Вентильный электродвигатель с естественной коммутацией Советский патент 1987 года по МПК H02K29/00 

Изобретение отно-сится к электро- технике и может быть использовано в позиционном и регулируемом электроприводе и автоматических системах.

Целью- изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения.

На фиг.1-4 приведены принципиальные схемы выполнения вентильного электродвигателя с естественной коммутацией; на фиг.5-13 диаграмт.1ы напряжений, управляющих импульсов и намагничивающих сил, поясняюпщх работу устройства.

Вентильный двигатель содержит фазные секции - 3 (фиг.1), симметрично расположенные на статоре, и три тиристора 4-6. Секции и тиристоры образуют три последовательные цепочки,, в каждой из которых секция обмотки соединена последовательно с тиристором. Один вывод каждой такой цепочки - начало секции гп-фазной обмотки - подключены к одной из трех фаз питающей сети, а вторые выводы - катоды тиристоров - объеди- .нены в одну точку, К этой точке присоединены аноды трех диодов 7-9 катоды которых также подключены к трем фазам питающей сети. Управляющие электроды тиристоров 4-6 объединены в однз точку, а между объединенными катодами ти- ристоров и их управляющими электродами включен генератор 10 униполярных отпирающих импульсов управляемой частоты.

На фиг.2 представлен пример выполнения шестифазного вентильного двигателя, т.е. кроме фазных секций I - 3 двигатель имеет еще три фазные секции 11 - I3 с тиристорами ,14 - 16 и диодами 17 - 19, соединенные аналогично указанному. Кроме того, фазы обмотки статора снаблшны вторыми секцИ5й ш 20-25, дополнительными тиристорами 26-31. Вторые секции выполнены полностью аналогично первым секциям, с тем же пространственным распределением витков, так что создают одинаковые намагничивающие силы при одинаковых токах. В каждой фазе вторая секция 20 (21 - 25) и дополнительный тиристор 26 (27 31) образуют вторую последовательную цепь, один вывод которой предназначен для подключения к фазе

., „ m сети с номером М К +-г-, где

К - порядковый HiDMep фазы сети; m число фаз. Вторые выводы вторых последовательных цепей объединены и соединены с объединенными выводами первых последовательных цепей. Генератор 10 управляемой частоты

снабжен вторым выходом в, соединенным через дополнительно введенный клЕоч 32 с управляющими электродами дополнительных тиристоров 26-31. Генератор 10 управляемой частоты

представляет собой источник однопо- лярных управляющих импульсов. Он . может быть состаЕлен из генератора 33, Например электронного, и импульсного или пик-трансформатора 34, у

которого концы дифференциальной вторичной обмотки 35 через диоды 36, 37 подключены к точкам айв. Кроме того, может быть использован и другой источник униполярных импульсов

регулируемой частоты.

Согласно третьем варианту в вентильном электродвигателе последовательные цепи об:мотки статора снабжены вторыми тиристорами 38-43

(фиг.З), катоды которых соединены соотззетственно с катодами тиристо- ров 4,5,6514,15,16 и с одним (началом) выводом секций 1,2, 3,11,12,13 фазной обмотки статора. Аноды тиристоров 455,6514,15,16 соединены каждый с к-й фазой т-фазной сети, а аноды тиристоров 38-43 - каждый

с фазой с номером N К + -:;- .

Согласно последнему варианту (фиг.4) в вентильном электродвигателе каждая из щести фаз обмотки статора снабжена диодами 44,45 (46- 55), при этом один из указанных, диодов, например 45 (47,49,51,53, 55), служит для подключения первого вывода секции 1 (2,3,11,12,13) фазной обмотки к фазе т-фазной сети, а другой диод этой же фазы,

например 44 (46,48,50,52,54) к фазе сети с номерок N К + -г-.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

При подаче управляющих D - им- пульсов (фиг.5) на управляющие

электроды всех тиристоров 4 - б , (фиг.) включится и будет прово- ;Дить ток только один из них, а именно тот, анодное напряжение которого максимально. Проводящий тиристор автоматически запирает другие тиристоры. Таким образом в любой момент времени ток может протекать только по одной фазе обмотки статора, соединенной с проводящим в данньй момент тиристором.

Если управляющие D-импульсы поступают только один раз за период питающего напряжения U(Ug,U(-),B момент G) t u /6, где со - угловая частота питающего напряжения, когда напряжение фазы А превышает напряжение в двух других фазах Б и С, то ток может протекать только в фазе А, т.е. в секции 1 обмотки статора. Напряжение на эту секцию будет подаваться полпериода, а TOOK в этой секции замыкается через диоды 7-9 как в любом мостовом выпрямителе. Если же через 2 ir/m 2 ir/3 после первого импульса, т.е. в момент

cot подать следуюпщй импульс,

то ток переключится с секции 1 на секцию 3, так как с этого момента напряжение фазы В напряжения питания становится максимальным.

Таким образом, моментами подачи управляющих импульсов можно задават переключения тока с одной фазы обмотки статора на другую, а именно, если управляющие импульсы подавать с частотой питающего напряжения, то будет включаться одна и та же секция (фаза обмотки статора) и ротор установится по оси этой обмотки. Если импульсы подавать с частотой в m раз превьшающей частоту питающего, напряжения, то за один период питания включаются все m фаз обмотки статора и вектор магнитного поля будет вращаться синхронно.

Если же импульсы подавать в другие моменты и переключать ток с одной фазы обмотки на другую реже, чем через ZIT/m, например через период, то можно получить различные частоты вращения вектора магнитного поля и, соответственно, ротора.

Представленный на фиг.1 вентильный электропривод позволяет дискретно переключать вектор магнитного поля с пространственным шагом, равным 27/3, что часто является слишко грубым. Кроме того, напряжение на каждую обмотку подается не более полпериода, что обуславливает большую переменную составляющую момента относительно постоянной составляющей и недостаточное использование обмоток по времени. Следующие примеры выполнения вентильного двигателя (фиг.3,4) с большим, в частности, четным числом фаз обмотки позволяют уменьшить шаг- регулирования и улучшить энергетические показатели.

В вентильном электродвигателе, представленном на фиг.2, синхронная частота получается, когда тиристоры 4,5,6,14,15,16 и 26-31 работают как

неуправляемые диоды, т.е. каждый вентиль включается в тот момент, когда его анодный потенциал максимален, и отключается, когда этот потенциал становится ниже, чем у

соседнего вентиля. При разомкнутом ключе 32 импульсы Е (фиг.6) с вторичной обмотки 35 генератора 10 управляемой частоты поступают на его вывод а с частотой естественной

коммутации шестипульсной выпрямительной схемы, а именно через радиан. Тиристоры включают секции (фазы) обмотки статора в следующей последовательности: 20-21-22-23-2425-20. В каждой секции (фазе) на

iT интервале -о- течет максимальный

ток. Поэтому н.с. якоря через каждые 1Г/3 временных радиан передвигается на Т/3 пространственных радиан, т.е. вращается в дискретном (шаговом) режиме с синхронной угловой скоростью со , причем, между переключениями вектор поля неподвижен. Режим синхронной скорости иллюстрируется на фиг.7 для пяти положений магнитного поля (н.с.якоря).

Режим фиксированной установки оси магнитного поля (и соответственно, ротора синхронного двигателя) получается при подаче в точки айв отпирающих импульсов ж один раз за период частоты питания. Отпирающий импульс ж, поступающий в момент

Qt 1Т/3 в точку в, может включить только тиристор 4, у которого в этот момент анодное напряжение максимально. Остальные тиристоры, подключенные к выводу в генератора

10 управляемой частоты, не успевают включиться, так что тиристор 4 продолжает проводить (и по обмотке 1 течет ток), по ка его анодное напряжение положительно, т.е. до мо51

мента at AWS. В этот момент опять .поступает управляющий импульс, но в точку а, так что включиться теперь может только тиристор 26 (его анод- нов напряжение стало максимальным). Тиристор 26 проводит, и по обмотке

20течет ток вторые полпериода, пос- , ле чего процесс повторяется. Так как

обмотки 1 и 20 создают .одинаковую Н.С., то весь период магнитное поле остается неизменным по направлению, хотя пульсирует по величине (фиг,8). Если нагрузкой является сила трения, то пульсация магнитного поля не имеет принципиального значения и ротор такого синхронного двигателя будет ориентирован в фиксированном положении по оси поля.

Фиг.9 иллюстрирует поворот оси магнитного поля на угол 1Г/3 относительно НОЛоженил, показанного на фиг. 8. Соответственно и управляюп(ие импульсы И следуют с той же частотой, но со сдвигом на Т/З (фиг.6). Теперь будет попеременно включаться секция 2 в момент cot 2Т/3 и секция

21в момент Mt 5ТГ/3. Возможность удерлсания оси магнит-ного поля в любом фиксирован.ном по™ ложении независимо от фазы питающих напряжений обуславливает возможность получения любой частоты вращения. Эта возмолсность иллюстрируется следующими режимами,

В режиме, показанном на фиг,10, что соответствует подаче импульсов К (фиг,6) , каждая о бмотка (калодый тиристор) включена на интервал 51Г /6 и последовательность включения сек- ций будет 1 -25-13-24-12-23-11 22-3 -21-2-20-1. Токи фазных секций и положения магнитного поля повторяются через 1 2x5 ir/6 5x2 ir рад угловой частоты питания в 5 раз реже, чем при синхронной частоте вращсшия, потому что ось магнитного поля о.с- тается в неизменном положении в 5 раз большей интервала 2х5 П /6 5хТГ/3, Частота управляющих импульсов, по- даваемых на каждую группу тиристоров, также в 5 раз меньше, чем при синхронном вращении.

В режиме, показанном на фиг.П, что соответствует подаче импульсов л (фиг.б), каждая обмотка включена на интервал 4 |Г-6 21Г/3 и последова- .тельность включения секций будет

6

-

5

0 5

0 5

0 5 0

5

20-25-12-23-3-21-20 (работает половина обмоток). Токи секций, и положение поля повторяются через 6 2 ir/3 2 21Г рад - вдвое медленнее, чем при синхронной частоте вращения,, потому что вектор м.агнитного поля удерживается в одном положении вдвое дольше. Частота управляющих импульсов вдвое меньше, чем при синхронном вращении.

В режиме,показанном на фиг.12, что соответствует п(эдаче управляющего импульса м различной ширины (фиг.б), а именно: узкий импульс на отпирание тиристоров 4,5,6,14, 15,16, затем через ТГ широкий импульс на отпирание тиристоров 26-31 . нли два узких импулззса с интервалом ТГ/З мелоду ними, затем через Т опять узкий импульс на отпирание тиристоров 4,5,6,14,15,16 и т.д. Поэтому часть секций включена в интервале Т, а часть - в интервале iT + Т/З,

При этом секция 13 включена в интервале IT, секция 2 - в интервале Т/3, секция 20 - в интервале fT, секция 1 - в интервал li, секция 20 - в интервале П /З, секция -в интервале Т и ТоД Последовательность включения секций: 13-25-20-1-21-2-21-22- 3-22-23-11-23-24-12-24-25-13.

Токи секций и положения магнитного поля повторяются через -г 61Г/3 14 рад, т.е. результирующая средняя частота врашения в семь раз меньше синхронной, причем в другую сторону. Управляющим устройством для такого режима может быть двух- канальный генератор импульсов чередующейся частоты.

Режим, показанньш на фиг.З,- соответствует подаче (фиг.б) широких управляющих импульсоз Н или сдвоенных импульсов, перекрывающих интервал ТГ/З через 41Т/3, т.е. вчетверо реже, чем при синхронном вращении. В последовательности включения секций 3-1-20-21-2-3-22--23-1 1-12-24- 25-13 из каждой смежной пары тиристоров 455,6,14,15,16 и 26-31 один проходит интервгш Т, другой - интервал ТГ/З. Токи секций и положения магнитного поля повторяются через 6 (IT + ТГ/З) 4 X 2 Т рад, т.е. частота вращения (такаке в другую сторону) вчетверо меньше синхронной.

мым к фазам с номером

N Kt-|-.

7

Таким образом, регулируя частот и длительность управляющих импульсов можно получить любую среднюю частоту вращения в любом направлении. Дискретность вращения магнитного поля при низких частотах вращения может использоваться для шагов двигателей, а при высоких частотах вращения не имеет принципиального значения для большинства приводов, где важно среднее значение развивамого момента.

Если тиристоры используются только для разгона синхронного двигателя, то после достижения синхроной частоты вращения все секции, подключаемые к фазе с номером N-K, можно отключить от своих фаз и вклчить параллельно секциям, подключаm

Это

улз чшит степень использования обмоток. С этой же целью может быть использована схема вентильного двигателя, представленного фиг.З. Упрощение силовой схемы влечет за собой некоторое усложнение генератора 10 управляемой частоты, увеличение числа выходных обмоток импульсного трансформатора для гальванической развязки, но генератор остается двухканапьным, так как управляющие импульсы поступают одновременно на каждую группу тиристоров. Секции 1,2,3,11,12,13 в такой схеме электродвигателя выполнены в виде одной последовательной цепи, коммутируемые через такт тиристорами 4,5,6,14 15,16 и 38-43, которые совместно с диодами 7,8,9,17,18,19 образуют цепи замыкания тока отдельных фаз. Генератор 10 задает такт коммутации группы тиристоров 38-43 и тиристоров 4,5,6,14,15,16. В результате н.с. фазы в оба полупериода создается такая же, как и в варианте схемы представленной на фиг.2.

В схеме, представленной на фиг.4, секции 1,2,3,11,12,13 обмотки статора соединены с тиристорами 4,5,6,14, 15,16 и диодами 7,8,9,17,18,19. Генератор 10 задает такт коммутации группы тиристоров 14,15,16 и тиристоров 4,5,6. Б результате н.с. фазы в оба полупериода тактовой частоты изменяется по тому же закону, что и в варианте по фиг.2.

8

Примеры схем показаны с использованием мостовой схемы вьтрямления, хотя очевидна возможность использования нулевой схемы.

Если устройство предназначено для работы в качестве шагового двигателя, в следящем приводе, когда угол рассогласования осей задается фазой синусоидального напряжения, то это напряжение используется как задающее в генераторе 10. Если же устройство предназначено для работы в качестве вентильного двигателя регулируемой частоты вращения, то генератор 10 может выполняться как импульсный на фиксированную частоту естественной коммутации диодов (6о), трансформатор не устанавливается, а все режимы задаются программной работой переключателя, подающего импульсы от генератора 10.к точкам айв.

Устройство может быть исполнительным, в частности шаговым, двига- телем позиционного и следящего привода, когда угол рассогласования задается в виде фазы синусоидального или импульсного напряжения; может

быть вентильным синхронным двигателем, который раскручивается до синхронной частоты вращения без дополнительной пусковой системы, например без короткозамкнутой клетки,

занимающей полезный, объем ротора; может быть асинхронным двигателем регулируемой частоты вращения, когда дискретность вращения несущественна на большой частоте вращения,

частота вращения регулируется вплоть до синхронной, что недостижимо при управлении с помощью непосредственных преобразователей частоты. При этом силовая схема, кроме обмоток

двигателя, содержит только вентили, число которых меньше, чем в известных вентильных двигателях с естественной коммутацией; не требует ни фильтров, ни уравнительных реактоР°в.

Формула изобретения

1. Вентильный электродвигатель с естественной коммутацией, содержащий статор с т-фазной обмоткой и тиристоры па .числу фаз, включенные однонаправленно относительно одно-. именных выводов секций обмотки статора, каждьй из указанных тиристо- .ров образует с соответствующей секцией обмотки статора последовательную цепь, одни выводы образованных последовательных цепей предназначены для подключения каждого к соответствующей К-й фазе т-фазной сети, а другие выводы указанных цепей объединены, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования частоты вращения введены генератор управляемой частоты и диоды по числу фаз обмотки статора, катоды которых соединены соответственно с первыми выводами упомянутых последовательных цепей, аноды диодов объединены и соединены с объединенными выводами последовательных цепей, управляющие электроды тиристоров подключены к выходу генератора управляемой частоты.

2. Электродвигатель по пЛ, о т- личающийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей, каждая фаза обмотки статора снабжена второй секцией, генератор управляемой частоты снабжен вторым выходом и введены ключ и m дополнительных тиристоров, каждьш из которых образует с второй секцией соответствующей фазы обмотки статора вторую последовательную; цепь, один вывод которой предназначен дпя подключения к фазе т-фазной сети с номером М(К , другие

I

О О

выводы вторых последовательных це- пей фаз объединены и соединены с объединенными вторыми выводами первых цепей фаз обмотки статора, управляющие входы дополнительных тиристоров, через ключ соединены с вторым выходом генератора управляемой частоты, где т-четное число.

3. Электродвигатель по п.1, о т- личающийся тем, что каждая последовательная цепь обмотки статора снабжена вторым тиристором, катод которого соединен с катодом

первого тиристора этой цепи, соединенного с одним выводом секции обмотки, при этом первый вывод каждой последовательной цепи образован анодом первого тиристора этой цепи,

а ее второй вывод - вторым выводом секции обмотки статора этой цепи, а анод второго тиристора каждой последовательной цепи предназначен для подключения к фазе сети с номе

m

ром N(), где т-четное число.

4. Электродвигатель по п.1, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что каждая последовательная цепь обмотки статора снабжена двумя диодами, один из которых предназначен для организации указанного соединения вывода последовательной цепи с К-й фазой т-фазной сети, а другой диод - для подключения упомянутого вывода последовательной цепи с фазой сети с номером N(), где m четное число.

Г 4

VI

2 5

3 6

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения. Цель достигается введением в вентильный электродвигатель с естественной коммутацией генератора 10 управляемой частоты и диодов 7,8,9,- катоды которых соединены.с фазными выводами обмоток 1,2,3 электродвигателя. Аноды диодов 7,8,9 объединены и подключены к объединенным катодам тиристоров 4,5,6. Управляющие входы тиристоров соединены с генератором 10. В результате обеспечивается широкий диапазон вращения электродвигателя. Электродвигатель может работать в шаговом режиме, в режиме вентильного двигателя, разгоняющегося до синхронной частоты вращения без специальных пусковых устройств, в синхронном режиме с регулируемой частотой вращения. 3 з.п. ф-лы, 13 ил. СЛ С

О О Q О О О

И

I

2

.

J I

.

-OrxJlEL

.З

ii8.2

1-22

2-2

12-21

13 22

1 23

Ь-2511 20

е к

(I

к Л м

н

2- 5- 1-

ULZ. S

.

2f

(Риг.7

2ЯГ

о 22Г 4 2ЛГ

. иг,8

о 2yt

3 3

fPus.S

Редактор Н.Слободяник

Составитель А, Головченгсо Техред А..Кравчук

Заказ 5806/50Тираж 659

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий П3035, Москва,, Ж-35, Разтпская наб,, д, 4/5

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

Корректор Г „Решетник

Подписное