Устройство для управления возбуждением бесщеточной электрической машины Советский патент 1982 года по МПК H02P9/14 H02K19/36 

(Б ) УСТРОЙСТВО для УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ БЕСЩЕТОЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

1 Изобретение относится к электротех нике и может быть использовано в устройствах для управления тока возбужде ния бесщеточных электрических машин, выполненных в виде двухмашинных агрегатов - основной машины и ее возбудителя - обращенной синхронной машины или трехмашинных агрегатов, в которых на общем валу установлен дополнительный синхронный генератор собственных нужд с якорной обмоткой на статоре. Известно устройство для управления возбуждением бесщеточной электрической машины, выполненной в виде агрегата, состоящего из нескольких электрических машин, связанных общим валом содержащего основную электрическую машину с обмоткой возбуждения на роторе , соединенную через вращакнцийся -управляемый выпрямитель с многофазной якорной обмоткой синхронного генератора-возбудителя, расположенной на роторе, и обмоткой возбуждения на стаjope, которая подключена к источнику возбуждения напряжения е виде выпрямителя, входные выводы которого подключены к многофазной якорной обмотке третьей машины-вспомогательного генератора 1 . Недостатками этого устройства являются фазовое управление вращающим.ся выпрямителем, что требует надежно,го слежения за фазой напряжения, наводимого в якорной обмотке возбуждения, необходимость соответствия числа |каналов передами управляющих импуль;сов (вращающихся трансформаторов и :др.) числу управляемых вентилей вращающегося выпрямителя, наличие сложной аппаратуры для непрерывного контроля выходных параметров, что снижает надежность таких схем управления и делает их малоприменимыми в условиях авто номных, особенно, транспортных объектов. Применение таких схем при переменной частоте вращения вала машины и переменной нагрузке на выходе оказывается практически невозможным. Известно также устройство для управления возбуждением бесщеточной электрической машины, выполненной в виде электромеханического агрегата, состоящего из нескольких электрических машин, связанных общим валом, со-; держащее основную электрическую машину с обмоткой возбуждения, расположен ную на роторе и соединенную через вра щающийся управляемый выпрямитель с многофазной якорной обмоткой синхрон, ного возбудителя, на статоре которого размещена обмотка возбуждения, подклю ченная к источникам тока возбуждения и модулирующего сигнала, и при этом вращающийся управляемый выпрямитель .связан с блоком включения вентилей от высокочастотной составляющей модулированного сигнала, состоящего из фильтра выделения высокочастотной составл)яющей, вход которого подключен к выводам каждой фазы якорной обмотки возбудителя, и через выпрямитель фильтра и последовательно подключенный к нему конденсатор соединен с входом управляемого ключа, включенного между общей точкой анодов управляемых вентилей управляемого выпрямителя и общей точкой анодов диодов, катоды кото(эых подключены к управляющему входу управляемого выпрямителя 2. Недостатком этого устройстваявляется мостовая схема вращающегося выпрямителя, при которой, по крайней ме ре, одна из групп вентилей должна быт изолирована от ротора и вала электрической машины, что приводит к усложне нию конструкции вращающегося вь|Прямигеля, а в условиях повышенной вибрации, ударов и высокой запыленности и загрязненности - к снижению надежности всей машины. Другим недостатком такой конструкции является сложность выполнения сис темы размагничивания основной машины для снижения .остаточного напряжения до допустимо малых значений каждый раз, когда ток возбуждения основной машины от управляемого выпрямителя снижается до нуля. Цель изобретения - упрощение конст рукции и повышение надежности. Поставленная цель достигается тем, что вращающийся управляемый выпрямитель выполнен по многофазной однополупериодной схеме, обмотка возбуждения основной электрической машины выполнена из П отдельных параллельных ветвей, одноименные выводы которых соединены между собой, якорная обмотка возбудителя выполнена в виде п многофазных отдельных обмоток с соединением каждой в т-фазную звезду, выпрямитель фильтра выполнен также по многофазной однополупериодной схеме с числом диодов выпрямителя т.П в управляемый выпрямитель дополнительно введены п вентилей и резистор, причем свободные выводы обмоток возбуждения подключены каждый к одному из нулевых выводов звезд якорной обмотки возбудителя и катодам дополнительных вентилей, аноды которых соединены с анодами вентилей управляемого выпрямителя и общей точкой соединения обмоток возбуждения основной электрической машины, к Которой также подключены один из выводов дополнительного резистора и один из выводов блока включения вентилей от высокочастотной составляющей модулированного сигнала, при этом второй вывод дополнительного резистора соединен с общей точкой соединения диодов выпрямителя фильтра. Причем общая точка соединения анодо.в управляемых вентилей управляемого выпрямителя основной электрической машины электрически соединена с валом электрической машины. Кроме того, дополнительные вентили выполнены управляемыми и дополнительно введены п диодов, управляемый ключ, два токоограничивающих резистора, стабилитрон и конденсатор, при этом катоды п диодов объединены и через первый токоограничивающий резистор соединены с параллельно соединенными между собой стабилитроном и конденсатором, причем анод стабилитрона соединен с общей точкой соединения обмоток возбуждени)ч основной электрической машины, к каждой из других выводов которой подключен анод одного из п дополнительных диодов, вход управляемого ключа через второй токоограничивающий резистор подключен параллельно стабилитрону, а выход управляемого ключа соединен с объединенными между собой управляющими электродами дополнительных вентилей, и тем, что дополнительные вентили выполнены на диодах. На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для управления возбуждением бесщеточной электрической машиной с управляемыми вентилями в качестве дополнительных; на фиг. 2 принципиальная схема устройства для управления возбуждением бесщеточной

электримескои машины с использованием неуправляемых вентилей.

Устройство управления возбуждением бесщеточной электрической машины 1 с якорной обмоткой 2 на статоре и с обмоткой 3 возбуждения на роторе 4 содержит вращающийся управляемый выпрямитель 5, который расположен на общем валу машины, на котором закреплен так же ротор 6 генератора-возбудителя 7 с обмоткой 8 возбуждения, расположенной на статоре. На том же валу закреп лен датчик 9 положения ротора, выход которого подключен ко входу синхронизации источника 10 модулирующего напряжения, вь1ход которого соединен с выходом источника 11 тока возбуждения,. и оба они подключень. к обмотке 8 возбуждения генератора-возбудителя J. Расположенная на роторе 6 многофазная якорная обмотка выполнена в виде двух раздельных трехфазных звезд (, п 2), поэтому обмотка 3 возбуждения основной бесщеточной электрической маши ны 1 выполнена в виде двух параллельных цепей 12 и 13, одни одноименные выводы которых соединены вместе и подключены к ротору и валу машины. Основ ные управляемые вентили И управляемого выпрямителя 5 в количестве подключены своими катодами к фазным выводам звезд полуобмоток параллельных цепей 12 и 13, а к нулевым выводам этих полуобмоток подключены като-|Ды дополнительных вентилей 15 и другие выводы параллельных цепей 12 и 13 обмотки 2 возбуждения основной бесщеточной электрической машины 1. Аноды вентилей k и 15 соединены вместе и подключены к ротору и валу машины. Включение основных управляемых вентилей вращающегося выпpямиteля 5 осуществляется с помощью блока включения управляемых вентилей, содержащего фильтр 16 для выделения высокочастотной составляющей, преобразователь 17 высокочастотной составляющей управляемый ключ 18, к входу управления которого подключен через токоограничивающий резистор 19 и стабилитрон 20; выход преобразователя 17, в качестве которого используется однофазный выпрямитель с согласующим трансформатором или без него. К каждому управляющему электроду вентиля I подключен катод одного из диодов 21, а аноды диодов 21 соединены вместе и через ключ 18 подключены к общей точке анодов вентилей I, а именно к

97«5 5,4

ротору и валу машины; фильтр 1б для выделения высокочастотной составляющей содержит группу диодов 22, соединенных между собой катодами и через резистор 23, подключенных к общей точке анодов вентилей И и 15, а через онденсатор 2 - к одному из выводов входа преобразователя 17, второй вывод которого подключен к общей точке резистора 23 и анодов вентилей k и ,15. В случае, когда дополнительные вентили 15 выполнены управляемыми, то для их включения используется дополнительный блок включения 25 (фиг. 2), который содержит диоды 2б, общая точка катодов которых через резистор 27 подключена включенным параллельно конденсатору 28 и стабилитрону 29, анод которого подключен к общей точке анодов вентилей 1 и 15 или ротору и валу машины. К общей точке анода стабилитрона 29, резистора 27 и конденсатора 28 подключен через резистор 30 вход управления 31 управляемого ключа 32. Через диоды 33, аноды которых подключены к управляющим электродам дополнительных вентилей 15, и управляемый ключ 32 они подключаются к общей точке анодов вентилей 1A, 15. Устройство для управления возбуждением бесщеточной электрической машины работает следующим образом. При модуляции тока возбуждения, при значениях уставки выше величины контролируемого параметра, ЭДС, наводимая на фазах якорной обмотки-, искажается высшими гармоническими, фазные напряжения с якорной обмотки 3 генераторавозбудителя подаются на фильтр 1б, в результате чего на вход преобразователя 17 поступает гармоническая напряжения пульсаций, которая возникает при модуляции постоянного тока модупирующим напряжением. Это происходит за счет того, что с помощью диодов 22 фильтра 16 выпрямленное напряжение оказывается приложенным к резистору 23 и полуобмоткам параллельных цепей 12 и 13. Из напряжения на резисторе 23 с помощью конденсатора 2 снимается переменная составляющая напряжения. Преобразователь 17 является однофазным выпрямителем с входным согласую- . щим трансформатором или без него. Выпрямленное напряжение с его выхода через последовательно включенный стабилитрон 20 и, если нужно, токоограничивающий резистор подается на выводы входа управления ключом 18, что приводит к его включению и, следовательно, соединению катодов управляемых диодов 21 с анодами управляемых вентилей 1А. В результате те из вентилей, катод которых находится под наибольшим отрицательным напряжением включаются, и по обмоткам параллельных цепей 12, 13 начинает протекать ток возбуждения. Пока на ток возбуждения накладывается напряжение модуляции (пока значение уставки выше контролируемого параметра), на вход преобразователя 17 поступает напряжение высшей гармонической от модуляции 15 и на выходе преобразователя 17 присутствует постоянное напряжение, котороеудерживает ключ 18 во включенном состоянии. Поэтому при снижении мгновенного напряжения на включенном вентиле 20

автоматически включается очередной управляемый вентиль из группы вентилей 1, и ток ncJ обмоткам .параллельных цепей 12 и 13 нарастает.

Рост тока возбуждения приводит к 25 росту значения контролируемого параметра на выходе основной машины 1. При превышении его.значения величины уставки модуляция тока возбуждения в обмотке 8 прекращается, и на вход пре-зо образователя 17 поступает лишь переменная составляющая выпрямленного напряжения, которая значительно меньше напряжения пульсации при наличии модуляции тока в обмотке 8. Поэтому вь1ходное напряжение преобразователя 17 становится меньше напряжения стабилизации стабилитрона 20, на вход ключа 18 напряжение не поступает, и он размыкается, вентили 1 перестают включаться. Это приводит к тому, что при изменении полярности напряжения на фазах последних включенных вентилей они запираются, а вместо них включаются вентили 15, а все вентили И запираются. Если вентили 1.5 - неуправляемые ди оды, их включение происходит автоматически реактивным током. Протекающим ,за счет индуктивностей полуобмоток па 12 и 13, и они закораллельных цепей рачиваются. Если вентили 15 - управляемые, то они включаются, так как ключ 31 находится во включенном состоянии за счет напряжения, запасенного конденсатором 28 еще некоторое время после запирания Вентилей 4.

Снижение тока в обмотке возбуждения приводит к снижению контролируемого параметра на выходе машины 1, и при его значении ниже величины уставки вновь включается модулятор напряжения, что приводит, в конечном -итоге, к включению вентилей ,

Если сигнал уставки снижен до нуля, то после снижения тока в полуобмотках параллельных цепей 12 и 13 ниже величины тока удержания вентилей 15 .во включенном состоянии, они запираются, а ток, текущий через диоды 22 фильтра 16 через резистор 23, начинает прого тока можно в некоторых пределах регулировать, изменяя величину хорошо сглаженного постоянного тока в обмотке 8 возбуждения генератора-возбудителя 7- При этом вентили It и 15 включаться не будут, а по полуобмоткам паралельных цепей 12 и 13 протекает ток, ограниченный сопротивлением резистора 23 во встречном для намагничивающего тока направлении от выпрямителя 5.

Таким образом, использование данного, изобретения, кроме эффекта упрощения конструкции и повышения надежтекать по полуобмоткам параллельных цепей 12 и 13 во встречном направлении и размагничивает систему возбуж дения основной машины 1, снижая остаточное напряжение на фазах якорной обмотки 2. Величину размагничивающености из-за выполнения выпрямителя на одной из неизолированной от вала машины шайбе, одновременно позволяет получить дополнительный эффект, заключающийся в повышении эффективности использования электрооборудования при использовании электрического торможения на автономном транспортном объекте. Размагничивание главного тягового генератора, которое в обычных условиях осуществляется с применением специального дополнительного силового оборудования, при использовании изобретения осуществляется без дополнительных затрат. Формула изобретения 1. Устройство для управления возбуждением бесщеточной электрической машины, выполненной в виде электромеханического агрегата, состоящего из нескольких электрических машин, связанных общим валом, содержащее основную электрическую машину с обмоткой возбуждения, расположенной на роторе и соединенной через вращающийся упра вляемый выпрямитель с многофазной якорной обмоткой синхронного возбуди теля, на статоре которого размещена обмотка возбуждения, подключенная к источникам тока возбуждения и модули рующего сигнала, при этом вращающийс управляемый выпрямитель связан с бло ком включения вентилей от высокочастотной составляющей модулированного сигнала, состоящего из фильтра выделения высокочастотной составляющей, вход которого подключен к выводам каждой фазы якорной обмотки возбудителя и через выпрямитель фильтра и последовательно подключенный к нему конденсатор соединен с входом управляемого ключа, включенного между общей точкой анодов управляемых вентилей управляемого выпрямителя и общей точкой анодов диодов, катоды которых подключены к управляющему входу управляемого выпрямителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения надежности, вращающийся управляемый выпрямитель выполнен по многофазной однополу периодной схеме, обмотка возбуждения основной электрической машины выполнена из п отдельных параллельных ветвей, одноименные выводы которых соединены между собой, якорная обмотка . возбудителя выполнена в виде многофазных отдельных обмоток с соединением каждой вm-фазную звезду, выпрямитель фильтра выполнен также по многофазной однополупериодной схеме с числом диодов выпрямителя , в управляемый выпроямитель дополнительно вве дены f вентилей и резистор, причем свободные выводы обмоток возбуждения подключены каждый.к одному из нулевых выводов звезд якорной обмотки возбудителя и катодом дополнительных вентилей, аноды которых соединены с анодами вентилей управляемого выпрями теля и общей точкой соединения обмоток возбуждения основной электрической машины, к которой также подключены один из выводов дополнительного резистора и один из выводов блока включения вентилей от высокочастотной составляющей модулированного сигнала, при этом второй вывод дополнительного резистора соединен с общей точкой соединения диодов выпрямителя фильтра. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что общая точка соединения анодов управляемых вентипей управляемого выпрямителя основной лектрической машины электрически со5динена-с валом электрической машины. 3.Устройство по пп. 1 и 2, о т личающееся тем, что дополнительные вентили выполнены управляемыми и в устройство дополнительно введены п диодов, управляемый ключ, два токоограничивающих резистора, стабилитрон и конденсатор, при этом катоды п диодов объединены и через первый токоограничивающий резистор соединены с параллельно соединенными между собой стабилитроном и конденсатором, причем анод стабилитрона соединен с общей точкой соединения обмоток возбуждения основной электрической машины, к каждому из других выводов которой подключен анод одного из п дополнительных диодов, вход управляемого ключа через второй токоограничивающий резистор подключен параллельно стабилитрону, а выход управляемого ключа соединен с объединенными между собой управляющими электродами дополнительных вентилей. k. Устройство по пп. 1 и 2, о т личающееся тем, что дополнительные вентили выполненына диодах. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Исследование, разработка и промышленное производство бесщеточных синхронных двигателей генераторов в СССР и за рубежом. Обзорная информация ТС-1. Электрические машины, М., Информэлектро., Э75, с. 22-23, РИС. 6. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке f 2725159/2 -07, кл. Н 02 Р g/l, 1979.