Электрическая машина с вентильно-механическим коммутатором Советский патент 1992 года по МПК H02K13/14 

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к машинам по- стоянного тока с дополнительными устройствами для улучшения коммутации.

Известна электрическая машина с вен- тильно-механическим коммутатором (ВМК), содержащая механический коллектор, контактирующие с ним разнополярные группы щеток, подключенные к зажимам источника питания через управляемые полупроводниковые вентили. В этой машине коммутация осуществляется без дополнительных полюсов, с помощью емкостных накопителей электрической энергии 1.

Недостатком такой машины является ее сложность.

Известна также электрическая машина с вентильно-механическим коммутатором (ВМК), содержащая механический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, контактирующие с ним две разнополярные группы щеток, подключенные к положительным и отрицательным выводам двух мостовых схем, которые связаны с питающей сетью через трансформаторы

тока, обеспечивающие питание дополнительных полюсов машины через мостовой выпрямитель и схему управления 2,

Данная машина наиболее близка к предлагаемой.

В машине 2 вентильно-механическая коммутация обеспечивается с помощью двух мостовых схем при двух парах полюсов. При большем числе пар полюсов (и со- ответственно большем числе щеток) возникает необходимость в увеличении числа мостовых схем и элементов управления ими, что усложняет схему вентильного коммутатора. Кроме того, при произвольном числе коллекторных пластин и большем числе пар полюсов и р 2 возможен такой режим работы, при котором коммутационные процессы в секциях обмотки якоря, находящихся под разнополярными щетками, протекают одновременно. В этом случае вследствие взаимоиндуктивных связей между секциями в них наводятся дополнительные ЭДС, которые увеличивают время коммутации и снижают коммутационные

сл

С

х|

2

Ю Ю

возможности вентильного коммутатора машины.

Наряду с прототипом 2, в известной машине 1 коллектор имеет две рабочие дорожки. Применение в машине с ВМК кол- лектора с двумя рабочими дорожками дает возможность максимум в два раза уменьшить его диаметр, что, в свою очередь, уменьшает расход материалов, линейную скорость перемещения скользящих контак- тов, а также облегчает условия охлаждения машины благодаря снижению аэродинами- ческого сопротивления потоку охлаждающего воздуха. Последние способствуют повышению ее удельной мощности,

Цель изобретения состоит в упрощении вентильно-механического коммутатора и в повышении удельной мощности машины за счет уменьшения диаметра коллектора и улучшения условий охлаждения. Попутно обеспечиваются условия работы, при которых коммутационные процессы под разнополярными группами щеток осуществляются неодновременно. Эта цель достигается тем, что коллектор содержит две рабочие дорожки с одинаковым числом проводящих и изолирующих пластин, смещенных друг относительно друга на половину коллекторного деления, а каждая однопо- лярная группа щеток разделена на две подгруппы, подключенные к двум однопо- лярным выводам мостовых схем и содержащие по р скользящих контактов, которые связаны между собой электрически и расположены одинаково относительно проводя- щих пластин коллектора разных дорожек через 360 эл.град., а параметры машины удовлетворяют условиям : «2/4р х ± 0,25 и 1 - 1,5/(К2/2р) «р, где К2- число проводящих пластин коллектора; х 2, 3, 4, 5, 6 - целое число секций обмотки якоря на один полюс одной дорожки; a.f расчетный коэффициент полюсного перекрытия; р 2, 4, 6, 8 ... - число пар полюсов машины.

Указанное в отличительных признаках соотношение К2/4р с одной стороны, обеспечивает реализацию коммутационных процессов в машине с ВМК с помощью двух мостовых схем при любом четном числе пар полюсов. При этом в многополюсной маши- не максимальноупрощается схема соединения щеток, которые объединяются в четыре подгруппы с одинаковым числом скользящих контактов (р) и подключаются к положительным и отрицательным выводам двух мостовых схем. С другой стороны, это соотношение (К2/4р) обеспечивает разделение во времени коммутационных процессов под разнополярными группами щеток, способствующее повышению коммутационных возможностей машины.

Входящие в отличительную часть формулы выражение 1 -1,5/(К2/2р) определяет коэффициент полюсного перекрытия машины с ВМК из условия, что в межполюсном пространстве машины по окружности якоря располагаются проводники 1,5 укрупненных секций. При этом коммутируемая секция на время коммутации не должна выходить за пределы межполюсного расстояния и магнитный поток под главными полюсами не будет влиять на коммутацию,

Рассмотренные отличительные признаки позволяют изготовить коллектор с двумя рабочими дорожками, обеспечивающими машине указанные выше преимущества.

Недостаток предлагаемого устройства - ограничения, связанные с возможностью его реализации только в машинах с четным числом пар полюсов (р 2, 4, 6 ...). В многополюсных машинах с нечетным числом пар полюсов (р 3,5,7...) уменьшение диаметра коллектора может быть обеспечено с помощью трехдорожечного коллектора и трех мостовых схем.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема машины с ВМК, имеющей следующие параметры: 2р 4, К2 22, К2/4р 3-0,25 2,75; х 3; «м 1-1,57(22/4) 0,727. Если учесть, что в коллекторных машинах традиционного исполнения коэффициент ар 0,64-0,72, указанные параметры машины соответствуют отличительным признакам формулы изобретения. Машина имеет петлевую обмотку с числом уравнительных соединений, равным числу проводящих пластин коллектора (К2 22) (на чертеже не показано). Обмотка возбуждения (на чертеже тоже не показана) может быть подключена к реверсивному управляемому выпрямителю, обеспечивающему двигателю реверс и работу в режиме ослабления главного поля.

На фиг. 2 представлена блок-схема управления машиной; на фиг. 3 - диаграммы сигналов управления и токов тиристоров мостовых схем; на фиг, 4 - эскизы коллекторов с одной и двумя рабочими дорожками, подтверждающие эффект уменьшения диаметра коллектора в предлагаемом устройстве.

Машина содержит обмотку якоря 1, подключенную к механическому коллектору 2, содержащему проводящие пластины 3-24 и такое же число изолирующих пластин, контактирующие с ними разнополяр- ные группы щеток 25-32, подключенные к положительным и отрицательным выводам

двух мостовых схем на тиристорах 33-44, Машина содержит также трансформаторы 45 тока и мостовой неуправляемый выпрямитель 46 для питания дополнительных полюсов и компенсационной обмотки 47, а также - схему 48 управления.

Тиристоры мостовых схем управления оттрехканальной системы импульсно-фазо- вого управления (СИФУ), содержащей формирователи-усилители 49-51 импульсов (ФУИ1-ФУИЗ) и вводные устройства 52-57 (ВВУ1-ВВУ6). На входы ФУИ1-ФУИЗ подаются сигналы синхронизации исинх, управления Uy и сигнал Up с блоков 58, 59 логики (БЛ1, БЛ2). Переключение импульсов управления с комплекта тиристоров (33, 35, 37) на комплект (39, 41, 43) катодных групп мостовых съем и с комплекта тиристоров (34, 36, 38) на комплект (40, 42, 44) анодных групп обесточивается ключевыми элементами 60, 61 (В1, В1)и 62, 63 (В2, В2) соответственно. Входы блоков логики связаны с датчиком 64 положения (ДП). Каждое вводное устройство ВВУ содержит по два импульсных трансформатора, вторичные обмотки которых подключаются к управляющим электродам тиристоров и на фиг. 2 обозначены соответствующими номерами вентилей мостовых схем. Первичные обмотки трансформаторов через транзисторные ключевые элементы 60-63 подключаются к источнику питания схемы управления.

СИФУ выполняет свои обычные функции преобразования сигналов управления Uy в последовательность импульсов для включения тиристоров мостовых схем в режиме управляемого выпрямителя. Одновременно благодаря связи с блоками логики по каналу Up и благодаря ключевым элементам 60-63 СИФУ обеспечивает работу мостовых схем в режиме коммутатора, переключая импульсы управления между указанными выше комплектами тиристоров по сигналам датчика положения UAi, иД2.

Датчик положения дискретного типа, как в вентильном двигателе, вырабатывает две последовательности импульсов иД1 и ид2, имеющие относительное смещение 90 эл.град. В каждой последов ательности импульсов одному обороту вала двигателя соответствуют К2 импудьсов. Диаграммы сигналов иД1, UA2, Up, В1, В1, В2, В2 представлены на фиг, 3, Длительность импульсов Г0 сигнала Up обеспечивает подготовку формирователей, входящих в состав ФУИ, и выдачу сигналов управления.

При работе машины скользящие контакты перемещаются по рабочей поверхности коллектора слева направо (фиг. 1). До момента времени ti (фиг. 3) схема управления, благодаря замкнутому состоянию ключей 60, 62, обеспечивает включение тиристоров 33,38. Ток якоря 1а протекает от фазы А через тиристор 33 (зз, фиг. 3), анодную

подгруппу щеток 25, 27, проводящие пластины 3, 14 коллектора через 2р параллельных ветвей обмотки якоря, пластины 9, 20 коллектора, катодную группу щеток 29, 31, тиристор 38 к фазе С. При коэффициенте

трансформации трансформаторов 45 тока, равном единице, через дополнительные полюса машины 47 протекает выпрямленный ток фаз, равный току обмотки якоря.

В момент времени ti, когда скользящие

контакты анодной подгруппы 26, 28 входят на проводящие пластины коллектора 4, 15, выходной сигнал датчика положения иД1 становится равным логической единице. При этом выходной сигнал логического устройства 58 Up становится равным нулю на время т0)в течение которого происходит подготовка формирователя ФУИ1 к выдаче импульсов управления по каналам 33, 39 СИФУ (фиг. 2). По истечении времени Г0 на

выходе В1 блока 58 логики появляется сигнал логической единицы, обеспечивающий замыкание ключа 61. В канале 39 вводного устройства ВВУ1 появляется управляющий сигнал, обеспечивающий включение тиристора 39. После включения этого тиристора, связанного с контактами 26, 28 в секциях обмотки якоря, подключенных к проводящим пластинам 3, 4 и 14, 15, начинается реверсирование тока. Под действием коммутирующей ЭДС от магнитного потока до- полнительных полюсов прямой ток тиристора 33 0зз) и контактов 25, 27 постепенно уменьшается, а в тиристоре 39 Озэ) и контактах 26, 28 - нарастает. По истечении

времени tK тиристор 33 отключается (зз 0), а в тиристоре 39 зэ la. Перемещение контактов 25, 27 с проводящих пластин 3, 14 на изолирующие происходит в обесточенном состоянии без искрения.

После завершения коммутации гок якоря продолжает протекать по контуру: фаза А - 39 - контакты 26, 28 - пластины 4, 15 - обмотка якоря - пластины 9, 20 - контакты 29, 31-38-фаза С.

При дальнейшем перемещении контактов по коллектору в момент времени t4 ана- логичные процессы осуществляются в секциях, связанных с катодными подгруппами щеток и тиристорами 38, 44 (фиг. 3).

Далее коммутационные процессы повторяются.

При неподвижном якоре и низких частотах вращения, когда ЭДС, наводимая в секциях полем дополнительных полюсов,

становится соизмеримой с падением напряжения под щетками, коммутация тока в сек- ц иях обеспечивается переменным напряжением питающей сети, как в вентильных машинах с циклоконверторами.

Например, если начало коммутационного процесса в момент времени t2 совпадает с сетевой коммутацией с фазы А на фазу В, импульс управления подается не на включение тиристора 39, а на включение тиристора 41 по соответствующему каналу вводного устройства 54. Под действием линейного напряжения между фазами В и А за время коммутации прямой ток тиристора 33 уменьшается до нуля, а в тиристоре 41 i/n ia.

Формула изобретения Электрическая машина с вентильно-ме- ханическим коммутатором, содержащая механический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, контактирующие с ним две разнополярные группы щеток, подключенные к положительным и отрицательным выводам двух мостовых схем, которые связаны с питающей цепью через трансформаторы тока, вторичные обмотки которых соединены с обмотками дополнительных полюсов через выпрямитель и схему управления, отличающаяся

тем, что, с целью повышения удельной мощности машины за счет уменьшения диаметра коллектора и улучшения условий охлаждения, коллектор содержит две рабочие дорожки, выполненные с одинаковым числом проводящих и изолирующих пластин и смещенных друг относительно друга на половину коллекторного деления, а каждая однополярная группа щеток разделена на две подгруппы, подключенные к двум однополярным выводам мостовых схем и содержащие по р скользящих контактов, которые связаны между собой электрически и расположены относительно проводящих пластин коллектора разных дорожек через 360 эл.град, а параметры машины удовлетворяют условиям

К2/4р х±0,25, 1-1,5/(К2/2р) «Р,

где Ка - число проводящих пластин коллектора;

х - целое число секций обмотки якоря на полюс по одной дорожке;

2р - расчетный коэффициент полюсного перекрытия;

р - число пар полюсов машины.

Использование; электрические машины постоянного тока. Сущность изобретения: коллектор состоит из двух рабочих дорожек с одинаковым числом проводящих и изолирующих пластин. Каждая однополярная группа щеток машины разделена на две подгруппы, подключенные к двум однопо- лярным выводам мостовых схем преобразователя, содержащие по р скользящих контактов, связанных между собой электри чески и расположенных относительно проводящих пластин коллектора разных дорожек через 360 эл.град. 4 ил.

Фиг. I

Фиг. 2

Фиг. 4

S«

/