Электрическая машина постоянного тока с управляемым вентильно-механическим коммутатором Советский патент 1980 года по МПК H02K13/14 

Изобретение относится к области электротехники и быть использовано при разработке электрических машин постоянного тока с вентильно- j механическим коммутатором,которые могут использоваться в качестве тягового электропривода электрического транспорта для работы в режиме тяги и рекуперативного тор эжения.|Q

Известны электрические машины постоянного тока с вентильно-механическим коммутатором, содержащие механический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, кон- |5 тактирующие с ним группы щеток и вентильный коммутатор с системой управления, обеспечивающий базыскровую коммутацию тока в секциях обмотки якоря в устрЬйстве, Одновремен- 20 но осуществляется изменение скорости вращения двигателя путем импульсного регулирования подводимого к якорью напряжения 1 и 2 .

Однако совмещение в вентильном 25 коммутаторе двух функций - коммутации и регулирования скорости достигается за счет усложнения его схемы, содержащей дополнительные коммутирующие тиристоры, которые не исполь- 30

зуются в обычных мгынинах с вентильно-механическим коммутатором. Кроме того, в таких машинах не может быть осуществлен режим рекуперативного торможения, крайне необхода мый в системах электрического транспорта.

Целью изобретения является расНирение области применения машины.

Это достигается тем, что предложенная машина снабжена переключателем, содержащим два нормально-замкнутых и два нормально-разомкнутых в двигательном режиме контакта, в качестве отсекающих вентилей использованы тиристоры, коммутирующий элемент анодного блока содержит последовательно соединенные конденсатор и дроссель и зашунтирован цепочкой последовательно-встречно соединенных диодов, причем общая-точка линейных дросселей катодной группы соединена через первый нормально-разомкнутый контакт с nepBtJM выходным зажимом машины и с общей точкой .пинейных дросселей анодного блока через первый нормально-замкнутый контакт с вторым выходным зажимом машины и через второй нормально замкнутый контакт - с объединенными анодами диодов,шунтирующих коммутир5тощий элемен анодного блока, соединенный через втрой нормально-разомкнутый контакт с вторым выходным эажиг юм маишны.

На чертеже изображена электрическая схема машины, в которой механический коллектор и обмотка якоря представлены в виде линейной разверт

Якорная обмотка 1 машины подключена к совмещенному механическому коллектору 2 с проводявд1ми 3-10 и изолирующими 11-18 пластинами, контактирующими с раз нополярными групnaNBi щеток 19-22. Щетки подключены К электрическим контурам, содержа цим последовательно включенные отсекаюиди вентили 23-26, .управляеьФае ко Ф1утиру1С1цие вентили 27-30, зашунтированны обратными диодами 31-34, и линейные дроссели 35-38, общие точки которых подключены.к соответствующим выходным зажимам для подключения к источнику питания. Точкисоединения отсекающих и коммутирующих вентилей связаны посредством ко1н1мутирую1ДИх элементов 39, 40, образуюцщх с указанными электрическими контурами анодный 41 и катодный 42 блоки вентильного коммутатора, работоспособность которого обеспечивается схемой управления 43, В качестве коМг утирушщих элементов в катодном блоке установлен конденсатор, в анодном блоке - электрическая цепь из после 1 ::вательно включенных конденсатора 44 и .дросселя 45, шунтированных диоДлми 46, 47, аноды которых через группу контактов 48 подключены к за;мимам источника питания . Контакты 4:9 и 50 замкнуты в режиме тяги, а контакты 51, 52 при этом разомкнуты В режиме рекуперации, наоборот,контакты 49-50 - разомкнуты, а контакты 51 -52 замкнуты.

М.зиглна может работать в режиме т ЯП- - двигателем и в режиме рекуперации ганератором. Схема обеспечивает плавное регулирование скорост вращения двигателя в большом диапазоне и рекуперативное торможенке, вплоть до.полной остановки машины. При работе машины двигатели, т.,е, :з режиме тяги,- при номинальной скорости вращения (т.е. при полном нащ: яжении источника на коллекторе)., в рассматриваемый момент времени ток нагрузки протекает от положительно:(Х) полюса источника через дроссель 35,, тиристоры 27, 23, щетку 19, пластину коллектора 4, бмотку якоря , через пластину 8, контакт 21, вентили 25,, 29., дроссель 37, контакт 49 к tvMHycy источника питания. Коммутирующие конденсаторы 40, 44 заряжены от преддущего коммутационного цикла до напряжения, полярность которого обозначена на рисунке без скобок. Скользящие контакты перемещаются относительно коллектора слева направо. При

вхождении щеток 20 и

22 и контакти5, 9 со схеьы ровании с пластина.да управления поступают сигналы на включение тиристоров 28, 24, 30. Конденсаторы 40 и 44 начинают разряжатр ся по соответствующим контурам с целью выключения ранее проводящих тиристоров 27 и 29 „ В анодном блоке разрядный ток конденсатора 44 протекает через элементы схемы: 44,

27,35, 36, 28, 45, 44. В катодном блоке конденсатор 40 разряжается через элементы 30, 38., 37, 29. После того, как разрядные токи конденсаторов становятся равными току нагрузки двигателя тиристоры 27 и 29 отК-глочаются, а разряд продолжается нарастамгцим током в анодном блоке через элементы 44, 31, 35, 36, 28, 45, 44, а в катодном через элементы

40, 30, 38, 37, 33, 40.

В рассматриваемом коь-1му т ад ионном интервале ток нагрузки протекает через обратные диоды 31, 33, которые поддерживаются в проводящем состоянии указанными разрядными токами, превышающими по абсолютной величине ток нагрузки. Когда разрядные токи конденсаторов 40 и 44 уменьшаются до значения тока нагрузки обратные диоды 31 и 33 отключаются, а ток двигателя протекает от источника чеоез элвгмевты 36, 28, 45, 44,, 23, 19, 4, 1, о, 21, 25, 40 j 30 38,. 49 „ В секциях обмотки якоря нашнается процесс реверсирования тока который сопровождается продолжаюгцимся перезаря.цом конденсаторов 40 я 4 до напряьчения, полярность которого обозначена яа чертеже в скобках, и постепенным перехо/цом тока нагрузки в цепи скользящих контактов 20 и 22. По окончании электромагнитного переходного процесса ток в коммутиpyeNMX секи.иях изменяет свое напряжение, перезарядные токи конденсаторов 40 и 44 равны нулю, ток нагрузки про.долскает протекать от источника через элементы схег.ы: 36,

28,24, 20, 5,1, 9, 22, 26, 30, 38, 49 , а скользя1цие контакты 19 и 21 обесточенк

Pacc « тpeкный электрогЛагнитный процесс происходит значительно раньше перемещения щеток 19 и 21 с проводяш.их пластин на изолирующие 13 и 17, Таким образом обеспечивается безыскровая коммутшдия.При последующем перемещении скользящих контактов по поверхносхи коллектора., когда щетки 19 и 21 вновь контактируют с пласткнаг.4И 6 и 10, коммутационные процессы в схеме повторяются.

Пои работе машины двигателем я режиме регулирования скорости вра ценкя изменяется последовательность включения тиристоров анодного блока

вентильного переключателя. При этом за время контактирования контактов

20и 22 с пластинами 5 и 9 коллектора тиристоры 24, 28 анодного блока работают в ключевом режиме, обеспечивая частотно-импульсное регулирования напряжения на якоре двигателя,

А при контактировании контактов 19,

21с пластинами 6,10 в ключевом режиме работают тиристоры 23, 27. Катодный блок вентильного переключателя при регулировании скорости работает так же, как и при номинальной скорости двигателя.

Рассмотрим особенности работы двигателя при регулировании скорости. В исходном состоянии и при вращении двигателя со скоростью меньшей номинальной ток нагрузки протекает от источника питания через элементы схема 36, 28, 24, 20, 5, 1, 9, 22, 26, 30, 38, 49. Конденсатор 44 заряжен от предыдущего коммутационного цикла до напряжения источника питания, полярность которого обозначена на чертеже в скобках. Для отключения двигателя от сети в режиме импульсного регулирования напряжения со cxeNbi управления подаются импульсы на включение тиристора 27.Конденсатор 44 начинает разряжаться через проводящий тиристор 28, а после его выключения - через обратный вентиль 32 по контуру: 44, 45, 32, 36, 35, 27, 44. Процесс отключения проводящего тиристора 28 протекает аь алогично описанному при работе машины с номинальной скоростью. После отключения обратного диода 32 якорный ток двигателя протекает через шунтирующий контур 24, 20, 5, 1, 9, 22, 26, 30, 38, 50, 47, 24, а конденсатор 44 перезаряжается от сети до напряжения обратной ПОЛЯРНОСТИ через элементы схег 35, 27, 44, 45, 47, 50, 49.

Для подачи напряжения на якорь двигателя со схемы управления подаются управляющие сигналы на тиристоры 24, 28. Вначале от сети протекает ток через элементы схемы 36, 28, 47, 50, 49. В момент времени, когда указанный ток становится равным току в шунтирующем контуре двигателя, вентиль 47 запирается, а ток нагрузк продолжает протекать от сети через элементы 36 28, 24, 20, 5, 1, 9, 22 26, 30, 38, 49.

Конденсатор 44 перезаряжается до напряжения исходной полярности (обозначено в скобках) через элементы 31, 35, 36, 28, 45 анодного блока. При постоянном времени открытия вентилей 28, 24 среднее напряжение на якоре двигателя регулируется изменением длительности бестоковой паузы тиристора 28. В аналогичном режиме работают вентили 23, 27 при прохождекии тока нагрузки через контакты 19, 21.

Для работы 1зшины генератором в режиме рекуперативного торможения paз Jкaютcя контакты 49, 50 и saNSiкаются контакты 51, 52. Одновременно изменяются направление тока Б возбуждения и, соответственно, ЭДС обмотки якоря. Ток реку nepaiXHK регулируется частотно-импульсным способом с помощью тиристоoров анодного блока, работающих в ключевом режиме. Катодный блок вентильного переключателя в режиме рекуперации работает так же, как и в режиме тяги. В исходном состоянии

5 при отдаче энергии в сеть вентили

27,28f BaKpFiTTfci, а ток якоря машины протекает через обмотку I, контакты 20, 22, вентили 26, 30, д россель 38, контакт 51, к плюсу источника питания,

0 через внутреннее сопротивление источника к минусу,- через контак-г 52, вентили 47, 24, контакты 20, 5 и далее через обмотку якоря I. Конденсатор

44 заряжен от предыдугаего комм тационного цикла до напряжения источника

S питания, полярность которого обозначена на чертеже без скобок. При уменьшении среднего тока якоря машины до некоторой заданной величины .датчик среднего тока входит в схему

0 управления 43) включается тиристор

28.При этом в первый момент от источника питания через элементы схеNM 36, 28, 47, 52 протекает интенсивно нарастаю Д11й ток. Когда этот ток

5 становится равным прямому току через диод 47, пос- ;едний отключается, а машина переходит в режим короткого заivbiKaHHHr при котором ток якоря быстро возрастает и протекает по кон0туру: 1, 9, 22, 26, 30, 38, 51, 36, 28,- 24, 20, 51. Конденсатор 44 перезаряжается до напряжения, полярность которого обозначена на чертеже в скобках, по контуру: 44, 31, 35, 36, 28, 45, 44,

5

Когда возрастающий ток якоря достигнет некоторой заданной величины, со управления подаются импульсы ка включение тиристора 27, который с помощью коммутирующего конденсатора

0 44 отключает проводящий тиристор 28 аналогично описанному при работе машины с ном11нальной скоростью. После отключения обратного диода 32 машина вновь отдает энергию в питающ то

S сеть, якорный ток протекает через элементы схемы 1, 9, 22, 26, 30, 38, 51, через внутреннее сопротивление источника 52, 47, 24, 20, 5, 1. Конденсатор перезаряжается от сети до на0пряжения исходной полярности через элементы 35, 27, 44, 45, 47, 52.Далее коммутационные процессы повторяются.

В анодном и катодном блоках венггильного переключателя коммутирующие

5 элементы имеют нео,динаковую структуру.

В катодном блоке установлен конденсатор 40, в гшодном - конденсатор 44 и дроссель 45. Неоднородность схем объясняется тем, что эти блоки работгиот в различных режимах. Элементы катодного блока во всех режимах работы маишны находятся в одинаковых условиях и выполняют функцию переключателя тока, протекающего через контакты 21,22. Напряжение на конденсаторе 40 в таком режиме работы опре; ляется только величиной реактивной ЭДС на коммутируе1 лх секциях обмотки якоря, которая в свою очередь зависит от нагрузки и по величине значительно итаньше напряжения источника питания.

Элементы анодного блока вентильного переключателя наполняют совмещенную функцию коммутатора и peiv лятора напряжения. При работе с номинальной скоростью вращения конденсатор 44. работает в тех же условиях, что и конденсатор- 40. Нап шжение на нем определяется процессом подзаряда конденсатора энергией коммутируемых секций, которая зависит от параметров секции и от нагрузки. В этих условиях (при постоянстве энергии, получаемой от секции) с уменьшением емкости конденсатора, напряжение на нем возрастает. Одновременно, при работе машины в режиме регулирования скорости конденсатор 44 перезаряжается до полного напряжения источника питсшия.

Для выравнивания потенциальных условий работы конденсатора 44 анодного блока во всех режимах работы машины его емкость выбирают такой величины, чтобы напряжение на нем при номинальной скорости двигателя было бы равно напряжению источника питания.

Выравнивание потенциальных условий работы конденсатора 44 обеспеЛ нает постоянство . времени выключения.

Формула изобретения

Электрическая машина постоянно:сх) тока с управляемым вентильно-механическим коммутатором, содержащая два механических коллектора, каж№1й из которых контактирует с разнополярными щетками, а каждая из щеток одной полярности соединена последовательно с отсекающим вентилем, управляемым коммутируюг.цим вентилем, шунтированным обратным диодом, и линейным дросселем, линейные дроссел соединены между собой, между точками соединения отсекающих и коммутирующих вентилей подключены коммутирующие элементы, образующие с перечисленными элементами, связанными с щетками одной полярности анодный И катодный блоки, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью расширения области применения, машина переключателем, содержащим два нормально-замкнутых и два нормално-разомкнутых в двигательном режиме контакта, в качестве отсекающих вентилей использованы тиристоры, коммутирующий элемент анодного блока содержит последовательно соединенные конденсатор и дроссель и зашунтирова цепочкой последовательно-встречно соединенных диодов, причем общая точка линейных дросселей катодной группы соединена через первый нормално-разомкнутый контакт с первым выхоным зажимом машины и с общей точкой линейных дросселей анодного блока, через первый норма)1ьно-замкнутый контакт с вторым выходным зажимом машины и через второй нормально замкнутый контакт - с объединенными анодаг.та диодов, .шунтирующих коммутирующий элемент анодного блока, соединенный через второй нормально-разомкнутый сонтакт с вторым выходным зажимом машины.

Источники информации, принятые во знимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 377943, кл„ Н 02 13/14, 1970.

2 Авторское свидетельство СССР I 382207, кл, Н 02 К 13/14, 1970, I1 I IXI//DS: