Электромеханический трехфазный преобразователь частоты

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано в системах электроснабжения привода переменным током регулируемой частоты. Целью изобретения является повьппение КПД и увеличение срока службы. Преобразователь содержит два игольчатых механических прерьшателя возвратно-поступательного действия (ПВПД), содержащих

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 Н 02 М 7/64

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

23 Л 29,72

Фиа!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4243743/24-07 (22) 1 5. 05. 87 (46) 07. 12. 88. Бюл. 11 - 45 (71) Кировоградский институт сельскохозяйственного машиностроения (72) М,А. Ждановских, Г.P. Носов, В.И. Стукало и О.И. Садков (53) 621.314.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 226007, кл. Н 02 M 7/60, 1967.

Авторское свидетельство СССР

N- 1241387, кл. Н 02 M 7/60, 1983.

SU 1443106 А1 (54) ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТРЕХФАЗНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано в системах электроснабжения привода переменным током регулируемой частоты. Целью изобретения является повышение КПД и увеличение срока службы. Преобразователь содержит два игольчатых механических прерывателя возвратно-поступательного действия (ПВПД), содержащих

1443106 электропроводящую жидкость с высоким удельным электрическим сопротивлением. На одном валу с ПВПД установлен дополнительный инвертор в виде коллектора и контактных колец

36-38, с которыми контактируют щетки 43-45. На коллекторе установлены части одинаковых медных колец

49-51, с которыми контактируют щетки 33 и 47. ПВПД через механическую контактную передачу, построенную на контактных полозьях 16, 17 и щетках

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к электромеханическим преобразователям постоянного тока в переменный, и может быть использовано в системах электропитанйя нагрузок переменным трехфазным током, регулируемым по частоте.

Цель изобретения — повьппение КПД и увеличение срока службы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема преобразователя частоты на фиг. 2 — конструкция коллектора, на фиг. 3 — электропроводная пластина с стальными иглами; на фиг. 4 — часть злектропроводного куба с отверстиями, на фиг. 5 — игла электрода в отверстии куба, на фиг.6— электрическая схема преобразоватетеля частоты, на фиг. 7 — форма кривых токов в фазах.

Преобразователь содержит двухтактный кривошипно-шатунный механизм 1, установленный на одном валу с двигателем 2 постоянного тока небольшой мощности в подшипниковых узлах 3 и 4. Шатуны 5 и 6 механизма связаны через шарниры 7 и 8 со штоками 9 и 10, которые установлены в направляющих 11 и 12. На концах што" ков 9 и 10 закреплены изолированно от них электропроводные прямоугольные пластины 13 и 14, в которых установлены вертикально конусообразные стальные иглы 15 (фиг, 3). Иглы крепятся широкими торцами к пластинам либо с помощью электросварки, либо места их установки в отверстиях

18, 19, подключены к тиристорам 20, 21. Ток через тиристоры 20, 21 протекает поочередно через паузу во времени, достаточную для перехода щеток

33 и 47 с одной части кольца на другую. За счет выполнения.преобразователя в виде прерывателя и расщепителя числа фаз и электродов игольчатого типа можно увеличить площадь электродов, а следовательно, уменьшить плотность коммутируемого тока и мощности. 7 нл. пластин заливают жидким металлом, Пластины с иглами образуют катодный электрод. Игольчатые электроды выбраны катодом с целью уменьшения снашиваемостя игл при электролизе. Количество игл на пластине может достигать несколько сот или даже тысяч штук в зависимостч от мощности преобразователя. На штоках закреплены медные полозья 16 и 17, электрически соединенные с пластинами 13 и 14. С полозьями механически контактируют щеточные узлы 1 1 9, которые подключены к анодам тиристоров 20 и 21 катоды которых объединены и подключены к отрицательной клемме источника постоянного тока. Под пластинами

13 и 14 расположены емкости 22 и 23 из диэлектрического материала (пластмассы), Емкости имеют пластмассовые крьннки 24 и 25 с резиновыми прокладками 26 и 27. В крышках сделаны отверстия для стальных игл катодного электрода. Емкости имеют такое расположение, что в максимально подня25 том положении штоков и пластин нижние концы игл не выходят из крьнпек.

Емкости заполнены электропроводящей жидкостью с высоким удельным электрическим сопротивлением, в качестве которой может быть применена пресная вода, Жидкость через емкости циркулирует следующим образом.

В емкости 22 и 23 непрерывно по35 ступает по шлангам жидкость из резервной емкости, à со сливных отверстий, ограничивающих верхний уровень жидкости, она возвращается обратно в ре1443106 зервную емкость с помощью насосной системы. В емкостях в жидкости установлены кубы 28 и 29 из электропроводящего материала, например, алюминия или графита, которые закреплены

5 к корпусам емкостей с помощью пластмассых вставок 30 и 31. В кубах имеются сквозные отверстия 32 конусной формы (фиг. 4), которые размещены соосно с иглами катодных электродов °

Наибольший диаметр имеет верхняя кромка отверстий, а размеры отверстий несколько больше размеров игл (фиг. 5). Кубы образуют анодный эле- 16 ктрод, электрически связаны и подключены к щеточному узлу 33 дополнительного инвертора проводом 34. Дополни тельный инвертор содержит ротор, состоящий из коллектора 35 и контактных 20 колец 36-38, установленных на одном валу в подшипниковых узлах 39 и 40.

Вал ротора дополнительного инвертора связан с валом кривошипно-шатунного механизма редуктором на двух зубчатых 25 колесах 41 и 42 с передаточным отношением три к одному, причем большее колесо 41 установлено на валу дополнителвного инвертора. Статор дополнительного инвертора образован тремя 30 щеточными узлами 43-45, механически контактирующими с кольцами 36-38 и подключенными к трем фазам нагрузки

46, а также двумя щеточными узлами

33 и 47, механически контактирующими с коллектором 35. В качестве нагрузки

46 может служить трехфазная статорная обмотка асинхронного двигателя

Коллектор (фиг. 2) выполнен в виде диэлектрического диска 48, по ободу 40 которого под углом 120 геометрических град. друг к другу установлены три одинаковых части медных колец 49-51 с воздушными зазорами между ними.

Каждая часть медного кольца подклю- 45 чена с помощью проводников 52-54 к контактным кольцам 36 и 38. Щеточные узлы 33 и 47 установлены диаметрально противоположно, причем щетка 47 подключена к положительному выводу щ источника питания. На штоки 9 и 10 .установлены упоры 55 и 46 из пружин ного материала, которые при движе-. нии штоков вверх в определенном по- ложении могут нажимать на кнопки кон- 55 цевых переключателей 57 и 58, установленных на неподвижных стойках.Одна из клемм контакта переключателя

57 соединена с клеммой контакта переключателя 58 и обе подключены через резистор 59 проводником 60 к положительному выводу источника питания.

Две другие клеммы контактов переключателей подключены к управляющим электродам тиристоров 20 и 21. Игольчатые прерыватели обозначены в виде контактов 61 и 62 (фиг. 6).

Вместо механических переключателей, выполненных на упорах 55 и 56 и переключателях 57 и 58, можно использовать бесконтактные системы, построенные, например, на герконах или оптоэлектронных элементах. Постоянный магнит заданной длины может быть закреплен на штоке, à геркон — на неподвижной стойке °

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче напряжения на приводной двигатель 2 он приводит во вращение вал кривошипно-шатунного механизма, При этом двигающиеся возвратнопоступательно штоки 9 и 10 перемещают пластины 13 и 14 с иглами 15, а через редуктор вращают ротор допол-нительного инвертора. Перемещающиеся поочередно вверх упоры в определенном положении нажимают кнопки переключателей, замыкая их контакты. В обычном положении контакты переключателей разомкнуты и ток управления от источника питания через резистор 59 на управляющие электроды. тиристоров не поступает. Взаимное расположение упоров 55 и 56 и переключателей 57 и

58 выбрано так, что нажатие какого либо упора на кнопку происходит JIHBtb в тот момент, когда иглы противоположной пластины выходят из жидкости, прерывая электрический контакт и подымаются над ее уровнем.на определенную высоту. В этот же самый моме т иглы другой пластины находятся глубоко в отверстиях куба в жидкости и наоборот.

Перемещения штоков синхронизированы с углом поворота вала ротора дополнительного инвертора следующим образом.В момент интервала времени между выходом какой-либо группы игл из жидкости.и замыканием контактов противоположного переключателя (бестоковая пауза, очередная щетка 33 или

47 переходит с одной части медного кольца коллектора на другую часть кольца. Например, при вращении диска коллектора по часовой стрелке (фиг.2) 1443106 щетка 47 переходит с части кольца 51 на часть кольца 50. За один оборот коллектора щетки 33 и 47 шесть раз переходят через воздушные промежутки с

5 какой-либо одной части кольца на другую. Этому соответствует шесть выходов игл пластины 13 и 14 из жидкости.

Если учесть, что на один оборот нала двухтактного кривошипно-шатунного ме- 1О ханизма приходится два поочередных выхода игл пластин 13 и !4 из жидкости, то шести поочередным выходам групп игл соответствует три оборота вала механизма, приходящиеся ка один оборот вала коллектора. С этой целью редуктор, связывающий эти валы, имеет передаточное отношение три к одному, При подаче напряжения питания от источника ток управления поступает на управляющий электрод того тиристора, в цепи управления которого находится переключатель с замкнутыми контактами, т.е.. тот переключатель, на кнопку которого нажимает упор. В данном случае включены контакты переключателя 57 (фиг. 1), на кнопку которого нажимает упор 55. Контакты переключателя 58 разомкнуты.

В момент включения контактов переключателя 57 ток управления начинает протекать от источника постоянного тока через резистор 59 к управляющему электроду тиристора 20, что приводит к его отпиранию. В это время щет3S ки 33 и 47 занимают положение на частях медных колец, например 49 и 50 (фиг. 2 и 6). Через тиристор 20 начинает протекать силовой ток по цепи.

"плюс" источника, щетка 47, часть кольца 50, контактное кольцо 36, щетка 45, две фазы нагрузки, например, фазы А и С, щетка 43, контактное колько 38, часть кольца 49, щетка 33, анодный электрод в виде. куба 29, электропроводящая жидкость, иглы 15, электропроводная пластина 14, медный полоз 1 7, щетка,1 9, тирис тор 20, "минус" источника (фиг. 1 и 6). По мере

50 погружения игл в жидкости в отверстия куба сопротивление жидкостного контакта снижается и ток в цепи возрастает, достигая максимального значения в крайнем нижнем положении штока 1 О. Затем по мере начала подъема штока иглы выдвигаются из отверстий и ток начинает спадать. Конусная форма отверстий и игл способствует более

L плавному изменению сопротивления жидкостного контакта, особенно на участке выхода кгл из отверстий, что предотвращает скачок изменения сопротивления ка этом участке и возможность нскрообразовакия при наличии идуктивного характера силовой цепи. Кроме того, необходимо учитывать, что на участке выхода игл из отверстий зна— чителько возрастает сопротивление жидкостного контакта, что приводит к резкому повышению вьделения тепла от протекающего электрического тока, а слой жидкости в зазоре между иглой и отверстием незначителен, из-sa этого мал теплообмек. Это может привести к очень бь>строму парообразованию в месте контакта, нарушению его и, как следствие этого, искрению. При конуской форме отверстия и иглы слой жидкости в районе верхней кромки отверстия увеличенный, кроме того, при вьдвижении иглы в расширяющееся отверстие с повышенной скоростью подается свежая порция жидкости, интенсивно охлаждающая кромки иглы и отверстия и препятствующая парообразованию. Одновременно с вьдвижекием игл пластины 14 из жидкости иглы пластины 13 начинают входить в жидкость в .емкости 22, ток через ких ке протекает, так как упор 56 еще ке дошел до кнопки переключателя 58 и не замкнул ere контакты. Поэтому ток управления не поступает на тиристор

21 и он находится в запертом состоянии. Затем иглы пластины 14 выходят из жидкости, прерывая ток в силовой цепи. Поскольку удельное электрическое сопротивление электролита высокое, то в момент отрыва какой-либо. иглы от жидкости сопротивления контакта достигает нескольких десятков тысяч ом, а ток через иглу падает до нескольких,миллиампер. Таксе высокое контактное сопротивление в момент отрыва иглы достигается также еще за счет влияния силы поверхностного натяжения жидкости, которая увлекает близлежащий к концу иглы слой жидкости за ней, образуя между концом движущейся иглы и поверхностью жидкости растягивающийся на несколько миллиметров и одковремекно сужающийся столбик жидкости, еще более повышающий контактное сопротивление при отрыве. Затем этот столбик жидкости разрывается где то приблизительно в

14431

7 среднеИ части и происходит окончательное прерывание контакта между иглой и жидкостью. Так как в момент отрыва иглы от жидкости контактное сопротивление очень велико, то ком5 мутируемая иглой мощность незначи. тельна и искрения не происходит.Для еще большего увеличения сопротивления на выходе игл из жидкости уровень жидкости должен быть выше расположения верхних торцов кубов. После выхода игл пластины 14 из жидкости ток в силовой цепи не протекает, так как тиристор 21 по-прежне15 му заперт. В этот момент бестоковой паузы, например, щетка 33 коллектора переходит из части кольца 49 на часть кольца 51. Затем движущийся вверх упор 56 нажимает кнопку переключа- 20 теля 58, замыкая его контакты. При этом ток управления поступают на управляющий электрод тиристора 21, отпирая его. От источника питания начинает протекать силовой ток ло цепи: 25

"плюс" источника, щетка 47, часть кольца 50, кольцо 36, щетка 45, две фазы нагрузки, например, фазы А и В, щетка 44, кольцо 37, часть кольца 51, щетка 33, анодный электрод в виде куба 28, жидкость, иглы 15 пластины

13, медный полоз 16, щетка 18, тиристор 21, "минус" источника питания.

При вращении коллектора по часовой стрелке последовательность перехода щеток с одной части кольца на другую следующая: 33-49 и 47-50;

33-51 и 47-50; 33-51 и 47-49; 33-50 и 47-49, 33-50 и 47-51; 33-49 и 4751 и т.д. Шесть переходов обеих ще- 0 ток с одной части кольца на другую образуют один период тока в каждой фазе нагрузки. На фиг. 7 показаны токи в фазах нагрузки, сдвинутые на

120 эл. град.

Система электродов с иглами служит резистивными коммутатором (прерывателем) тока, тиристоры обеспечивают увеличение глубины модуляции тока, а дополнительный инвертор обеспечивает преобразования импульсов тока в трехфазный переменный ток.

Изменяя обороты приводного двигателя постоянного тока 2, можно менять обороты вала кривошипно-шатунного механизма и дополнительного инвертора в широких пределах. При этом также в широких пределах меняется частота трехфазного инвертируемого тока.

Формула изобретения

Электромеханический трехфазный преобразователь частоты, содержащий статорную и роторную части с анодным и катодным электродами и электропроводящую жидкость между ними, приводной двигатель, установленный на одном валу с роторной частью, дополнительный механический инвертор, с расположенными на его роторе контактными кольцами, подключенными к медным одинаковым частям колец, установленным равномерно с зазорами между ними на диэлектрическом диске и образующим коллектор, а на статоре — щеточными узлами, два из которых механически контактируют с коллектором и установленыдиаметрально противоположно, причем один из них подключен к одному из электродов, а другои — к одному из выводов источника постоянного тока, другие щеточные узлы контактируют с кольцами, механический редуктор, соединяющий валы приводного двигателя и дополнительного инвертора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения КПД и увеличения срока службы, вал двигателя связан с роторной частью преобразователя через кривошипно-шатунный механизм с вертикальными возвратно-поступательными штоками, на концах которых установлены электрически изолированно от них электропроводные пластины с закрепленными на них вертикальными стальными иглами конусной формы, образующие первый электрод и подключенные к медным контактным полозьям, установленным на штоках,с которыми контактируют два щеточных узла, соединенные с одинаковыми силовыми выводами двух тиристоров, противоположные силовые выводы которых подключены к другому выводу источника тока, статорная часть преоб разователя выполнена в виде емкости из диэлектрического материала, наполненной электропроводной жидкостью и установленной под пластинами с иглами, в емкости размещены кубы из электропроводного материала, каждый из которых расположен под соответствующей пластиной и имеет отверстия конусной формы, размещенные под иглами соосно с ними, кубы электрически связаны между собой, образуя второй электрод, коллектор дополнительного инвертора содержит три части колец, l443I06

9 расположенных по окружности диска под углом 120 геометрических град. одна к другой и связанных с тремя контактными кольцами, которые через щеточные узлы подключены к трехфазной нагрузке, на штоках установлены упоры, в точках их верхнего положения неподвижно закреплены концевые переключатели, контакты каждого из которых включены в цепь между выводом

5 источника питания и управляющим выводом соответствующего тиристора, а редуктор имеет передаточное отношение один к трем.

1443106

Составитель В. Поляков

Техред А.Кравчук

Корректор Л. Патай

Редактор О.Головач

Тираж 666 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 6392/51

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