Электромеханический трехфазный преобразователь частоты Советский патент 1988 года по МПК H02M7/64 

zs

т

23 312932

t) .

i

(Л

с:

4i 4

00

О5

электропроводящую жидкость с высоким удельным электрическим сопротивлением. На одном валу с ПВПД установлен дополйительный инвертор в ниде коллектора и контактных колец 36-38, с которыми контактируют щетки 43-45, На коллекторе установлены части одинаковых медньсх колец 49-51, с которыми когЛ-актиругот щетки 33 и 47, ПВПД через механическую контактную передачу, построенную на контактных полозьях 16, 17 и щетках

18, 19., подключены к тиристорам 20, 21. Ток через тиристоры 20, 21 протекает поочередно через паузу во времени, достаточную для перехода щеток 33 и 47 с одной части кольца на другую. За счет вьтолнения,преобразователя в виде прерьшателя и расщепителя числа фаз и электродов игольчатого типа можно увеличить площадь элек- тродов, а следовательно, уменьшить плотность коммутируемого тока и мощности. 7 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано в системах электроснабжения привода переменным током регулируемой частоты. Целью изобретения является повьппение КПД и увеличение срока службы. Преобразователь содержит два игольчатых механических прерьшателя возвратно-поступательного действия (ПВПД), содержащих

t

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к электромеханическим преобразователям постоянного тока в переменный, и может быть использовано в системах электропитания нагрузок переменным трехфазным током, регулируемым по чатоте .

Цель изобретения - повьщ1ение КПД и увеличение срока службы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема преобразователя часто- тыi на фиг. 2 - конструкция коллектора J на фиг. 3 - электропроводная пластина с стальными иглами; на фиг. 4 - часть электропроводного куба с отверстиями; на фиг. 5 - игл электрода в отверстии куба на фиг. 6 электрическая схема преобразовате- теля частоты на фиг, 7 - форма кривых токов -в фазах.

Преобразователь содержит двух- тактньй кривошипно-шатунный механизм 1, установленный на одном валу с двигателем 2 постоянного тока небольшой мощности в подшипниковых узлах 3 и 4. Шатуны 5 и 6 механизма связаны через шарниры 7 и 8 со штоками 9 и 10, которые установлены в направляющих II и 12. На концах щто ков 9 и 10 закреплены изолированно от них электропроводные прямоугольные пластины 13 и 14, в которых установлены вертикально конусообразные стальные иглы 15 (фиг. 3). Иглы крепятся широкими торцами к пластинам либо с помощью электросварки, либо места их установки в отверстия

5

5

0

5

0

5

0

пластин заливают жидким металлом. Пластины с иглами образуют катодный электрод. Игольчатые электроды выбраны катодом с целью уменьшения снаши- ваемости игл при электролизе. Количество игл на пластине может достигать несколько сот или даже тысяч штук в зависимости от мощности преобразователя. На штоках закреплены медные полозья 16 и 17, электрически соединенные с пластинами 13 и 14, С полозьями механически контактируют щеточные узЛы 18 и 19, которые подключены к анодам тиристоров 20 и 21, катоды которых объединены и подключены к отрицательной клемме источника постоянного тока. Под пластинами 13 и 14 расположены емкости 22 и 23 из диэлектрического материала (пластмассы) . Емкости имеют пластмассовые крьпнки 24 и 25 с резиновыми прокладками 26 и 27. В крышках сделаны отверстия для стальных игл катодного электрода. Емкости имеют такое расположение, что в максимально поднятом положении щтоков и пластик нижние концы игл не выходят из крьшгек. Емкости заполнены электропроводящей жидкостью с высоким удельным электрическим сопротивлением, в качестве которой может быть применена пресная вода. Жидкость через емкости циркулирует следующим образом.

В емкости 22 и 23 непрерывно поступает по шлангам жидкость из резервной емкости, а со сливных отверстий, ограничивающих верхний уровень жидкости, она возвращается обратно в резервнуи; емкость с помощью насосной системы. В емкостях в жидкости установлены кубы 28 и 29 из электропроводящего материала, например, алюминия или графита, которые закреплены к корпусам емкостей с помощью пласт- массых вставок 30 и 31. В кубах имеются сквозные отверстия 32 конусной формы (фиг. 4), которые размещены соосно с иглами катодных электродов. Наибольший диаметр имеет верхняя кромка отверстий, а размеры отверстий несколько больше размеров игл

10

реключателя 58 и обе подключены через резистор 59 проводником 60 к по жительному выводу источника питания Две другие клеммы контактов переклю чателей подключены к управляющим эл ктродам тиристоров 20 и 21, Игольча тые прерьгаатели обозначены в виде контактов 61 и 62 (фиг. 6).

Вместо механических переключателей, выполненных на упорах. 55 и 56 и переключателях 57 и 58, можно использовать бесконтактные системы, построенные, например, на герконах

(фиг. 5). Кубы образуют анодный эле- 15 оптозлектронных элементах. Поктрод, электрически связаны и подключены к щеточному узлу 33 дополнительного инвертора проводом 34. Дополнительный инвертор содержит ротор, состоящий из коллектора 35 и контактных колец 36-38, установленных на одном валу в подщипниковых узлах 39 и 40. Вал ротора дополнительного инвертора связан с валом кривошипно-шатунного

стоянный магнит заданной длины может быть закреплен на штоке, а гер- кон - на неподвижной стойке. .

Преобразователь работает следую- 20 Щим образом.

При подаче напряжения на приводной двигатель 2 он приводит во вращение вал кривошипно-шатунного механизма. При этом двигающиеся возвратномеханизма редуктором на двух зубчатых 25 поступательно штоки 9 и 10 перемеща

колесах 41 и 42 с передаточным отношением три к одному, причем большее колесо 41 установлено на валу дополнительного инвертора. Статор допонительного инвертора образован тремя щеточными узлами 43-45, механически контактирующими с кольцами 36-38 и подключенными к трем фазам нагрузки 46, а также двумя щеточными узлами 33 и 47, механически контактирующими с коллектором 35. В качестве нагрузк 46 может служить трехфазная статор- ная обмотка асинхронного двигателя Коллектор (фиг. 2) выполнен в виде диэлектрического диска 48, по ободу которого под углом 120 геометрически град, друг к другу установлены три одинаковых части медных колец 49-51 с воздушными зазорами между ними. Каждая часть медного кольца подключена с помощью проводников 52-54 к контактным кольцам 36 и 38. Щеточные узлы 33 и 47 установлены диаметрально противоположно, причем щетка 47 подключена к положительному вьшоду источника питания. На штоки 9 и 10 установлены упоры 55 и 46 из пружинного материала, которые при движе

50 полнительного инвертора следующим образом. В момент интервала времени между выходом какой-либо группы игл из жидкости- и замыканием контактов противоположного переключателя (бестонии штоков вверх в определенном по- ложении могут нажимать на кнопки кон- 55 ковая пауза , очередная щетка 33 или цевых переключателей 57 и 58, уста- 47 переходит с одной части медного новленных на неподвижных стойках.Одна из клемм контакта переключателя 57 соединена с клеммой контакта пекольца коллектора на другую часть кольца. Например, при вращении диска коллектора по часовой стрелке (фиг.2

реключателя 58 и обе подключены через резистор 59 проводником 60 к положительному выводу источника питания, Две другие клеммы контактов переключателей подключены к управляющим электродам тиристоров 20 и 21, Игольчатые прерьгаатели обозначены в виде контактов 61 и 62 (фиг. 6).

Вместо механических переключателей, выполненных на упорах. 55 и 56 и переключателях 57 и 58, можно использовать бесконтактные системы, построенные, например, на герконах

стоянный магнит заданной длины может быть закреплен на штоке, а гер- кон - на неподвижной стойке. .

Преобразователь работает следую- Щим образом.

При подаче напряжения на приводной двигатель 2 он приводит во вращение вал кривошипно-шатунного механизма. При этом двигающиеся возвратно

ют пластины 13 и 14 с иглами 15, а через редуктор вращают ротор дополнительного инвертора. Перемещающиеся . поочередно вверх упоры в определенном положении нажимают кнопки переключателей, замыкая их контакты. В обычном положении контакты переключателей разомкнуты и ток управления от источника питания через резистор 59 на управляющие электроды- тиристоров не поступает. Взаимное расположение упоров 55 и 56 и переключателей 57 и 58 выбрано так, что нажатие .какого либо упора на кнопку происходит лишь в тот момент, когда иглы противоположной пластины выходят из жидкости, прерьшая электрический контакт и подымаются над ее уровнем- на определенную высоту. В этот же самый момечт

иглы другой пластины находятся глубоко в отверстиях куба в жидкости и наоборот.

Перемещения штоков синхронизированы с углом поворота вала ротора дополнительного инвертора следующим образом. В момент интервала времени между выходом какой-либо группы игл из жидкости- и замыканием контактов противоположного переключателя (бестоковая пауза , очередная щетка 33 или 47 переходит с одной части медного

ковая пауза , очередная щетка 33 или 47 переходит с одной части медного

кольца коллектора на другую часть кольца. Например, при вращении диска коллектора по часовой стрелке (фиг.2)

щетка 47 переходит с части кольца 51 на часть кольца 50. За один оборот коллектора щетки 33 и 47 шесть раз переходят через воздушные промежутки с какой-либо одной части кольца на другую. Этому соответствует шесть выходов игл пластины 13 и 14 из жидкости. Если учесть, что на один оборот вала двухтактного кривошип но-шатунного механизма приходится два поочередных выхода игл пластин 13 и 14 из жидкости, то шести поочередным выходам групп игл соответствует три оборота вала механизма, приходящиеся на один оборот вала коллектора. С этой целью редуктор, связывающий эти валы, имеет передаточное отношение три к одному,

При подаче напряжения питания от источника ток управления поступает на управляющий электрод того тиристора, в цепи управления которого находится переключатель с замкнутыми контактами, т.е. тот переключатель, на кнопку которого нажимает упор. В данном включены контакты переключателя 57 (фиг. I), на кнопку которого нажимает упор 55. Контакты переключателя 58 разомкнуты. В момент включения контактов переключателя 57 ток управления начинает протекать от источника постоянного тока через резистор 59 к управляющему электроду тиристора 20, что приводит к его отпиранию. В это время щетки 33 и 47 занимают положение на частях медных колец, например 49 и 50 (фиг. 2 и 6). Через тиристор 20 начинает протекать силовой ток по цепи: плюс источника, щетка 47, часть кольца 30, контактное кольцо 36, щетка 45, две фазы нагрузки, например, фазы А и С, щетка 43, контактное коль ко 38, часть кольца 49, щетка 33, анодный электрод в внде куба 29, электропроводящая жидкость, иглы 15, электропроводная пластина 14, медный полоз 17, щетка ,19, тиристор 20, минус источника (фиг. 1 и 6). По мере погружения игл в жидкости в отверстия куба- сопротивление жидкостного контакта снижается и ток в цепи возрастает, достигая максимального значения в крайнем нижнем положении штока 10. Затем по мере начала подъема штока иг лы вьдвигаются из отверстий и ток начинает спадать. Конусная форма отверстий и.игл способствует более

0 5 о Q

0

плавному изменению сопротивления жидкостного контакта, особенно на участке выхода игл из отверстий, что предотвращает скачок изменения сопротивления на этом участке и возможность искрообразования при наличии идуктив- ного характера силовой цепи. Кроме того, необходимо учитывать, что на участке выхода игл из отверстий значительно возрастает сопротивление жидкостного контакта, что приводит к резкому повышению вьщеления тепла от протекающего электрического тока, а слой жидкости в зазоре между иглой и отверстием незначителен, из-за этого мал теплообмен. Это может привести к очень быстрому парообразованию в месте контакта, нарушению его и, как следствие этого, искрению. При конусной форме отверстия и иглы слой жидкости в районе верхней кромки отверстия увеличенный, кроме того, при выдвижении иглы в расширяющееся отверстие с повьппенной скоростью подается свежая порция жидкости, интенсивно охла дающая кромки иглы и отверстия и препятствующая парообразованию. Одновременно с вьщвижением игл пластины 14 из жидкости иглы пластины 13 начинают входить в жидкость в емкости 22, ток через них не протекает, так как упор 56 еще не дошел до кнопки переключателя 58 и не замкнул его контакты. Поэтому ток управления не поступает на тиристор 21 и он находится в запертом состоянии. Затем иглы пластины 14 выходят из жидкости, прерьгоая ток в силовой цепи. Поскольку удельное электрическое сопротивление электролита высокое, то в момент отрьша какой-либо, иглы от жидкости сопротивления контакта достигает нескольких десятков тысяч ом, а ток через иглу падает до нескольких, миллиампер. Такое высокое контактное сопротивление в момент отрьгоа иглы достигается также еще за счет влияния силы поверхностного натяженкя жидкости, которая увлекает близлежащий к концу иглы слой жидкости за ней, образуя между концом движущейся иглы и поверхностью жчд кости растягивающийся на несколько миллиметров и одновременно сужающийся столбик жидкости, еще более повышающий контактное сопротивление при отрыве. Затем этот столбик жидкости разрывается где то приблизительно в

средней части и происходит окончательное прерывание контакта между иглой и жидкостью. Так как в момент отрыва иглы от жидкости контактное сопротивление очень велико, то ком- мутируемая иглой мощность незначи- .тельна и искрения не происходит.Для еще большего увеличения сопротивления на выходе игл из жидкости уро- вень жидкости должен быть вьппе расположения верхних торцов кубов. После выхода игл пластины 14 из жиД- кости ток в силовой цепи не протекает, так как тиристор 21 по-прежне- му заперт. В этот момент бестоковой паузы, например, щетка 33 коллектора переходит из части кольца 49 на част кольца 51. Затем движущийся вверх упор 56 нажимает кнопку переключа- теля 58, замыкая его контакты. При этом ток управления поступают на управляющий электрод тиристора 21, отпирая его. От источника питания начинает протекать силовой ток по цепи: плюс источника, щетка 47, часть кольца 50, кольцо 36, щетка 45, две фазы нагрузки, например, фазы А и В, щетка 44, кольцо 37, часть кольца 51 щетка 33, анодный электрод в виде куба 28, жидкость, иглы 15 пластины 13, медный полоз 16, щетка 18, тиристор 21, минус источника питания.

При вращении коллектора по часовой стрелке последовательность перехода щеток с одной части кольца на другую следующая: 33-49 и 47-50; 33-51 и 47-50; 33-51 и 47-49, 33-50 и 47-49i 33-50 и 47-51; 33-49 и 47- 51 и т.д. Шесть переходов обеих ще- ток с одной части кольца на другую образуют один период тока в каждой фазе нагрузки. На фиг. 7 показаны токи в фазах нагрузки, сдвинутые на 120 эл. град.

Система электродов с иглами служи резистивными коммутатором (прерьша- телем) тока, тиристоры обеспечивают увеличение глубины модуляции тока а дополнительный инвертор обеспечивает преобразования импульсов тока в трехфазный переменный ток.

Изменяя обороты приводного двигателя постоянного тока 2, можно менят обороты вала кривошипно-шатунного механизма и дополнительного инвертора в широких пределах. При этом также в широких пределах меняется частота трехфазного инвертируемого тока.

с 0 5 о

« с

5

0

5

Формула изобретения

Электромеханический трехфазный преобразователь частоты, содержащий статорную и роторную части с анодным и катодньпм электродами и электропроводящую жидкость между ними, приводной двигатель, установленный на одном валу с роторной частью, дополнительный механический инвертор, с расположенными на его роторе контактными кольцами, подключенными к медным одинаковым частям колец, установленным равномерно с зазорами между ними на диэлектрическом диске и образующим коллектор, а на статоре - щеточными узлами, два из которых механически контактируют с коллектором и установлены диаметрально противоположно,причем один из них подключен к одному-из электродов, а другой - к одному из вьшодов источника постоянного тока, другие щеточные узлы контактируют с кольцами, механический редуктор, соединяющий валы приводного двигателя и дополнительного инвертора, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и увеличения срока службы, вал двигателя связан с роторной частью преобразователя через кривошип- но-шатунный механизм с вертикальньми возвратно-поступательными штоками, на концах которых установлены электрически изолированно от них электропроводные пластины с закрепленными на них вертикальными стальными иглами конусной формы, образующие первый электрод и подключенные к медным контактным полозьям, установленным на штоках,с которыми контактируют два щеточных узла, соединенные с одинаковыми силовыми вьшодами двух тиристоров, противоположные силовые вьшоды которых подключены к другому выводу источника тока, статорная часть преоб - разователя выполнена в виде емкости из диэлектрического материала, наполненной электропроводной жидкостью и установленной под пластинами с иглами, в емкости размещены кубы из электропроводного материала, каждый из которых расположен под соответствующей пластиной и имеет отверстия конусной формы, размещенные под иглами соосно с ними, кубы электрически связаны между собой, образуя второй электрод, коллектор дополнительного инвертор а содержит три части колец.

расположенных по окружности диска Под углом 120 геометрически} град, одна к другой и связанньк с тремя контактными кольцами, которые через щеточные узлы подключены к трехфазной нагрузке, на штоках установлены упо- ры, в точках их верхнего положения

о о О О О О

о о о о о о о о о о о о о о о

0 г ) ° ® о «-- о о

о о о о о о о о о о о о о о о о о о

неподв1-|жно закреплены концевые переключатели, контакты каждого из которых включены в цепь между вьшодом источнкжа питания и управляющим вьшодом соответствующего тиристора, а редуктор имеет передаточное отношение один к трем.

Я

ff

С

fs

uu

45

Фие. 6

1Л7

17

NV