Однофазный вентильный репульсионный двигатель Советский патент 1976 года по МПК H02K29/04 

1

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам неременного тока с бесконтактной коммутацией и может быть применено в регулируемом транспортно-тяговом, станочном, подъемно-крановом, рольганговом приводах с нитанием от однофазной сети переменного напряжения.

Известны схемы однофазных вентильных репульсионных двигателей (ОВРД) 1, 2, обладающих устойчивой естественной коммутацией, но в ограниченном нижнем диапазоне частот вращения. Так, от режима пуска до момента, когда частота, при которой ротор за полунериод питающего напряжения поворачи, „2it

Бается на угол, равный в фазной зоне

(т - число секций якорной обмотки), ОВРД имеют наиболее устойчивую сетевую коммутацию. При ней выходящие из работы (сбегающие) вентили включаются спаданием якорного тока, а следовательно, и тока вентилей к концу полупериода, на который пришелся коммутационный процесс. При этом ОВРД полностью проявляют все свои положительные качества: высокую кратность пускового момента (до 4-6), высокие регулировочные свойства, тяговые электромеханические характеристики.

Однако при повышении частоты вращения процесс работы ОВРД характеризуется наличием зон неустойчивой коммутацин. Как показали исследования 4, 5, такими зонами являются интервалы противоположной полярности якорного напряжения и тока в конце каждого их полупериода.

Для повышения коммутационной устойчивости целесообразно запрещать включение силовых вентилей в течение этого интервала. Схемно это осуществляется включением управляемых вептилей в функции фазы якорного тока 2. Открывающее напряжение от датчика положения ротора в этом случае необходимо подавать только на тот вентиль набегающей ветви, полярность которого соответствует полярности якорного тока. Тогда в интервалах разнополярности якорного напряжения и тока анодное напряженне открываемых вентилей будет для них обратным, и эти вентили не откроются. Наличне таких нропусков в работе ОВРД приводит к снижению среднего момента, понижению использования питающего напряження, ухудшению формы рабочих токов п (повышению) содержания в них высших гармонических.

По рещаемой технической задаче и достигаемому положительному эффекту наиболее близок к изобретению однофазный вентиль1;ый репульсионный двигатель 6, содержащий многофазную вторичную обмотку, соедиисиную но схеме замкнутого многоугольника, между противоположными вершинами которого включены встречно-параллельно пары управляемых вентилей, причем коммутирующие элементы датчика положения ротора в цепях управления вентилями подключены через диодные ограничители напряжения и импульсные трансформаторы к трансформатору тока сети. Основным недостатком этой схемы являются низкие энергетические показатели ОВРД, вследствие низкой точности фазы якорного тока, так как измерение осуществляется но фазе первичного тока двигателя. Это приводит к необходимости введения по его параметрам соответствующих коммутационных запасов, которые значительно расщиряют паузы в работе двигателя и тем самым усугубляют перечисленные вьпде недостатки. Цель изобретения - расширение области применения ОВРД за счет улучшения его коммутации на высоких частотах вращения. Цель достигается тем, что двигатель снабжен анализатором фазы тоха якоря, импульсным устройством и дополнительной обмоткой, магнитно связанной с обмоткой якоря, причем дополнительная обмотка подключена к входу анализатора фазы и выходу импульсного устройства, а выход анализатора фазы связан с управляющими цепями импульсного устройства. Кроме того, двигатель снабжен трансформатором, первичная обмотка которого является дополнительной обмоткой, а одноименные выводы вторичной обмотки соединены с разнонаправленными тиристорами замыкающих цепей. Дополнительная обмотка расположена на индукторе с угловым сдвигом относительно первичной обмотки. На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого двигателя, дополнительная обмотка которого расположена на индукторе; на фиг. 2 -схема двигателя, дополнительная обмотка которого является первичной обмоткой трансформатора. Предлагаемый двигатель содержит однофазную обмотку возбуждения 1, расположенную на индукторе и через скользящие контакты 2, 3 подключенную к питающей сети переменного напряжения, секции 4-13 якорной обмотки соединены по схеме замкнутого многоугольника, между вершинами которого включены пары встречно-параллельно соединенных силовых вентилей 14-23. Двигатель содержит дополнительную обмотку 24, магнитно связанную с якорной цепью и подключенную к входу анализатора фазы 25 и выходу импульсного устройства 26. Выходы всех чувствительных элементов датчика положения ротора 27 через соответствующие дифференцирующие цепочки объединены на синхронизирующем (запускающем) входе 28 импульсного устройства 26, которое представляет собой импульсный генератор, работающий в ждущем режиме. К управляющему входу 29 импульсного устройства 26, но которому регулируется полярность его выходного сигнала, подключен выход анализатора фазы 25. Магнитная связь дополнительной обмотки 24 с якорной цепью двигателя может быть выполнена в двух вариантах. В одном из них (фиг. 2) дополнительная обмотка 24 является первичной обмоткой трансформатора, вторичные обмотки 30-39 которого включены последовательно с вентилями якорпой цепи 14-23, причем одноименные концы вторичных обмоток 30-39 соединены с разнополярными вентилями замыкающих ветвей 14, 15, 16, 17,..., 22, 23. Во втором варианте схемы (фиг. 1) дополнительпая обмотка 24 расположена на индукторе под углом - относительно оси обмотки возбу кде 1ия 1 и через скользящие .контакты 40, 41 соедииспа с входом анализатора фазы 25. Чувствительные элементы датчика положения ротора 27 укреплены на якоре с uiaroM, равным ширине фазной зоны . Каждый из чувствительных элементов осуществляет включение обоих вентилей своей ветви при попадании ее оси в сектор вн-|0нН-- I от1т I носительно оси обмотки возбуждения 1. При подключении обмотки возбуждения 1 к питаютцей сети Il протекаюпщй по ней первичный ток создает пульсирующий магнитный поток двигателя, который наиодит во вторичной якорной обмотке 4-13 Э Д С Эта Э Д С распределена в якорной обмотке по косииусоидальному закопу. Напряжение между ее противоположными точками, расположенными, например, под углом Эн относительно оси обмотки возбуждения 1 (фиг. 1), равно l/Hjj , где Е напряжение якорной обмотки возбуждения 1. В момент пуска один из чувствительных элементов открывает вентили своей ветви, апример 16, 17, паходящейся в секторе в„-Гв„+ Vт Под действием папряжения якорной обмоти 4-13 между точками включения этой вети 16, 17 по ней потечет якорный ток, разветляясь далее по двум параллельным якорным олуобмоткам 6-10 и 11 -13, 4, 5. В резульате взаимодействия этого тока с магнитным отоком двигателя создается его вращающий омент, который поворачивает индуктор проив часовой стрел.ки, пока ветвь 16, 17 не е выйдет из сектора в,, этот омепт в сектор ви- 5 пВХОДИТ соседяя ветвь, чувствительный элемент датчика

положения ротора 27 включает вентили 14, 15, и процесс повторяется.

Работа ОВРД характеризуется двумя чередующимися режимами: рабочим, когда в якорной цепи открыта одна из тнристорцых ветвей, и коммутационным, в течение которого существуют одновременно две открытые ветви, например с момента включения очередной набегающей ветви 14 и до момента выключения сбегающей ветви 16. В предлагаемой схеме осуществляется принудительная коммутация выходящих из работы (сбегающих) вентилей, а коммутирующая цепь построена по принципу отрицательной обратной связи по то.ку сбегающего вентнля.

Существуют одновременно две открытые ветвн, например с момента включения очередной набегаютцей ветви 14 и до момента выключения сбегающей ветвн 16. В предлагаемой схеме осуществляется ппинудительная коммутация выходящих из работы (сбегающих) вентилей, а коммутирующая цепь построена по принципу отрицательной обратной связи по току сбегающего вентнля.

В рабочем режиме схемы (фиг. 2), например при протекании якорного тока по вентилю 16 и обмотке трансформатора 32, анализаTOD фазы 25 посредством дополнительной обмотки 24, подключенной на его входе и магнитно связанной с обмоткой 32, следнт за полярностью тока открытой ветвн (якорного тока), устанавливая по управляющему входу 29 импульсного устройства 26 соответствующую полярность его выходного нанряжения.

В момент входа в сектор вц- f вн-Ь --|

Vт I

набегающей ветви 14, 30, 16, 31 чувствительный элемент датчика положения ротора 27 включает вентили 14, 15 и импульсное устройство 26 по его входу 28. Выходное напряжение импульсного устройства 26, приложенное к дополнительной (первичной) обмотке 24, трансформируется во все вторичные обмотки 30-39 в виде нмнульсных Э Д С /,,-. Принцнп построения схемы фиг. 1 обусловливает согласное включение вторичных обмоток 30- 33 по контуру копоткозамкнутых секций 5, 32, 16 (33, 17), 10, 30, 14 (31, 15) при любом сочетании полярности якорного напряжения и тока. Контур отрицательной обпатной связи по току сбегающего вентиля 16: вторичная обмотка 32 с якорным током (до момента включения набегающих вентилей)-первичная обмотка 24 - анализатор фазы 25:-импульсное устройство 26 (с момента его включения)- первичная обмотка 24 - вторичные обмоткн 32, 30 обеспечивает всегда встречное направление Э Д С к обмоток 32, 30 току сбегающего вентиля 16 по контуру короткозамкнутых секций 5, 32, 16, 10. 30, 14. В этом же контуре действуют и Э Д С секции 5 и 10 /S, наведенные в них обмоткой возбуждения 1, с первичным током.

Как показали исследования, направление Э Д С /S периодически изменяется относительно тока сбегающего вентнля 16 в зависимости от фаз якорного напрял ения и тока, частоты врантения, нагрузки угла Эп. Поэтому при настройке двигателя устанавливается такая амплитуда выходного напряжения импульсного устройства, чтобы в пронессе его работы во вторичных обмотках 32, 30, входящих в коммутационный контур, наводились коммутипующие Э Д С /к, которые с учетом любых изменений но величине и направлению Э Д С /S секций 5, 10 обеспечивали бы надежную коммутацию обегающих вентилей 16 при любых неблагопрнятньтх сочетаниях рабочих параметров двигателя во всем днапазоне частот вращения и нагрузок. Сам нроцесс коммутапии осуществляется созданием алгебраической суммой всех Э Д С ,- и 1я по контупу короткозамкнутых секпий 5. 32, 16, 10, 30. 14 тока этого контура { (пунктирная линия фиг. 1). встречного току сбегающего вентиля 16 н нревосходянтего его по величине, что приводит к спадению результирующ.его тока до нуля и закрытию вентиля.

В схеме фиг. 1 коммутация осунтествляется аналогично. Магнитный ноток, созданный током дополнительной обмотки 24. наводит во всех секпиях 4-13 якорной обмотки нмпульсные Э Д С /.,, амплитуда каждой из которых, например 5 н 10, соответствует угловому положению их осей относительно оси дополнительной обмоткн 24. Для режима максимального вращающего момента схемы фиг. 1 этот угол составляет около 25 эл. град., а коэфсЪнппент т;х магнитной связи - соответственно 0,9. Так как контур принудительной коммутации этой схемы: якорняя обмотка 4-15 с током- л агнитно связанная с ней дополнительная обмотка 24 - анализатор фазы 25 - импульсное

устройство 26 - дополнительная обмотка 24 - короткозамкнутые секции 5. 10 - представляет собой отрицательную обратную связь по якорному току, то наводимые в копоткозамкнутых секциях 5, 10 импульсные Э Д С /к

будут всегла направлены встречно току сбегающего Р ттнля 16 по контуру этих секцнй 5, 16. 10, 14.

В отличне от них Э. Д. С. , наводимые обмоткой возбуждення 1, с первичным током в

короткозамкнутых секциях 5, 10 как части якорного нанряження не остаются постоянными по нанравлению относительно тока сбегающего вентиля (якорного тока), а в зависимости от частоты вращения, нагрузки угла

вн являются пернодическт то совпадающими, то встречнымн. Поэтому в данной схеме так же предварительно устанавливается такая амплитуда выходного напряжения ттмпульсного устройства 26, чтобы амплитуда наводимых

им импульсных Э Д С /к в короткозамкнутых секциях 5, 10 с учетом максимально возможпо о ослабляющего действия на них Э Д С Iff при самых неблагоприятных сочетаниях рабочих параметров двигателя обеспечивала бы надежную коммутацию сбегающих

вентилей (16) во всем диапазоне частот вращения.

Относительно влияния иринудительной коммутации на всю якорную цепь необходимо отметить, что угол между магнитными осями якорной 4-13 и дополнительной 24 обмоток составляет для режима максимального вращающего момента около 65 эл. гоад. и тем обусловливает их сравнительно малый коэффициент связи (О, 4). Кооме того, иостоянная воемени якооной цепи значительно (до двух попядков) больпге длительности выходного напряжения импульсного устройства 26. поэтому составляющая ЯКОРНОГО тока, обусловленная импульсными Э. Д. С. ее секции 4- 3, наводимыми дополнительной обмоткой 24, не .успевает существенно напасти, составляя около 1-2% от его установившегося значения. Поэтому при изменении угла вп от нуля до 10-15 эл. град, влияние принудительной коммутации на якорную цепь пренебрежимо мало.

Однако с увеличением угла вц свыше 15 эл. град., кроме усиления указанного вредного влияния на якорную неиь. начинает заметно ослабляться магнитная связь между дополнительной обмоткой 24 и короткозамкнутыми секциями 5, 10, ионижая коммутирующую способность импульсного устройства 26 при постоянных параметрах его выходного напряжения. Поэтому одной из особенностей этой схемы является ограниченный верхний диапазон регулирования угла вп. Отсутствие коммутирующего трансформатора обеспечивает ей определенные конструктивные преимущества по сравнению со схемой фиг. 2.

Достоинством схемы Лиг. 2 является постоянство связи выходной цени имну.льсного устройства 25 с контурами копоткозамкнутьх секций при любых значениях вп. что coxpans ет неизменной коммутирующую способность импульсного устройства 26.

Для рассмотренных схем ОВРД Сфиг. 1 и 2) верхним предельным значением частоты вращения является такое ее значение, при котором за длительность выходного напряження импульсного устройства 26 индуктор иоворал,2г;

чивается на гол в фазную зону, что

гп

создает благоприятные условия для более широкого его применения, особенно при использовании импульсных источников с регулируемой длительностью выходного импульса.

Формула изобретения

1. Однофазный вентильный репульсионный двигатель с первичной обмоткой, расположенной на индукторе, и вторичной якорной обмоткой, секции которой соединены по схеме замкнутого многоугольника с включенными между его верщинами иарами встречно-параллельно соединенных вентилей, управляющие

цепи которых соединены с чувствительными элементами датчика положения ротора, отличающийся тем, что, с целью расширения области ирименения за счет улучшения коммутации ня высоких частотах вращения,

двигатель снабжен анализатором фазы тока ЯКОРЯ, импульсным устройством и дополнительной обмоткой, магнитио связанной с обмоткой якоря, причем дополнительная обмотка подключена к входу анализатора фазы и

выходу импульсного устройства, а выход анализатора фазы связан с управляющими цеиями импульсного устройства.

2.Двигатель по п. 1, отличающийся тем. что он снабжен трансформатором, иервичная обмотка которого является дополнительной обмоткой, а одноименные выводы вторичной обмотки соединены с разнонаправленными тиристорами замыкающих ветвей.

3.Двигатель по и. 1, отличающийся тем, что дополнительная обмотка расположена

на индукторе с угловым сдвигом относительно первичной обмотки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: I. Авт. св. ,№ 421094. Н 02К 29-04. 1961.

2.Авт, св. ДГо .409791, Н 02К 29/04, 1970.

3.Сонин Ю. П. Токи и момент однофазного вентильного репульсионного двигателя. «Электромеханика ЛГо 7, 1970.

4. Сонин Ю. П. и др. Исследование процесса коммутации однофазного вентильного репульсионного двигателя на АВМ. Тематический сборник «Полунроводниковые приборы If преобразовательные устройства. Вып. 2.

Мордовский госздарственный университет им. Н. П. Огарева, Саранск. 1973.

5.Сонин Ю. П. и др. Расчет мгновенных величин токов обмоток однофазного вентильного реиульсионного двигателя на ЦВМ. Тематический сборник 102 «Полупроводниковые приборы и иреобразовательные устройства. Выи. 2. Мордовский государствеиный уннверситет им. Н. П. Огарева, Саранск, 1973.

6.Авт. св. № 206703, Н 02К 29-04, 1965.

uz.i

I