Вентильный электродвигатель Советский патент 1989 года по МПК H02K29/06 

о

i

ko

N)

3150

Изобретение относится к электротехнике, а именно к вентильным электродвигателям.

Цель изобретения - повышение надежности при сохранении высоких энергетических показателей путем исключения зон в положении ротора с нуле- вым электромагнитным моментом, возникающих при нарушении электрической связи между одной из двух фаз якорной обмотки и источником питания.

На фиг.1 представлена функциональная схема вентильного электродвигателя; на фиг.2 - временные диаграм- мы, поясняющие его работу.

Вентильный электродвигатель (фиг.1) содержит синхронную машину с фазами 1, 2 якорной обмотки, мостовые коммутаторы 3, 4, вьтолненнйе на транзисторах, 5-8 и 9-12 соответственно, датчик положения 13 ротора синхронной машины, формирователь 14 зоны коммутации меньше 180 эл.град, формирователь 15 зоны коммутации больше 180 эл.град, отключающие реле 16 и 17, дроссель 18 с двумя основными силовыми обмотками 19 и 20, соединеннь1ми между собой последовательно согласно, изме- рительной обмоткой 21 и дополнительной обмоткой 22, пороговый блок 23, инвертирующая цепь 24. Фазы якорной обмотки выполнены с отводами 25, 26 от половины кх витков. Дополнитель- ная обмотка 22 дросселя 18 подключена к отводам 25, 26 встречно по отношению к обмоткам 19, 20.

Фаза 1 обмотки якоря синхронной машины включена в первую диагональ мостового коммутатора 3, а фаза 2 - в первую диагональ мостового коммутатора 4. Один вывод второй диагонали каждого коммутатора 3, 4 подключен к одному зажиму источника пи- тания. Выход датчика положения 13 ротора подключен к входам формирователей зоны коммутации 14 и 15, выходы которых через отключ ающие реле 16 и 17 подключены к управляющим входам силовых ключей мостовых коммутаторов (инверторов) 3 и 4 соответственно. Второй вывод второй диагонали инвертора 3 соединен со свободным выводом силовой обмотки 1 а второй вывод - второй диагонали инвертора 4 - к свободному выводу силовой обмотки 20 дросселя 18. Точ ка соединения начала силовой обмотк

0 5 0 с

С ,

19 и конца силовой обмотки 20 подключена к другому зажиму источника питания. Измерительная обмотка 21 дросселя 18 подключена к входу порогового блока 23, выход которого подключен к управляющему входу отключающего реле 17 и через инвертирующую цепь 15 к управляющему входу отключающего реле 16.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

В исходном состоянии отключающие реле 16 и 17 разомкнуты. При подаче на двигатель напряжения источника питания сигналы датчика положения 13 ротора совместно со схемой управления будут периодически переключать силовые транзисторы мостовых коммутаторов 3 и 4 в последовательности, обеспечивающей изменение МДС F и Fg в соответствии с диаграммами фиг.2 а, б.

Пусть в момент рО насыщены транзисторы 7,8 и 12.

Так как конец 27 фазы 1 остался подключенным к источнику питания через два последовательно соединен- ных силовых транзистора 7, 8 мостового коммутатора 3, то пусковой ток двигателя будет протекать по следующим цепям: первая часть тока - от шины + источника питания через обмотку 19, транзистор 7, половину фазы 1 в направлении от конца 2 к средней точке, дополнительную обмотку 22, половину фазы 2 в направлении от средней точки к концу 28, транзистор 10 на шину - источника питания; одновременно вторая часть пускового тока потечет от шины + источника питания по обмотке 20 через транзистор 9, фазу 2 в направлении от конца 28 к концу 29, транзистор 12 на шину - источника питания. При повороте ротора на угол (ji) от положения u) в мостовом коммутаторе 4 закроются транзисторы 9 и 12 и откроются транзисторы 10 и 11. При этом пусковой ток потечет по цепям: первая часть тока - от шины + источника питания через обмотку 19, транзистор 7, половину фазы 1 от средней точки 25 к концу 27, дополнительную обмотку 22, половину фазы 2 от средней точки 26 к концу 28, транзистор 10 к шине - источника питания; вторая часть тока - от пшны + источника питания,i-«.

. «

К

51

через обмотку 20, транзистор 11, фазу 2 от конца 29 к концу 28, транзистор 16 к шине - источника питания.

При повороте ротора на угол u)t 5Г от положения произойдет запирание транзистора и насыщение транзистора 8 мостового коммутатора 3. Пусковой ток двигателя потечет по цепям: первая часть тока - от шины + источника питания через обмотку 20, транзистор 11, половину фазы 2 от конца 29 к средней точке 26, дополнительную обмотку 26, поло вину фазы 1 от средней точки 25 к концу 27, транзистор 8 к шине - источника питания; вторая часть тока - от шины + источника питания через обмотку 20, транзистор 11, фазу 2 от конца 29 к концу 28, транзистор 10 к шине - источника питания.

В дальнейшем процессы в двигателе протекают аналоптчно, периодически повторяясь в зависимости от угла поворота ротора,

В момент пуска двигателя, когда угловая скорость вращения ротора еще очень мала (u)tO) , пусковые токи, протекающие по фазам 1 и 2, создают магнитодвижущие силы (МДС) с амплитудами соответственно F,

(и - напряжение питания двигателя; Rj - сопротивление фазы; Wj - число витков фазы; KO - обмоточный коэффициент), диаграммы которых для полного периода коммутационных процессов приведены на фиг.2 а , б (непрерывные линии). НДС F и F , взаимо- по отдельности с магнитным потоком индуктора (ротора), обеспечивает создание в двигателе пусковых вращающихся электромагнитных моментов соответственно m ляемых выражением:

4 и т,,опредеП1, F . cp/sin (57-u)t)/ F ф/siniut/; ; . Т /sLn( -u)t)/

m

F5 ф/cosiOt/,

где ф- магнитный поток индуктора. Операцию взятия модуля тригонометрических функций sinu)t и cosiJ t

16

в вентильном двигателе осуществляют мостовые коммутаторы 3, 4, управляемые сигналами датчика положения ротора. Физический.смысл этой операции состоит в обеспечении указанными устройствами однонаправленности электромагнитного момента за счет периодического изменения направления токов в фазах 1, 2 в моменты времени, когда угол между соответствующим вектором МДС и вектором ф достигает значения О эл.рад. Мгновенное значение суммарного пускового электро- магн тного момента вентильного двигателя Швд равно сумме моментов т и

f(/sini)t/ +

/COS4f) t/),

где F F Т при u) 0 в момент пуска двигателя; диаграммы момен- тов т , mj и приведены на фиг.2 в, г, д сплошными линиями. Среднее значение пускового электромагнитного момента (фиг.2д) определяется путем интегрирования выражения для тьд в пределах от до (J t -J7/2:

yi

-|- f Fj (/sincJt/

J о

5

0

+ /COS tOt/)- duDt

ЗГ/4

JT/

5

0

5

2 X.

G) , p(cos u)t/ + sinu3t / )

о о

.

Под действием момента м «А частота вращения ротора двигателя увеличивается и на силовых обмотках 19 и 20 дросселя 18 возникает благодаря их питанию разностью выпрямленных мостовыми коммутаторами косинусои- дапьной и синусоидальной ЭДС вращения фаз, переменное напряжение, близкое к треугольному, частота которого равна удвоенной частоте ЭДС-фа з, а амплитуда пропорциональна частоте вращения ротора. Постоянное напряжение питания двигателя суммируется с треугольным переменным напряжением на обмотках 19, 20. Результирующее напряжение подается в фазе с переменным напряжением на мостовой инвертор 3 и в противофазе на мостовой инвертор 4, что обеспечивает при

переключении транзисторов инверторов по сигналам датчика положения рото- р.а, формирование в фазах якорной обмотки практически прямоугольных разнополярных токов при любых режимах работы двигателя. На вертикальной обмотке 21 дросселя 18 также генерируется напряжение, амплитуда которого пропорциональна частоте вра- щения вала электродвигателя. Это напряжение сравнивается с напряжением, пропорциональным заданной частоте вращения, при превьшеиин которого пороговый блок 23 срабатывает и вырабатьшает сигнал на замыкание контактов реле 17 и через инвертирующую цепь 15 - на размыкание контактов реле 16. При этом силовые ключи инверторов 3 и 4 начинают коммутировать ток в фазах 1 и 2 якорной обмотки с зоной коммутации, превышающей 180 эл.град. Последнее практически устраняет высокочастотные пульсации токов в фазах якорной обмотки и исключает возникновение перенапряжений на силовых транзисторах в моменты их выключения, что обеспечивает существенное повышение энергетических показателей- вентильного электродвигателя, снижение пульсаЦнй мгновенной частоты вращения его вала и, как следствие, значительное (в несколько раз) увеличение срока службы подшипников и всей машины. Так как дополнительная обмотка 22 дросселя 10, в которой также генерируется переменное напряжение, подключена к выводам от половин фаз якорной обмотки в противофазе с последовательно согласно включенными обмотками 19, 20 и имеет в два раза меньше витков, по сравнению с общим числом витков этих обмоток, то сумма напряжений и ЭДС, действующих в замкнутом контуре, образованном указанными обмотками, половинами фаз якорной обмотки и насыщенными тран зисторами мостовых коммутаторов 3, 4 в любой момент времени будет равна нулю. Поэтому при исправном состоянии вентильного электродвигателя уравнительный ток в обмотке 22 не протекает, и объединение выводов 25 26 фаз 1, 2 через эту обмотку не окзывает отрицательного влияния на энергетические показатели машины.

Рассмотрим процессы в двигателе в случае, когда в момент его пуска

5

0

5

0

5

0

5

0

5

или до этого момента произойдет нарушение электрической связи между одной из двух фаз якорной обмотки и источником пита1Ния из-за обрыва одного конца фазы или из-за выгорания двух последовательно соединенных силовых транзисторов мостового коммутатора.

Пусть для определенности произошло отсоединение от источника питания, изображенного на фиг.1, конца 30 фазы 1. При подаче на двигатель напряжения источника питания сигналы датчика положения 13 ротора совместно со схемой управления будут периодически переключать силовые транзит- торы мостовых коммутаторов 3 и 4 в последовательности, обеспечивающей изменение НДС F и F в соответствии с диаграммами фиг.2 а, б. Так как конец 27 фазы 1 остался подключенным к источнику питания через два последовательно соединенные силовые тиристоры 7, 8 мостового коммутатора 3, то пусковой ток двигателя будет протекать в один полупсриод по цепям: первая часть тока потечет от плюсовой шины источника питания, через обмотку 19, силовой транзистор 7 мостового коммутатора 3, через половину витков фазы 1 от конца 27 к средней точке 25 по дополнительной обмотке 22, через силовой транзистор 12 мостового коммутатора 4 и на минусовую шину источника питания, вторая часть пускового тока потечет от плюсовой щины источника питания по обмотке 20, через насьш1енный транзистор 11 мостового коммутатора 4, по второй фазе 2, через насьш5енный транзистор 10 мостового коммутатора 4 и на минусовую шину источника пи- тания. При повороте ротора двигателя на yгoлu) от исходного положения, когда w), в мостовом коммутаторе 4 закроются транзисторы 11, 10, а откроются транзисторы 9, 12. При этом направление тока в фазе 2 изменится на обратное, а полньй пусковой ток потечет по левой половине витков фазы 2.

При повороте ротора двигателя на угол lO t 5 от исходного положения произойдет запирание верхнего правого транзистора мостового коммутатора 3 и насыщение его нижнего левого транзистора. Направление тока в половине витков фазы 1 изменится на

противоположное. В дальнейшем процессы в двигателе будут повторяться. Так как в результате рассмотренной неисправности половина пускового

т и

тока In двигателя протеи, /) к 5

кает по половине витков фазы 1, то ее МДС будет теперь определяться выражением

тг - и г л зк °

что в три раза меньше, чем в случае исправного двигателя (диаграмма F на фиг.2 а, изображенную прерывистой линией).

Во второй фазе величина МДС F не изменится, так как по одной пгло- |Вине ее витков будет протекать половина пускового тока двигателя, а по другой - полный пусковой ток (, двигателя

W

R,

. к

2

- К + 2

и

К

ОБ

- . и,)

1,5 R,

-i-;W..K,.

Из рассмотренного следует, что электромагнитный момент, создаваемый фазой 1, уменьшится в 3 раза (фиг.2 в прерывистая линия), а момент, создаваемьш фазой 2 не изменится. Поэтому диаграмма электромагнитного момента вентильного двигателя будет иметь вид, показанный на фиг.2д штриховой линией. Из диаграммы видно, что минимальное значение пускового момента т при возникновении неисправности составляет 1/3 от минимального значения пускового момента исправного двигателя. Так как обычно номинальное знчение момента двигателя постоянного ток а составляет 1/5 - 1/8,от пускового момента, то предложенный вентильный двигатель будет сохранять

1501221

1 О

работоспособность после возникновения рассмотренной неисправности.

Из приведенных на фиг.2 в, г, д графиков следует, что среднее зна- чение электромагнитного момента предложенного двигателя уменьшается лишь в 1,5 раза при появлении в нем рассмотренной неисправности.

Следует отметить, что среднее значение электромагнитного момента вентильного двигателя с дублированными фазами и мостовыми коммутаторами при обрыве одной из фаз было бы

с больйе, чем в предложением всего на 12,5%. Однако такое увеличение среднего момента достигалось бы ценой увеличения числа силовых транзисторов и фаз якорной обмотки в 2

Q раза по сравнению с предложенным вентильным двигателем.

Таким образом, выполнение фаз якорной обмотки и вентильном двигателе с отводами от половины их вит5 ков, снабжение дросселя дополнительной обмоткой, имеющей число витков, равное числ} витков одной из двух его основных последовательно согласно соединенных силовых обмоток,

Q И подключение дополнительной обмотки к отводам фаз в противофазе с основной обмоткой существенно повьпиает надежность вентильного двигателя.

35

40

45

50

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель по авт.св. № 1387124, отличающийся тем, что, с иелью повьопе- ния надежности путем исключения зон в положении ротора с нулевым значением электромагнитного момента, воз- никающкх при нарушении электрических связей, дроссель снабжен дополнительной обмоткой с числом витков одной из его основных обмоток,- а каждая фаза якорной обмотки выполнена с отводом, выводы дополнительной обмотки дросселя соединены с отводами фаз якорных обмоток встречно по отношению к Основным обмоткам дросселя .

W,

УГ

.fj

в

Z

wt

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение надежности путем исключения зон в положении ротора с нулевым электромагнитным моментом, возникающих при обрыве одной из фаз обмотки якоря. В вентильном электродвигателе фазы 1,2 якорной обмотки выполнены с отводами 25, 26 от половины их витков и введена дополнительная обмотка 22 дросселя 18, которая подключена к отводам 25,26 фаз якорной обмотки встречно основным обмоткам 19,20 дросселя 18. 2 ил.

вД

9 1 0.5.

О

- - -v -x:: . If

Ж

2

Редактор М.Товтин

уг 23Г

Фиг. г

Составитель А.Головченко

Техред м.Ходанич ./ Корректор С Шекмар

tvt