Резонансный электромеханический инвертор Советский патент 1988 года по МПК H02M7/64 

«

00

со

ч1

«ч

ftu.i

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к резонансным инверторам и может быть использовано в электротехнологии и электроприводе.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.

На фиг.1 представлена конструкция электромеханического резонансного инвертора; на фиг.2 - электрическая схема; на фиг.3 - форма кривой токов в фазах.

Инвертор содержит электромеханические коммутирующие элементы, распо- ложенные на торцах неэлектропроводного диска 1 (на фиг.1 изображен пунктирными линиями только контур диска) установленного на валу 2, которьй механически связан с двигателем пос- тоянного тока 3.

Коммутирующие элементы выполнены следующим образом.

На одном торце диска, например, левом установлены по окружностям большего и меньшего диаметра две системы частей медных колец-наружная и внутренняя. Наружная система содержит три одинаковых части колец 476, расположенных равномерно по окружное- ти под углом 120 геометрических градусов один относительно другого. Точно также расположе1Ш три одинаковых части колец 7-9 внутренней системы. Части колец -наружной системы сдвину- ты относительно частей колец внутренней системы по окружности на 60 геометрических градусов. Около торца диска по его радиусу неподвижно установлены два щеточных узла 10 и П, каждый из которых механически контактирует со своей системой частей колец.

Между частями колец в каждой системе имеются воздушные промежутки, длина которых больше ширины щетки щеточного узла, В каждом воздушном промежутке изолированно от частей колец установлены медные вставки 12, которые используются лишь как эле- менты с высоким коэффициентом скольжения для прохождения щеток через воздушные промежутки.

Каждая часть внутренней системы электрически связана с той частью кольца наружной системы, которая повернута относительно нее по окружности против часовой стрелки на 60 геометрических градусов, т.е. электрически связаны между собой части колец 4и7,5и9,6и8.

Со стороны левого торца диска на валу на изоляционных втулках установлены три медных контактных кольца 13 15, каждое из которых соединено с электрически связанной парой частей колец внутренней и наружной системы. Например, контактное кольцо 15 электрически подключено к частям колец 4 и 7, контактное кольцо 14 подключено к частям колец 5 и 9, и т.д. С контактными кольцами механически контактируют щелочные узлы 16-18, которые подключены к фазам нагрузки 19.

На правом торце диска 1 по окружностям большего и меньшего диаметра также установлены две системы медных колец - наружная и внутренняя. В каждой системе насчитывается по шесть одинаковых частей колец, расположенных равномерно по окружности через 60 геометрических градусов. Наружная система состоит из частей колец 20- 25, внутренняя система содержит части колец 26-31. Части колец наружной и внутренней системы размещены без сдвига друг относительно друга по окружности. Части колец внутренней системы, расположенные друг относительно друга под углом 120 геометрических градусов, электрически связаны, т.е. электрически связаны части .колец 20,22,24 и электрических связаны части колец 21,23,25, образуя две подсистемы. Точно также связаны части колец 26,28,30 и части колец 27,29,31 наружной системы, также образуя две подсистемы. Каждая внутренняя подсистема частей колец электрически подключена к той наружной подсистеме частей колец, которая сдвинута относительно нее по окружности на 60 геометрических градусов, подсистема из частей колец 20,22,24 подключена к подсистеме из частей колец 27,29,31, а подсистема из частей колец 21,23,25 подключена к подсистеме из частей колец 26,28,30.

С наружной и внутренней системами частей колец механически контактирую щеточные узлы 32 и 33, неподвижно установленные со стороны правого торца диска по его радиусу. Щеточньй узел 32 подключен к катоду высокотемпературного вентиля 34, анод которого подключен к положительному выводу неточника питания постоянного тока, а щеточный узел 33 подключен к отрицательному вьюоду источника питания. .

Между частями колец наружной и внутренней систем с правого торца диска также имеются воздушные промежутки больше ширины щетки щеточного узла. В каждом промежутке изолированно от частей колец установлень медные вставки 35, использующиеся лищь как скользящие элементы для прохождения щеток через зазоры.

Середины воздушных зазоров между частями колец 7-9 внутренней системы на левом торце диска совмещены по угловой координате по окружности, лежащей в плоскости торца диска, с середины воздушных зазоров, расположенными под углом 120 геометрических градусов один относительно другого между частями колец внутренней системы на правом торце диска, например, между частями колец 27,28,29 и 30, 26 и 31 или частями колец 28 и 29,30 и 31,26 и 27. Таким же образом середины воздушных зазоров между частями колец 4-6 совмещены с середины воздушных зазоров между частями колец 20 и 21,22 и.23,24 и 25, или зазоров между частями колец 21 и 22,23 и 24, 25 и 20.

Щеточные узлы 10 и 11 лежат в одной плоскости со щеточными 32 и 33, либо сдвинуты по угловой координате по окружности лежащей в плоскости торца диска, на угол, равный 60 п, где п - целое число.

С правой стороны от диска на валу на изоляционных втулках установлены два медных контактных кольца 36 и 37 причем контактное кольцо 36 подключено к электрически связанной системе частей колец 20,22,24,27,29,31, а контактное кольцо 37 подключено к системе колец 21,23,25,26,28,30.

С контактными кольцами 36 и 37 механически контактируют неподвижно установленные щеточные узлы 38 и 39. Щеточньй узел 38.подключен к обкладке конденсатора 40. Вторая обкладка конденсатора подключена к одному из выходов дросселя 41. Второй вывод индуктивности подключен к щеточному узлу 10. Щеточный узел 39 подключен к щеточному узлу 11. Параллельно ин . дуктивности 41 включен ключ 42.

На фиг.2 представлена электрическая модель схемы инвертора, на которой электрические ключи 43-52 отображают электрическое соединение электромеханических коммутирующих элеме тов. Наружную и внутреннюю системы из частей колец 20-25 и 26-31 с системой щеток 32,33,38,39 и контактных колец 36,37 можно представить в виде ключей 43-46, образующих двухфазньш

мост (фиг.2). Наружную и внутреннюю системь из частей колец 4-6 ;: 7-9 щеточных узлов 10, 11,16,18 и контактных колец 13-15 можно представить в виде ключей 47-52, включенных в трехфазный мост (фиг.2).

Общая точка соединения контактов 47-49 подключена к одному из выводов дросселя 41, при этом образуется последовательная цепочка, состоящая из

конденсатора 40, дросселя 41 и трехфазного моста на замыкающихся ключах. Эта последовательная цепочка включена в одну из диагоналей двухфазного моста. Другая диагональ двухфазного

моста подключена через вентиль 34 к источнику питания постоянного тока. В плечи трехфазного моста со стороны переменного тока подключена трехфазная нагрузка 19.

Пунктирными линияьи на фиг.2 показана механическая связь вала двигателя 3 с ключами 43-52.

Принцип действия инвертора следующий.

При вращении двигателя 3 приходит во вращение диск 1. При этом щетки скользят по медным частям колец на правом и на левом торцах диска, подключая или отключая источник питания

от фаз нагрузки. Щетки 10 и 11 скользят по частям колец 8,5, а щетки 32, 33 - по частям колец 22,28. При этом идет колебательный процесс заряда - конденсатора 40 по цепи: плюс источника питания, вентиль 34, щеточный узел 32 часть кольца 22, контактное. кольцо 36, щеточный узел 38, верхняя обкладка конденсатора 40, нижняя об кладка конденсатора 40, дроссель 41

или контакт 42, щеточный узел 10,

часть кольца 8, контактное кольцо 13, щетка 18, фазы нагрузки 19 C-Z и Y-B, щетка 17, контактное кольцо 14, часть кольца 5, щеточный узел 11, щеточный

узел 39, контактное кольцо 37, часть кольца 28, щеточньвй узел 33, минус источника питания. В данную часть периода (почти 1/3 периода) колебаний ток заряда конденсатора протека

ет через фазы В и С и не протекает через фазу А нагрузки.

Скорость вращения диска регулируется с помощью приводного двигателя таким образом, что время заряда конденсатора 40 немного меньше времени движения щетки 10 по участку, меньшему половины длины части кольца 8 и движения щеток 32 и 33 по частям колец 22 и 28. За счет этого в момент, когда щетка 10 подходит к концу части кольца 8 (вращение диска принимаем против часовой стрелки), щетки 32,33 проходят к концам частей колец

22.28,ток колебательного заряда конденсатора спадает до нуля, а вентиль 34 препятствует разряду конденсатора и появлению разрядного тока.

Полуволна тока заряда (перезаряда конденсатора () имеет длительность t. Время движения, например, щетки 32 по части кольца 22 и по медной вставке 35 равно t, Это же время соответствует движению щетки 33 по части кольца 28 и медной вставке, щеток 11,10 - по половинам частей колец 5,8 и щетки 10 - еще и по медной вставке. За время паузы в кривой тока t, когда заряд конденсатора 40 закончился, а разряду препятствует вентиль 34, щетки 10, 32,33 проходят воздушные зазоры между частями колец по медным вставкам 12 и 35.

Как только щетки 32,33 вступают в механический контакт с частями колец

23.29,щетка Ю с частью кольца 7 (щетка 11 продолжает двигаться по части кольца 5), начинается колебательный перезаряд конденсатора 40 по цепи: плюс источника, вентиль 34, щеточный узел 32, часть кольца 23, кольцо 37, щеточный узел 39, щеточный узел 11, часть кольца 5, кольцо 14, щеточный узел 17, фазы В-У и А-Х нагрузки 19, щеточный узел 16, кольцо 15, часть кольца 7, щетка 10, дроссель 41 (или контакт 42), нижняя обкладка конденсатора 40, верхняя обкладка конденсатора 40, щеточный узел 38, контактное кольцо 36, часть кольца 29 щеточный узел 33, минус источника питания. Таким образом, в этой части периода изменилась полярность подключения обкладок конденсатора к источнику постоянного тока. Ток протекает через фазные обмотки В-У и А-Х и не протекает через обмотку C-Z (вторая часть 1/6 периода на

фиг.3). Пока щетки 10,11,32,33 движутся по частям колец 7,5,23,29, конденсатор 40 перезаряжается. Перезаряд

конденсатора происходит до упражнения большего напряжения источника питания за счет наличия в цепи конденсатора индуктивных накопителей. Время перезаряда конденсатора также

меньше времени движения щеток 10,11, 12,33 по частям колец 5,7,23,29. Разряду конденсатора опять препятствует вентиль, при этом образуется пауза в кривой тока разряда конденсатора,

в течение которой щетки 11,32,33 переходят воздушные промежутки по медным вставкам 12,35. Затем процесс перезаряда конденсатора повторяется. Уменьшая обороты приводного двигателя, можно увеличивать паузы в кривых токов в фазах, так как собственная часть колебаний тока в индуктивно-емкостной цепи остается неизменной. При зтом снижается частота инвертируемого тока. Увеличение оборотов приводного двигателя и соответственно частоты инвертируемого тока допускается лишь до какого-то предельно минимального значения паузы в

кривой тока. Дпя инвертируемого тока с частотой 50 Гц минимальное значение паузы в форме кривой допускается в пределах 0,3-0,4 мс. Дальнейшее уменьшение паузы и переход в режим

работы без паузы (непрерывный режим работы или режим работы с отсечкой тока) приводит к сильному искрению под щетками и быстрому выходу их из строя.

Другой иллюстрацией работы инвертора может служить электрическая схема на фиг.2. Замкнутое состояние ключей 43,46 двухфазного моста соответствует механическому контакту щетки 32 с частью кольца 22 и щетки 33 с частью кольца 28. Одновременно с этим замкнуты ключи 47 и 51, что соответствует механическому контакту щетки 10 с частью кольца 8 и щетки

1 с частью кольца 5. Конденсатор 40 заряжается по цепи: плюс источника питания, вентиля 34, ключ 43, конденсатор 40, дроссель 41, ключ 47, фаза C-Z, фаза У-Б, ключ 51, контакт

6, минус источника питания.

Затем ключи 43,46,47,51 размыкаются и замыкаются ключи 44,45,49,51. Конденсатор 40 начинает перезаряжаться через, замкнутые ключи и через фа714

зы В-У, и А-Х. Замкнутые ключи 44,45, 49 и 51 соответствуют механическому контакту щеток 32,33,1О,П с частями колец 23,29,7,5.

Переключение ключей 47-52 соответствует движению щеток по частям медных колец на левом торце диска и происходит попарно в следующей последо

вательности: 47,51,49,51,49,50,48,50,10 которой одна обкладка конденсатора 48,52,47,52; 47,51 и т.д.

Синхронно с переключением указанных пар ключей происходит переключение пар ключей 43-46 в следующей последовательности 43,46,44,45,43, 46 и т.д. При этом обеспечиваются незатухающие автоколебательные в индуктивно-емкостной иепи.

подключена к одному из выводов дросселя, а другая - к щеточному Узлу, отлич ающийся тем, что, с целью расширения функциональных 15 возможностей, части медных колец образуют четыре системы по две с каждо го торца диска - наружную и внутреннюю, с левого торца диска в каждой системе имеются по три одинаковых Дроссель 41 выполняет роль пускового. Если нагрузкой служит трехфазная обмотка асинхронного коротко- замкнутого двигателя, то в момент пуска двигателя индуктивное сопротивление статорной обмотки мало. При этом собственная частота колебаний в ивдуктивно-емкостном контуре велика, приводной двигатель имеет ограниченную частоту вращения. Это приводит к появлению значительной паузы 30 ной и внутренней систем расположены tn в кривых токах фаз. При этом элек- симметрично, каждый щеточный узел тромагнитный момент двигателя имеет механически контактирует только с од- широкие провалы и двигатель не может ной из систем частей колец, в воздуш- разогнаться. Введение пускового дрос- ных зазорах между частями колец изо- селя резко снижает собственную часто- 35 лированно от них установлены медные ту колебаний в контуре в момент пуска вставки, равные по высоте частям колец, на общем валу с диском со стороны его левого торца на изоляционных втулках размещены три медных контакт- время пуска двигателя. После заверше- 40 ных кольца, с которыми механически ния пуска двигателя дроссель закора- контактируют неподвижно установлен- чивается ключом 42. Индуктивное со- ные рядом три щеточных узла, подклю- противление цепн обеспечивается ин- ченных к трехфазной цепи нагрузки,

на левом торце диска каждая из трех 45 частей колец внутренней системы электрически связана с диаметрально про20 части колец, расположенных по окружности под углом к другу, при этом части колец наружной системы смещены на 60 по окружности относительно частей колец внутренней

25 системы, с правого торца диска в каждой системе имеются по шесть одинаковых колец, расположенных равномерно по окружности через 60 , при этом части колец по окружности наружи уменьшает ширину провалов в кривой электромагнитного момента двигателя. Дроссель 41 включается только на

дуктивностью статорной обмотки двигателя .

8

точных узла, механически контактирующих с частями колец, воздушные зазоры между которыми больше ширины щеток щеточных узлов, высокотемпературный вентиль, подключенный анодом к положительному входному выводу, а като дом - к щеточному узлу, и последовательную индуктивно-емкостную цепь, в

подключена к одному из выводов дросселя, а другая - к щеточному Узлу, отлич ающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, части медных колец образуют четыре системы по две с каждо го торца диска - наружную и внутреннюю, с левого торца диска в каждой системе имеются по три одинаковых ной и внутренней систем расположены симметрично, каждый щеточный узел механически контактирует только с од- ной из систем частей колец, в воздуш- ных зазорах между частями колец изо- лированно от них установлены медные вставки, равные по высоте частям колец, на общем валу с диском со стороны его левого торца на изоляционных втулках размещены три медных контакт- ных кольца, с которыми механически контактируют неподвижно установлен- ные рядом три щеточных узла, подклю- ченных к трехфазной цепи нагрузки,

части колец, расположенных по окружности под углом к другу, при этом части колец наружной системы смещены на 60 по окружности относительно частей колец внутренней

системы, с правого торца диска в каждой системе имеются по шесть одинаковых колец, расположенных равномерно по окружности через 60 , при этом части колец по окружности наруж

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано в автономных системах электроснабжения. Целью изобретения является расширение функционалыалх возможностей. Устр-во содержит электромеханические коммутирующие элементы, выполненные в виде неэлектропроводного диска, на торцах которого установлены наружные и внутренние системл из медных частей колец 4-6 и 7-9, контактирующих со щеточными узлами 10, 11. Диск приводится во вращение двигателем постоянного тока 3. При этом .. происходит переключение коммутирую- )цих элементов в соответствующей, пос ледовательности, которая обеспечивает колебательный процесс заряда пере- заряда конденсатора 40 и обмен электрической энергией между конденсатором и реактивными элементами нагруз ки. 3 ил. i СЛ

Формула изобретения

Резонансный электромеханический инвертор, содержащий электромеханические коммутирующие элементы, выполненные в виде диска из неэлектропроводящего материала, установленного на валу, соединенного механически с

тивоположно расположенной частью кольца наружной системы и с контактным кольцом, со стороны правого тор- 50 ца диска на валу на изоляционных втулках установлены два медных контактных кольца, с которымн механически контактируют неподвижно установленные рядом два щеточных узла, один

приводным двигателем, с размещенными 55 «з которых подключен к одной обкладке конденсатора, а другой подключен к щеточному узлу, контактирукяцему с наружной системой частей колец на левом торце диска, на правом торце дисна торцах диска по прилегающим к ним окружностям частями медных колец, и неподвижно установленных по два по радиусу диска с каждого его торца щетивоположно расположенной частью кольца наружной системы и с контактным кольцом, со стороны правого тор- ца диска на валу на изоляционных втулках установлены два медных контактных кольца, с которымн механически контактируют неподвижно установленные рядом два щеточных узла, один

«з которых подключен к одной обкладке конденсатора, а другой подключен к щеточному узлу, контактирукяцему с наружной системой частей колец на левом торце диска, на правом торце диска части колец, по три в обеих системах, расположенных под углом 120 одна относительно другой по окружности, электрически связаны, образуя в наружной и внутренней системах по две подсистемы, каждая внутренняя подсистема элект рически связана с наружной подсистемой, сдвинутой по окружности относительно нее на угол 60 , и электрически подключена к контактному кольцу, расположенному со стороны правого торца диска, первый из двух щеточных узлов, механически контактирукяцих с системами частей колец на правом торце диска, подключен к отрицательному входному выводу второй - к катоду вентиля, второй вы- вой дросселя подключен к щеточному узлу, контактирующему с внутренней

системой частей колец на левом торце диска, середины воздушных зазоров между частями колец внутренней и наружной систем с левого торца диска совмещены по угловой координате по окружности большего и меньшего диаметров на торцах дискд с серединами воздушных зазоров, размещенными под углом 120 одна относительно другой, между частями колец соответственно внутренней и наружной систем с правого торца диска лежат в одной плоскости или сдвинуты по угловой координате по окружностям на торцах диска на угол, равный 60° п, относительно щеточных узлов, контактирующих с частями колец с левого торца диска, где п - целое число.

ч X

фи9.2