Вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах с вентильными электродвигателями , к к-рым предъявляются требования мин. пульсации мгновенной Частоты вращения, например, в электроприводах звукозаписывающей аппаратуры. Целью изобретения является повьппение равномерности мгновенной частоты вращения за счет уменьшения пульсаций вращающего момента и снижение себестоимости за счет обес-- печения возможности использования ключей со значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи границы допуска. Вентильный электродвигатель содержит электрическую мащину, секции якорной обмотки к-рой связаны с ключами двухполупериодного преобразователя частоты, снабженного мостом обратного тока. Ключи преобразователя частоты и вентили моста обратного .тока имеют различные параметры насьпцения. Предпожен порядок подключения ключей и вентилей с различными параметрами насьш1ения к определенным секциям эл. машины, чем обеспечивается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 (51) 4 Н 02 К 2

g(Iq-.

J г

) -" „(ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н д BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3765905/24-07 (22) 04 ° 07,84 (46) 23.07.87. Бюл. М 27 (71) Московский энергетический институт (72) В.К.Лозенко, А.М.Санталов и В.И.Тимофеев (53) 621-83:621.313.323-52(088.8) (56) Овчинников И.Е., Лебедев Н.И.

Бесконтактные двигатели постоянного тока., †. Л.: Наука, 1979, с. 241-243.

Федоров В.В. Исследование и разработка методов структурной миниатю-. .ризации регулируемых бесконтактных двигателей постоянного тока: Автореф.. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. — М.: МЭИ, 1979 с. 12. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах с вентильными электродвигателями, к к-рым предъявляются требования мин. пульсации мгновенной частоты вращения, например, в электроприводах звукозаписывающей аппаратуры. Целью изобретения является повышение равномерности мгновен-. ной частоты вращения за счет уменьшения пульсаций вращающего момента и снижение себестоимости за счет обес-. печения возможности использования ключей со значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи грани. цы допуска, Вентильный электродвигатель содержит электрическую машину, секции якорной обмотки к-рой связаны с ключами двухполупериодного преобразователя частоты, снабженного мостом обратного тока, Ключи преобразо- Ж вателя частоты и вентили моста обратного тока имеют различные параметры насыщения.. Предложен порядок под- ( ключения ключей и вентилей с различными параметрами насыщения к.опреде ю ленным секциям эл. машины, чем обеспечивается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1З256З0

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах с вентильными электродвигателями.,- к которым предъявляются требования минимальной пульсации мгновенной частоты вращения, например, в электроприводах звукозаписывающей аппаратуры, Цель изобретения — повышение равномерности мгновенной частоты вращения за счет уменьшения пульсации вращающего момента и снижение себестоимости изготовления за счет обеспечения возможности использования ключей

l0 со значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи границы допуска, На фиг, 1 представлена блок-схема вентильного электродвигателя, электрическая машина которого имеет m-секционную обмотку якоря; на фиг. 2— схема вентильного электродвигателя для

m=5 на фиг. 3 — временные диаграммы напряжений, поясняющие работу

25 вентильного электродвигателя; на фиг. 4 — временные диаграммы пульсаций выходного сопротивления преобразователя частоты.

Вентильный электродвигатель (фиг. 1) 30 содержит электрическую машину 1 с и-секционной обмоткой 2 якоря, двух-полупериодный преобразователь 3 частоты с 2m управляющими ключами, образу10UIHMH m(I l I e e ° e 1 > e e e llew e e e e k p e e e pm) 3g его ветвей и две группы {анодную 4 и катодную 5) по т ключей в каждой, каждая h --я секция обмотки 2 якоря электрической машины 1 подключена к выводу tl -й ветви двухполупериодного 40 преобразователя 3 частоты, управляющие входы ключей которого подключены к выходу блока 6 формирования сигналов управления, а сами ключи имеют различные параметры режима насыщения 45

<К, причем d., Ы ... <с ;<... о, „<М Ы,( с ° .. 4о с...6М,, m ключей с параметрами режима насыщения от сс,, до о(включены в одну группу, например анодную 4 двухполупериодного преобразователя 3 частоты, в катодную группу 5 которого включены другие ш ключей с параметрами режима насыщения ото „доЫ

Двухполупериодный преобразователь

3 частоты спабжен мостом 7 обратного тока из 2m вентилей, с различными параметрами режима насыщения, причем о,- —

Дб ° .э-атееe 4m-1 -о - orna) "1 ...

W i-1 до У, j-й ключ анодной группы 4 и i-й ключ катодной группы 5 двухполупериодного преобразователя 3 частоты включены соответственно в его 1-ю и k-ю ветви, удовлетворяющие соотношениям

1=m+1-0,5j+(j-m — 0,5) 1 - - j 4 m;

1- (-1)"

5 (i-в+1)+ (2m-i+0,5)(,.; m+1< i 2m, !

1 — (-1)

Дополнительно j-й вентиль анодной группы 8 и i-й вентиль катодной группы 9 моста 7 обратного тока включены соответственно в 1-ю и Е-о ветви.

Бентильный электродвигатель получает питание от источника 1О напряжения.

Для частного случая m 5 вентильный электродвигатель (фиг, 2) содержит электрическую машину 1 с пятисекционной обмоткой 2 якоря, двухполупериодный преобразователь 3 частоты с десятью управляемыми ключами, образующими пять его ветвей {I, II, III, IV, V), и две группы (анодную 4 и катодную 5) по пять ключей в каждой, каждая секции, например третья, обмотки 2 якоря электрической машины 1 подключена к выходу ветви III двухполупериодного преобразователя 3 частоты, управляющие входы ключей которого подключены к выходу блока 6 формирования сигналов управления (не показан), а сами ключи имеют различные параметры режима насыщения Ы., причем пять ключей с параметрами режима насыщения от о(, до о включены в одну группу, например анодную 4, двухполупериодного преобразователя 3 частоты, в катодную группу 5 которого включены другие пять ключей с параметрами режима насыщения от + 6,цо

Двухполупериодный преобразователь

3 частоты снабжен мостом 7 обратного тока из десяти вентилей с различными параметрами режима насыщения w, причем Я, Уд У - ° ° ° - 2д У °

1325630

Вентитти моста 7 обратного тока об разуют две группы (анодную 8 и катод. ную 9) по пять вентилей в каждой, пять вентилей с параметрами режима насыщения от ф до ф включены в

1 5 анодную группу 8 моста 7 обратного тока, в катоднуто группу 9 которого включены другие пять вентилей с параметрами режима насьпцения от до у . В вентильном электродвигателе

1О третий ключ с параметром режима насыщения о анодной группы 4 и девятый ключ с параметром режима насьпцения о катодной группы 5 двухполупериодного преобразователя 3 частоты включены соответственно в его II-ю (1-ю) и IU-ю (k þ) ветви, удовлетворяющие соотношениям

1=6-0,5j+(j 5,5) (.; 1 «» j 5;

1- (-1) 1= — — — —

k=0,5 (i-4)+- (10,5-i) (; 6» i »10;

1- (- l ) 2.Дополнительно третий вентиль анодной груптты 8 с параметром режима насьпцения ф и девятый вентиль катод3 ной группы 9 с параметром режима насыщения g моста 7 обратного тока включены ветви II u III соответственно, Электрическая машина может быть любого типа из числа известных конструкций синхронных машин..Преобразователь частоты может быть выполнен как на транзисторах, так и на тиристорах.

Блок формирования сигналов управления может быть выполнен по различным известным схемам. В частности, указанный блок может быть выполнен с обеспечением формирования управляющих сигналов по сигналам датчика положения ротора электрической машины.

Вентильный электродвигатель рабо-. тает следующим образом.

При подключении источника 10 напряжения и поступлении управляющих сигналов на ключи преобразователя 3 частоты с блока 6 формирования сигналов управления ротор вентильного электродвигателя приходит во вращение за счет поочередного подключения секций обмотки 2 якоря к источнику

10 напряжения с помощью ключей преобразователя 3 частоты. В воздушном зазоре организуется дискретно вращающееся магнитное поле якоря, которое, взаимодействуя с магнитным полем ин-. дуктора, создает вращающий момент.

Алгоритм клточей преобразователя 3

5 частоты показан диаграммами (фиг.3) .

Наличие импульса в каком-либо угловом интервале свидетельствует о том, что данньпт ключ включен. Длительность включенного состояния ключа равна

2«„, гдест wi /m — межкоммутационный интервал или естественный такт коммутации вентильного электродвигателя.

В любой момент времени секции обмотки 2 якоря подключены к источнику 10 напряжения через два ключа, параметры режима насыщения которых определяют выходное сопротивление Е преобразователя частоты. Представим параметр режима насыщения n-ro ключа в

20 . виде (2) = о» +т1, где п=0,2. ..2m — число, условно характеризующее изменение исследуемого параметра от ключа к ключу.

Тогда выходное сопротивление < преобразователя частоты для любого

30 момента времени согласно изобретению может принимать лишь три значения (усл. ед.) 25

7„сА =24.,+2m-1=2 (т, +тп) — 1; (3) 35 т d=2d.,+2m=2(aL +m)

Y w =23 +2m+ 1 =2 (d, +m) + 1 .

При этом для любого числа секций обмотки 2 якоря выходное сопротивле"

40 ние преобразователя 3 частоты дважды принимает значение Епст и по (тп-1) разу принимает значения 2: от и X ст

Из диаграммы (фиг. 4, кривая А) видно, что амплитуда пульсации выходного

45 сопротивления преобразователя частоты составляет Л=2 усл.ед., а частоm та f м 1к 2й

50 Согласно изобретению размещение ключей в ветвях и группах преобразователя 3 частоты подчиняется строгому алгоритму, математически описанному в виде (1). В каждой группе функция

55 распределения номеров ветвей для ключей с последовательно увеличивающимися параметрами режима насьпцения подчинена колебательному закону с убывающей амплитудой (номер ветви-1325630 6 преобразователя 3 частоты, полученные при различных алгоритмах расположения ключей в группах и ветвях, можно установить, что переход от худшего с точки зрения минимума пульсаций мгновенной частоты вращения алгоритма (4) к лучшему (1) позволяет снизить амплитуду пульсации выходного сопротивления Yo в 2(m-1) раза, а ее частоту увеличить в m раз. На практике при случайном расположении ключей в группах и ветвях преобразователя частоты вероятность расположения ключей согласно (4) при большом числе секций низка. При малом числе секций обмотки якоря, например при m=3, вероятность такого расположения ключей, при котором формируются как максимальное, так и миттимальное значения выходного сопротивления . увеличивается, Алгоритм (4) дан для оценки наихудшего варианта расположения ключей.

При расположении ключей с различными параметрами режима насыщения в ветвях и группах преобразователя частоты согласно (1) минимальная амплитуда и максимальная частота пульсации выходного сопротивления 1 Ы обеспечивается как для прямого, так и для обратного направлений вращения электродвигателя, поскольку изменяется только порядок (с прямого на обратный) . формирования выходного сопротивления

Kd.(фиг, 4).

35функция, параметр режима насыщения ключа-аргумент). В частности, для

m=5 функция распределения номеровветвей следующая: Е-Ч-II-IV-III-I-VII-Ет!-III. В каждой ветви разность номеров ключей равна числу секций обмотки 2 якоря электрической машины (фиг, 1-2).

При произвольном включении ключей в ветви и группы преобразователя ча- 10 стоты амплитуда пульсации его выходного сопротивления может осущественно увеличиться, а частота " уменьшиться, что неблагоприятно сказывается на работе вентильного электродви- 15 гателя. В частности, те же ключи с параметрами режима насыщения от К, до и можно включить так, что все четные р -е ключи включены в анодную группу 4 преобразователя частоты, а 20 нечетные т1--е ключи включены в его катодную группу 5, Кроме этого,р -й ключ анодной группы и 1 -й ключ катодной группы можно включить в g-ю и р-ю ветви преобразователя частоты, удо- 25 влетворяющим соотношениям (4) р=0,5m+0,25,)+0,75-0,5 4

16 ) 2тп-1 — целое нечетное число;

)+1

l- (-1)

«ь

В этом случае амплитуда пульсации выходного сопротивления преобразователя частоты является максимально возможной и составляета =4(m-1)

Нпкск усл.ед. (для m=5h=16 усл.ед.), а частота Х „„=1/2 (фиг. 4 В). В этом случае распределение ключей в ветвях и труппах преобразователя частоты также подчиняется строгому алгоритму, математически описанному в виде (4) .

Однако функции распределения номеров ветвей для ключей с различными параметрами режима в каждой группе различны. Для анодной группы для нечетных ключей с увеличивающимся параметром режима насьпцения эта функция имеет вид I-V-II-IV-III, а для каждой группы для нечетных ключей

ЕII-IV-IЕ-U-I. В каждой ветви сумма номеров ключей равна (2m+1), Сравнивая диаграммы изменения выходного сопротивления «гсс (фиг ° 4) 40

55 я=тп+1-0, 25/+ (0,5P -m-0, 5)8 р

2- (" 6 2m — целое четное число; (4) Если преобразователь 3 частоты выполнен на ключах с полной управляемостью, например, на транзисторах, то он снабжается мостом 7 обратного тока из 2тп вентилей., Указанный мост 7 служит для замыкания токов, вызванных энергией, запасенной в индуктивности отключаемой секции обмотки якоря, для реализации режимов динамического и генераторного торможения. На конкретном приборе работы вентильного электродвигателя видно, что предлагаемый алгоритм (1) расположения ключей является также оптимальным и для расположения вентилей моста обратного тока, Пусть при угловом положении. т, (фиг.31 ротора вентильного электродвигателя происходит отключения ключа ч „п и включение ключа d. при постоянно вклю9 ченном ключе от. Запасенная в индуктивности отключаемой секции III энергия вызывает электрический ток в контуре: секция III — вентиль 1щ — ключ

7 132 сС вЂ” секция I — секция III. Для

) уменьшения пульсации мгновенной частоты вращения электродвигателя желательно в любой момент времени при любом режиме иметь минимальную амплитуду пульсации выходного сопротивления To(преобразователя частоты.

Поскольку параметры режима насыщения транзисторов (в первую очередь кремниевых) и вентилей примерно одинаковы, то для обеспечения минимума пульсации выходного сопротивления

Ed необходимо при отключении j-го ключа диодной группы 4 и i-го ключа катодной группы 5 преобразователя 3 частоты в образуемые электрические контура включать j é вентиль анодной группы 8 и i-й вентиль катодной группы

9 моста 7 обратного тока.

При организации режима динамического торможения образуется аналогичный электрический контур (контура) с включением в него ключа из анодной группы 4 и вентиля из катодной группы 9 или ключа из катодной группы 5 и вентиля иэ анодной группы 8.

При организации генераторного торможения вентили моста обратного тока работают согласно алгоритму.(фиг.3).

Сохранение алгоритма (1) для расположения вентилей моста 7 обратного . тока гарантирует минимальную ампли-, туду пульсации выходного сопротивления X. Y преобразователя частоты и в этом режиме.

Таким образом, изобретение позволяет обеспечить минимально возможную амплитуду пульсации выходного сопротивлений преобразователя частоты при максимально возможной ее частоте, что обеспечивает минимальную пульсацию якорного тока, вращающего момента и мгновенной частоты вращения вентильного электродвигателя.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с mсекционной обмоткой якоря, двухполупериодный преобразователь частоты с

2ш-управляемыми ключами, образующими

m его ветвей, и две группы (анодную

5630 8 и катодную) по ш ключей в каждой, каждая и-я секция обмотки якоря электрической машиной подключена к выводу и-й ветви двухполупериодного преобразователя частоты, управляющие входы которого подключены к выходу блока формирования сигналов управления, а сами ключи имеют различные параметры насыщения ol, причемс,< ot. 4 ° °

fp e((о отличающийся

2m-! O4 тем, что, с целью повышения равномерности мгновенной частоты вращения за счет уменьшения пульсаций вращающего момента и снижения себесто15 имости за счет обеспечения воэможности использования ключей со значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи границы допуска, ш ключей с параметрами режима насыще20 ния от ы. доо включены В первую группу, например анодную двухполупериодного преобразователя частоты, во вторую группу которого включены другие m ключей с параметрами режима

25 насыщения отс(: доо, каждьп j-й ключ из первой и i-й второй катодной групп двухполупериодного преобразователя частоты включены соответственно a его 1-ю и k-ю ветви, удовлетворяющие следующим соотношениям:

1=m+1-0,5j+(j-m-0,5)g.; 1 4. j ш;

1- (-1) (= — — --- . з 2

k=0,5 (i-m+ 1 )+(2m-i+0,5) g.Q

l.

1- (-1)

m+1 а i2m

Ф

2. Электродвигатель по и.. l о т40 л и ч а ю шийся тем, что,двухполупериодный преобразователь частоты дополнительно снабжен мостом обратно" го тока с 2m вентилями, имеющими различные параметры режима насьпцения, 45 причем у а 3, < ...,<3 „ m вентилей с параметрами режима йасьпцения от

, до г включены в анодную группу коста обратного тока, в катодную группу которого включены другие m венти50 лей, каждый )-й вентиль иэ анодной группы и i-й вентиль иэ катодной группы моста обратного тока включены соответственно в 1-ю и k-ю ветви.

)325630

1325630

Фиа 2

Щ „ф

Составитель В.Бабак

Редактор М.Бланар Техред В.Кадар

Корректор И.Муска

Заказ 3121/52 Тираж 659 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, - Раушская наб,„ д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4