Однофазный вентильный двигатель Советский патент 1936 года по МПК H02K29/00 H02P6/00 

. В настоящее время уже известен ряд типов двигателей, в которых коллектор заменен управляемыми вентилями. Однако, все существующие типы вентильных двигателей имеют целый ряд недостатков, а именно:

1)плохое использование обмоток двигателя, вследствие чего его габариты и вес возрастают;

2)при работе двигателя с недогрузкой или на пониженной скорости сильно ухудшается коэфициент мощности в питающей двигатель сети переменного тока.

Предлагаемый вентильный двигатель в значительной мере свободен от указанных недостатков. Скорость вращения двигателя, вращаЕОЩий момент и развиваемая двигателем мощность весьма просто могут быть регулируемы в самых широких пределах (от О до 100°;о), При этом коэфициент мощности в питающей двигатель сети однофазного переменного тока всегда сохраняет сравнительно высокое значение.

Легко добиться того, что cos о в питающей сети всегда будет равен единице или даже будет опережающим. Весьма просто осуществляется реверсирование предлагаемого двигателя и перевод его из двигательного режима

в режим рекуперативного торможения. Последнее обстоятельство особенно важно при использовании двигателя для электрической тяги.

Характеристика этого двигателя может быть по желанию шунтовой, сериесной и компаундной.

Основной областью применения предлагаемого двигателя надо считать электрическую тягу. Будучи установлен на электровозе, такой двигатель позволяет применить в контактном проводе однофазный ток высокого напряжения и нормальной частоты, что весьма выгодно из экономических соображений.

На чертеже фиг. 1 изображает принципиальную схему предлагаемого однофазного вентильного двигателя; фиг. 2 - соответственные кривые токов и напряжений; фиг. 3-схему включения для параллельной работы трех вентильных двигателей.

Как известно, в обычных коллекторных двигателях постоянного или переменного тока число секций обмотки (а следовательно и число пластин) нельзя брать слишком малым, так ках Б противном случае чрезмерно возрастает напряжение между двумя смежными коллекторными пластинками, что ухудщает коммутацию и может повести

к искрению и круговому огню по коллектору.

В вентильном двигателе на выбор числа частей обмотки влияют совершенно другие соображения. В противовес обычным двигателям в вентильных предпочтительнее применять разомкнутые обмотки, т. е. соединять отдельные части обмоток звездой. Применение в вентильном двигателе замкнутых обмоток нецелесообразно, так как при этом удваивается число примененных в двигателе управляющих вентилей. В разомкнутых же обмотках увеличение количества частей обмотки ведет к значительному ухудшению использования последней. Вместе с тем коммутация в вентильных двигателях не представляет никаких затруднений и напряжение между отдельными частями обмотки может быть выбрано сколько угодно высоким (предел кладется только электрической прочностью примененных управляемых вентилей).

Поэтому необходимо выбирать число частей обмотки сколь возможно малым, лишь бы была обеспечена известная степень постоянства вращающего момента при всех возможных положениях ротора, что необходимо для легкого пуска и равномерного хода двигателя.

Минимальное количество частей, обеспечивающее достаточное постоянство вращающего момента, а следовательно, и плавный ход двигателя, равно трем. Поэтому, состоящая из трех частей обмотка статора наиболее рациональна для вентильного двигателя.

Число полюсов вентильного двигателя ни в какой связи с числом частей обмотки не находится и зависит от быстроходности двигателя. Следует только заметить, что в вентильном двигателе (даже и в тихоходных типах) лучше выбирать число полюсов возможно меньшим, так как при этом уменьшается возможность появления паразитных тормозных моментов, а также упрощается картина прохождения токов и облегчается анализ и расчет режимов работы двигателя.

Каждая из частей статорной обмотки присоединена к группе из трех управляемых вентилей. На фиг. 1 в качестве таких вентилей показаны тиратроны с

горячими катодами. Однако может быть применен любой другой тип управляемых вентилей: игнитроны, ртутники с сеткой, вентили Маркса и т. д.

Вентили Л, 5i, Ли, ВциАщ, йщ;, приключены анодами к крайним зажимам трансформатора 2. Вентили Zi, Zn и Zju приключены анодами к нулевой точке трансформатора 2. Буквою R обозначена обмотка ротора. Обмотка ротора выполняется такого же типа, как в синхронных машинах переменного тока. Ротор может быть как с явно выраженными полюсами, так и с неявными. Концы обмотки ротора выведены на кольца К.Питание роторной обмотки производится от специально вспомогательного управляемого выпрямителя, состоящего в настоящем-случае из трансформатора Г, питающего тиратроны а Ь. Для улучшения действия этого выпрямителя в его схему введен буферный (нулевой) газотрон ZQ.

Известно, что для того, чтобы получить у двигателя сериесную характеристику, необходимо, чтобы величина напряжения, питающего ротор, автоматически увеличивалась с возрастанием тока статора. Поэтому одной из важных особенностей предлагаемого двигателя является то, что напряжение выпрямителя, питающего ротор, автоматически меняется с изменением статорного тока.

Это достигается следующим образом. В анодные цепи тиратронов а, и газотрона ZD включено реактивное сопротивление D, снабженное специальной обмоткой S, через которую протекает ток статора. При увеличении статорного тона сердечник реактивного сопротивления насыщается, индуктивность его падает, и углы перекрытия анодных токов вентилей а, & и ZQ уменьшаются, вследствие чего увеличивается напряжение, отдаваемое вспомогательным выпрямителям, а следовательно и ток через обмотку R. Этим путем и достигается получение сериесной или компаундной характеристики. Для получения же шунт©вой характеристики обмотку 5 надо закоротить ключом N.

Зажигание тиратронов аи достигается с помощью сеточного трансформатора 2/, который подает на сетки тиратронов положительные импульсы напряжения.

Первичная обмотка трансформатора 21 присоединена к коммутатору 23. Диск 24 коммутатора вращается синхронным двигателем М. При этом он поочередно замыкает каждую из половин первичной обмотки трансформатора 27 на источник постоянного напряжения 22. Для уничтожения экстратоков размыкания параллельно каждой половине первичной обмотки трансформатора 21 может быть приключен вспомогательный вентиль (например, небольшой купроксный выпрямитель). В моменты замыкания коммутатором багареи 22 на первичную обмотку трансформатора 2/ подаются положительные импульсы на сетки тиратронов а и Ь. Поворачивая коммутатор 23, можно менять угол зажигания тиратронов а и Ь, а следовательно и напряжение, питающее ротор. Поэтому с помощью коммутатора 23 можно менять скорость вращения двигателя.

Необходимо заметить, что показанный на фиг. 1 способ воздействия статорного тока на величину напряжения выпрямителя питающего ротор, не является единственным. Можно, например, индуктивное со.тротивление из схемы выбросить и включить в цепь статора вместо обмотки 5 электромагнит, который будет поворачивать коммутатор 23 на увеличивающийся угол и, таким образом, менять в нужную сторону угрл зажигания тиратронов а и Ь по мере возрастания статорного тока.

Можно также питать ротор не от выпрямителя, а от специальной вспомога ПДГМ10Л/У

тельной машины нвмямрряяьного тока, напряжение которой должно зависеть от силы тока статора.

Последовательно со статорной обмоткой включено сглаживающее реактивное сопротивление 3, наличие которого значительно улучшает работу двигателя.

Благодаря реактору 3 уменьшается волнистость тока в статорных обмотках. Это уменьшает нагрев обмоток (так как полезную работу производит только постоянная составляющая, а не высшие гармоники) и повышает коэфициент использования двигателя.

С ротором двигателя связан диск 7 коммутатора 5, причем необходимо, чтобы указанный диск вращался в строгом

синхронизме с ротором /. Поэтому связь между ротором и коммутатором должна быть жесткой (например, с помощью зубчатой передачи и т. п.).

Все тиратроны, питающие статорные обмотки, заперты с помощью сеточных батарей 4i, 4 и 4т ; поэтому зажигаться эти тиратроны могут только тогда, когда трансформаторы 12-20 подают на их сетки положительные импульсы напряжения. Положительные же импульсы во вторичных обмотках сеточных трансформаторов появляются тогда, когда их первичные обмотки с помощью коммутаторов 25 и 27 замыкаются на батарею 22, причем частота импульсов, подаваемых через указанные коммутаторы, равна удвоенной частоте тока, питающего двигатель. Первичные обмотки всех сеточных трансформаторов для предотвращения экстратоков размыкания зашунтированы небольшими купроксными выпрямителями X.

На фиг. 2 дань кривые токов и напряжений для изображенного на фиг. 1 двигателя. Кривые построены в предположении, что индуктивность реактора 3 весьма велика, благодаря чему волнистость текущего через него тока незначительна и токи через отдельные аноды имеют вид прямоугольных импульсов. Кроме того, кривые фиг. 2 построены в допущении, что индуктивность рассеяния трансформатора 2, а также индуктивность рассеяния статорных обмоток равны нулю.

В действительности индуктивность рассеяния статорной обмотки может достигнуть довольно большой величины и при переходе тока с одной части статорной обмотки на другую будут значительные углы перекрытия.

Однако, грубо приближенно можно рассматривать картину прохождения токов в вентильном двигателе, пренебрегая углами перекрытия и считая, что импульсы тока через каждую из ламп имеют вид прямоугольника.

Учитывая затем наличие индуктивностей, можно уточнить все формулы и соотношения, но общая картина не изменится. Кривые фиг. 2 построены для случая работы двигателя в двигательном режиме при несколько пониженной мощности. Кривые 1, 11 и 111 изображают

напряжения, индуктируемые в одноименных частях статорной обмотки. Форма этих кривых зависит от типа статоркой обмотки и от очертания полюсных наконечников роторов (в случае ротора с явно выраженными полюсами}. Выгоднее всего, чтобы кривая напряжения, индуктируемого в каждой из частей статорной обмотки, имела трапецоидальную форму, как это показано на фиг. 2.

Кривая А изображает напряжение той фазы трансформатора 2, которая соединена с тиратронами Ai, An и Лщ.

Кривая В изображает напряжение другой фазы (отрицательные полуволны напряжения трансформатора не показаны, чтобы не затемнять чертежа). Некоторые участки кривых А н В показаны более жирной линией, Они представляют собой напряжение между катодами тиратронов и нулевой точкой трансформатора 2, соединенной с тиратронами BI, БП и Siij. Токи обозначены буквой /. Стоящий при букве / индекс Л;, Ви, -Zm и т. д. показывает, через какой из тиратронов протекает этот ток.

Кривая UA изображает сеточное напряжение тиратрона А. Кривая LJzi-сеточное напряжение тиратрона Zi, Кривые UAI: Ozii, и Ozm изображают, соответственно, сеточные напряжения

тиратронов Л;;, и, Лщ И ZIH .

в момент времени 7, коммутатор,двигателя замыкает щетку 8 со щеткой //. К моменту Tz коммутатор двигателя повернется на 120 и разомкнет цепь щетки 8 и сеточных трЕнсформаторог 15. 16 1л 17.

Следовательно, в промежутке времени Т -Ti ком/мутаторы 25 и 27 подают импульсы ка сетки тиратронов А, В и Z и питают часть 1 статорной обмотки.

Ротор двигателя при этом за ним зет в пространстве такое положение, что полюса его совпадают с магнитньп1 полем, создававшимся перед этим обмоткой III. Поэтому, когда ток начнет протекать по обмотке 1, поле ротора будет стремиться совместиться с полем статора (с полем обмотки I) и ротор будет стремиться повернуться в направлении, указанном стрелкой. В момент Т коммутатор двигателя разомкнет щетку 8 и замкнет щетку 9 с щеткой /7. Тогда на

сетки тиратронов Л), В и Zi не будут больше подаватьсй положительные им-, пульсы и эти тиратроны перестанут проводить ток.

Начиная с момента Т по 7, импульсы напряжения будут подаваться на сеточные трансформаторы 12, J3 и J4 и током будет питаться часть II статорной обмотки.

На фиг. 1 изображено положение коммутатора, соответствующее концу периода Ротор при этом будет стремиться снова повернуться так, чтобы его поле совпало с полем обмотки П. В момент , когда поле ротора совпадает наконец с полем обмотки И, коммутатор двигателя замкнет щетку /7 со щеткой 70. При этом начнут пропускать ток тиратроны Лщ, Вщ и , а все остальные тиратроны потухнут.

Поэтому с момента Т по момент Т ток протекает по обмотке III и ротор будет стремиться повернуться еще на 120 и т. д. Для того, чтобы реверсировать двигатель, т. е. заставить его вращаться в противоположную сторону, надо только изменить последовательность питания отдельных частей статорной обмотки. Для этого достаточно повернуть коммутатор двигателя постоянного тока с помощью сдвига щеток на 180°. Это соверщенно аналогично реверсированию двигателя постоянного тока с помощью сдвига щеток на 180 электрических (с тоги, понятно, рг-.зницей, что в двигателе постоянного тока такую операцию реверсирования произвести затруднительно из-за искрения щеток).

Проследим теперь более внимательно механизм прохождения тока через какуюнибудь из частей статорной обмотки, например, через обмотку 1.

Щетка 5 коммутатора 5 имеет контакт со щеткой 77 в интервале Т - 7,.

В момент ti коммутатор 25 через щетку 29 подает импульсы напряжения от батареи 22 на трансформатор 75. Тиратрон AI поэтому зажигается. В момент 4 напряжение соединенной с анодом тиратрона А фазы трансформатора 2 переходит через нуль и принимает отрицательное значение.

Незадолго до момента 4 на сетку нулевого тиратрона Zi было подано положительное напряжение. Поэтому, начиная с момента t-, по 4, тох статорной .обмотки 1 будет проходить через тиратрон Z, .минуя обмотки трансформатора 2.

В момент tz коммутатор 25 подает положительный импульс напряжения на сетку тиратрона Si.

Так как напряжение на аноде тиратрона Si в момент t будет положительным, то с момента 4 по t ток статорной обмотки будет течь через тиратрон В. В момент 4 ток снова перейдет на тиратрон Z и т. д.

Вышесказанное убеждает, что нулевые тиратроны Zi, Zii и Z весьма существенно улучшают работу двигателя. Благодаря их наличию уменьшается волнистость тока Б статорной обмотке и улучшается значительно коэфициент мощности в сети, питающей двигатель. Дабы еще больше повысить cos ср в питающей выпрямитель сети, можно сделать выпрямитель, питающий роторную обмотку по такой схеме, что он будет создавать опережающий сдвиг фаз в питающей его сети. Тогда соответствующей регулировкой можно добиться того, что результирующий cos ср в сети, питающей вентильный двигатель, всегда будет равен I.

Ток, текущий через статорную обмотку, пропорционален разности между средним арифметическим кривой напряжения, приложенного к статорной обмотке (кривая эта на фиг. 2 обведена более жирной чертой и заштрихована), и напряжением, индуктированным в статорной обмотке.

С помощью зубчатой передачи 30 можно поворачивать коммутатор 25 и изменять угол зажигания тиратронов AI и Bj (одновременно, понятно, и углы зажигания тиратронов Лц, и Лш, ) и, таким образом, изменять постоянную составляющую напряжения, питающего статорную обмотку.

С увеличением угла зажигания а величина напряжения, питающего статор, уменьшается; при этом уменьшается и ток статора, а следовательно, и мощность, и число оборотов двигателя.

Кривые фиг. 2 построены для того случая, когда коммутатор двигателя 5 включает тиратроны, питающие какуюлибо из частей статорной обмотки в те

отрезки, времени, когда напряжение, индуктированное в этой части обмотки, имеет максимальное значение.

Сдвигая коммутатор 5 на некоторый угол, можно заставить тиратроны питать обмотку в другую часть периода. Таким образом, углом поворота коммутатора 5 двигателя можно регулировать число оборотов двигателя (совершенно аналогично тому, как в двигателе постоянного тока можно регулировать число оборотов углом сдвига щеток).

Однако, подобно тому, как в двигателе постоянного тока регулирование скорости сдвигом щеток влечет неприятные явления, так в вентильном двигателе регулирование скорости сдвигом коммутатора 5 может повлечь за собой несвоевременное потухание тиратронов и другие нежелательные явления. Поэтому, как правило, скорость двигателя следует регулировать, изменяя ток ротора или изменяя угол зажигания тираj тронов, питающих статор. j Для перевода двигателя в режим ре; куперативного торможения необходимо I заставить проходить ток через обмотку I трансформатора 2 в те моменты времени, I когда напряжение ее отрицательно. Для этого нужно повернуть на 180° коммутатор 5 двигателя, с помощью коммутаj тора 25 задать угол зажигания венти; лей Л;, 5), Л;;, Бц, Лп), и В близкий I к J80, а вентилям Z Z- Z дать угол за: н игания, не равный кулю, как это имело место в двигательном режиме, а сдвиi нуть его на некоторую величину (чем меньше этот сдвиг, тем сильнее будет тормозиться двигатель). I На фиг. 1 показана такая конструкция коммутаторов 25 и 27, в которой при непрерывном вращении рукоятки 32 происходит перевод двигателя из двигательного режима в режим торможения противотоком и в режим рекуперативного торможения.

В тех случаях, когда двигатель должен быть небольшой мощности и когда нет необходимости применять рекуперативное торможение, можно упростить конструкцию вентильного двигателя, включив ротор двигателя последовательно со статорной обмоткой. При этом отпадает вспомогательный выпрямитель, питаюI щий роторную обмотку.

При таком включении ротор выгодно выполнять с возможно большей индуктивностью. В этом случае он будет действовать так же, как и реактор 3, и улучшать сглаживание тока. При этом может, между прочим, оказаться выгодным выполнить ротор для увеличения его индуктивности с большим рассеянием (в случае неявно выраженных полюсов применить глубокие закрытые пазы и т. д.).

Совместная параллельная работа предлагаемых двигателей может быть осуш,ествлена по схеме, изображенной на фиг. 3, по которой обмотки статоров всех параллельно работающих двигателей присоединены к общей вентильной коммутационной схеме, управляемой посредством коммутатора.

Такая система может быть применена, например, для разводных мостов, приводимых в действие несколькими двигателями или в тому подобных случаях.

Для того, чтобы еще больше увеличить силу, синхронизирующую вращение всех роторов, можно питать каждый ротор от независимого источника постоянного тока (например, выпрямителя), причем напряжение каждого из этих выпрямителей должно находиться в зависимости от силы тока своего статора; тогда при отставании какого-нибудь из двигателей будет увеличиваться сразу ток в его статоре и в роторе.

В некоторых случаях, когда предвидится особо неравномерная нагрузка, можно связать роторы всех двигателей еще механически (на фиг. 3 показано пунктиром соединение всех ведущих колес KI, К., и /С с помощью спарников Ш).

Ротор каждого отдельного двигателя несет свою индивидуальную нагрузку; например, каждый ротор может быть соединен с отдельной ведущей осью электровоза.

Коммутатор, управляющий коммутационной схемой (сетками тиратронов), жестко связывается с ротором одного из двигателей. При повороте ротора этого двигателя происходит коммутирование тока одновременно во всех статорах.

Если один из роторов почему-либо отстанет, то ток в его статоре возрастет, благодаря чему увеличится вращающий момент и отставший ротор подтянется. Если же один из роторов забежит вперед, то появится тормозящий момент, который вернет забежавший ротор в синхронизм.

Если желательно добиться особо равномерного хода двигателей, можно параллельно со всеми двигателями приключить вспомогательный двигатель малой мощности, не несущий никакой нагрузки, и соединить с ротором этого двигателя коммутатор, управляющий ионными лампами. Тогда скорость вращения всех главных двигателей совершенно не зависит от изменений нагрузки и будет задаваться режимом работы вспомогательного .двигателя.

Предмет изобретения.

1.Однофазный вентильный двигатель с трехфазной обмоткой с нулевой точкой, присоединенной к средней точке обмотки питающего трансформатора, и выводами, приключенными к катодам управляемых вентилей, соединенных анодами с концами обмотки указанного трансформатора, отличающийся тем, что, с целью умзньщения пульсации тока в обмотке статора двигателя и повышения коэфициента мощности в питающей сети, выводы трехфазной обмотки статора, кроме соединения через вентили с концами обмотки трансформатора, приключены также к средней точке указанной обмотки через вспомогательные управляемые вентили Zi, Zii, Ziii, присоединенные так же как и основные вентили, катодами к обмотке двигателя.

2.Применение в двигателе по п. 1 в линии, соединяющей нулевую точку обмотки статора со средней точкой обмотки трансформатора, реактивного сопротивления.

3.Применение в двигателе по п. 1 для питания сеток управляемых вентилей, подаваемых через коммутаторы 25 и 27 импульсов, частота которых равна удвоенной частоте тока, питающего двигатель.

4.Форма выполнения двигателя по п. 1 при его параллельной работе с друI гими, отличающаяся тем, что обмотки I статоров всех параллельно работающих 1 двигателей присоединены к общей вентильной коммутационной схеме, управляемой посредством коммутатора связанного с ротором одного из двигателей.

5. Применение по п. 4 специального

вспомогательного двигателя для вращения управляющего коммутатора.

б. Применение по пп. 4 и 5 механической связи между параллельно включенными двигателями.

If

. ЛЖ/ . П I I лМ л1л S ;/ Iт I пгй л л ; / / 1 ГЗ™ FT г, I l.- i Г/о I ///„S sTT.J.ZK - НШ1% ;% l Г7Г / .Ji:r ЫЛЗИв Ip.aSIbS.J 1.-«.Т1П;асДУ|%ЫИ

Фиг1

j;-2 (Ъ j

HI