Вентильный электродвигатель Советский патент 1987 года по МПК H02K29/03 

Изобретение относится к электротехнике и может быть нспользова но в электроприводах с вентильными электродвигателями , к которым предъявляются требования минимальной пульсации мгновенной частоты вращения, например, в электроприводах звукозаписывающей аппаратуры.

Цель изобретения - повьш1ение равномерности мгновенной частоты вращения за счет уменьшения пульсации вращающего момента и снижение себестои- мости изготовления за счет обеспечения возможности использования ключей со значениями параметров режима насыщения , лежащими вблизи границы допуска.

На фиг. 1 представлена блок-схема вентильного электродвигателя, электрическая машина которого имеет га-секционную обмотку якоря5 на фиг. 2 - схема вентильного электродвигателя для на фиг, 3 - временнвте диаграммы напряжений, поясняющие работу вентильного электродвигателя; на фиг. 4 - временные диаграммы пульсаций выходного сопротивления преобразователя частоты.

10

тока образуют две группы (анодную 8 и катодную 9), m вентапей с параметрами режима насыщения от Y до l, включены в анодную группу 8 моста 7 обратного тока 5 в катодную группу 9 которого включены другие m вентилей с параметрами, режима насыщения от У

° .2- . .

-й ключ анодной группы и 1-й ключ катодной группы 5 двухполупери- одного преобразователя 3 частоты вклю чены соответственно в его 1-ю и k-ю ветви, удовлетворяюище соотношениям

15 l m-M-0,(j-m-0,5)j ;

V ;

(1

20

,5(i-m+l ) + (2m-i- 0,5)f,. ; m+Ui62m;

- i-(ii)L

,- - 2

Дополнительно j-й вентиль анодной группы 8 и i-й вентиль катодной груп25 пы 9 моста 7 обратного тока включены соответственно в 1-ю и k-ю ветви. Вентильный электродвигатель получает питание от источника 0 напряжения.

,Для частного случая вентиль- Вентильный электродвигатель (фиг. 1)30 ный электродвигатель (фиг .,2) содер- содержит электрическую машину 1 с жит электрическую машину 1 с пяти- тп-секционной обмоткой 2 якоря, двух- полупериодный преобрааователь 3 частоты с 2т управляющими ключами, образу35

ЮЩИМИ Ш ( I 5 11 5 . . . 5 1 5 . . о , П 5 . о о 5 k ,, о , . , гг.)

его ветвей и две группы (анодную 4 и катодную 5) по m ключей в каждой, каждая н-я секция обмотки 2 якоря электрической машины 1 подключена к выводу h-и ветви двухполупериодного преобразователя 3 частоты, управляющие входы ключей которого подключены к блока 6 формирования сигналов управления, а сами ключи имеют различные параметры режима насыщения d, причем оС,ы . . . oi,. . .o, .. . 6Ы.. . .. ™ ключей с параметрами режит а насыщения отос,, до включены в одну группу, например анодную 4 двухполупериодного преобразователя 3 частоты, в катодную группу 5 которого включены другие ш ключей с параметрами режима насыщения ото

Двухполупвриодный преобразователь 3 частоты снабжен мостом 7 обратного тока из 2т вентилей, с различными параметрами режима насыщения , причем

л -i м V .-S.o. ii - Ч - - 4m-1 iti om-ti - 1

.,. .iX .-.+ .-f, Вентили моста / обратного

секционной обмоткой 2 якоря, двух- полупериодный преобразователь 3 частоты с десятью управляемыми ключами, образуюпщми пять его ветвей (I, II, III, IV, V)5 и две группы (анодную 4 и катодную 5) по пять ключей Б каждой, каждая секция, например третья, обмотки 2 якоря электричес jQ кой машины 1 подключена к выходу вет ви III двухполупериодного преобразователя 3 частоты, управляю,щие входы ключей которого подключены к выходу блока 6 формирования сигналов управ. ления (не показан), а сами ключи имеют различные паргшетры режима насыщения tiL, причем пять ключей с параметрами режима насьш1;ения ото, до of.включены в одну группу, например анодную 4, двухполупе эиодного преобразователя 3 частоты, в катодную группу 5 которого включены другие пять ключей с параметрами режима на50

сыщения

до

с,

40 :

55 Двухполупериодный преобразователь 3 частоты снабжен мостом 7 обратного тока из десяти вентилей с различными параметрами режима насыщения , причем 1 , t 2 УЬ ... J g - ilo

тока образуют две группы (анодную 8 и катодную 9), m вентапей с параметрами режима насыщения от Y до l, включены в анодную группу 8 моста 7 обратного тока 5 в катодную группу 9 которого включены другие m вентилей с параметрами, режима насыщения от У

° .2- . .

-й ключ анодной группы и 1-й ключ катодной группы 5 двухполупери- одного преобразователя 3 частоты включены соответственно в его 1-ю и k-ю ветви, удовлетворяюище соотношениям

15 l m-M-0,(j-m-0,5)j ;

V ;

(1)

20

,5(i-m+l ) + (2m-i- 0,5)f,. ; m+Ui62m;

- i-(ii)L

,- - 2

Дополнительно j-й вентиль анодной группы 8 и i-й вентиль катодной груп25 пы 9 моста 7 обратного тока включены соответственно в 1-ю и k-ю ветви. Вентильный электродвигатель получает питание от источника 0 напряжения.

,Для частного случая вентиль- ный электродвигатель (фиг .,2) содер- жит электрическую машину 1 с пяти-

секционной обмоткой 2 якоря, двух- полупериодный преобразователь 3 частоты с десятью управляемыми ключами, образуюпщми пять его ветвей (I, II, III, IV, V)5 и две группы (анодную 4 и катодную 5) по пять ключей Б каждой, каждая секция, например третья, обмотки 2 якоря электрической машины 1 подключена к выходу ветви III двухполупериодного преобразователя 3 частоты, управляю,щие входы ключей которого подключены к выходу блока 6 формирования сигналов управления (не показан), а сами ключи имеют различные паргшетры режима насыщения tiL, причем пять ключей с параметрами режима насьш1;ения ото, до of.включены в одну группу, например анодную 4, двухполупе эиодного преобразователя 3 частоты, в катодную группу 5 которого включены другие пять ключей с параметрами режима на

сыщения

до

с,

40 :

55 Двухполупериодный преобразователь 3 частоты снабжен мостом 7 обратного тока из десяти вентилей с различными параметрами режима насыщения , причем 1 , t 2 УЬ ... J g - iloВентили моста 7 обратного тока образуют две группы (анодную 8 и катодную 9) по пять вентилей в калодой, пять вентилей с параметрами режима насьпдения от у до -J включены в анодную группу 8 моста 7 обратного тока, в катодную группу 9 которого включены другие пять вентилей с параметрами режима насьпцения от до у . В вентильном электродвигателе

-10

третий ключ с параметром режима насыщения c(j анодной группы 4 и девяты ключ с параметром режима насьщет я о -д катодной группы 5 двухполупериод- ного преобразователя 3 частоты включены соответственно в его 11-ю (1-ю) и IV-ю (k-ю) ветви, удовлетворяющие соотношениям

,5j + (j-5,5). ; U j 5; - llllll .

. - о .

,

,5(i-4)-b(10,5-i) ;

l-(-l): 2

.Дополнительно третий вентиль анодной группы 8 с параметром режима насьпцения и девятый вентиль катодной группы 9 с параметром режима насыщения моста 7 обратного тока включены ветви II и III соответственно ,.

Электрическая машина может быть любого типа из числа известных конструкций синхронных машин.,Преобразователь частоты может быть выполнен как на транзисторах, так и на тиристорах Блок формирования сигналов управления может быть выполнен ПО различ- HbiM известньм схемам, В частности, указанный блок может быть выполнен с обеспечением формирования управляющих сигналов по сигналам датчика положения ротора электрической мащины,

Вентильньш электродвигатель работает следующим образом.

При подключении источника 10 напряжения и поступлении управляющих сигналов на ключи преобразователя 3 частоты с блока б формирования сигналов управления ротор вентильного электродвигателя приходит во вращение за счет поочередного подключе1шя секций обмотки 2 якоря к источнику 10 напряжения с помощью ключей преобразователя 3 частоты. В воздушном зазоре организуется дискретно вращающееся магнитное поле якоря, которое, взаимодействуя с магнитным полем ин-. дуктора, создает вращающий момент. Алгоритм ключей преобразователя 3 частоты показан диаграммами (фиг.З). Наличие импульса в каком-либо угловом интервале свидетельствует о том, что данньш ключ включен. Длительность включенного состояния ключа равна

2(, гдеЫ. 11 /т - межкоммутационный интервал или естественный такт коммутации вентильного электродвигателя, В любой момент времени секции обмотки 2 якоря подключены к источнику 10 напряжения через два ключа, параметры режима насыщения которых определяют выходное сопротивление I:«ii преобразователя частоты. Представим параметр режима насыщения п-го ключа в виде

,+п.

(2)

25

30

где ,2,..,,2m - число, условно характеризующее изменение исследуемого параметра от ключа к ключу.

Тогда выходное сопротивление I ot преобразователя частоты дпя любого момента времени согласно изобретению может приникать лишь три значения j(усл. ед.)

,(.- -2m-l 2()-l ; 35 I,(); (3) I +2m+1 2 () +1.

При этом для любого числа секций обмотки 2 якоря выходное сопротивле 10 ние преобразователя 3 частоты дважды принимает значение и по (т-1) разу принимает значения и . Из диаграммы (фиг.-4, кривая А) видно, что амплитуда пульсации выходног

45 сопротивления преобразователя частоты составляет усл.ед., а часто- - m та f«,K. 23Т

Согласно изобретению размещение ключей в ветвях и группах преобразователя 3 частоты подчиняется строгому алгоритму, математически описанному в виде (1) В каждой группе функция

распределения номеров ветвей для ключей с последовательно увеличивающимися параметрами режима насыщения подчинена колебательному закону с убывающей амплитудой (номер ветви--

функция, параметр режима насыщения ключа-аргумент). В частности, для функция распределения номеров - ветвей следующая: I-V-II IV-III-I-V- II- IV lIIo В каждой ветви разность номеров ключей равна числу секций обмотки 2 якоря электрической машины (фиг, 1-2),

При произвольном включении ключей в ветви и грунпы преобразователя частоты амплитуда пульсации его выходного сопротивления может осуществен- но увеличиться, а частота уменьшиться, что неблагоприятно сказывается на работе вентильного электродвигателя. В частности, те же ключи с параметрами режима насыщения от rt, до o -j можно включить так, что все четные (Ч -е ключи включены в анодную группу 4 преобразователя частоты, а нечетные -е ключи включены в его катодную группу 5. Кроме этого,|Ч-и ключ анодной группы и -и ключ катодной группы можно включить в g-ю и р-ю ветви преобразователя частоты, удовлетворяющим соотношениям

g ra+l-0,2bp+(0,5(Li-ra-0,5)/u ; 2t f 6 2m - целое четное число; f.lrp,(4)

(4)

,5га+0,,75-0,51)

- целое нечетное число:

V 4-1

..- I:Izll

ту о

В этом случае амплитуда пульсации выходного сопротивления преобразователя частоты является максимально возможной и составляета 4(т-1)

/г f

усл.ед, (для усл.ед.), а ча- CTOTa f (фиг. 4 В). В этом случае распределение ключей в ветвях и группах преобразователя частоты та кже подчиняется строгому алгоритму математически описанному в виде (4). Однако функции распределения номеров ветвей для ключей с различными параметрами режима в каждой группе раз- личн. /.1ля анодной группы для нечетных ключей с увеличивающимся параметром режима насыщения эта функция имеет вид I-V-II-IV-III, а для каждой группы для нечетных ключей III-IV-II-V-I. В каждой ветв.и сумма номеров ключей равна (2ш+1).

Сравнивая диаграммы изменения выходного сопротивления (фиг. 4)

ч

256306

преобразователя 3 частоты, полученные при различных алгоритмах расположения ключей в группах и ветвях, можно установить, что переход от

5 худшего с точки зрения минимума пульсаций мгновенной частоты вращения алгоритма (4) к лучшему (I) позволяет снизить амплитуду пульсации выходного сопротивления в 2(т-1) раза,

10 а ее частоту увеличить в m раз. На практике при случайном расположении ключей в группах и ветвях преобразователя частоты вероятность расположения ключей согласно (4) при больf5 шом числе секций низка. При малом

числе секций обмотки якоря, например при , вероятность такого расположения ключей, при котором формируются как максимгшьное, так и мийималь20 ное значения выходного сопротивления с -увеличивается. Алгоритм (4) дан для оценки наихудшего варианта расположения ключей.

При расположении ключей с различ25 ными параметрами режима насыщения в ветвях и группах преобразователя частоты согласно (1) минимальная амплитуда и максимальная частота пульсации выходного сопротивления обеспечи30 вается как дпя прямого, так и для обратного направлений вращения электродвигателя, поскольку изменяется только порядок (с прямого на обратный) . формирования выходного сопротивления loi (фиг. 4).

35Если преобразователь 3 частоты выполнен на ключах с полной управляемостью, например, на транзисторах, то

40 он снабжается мостом 7 обратного тока из 2та вентилей. Указанный мост 7 служит для замыкания токов, вызванных энергией, запасенной в индуктивности отключаемой секции обмотки якоря, для

45 реализации реж1 1мов динамического и генераторного торможения. На конкретном приборе работы вентильного электродвигателя видно, что предлагаемый алгоритм (1) расположения ключей яв50 ляется также оптимальным и для расположения вентилей моста обратного тока Пусть при угловом положении- Ч, (фиг. ротора вентильного электродвигателя происходит отключения ключа и

55 включение ключа otg при постоянно включенном ключе (Х. , Запасенная в индуктивности отключаемой секции III энергия вызывает электрический ток в контуре: секция III - вентиль J - ключ

ol.: - секция I - секция III. Для уменьшения пульсации мгновенной частоты вращения электродвигателя желательно в любой момент времени при любом режиме иметь минимальную ам- плитуду пульсации выходного сопротивления lot преобразователя частоты. Поскольку параметры режима насьпце- ния транзисторов (в первую очередь кремниевых) и вентилей примерно оди- наковы, то для обеспечения минимума пульсации выходного сопротивления II o необходимо при отключении j-ro ключа диодной группы 4 и i-ro ключа катодной группы 5 преобразователя 3 частоты в образуемые электрические контура включать j-й ентиль анодной группы 8 и i-й вентиль катодной группы 9 моста 7 обратного тока.

При организации режима динамичес- кого торможения образуется аналогичный электрический контур (контура) с включением в него ключа из анодной группы 4 и вентиля из катодной группы 9 или ключа из катодной груп- пы 5 и вентиля из анодной группы 8. При организации генераторного торможения вентили моста обратного тока работают согласно алгоритмуДфиг.З) Сохранение алгоритма (1) для распо- ло ;ения вентилей моста 7 обратного . тока гарантирует минимальную амплиг- ;туду пульсаций выходного сопротивления V преобразователя частоты и- в этом режиме.

Таким образом, изобретение позволяет обеспечить минимально возможную амплитуду пульсации выходного сопротивления преобразователя частоты при максимально возможной ее ча- стоте, что обеспечивает минимальную пульсацию якорного тока, вращающего момента и мгновенной частоты вращени вентильного электродвигателя,

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с га- секционной обмоткой якоря, двухполу- периодньй преобразователь частоты с 2т-управляемыми ключами, образующими m его ветвей, и две группы (анодную

и катодную) по m ключей в каждой, каждая п-я секция обмотки якоря электрической машиной подключена к выводу п-й ветви двухполупериодного преобразователя частоты, управляющие входы которого подключены к выходу блока формирования сигналов управления i а сами ключи имеют различные параметры насыщениям, причем ot., о(.„... -о Ы. отличающийся

2m-i IrJ,

тем, что, с целью повышения равномерности мгновенной частоты вращения за счет уменьшения пульсаций вращающего момента и снижения себестоимости за счет обеспечения возможности использования ключей со значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи границы допуска, m ключей с параметрами режима насыщения от оС доо. включены в первую группу, например анодную двухполупериодного преобразователя частоты, во вторую группу которого включены другие m ключей с параметрами режима насьш;ения каждый j-й ключ из первой и i-й второй катодной групп двухполупериодного преобразователя частоты включены соответственно В его 1-ю и k-ю ветви, удовлетворяющие следующим соотношениям:

l m+l-0,5j+(j-m-0,5).; U j m;

..Iiirll. ,

,5(i-m+I)+(2m-i+0,5).Q

m+1 i 2га; § . . i

2, Электродвигатель no п..1, отличающийся тем, что,двух- полупериодный преобразователь частоты дополнительно снабжен мостом обратно- го тока с 2т вентилями, имеющими различные параметры режима насьщ1ения у, причем V S 6 ... у . го венти„ X2-TTV- Т ЧТП

леи с параметрами режима насыщения от У, ДО УП, включены в анодную группу моста обратного тока, в катодную группу которого включены другие m вентилей, каждый j-й вентиль из анодной группы и i-й вентиль из катодной группы моста обратного тока включены соответственно в 1-ю и k-ю ветви.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах с вентильными электродвигателями, к к-рым предъявляются требования мин. пульсации мгновенной Частоты вращения, например, в электроприводах звукозаписывающей аппаратуры. Целью изобретения является повьппение равномерности мгновенной частоты вращения за счет уменьшения пульсаций вращающего момента и снижение себестоимости за счет обес-- печения возможности использования ключей со значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи границы допуска. Вентильный электродвигатель содержит электрическую мащину, секции якорной обмотки к-рой связаны с ключами двухполупериодного преобразователя частоты, снабженного мостом обратного тока. Ключи преобразователя частоты и вентили моста обратного .тока имеют различные параметры насьпцения. Предпожен порядок подключения ключей и вентилей с различными параметрами насьш1ения к определенным секциям эл. машины, чем обеспечивается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л

ЗГ

(Xg

6 «

10

3 7

1

2jr cJt

cJt

(iJt

cJt

(M

(

6

(Jt

jr

2Jr

Фи&З

Гы Сусло ные eduHUi4bt

г

I

..J

I

1

Редактор М.Бланар

Составитель В.Бабак Техред В.Кадар

Заказ 3121/52. Тираж 659Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР .по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д„ 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

-я

ФигМ

2Jf

Корректор И.Муска