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

Изобретение относится к электрическим машинам в частности к машинам постоянного тока с дополнительными устройствами для улучшения коммутации

Известна электрическая машина с вен- тильно-механическим коммутатором (ВМК) содержащая механический коллектор контактирующие с ним 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 содержащая механический коллектор контактирующие с ним разнополярные группы щеток подключаемые к положительным и отрицательным выводам двух мостовых схем, которые связаны с питающей сетью череь трансформаторы тока обеспечивающие питание дополнительных полюсов машины через мостовой выпрямитель и схему управления 2

Данная машина является н иболе° близкой к изобретению по техничесн ой сущности и достигаемому результату (прототип)

В машине 2 вентильно-механлческая коммутация обеспечивается с пэмощью двух мостовых схем при числе пар полюсов При большем числе пар полюсов () (и соответственно большем числе щеток) возникает необходимость в увеличении числа мостовых схем и элементов управления ими что усложняет схему вентильного коммутатора Кроме того при произиольном числе коллекторных пластин и возможен такой режим работы при котором коммутационные процессы в секциях эбмотки якоря находящихся под разнополярными щетками протекают одновременно В этом случае вследствие взаимоиндуктивных свя зей между указанными секциями в них наводятся дополнительные ЭДС которые увеличивают время коммутации и снижают коммутационные возмсжности венгильно- го коммутатора машины

сл

|

J

о

4

Цель изобретения состоит в упрощении вентильно-механического коммутатора и в повышении коммутационных возможностей машины путем обеспечения условий работы, при которых коммутационные процессы под разнополярными группами щеток при протекают неодновременно.

Эта цель достигается тем, что каждая однополярная группа щеток разбита на две подгруппы, подключенные к двум однопо- лярным.выводам мостовых схем и содержащие по р/2 скользящих контактов, которые связаны между собой электрически и расположены одинаково относительно проводящих пластин коллектора через 360x2 электрических градусов, а параметры машины удовлетворяют условиям

К2/2р-х 0,25 ,5/(К2/2р ар, где Ка - число проводящих пластин коллектора;

,5,6,7... - целое число секций обмотки якоря на один полюс:

ар -.расчетный коэффициент полюсного перекрытия;

,4,6,8 - число пар полюсов четное.

Указанное в отличительных признаках соотношении Ка/2р с одной стороны, обеспечивает реализацию коммутационных процессов в машине с ВМК с помощью двух мостовых схем при числе пар полюсов . При этом в многополюсной машине максимально упрощается схема соединения щеток, которые объединяются в четыре подгруппы с одинаковым числом скользящих контактов (р/2) и подключаются к положительным и отрицательным выводам двух мостовых схем. Последние, как и в прототипе 2, выполняют совмещенные функции управляемого выпрямителя и вентильного коммутатора. С другой стороны, это соотношение (Кг/2р) обеспечивает разделение во времени коммутационных процессов под . разнополярными группами щеток, способствующее повышению коммутационных возможностей машины. Наконец это соотношение (Ка/2р) за счет выбора числа X должно обеспечить коэффициенту полюсного перекрытия машины с ВМК (1-1,5/(К2/2р) такую величину, большую Ор, чтобы коммутируемая секция за время коммутации не выходила бы за пределы межполюсного расстояния.

Для машины в ВМК коэффициент полюсного перекрытия определяется из условия, что в межполюсном пространстве машины по окружности якоря располагаются проводники 1,5 укрупненных секций.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг.1 представлена принципиальная схема многополюсной машины в ВМК, имеющая следующие параметры обмотки и коллектора: К2/2р 2.75; ,5/(К2/2р)0,45. Эти параметры удовлетворяют формуле изобретения за исключением величины ам, которая оказалась меньше расчетного коэффициента огр, изменяющегося в коллекторных машинах традиционного исполнения в следующих пределах ,64-0,72. Меньшим значение ам

принято только с целью упрощения изображения схемы обмотки и коллектора на чертеже. Для удовлетворения условия ам «р необходимо принять К2/2р 4,25 и выше, т.е. увеличить К2. Машина имеет петлевую обмотку с числом уравнительных соединений, равным числу проводящих пластин коллектора. Обмотка возбуждения (на чертеже не показана) может быть подключена к реверсивному управляемому выпрямителю, обеспечивающему двигателю реверс и работу в режиме ослабления поля.

На фиг.2 представлена блок-схема управления машиной; на фиг.З - диаграммы сигналов управления и токов тиристоров

мостовых схем.

Машина содержит обмотку якоря 1, подключенную к механическому коллектору 2. содержащему проводящие пластины 3-24 и такое же число изолирующих пластин, контактирующие с ним разнополярные группы щеток 25-32, подключенные к положительным и отрицательным выводам двух мостовых схем на тиристорах 33-44. Машина содержит также трансформаторы тока 45 и

мостовой неуправляемый выпрямитель 46 для питания дополнительных полюсов и компенсационной обмотки 47. а также схему управления 48.

Тиристоры мостовых схем управляются

от трехканальной системы импульс но-фазо- вого управления (СИФУ), содержащей формирователи-усилители импульсов 49-51 (ФУИ1-ФУИЗ) и выводные устройства 52-57 (). На входы ФУИ1-ФУИЗ) и

вводные устройства 52-57 (ВВТ1-ВВУ6). На входы ФУИ1-ФУИЗ подаются сигналы синхронизации UCHHXP., управления 1)у и сигнал Up с блоков логики 58 и 59 (БЛ1, БЛ2). Переключение импульсов управления с комплекта тиристоров(33,35,37) на комплекг(39,41, 43) катодных групп мостовых схем и с комплекта тиристоров (34,36,38) на комплект (40, 42, 44) анодных групп обеспечивается ключевыми элементами 60, 61 (В1, В1) и 62, 63

(В2, В2) соответственно. Входы блоков логики связаны с пчтчиком положения 64(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 Ugi , Ug2Датчик положения дискретного типа, как в вентильном двигателе, вырабатывает две последовательности импульсов Ugi и Ug2, имеющие относительное смещение 90 эл.град. В каждой последовательности импульсов одному обороту вала двигателя соответствует К2 импульсов. Диаграммы сигналов Ugi , U92, Up, 81, В1, В2, В2 представлены на фиг.З. Длительность импульсов т0 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.З) схема управления, благодаря замкнутому состоянию ключей 60, 62 обеспечивает включение тиристоров 33, 38. Ток якоря а протекает от фазы А, через тиристор 33(зз. фиг.З), анодную подгруппу щеток 25, 27, проводящие пластины коллектора 3, 14 через 2р параллельных ветвей обмотки якоря, пластины коллектора 6,17. Катодную группу щеток 29, 31 тиристор 38 к фазе С. При коэффициенте трансформации трансформаторов тока 45 равном единице, через дополнительные полюса машины 47 протекает выпрямленный ток фаз, равный току обмотки якоря.

В момент времени ц, когда скользящие контакты анодной подгруппы 26, 28 входят на проводящие пластины коллектора 9. 20, выходной сигнал датчика положения Ugi 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 т0 на выходе блока логики 58 В1 появляется сигнал логической единицы, обеспечивающей замыкание ключа 61. В канале 39 вводного устройства ВВУ1 появляется управляющий

сигнал И39, обеспечивающий включениети- ристора 39. После включения этого тиристора, связанного с контактами 26,28 в секциях обмотки якоря, подключенных к проводящим пластинам 3, 9 и 14, 20 начинается

реверсирование тока. Под действем коммутирующей ЭДС от магнитного потока дополнительных полюсов прямой ток тиристора 33 Озз) и контактов 25,27 постепенно уменьшается, а в тиристоре 39 Озэ) и контактах 26,

28 - нарастает. По истечении времени tK тиристор 33 отключается ), а в тиристоре 39 . Перемещение контактов 25. 27 с проводящих пластин 3, 14 на изолирующие происходит в обесточенном состоянии

без искрения.

После завершения коммутации ток якоря продолжает протекать по контуру: фаза А- 39 - контакты 2 6, 28 - пластинь, 9. 20 - обмотка якоря - пластины 6. 17 - контакты

29. 31-38-фаза С.

При дальнейшем перемещении контактов по коллектору в момент времени t4 аналогичные процессы осуществляются в секциях, связанных с катодными подгруппами щеток и тиристорами 38,44 (фиг.З). 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- циях обеспечивается пере енныг-. напряжением питающей сети также, как в вентильных машинах с циклоконверторами.

Например, если начало коммутационного процесса в момент времени t2 совпало с сетевой коммутацией с фазы А на фазу В. то импульс управления будет подан не на включение тиристора 39, а на включение

тиристора 41 по соответствующему каналу вводного устройсчтва 54. Под действием линейного напряжения между фазами В и А за время коммутации прямой ток тиристора 33 уменьшается до нуля, а в тиристоре 41

Формула изобретение

Электрическая машина с вентияьно-ме- ханическим коммутатором, содержащая механический коллектор, контактирующие с ним разнополярные фуппы щеток, иодключенные к положительным и отрицательным выводам двух мостовых, схем, которые связаны с питающей сетью через трансформаторы тока, вторичные обмотки которых соединены с обмотками дополнительных полюсов через выпрямитель и схему управления, отличающаяся тем, что, с целью повышения коммутационных возможностей машины путем неодновременной коммутации под разнополярными группами щеток, каждая разнополярная группа щеток разбита на две подгруппы, подключенные к двум однополярным выводам мостовых схем и содеожащие по р/2 скользящих контактов,

которые связаны между собой электрически и расположены относительно проводящих пластин коллектора через 360x2 эл.град., а параметры машины удовлетворяют услови- ямК2/2р х+0,,5/(К2р «Р,

где К2 - число проводящих пластин коллектора;

х 4, 5, 6, 7 - целое число секций обмот- ки якоря на один полюс;

Ор - расчетный коэффициент полюсного перекрытия;

р 2, 4, 6, 8, 10... - число пар полюсов

Использование в электрических машинах постоянного тока Сущность изобретения машина содержит механический коллектор разнополярные группы щеток и схему управления Каждая однополярная группа щеток разбита на две подгруппы подключенные к двум однополярным выводам мостовых схем и содержащие по р/2 скользящих контактов которые связаны между собой злектрически и расположены одинаково относитзльно проводящих пластин коллектора через 360 х 2 эл град 3 ил

I..-4 f ш t ще т щ fmfmt ffm M n Y i Mf A m m J

U

jy

ге

и

ш

JV

Ч

V/

U

33

2Г 1 , 2$

J3

Jf

т Я ГУ .. Н

47 2 2V«2W

Фаг.{

JV

Ч

V/

Ufppta Тд

1 , 2$

Jf

w

с к

idf

4/

43

Фаг.{

СУ

iriir iripir..

I м гг Г л

4

№4

л

№4

-Ч4---444ГЯ S | )ч.+1гч-и/г Ui fJijXai UVN I XSft / /x/ / y 4/ r Jt

cff rfC/ff t/f rrf

Сиг. 3

№4