Вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение надежности путем исключения зон в положении ротора с нулевым электромагнитным моментом, возникающих при обрыве одной из фаз обмотки якоря. В вентильном электродвигателе фазы 1,2 якорной обмотки выполнены с отводами 25, 26 от половины их витков и введена дополнительная обмотка 22 дросселя 18, которая подключена к отводам 25,26 фаз якорной обмотки встречно основным обмоткам 19,20 дросселя 18. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБ ЛИК

„SU 150 221

А2 (51) 4 Н 02 К 29/06

Â. I ". СЕЯНА Я

1ЫЬ1* G е.-,й

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пО изОБРетениям и ОТНРытиям

ПРИ ГКНТ СССР

1 (61) 1387124 (21) 4281227/24-07 (22) 14.07.87 (46) 15. 08.89. Бюл. И- 30 (72) В.В.Омельченко, В.В.Шупрута, Г.Б.Михайлов, В.В.Путников, Е.А.Петров, В.Д.Тепляков и В.А.Куделя (53) 62 83:621.313.014 (088.8) (56) авторское свидетельство СОС.Р

Н 1387124, кл. Н 02 К 29/06, 1986. (54) ВЕНТИЛЬНЫИ ЗЛЕ КТРОДВИГАТ ЕЛЬ (57) Изобретение относится к.,элек2 тротехнике. Целью изобретения является повышение нацехности путем исключения зон в поло, кении ротора с нулевым электромагнитным моментом, ьоэникающих при обрыве одной нэ фаз обмотки якоря. В вентильном электродвигателе фазы 1, 2 якорной обмотки выполнены с отводами 25, 26 от половины их витков и введена дополнительная обмотка 22 дросселя 18, которая подключена к отводам 25 ° 26 фаз якорной обмотки встречно основным обмоткам 19, 20 дросселя 18.

2 ил.

3 1501221

Изобретение относи гся к электротехнике, а именно к вентильным электродвигателям.

Цель изобретения — повышение наS дежности при сохранении высоких энер- гетических показателей путем исклн чения эон в положении ротора с нулевым электромагнитным моментом, возникающих при нарушении электрической связи между одной из двух фаз якорной обмотки и источником питания.

На фиг.i представлена функциональная схема вентильного электродвигателя; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Вентильный электродвигатель (фиг.1) содержит синхронную машину с фазами 1, 2 якорной обмотки, мостовые коммутаторы 3, 4, выполненнйе 20 на транзисторах, 5-8 и 9-12 соответственно, датчик положения 13 ротора синхронной машины, формирователь 14 зоны коммутации меньше

180 эл.град, формирователь 15 эоны 25 коммутации больше 180 эл.град, отключающие реле 16 и 17, дроссель

18 с двумя основными силовыми обмотками 19 и 20, соединенными между собой последовательно согласно, изме- 30 рительной обмоткой 21 и дополнительной обмоткой 22, пороговый блок 23, инвертирующая цепь 24. Фазы якорной обмотки выполнены с отводами 25, 26 от половины их витков. Дополнительная обмотка 22 дросселя 18 подключена к отводам 25, 26 встречно по отношению к обмоткам 19, 20.

Фаза 1 обмотки якоря синхронной машины включена в первую диагональ 4 мостового коммутатора 3, а фаза 2— в первую диагональ мостового коммутатора 4. Один вывод второй диагонали каждого коммутатора 3, 4 подключен к одному зажиму источника пи- 45 тания. Выход датчика положения 13 ротора подключен к входам формирователей зоны коммутации 14 и 15, выходы которых через отключающие реле 16 и 17 подключены к управляющим входам силовых ключей мостовых коммутаторов (инверторов) 3 и 4 соответственно. Второй вывод второй диагонали инвертора 3 соединен со свободным выводом силовой обмотки 19, а второй вывод — второй диагонали

55 инвертора 4 — к свободному выводу силовой обмотки 20 дросселя 18. Точ-ка соединения начала силовой обмотки

19 и конца силовой обмотки 20 подключена к другому зажиму источника питания. Измерительная обмотка 21 дросселя 18 подключена к входу порогового блока 23, выход которого подключен к управляющему входу отключающего реле 17 и через инвертирующую цепь 15 к управляющему входу отключающего реле 16.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

В исходном состоянии отключающие реле 16 и 17 разомкнуты. При подаче на двигатель напряжения источника питания сигналы датчика положения

13 ротора совместно со схемой управления будут периодически переключать силовые транзисторы мостовых коммутаторов 3 и 4 в последовательности, обеспечивающей изменение ИДС

F и F< в соответствии с диаграммами фиг.2 а, б.

Пусть в момент g) t=0 насыщены транзисторы 7,8 и 12.

Так как конец 27 фазы 1 остался подключенным к источнику питания через два последовательно соединенных силовых транзистора 7, 8 мостового коммутатора 3, то пусковой ток двигателя будет протекать по следующим цепям: первая часть тока — от шины "+" источника питания через обмотку 19, транзистор 7, половину фазы 1 в направлении от конца 2 к средней точке, дополнительную обмотку 22, половину фазы 2 в направлении от средней точки к концу 28, транзистор 10 на шину "-" источника питания; одновременно вторая часть пускового тока потечет от шины "+ источника питания по обмотке 20 через транзистор 9, фазу 2 в направлении от конца 28 к концу 29, транзис- . тор 12 на шину "-" источника питания. При повороте ротора на угол с )с=%/2 от положения u)t=0 в мостовом коммутаторе 4 закроются транзисторы 9 и 12 и откроются транзисторы

10 и 11. При этом пусковой ток потечет по цепям: первая часть тока— от шины "+" источника питания через обмотку 19, транэистср 7, половину фазы 1 от средней точки 25 к концу

27, дополнительную обмотку 22, половину фазы 2 от средней точки 26 к концу 28, транзистор 10 к шине источника питания; вторая часть тока — от шины "+" источника питания

5 150 через обмотку 20, транзистор 11, фазу 2 от конца 29 к концу 28, транзистор 16 к шине "-" источника питания.

При повороте ротора на угол t=

=У от положения u1t=0 произойдет запирание транзистора и насыщение транзистора 8 мостового коммутатора

3. Пусковой ток двигателя потечет по цепям: первая часть тока — от шины "+ источника питания через обмотку 20, транзистор 11, половину фазы 2 от конца 29 к средней точке

26, дополнительную обмотку 26, полонину фазы 1 от средней точки 25 к концу 27, транзистор 8 к шине источника питания; вторая часть тока — от шины "+" источника питания через обмотку 20, транзистор 11 фазу 2 от конца 29 к концу 28, транзистор 10 к шине "-" источника питания.

В дальнейшем процессы в двигателе протекают аналогично, периодически повторяясь н зависимости от угла поворота ротора, В момент пуска двигателя, когда е угловая скорость вращения ротора еще очень мала ((-(3"-О), гусковые токи, протекающие по фазам 1 и 2, создают магнитоднижущие силь((МДС) с амплитудами соответственно F„ = и

WКиF=--WК

S сБ g R 5 o(S 5 (L — напряжение питания двигателя;

R< — сопротивление фазы; Уу. — число витков фазы; К вЂ” обмоточный коэффициент), диаграммы которых для полного периода коммутационных процессов приведены на фиг.2 а, б (непрерывные линии). МДС F и Е2, взаимодействуя по отдельности с магнитным потоком индуктора (ротора), обеспечивает создание в днигателе пусковых вращающихся электромагнитных моментов соответственно ш,(и m опреде2> ляемых выражением: .m„=F„11 /sin ((- ät) /

F„+ /sin

à 1. ) / s ill(— u) t) /

iP /cos W t/, где (Р- MII íèòíbé поток индуктора.

Операцию взятия модуля тригонометрических функций з(пий и сон() й

1221 6 н вентильном двигателе осуществляют мостовые коммутаторы 3, 4, управляемые сигналами датчика положения ротора. Физический.смысл этой операции состоит в обеспечении указанными устройствами однонаправленности электромагнитного момента за счет периодического изменения направления го—

10 -8 н фазах 1, 2 в моменты вре е когда угол между соответствующим нектором МДС и вектором ф достигает значения 0 эл.рад. Игновенное значение суммарного пускового электромагнитного момента вентильного двигателя ш,(равно сумме моментов m и ш

m =mÄ+m = ф F(/sinu) t/ +

+/сон (ь) t/), где F = F =F(t при (д =0 н момент пуска двигателя; диаграммы моментон m<, ш2 и ш (- приведены на фиг.2 в, г, д сплошными линиями.

Среднее значение пусконого электромагнитного момента м (фиг.2д) определяется путем интегрирования выражения для тк((, в пределах от (,)с=-0 до сд (=-И 2:

2 2

m = — — f F J (/sin ult/ +

SA r(+/cos u)t/) d >at

35 у f(i/

2 F(-cos Mt/+sin 3С / )=

Я

4 — F

Л

Под действием момента м а* частота вращения ротора двигателя увеличивается и на силовых обмотках 19 и

20 дросселя 18 возникает благодаря их питанию разностью выпрямленных мостовыми коммутаторами косинусоидальной и синусоидальной ЭДС вращения фаз, переменное напряжение, близкое к треугольному, частота которого равна удвоенной частоте ЭДС-фаз, а амплитуда пропорциональна частоте вращения ротора. Постоянное напряжение питания двигателя суммируется с треугольным переменным напряжением на обмотках 19, 20. Результирующее напряжение подается в фазе с переменным напряжением на мостовой инвертор 3 и в противофазе на мосто- вой инвертор 4, что обеспечивает при

15Г!221 переклочении транзисторов инвертсрав по сигналам датчика положения ротора, формирование в фазах якорной обмотки практически прямоугольных раэнопалярных токов при любых режимах работы двигателя. На вертикальной обмотке 21 дросселя 18 также генерируется напряжение, амплитуда которого пропорциональна частоте вращения вала электродвигателя. Это напряжение сравнивается с напряжением, пропорциональным заданной частоте вращения, при превышении которого пороговый блок 23 срабатывает и вырабатывает сигнал на замыкание контактов реле 17 и через инвертирующую цепь 15 — .на размыкание контактов реле 16. При этом силовые ключи инверторов 3 и 4 начинают коммутировать ток в фазах 1 и 2 якорной обмотки с зоной коммутации, превышающей 180 эл.град. Последнее практически устраняет высокочастотные пульсации токов в фазах якорной об- 25 мотки и исключает возникновение перенапряжений на силовых транзисторах в моменты их выключения, что обеспечивает существенное повышение энергетических показателей- вентильного электродвигателя, снижение пульсаций мгновенной частоты вращения его вала и, как следствие, значительное (в несколько раз) увеличение срока службы подшипников и всей машины.

Так как дополнительная обмотка

22 дросселя 1О, в которой также генерируется переменное напряжение, подключена к выводам от половин фаз якорной обмотки в противофазе с последовательно согласно включенными обмотками 19, 20 и имеет в два раза меньше витков, по сравнению с общим числом витков этих обмоток, то сумма напряжений и ЭДС, действующих в

45 замкнутом контуре, образованном указанными обмотками, половинами фаз якорной обмотки и насыщенными транзисторами мостовых коммутаторов 3, 4 в любой момент времени будет ранна нулю. Поэтому при исправном состоянии вентильного электродвигателя ураннительный ток в обмотке 22 не протекает, и объединение выводов 25, 26 фаэ 1, 2 через эту обмотку не оказывает отрицательного влияния на энергетические показатели машины.

Рассмотрим процессы в двига геле в случае, когда н момент ега пуска или да этого момента произойдет нарушение электрической связи между одной из двух фаз якорной обмотки и источником питания из-за обрыва одного конца фазы или из-эа выгорания" двух последовательно соединенных силовых транзисторов мостового коммутатора.

Пусть для определенности произошло отсоединение от источника питания, изображенного на фиг.1, конца

30 фазы 1. При подаче на двигатель напряжения источника питания сигналы датчика положения 13 ротора совместно со схемой управления будут периодически переключать силовые транзи " торы мостовых коммутаторов 3 и 4 и последовательности, обеспечивающей изменение ИДС F„ и Р в соответствии с диаграммами фиг.2 а, б. Так как конец 27 фазы 1 остался падкгпоченным к источнику питания через дна последовательно соединенные силовые тиристоры 7, 8 мостового коммутатора

3, то пусковой так двигателя будет протекать в один палупериод по цепям: первая часть тока потечет ат плюсовой шины источника питания, »рез обмотку 19, силсной транзистор

7 мостового коммутатора 3, через половину витков фазы 1 ат конца 27 к средней точке 25 по дополнительной обмотке 22, через силовой транзистор 12 мостового коммутатора 4 и на минусавую шину источника питания, вторая часть пускового тока потечет от плюсовой шины источника питания по обмотке 20, через насыщенный транзистор 11 мостового коммутатора 4, по второй фазе 2, через насыщенный транзистор 10 мостового коммутатора

4 и на минусовую шину источника пи тания. При повороте ротора двигателя на угол до.=/2 от исходного положения, когда

4 закроются транзисторы 11, 10, а откроются транзисторы 9, 12. При этом направление тока в фазе 2 изменится на обратное, а полный пусковой ток потечет по левой половине витков фазы 2.

При повороте ротора двигателя на угол U t % от исходного положения произойдет эапирание верхнего пра-, нага транзистора мастанага коммутатора 3 и насыщение его нижнего левого транзистора. Направление тока в полонине витков фазы 1 изменится на

F = --- — W- K

4 3В 5 оба

S что в три раза меньше, чем в случае исправного двигателя (диаграмма F на фиг.2 а, изображенную прерывистой линией).

Во второй фазе величина МДС F не изменится, так как по одной поло вине ее витков будет протекать половина пускового тока двигателя, а по другой — полный пусковой ток I > двйгателя

Wñ — К + о6

2 0,75 R5

0„75 R, U — — К

1,5 К

К о 5

9 150 противоположное. В дальнейшем процессы в двигателе будут повторяться.

Так как в результате рассмотренной неисправности половина пускового. ! тока I - — — -- — двигателя проте0,75 R> кает по половине витков фазы 1, то ее МДС будет теперь определяться выражением

1221 10

30 работоспособность после возникновения рассмотренной неисправности.

Из приведенных на фиг.2 в, r, д графиков следует, что среднее значение электромагнитного момента предложенного двигателя уменьшается лишь в 1,5 раза при появлении в нем рассмотренной неисправности.

Следует отметить, что среднее значение электромагнитного момента вентильного двигателя с дублированчыми фазами и мостовыми коммутаторами при обрыве одной иэ фаз было бы больше, чем в предложенном в".åãî на 12,57. Однако такое увеличение среднего момента достигалось бы ценой увеличения числа силовых транзисторов и фаэ якорной обмотки в 2 раза по сравнению с предложенным вентильным двигателем.

Таким образом, выполнение фаз якорной обмотки и вентильном двигателе с отводами от половины их витков, снабжение дросселя дополнительной обмоткой, имеющей число витков, равное числу витков одной иэ двух его основных последовательно согласно соединенных силовых обмоток, и подключение дополнительной обмотки к отводам фаэ в противофазе с основной обмоткой существенно повышает надежность вентильного двигателя.

Из рассмотренного следует, что электромагнитный момент, создаваемый фазой 1, уменьшится в 3 раза (фиг.2 в прерывистая линия), а момент, создаваемый фазой 2 не изменится ° Поэтому диаграмма электромагнитного момента вентильного двигателя т будет иметь вид, показанный на фиг.2д штриховой линией. Из диаграммы видно, что минимальное значение пускового момента т при возникновении неисправности составляет 1/3 от минимального значения пускового момента исправного двигателя. Так как обычно номинальное эначение момента двигателя постоянного тока составляет 1/5 — 1/8.от пускового момента, то предложенный вентильный двигатель будет сохранять

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель по авт.св. Р 1387124, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения надежности путем исключения эон в положении ротора с нулевым значением электромагнитного момента, возникающих при нарушении электрических связей, дроссель снабжен дополнительной обмоткой с числом витков одной из его основных обмоток, а каждая фаза якорной обмотки выполнена с отводом, выводы дополнительной обмотки дросселя соединены с отводами фаз якорных обмоток встречно по отношению к основным обмоткам дросселя.

1501221 гп д

0, Составитель А.Головченко

Техред М.Ходанич .- Корректор С,Шекмар

Редактор М.Товтин

Заказ 4886/53 Тирах 646 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета о изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r ° Ухгород, ул. Гагарина, 101