Нереверсивная электрическая машина с вентильно-механическим коммутатором Советский патент 1993 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 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.

Недостатком такой машины является ее сложность.

Известна также электрическая машина с вентильно-механическим коммутатором, содержащая механический коллектор, контактирующие с ним разнополярные группы щеток, подключенные к зажимам источника питания через тиристорные ключевые элементы, коммутирующий блок, схему управления, состоящую из системы импульсно- фазового управления, блока ключей, блока логики, датчика положения и тахогенерато- ра.

Эта машина является наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату. В ней как и в большинстве коллекторных машин с напряженными условиями работы, применяется компенсационная обмотка, которая значительно повышает надежность их работы, но одновременно усложняет конструкцию и увеличивает сложность. В машинах без компенсационной обмотки, с насыщенной магнитной системой и установленными на нейтрали щетками, поперечная реакция якоря наряду с искажением основного магнитного поля оказывает на него заметное размагничивающее действие. При сдвиге щеток с нейтрали по направлению вращения двигателя наряду с поперечной возникает продольная намагничивающая составляющая реакции якоря. Однако сдвиг

(Л

С

vi о

ю

S

щеток по направлению вращения якоря в реверсивных двигателях традиционной конструкции не допускается из коммутацион- ных соображений. Кроме того, при изменении направления вращения двигателя продольная составляющая реакции якоря становится размагничивающей, что снижает устойчивость работы электропривода при ослабленном магнитном потоке. В машинах с ВМКЧ благодаря управляемости коммутацией с,, помощью тиристоров, при жестко установленных щетках по линии геометрической нейтрали имеется возможность обеспечить эффект их сдвига по направлению вращения якоря с помощью электронных средств. Тем самым обеспечиваются условия для создания машины с ВМК большой мощности без компенсационной обмотки, характеризующейся высокой коммутационной надежностью, перегрузочной способностью и устойчивостью работы при ослаблении магнитного потока.

Цель изобретения состоит в упрощении конструкции машины с ВМК, благодаря возможности создания ее без компенсационной обмотки при одновременном сохранении высоких коммутационных и перегрузочных характеристик.

Эта цель достигается тем, что. в схему управления включен блок коррекции, состоящий из двух формирователей импульсов, операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим входами, функционального преобразователя, конденсатора, ключа на двух транзисторах, инвертора, двух двухвходовых логических элементов И-НЕ, причем входы формирователей импульсов связаны с выходами датчика положения, выходы объединены и подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя, к которому также подключен через функциональный преобразователь выход тахогенератора, параллельно инвертирующему входу операционного усилителя подключен конденсатор, соединенный через резисторы с выходом тахогенератора, а также с выходом операционного усилителя через ключ, одновременно выход операционного усилителя соединен со входом инвертора, выход которого подключен к первым входам логических элементов И-НЕ, вторые входы которых соединены с выходами датчика положения, а выходы соединены с входами блока логики.

Применение в схеме управления блока коррекции, включенного между выходами датчика положения и входом блока логики, позволяет подавать импульсы управления на включение тиристоров мостовых схем с некоторой задержкой по времени At относительно сигналов датчика положения. Исследования показали, что, если указанная задержка изменяется по закону

,

0)

то в двигателе создается эффект сдвига скользящих контактов по направлению вращения якоря ( yz - некоторая нелинейная

функция; п - частота вращения машины). При работе с задержкой A t в двигателе с ВМК создаются намагничивающие ампер- витки продольной реакции якоря F ad, которые компенсируют размагничивающие

ампер-витки поперечной реакции якоря Р р.я. Необходимость применения компенсационной обмотки отпадает. Более подробное обоснование физического смысла выражения (1) с учетом параметров блока

коррекции и машины приводится ниже.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема машины с ВМК с числом проводящих пластин коллектора К2 22; на фиг. 2 изображена функциональная схема машины с блок-схемой управления; на фиг. 3 - упрощенная схема блока коррекции; на фиг. 4 - принципиальная схема блока коррекции; на фиг. 5 - диаграмма 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 ними разнополярные

группы щеток 25-28, подключенные к положительным и отрицательным выводам двух мостовых схем на тиристорах 29-40. Машина содержит также трансформаторы тока 41, неуправляемый выпрямитель42 для

питания обмотки дополнительных полюсов 43. Схема управления 44 (фиг. 2) содержит систему импульсно-фазового управления (СИФУ) 45, на входы которой подаются сигналы синхронизации UCUHX., управления Uy

и сигнал переключения Up с блока логики (БЛ) 46. Переключение импульсов управления тиристорами 29-34 мостовой схемы на комплект тиристоров 35-40 обеспечивается блоком ключей (БКЛ) 47. Входы блока логики

(БЛ) связаны с датчиком положения (ДП) 48 через блок коррекци (БКР) 49, на который также подается сигнал с техогенератора (Т Г) 50.

Блок коррекции (фиг. 3) состоит из двух

формирователей импульсов 51,52, выходы которых подключаются к неинверсному входу операционного усилителя 53, куда также подается напряжение тахогенератора через функциональный преобразователь 54, Инвертирующий вход усилителя подключен к конденсатору 55, связанному через резисторы 56, 57 с выходом тахогенератора и с выходом операционного усилителя через ключевые транзисторы 58, 59. Одновремен- но выход усилителя через инвертор 60 подключен к входам двух логических элементов И-НЕ 61,62.

При работе машины скользящие контакты перемещаются по рабочей поверхно- сти коллектора слева направо (фиг. 2). До момента времени ti в проводящем состоянии находятся тиристоры 29, 34. Ток якоря 1а протекает от фазы А через тиристор 29, контакт 25, пластину 3, через параллельные ветви обмотки якоря, коллекторную пластину 14, контакт 28, тиристор 34 к фазе С. Благодаря трансформаторам тока 41 и выпрямителю 42 через обмотку дополнительных полюсов 43 протекает постоянный ток, равный току якоря la. В момент времени ti, когда скользящие контакты занимают положение, изображенное на фиг. 1, в канале Б1 датчика положения 48 появляется положительный импульс (фиг. 2, 5). Проходя через блок коррекции 44, обеспечивающий задержку по времени At, тот же сигнал, но уже в момент времени т.2 по каналу Us поступает на вход блока логики 46. Далее в блоке логики по известным принципам сигнал Up становится равным нулю на время г0(фиг. 5), в течение которого происходит подготовка формирователей СИ ФУ к выдаче очеред- ных импульсов управления. В момент времени гз на выходе блока логики 46 в канале В2 появляется разрешающий сигнал (фиг. 5), благодаря которому в блоке ключей 47 обеспечивается прохождение сигналов управления по каналам 35-40 (Uss, Уад на фиг. 5), После включения тиристоров 35 и 40 в коммутирующих секциях, связанных с пластинами коллектора 3,4 и 14,15 под действием коммутирующей ЭДС от потока до- полнительных полюсов прямой ток тиристоров 29 и 34 (i25, iae) уменьшается, и в тиристорах 35 и 40 нарастает. По истечении времени tK тиристоры 29, 34 выключаются, в коммутируемых секциях заканчивается реверсирование токов, а полный ток якоря la протекает через тиристоры 35,40 и кон- такты 26,27. Перемещение контактов 25,28 с проводящих пластин на изолирующие происходит в обесточенном состоянии без искрения.

При дальнейшем перемещении контак- тов по коллектору в момент времени ts аналогичные процессы протекают в секциях, связанных с пластинами 4,5 и 15,16 в которых процесс коммутации заканчивается

включением тиристоров 29, 34 и протеканием тока якоря через контакты 25, 28. Далее процессы повторяются.

Блок коррекции, предназначенный для обеслечения временной задержки A t У2 /л, работает следующим образом. До момента времени ti транзисторные ключи формирователей 51, 52 (фиг. 3, фиг. 4) находятся в открытом состояний. Напряжение Ua на неинвертирующем входе операционного усилителя 53 также, как и на его выходе DI, имеет положительную полярность (фиг. 5). Ключевой транзистор 58 открыт, напряжение на конденсаторе 55 равно нулю. После появления на входе формирователя 51, в момент времени и, положительного импульса Б1, транзисторный ключ запирается и отрицательный импульс напряжения через С1 и V3 подается на прямой вход 53. При этом на его выходе и соответственно на входе, благодаря положительной обратной связи, появляется отрицательный импульс напряжения 1)22(фиг. 5). Величина, этого напряжения, с учетом сигнала, поступающего функционального преобразователя 54, определяется так

U22 Ui-Uir Ri4 Re/(Ri3 Rs} Rs/(Rs + Re), (2)

где Ui - напряжение на выходе 53 отрицательной полярности. Одновременно с переключением операционного усилителя транзистор 59 открывается, 58 - закрывается и начинается заряд конденсатора 55 напряжением тахогенератора, которое определяется так:

UTr br п,

(3)

где bi - коэффициент пропорциональности. Напряжение на конденсаторе в течение времени A t нарастает линейно, если At« г (Rn + Ri2) Ск, и определяется следующей зависимостью:

Uc UTrAt/r

(4)

Когда это напряжение достигнет значения U22 на неинвертирующем входе 53, т.е.

Uc U22,

(5)

то напряжение на выходе Ui и соответственно на входе 53 вновь изменяет полярность и становится равным 1)21 (фиг.5). Импульсы напряжения Ui с выхода 53 благодаря инвертору 60 и логическому элементу И-НЕ 61 преобразуются в сигналы Us, которые далее поступают на вход блока логики 46. Из совместного решения уравнений (2)-(5) можно определить зависимость времени задержки At, которая создается блоком коррекции.

At 1)22 r/UTr U22 r/()yg/n (6) Формула изобретения

Нереверсивная электрическая машина с вентильно-механическим коммутатором, содержащая механический коллектор, контактирующие с ним разнополярные группы шеток, подключенные к зажимам источника питания через тиристорные ключевые элементы, коммутирующий блок, содержащий трансформаторы тока, выпрямитель и добавочные полюса с обмотками, схему управления, состоящую из системы импульсно фазового управления, блока ключей, блока логики, датчик положения с двумя выходами и тахогенератор, отличающаяся тем, что, с целью упрощения, схема управления содержит блок коррекции, состоящий из двух формирователей импульсов, операционного усилителя с инвертирующим и неин- вертирующим входами, функционального

преобразователя, конденсатора,резистора, двух ключевых транзисторов, инвертора, двух двухвходовых логических элементов И-НЕ, причем входы формирователей импульсов связаны с выходами датчика положения, выходы объединены и подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя, к которому подключен через функциональный преобразователь выход тахо- генератора, к инвертирующему входу операционного усилителя подключен первый выход конденсатора,соединенный через резистор с выходом тахогенератора второй вывод которого соединен с земляным выводом системы управления, и резистор, соединенный через первый ключевой транзистор с выходом тахогенератора, а через второй ключевой транзистор - с земляным выводом системы управления, выход операционного усилителя соединен с управляющим входом ключевых транзисторов и входом инвертора, выход которого подключен к первым входам логических элементов И-НЕ, вторые входы которых соединены с выходами датчика положения, а выходы соединены с входами блока логики.

- / Ue

Использование: электрические машины с вентильно-механической коммутацией. Сущность изобретения: в систему управления машины введен блок коррекции, создающий эффект сдвига скользящих контактов по направлению вращения якоря, что позволяет компенсировать размагничивающую реакцию якоря и исключить компенсационную обмотку. 5 ил.

---,

i-- | 45

i РИФ Г

ил

47

Л /f/7 i - j

g-y} ----

й/

,57

x-L .:.,

I

- )

r

14-r

Л /f/7 i - - j

й/

i -Я

-, L. ™..-, V--- - OOI /

/ A

I

о1--

и.

tdli

В

-4rJn

j I i hpiaJ i. ГИ

Esetbl-/ ttf. /N,

ix

J.t

- - t

L

ГИ

-t

i

/ ttf. /N,

ix