Электрическая машина постоянного тока с вентильно- механическим коммутатором

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТСьЯННОГО ТОКА С ВЕНТИЛЬНО - МЕХАНИЧЕСКИМ КОММУТАТОРОМ, содержащая механический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, контактирующие с ними разнополярные группы щеток , каждая из которых состоит из основной, подключенной к одному из зажимов источника питания, и двух, расположенных по разные стороны от нее, дополнительных щеток, связанных с тем же зажимом источника питания через управляемые вентили и с коммутирующим контуром, состоящим из конденсатора и включенного с ним последовательно реверсивного узла из двух .встречно-параллельно соединенных ти-. |ристоров, схему управления с датчиком) положения ротора и блоком в ыходных усилителей, отличающая ся тем, что, с целью расширения области применения путем уменьшения устранения влияния коммутационной реакции якоря при работе машины в большом диапазоне изменения частот вращения, датчик положения выполнен с двумя чувствительными элементами, установленными симметрично относительно геометрической нейтрали машины, машина снабжена элементом регулируемой за держки времени и узлом контроля скорости , вход которого связан с чувствительными элементами, который состоит из включенных последовательно ло-2 гического элемента ИЛИ, преобразователя частота-напряжение, порогового (Л устройства иD-триггера, выходы которого связаны с входами двух логических элементов И вторые вхсды которых подключены к выходам двух чув-,-. ствительных элементов датчика, выходе первого логического элемента И связан с входом блока выходных усилителей непосредственно, а выход второго логического элемента И подключен к входу того же блока через элемент а регулируемой задержки времени, свясо занный в свою очередь с выходом преобразователя частота-напряжение узла контроля скорости.

1 s А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(Я) Н 03 К 13/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3518341/24-07 (22) 01.12.82 (46) 23.01,84. Бюл. Р 3 (72) В.А.Ломакин, Е.M.Ëórêèí и Р.Д.Гусейнов (71) Азербайджанский институт нефти и химии им.М.Азизбекова и Всесоюзный научно-исследовательский йроект» но-конструкторский технологический институт электромашиностроения (53) 621.313.236(088.8) (56) 1. Авторское снидетельство СССР.

У 762096, кл. Н 02 К 13/14, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 811418, кл. Н 02 К 13/14, 1981. (54) (57) ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТО—

ЯННОГО ТОКА С ВЕНТИЛЬНΠ— МЕХАНИЧЕСКИМ КОММУТАТОРОМ, содержащая механический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной, подключенной к одному из зажимов источника питания, и двух, расположенных по разные стороны оТ нее, дополнительных щеток, связанных с тем же зажимом источника питания через управляемые нентили и с коммутирующим контуром, состоящим из конденсатора и включенного с ним последовательно ренерсивного узла из двух .встречно-параллельно соединенных тиЛ0„» 1069074 А

5f; 4, ЯФМ

ТЕНИЯ . »:-::: ц

:ps!,,;.j! .;1 (;.:и&

i ристоров, схему управления с датчиком положения ротора и блоком вйходнйх усилителей, отлич ающа яс я тем, что, с целью расширения области применения путем уменьшения устранения влияния коммутационной реакции якоря при работе машины в большом диапазоне изменения частот вращения, датчик положения выполнен с двумя чувствительными элементами, установленными симметрично относительно геометрической нейтрали машины, машина снабжена элементом регулируемой задержки времени и узлом контроля скорости, вход которого связан с чувствительными элементами, который состоит из включенных последовательно ло- гического элемента ИЛИ, преобразова-теля частота-напряжение, порогового уу устройства и 1) -триггера, выходы которого связаны с входами, двух логических элементов И, вторые входы ко- " торых подключены к выходам двух чувствительных элементов датчика, выход 2 первого логического элемента Й связанí с входом блок а выходных ус илит елей непосредственно, а выход второго логического элемента И подключен к входу того же блока через элемент регулируемой задержки времени, связанный н свою очередь с выходом пре- образонателя частота-напряжение узла аи контроля скорости.

1069074 ля скорости. поДкл»Ое»BH к нхоДУ блс < еi н . "-,oui»ых Ус и лителей. Прямой выход 33 —.триг:. ера и

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к машинам постоянного тока с дополнительными устройствами для улучшения коммутаии.

Известна электрическая машина по- 5 стоянного тока с вентильно-механическим коммутатором (ВМК)7 содержащая коллектор с проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними группы щеток, каждая из кото- 0 рых состоит иэ основной и вспомогательной, подключенной к зажиму источника питания через полупроводниковое переключающее устройство, и схему управления (1), 15

Однако в этой машине основная щет— ка, имеющая ширину больше изолирующей пластины, в момент закорачивания коммутируемой секции может искрить вследствие того, что в секции наводятся

ЭДСе обусловленные влиянием главного поля, пульсацией тока як,оря и другими причинами.

Наиболее близкой к предлагаемой машине по технической сущности и достигаемому результату является элект- 25 рическая машина постоянного тока с

ВМК, содержащая механический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из ко- 30 торых состоит йз основной, подключенной к соответствующему зажиму источника питания, и двух, р.сположенных по разные стороны от нее, дополнительных щеток, связанных с тем же за-g5 ,жимом источника и .тания через управляемые вентили и с коммутирующим контуром, состоящим из конденсатора и включенного с ним последовательно реверсивного узла из днух встречнопараллельно соединенных тиристоров, схему управления с датчиком положения ротора и блоком выходных усилителей (2 3.

Недостаток известной машины состоит в невозможности применения ее в электроприводах с широким диапазоном регулирования скорости, что обусловлен о «ал ич ием к оммут а цион ной реакции якоря, выражающейся в намагничивающем или размагничивающем действии по-50 ля, создаваемого токами коммутируемых секций, на основное магнитное поле при работе машины в большом диапазоне изменения частот вращения с постоянным временем коммутации. 55

Целью изобретения является расширение области применения путем уменьшения устранения .влияния коммутацион-, ной реакции якоря при работе машины в большом диапазоне изменения частот 60 вращения.

Эта цель дости:.-ается тем, что в электрической машине, содержащей меха«ический коллектор с проводящими и изолирующими пластинами, конта)<тирую-65 щие с. ними разнополяр«ые группы щеток, каждая из которых состоит из основной, подключенной к зажиму цепи питания, и двух, расположенных по разные стороны от «ее, дополнительных щеток, связанных с тем же зажимом через управляемые вентили и с коммутирующим контуром, состоящим из конденсатора и включенного с «им последовательно узла из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, схему управления с датчиком положения ротора и блоком выходных усилителей, датчик положения выполнен с двумя чувствительными элементами, установленными симметрично относительно геометрической нейтрали машины, маши«а снабжена элементом регулируемой задержки времени и узлом контроля скорости, . вход которого сняв -«с чувствительными элеме «тами, к от орый сост OH T из включенных последователь «о ло=ич еского эдеме«та ИЛИ, преобразователя частота — напряженые, порогового устройства и 0 -триггера, выходы которого связаны с нходами двух логических злеме«тон И, вторые входы которых подключены к выходам двух чувствительных элементов датчика, выход первого логического элеме«та И сняза« с входом блока выходных усилителеи «епосредственно а выход второго логического злеме«та И подключен к входу того же блока через злеме«т регулируемой задержки времени, связа««ый в свою очередь с выходом пресебразонателя частота-напряженке узла ка«троОдин из чунстнителеье»ых элем--«тон обеспечивает работоспособность Вс« тиль«ого коммутатора при изме«ении частоты нраще«ия ротора от нуля до некоторой средней велич««ы и,, второй чувствительный элемент используеТС»» ПрИ ИЗМЕНЕНИИ ее аСТOTi i НращЕ«ИЯ машины от значения n., до . ".аксималь— ной величи .û 7 к . Узел контРолЯ скорости предназначен для определения того, и каком диапазо«е частот вращения работает маши«а

Если эти частоты мены:"е з«аче«ия и, то сигнал 1 имеется -»а и«1 7 нерс«ом выходе 3 -триеггера. При частое е;е тах вращения больше t»1 сигнал 1 существует на прямом выходе D -триггера. Инверсный ныход 3 -три":-ера и выход первого чунстнительного элеме«та связаны с входом первого логического элемента И, выход последнего выход второго чунстни;:. ель«ого элеме«та связаны с входом логического злемента И, ныход его подключен к входу блока выходных усилителей через злеме«т регулируемой задержки време«и, На Фиг. 1 приводится электрическая схема машины постоян«ого тока

1069074 (для Упрощения изображена только одна щеточная группа и связанные с ней элементы схемы управления и вентильного коммутатора,.подключенные к положительному зажиму источника.

Остальные щеточные группы, число ко- .5 торых равно числу полюсов машины, имеют аналогичную схему);на фиг. 2 два положения коммутируемой секции до начала и после окончания коммутации (изображено пунктиром) относи- 0 тельно геометрической нейтрали, которой соответствует ось 00, при максимальной частоте вращения машины <><, на фиг ° 3 — то же, но при меньшей частоте вращения <>„; на фиг, 4 — положения секции при частоте вращения и„, когда коммутационный процесс начйнается с некоторой задержкой по вре. мени.

Машина содержит якорную обмотку 1, подключенную к механическому коллектору 2 с проводящими 3 и 4 и изолирующими 5 — 7 пластинами, контактирующие с ними группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки 8, подключенной непосредственно к зажиму источника питания, и двух вспомогательных 9 и 10, связанных с тем х<е зажимом источника через управляемые тиристоры 11 и 12, отключение которых обеспечивается конденса- 30 тором 13 и включенным с ним последовательно реверсивным узлом из двух тиристоров 14 и 15. Необходимая последовательность включения тиристоров обеспечивается схемой 16 управления, 35 содержащей датчик положения ротора с двумя чувствительными элементами (светодиодами) и формирователями 17 и 18, установленными относительно вращающегося кодового диска 19 с от- 0 верстиями 20, узел 21 контроля скорости и блок 22 выходных усилителей, связанный с чувствительными элементами двумя каналами. Первый канал, обеспечивающий работу схемы при частотах вращения выше значения <>1, содержит логический элемент И 23, элемент 24 регулируемой задержки. Второй канал, работающий при частотах ниже значений и состоит из логиче.ского элемента И 25. Узел контроля. 50 скорости, связанный с выходами чувствительных элементов, содержит логический элемент ИЛИ 26, преобразователь 27 частота-напряжение, пороговый элемент 28 и)) -триггер 29, 55

Блок выходных усилителей состоит из логического элемента ИЛИ 30, элемента 31 задержки, пзнератора 32 импульсов, логического элемента 33 и выходных усилителей 34-36. 60

При работе машины скользящие контакты перемещаются по коллектору справа налево. Пока основная щетка 8 контактирует с проводящей пластиной

4, ток нагрузки протекает от зажима источника через контакт 8 и пластину 4, через обмотку 1 якоря и соответствующие контакты, связанные с зажимом источника противоположной полярности. Все тиристоры заперты за исключением тиристора 12, на который подаются отпирающие импульсы, вырабатываемые генератором 32 и проходящие через логический элемент 33, находящийся в открытом состоянии, и выходной усилитель 36. По мере захода основного контакта 8 на изолятор

6 ток нагрузки з переходит в шунтирующий контур, образованный открытым тиристором 12 и контактом 10.

До начала коммутации. конденсатор 13 имеет некоторое начальное напряжение, полярность которого обозначена без скобок (фиг. 1) . Коммутационный

)процесс начинается в момент времени, когда основной контакт 8 полвостью переходит на изолятор б. При этом с усилителя 34 подаются управляющие сигналы на включение тиристора 15, снимаются сигналы управления с тиристора 12 благодаря отключению логического. элемента 33. Конденсатор 13 начинает разряжаться через секцию обмотки, связанную с пл;- =тинами 3 и 4, по контуру: 13-9-3 — секция обмотки — 4-10-15-.13.

По истечение выдержки времени л,, которая отсчитывается элементом 31 задержки, разрядный ток конденсатора достигает значения, приблизительно равного току в параллельной ветви обмотки якоря <2, напряжение на конденсаторе изменяет полярность, а ток в секции близок к нулю. В тот же момент с усилителя 35 подаются уп— равляющие сигналы на включение тиристоров ll и 14. Конденсатор начинает перезаряжаться по контуру 13-14—

12-11-13 В момент времени, когда ток перезаряда конденсатора становится равным прямому току через тиристор 12, последний отключается.

Полный ток нагрузки при этом, протекающий через тиристор 11, проходит через вспомогательный контакт 9, а также через тиристор 14, конденсатор 13 и контакт 10. Процесс перезаряда конденсатора до напряжения исходной полярности продолжается до тех пор, пока не закончится реверсирование тока в коммутируемой секции. 3атем отключается тиристор 14, поскольку ток перезаряда конденсатора 13 становится равным нулю, а полный ток 1 продолжает протекать через тиристор 11 и вспомогательный контакт 9. По мере перехода основного контакта 8 с изолирующей пластины б на проводящую 3, токовая загрузка вспомогательного контакта 9 и тиристора 11 уменьшается. Когда основной контакт переходит на проводящую пластину приблизительно одной второй

1069074 частью своей контактной поверхности, ток вспомогательного контакта 9 и тиристора 11 практически равен нулю, На этом заканчивается полный коммутационный цикл. Следующий цикл начинается в момент времени, когда основ- 5 ной контакт 8 полностью переходит на из олятор 5.

Рассмотрим более подробно влияние коммутационной реакции якоря на работу машины и способы ее компенсации н предлагаемом устройстве.

Известно, что коммутационная реакция якоря, выражающаяся в ослаблении или усилении основного магнитного поля при определенных скоростях и нагрузках, может вызвать нарушение устойчивости работы всей системы электропривода. Известно также, что если за время коммутации ак „ т.е. за время реверсирования тока в секции, процесс протекает так, что намагничивающая реакция токов коммутируемой секции равна размагничивающей, то ток коммутации не влияет на основчое магнитное поле машины. В первом приближении это условие выполняется, если расположение коммутируемой секции до начала и после окончания коммутации симметрично относительно геометрической нейтрали машины. Этому условию соответствует расположение ЗО секции 1 и 11 (фиг„2) при»» С,„„,Система управления в рассматриваемом устройстве настроена так, что при максимальной частоте нращения машины и время коммутации Тк равно нре- 3 мени перемещения якорю на одно кол.>1екторное деление, которое определяется из формулы

T = 6O/(),п), (1)

I где K > — число коммутируемых секций обмотки, равное числу проводящих пластин коллектора, tl — текущее значение частоты вращения машины. Путь, проходимый скользящим контактом по рабочей понерхнос..."и коллектора за 45 время коммутации при любой частоте вращения, определяется го формуле

5 = и 3(D (. /60, и к к (2)

50 где Эк — диаметр к оллек тора . При максимальной скорости вращения

: (и =я„с)5„= : (фиг. 2), где à — ширина коллекторного деления, равная ширине коммутируемой секции, приведенной к диаметру коллектора.

Если скорость вращения п<п,„,>,, то путь щетки за время коммутации в соответствии с раненством (2) уменьшается,5д

".,=(T,-". I/2. (3)

Тогда по истечении времени задержки С в соответствии с равенством (2) секция переместится относитель— но геометрической нейтрали на величину 5 и займет положение I до начала

3 коммутации (фиг. 4) . После окончания коммутации положение секции П показано пунктиром (фиг, 4) . Таким образом, при работе с задержкой можно также получить симметричное расположение секции относительно геометрической нейтрали и компенсировать коммутационную реакцию якоря.

По мере уменьшения скорости время задержки ь увеличивается вследствие возрастания величины Т н раненст0 вах (1) и (3), В рассматриваемой схеме реализация указанных принципов управления осуществляется следующим образом.

Прн максимальной скорости вращения, когда секция подходит к нейтра- ли и занимает положение I (фиг. 2), благодаря соответствующему положению кодового диска включается чувстви)тельный элемент 17, который вырабатывает однополярный импульс, подаваемый на первый вход элемента И 23.

На второй нход этого элемента поступает разрешающий сигнал 1 с прямого ныхода1> -триггера 29. Поэтому сигнал чувствительногG элемента проходя через регулируе.ий элемент задержки 24 поступает на вход бло«а 22 выходных усилителей. 1;.",к у«азынаJ ось при максимальной частоте вращения (8

При частотах вращения n < >- < n схема работает аналогично, однако элемент 24 регулируемой задерж«и обеспечивает задержку r.îëåçíoãî сигнала датчика поло>кения н соотве с;— вии с выражением (3) .

При частотах вращения > <», задерж«а Г сильно возрастает, а вели и— на 5д уменьшается настоль«о,что еслB н момент начала коммутации се«ция занимает симметричное положение отно— сительно геомеTðич-c«ой нейтрали,, то влияние коммутацио..ной реакции якоря незначительно, Поэтому при чаcToTctx вращения п(и «оммутационный процесс осущестнляется сигналом,, вырабатываемым чувствительным элементом 18, включение которого с помощью кодового диска осуществляется в тот момент, когда секция занимает симметричное положение относительно геометрической нейтрали машины, С выхода элемента 18 через логический элемент И 25, на второй вход которого поступает разрешающий сигнал 1 с инверсного выхода } -триггера 29, 10б9074 сигнал управления подается на вход блока выходных усилителей.

Использование двух чувствительных элементов в датчике положения, обеспечивающих работоспособность устройства в разных диапазонах изменения частот вращения, позволяет существенно упростить схемы элементов и расширить область применения электрической машины.

1069074

4 = о

+ < < рал.с

ol

l?1 (n (J7r1c7/ М т, ВГИ ЬПИ 3 акаэ 114 85/52 Тираж 868 Подпи сное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä, ул.Проектная,4