(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
t
Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в регулируемом электроприводе.
Известны вентильные электродвигатели, прецсгавляющие собой сочетание синхронной машины с вентильным коммутатором (вентильным коллектором), выполненным на основе инвертора тока или напряжения flj и Та|.
Недостатком таких, двигателей являет ся сложность вентильного коллектора, связанная с необходимостью обеспечить искусственную коммутацию большог о числа секций обмотки якоря.
Наиболее близок к изобретению по технической сущности вентильный электроцвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, каждая фаза которой состоит из двух одинаковых, но встречно соединенных частей, причем каждая из частей соединена с зажимами для подключения к источнику переменного тока через встречно-параллельно соединенные управляемые вентили 3{,
Недостатками вентильного двигателя являются узкий диапазон регулирования скорости, связанный с тем, что выходная частота вращения изменяется дискретно и низнизкий коэффициент мощности.
Цель изобретения - устранение укаoaHHbtx недостатков, т. е. расширение диапазона регулирования и повьпиение гетических показателей.
. Ука1занная цель достигается тем, что двигатель снабжен дополнительно управляемыми Вентилями,а каждая из частей обмотки якоря снабжена отводами,подклк. ченными через дополнительные встречно-параллельно соединенные вентили к тому же зажиму, к которому подключена данная часть.
Каждая из упомянутых частей статорной обмотки может быть уложена на oi дельном пакете статора и подключена к управляемым вентилям..
Благодаря такому вьтолнению вентильного двигателя в сочетании с определенным
поряаком переключений вентилей, формирование вращающегося магнитного поля и регулирование частоты его вращения ocj щёствляется не путем изменения частоты напряжения, подаваемого на обмотку машивы, а путем переключени.я числа и полярности секций обмотки. Поэтому комплект вентилей выполняет функцию не преобразователя .частоты, а программного коммутатора секции обмотки, чем цостигается расширение циапазоня регулирования чаототы вращения, упрощение сил.оврй схемы и системы управления. Периодическое подключение обмоток к источнику неизмененной частоты обусл вливзётпШышение коэффициента мощности и постоянство его во всем диапазоне регулирования.
На фиг, I изображена схема, вентильного авигателя} на фиг. 2 - временные Ш1аг|эаммы намагничивающих сил. трех фаз и их cyMivia при частоте вращения цвига- теля вдвое меньшей частоты питания( на . 3 -пространственные циаграммы вращающегося магнитного поля двигателя при той ке частоте вращения; иа фиг. 4 временные циограмм намагничивающих сил прп полуторакрат ой частоте в ращения на фиг, G «-пространственные, анаграммы магнитного поля двига.теля при полуторакратной частоте вращения; на фиг. 6 - временные пнаграммы намагничивающих сил при половинной частоте вращения для .цвигателя с полностью управляемыми вен тнлямн; на фиг. 7 пространственные. ди. аграммы л агнитиого поля при половинной частоте вращения цля двигателя с поп- костью управляемыми вентилями.
К выхош1ым клеммам А, В, С, О через встреч}1о параллельные неполностью управЛяем.ыё вентили-тиристоры пронумерованные для фазы А цифрами 1-12, подключена трехфазная статорная обмотка Каждая фаза обмотки выполнена из двух одинако вых частей ( 13 и 14) для фазы Л, противоположную полярность относительно ротора, т, е. обратную маркировку начала и конца. Полярность частей каж дои фазной обмотки показана на фиг, 1 .точками. Части всех фазных обмотбк одной полярности, например с точкой вверху, уложены на одном пакете активной стали статора, а части обмоток с другой полярностью -на втором таком же пакете.
Каждая часть статорной обмотки, Hanpмер часть 13, выполненная из последовательно соединенных секций. Секции выполнены с различными числами витков и уло
жены на статоре как и в обычных асинхронных машинах,т.е. в вице распределенных по пазам , так ч.то каждая секция представляет собой простук двухполюсную обмотку с трапецеидальным раопрецелен.ием чисел витков вдоль расточки статора. Поэтому часть 13 фазы А можно рассматривать как исследовательное соединение простых двухполюсных обмоток отличающи:хся только числами витков.
Выводы секций (отводы фазной обмо-рки) подключены к встречно-параллельным вентилям, т. е. к вентилям подключены различные числа витков фазной обмотки. На фнг. 1 к вентияям I, 2 подключено втрое меньшее число витков, а к вентиЛ2Ш 3 , J 4 вцвае меньшее число витков, чем к вентилям 5,, 6 {число виткрв отсдатывается от нулевой точки).
Рассмотрим работу двигателя, когда к клем.мам АрВ,С,О подключено трехфазное симметричное синусоидальное напряжение угловой частоты (м , s двигатель нагружен йоминальным моментом. Работа ав 1гателя поясняется на фиг. 2, где изображены друг под другом фазные намагни швазощие. силы (и. с.) фаз А, В, С, и их сумма для той воздушного зазора . машины, где числа витков фаз А, В, С соотносятся как l:(-t/2 ) : (-(/2). Части 13 и 14 обмотки фазы .А создают н. с. противоположного знака относительно ротора. Для нерегулируемрго двигателя, кргда включены только вентили .5, 6, 7, 8, а остальные вентили заперты, эти н.с, фазы А из.ображены .пззумя штрих-пунктирьными синусоидальными линиями противоположной .полярностй. Аналогичным образом, н. с. создаваемые в нерегулируемом двигателе двумя частями обмотки фазы В изобралсены синусоидальными линиями тире щве точки, а фазы С - пунктирными лкнияк и. Такими же лийиями в отдельньк местах намечены удвоеннью значения н.с, Фазные н.с. при регулировании двигателя и их сумма (нижняя диаграмма) изображены сплошными л шиями.
Ниже расс;мотрено получение частоты вращения, дв1ггателя вдвое частЪ- ты питания Постоянная времени-г перехоного процесса обмотки свяиана с коэффи циентом молдности соотношением;
22t cosM
tgifeujt
Т /
где Т - период частоты питания. Нижеследующее рассмотрение работы цвигателя и тюстроенке диаграмм проведено для при- 57486 ; мера t;/T 0,1, чему соответствуетco f 1 О,846 or«it (учет. HaMeHeHHflcosiif в процессе переключений не вносит принципиальных отличий). Рассмотрение начинается цля фазы А с момента cot 1)1/2 , когца ток фазы А проходит через нуль. В полупериод 7t/2 itjut 4 37С/2 могут прсжодить нечетные вентили. В интервалеТС/З tjUt 57с/&вклк чен только вентиль 7, и условно положительная н, с., созданная обмоткой 14, изменяется синусоидальйо, В момент uji 51t feyпpaвлflfюшнм сигналом отпирйется вентиль 3, подключая половину чиола витков обмотки 13. Н. с. противопорожного направления, созданная обмоткой 13, начинает экспоненциально увеличивать ся; с указанной постоййной времени, cfpeмясь к удвоенному значению. Результирующая (суммарная) н. с. обеих обмоток 13 и 14 (сплошная линия) начийает ; уменьшаться и дарёходйт в область отрицательных значений. В MoMeHTUJt TC отпирается вентиль 1, подключая к исгочрнику питйния однзг треть витйоб обмотки 13 и шунтируя остальную %е часть. Н. с. обмотки 13 eiiie более увеличивается, стремясь к утроенному значению, и резуль тирукзщаян. с., условно отряда тельная, также увеличивается до мамёвтасо1 . В этот момент включается вентиль 9, пропуская ток в половину числа витков ; обмотки 14 и шунтируя остальные витки., Результирующая н, с. начинает уменьшать ся, н до конца полу периода другие вентили не включаются. . с момента cut ЗЛ/2могут проводить толькочетныевентили. В интервале ЗЛ/24 10Л:/б включен вентиль 8, поо4 cut .ле чего отпирается вентиль 10, подклк чая к питающему напряжению попевиру витков обмотки 14. В следую дйй ЙмШт (jji 117С/б отпирается вентиль б, И результирующая н. с. начинает уК еньшатьса До конца полупериода другие вентштй не включаются. В следующие два полупериода частоты питания значения н. с. повторяются с обратным знаком, т. е. порядок подключеНИИ повторяется, с той разницей что бм&ото четного вентиля в каждой паре вкпю чается нечетный и наоборот. Для фазы В (следующая диаграмма) попорядок переключений следующий. До все вентили заперты, после, чего включается половинное число витков Ofhной полярности. В момент 23ty вклю57 чается одна треть виткой той же полярности, и н. с. возрастает. В момент cot Ш включается еще полное число витRoS, Е|Торой полярности, и до конца по. лупериода переключений не происходит, С начала следующего полупериода ujt 77С/6 включается половинное число витков второй полярности, и н. с. сразу устанавливается двойная. С моментаси1 37t/2nonШгоадется еще ;г1олйЪёчйгс Пб ёитков пёрнвой полярности, а с моментаa)t WK/Gодна треть витков первой полярности. К моментуU)t llV сумма н. с. обеих полярностей достигает нуля, после чего включается одна треть витков второй поiisapKOCTVL, и результирующая н. с. остаётся равной нулю (сумма двух равных и противоположньш ) до конца полупериода. Аналоги 1ным образом происходят пер&ключения различных чисел витков противоположной полярности фазы С, так что результирующая н, fc. получает, вид, изображенной спйоц/нбй линиейна третьей диаграмме. . Суммарная н. с. трех фаз, изображенная на четвертой диаграмме, имеет частоту, вдвое меньшую частоты питания, пб форме кривой приближается к синуНа фиг;. 3 показано получение вращающегося магнитного поля половинной частоты в проотранеТве. Н. с., создаваемые фазными токами, имеют в функции от пространственной координаты X. трапецеидал У форму, как в обычных асинхронных двигателях, и изображены на фиг. 3 соотвётствующими ЛЙНИ51МИ: штрих-пункти{эный для фазы А, линией тире-две точки Для фазы В и пунктирной для фазы С. Мак- симальные значения этих трапецендальньк н. с. равны их знйченияй на фиг. 2 для фазы А и вдвое больше для фаз В и С. Результирующие н. с. фаз изображены на фиг. 3 сплошными линиями. Как видно из фиг. 3, частота вращения результирующей н. с. и - при равномерном воздушном зазоре - магнитного поля мащины действительно вдвое меньше узловой частоты питания. Аналогичным образом можно показать получение и других скоростей вращения. На фиг. 4 показаны временные диаграммы для той же точки воздушного зазора, что и фиг. 2, а на фиг. 5 - пространственные диаграммы, иллюстрирующие получекие частоты вращения магнитного поля машины, в полтора paala превышающей чаоготу питания. Диаграммы фиг. 4 и 5 п« строены аналогично соответствующим диаграммам фиг. 2 и 3 при той же riocTOiffi- ной времени обмотки и при переключениях через такой же интервал wi JC/6. Двигатель может быть выполнед с использованием запираемых вентилей ; (например, запираемых тиристорбв, тран- (Зисторов, у которых напряжение база коллектор изменяется синфаэно с напряже нием эммитер-коллектор, и др.). При это статор выполняется однопакетиым,. а обмотка выполняется вьпиеописанным образом, т, е. из двух одинаковых частей противоположной полярности. величин н. с. осуществляется переключением витков обмоток противоположной поля ности путем, одновременного отпирания од них вентилей и запирания других. При использовании запираемых вентилей Ipeбу;ется меньшее их число и меньше отводов фазных обмоток. На фиг. б пЬказа- нь1 временные диаграммы, а на фиг. 7 пространственные диаграммы, иллюстри- руйщйе получение половинной частоты вращения магнитного поля для двигателя с запираемыми вентилями , Двигатель имеет такую же постоянную времени, как и двигатель фиг. 1, но один бтвбдШ по ловину числа витков каждой полярности. Число требуемых вентилей для такого двигателя равно 24, т. е. в 1,,5 риза меньше, Ч(эы Для двигателя фиг. 1. Из со поставления диаграмм фиг. б, 7 с соответствующими диаграммами фиг. 2, еи О, что отличие формы кривой н. с. нев&ико. Формула изобретения Вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря,, каждая фаза которой состоит из двух одинаковых, но встречно соединенных частей, причем каждая из частей соединена с зажимом ИДЯ подкЛ1рченйя к источнику переменного тока через встречно-параллельно соединенные управляемые вентили, о i л и ч а ю щ и И G я тем, что, с целью повышения Энергетических показателей и. расширения диапазона частот вращения, двигатель снабжен дополнительно управляемыми вентилями, а каждая из частей о&мотки якоря снабжена отводами, подключенHbiMH через дополнительные встречно-параллельно соединенные вентили к тому же зажиму, к которому подключена данная часть. - . Источники инффмации, принятые во внимание при экспертизе 1.Глебов И. А., Левин В, Н., Ровинский П. А. и Рябуха В. И. Вентильные преобразователи в цепях электрических машин. Л., Наука, 1971, с. 136-143. 2.Аракелян А. К., Афанасьев А. А. и Чиликин М. Г. Вентильный электропривод с синхронйым двигателем и зависимым инвертором. М., Энергия, 1977, с. 5-23. 3.Патент США № 39913153, кл. Н 02 Р 5/40, 1976.
W
3f &Т
J
s.
fSuzd
X
-4
tut
ж
sy
SL
.
.-Т
Фиг-5
f
и
J
