Вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к регулируемым электрическим машинам переменного тока различного назначения при работе их от преобразователей частоты. Целью изобретения является уменьшение пульсаций момента, улучшение энергетических показателей и расширение области применения. Вентильный электродвигатель содержит вспомогательную электрическую машину 5 с однофазной обмоткой 6 якоря, расположенной на роторе, жестко связанном с индуктором 3 электромеханического преобразователя 1 вентильного электродвигателя, и расположенной на статоре M-фазной обмоткой 7 возбуждения, соединенной с M-фазным трансформатором 8 тока. Обмотка 6 якоря вспомогательной электрической машины соединена с дополнительной обмоткой 7 возбуждения электромеханического преобразователя, ось которой совпадает с осью полюсов индуктора 3 электромеханического преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (51)4 Н 02 К 29/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П(НТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4215982/24-07 (22) 26 03 87 (46) 15,05.89. Вял, М 18 (71) Всесошзный научно †исследовательский институт электромашиностроения (72) Р, К. Евсеев и А. С, Сазонов (53) 621,313,292(088,8) (56) Аракелян А. К,, Афанасьев А, А,, Чиликин M. Г, Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. M ° : Энергия, 1977, с, 18-23, Авторское свидетельство СССР

Ф 1356134, кл. Н 02 К 29/06, 1985, (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛВКТРОДВИГЛТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике, конкретно — к регулируемым электрическим машинам переменного . тока различного назначения при работе их от преобразователей частоты. Целью изобретения является уменьшение пульсаций момента, улучшение энергетических показателей и расширение области применения, Вентильный .электродвигатель содержит вспомогательную электрическую машину 5 с однофазной- обмоткой 6 якоря, расположенной на роторе, жестко связанном с индуктором 3 электромеханического преобразователя 1 вентильного электродвигателя, и расположенной на статоре тя-фазной обмоткой 7 возбуждения, соединенной с

m-фазным трансформатором 8 тока, обмотка 6 якоря вспомогательной электрической машины соединена с дополнительной обмоткой 7 возбуждения

С> электромеханического преобразователя, ось которой совпадает с осью полисов индуктора 3 электромеханического преобразователя ° 1 з,п. ф-лы, 3 ил.

1480046

Изобретение относится к электромеханике, конкретно к регулируемт.ттт электрическим мятпиням переменного тока различного назначения при работе их от преобразователей частоты, Целью изобретения является уменьшение пульсаций момента ВД, улучтяение энергетических покязятеттей и расширение области применения. 10

Па фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема нентильного электродвигателя (ВД); ня фиг. 2 конструктивная схема злектромехянического преобразователя (ЭМП) и вспо- 15 могательной электрической машины (ВЭМ); ня фиг. 3 — векторная диаграмма нентильного электродвигателя.

ВД (фиг. 1) содержит ЭМП l, включатнщий н себя 2 р — ттолисттуто тт-фаз 20 обмотку 2 якоря, иттдуктор 3, дополнительную обмотку 4 возбуждения, .ВЭI 5 с однофазной обмоткой 6 якоря и m-фязной обмоткой 7 возбуждения, ттт — фязный трансформатор 8 тока, преоб- 25 ряэовятель 9 частоты, систему 10 управления, датчик частоты и фязы (ДЧф!

11 напряжения якоря ЭМП I, ДЧф 1 2 напряжения источникя питяттия.

ЭМП 1 включает тт себя 2 р — ттолюсную 30

m-фязную обмотку 2 якоря, каждая фаза которой выполнена из двух тзетней, рясттоложеттнгтх одття отттосительтто другой ня угол тт/р и соединенных между собой разноименными выводами, Индук- 35 тор 3 ЭМП 1 снабжен дополни гельттой обмоткой 4 возбуждения, ось которой сонпадяет с осью полюсов индуктора

3, ДопоJIíèòåëbíëÿ обмотка 4 возбуждения сВоими зажимами соединена с выно- 40 дами однофязной обмотки 6 якоря ВЭМ

5, расположенной ня роторе, жестко связанном с индуктором 3 ЭМП 1, Пя статоре ВЭМ 5 расположена тт-фязная обмотка 7 возбуждения, каждая фаза которой подключетттт к оцной из фаз трансформатора 8 тока, включенного а выходе преобразователя 9 частоты, Управляемый вход преобрязонателя 9 частоты связан с выходом системы 10 управления, вход которой связан с выходами ДЧ тт 11 напряжения якоря ЭМП 1 и ДЧттт 12 напряжения источника питания, Конструктивно ЭМП и ВЭМ 5 объединены (фиг. 2), причем ЭМП 1 выпол- 5 нен н виде. дисковой синхронной электрической машины, включающей н себя тороидальный cTятор жестко закрепленный н корпусе 13 с помощью немагттитной втулки 14. Стятор 15 состоит из кольиеного магнитопронода 15 и

m-тЬазной кольцевой обмотки 2, С обеих торцовых сторон через рабочий зазор к статорной обмотке примыкают магниты 16 индуктора 3, закрепленные неподвижно на магнитопроводе 17, Допол— нительная обмотка 4 кольцевого типа (обмотка Грамма) намотана на магнитопроводе 17 индуктора 3 и состоит из отдельных катушек, занимающих межполюсное.пространство, Все катушки включены последовательно, а катутттки, расположенные с двух сторон от полюса, нклттчеттьт встречно, Магнитопровод

17. имеет жесткую связь через немягнитопроводятттий диск 18 с ротором ВЭМ 5, состоящим из магнитопронода 19 и однофазной обмотки 6, Тороидальньтй статор ВЭМ 5, состоящий из кольцевого мягнитопровода 20 и m-фазной обмотки

7, закреплен с помощью немагнитной втулки 21 относительно статора ЭМП 1 на его внутренней поверхности. Немагнитный вал 22 имеет жесткую механическую связь через немягнитные диски

18 с магнитопроводом 19 ВЭМ 5. I .a валу 22 также закреплен магнитопровод

19 ротора с однотт>азной обмоткой 6, размещенный во внутреннем объеме тороидального статора ВЭМ 5 и отделенный от последнего радиальным рабочим зазором.

ВД работает следуютттим образом, Обмотка якоря ЭМП 1 получает питание от преобразователя 9 частоты с прямоугольной формой огибающей выходного напряжения. Работа преобразователя 9 частоты синхронизирована напряжением источника питания и напряжением (положением ротора) обмотки якоря ЭМП 1. Амплитуда подаваемого на обмотку якоря напряжения изменяется фазовым или амплитудным регули— рованием напряжения источника питания, а фаза — фазовым регулированием напряжения обмотки якоря ЭМП I. При этом эквивалентный выпрямленный. ток (модуль вектора тока якоря) ЭМП

1 содержит кроме постоянной составляющей переменные составляющие тока, обусловленные фазоным регулированием напряжения источника питания и обмотки якоря, которые и являются причиной пульсаций момента и ухудшения энергетических показателей ВД, Пульсации эквивалентного выпрямленного тока и момента, обусловлен1480046 (4) 20

40 (9) (10) При принятом услоВии (д! (3) и углах опережения 10 — 15 эл. град.

Fîd + Ь1-о! ные несинусоидальным питающим напряжением ЭМП I можно устранить, если проекцию вектора основного потокосцепления якоря на направление Е ортогональное вектору тока якоря .поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования тока возбуждения ЭМЛ l, для чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потоко сцепления ь 4 1< в выражении электромагнитного момента (фиг, 3) (V „+ ьЧ,у >i„(l) 15 где 1 — среднее значение проекции

КE вектора основного потоко— сцепления на направление ортогональное вектору тока якоря.

Из диаграммы изображающих векторов (фиг. 3) необходимая величина потокосцепления дополнительной обмотки 4 25 возбуждения ЭМП I по продольной оси

d определяется

Ь 4 Л4 gE /соя (< — — — /511 ), (2) (н! I

fd где р — угол опережения Включения при холостом ходе; текущий угол поворота, Выделение необходимой величины сигнала Ь1 для дополнительной обмотки 4 возбуждения Э%1 1 в ВД осуществляется с помощью трансформаторов тока и ВЭМ 5, имеющей н-фазнуи обмотку 7 возбуждения на статоре и однофазную обмотку 6 якоря, расположенную на роторе ВЭ!" 5, Основной поток ВЭМ 5 создается и-фазным возбуждением, ток в каждой 45 фазе обмотки возбуждения пропорционален фазному току обмотки якоря ЭМР

1, при этом в ВЗМ 5 создается Bpamaющееся поле возбуждения. Продольная и поперечная составляющие намагничивающей силы ВЗМ 5 при идеально сглаженном эквивалентном выпрямленном токе обмотки якоря 3NH I определяются из следующих выражений:

F = F cos (q — — — p ) с< о где F g, F Л f, A f + — постоянные и йеременные составляющие

H.Ñ. по осям d q

Fa — полная Н.С. обмотки якоря

ЭКП 1, df = Fa icos (4 р- p ) — - cospo)r с!!, а (5) 71 3

Ь Е = Fa)sin (V — п — 13 ) — sin pe I. (6) Обмотки ротора и статора ВЗМ 5 по расположении их магнитных осей выполнены аналогично соответствующих обмоток ЭМП 1. Благодаря тому, что ротор

ВЭМ 5 жестко соединен с ротором ЭМП 1 в однофазной обмотке якоря ВЗМ 5 наводятся асинхронные составляющие от переменных составляющих Н,С. ЬЕ,. обуславливающие протекание тока по дополнительной обмотке 4 возбуждения

ЭМП 1.

Уравнения (5), (6) через составляющие на оси Е, у можно переписать следующим образом:

Ь fs = dfE cos 8+ dfr з п 8 (7)

of„= ЬЕ соз e— - ЛГ зin e (8)

P где 8 — угол между продольной осью d и основным потокосцеплением якоря ЭМП l.

Для малых значений угла 6, характерных для ВД дисковой конструкции или компенсированных ВД, можно принять:

Переходя от ЬУ к действительному значению потокосцепления дополнительной обмотки 4 возбуждения ЭМП 1, имеем

5 14 отклонение действительного значения потокосцепленил от необходимого значения составляет не более + 101.

ОдноАазная обмотка 6 якоря 83M 5, работающей в режиме маломощного генератора, вырабатывает упранля|ощий сигнал с частотой, отличной от синхронной частоты напряжения ЭВЫ 1, и имеет электрическую связь с дополнительной обмоткой 4 возбуждения ЭМП 1, Обмотка 4 возбуждения создает продольное поле в зависимости от величины асинхронной составлл|ощей токового сигнала, поступающего от трансформаторов

8 тока через ВЭИ 5. Необходимые витки продольной дополнительной обмотки возбуждения (Аиг. 2) располагаются между постолн»ими магнитами 16 индуктора ЭМЛ 1. Опи не только изменяют величину основного потока 311! за счет намагничивания HJIll размагничивания основного потока, но и изменяют сопротивление магнитной цепи, влиял на магнитную проницаемость магнитопровода 17. Кроме того, обмотка 4 возбуждения . ?ИП 1, нагруженная на однофазную обмотку 6 БЭИ 5, создает дополнительный демпАирующий момент М который дополнительно способствует сглаживанию пульсаций момента на ва— лу ВД, При появлении асинхронной (относительно скорости поля основной машины) составляющей тока в ш-фазной обмотке 7 БЭМ 5 наводятся ?ДС в однофазной обмотке б ротора 83У. 5 и про— текает ток по виткам дополнительной обмотки 4 ЭМП 1. Этот ток вызывает поток + Ф п ЭИП 1, который, накладываясь на осповной поток Фо, приводит к изменению противо-ЭДГ ЭИП 1 так, чтобы компенсировались пульсации тока якоря ЭИП 1, Механизм действия допол— нительного потока + Ф напоминает действие потоков от демпАерных обмоток в полюсах машин постоянного и переменного тока. Отличие заключается.в

15

25

40 их сечения, резко снижаются омичес— кие потери и потери на вихревые токи, а величина демпАирующего потока + ф возрастает. Это приводит к увеличению эфАекта демпАирования и уменьшению пульсаций момента + М. Однако существует верхний частотный диапазон, на который реагирует данный способ демпфирования, определяемый эле-. ктромагнитной постоянной контура, включающего электромагнитную постоянную обмотки якоря РЭМ 5 и обмоток возбуждения БЭМ 5 и ЭМП 1, Но так как этот метод демпАирования рассчитывается на сравнительно низкочастотные составляющие момента, то он тем не менее эАфективен, Данное устройство позволяет без значительных энергетических затрат улучшить Аорму эквивалентного выпрямленного тока, резко уменьшить.его переменную составляющую и снизить дополнительные потери в ВД, возникающие от пульсаии-онных составляющих, которые, кроме

1 пульсаций момента и скорости, могут снижать КПД ВД на 10 — 20 .. Потери же в ВЭМ 5 не превосходят 1 — 5X от мощности ЭМП 1, а по габаритам и массе выгодно отличаются от дросселя, выполняющего аналогичную функцию.

Масса ВЭМ 5 меньше массы дросселя при аналогичных выходных параметрах и составляет не более 15 от массы

ЭМП 1. Масса дросселя может составить 40 — 50 от масси ЭИП 1 в зависимости от мощности ВД и диапазона регулирования. Таким образом, масса дросселя болыяе массы ВЭМ 5 более чем в 2 раза при выполнении аналогичных задач.

80046 6 щий эфАект демпАированил. В данном .устройстве. несмотря на малую величину тока, а следовательно, и омичес5 ких потерь в обмотках благодаря на1 личи|о большого числа витков и малого

55 том, что действие демпферннх обмоток, основанное на явлениях вихревых токов, малоэффективно. Кроме того, такие потоки вызывают значительный нагрев и потери, Несмотря на большие токи результирующие потоки, определяемые суммарными ампер †витка, будут невелики. A поверхностный эффект, вызывающий вытеснение токов ближе к поверхности проводников, увеличивает их внутреннее сопротивление и вызывает дополнительннй нагрев, снижающий обФормула из о бр е те ни я

1, Вентиль ный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, включающий в себя 2 рполюсную ш-фазную обмотку якоря, установленную на тороидальном магнитопроводе и связанную с выходом преобразователя частоты, управляющий вход которого связан с выходом системы управления, вход которой связан с выходами датчика частоты и фазы

1480046 напряжения якоря элек тромеханич еского преобразователя и датчика частоты и фазы напряжения источника питания, индуктор, ш-фаз ный трансАорма тор. то5 ка,отличающийся тем, что, с целью уменьшения пульсаций момента, улучшения энергетических показателей и расширения области применения, обмотка якоря выполнена кольцевой, введена вспомогательная электрическая машина с однофазной обмоткой якоря, расположенной на роторе, жестко связанном с индуктором электроме-, ханического преобразователя, и распо- 15 ложенной на статоре ш-фазной обмоткой возбуждения, каждая фаза которой подключена к одной из Лаз трансформатора тока, каждая фаза обмотки яко— ря электромеханического преобразователя выполнена из двух ветвей, расположенных одна относительно другой со сдвигбм на угол п /р и соединенных между собой разноименными выводами, индуктор электромеханического преоб- g5 разователя снабжен дополнительной обмоткой возбуждения, ось которой совпадает с осью полюсов индуктора, и соединенной зажимами с выводами однофазной обмотки якоря вспомогатель-ЗО ной электрической машины.

2, Электродвигатель по и. 1, о тлич ающий с я тем, что элек,тродвигатель снабжен немагнитной втулкой, тороидальный магнитопровод закреплен неподвижно относительно корпуса электромеханического преобразователя немагнитной втулкой, а ин— дуктор расположен с двух торцовых сторон якоря и выполнен в виде двух магнитопроводяших дисков с жестко закрепленными на них полюсами с чередующейсяя п олярно стью, о б раз ов анными встречно намагниченными постоянными магнитами трапецеидальной Лормы, в их межполюсном пространстве неподвижно закреплена однофазная кольцевая обмотка возбуждения, содержит 2р катушек, соединенных разноименными выводами, при этом к внутренней поверхности обмотки якоря через внутреннюю немагнитную втулку прикреплен статор вспомогательной электрической машины, в виде тороидального сердечника с кольцевой m-фазной обмоткой возбуждения, электродвигатель снабжен тремя кольцевыми магнитопроводами, а однофазная обмотка якоря вспомогательной элек трической машины, ось которой совпадает с дополнительной обмоткой электромеханического преобразователя, t расположена на кольцевых магнитопроводах, ротор содержит немагнитные диски, на которых неподвижно закреплены два кольцевых магнитопро.вода, немагнитные диски ротора жестко связаны с магнитопроводом индуктора и охватывают с двух торцовых сторон обмотку статора, а однофазная обмотка якоря расположена на магнитопроводе, закрепленном на немагнитном валу, напротив внутренней поверхности статора вспомогательной электрической машины.

1 4800 6

1480046

Составитель А. Санталов

Редактор О, Спесивых Техред H.Ñeðäþêoâà Корректор И, Муска

Заказ 2553/52 Тираж 647 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101