Электрическая машина постоянного тока с вентильно-механическим коммутатором Советский патент 1981 года по МПК H02K13/04 

(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШША ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВЕНТИЛЬНО-МЕХАНИЧЕСКИМ КОММУТАТОРОМ

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности, к машинам постоянного тока с дополнительными устройствами для улучшения коммутации. Известны электрические машины с вентильно-механическим коммутатором, содержаш;ие механический коллектор с проводяшлми и изолирующими пластинами, контактирующие с ним разнополярные группы, щеток, подключенные к зажимам источника питания через управляемые полупроводниковые вентили, ра считанные на полный ток щеточных бракетов D, 2. В машинах D, 2 коммутация осуществляется без дополнительных полюсов с помощью емкостных накопителей электрической энергии. Недостатком известной конструкции является ее сложность. Известна также электрическая маши на постоянного тока с вентильно-механическим коммутатором, содержащая механический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, контактирующие с ними разнополярные группы контактов, каждая из которых состоит из основного, подключенного к соответствующему зажиму источника питания , и двух вспомогательных контактов, установленных на рабочей поверхности коллектора перед набегающим и за сбегающим краями основного контакта, связанных с тем же зажимом источника через управляемые вентили, коммутирующее устройство, содержащее коммутирующий контур, включенный между вспомогательными контактами и состоящий из конденсатора и включенного с ним последовательно реверсивного узла из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, контур подзаряда конденсатора и устройство управления 3. В данном устройстве управляемые полупроводниковБ1е вентили загружены неполным током щеточного бракета и потому установленная мощность этих элементов значительно меньше, чем в устройствах выше описанных. . Это устройство является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату} недостатком его является значительна масса и габариты. Последнее объясняется тем, что при искусственной коммутации тока в тиристорах установленная мощность коммутирующего конденсаторапропорциональна квадрату коммутирующего то ка. Поэтому с увеличением мощности машины и соответственно тока в парал лельных ветвях обмотки якоря, габари ты указанных конденсаторов сильно возрастают. Целью изобретения является снижение массы и габаритов машины за счет уменьшения установленной мощности конденсатора. Цель достигается тем, что электри ческ;ая машина снабжена линейными дро селями, число которых равно числу параллельных ключевых контуров, каждый из которых образован двумя включенными последовательно-встречно управляемыми вентилями, однополярные электроды которых объединены в одну точку, подключены к зажиму источника питания через линейный дроссель и, одновременно, связаны с одной из щеток основного контакта, число которых равно числу ключевых контуров.Пр такой схеме общий ток одной контактной группы (одного щеточного бракета равномерно распределяется между параллельными ключевыми контурами. Ком мутация производится последовательно с помощью одного конденсатора: в начале в одном контуре, затем - в след ющем и т.д. Снижение величины коммутируемого тока обеспечивает существенное уменьшение габаритов коммутирующего конденсатора. На фиг. 1 приводится принципиальная электрическая схема машины с вен тильно-механическим коммутатором (ВМ на фиг. 2 (a,,6j - временные диаграммы токов и напряжега1Й на ее элементах. Для упрощения изображена только одна контактная группа, а также связанные с ней полупроводниковые элеме ты и коммутирующее устройство, подключенные к положительному зажиму ис точника. Схема содержит два ключевьпс конту ра. Остапьны группы контактов, числ 874 которых равно числу полюсов машины ( 2р), выполнены по аналогичной схеме. На фиг. 2а представлены диаграммы разрядных токов и напряжений коммутирующего конденсатора, на фиг. 26 - диаграммы изменения токов в основных и вспомогательных контактах. Машина (фиг. 1) содержит якорную обмотку 1, подключенную к механическому коллектору 2 с проводящими 3, 4 и изолирующими 5, 6 пластинами, контактирующие с ними группы контактов, каждая из которых состоит из основного 7 и двух вспомогательных 8, 9, связанных с соответствующим зажимом источника питания через управляемые вентили тиристоры 10-13 и линейные дроссели с обмотками 14, 15, необходимая последовательность выключения и включения вентилей обеспечивается коммутирующим устройством 16 и устройством управления 17. В коммутирующее устройство входит конденсатор ч 8, реверсивный узел из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров 19, 20 и контур для подзаряда конденсатора в переходных режимах, состоящий из тиристора 21, дросселя 22 и вспомогательного источника 23. При работе машинь: скользящие контакты перемещаются по ра бочей поверхности коллектора слева направо; До перехода основного контакта 7 с проводящей пластины 3 на изолирующую 6 ток нагрузки (2 ig) протекает от зажима источника Ш1тания через линейные дроссели 14, 15, основной контакт 7, проводящую пластину 3, через обмотку якоря 1 и через соответствующие скользящие конталсты, связанные с зажимом источника противоположной полярности. Все тиристоры заперты, конденсатор 18 заряжен до напряжения UQ , полярность которого обозначена на рис. 2а без скобок. В момент времени t основной контакт 7 полностью переходит с проводящей пластины 3 на изолирующую 6,при этом ток основного контакта 7 (2 ij) перехватьшается шунтирующим контуром , которьш образован вспомогательным (сбегающим) контактом 8 и проводящими тиристорами 10, 11 (рис. 2 6J. Процесс перехвата тока не сопровождается искрением на сбегающем крае контакта 7, т.е. падение напряжения на нем равно результирующему падению напряжения на открытых тиристорах 10, 11 и контакте 8, при плотности тока 5 на сбегающем крае 7 не превьппающей критическую величину. Схема содержит два ключевых конту ра, выравнивание нагрузки которых производится с помощью линейных дрос селей 14, 15. Процесс коммутации осу ществляется с помощью одного конденсатора последовательно: сначала в од ном ключевом контуре, затем - в другом. Причем в течение всего коммутационного процесса основной контакт находится на изолирующей пластине. В момент времени t (фиг. l) с ус ройства управления 17 поступают сигналы на включение тиристора 20. При этом конденсатор 18 начинает разряжаться через секцию обмотки якоря, связанную с пластинами 3, 4, по контуру: 18-20-9-4 - секция 3-8-18. В м мент времени t л разрядный ток конден сатора достигает значения 0,5 in , а напряжение изменяет полярность и становится равным -идл.При этом отпи рается ключевой тиристор 13 и коммутирующий 19. Конденсатор перезаряжается по контуру: 18-10-13-20-18. В м мент tj прямой ток тиристоров 10 и 2 падает до нуля, и они выключаются. Т ветви 1а подхватывается тиристором 13 и постепенно переходит из кон такта 8 в контакт 9, благодаря перезаряду конденсатора 18 до напряжения исходной полярности и 0 в момент t д. Одновременно за время (t/-ti) токи контактов 8 и 9 изменяются на величину 1, ток в секции равен а тиристор 19 запирается в моt 4.. На этом заканчивается элект ромагнитный коммутационный процесс в ключевом контуре с тиристорами 10, 13. Во втором ключевом контуре /тиристоры 11, 12) процесс коммутации протекает практически так же. Он начинается в момент t. , когда коммутирующий тиристор 20 повторно включается устройством управления и конденсатор 18 разряжается через секцию по контуру: 18-20-9-4 секция -3-8-18. Однако в отличие от первого ключевого контура, параллельно коммутируемой секции здесь подключается дополнительный паразитный .контур из двух последовательно включенных линейньк дросселей 14, 15 через проводящие тиристоры 13 и ГГ. Поскольку индуктивность секции приблизительно на один порядок меньше индуктивности двух дросселей 15 и 14, то контур из указа €ных дросселей не будет оказы- 7 вать большого влияния на разрядный ток конденсатора. Поэтому в момент времени Ь 5 разрядный ток конденсатора достигает значения, приблизительно равного 0,5 ij . Далее процесс коммутации протекает так же, как и в первом ключевом контуре. В момент времени i в коммутируемой секции заканчивается реверсирование тока, ко- торый становится равным i- , ток перезаряда конденсатора равен нулю, ток сбегающего контакта 8 равен нулю , а ток набегающего контакта fg 2i . Ключевые тиристоры 10, 11 - заперты, а 12 и 13 проводят полный Ток . В момент времени i Q основной контакт 7 переходит с изолирующей пластины 6 на проводящую 4 одной второй частью своей контактной поверхности и шунтирует вспомогательный контакт 9 и проводящие тиристоры 12 13. Ток указанных элементов уменьшается до нуля, а основного контакта 7 возрастает до значения 2 i„. На этом заканчивается полный коммутационный цикл, Полное время электромагнитного процесса обозначено на фиг. 2а через tj . В качестве примера рассмотрим рас,чет емкости коммутации конденсатора для вентильного перекл очателя (фиг.О Исходные данные для расчета; 2800 А, Lj 100 10 Гн, общее время коммутации Т ( 2 10 с. Вначале находят собственную частоту колебательного контура , который образуется при разряде конденсатора 18 через секцию за время Т -fcft- ц .Время Т J в свою очередь, определяется так t 0,, гдеТГ)- длительность электромагнитного коммутационного процесса в одном ключевом контуре.При двух ключевых контурах J I и ь.., .ь ayir о,5Ск. 0|5-г-1оЕмкость коммутирующего конденсатораЧ,-1 - 250-10.1:Ф (2) Напряжение на коммутирующем конденсаторе: ,igVuJj.Hxl.9t&3. (3). Предположим,теперь, что в схеме не два, а один ключевой контур. При этом начальное напряжение на конденсаторе должно остаться таким же, как и при двух контурах. Но при одном контуре в момент времени i (рис. 2а разрядный ток конденсатора будет равен I/ , Б соотв€.тствии с уравнением I 3, напряжение UQ также увеличится в два раза. Чтобы это напряжение ост лось таким же, как и при двутс ключевых контурах, необходимо, очевидно, уменьшить вдвое собственную частоту WQ, Но тогда, в соответствии с уравнением (2j, емкость С увеличится в 4 раза. Таким образом увеличение чис ла ключевых контуров способствует ре кому снижению установленной мощности и габаритов коммутирующего конденсатора. Формула изобретения Электрическая машина постоянного тока с вентильно-механическим коммутатором, содержащая механический кол лектор с проводящими и изолирующими пластинами, контактирующие с ними ра нополярные группы контактов, каждая из которых состоит из основного, под ключенного к соответствующему зажиму источника питания, и двух вспомогательных контактов, установленных на рабочей поверхности коллектора перед набегающий и за сбегающим краями основного контакта, связанных с тем же зажимом источника через управляемые вантили, коммутирующее устройство, содержащее коммутирующий контур, вкл Ц. с - ченный между вспомогательными контактами и состоящий из конденсатора и включенного с ним последовательно реверсивного узла из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, контур подзаряда конденсатора и устройство управления, отличающаяся тем, что, с целью снижения массы и габаритов за счет уменьшения установленной мощности конденсатора, она снабжена дополнительно линейными дросселями, число которых равно числу параллельных ключевых контуров, каждый из которых образован двумя соединешшЕ 1и последовательновстречно управляемыми вентилями, одьш однополярные электроды которых, объединенные в одну точку, подключены к зажиму источника питания через один из линейных дросселей и к одной из Щеток основного контакта, а другие одноименные зажимы вентилей, соединенных с разными дросселями, объединеныи соединены с одним из вспомогаteльныk контактов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 441631, кл. Н 02 К 13/14, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 660155, кл. Н 02 К 13/U, 1979. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке К 2.. 706643/24-07, кл. Н 02 К 13/14, 1979.

Ф&1.г