Устройство для регулирования возбуждения бесщеточной электрической машины Советский патент 1991 года по МПК H02P9/30 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для автоматического возбуждения бесщеточных электрических машин, к которым предъявляются повышенные требования по быстро- действию.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности регулирования

На фиг.1 представлена принципиаль- ная схема устройства для регулирования возбуждения электрической машины; на фиг.2 и 3 - схемы размещения неподвижных излучателей и вращающихся фотоприемников; на фиг.З - вариант расположения фото- тиристора при отсутствии световодов; на фиг.4 - схема расположения приемных окон фотоприемников, а также элементов узла синхронизации.

Устройство для регулирования возбуж- дения (РВ) бесщеточной электрической машины (БЭМ), содержащее возбудитель 1, выполненный в виде электрической машины переменного тока и подключенный силовым выходом к входу управляемого выпрямителя 2, выход которого предназначен для связи с выводами обмотки 3 возбуждения БЭМ 4, а управляющие входы вентильных элементов (фототиристоров) 5- 10 связаны с фотоприемниками, располо- женными на роторе, число которых равно числу плеч управляемого выпрямителя 2, источники света, число которых равно числу пар полюсов р возбудителя 1 и выполненные на светоизлучателях.блок 11 управле- ния светоизлучателями -, узел 12 синхронизации, сигнальные элементы 1318которого сдвинуты на определенный угол по отношению приемных окон фотоприемников, а выводы чувствительных элементов

19и 20 связаны с входом блока управления светоизлучателями.

Устройство РВ БЭМ также содержит многоуровневые источники постоянного напряжения, выполненные на источнике на- пряжения и делителе напряжения на резисторах 21-23, регулятор 24 напряжения, фазосдвигающее устройство (ФСУ) 25, логический элемент ИЛИ 26, причем вход

регулятора напряжения подключен к силовому выходу БЭМ через трансформаторы напряжения 27 и тока 28, а выход связан с управляющим входом ФСУ 25, вход синхронизации которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ 26, входами подключенного к выходам чувствительных элементов 19-20 узла синхронизации, Каждый из источников света выполнен в виде светодуги 29 и 30 из двух полудуг, первая 31 из которых по ходу вращения с центральным углом Омакс /р, где Омакс - МЭКСИ- мальный угол управления управляемым выпрямителем, выполнена на светоизлу- чателях первой группы, а вторая 32 - с центральным углом, соответствующим длительности импульсов управления управляемым выпрямителем, обеспечивающей надежное включение вентильных элементов, выполнена на светоизлучателях второй группы, первая полудуга выполнена из такого количества п световых частей 33- 35, что угловая протяженность каждой световой части меньше, чем угловой сдвиг по окружности ротора между двумя соседними приемными окнами 36-41 фотоприемников (60 эл. град, фиг.4), при этом приемное окно каждого фотоприемника сдвинуто относительно оси 42 фазы обмотки ротора возбудителя, связанной с вентильным элементом, управляющий вход которого связан с этим фотоприемником на угол, который на 30 эл. град, меньше угла сдвига между началом светодуги и осью соответствующего этой светодуге полюса возбуждения, а угол сдвига между каждым приемным окном фотоприемника и соответствующим ему сигнальным элементом узла синхронизации равен углу сдвига между началом еветодуги и соответствующим ей чувствительным элементом узла синхронизации. Светоизлучатели 33-35 второй группы связаны с одним из выходов многоуровневого источника питающего напряжения. Блок 11 управления светоизлучателями выполнен в виде п узлов 43-45 управления светоизлучателями на компараторе 46 и логическом элементе И 47, причем выход логического элемента И каждого узла управления светоизлучателями связан через резистор 48 с входами светоизлучателей первой группы, соответствующих k-ой световой части первой полудуги источника света, где k - порядковый номер световой части от начала светодуги, первый вход - с выходом компаратора этого же узла управления светоизлу- чателем, а второй вход - с выходом ФСУ 25, Неинвертирующий вход компаратора подключен к выходу многоуровневого источника постоянного напряжения с напряжением, равным К имакс/п, где К - номер узла управления светоизлучателя, соответствующего этому компаратору, Умакс - максимальный уровень выходного сигнала регулятора напряжения, соответствующий максимальному углу управления управляемым выпрямителем, а неинвертирующие входы компараторов подсоединены к выходу регулятора напряжения, Светоизлучатели второй группы связаны с источником напряжения через резистор 48. При этом оси 49 и 50 - оси индуктора БЭМ, а ось 42 - ось фазы, питающей фототиристоры 5.

Устройство для размещения вентильных элементов 5-10 управляемого выпрямителя 2 и светоизлучателей 32, 33-35, (фиг.2) состоит из статора 51, статорной втулки 52, роторйой втулки 53, уплотнитель- ных сальников 54, вала 55, выводов светоизлучателей 56, изолирующей втулки 57, фотоприемника, выполненного на основе световода 58 с приемным окном 59. Из све- тодиодов 60 составлены светоизлучатели (фиг.2-4), расположенные равномерно по окружности. Источник 61 напряжения получает электроэнергию от маломощного под- возбудителя 62.

Устройство для регулирования возбуждения БЭМ на фиг.1-4 соответствует конкретным условиям, заключающимся в том, что якорь возбудителя 1 имеет трехфазную обмотку, вращающийся управляемой выпрямитель 2 - мостовую схему выпрямления, число пар полюсов возбудителя .

На фиг.2 введены дополнительно следующие обозначения: а - центральные углы световых частей, входящих в состав полудуг 31;узз, 734,узб -угловые координаты концов световых частей соответственно 33-35, отсчитываемые от начала светодуги.

Для конкретных условий, показанных на фиг.1-4. Омакс 60° (60° означает 60

Cf Н

геометрических град.); - а узз 20°

УЗА 40° 80 эл.град.; уз5 60° 120 эл. град.; при этом приемным окнам 36-41 соответствуют сигнальные элементы 15-18,

приемному окну 36 соответствует сигнальный элемент 13, приемному окну фотоприемника 37 - элемент 14 и т.д.), светодуге 29 соответствует чувствительный элемент 19 и 5 ось полюсов индуктора 49, светодуге 30 - сигнальный элемент 20 и ось 50.

Угол сдвига между приемными окнами фотоприемника и соответствующими им сигнальными элементами равен 30 эл.град.,

10 такой же угол сдвига и между началом светодуг и соответствующими им чувствительными элементами устройства синхронизации.

Число плеч управляемого выпрямителя

5 2 равно шести, такое же количество приемных окон расположено на валу синхронной машины 1, каждое приемное окно имеет свой светодиод, разветвляющийся на параллельные фототиристоры соответствую0 щего плеча управляемого выпрямителя, расположенного на валу 55.

Если приемные окна 36 и 39 расположены на оси обмотки, связанной с фототиристорами 5 и 8, тогда начало светодуги 29 и

5 30 сдвинуто относительно оси соответствующих полюсов 49 (50) на угол 130 эл.град. (+30 эл.град. - значит в сторону вращения ротора). Именно этот случай показан на фиг,4, Таким образом, момент совмещения

0 приемного окна 36 с началом светодуги 29 (фиг.4) соответствует моменту естественного зажигания фототиристоров 5 в режиме холостого хода возбудителя 1.

Устройство для регулирования возбуж5 дения бесщеточной электрической машины работает следующим образом.

При вращении ротора приемные окна 36-41, расположенные как показано на фиг.4, непрерывной линией, поочередно со0 вмещаются с началом светодуги 29(30), при этом сигнальные элементы 13-18 поочередно проходят вдоль чувствительного элемента 19(20) устройства синхронизации, которое формирует импульсы синхрониза5 ции, и на выходе логического элемента ИЛИ 26 имеют место импульсы, сдвинутые друг относительно друга на 60 эл. град., т.е. следующие с шестикратной частотой возбудителя.

0Регулятор 24 напряжения формирует

сигнал управления Uy, который подается на вход ФСУ 25.

Нулевому углу управления тиристорами 5 соответствует нулевое напряжение управления, а максимальному углу управления «макс соответствует максимальное напря- жение управления иумакс, при этом «макс выбирается из условия надежной работы

преобразователя в инверторном режиме без срывов коммутации.

Импульсы с выхода ФСУ 25 проходят через узлы управления 43-45 и и включают соответствующие светодиоды. Узлы управления позволяют включать световые части светодуг 29 и 30 в зависимости от величины Uy, следовательно, в зависимости от величины угла управления. Поскольку в рассматриваемом случае Кунаке соответствует углу «макс 120 эл. град., то углу узз 40 эл.град. первой световой части 33 (к 1) соответствует напряжение изз иумакс/п. Формируемое на резисторе 21, где п 3 - количество световых частей светодуг, углу уз 80 эл.град. второй световой части 34 (к 2)

К U

соответствует напряжение Уз4 умакс

п

2 . Кзз 2 х Уумакс/З, .которое формируется на резисторах 21 и 22. Соответственно напряжение 11з5 Уумакс формируется на резисторах 21-23, следовательно, 35 делитель напряжения позволяет реализовать многоуровневый источник постоянного напряжения.

Если в регуляторе 24 напряжения имеется ограничитель, который обеспечивает условие Uy Уумакс, тогда возможно упрощение устройства, так как узел 45 управления не нужен и светоизлучатель 35 через резистор 48 подключаются к выходу ФСУ 25. как показано на фиг.1 пунктирной линией. Указанное упрощение возможно и при отсутствии ограничителя в регуляторе 24 напряжения, если светодуга, составленная из полудуги 32 световой части 35, т.е. дуга с центральным углом а+ а , загораясь на время / w. где а - циклическая частота возбудителя, может иметь оптический контакт только с одним приемным окном.

Необходимость введения блока управления можно пояснить на примере. Пусть угол управления управляемым выпрямителем cty , соответствующий напряжению Uy, равен 70 эл.град., тогда в момент совмещения, например, приемного окна 36 с началом светодуги 29 формируется импульс синхронизации и через время т щ/шзасве тятся на время tn световые части 34 и 35. Световой поток, воспринимаемый приемным окном 36. включает соответствующие фототиристоры. Если бы при этом загорелось световая часть 33, то световой поток восприняли бы два приемных окна 36 и 37, так как загоревшаяся светодуга имела бы угловую длительность, большую 60 эл. град. При этом включились бы фототиристоры плеча 5 с углом щ 70 эл. град, и фототиристоры плеча 6с углом 10 эл. град. Т.е. имела бы место неправильная работа управляемого выпрямителя 2.

Таким образом, при угле управления «у 40 эл. град, световые части 33 не включаются; при ау 80 эл. град, не включаются световые части 34 и 33. Поскольку светоизлучатели 32 постоянно излучают, то тем самым обеспечивается условие

ОСу (2макс .

Если нет необходимости в плечах управляемого выпрямителя 2 устанавливать параллельно соединенные фототиристоры, то, очевидно, возможно такое расположение фототиристоров 5-10, чтобы их собственные приемные окна при вращении совмещались бы со светодиодами светодуг 29, 30, как показано на фиг.З. При этом отпадает необходимость в прокладке световодов, что упрощает конструкцию вращающейся части.

Количество светодиодов в дугах 29, 30 определяется центральным углом (2макс + #н)/р, а также диаграммами направленности световых потоков выбранных светодиодов. Близко расположенные светодиоды образуют протяженный источник излучения, обеспечивающий отсутствие дискретности управления и при выходе части светодиодов из строя устройство обеспечивает нормальную работу бесщеточной машины 1.

Для исключения возможности включения фототиристоров отраженным световым потоком поверхности роторной втулки 53 целесообразно покрыть светопоглощаю- щим веществом.

На фиг.4 показан непрерывной линией первый вариант расположения приемных окон фотоприемников и соответствующих им сигнальных элементов устройства синхронизации, однако такое расположение не .является единственным. Пунктирной линией показан второй вариант расположения фотоприемников и сигнальных1 элементов, сдвинутых относительно расположения первого варианта на 360-эл. град. Возможно комбинирование указанных вариантов, что дает свободу при разработке конструкции вращающейся части. Например, приемные окна 36, 38, 40 и сигнальные элементы 13, 15, 17 можно расположить по первому варианту, а приемные окна 37, 39. 41 и сигнальные элементы 14, 16, 18 - по второму.

В общем случае число вариантов расположения каждого приемного окна равно р, а общее число всех вариантов р.т, где т - количество приемных окон. Подвозбудитель

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

62 может быть необходим только при начальных пусках системы. В остальных режимах, включая режим короткого замыкания на шинах БЭМ, питание источника 61 напряжения может быть обеспечено по схеме самовозбуждения от трансформаторов 27 и 28 с токовым компаундированием, т.е. под- возбудитель 62 может быть маломощным и, следовательно, малогабаритным.

Рассмотренная одноканальная система импульсно-фазового управления проста, так как в ней отсутствует распределитель импульсов управления по m каналам управления. Указанные распределители импульсов обычно представляют собой сложные устройства.

Таким образом, в устройстве реализуется импульсно-фазовое управление вращающегося фототиристорного управляемого выпрямителя, что позволяет повысить быстродействие системы, так как из контура регу- лирования исключается инерционное звено-возбудитель. При этом сравнительная простота устройства, в котором регулятор напряжения воздействует непосредственно на вращающийся управляемый выпрямитель, обеспечивает повышение точности регулирования напряжения.

Формула изобретения Устройство для регулирования возбуждения бесщеточной электрической машины, содержащее возбудитель, выполненный в виде электрической машины переменного тока и подключенный силовым выходом к входу управляемого выпрямителя, выходом соединенного с выводами для подключения обмотки возбуждения бесщеточной электрической машины, а управляющие входы вентильных элементов управляемого выпрямителя связаны с фотоприемниками, расположенными на роторе, число которых равно числу плеч управляемого выпр мите- ля, источники света, число которых равно числу пар полюсов Р возбудителя, выполненные в виде нескольких светоизлучате- лей, блок управления светоизлучателями, узел синхронизации, сигнальные элементы которого сдвинуты на определенный угол по окружности ротора относительно приемных окон фотоприемников, а выводы чувствительных элементов узла синхронизации связаны с входом блока управления светоизлучателями, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности регулирования, введены многоуровневый источник постоянного напряжения, регулятор напряжения, фазосдвигающий узел, логический элемент ИЛИ. узел синхронизации выполнен с числом сигнальных эле- ментов( равный р, причем вход регулято- рзнапряжения соединен с выводами для подключения к силовому выходу бесщеточ- 5 ной электрической машины, з выход связан с управляющим входом фазосдвигающего узла, вход синхронизации которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ, входами подключенного к выходам чувстви- 0 тельных элементов узла синхронизации, каждый из источников света выполнен в виде светодуги из двух полудуг, первая из которых по ходу вращения с центральным углом ймакс/р, где «макс - максимальный

5 угол управления управляемым выпрямителем, выполнена на светоизлучателях первой группы, а вторая - с центральным углом, соответствующим длительности импульсов управления управляемым выпрямителем,

0 обеспечивающей надежное включение вентильных элементов, выполнена на светоизлучателях второй группы, первая полудуга выполнена из такого количества п световых частей, что угловая протяженность каждой

5 световой части меньше, чем угловой сдвиг по окружности ротора между двумя соседними приемными окнами фотоприемников, при этом приемное окно каждого фотоприемника сдвинуто относительно оси фазы об0 мотки ротора возбудителя, связанной с вентильным элементом, управляющий вход которого связан с этим фотоприемником, на угол, который на 30 эл. град, меньше угла сдвига между началом светодуги и осью со5 ответствующего этой светодуге полюса возбудителя, а угол сдвига между каждым приемным окном фотоприемника и соответствующим ему сигнальным элементом узла синхронизации равен углу сдвига меж0 ду началом светодуги и соответствующим ей чувствительным элементом узла синхронизации, входы светоизлучателей второй группы связаны с одним из выходов многоуровневого иточника постоянного напря5 жения, блок управления светоизлучателями выполнен в виде п узлов управления светоизлучателями, на компараторе и логическом элементе И, причем выход логического элемента И каждого узла управления свето0 излучателями связан со входами светоизлучателей первой группы, соответствующих К-й световой части первой полудуги источника света, где К - порядковый номер световой части от начала светодуги,

5 первый вход - с выходом компаратора этого же узла управления свегоизлучзтелями, а второй вход - с выходом фазосдвигающего узла, неинвертирующий вход компаратора подключен к выходу многоуровневого источника постоянного напряжения с напряжением, равным К- Кмакс/n, где К - номер узла управления светоизлучателями, соответствующего этому компаратору; имакс - максимальный уровень выходного сигнала

регулятора напряжения, соответствующий максимальному углу управления управляемым выпрямителем, а инвертирующие входы компараторов подсоединены к выходу регулятора напряжения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для автоматического регулирования возбуждения бесщеточной электрической машины (БЭМ). Целью изобретения является увеличение быстродействия и точности регулирования. Устройство содержит подвозбудитель 62, источник напряжения 61, возбудитель 1, обмотки возбуждения возбудителя и БЭМ 4, управляемый выпрямитель 2, управляющие входы вентильных элементов 5 - 10 которого связаны с фотоприемниками, узел синхронизации 12, регулятор напряжения 24, фазосдвигающее устройство 25, светоизлучатели 32 - 35, блок 11 управления светоизлучателями (БУС). Сущность изобретения заключается в определенном размещении на статоре светоизлучателей, а на роторе светоприемников и выполнении БУС. 4 ил.

54 53

Фиг. 2

фиг.З

р

ч&

53

Фиг.5