Вентильная электрическая машина Советский патент 1982 года по МПК H02K29/00 

(54) ВЕНТИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к машинс1мпостоянного тока с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов.

Известны вентильные машины с питанием, например, от сети постоянного тока, содержащие расположенную на роторе обмотку возбуждения и неподвижную многосекционную обмотку якоря. Между каждой парой смежных секций имеется точка отвода, к которой подключаются полупроводниковые переключающие устройства, связывающие точку отвода с разнополярными зажимами источника ij.

В известном устройстве переключающие устройства рассматриваются как идеальные ключи, обеспечивающие подключение и отключение обмотки якоря к источнику питания в необходимые моменты времени без каких-либо.дополнительных коммутирующих элементов. Однако в бесконтактных машинах,особенно при мощностях более 10 кВт, в качестве переключсиовдих устройств применяют тиристоры, которые обеспечивают работоспособность машины лишь iB совокупности с дополнительными коммутирукяцими элементами. Последние,

в свою очередь, определяют сложность всей системы.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является бесколлекторная машина постояннохю тока, содержащая расположенную на роторе обмотку возбуждения, неподвижную многосекционную 5бмотку якоря, с К а. выводами которой связаны 2К клю10чевых элемента, содержащих по несколько последовательно включенных тиристоров, образующих анодную и катодную группы,каждая из которых состоит из двух подгрупп содержащих ключе15вых элементов, связанных с четными или нечетными выводами обмотки якоря, и подключается объединенными в две точки однополярными электродами этих элементов к соответствующим зажимам

20 источника питания через управляемые вентили анодного и катодного коммутирующих блоков , образующих совместно с ключевыми элементами вентильный переключатель .

25

В данном устройстве каждый ключевой элемент должен быть рассчитан на полное напряжение источника питания Уц . Если рекомендуемое рабочее напряжение применяемых тиристоров Up 30 меньше UH t то возникает необходимость в последовательном соединении нескольких полупроводниковых приборов-тиристоров, минимальное число которых будет И UH/Up.EcnH , то количество тиристоров в вентильномпереключателе бесконтактной машины существенно возрастает, а схема услож няется. Кроме joro, недостатками являются большие масса и габариты, а также сложность схемы вентильного переключателя из-за необходимости использования в каждом ключевом элементе и последовательно соединенных тиристоров, если . Цель изобретения - снижение массы и габаритов машины, а также упрощение вентильного переключателя маши ны. Поставленная цель достигается, тем что в устройстве каждые п ключевых элементов любой подгруппы объединяются в ключевые узлы, в которых первый ключевой элемент содержит и последовательно включенных тиристоров второй элемент - п- 1 тиристорой подключен к управляе1 лм вентилям анод ного или катодного блока через один тиристор первого ключевого элемента третий элемен/т VI- 2 тиристоров подключен к вентилям тех же блоков через два последовательно включенных тиристора, из которых один-является общим для первого и второго, а другой - для второго и третьего ключевых элементов и т.п. п-й ключевой элемент узла содержит один тиристор и подключё н к коммутирующему блоку через И - 1 пос ледовательно включенных тиристоров, На чертеже приведена принципиальна электрическая схема вентильной машины постоянного тока. Обмотка возбуждения на чертеже не показана. Обмотка якоря содержит двенадцать секций. Для упрощения чертежа некоторые ключевые элементы представлены пyнктиpны и линиями с соответствующей маркировкой. Машина содержит неподвижную многосекционную обмотку 1, с выводс1ми кото рой связаны ключевые элементы { тиристоры 2-13 анодной и 14-25 катодн групп. Каждая группа состоит из двух пЬдгрупп, связанных с четными или нечетными выводами, и подключается объ дийенными в две точки однополярными электродами 26-29 ключевых элементов к соответствуюпщм зажимам источника питания через управляемые вентили (.тиристоры) 30-33 анодного 34 и катодного 35 коммутирующих блоков, образующих совместно с ключевыми эле-.. ментами вентильный переключатель машины. Необходимая последовательность включения тиристоров обеспечивается схемой 36 управления. Каждый коммутирующий блок содержит коммутирующие элементы из двух конденсаторов 37 и 38 и четырех тиристоров 39-42. Коммутирующие элементы катодного блока на чертеже не показаны. Уменьшение числа тиристоров в вентильном переключателе достигается за счет того, что каждые три ключевых элемента любой подгруппы объединяются в ключевые узлы, в которых первый ключевой элемент ( например 8 содержит три тиристора, второй элемент 10 - два тиристора и подключается к управляемому вентилю 31 анодного блока через один, тиристор 8 первого ключевого элемента. Третий ключевой элемент 12 содержит один тиристор и подключается к вентилю 31, через два последовательно вк;уюченных тиристора 8 и 10, причем тиристор 8 является общим для восьмого и десятого, а тиристор 10 для десятого и двенадцатого ключевых элементов. Таким образом, три ключенлх элемента содержат шесть тиристоров вместо девяти при обычной схеме соединения. При работе машины в установившемся режиме намагничивающая сила обмотки якоря вращается с той же угловой скоростью, что и основное магнитное поле. Ток в обмотке якоря протекает через вывода, связанные с секциями, расположенными в нейтральных зонах между главными полюсами. В этих секциях осуществляется коммутация тока. Допустим, что машина вращается с постоянной скоростью, а ток якоря1д протекает от источника питания через тиристоры 31-2 - обмотку якоря тиристоры 20, 22, 24 и 32. Остальные тиристоры заперты. В некоторый момент времени секция обмотки якоря, связанная с ключевыми элементами 2 и 3, входит в нейтральную зону. При этом со скема управления поступают сигналы на включение тиристоров 42 и 3. Коммутируивдий конденсатор 38, предварительно заряженный до напряжения, полярность которого обозгГачена на рисунке без скобок, начинает разряжаться через секцию обмоткй якоря по контуру конденсатор 38-3 ключевой элемент тиристор 2-42, конденсатор 38. Когда разрядный ток конденсатора достигает значения а напряжение на нем изменяет полярность, ток в коммутируемой секции равен нулю. В тот же-момент времени отпираются тиристоры 41 и 30. Конденсатор перезаряжается по контуру: конденсатор 38, тиристоры 42, 31 и 30, конденсатор 38. После того, как прямой ток тиристора 42 становится равным нулю,- перезаряд конденсатора продолжается через открытый тиристор 41, конденсатор 38, тиристоры 31 и 30, конденсатор 38. В момвнт времени, когда ток конденсатора становится равным значению прямого тока через тиристор 31, последний отключается, а перезаряд 38 продолжается от источника питания через открытые тиристоры 30, 41 и 2. Когда конденсатор перезарядится до напряжения исходной полярности, его ток, а также прямой ток ключевого элемента 2, становятся равными нулю. В коммутируемой се«ци« ток 10 изменяет направление, а ток якоря продолжает протекать по тиристорам 30 и 3, обмотке якоря, тиристорам 20, 22, 24 и 32. На этом заканчивается коммутационный цикл в секции, связанной с ключевыми тиристорами 2 и 3.. Аналогично протекают коммутационные процессы в секциях, связанных через ключевые тиристоры с катодным коммутирукяцим блоком. Коммутационный процесс в секции, связанной с ключевыми элементами 3 И 4, начинается после вхождения ее в нейтральную зону машины. Этот процесс, аналогично рассмотренному выше, завершает отключение тиристоров, 30 и 3, полный ток KOTOF jx берут на себя тиристоры 31, 2 и 4, При последукадих коммутациях включаются тиристоры 30, 3 и 5, затем 31, 2, 4, 6 , 30, 3, 5 и 7 и т.д. При разработке принципиальной схе мы вентильного переключателя необходимо прежде всего учитывать потенциальный режим обмотки якоря. Последний можно характеризовать средним напряжением Ug , приходящимся ва одну секцию Ц, 2и„/Ка Одновременно должно выполняться и другое условие Up 7 2Uo(2) Условие (2) объясняется структуро и режимом работы схемы, из которого следует, что максимальное напряжение прикладываемое к одному тиристору, м жет быть не более удвоенного значения среднего напряжения одной секции Из (1) и (2) можно определить миии 4aльиo необходимое число выводов обмоткиК,Мин1ир (3) эффективность схемы может быть оц нена коэффициентом уменьшения числа тиристоров в ключевых элементах вентильного переключателя, который зависит от необходимого числа и посл довательно включенньЬс тиристоров в ключевых элементах и определяется по формуле „ 1-(м+ 1)/2.. (4) С увеличением числа эффективность возрастает 1и 0,33 0,375. 0,4 0,4166 п 3 4 5 6 Рассмотрим в качестве примера использования зависимостей (4) расчет ключевых элементов машины, представленной на чертеже. Исходные данные: ;UH ЗОООВ,. Up 1000В; и З.Ка. определяется по формуле (3) . Общее число тиристоров в ключевых элементах бесколлекторной машины 72 шт. Число тиристоров в ключевых элементах предлагаемой схемы будет 2K2.h(l-n) 48 шт, т.е. на 33% меньше. Однако при уменьшении числа тиристоров в ключевых элементах нагрузка некоторой части тиристоров увеличивается. Например, если ключевой элемент 6 находится в проводящем состоянии 1/12 часть от времени пово рота ротора на 360 эл.град,то тиристоры 2, 3, 8 и 9 и т.п.) имеют общее время открытого состояния в три раза больше, а тиристоры 4 и 5 и т.п. в два раза больше. Проведенные расчеты показывают, что при работе с постоянными скоростью и нагрузкой машины перегрев тиристоров 4 и 5 и т.п. будет на 2 С больше, а 2 и 3 и т.п. на .больше, чем у тиристоров с временем открытого состояния равным 1/12 от 360 эл.град. Указанное обстоятельство необходимо также принимать во внимание при разработке схемы вентильного переключателя. Например, при расчете температурного режима элементов необходимо так подбирать их параметры, чтобы наибольший перегрев имели бы тиристоры 4 и 5 и т.п. Тогда основная масса тиристоров с временем открытого состояния, равным 1/12 от 360 эл. град, будет работать с меньшим перегревом. А в качестве тиристоров 2 и 3 и т.п. общее число которых невелико, можно применять либо тиристоры болыдей мощности,либо по два параллельно включенных тиристора той же мощности, что и все остальные/ В последнем случае эти тиристоры будут несколько недоиспользованы по мощности, а эффектив;Ность предпагаемой схемы соответственно уменьшится. Формула изобретения Вентильная электрическая машина, содержащая расположенную на роторе обмотку возбуждения, неподвижную многосекционную обмотку якоря, с Kg. выводами которой связаны 2К ключевых элементов, содержащих по несколько последовательно включенных тиристоров образующих анодную и катодную группы, каждая из которых, в свою очередь, состоит из двух подгрупп, содержащих К/2 ключевых элементов, связанных каждая либо с четными, |ЛИбо с нечетными выводами обмотки 1якоря, и подключена однополярными

электродами элементов группы к соответствующим зажимам источника питания череэ управляемые вентили анодного и катодного коммутирушцих блоков, образующих совместно с ключевыми элементами вентильный переключатель, и схему управления, отличающаяся тем, что, с целью упрощения схемы вентильного переключателя/ каждые п ключевых элементов любой подгруппы объедйнвны в 1слючев1ые узлы, в которых первый, ключевой элемент содержит П последовательно включенных тиристоров, второй элемент ц- 1 тиристоров подключен к управляемым вентилям анодного или катодного блока через один тиристор первого ключевого элемента, третий элемент v- 2

тиристоров подключен к вентилям тех же блоков череэ два последовательно включе.нных тиристора, из -которых один является общим для первого и второго, а другой - для второго и третьего ключевых элементов и т.д., VI -и ключевой элемент уэла содержит один тиристор и подключен к коммутирующему блоку череэ и - 1 последовательно включенных тиристоров.

, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

)Ц

-

N