Вентильный электропривод постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК H02K29/00 H02K17/00 H02P7/36 

Изобретение относится к электроприводам, а точнее к вентильным электроприводам, получающим питание от сети постоянного тока низкого напряжения.

Известны вентильные электроприводы, содержащие синхронный или асинхронный электродвигатель и полупроводниковый коммутатор на неполностью управляемых ключевых элементах, например тиристорах. Недостатками этих конструкций являются низкие КПД и надежность, значительные масса и габариты, обусловленные необходимостью введения коммутирующих конденсаторов, значительными перенапряжениями в ключевых элементах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым симметричным ротором и полупроводниковый коммутатор на полностью управляемых ключевых элементах, например транзисторах, подключенный своими выходами к вершинам соединенной в многоугольник обмотки статора. Привод прост по конструкции, но вследствие неперпендикулярности линии раздела токов в статоре и линии магнитного потока не обладает высоким КПД, имеет низкую надежность из-за значительных коммутационных перенапряжений в ключевых элементах

Целью изобретения является повышение КПД и надежности электропривода.

Поставленная цель достигается тем, что в вентильном электроприводе постоянного тока, содержащем асинхронный двигатель с зубчатым статором, в пазах которого уложена многофазная обмотка с фазами соединенными в многоугольник, и короткозамкнутым симметричным ротором, полупроводниковый коммутатор, выполненный на полностью управляемых ключевых элементах, соединенных по многофазной мостовой схеме с входными выводами для подключения

k/ t

Vl Х1

СЛ 00 О 00

к источнику постоянного тока и выходными выводами, соединенными с фазными выводами обмотки статора, согласно изобретению, в пазы статора уложена дополнительная двухфазная обмотка, каждая фаза которой зашун- тирована соответствующим конденсатором, каждый конденсатор выполнен с величиной емкостного сопротивления, равной величине реактивного сопротивления данной фазы дополнительной обмотки при номинальной частоте вращения.

Предлагаемые отличия призваны обеспечить компенсацию тока холостого хода обмотки статора и за счет этого перпендикулярность линии раздела потребляемого тока статора и линии направления магнитного потока.

В технике известны решения, когда с помощью емкостного контура, выполняющего функции коммутации ключевых элементов, компенсируют одновременно и намагничивающий ток двигателя. Однако для обеспечения надежной коммутации используют конденсаторы большой емкости, что обусловливает емкостной характер потребляемого тока. Линия раздела токов в статоре не ориентируется в этом случае перпендикулярно оси вращающегося магнитного поля при коммутации обмоток. Более того, при трехфазном исполнении статора и несинусоидальном питании его обмоток от коммутатора имеет место скачкообразность во вращательном движении магнитного поля. В этих условиях достижение поставленных целей должно обеспечиваться тремя изменениями в конструкции:

а)переходом к многофазной (с m 5,7,9...} обмотке статора, соединяемой многоугольником;

б)размещением на статоре дополнительной, лучше двухфазной, обмотки;

в)подключением каждой фазы этой дополнительной обмотки к конденсаторам, емкостные сопротивления которых на частоте переключения коммутатора равны реактивным сопротивлениям фаз при номинальной скорости вращения.

Такое сочетание обеспечивает, во-первых, более равномерное вращение магнитного поля и, следовательно, синусоидальность электромагнитных процессов в асинхронном двигателе, а, во-вторых, перпендикулярность линий раздела токов в статоре и магнитного потока. Все это обусловливает повышение КПД и надежности вентильного электропривода.

На фиг.1 дана электрическая схема электропривода; на фиг.2 - векторная диаграмма.

Привод содержит асинхронный двигатель 1 и коммутатор 2. Многофазная (в данном случае пятифазная) первичная обмотка 3-7 двигателя соединена в многоугольник,

который своими вершинами подключен к выходным зажимам коммутатора 2. Ротор 8 двигателя - короткозэмкнутый, например, полый, немагнитный. В пазах статора двигателя 1 дополнительно уложена двухфазная

0 обмотка 9. 10, имеющая значительно большее число витков, чем первичная обмотка 3-7, но выполненная из более тонкого провода. Число витков в фазах дополнительной обмотки рассчитывается таким образом,

5 чтобы на них оказалось повышенное напряжение, а их реактивные сопротивления соответствовали реактивным сопротивлениям выбранным по ГОСТ номиналам конденсаторов 11, 12, на которые замыкается соот0 ветственно каждая из фаз.

Коммутатор 2 собирается по мостовой схеме на управляемых ключевых элементах (транзисторах) 13-22.

Привод работает следующим образом.

5 Коммутатор периодически подключает диагонали многоугольника к сети постоянного тока. Например, в первый момент времени открыты транзисторы 17t 14, 22, т.е. вершина а многоугольника подключе0 на к + источника, а вершины с и d к -. В обмотках 3,4 и 7. 6 протекают токи, создающие магнитный поток определенного направления; обмотка 5 оказывается закороченной (в ней протекают коммутаци5 онные процессы). В следующий момен т времени транзистор 22 закроется, а откроется транзистор 19 (транзисторы 14,17 остаются во включенном состоянии). К + источника окажутся подключенными вершины а и

0 Ь, к - - вершина d. Фаза 3 окажется закороченной, а фазы 4, 5 и 7, 6 создадут магнитный поток, повернутый для изображенной пятифазной обмотки на 36°. Далее закроется транзистор 17, откроется транзи5 стор 16, т.е. в открытом состоянии будут находиться транзисторы 19, 14, 16, обеспечивая подключение вершины Ь к +, а вершин d и е к - источника. В фазе 3 коммутационные процессы закончены, на0 правление тока в ней изменилось на противоположное. Фаза 6 находится е коммутации. Фазы 4, 5 и 3, 7 создают магнитный поток, повернутый на 36° относительно предыдущего направления. И так

5 далее. Магнитное поле с минимальной дискретностью начинает вращаться, увлекая за собой ротор 8.

# Наличие в вентильном электроприводе емкостного контура, состоящего из дополнительной обмотки 9, 10, нагруженной каж

дои фазой на конденсатор 11,12. емкостное сопротивление которого равно реактивной составляющей сопротивления фазы дополнительной обмотки, приводит к тому, что его ток Ic компенсирует потребление из сети тока холостого хода 10 статорной обмотки (фиг.2). В этих условиях линия раздела токов в статорной обмотке двигателя, совпадаю: щая с линией прикладываемого к этой обмотке напряжения, и линия направления магнитного потока, создаваемого обмоткой, оказываются взаимно перпендикулярными. При этом и наводимая этим потоком ЭДС, и активная составляющая Ui приложенного напряжения источника постоянного тока оказываются наибольшими, следовательно, электромагнитная мощность и КПД такого двигателя становятся максимально возможными. Ломимо сказанного коммутируемые фазы претерпевают наименьшее измене- ние потокосцепления, отсюда коммутация получается спокойной, ключевые элементы функционируют без перенапряжений в облегченных условиях, повышается надежность привода.

Дополнительную обмотку рекомендуется выполнять большим числом витков тонкого провода, что обеспечит ее значительное сопротивление и снизит габариты, массу конденсаторов.

Таким образом, предлагаемый привод обладает следующими технико-экономическими преимуществами:

- простота конструкции, небольшие габариты и масса, так как добавочный вес двух

0

5

0

5

5

0

конденсаторов в условиях миоговиткового исполнения дополнительной обмотки оказывается небольшим;

-высокий КПД вследствие обеспечения перпендикулярности линий раздела токов в статоре и магнитного потока:

-облегченные условия функционирования ключевых элементов.

Формула изобретения

Вентильный электропривод постоянного тока/ содержащий асинхронный двигатель с зубчатым статором, в пазах которого уложена многофазная обмотка с фазами, соединенными в многоугольник, и коротко- замкнутым симметричным ротором, полупроводниковый коммутатор, выполненный на полностью управляемых ключевых элементах, соединенных по многофазной мостовой схеме С входными выводами для подключения к источнику постоянного тока и выходными выводами, соединенными с фазными выводами обмотки статора, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, введены два конденсатора, а в пазы статора уложена дополнительная двухфазная обмотка, каждая фаза которой зашунтировэна соответствующим конденсатором, каждый конденсатор выполнен с величиной емкостного сопротивления, равной величине реактивного сопротивления данной фазы дополнительной обмотки при номинальной частоте вращения.

Использование: в электроприводах с питанием от сети переменного тока. Сущность: в пазы статора асинхронного двигателя с зубчатым статором, в которых уложена многофазная, соединенная в многоугольник обмотка, уложена дополнительная двухфазная обмотка. Каждая фаза дополнительной обмотки зашунтирована конденсатором. Конденсаторы компенсируют потребление из сети тока холостого хода, что приводит к увеличению мощности и КПД двигателя,2 ил.

Фиг. 1

-Ј

Ј

Фиг. 2

Ц

Ј-4

-s