий вход переключателя и управляющий вход управля;емого вьшрямителя соединены с выходом устройства переключения режима работы .

На фиг,1 представлена принципиальная схема двигателя; на фиг.2 - схема распределителя управляющих импульсов с элементами задержкиj на фиг.З - диаграмма сигналов, снимаемых с некоторых элементов схемы.

Вентильный электродвигатель содержит многофазную якорную обмотку 1, подключенную к управляемому выпрямителю 2 через полупроводниковый : Ьммутатор 3, силовые ключи 4-9 которого (например, силовой ключ 4) состоят из тиристора 10 и последовательно соединенных дополнительного тиристора 11 и транзистора 12, включенных параллельно тиристору 10, Каждый силовой ключ коммутатора 3, например, силовой ключ 4 управляется с помощью распределителя 13 управляющих импульсов, выходы 14-16 которого через усилители-формирователи 17-19 соединены с управлякмдими цепями тиристора 10, дополнительного тиристора 11 и транзистора 12 соответственно. Один из входов распределителя управляющих импульсов 13 (вход 20) соединен с датчиком 21 положения ротора, а другие входы 22 и 23 через элемент 24 задержки О и элемент 25 задержки 1 с устройством 26 переключения режима работы. Распределители управляющих импульсов, осуществлякицие управление силовыми ключами 5-9, выполнены аналогично.

Возбуждение вентильного двигателя осуществляется с помощью обмотки 27, соединенной с источником 28 питания через переключатель 29. В зависимости

от наличия или отсутствия на управляющем входе переключателя 29сигнала к обмотке 27 возбуждения подключен один из выходов 30 и 31 источника 2Ь питания, которые отличаются друг от друга величиной выходного напряжения

Распределитель управляющих импульсов 13 выполнен на логических элементах НЕ 32-35 и ИЛИ-НЕ 36-38.

На фиг.З приведены диаграммы сигналов, снимаемых с элементов двигателя. Индексы в обозначении сигналов соответствуют обозначениям элементов схемы, с которых снимается соответствующий сигнал. Линии 39 и 40 обозначают соответственно моменты начала и окончания перехода с искусственной коммутации на естественную, а линии 41 и 42 - соответственно моменты начала и окончания перехода с естественной коммутации на искусственную.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

При пуске двигателя обеспечивается питание датчика положения ротора 2 и получение с него сигналов U2i , осуществляющих отпирание соответствующего силового ключа, а также подачи питания на обмотку 27 возбуждения с ;выхода 30 источника 28 питаний. Устройство 26 переключения режима работы при этом обеспечивает работу двигателя в режиме искусственной коммутации -с помощью транзисторов 12 силовых ключей 4-9, что характеризуется отсутствием с устройства 26 напряжения т.е. наличием сигнала О.

Наличие О на входе управляемого выпрямителя 2 обусловливает выдачу с него пониженного напряжения питания, а наличие О на входе переключателя 29 - подключение обмотки 27 к выходу 30, напряжение с которого в сравнении с напряжением, снимаемым с выхода 31, также понижено.

Наличие О на входах 22 и 23 распределителя управляющих импульсов обеспечивает отсутствие сигналов с выхода 14, наличие постоянного отпирающего сигнала с выхода 15 и прохождение управляющих сигналов с датчика 21 положения ротора через усили.тель-формирователь 19 на управляющую цепь транзистора 12.

Таким образом, пуск двигателя осуществляется при работе его в режиме искусственной коммутации на тринзисторах 12, при пониженных напряжениях питания якорной обмотки 1 и обмотки 27 возбуждения. По мере разгона двигателя напряжение U. на выходе управ ляемого вьшрямителя возрастает, достигая максимального для режима искусствениой комг-гутации значения, при котором частота вращения возрастает настолько что возможна надежная работа двигателя в режиме естественной коммутации на тиристорах 10. За .счет снижения напряжения Uj питания обмотки 27 возбулодения и ослабления по тока возбуждения,, частота вращения двигателя в режиме искусственной ком мутащш в сравнении с частотой вращения, достигаемой при том же напряжении, га-ггапня U , снимаемом с управляемого вьщрямцтапя 2, и повышенном напряя;е т;1 , снимаемом с выхо да 31 источника 28 питания Переход с режима работы с искусственной ко№)утацией на режим работы с естественной рюммутацией осуществляется по команде Uj с устройства 26 переключения режима работы. Сигнал О с устройства 26 переключения режима работы.заменяется сигналом что приводит к срабатыванию переклкльателя 29j переключающего обмот ку 27 возбуждешш с выхода 30 на вы ход 31 с повьппенным напряжением. Одновременно с этим осуществляется переключение выходного напряжения управляемого в.ыпря1 1.Ателя 2 на повышенное значение, определяемое изменением индукции в всРздутион зазоре машин за счет подключения обмотки 27 возбузкдения на повьшшнное напряже ше пи тания. Напряжение питатшя управляемо го выпрямителя 2 принимается таким, что бы значехшя ЭДС обмотки 1 до и после переключения режима работы были при близительно одинаковы„ Неравенство этих значений приводит к потере частоты вращения машины после перехода на режим естественной коммутации. Изменение сигнала на входе распре делителя 13 управляющих импульсов обусловливает прекращение подачи сиг налов управления U,, на транзисторы 12, которые остаются отпертыми, запи рание вспомогательных тиристоров 11 и подачу управляющшс импульсов Иц на тиристоры 10, Однако в предложенной схеме благодаря наличию элементов 24 и 25 задержки подключение тиристоров 10 осу ществляется с неко орой Задержкой, характеризуемой длительностью между линиями 39 и 40 на фиг.3, по сравнению с моментом поступления сигнала и(.j. .Отключение транзистора 12 без задержки обеспечивается тем, что элемент 25 задержки, через которьй сигнал Uife управляет транзистором 12, задерживает только сигнал 1 и не задерживает сигнал О, имеющий место при переходе с искусственной коммутации на естественную. Задержка в подключении тиристора 10 необходима для того, чтобы обеспечить тиристорную коммутацию обмотки 1 после того, как закончатся переходные процессы, обусловленные изменением напряжения Uj на выходе управляемого вьтрямителя 2 и на обмотке 27 в.озбуждеиияо Задержка принимается такой, чтобы несколько превысить длительность времени нарастания выходного напряжения источника питания 2.8 и времени нарастания выходного напряжения управляемого, выпрямителя 2. Так как постоянные времени управляемого выпрямителя 2 и источники 28 питания, как правило, для машин мощностью до. сотни киловатт, не превншают десятки миплисекунд, длительность задержки весьма незначительна по сравнению с электромеханической постоянной времени машины, чем обеспечивается практически неизменная скорость двигателя до и .после задержки. Так как момент перехода на другой режим работы характеризуется появлением сигнала в виде напряжения на входах элементов 24 и 25 задержки, временную задержку переднего фронта сигнала U осуществляет только элемент 24, так как элемент 25 служит для задержки заднего фронта сигнала сигнала 1 Если не требуется снижать частоту вращения, обеспечивается работа двигателя в режиме естественной коммутации на тиристорах 10. При снижении частоты вращения до значения, при котором работа двигате- ля в режиме естественной коммутации становится ненадежной, осуществляется переход на режим искусственной коммутации,, Сигнал для перехода на другой режим работы поступает с устройства 26 переключения режима работы (вместо 1 с вькода устройстваподается 0. Элементом 25 задержки обеспечивается задержка заднего фронта сигнала, в результате чего транзисторы 12 какое-то время, несколько превьппающее время переходных процессов в управляемом вьтрямителе 2 и источнике 28 питания, остаются запертыми, а обмотка

1 двигателя -.обесточенной. Так как элемент 24 задержки не задерживает сигнал 1, тиристоры 10 отключаются без задержки. По истечении времени 5 задержки напряжения Uj и снижаются.

ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий индуктор, якорь с многофазной обмоткой, обмотку возбуждения, подключенную к источнику питания, датчик положения ротора, полупроводниковый коммутатор, включакяций в себя силовые ключи в виде тиристоров и параллельно подключенных им цепей из последовательно соединенных дополнительного тиристора и транзистора, через которые к управляемому вьшрямителю подключена якорная обмотка, и систему управления, состоящую из устройства переключения режима работы и распределителей управляющих импульсов, два входа каждого из которых соединены с датчиком положения ротора и устройством переключения режима работы, а три выхода через усилители-формирователи соединены с управляющими цепями элементов соот-t ветствующего силового ключа, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, он снабжен элементами задержки, включенными межДУ устройством переключения режима /) работы и распределителями управляющих импульсов, источник питания выполнен с двумя выходами, соединенными с обмоткой возбуждения через переключатель, причем управляющий вход переключателя и управляющий вход управляемого выпрямителя соединены с выходом tc устройства переключения режима работы.

Е

J5 4

4f «2