Вентильный электродвигатель с естественной коммутацией

 

Изобретение относится к электротехнике . Целью изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения. Цель достигается введением в вентильный электродвигатель с естественной коммутацией генератора 10 управляемой частоты и диодов 7,8,9,- катоды которых соединены.с фазными выводами обмоток 1,2,3 электродвигателя. Аноды диодов 7,8,9 объединены и подключены к объединенным катодам тиристоров 4,5,6. Управляющие входы тиристоров соединены с генератором 10. В результате обеспечивается широкий диапазон вращения электродвигателя . Электродвигатель может работать в шаговом режиме, в режиме вентильного двигателя, разгоняющегося до синхронной частоты вращения без специальных пусковых устройств, в синхронном режиме с регулируемой частотой вращения. 3 з.п. ф-лы, 13 ил. СЛ С

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 ((9)SU(Ill (д11 4 Н 02 К 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

:В

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3781119/24-07 (22) 10.08.84 (46) 30.11.87. Бюл. № 44 (75) А.С.Айнварг (53) 62-83:621.313.333.072.9 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 748697, кл.Н 02 К 29/00, 1978.

Патент Японии ¹ 49-15283, кл. Н 02 Р 7/00, 1974. (54) ВЕНТИЛЪНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЪ С

ЕСТЕСТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения. Цель достигается введением в вентильный электродвигатель с естественной коммутацией генератора 10 управляемой частоты и диодов 7,8,9, катоды которых соединены с фазными выводами обмоток 1,2,3 электродвигателя.

Аноды диодов 7,8,9 объединены и подключены к объединенным катодам тиристоров 4,5,6. Управляющие входы тиристоров соединены с генератором

10. В результате обеспечивается широкий диапазон вращения электродвигателя. Электродвигатель может работать в шаговом режиме, в режиме вентильного двигателя, разгоняющегося до синхронной частоты вращения без специальных пусковых устройств, в синхронном режиме с регулируемой частотой вращения. 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

1356133

Согласнс последнему варианту (фиг.4) в вентильком электродвига еле каждая из шести фаз обмотки статора снабжена диодами 44,45 (4655), при этом один из указанных диодов, например 45 (47,49,51,53, 55), служит для подключения первого вывода секции 1 (2,3,11,12,13) фазной обмотки к К-й фазе m-фазной сети, а другой диод этой же фазы, например 44 (46,48,50,52,54) „; к фазе сети с номером 11 = К +

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

При подаче управляющих D — им„5 пульсов (фиг. 5) на управляющие электроды всех тиристоров 4 — 6 (фиг.:) включится и будет провоИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в позиционном и регулируемом элект-роприводе и автоматических системах.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения.

На фиг.1-4 приведены принципиальные схемьt выполнения вентильного электродвигателя с естественной коммутацией; на фиг.5-13 — диаграммы напряжений, управляющих импульсов и намагничивающих сил, поясняющих работу устройства.

Вентильный двигатель содержит фазные секции 1 — 3 (фиг.1), симметрично расположенные на статоре. и три тиристора 4 — 6. Секции и тиристоры образуют три последовательные цепочки, в каждой из которых секция обмотки соединена последовательно с тиристором. Один вывод каждой такой цепочки — начало секции m--фазной обмотки — подключены к одной из трех фаз питающей сети, а вторые выводы — катоды тиристоров — объеди,нены в одну точку. К этой точке присоединены аноды трех диодов 7-9, катоды которых также подключены к трем фазам питаюшей сети. управляющие электроды тиристоров

4 — 6 объединены в одну точку, а между объединенными катодами ти- ристоров и их управляющими электродами включен генератор 10 униполярных отпирающих импульсов управляемой частоты.

На фиг.2 представлен пример выполнения шестифазного вентильного двигателя, т.е, кроме фазных секций

1 — 3 двигатель имеет еще три фазные секции 11 — 13 с тиристорами

14 — 16 и диодами 17 — 19, соединенные аналогично указанному. Кроме того, фазы обмотки статора снабжены вторыми секциями 20-25, дополнительными тиристорами 26-31. Вторые секции выполнены полностью аналогично первым секциям, с тем же пространст= венным распределением витков, так что создают одинаковые намагничивающие силь1 при одинаковых токах. В каждой фазе вторая секция 20 (21

25) и дополнительный тиристор 26 (27 — 31) образуют вторую последовательную цепь, один вывод которой предназначен для подключения к фазе

Дц

m сети с номером 11 = К +--- где

К вЂ” порядковый номер фазы сети;

m - число фаз. Вторые выводы вторых последовательных цепей объединены и соединены с объединенными выводами первых последовательных цепей.

Генератор 10 управляемой частоты снабжен вторым выходом в, соединенным через дополнительно введенный ключ 32 с управляющими электродами дополнительных тиристоров 26-31.

Генератор 10 управляемой частоты представляет собсй источник однополярных управляющих импульсов. Он может быть составлен из генератора

ЗЗ, например электронного, и импуль ного или пик-трансформатора 34, у которого концы дифференциальной вто ричной обмотки 35 через диоды 36, 37 подключены к точкам а и в. Кроме того, может быть использован и другой источник униполярных импульсов регулируемой частоты.

Согласно третьему варианту в вентильном электродвигателе последо вательные цепи обмотки статора снаб жены вторыми тири" торами 38 — 43 (фиг.З), катоды:<оторых соединены соответственно с:катодами тиристоров 4,5,6,l4,15,16 и с одним (началом) выводом секций 1,2, 3,11,12,13 фазной обмотки статора. Аноды тиристоров 4„5,,6,14,15>16 соединены ( каждый с к-й фазой m-фазной сети, а аноды тиристоров 38-43 — каждый

m с 3 c H Mepo N - =К +

2 дить ток только один из них, а именно тот, анодное напряже1356133 ние которого максимально. Проводящий тиристор автоматически запирает другие тиристоры. Таким образом в любой момент времени ток может протекать только по одной фазе обмотки статора, соединенной с проводящим в данный момент тиристором.

Если управляющие D-импульсы по-. ступают только один раз за период питающего напряжения Uä(Ull,UC),â момент у t=Т/6, где Q — угловая частота питающего напряжения, когда напряжение фазы А превышает напряжение в двух других фазах В и С, то ток может протекать только в фазе

А, т.е. в секции 1 обмотки статора.

Напряжение на эту секцию будет подаваться полпериода, а ток в этой секции замыкается через диоды 7 — 9, как в любом мостовом выпрямителе.

Если же через 2ii/ш=2«/3 после первого импульса, т.е. в момент

Qt = ---Т подать следующий импульс, б то ток переключится с секции 1 на секцию 3, так как с этого момента напряжение фазы В напряжения питания становится максимальным.

Таким образом, моментами подачи управляющих импульсов можно задавать переключения тока с одной фазы обмотки статора на другую, а именно, если управляющие импульсы подавать с частотой питающего напряжения, то будет включаться одна и та же секция (фаза обмотки статора) и ротор установится по оси этой обмотки.

Если импульсы подавать с частотой в ш раз превышающей частоту питающего напряжения, то за один период питания включаются все m фаз обмотки статора и вектор магнитного поля будет вращаться синхронно.

Если же импульсы подавать в другие моменты и переключать ток с одной фазы обмотки на другую реже, чем через 2li/m, например через период, то можно получить различные частоты вращения вектора магнитного поля и, соответственно, ротора.

Представленный на фиг.1 вентильный электропривод позволяет дискретно переключать вектор магнитного поля с пространственным шагом, равным 27/3, что часто является слишком грубым. Кроме того, напряжение на каждую обмотку подается не более полпериода, что обуславливает боль5

55 шую переменную составляющую момента относительно постоянной составляющей и недостаточное использование обмоток по времени. Следующие примеры выполнения вентильного двигателя (фиг.3,4) с большим, в частности, четным числом фаз обмотки позволяют уменьшить шаг регулирования и улучшить энергетические показатели.

В вентильном электродвигателе, представленном на фиг.2, синхронная частота получается, когда тиристоры

4,5,6,14,15,16 и 26-31 работают как неуправляемые диоды, т.е. каждый вентиль включается в тот момент, когда его анодный потенциал максимален, и отключается, когда этот потенциал становится ниже, чем у соседнего вентиля. При разомкнутом ключе 32 импульсы Е (фиг.б) с вторичной обмотки 35 генератора 10 управляемой частоты поступают на его вывод а с частотой естественной коммутации шестипульсной выпрямительной схемы, а именно через Т/3 радиан. Тиристоры включают секции (фазы) обмотки статора в следующей последовательности: 20-21-22-23-2425 — 20. В каждой секции (фазе) на

1! интервале --- течет максимальный

3 ток. Поэтому н. с. якоря через каждые и/3 временных радиан передвигается на Т/3 пространственных радиан, т.е. вращается в дискретном (шаговом) режиме с синхронной угловой скоростью Ы, причем. между переключениями вектор поля неподвижен. Режим синхронной скорости иллюстрируется на фиг.7 для пяти положений магнитного поля (н.с.якоря).

Режим фиксированной установки оси магнитного поля (и соответствен) но, ротора синхронного двигателя) получается при подаче в точки а и в отпирающих импульсов ж один раз за период частоты питания. Стпирающий импульс ж, поступающий в момент

ut = Yi /3 в точку в, может включить только тиристор 4, у которого в этот момент анодное напряжение максимально. Остальные тиристоры, подключенные к выводу в генератора

10 управляемой частоты, не успевают включиться, так что тиристор 4 продолжает проводить (и по обмотке

1 течет ток), пока его анодное напряжение положительно, т.е. до мо1356133 мента mt = 4 /3. В этот момент опять поступает управляющий импульс, но в точку а, так что включиться теперь может только тиристор 26 (его анодное напряжение стало максимальным).

Тиристор 26 проводит, и по обмотке

20 течет ток вторые полнериода, пос, ле чего процесс повторяется. Так как обмотки 1 и 20 создают одинаковую н.с., то весь период магнитное поле остается неизменным по направлению,, хотя пульсирует по величине (фиг.8), Если нагрузкой является сила трения, то пульсация магнитного поля не имеет принципиального значения и

- ротор такого синхронного двигателя будет ориентирован в фиксированном положении по оси поля.

Фиг.9 иллюстрирует поворот оси магнитного поля на угол /3 относи- тельно положения, показанного на фиг.8. Соответственно и управляющие импульсы И следуют с той же частотой, но со сдвигом на Т/3 (фиг.6).

Теперь будет попеременно включаться секция 2 в момент уй .= 2Т/3 и секция

21 в момент cot. â€ вЂ” 5Т/3.

Возможность удержания оси магнит-ного поля в любом фиксированном положении независимо от фазы питающих напряжений обуславливает возможность получения любой частоты вращения.

Эта возможность иллюстрируется сле-дующими режимами.

В режиме, показанном на фиг.10, что соответствует подаче импульсов

K (Фиг ° 6) каждая обмотка (каждый тиристор) включена на интервал 5 /6 и последовательность включения секций будет 1 -25-13-24-12-23-!1-22-3

-21-2-20 — 1. Токи фазных секций и положения магнитного поля повторяются через 12х57/6=5х2Т рад угловой частоты питания в 5 раз реже, чем при синхронной частоте вращения, потому что ось магнитного поля остается в неизменном положении в 5 раз большей интервала 2х5Т/6=5хТ/3.

Частота управляющих импульсов, подаваемых на каждую группу тиристо-ров, также в 5 раз меньше, чем при синхронном вращении.

В режиме, показанном на фиг.11, что соответствует подаче импульсов л (фиг, 6 ), каждая обмотка включена на интервал 4Г-6=2ii/3 и последова— .тельность включения секций будет

5

2I»

20-25-!2-23-.3-21-20 (работает половина обмоток). Токи секций и положение поля повторяюгся через

6 2ii/3=2 ° 2Т рад — вдвое медленнее, чем при синхронной частоте вращения, потому что вектор магнитного поля удерживается в одном положении вдвое дольше. Частота управляющих импульсов вдвое меньше, чем при синхронном вращении.

В режиме, показанном на фиг.12, что соответствует подаче управляющего импульса м различной ширины (фиг.6), а именно: узкий импульс на отпирание тиристоров 4,5,6,14, 15,16, затем через Г широкий импульс на отпирание .>иристоров 26-31 или два узких импульса с интервалом /3 между ними, затем через (опять узкий импульс на отпирание тиристоров 4,5,6,14.15,16 и т.д. Поэтому часть секций включена в интервале

h) ic. I — B интервале ii + ii/3.

При этом секция !3 включена в интервале |, секция 2 — в интервале

Г/3, секция 20 — в интервале Г, секция 1 — в интервал Г, секция 20 — в интервале /- секция 1-в интервале

Т и т.д. Последовательность включения секций: 13-25-20-1-21-2-21-223-22-23-11- 23--24-12-24-25-13.

Токи секций и положения магнитного поля повторяются через 12Г+

+ 6Т/3=14 рад, т.е. результирующая средняя ча.стота врашения в семь раз меньше синхронной, причем в другую сторону. управляющим устройством для такого режима может быть двухканальный генератор импульсов чередующейся частоты.

Pежим, показанный на фиг.13,— соответствует подаче (фиг.6) широких управляющих импульсоз Н или сдвоенных импульсов, перек.»ывающих интервал и /3 через 4 /3, т.е. вчетверо реже, чем при синхронном вращении.

В последовательности включения секций 3 — 1 — 20-21-2-3-22-23-11 — 12-2425-13 из каждой смежной пары тиристоров 4„5,6,14,15,16 и 26-31 один проходит интервал Т, другой — интервал и /3. Токи секций и положения магнитного поля повторяются через 6 (ii + ii/3) = 4 х 2Т рад," т.е. частота вращения (также в другую сторону) вчетверо меньше синхронной.

1356133

В схеме, представленной на фиг,4, секции 1,2,3,11,12,13 обмотки статора соединены с тиристорами 4,5,6,14, 15,16 и диодами 7,8,9,17,18,19.

Генератор 10 задает такт коммутации группы тиристоров 14,15,16 и тиристоров 4,5,6. В результате н.с. фазы в оба полупериода тактовой частоты изменяется по тому же закону, что и в варианте по фиг.2.

55

Таким образом, регулируя частоту и длительность управляющих импульсов можно получить любую среднюю частоту вращения в любом направлении. Дискретность вращения магнит5 ного поля при низких частотах вращения может использоваться для шаговых двигателей, а при высоких частотах вращения не имеет принципиального 10 значения для большинства приводов, где важно среднее значение развиваемого момента.

Если тиристоры используются только для разгона синхронного двигателя, то после достижения синхронной частоты вращения все секции, подключаемые к фазе с номером N-К, можно отключить от своих фаз и включить параллельно секциям,. подключае- 20

Б мым к фазам с номером N=K+---. Это

2 улучшит степень использования обмоток. С этой же целью может быть использована схема вентильного двига- 25 теля, представленного фиг.3. Упрощение силовой схемы влечет за собой некоторое усложнение генератора 10 управляемой частоты, увеличение числа выходных обмоток импульсного 30 трансформатора для гальванической развязки, но генератор остается двухканальным, так как управляющие импульсы поступают одновременно на каждую группу тиристоров. Секции

1,2,3,11,12,13 в такой схеме электродвигателя выполнены в виде одной последовательной цепи, коммутируемые через такт тиристорами 4,5,6,14, 15,16 и 38-43, которые совместно с 40 диодами 7,8,9,17,18,19 образуют цепи замыкания тока отдельных фаз. Генератор 10 задает такт коммутации группы тиристоров 38-43 и тиристоров 4,5,6,14,15,16. B результате 45 н.с. фазы в оба полупериода создается такая же, как и в варианте схемы, представленной на фиг.2.

Примеры схем показаны с использованием мостовой схемы выпрямления, хотя очевидна возможность использования нулевой схемы.

Если устройство предназначено для работы в качестве шагового двигателя в следящем приводе, когда угол рассогласования осей задается фазой синусоидального напряжения, то это напряжение используется как задающее в генераторе 10. Если же устройство предназначено для работы в качестве вентильного двигателя регулируемой частоты вращения, то генератор 10 может выполняться как импульсный на фиксированную частоту естественной коммутации диодов (6У), трансформатор не устанавливается, а все режимы задаются программной работой переключателя, подающего импульсы от генератора 10.к точкам а и в.

Устройство может быть исполнительным, в частности шаговым, двигателем позиционного и следящего привода, когда угол рассогласования задается в виде фазы синусоидального или импульсного напряжения; может быть вентильным синхронным двигателем, который раскручивается до синхронной частоты вращения без дополнительной пусковой системы, например без короткозамкнутой клетки, занимающей полезный объем ротора; может быть асинхронным двигателем регулируемой частоты вращения, когда дискретность вращения несущественна на большой частоте вращения, частота вращения регулируется вплоть до синхронной, что недостижимо при управлении с помощью непосредственных преобразователей частоты. При этом силовая схема, кроме обмоток двигателя, содержит только вентили, число которых меньше, чем в известных вентильных двигателях с естественной коммутацией; не требует ни фильтров, ни уравнительных реакторов.

Формула изобретения

1. Вентильный электродвигатель с естественной кпммутацией, содержащий статор с m-фазной обмоткой и тиристоры на .числу фаз, включенные однонаправленно относительно одно-. именных выводов секций обмотки ста135б133 тора, каждый из укаэанных тиристоров образует с соответствующей секцией обмотки статора последовательную цепь, одни выводы образованных последовательных цепей предназначены для r одключения каждого к соответствующей К-й фазе m-фазной сети, а другие выводы указанных цепей объединены, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования частоты вращения, введены генератор управляемой частоты и диоды по числу фаз обмотки статора, катоды которых соединены соответственно с первыми выводами упомянутых последовательных цепей, аноды диодов объединены и соединены с объединенными выводами последовательных цепей, управляющие электроды тиристоров подключены к выходу генератора управляемой частоты.

2. Электродвигатель по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей, каждая фаза обмотки статора снабжена второй секцией, генератор управляемой частоты снабжен вторым выходом и введены ключ и m дополнительных тиристоров, каждый из которых образует с второй секцией соответствующей фазы обмотки статора вторую последовательную. цепь, один вывод которой предназначен для подключения к фазе m-фазной

m сети с номером N=(K +---) другие

1 выводы вторых последовательных цепей фаэ объединены и соединены с объединенными вторыми выводами первых цепей фаз обмотки статора, управляющие входы дополнительных тиристоров через ключ соединены с вторым выходом генератора управляемой частоты, где m-четное число.

3. Электродвигатель по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что каждая последовательная цепь обмотки статора снабжена вторым тиристором, катод которого соединен с катодом первого тиристора этой цепи, соединенного с одним выводом секции обмотки, при этом первый вывод каждой последовательной цепи образован анодом первого тиристора этой цепи, 2п а ее второй вывод — вторым выводом секции обмотки статора этой цепи, а анод второго тиристора каждой последовательной цепи предназначен для подключения к фазе сети с номе25 m

poM N=(l<+ ) где m четное число.

4. Электродвигатель по и. 1, о тли ч ающий с я тем, что каж-. дая последовательная цепь обмотки статора снабжена двумя диодами, один из которых предназначен для органиэации указанного соединения вывода последовательной цепи с

К-й фазой m-фазной сети, а другой диод — для подклю:ения упомянутого

35 вывода последовательной цепи с фазой !

m сети с номером N= (К+---), где m четное число.

21

22

23

И

2Ф

f8

5$ УФ

35 36

371 g

1356 I 33

1356133

0 га ltd

Фиг. 7

0 23 К 2Я

s У

Риг.д

0 3Ж 4Ж 2Ж

Ю У

Я,г.9

1356133

Составитель А. Головченко

Техред A. Кравчук

Редактор Н.Слободяник

Корректор Г. Ренетник

Заказ 5806/50

Тираж 659

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская нэб., д. й/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,