Вентильная электрическая машина

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

Iit>959225 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву{51)M Кп з (22) Заявлено 030381 (21) 2965912/24-07 с присоединением заявки ¹вЂ” (23) Приоритет—

Н 02 К 29/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 313.13. .014.2:621.382 (088.8) Опубликовано 150982, Бюллетень ¹ 34

Дата опубликования описания 15.09. 82 с с ф с с

В.A.Ëîìàêèí (72) Автор изобретения сс с с с,,.

Азербайджанский институт нефти и химии им. М.Азиз1Ыкова-:= .. (71) Заявитель (54) BEHTHJIbHAII ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ MAIIIHHA

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к машинам: постоянного тока с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов.

Известны вентильные машины с питанием, например, от сети постоянного тока, содержащие расположенную на. роторе обмотку возбуждения и неподвиж- 1п ную многосекционную обмотку якоря.

Между каждой парой смежных секций имеется точка отвода, к которой подключаются полупроводниковые переключающие устройства, связывающие точку отвода с разнополярными зажимами источника (1).

В известном устройстве переключающие устройства рассматриваются как .идеальные ключи, обеспечивающие подключение и отключение обмотки якоря к источнику питания в необходимые моменты времени беэ каких- либо.дополнительных коммутирующих элементов.

Однако в бесконтактных машинах,особенно при мощностях более 10 кВт, 25 в качестве переключантцих устройств применяют тиристоры, которые обеспечивают .работоспособность машины лишь в совокупности с дополнительными коммутирующими элементами. Последние, в свою очередь, определяют сложность всей системы.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является бесколлекторная машина постоянного тока, содержащая расположенную на роторе обмотку возбуждения, неподвижную многосекционную . ббмотку якоря, с

К выводами которой связаны 2K@ ключевых элемента, содержащих по несколько последовательно включенных тиристоров, образукзцих анодную и катодную группы,каждая из которых состоит из двух подгрупп содержащих К ф ключевых элементов, связанных с четными или нечетными выводами обмотки якоря, и подключается объединенными в две точки однополярными электродами этих элементов к соответствующим зажимам источника питания через управляемые вентили анодного и катодного коммутирующих блоков, образукщих совместно с ключевыми элементами вентильный переключатель 1.21.

В данном устройстве каждый ключевой элемент должен быть рассчитан на полное напряжение источника питания

Uи . Если рекомендуемое рабочее напряжение применяемых тиристоров Ор меньше Ои, то возникает необходи959225 мость в последовательном соединении нескольких полупроводниковых приборов-тиристоров, минимальное число которых будет И = Он/0р.Если И 71, то количество тиристоров в вентильном переключателе бесконтактной машины существенно возрастает, а схема усложняется.

Кроме того, недостатками являются большие масса и габариты, а также сложность схемы вентильного переклю- lQ чателя из-за необходимости использовайия в каждом ключевом элементе

И последовательно соединенных тиристоров, если U»Ор.

Цель изобретения — снижение массы 5 и габаритов машины, а также упрощение схемы вентильного переключателя машины.

Поставленная цель достигается.тем, что в устройстве каждые и ключевых элементов любой подгруппы объединяются в ключевые узлы, в которых первый ключевой элемент содержит последовательно включенных тиристоров второй элемент — и — 1 тиристоров

25 подключен к управляемым вентилям анодного или катодного блока через один тиристор первого ключевого элемента третий элемент й- 2 тиристоров подключен к вентилям тех же блоков через два последовательно включенных тиристора, из которых один. является общим для первого и второго, а другой — для второго и третьего ключевых элементов и т.п. и-и ключевой элемент узла содержит один тиристор и подключен к 35 коммутирующему блоку через H — 1 последовательно включенных тиристоров.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема вентильной машины постоянного тока. Обмотка возбужде- 40 ния на чертеже не показана. Обмотка якоря содержит двенадцать секций. Для упрощения чертежа некоторые ключевые элементы представлены пунктирными линиями с соответствующей маркировкой. 45

Машина содержит неподвижную многосекционную обмотку 1, с выводами которой связаны ключевые элементы (тиристоры) 2 — 13 анодной и 14-25 катодной групп. Каждая группа состоит из двух пЬдгрупп, связанных с четными или нечетными вйводами, и подключается объединенными в две точки однополярными электродами 26-29 ключевых элементов к соответствующим зажимам источника питания через управляемые вентили тиристоры) 30-33 анодного 34 и катодного 35 коммутирующих блоков, образующих совместно с ключевыми эле-.. ментами вентильный переключатель машины. Необходимая последовательность 60 включения тиристоров обеспечивается схемой 36 управления. Каждый коммутирующий блок содержит коммутирующие элементы из двух конденсаторов 37 и

38 и четырех тиристоров 39-42. Ком- 6S мутирующие элементы катодного блока на чертеже не показаны. Уменьшение числа тиристоров в вентильном переключателе достигается за счет того, что каждые три ключевых элемента любой подгруппы объединяются в ключевые узлы, в которых первый ключевой элемент (например B) содержит три тиристора, второй элемент 10 - два тиристора и подключается к управляемому вентилю 31 анодного блока через один. тиристор 8 первого ключевого элемента. Третий ключевой элемент 12 содержит один тиристор и подключается к вентилю 31, через два последователь. но включенных тиристора 8 и 10, причем тиристор 8 является общим для восьмого и десятого, а тиристор 10 для десятого и двенадцатого ключевых элементов. Таким образом, три ключевых элемента содержат шесть тиристоров вместо девяти при обычной схеме соединения.

При работе машины в установившемся режиме намагничивающая сила обмот- ки якоря вращается с той же угловой скоростью, что и основное магнитное поле. Ток в обмотке якоря протекает через вывода, связанные с секциями, расположенными в нейтральных зонах между главными полюсами. В этих секциях осуществляется коммутация тока.

Допустим, что машина вращается с постоянной скоростью, а ток якоря18 протекает от источника питания через тиристоры 31-2 - обмотку якорятиристоры 20, 22, 24 и 32. Остальные тиристоры заперты. В некоторый момент времени секция обмотки якоря, связанная с ключевыми элементами 2 и 3, входит в нейтральную зону. При этом со схемы управления поступают сигналы на включение тиристоров 42 и 3. Коммутирующий конденсатор 38, предварительно заряженный до напряжения, полярность которого обозйачена на рисунке без скобок, начинает разряжаться через секцию обмоткй якоря по контуру конденсатор 38-3 ключевой элемент тиристор 2-42, конденсатор 38. Когда разрядный ток конденсатора достигает значения * эя > а напряжение на нем изменяет йолярность, ток в коммутируемой секции равен нулю. В тот же-момент времени отпираются тицисторы 41 и 30. Конденсатор переэЪряжается по контуру: конденсатор 38, тиристоры 42, 31 и 30, конденсатор 38.

После того, как прямой ток тиристора 42 становится равным нулю; перезаряд конденсатора продолжается через открытый тиристор 41, конденсатор 38, тиристоры 31 и 30, конденсатор 38.. В момвит времени, когда ток конденсатора свановится равным значению прямого тока через тиристор, 959225

31, последний-отключается, а перезаряд 38 продолжается от источника питания через открытые тиристоры

30, 41 и 2. Когда конденсатор перезарядится до напряжения исходной полярности, его ток, а также прямой ток ключевого элемента 2, становятся равными нулю. В коммутируемой секции ток 8 изменяет направление, а ток якоря продолжает протекать по тиристорам 30 и 3, обмотке якоря, тирис- 10 торам 20, 22, 24 и 32. На этом за« канчивается коммутационный цикл s секции, связанной с ключевыми тирис- торами 2 и 3. аналогично протекают коммутаци- (5 онные процессы в секциях, связанных через ключевые тиристоры с катодным коммутирующим блоком.

Коммутационный процесс в секции, связанной с ключевыми элементами 3 20 и 4, начинается после вхождения ее в нейтральную зону машины. Этот процесс, аналогично рассмотренному выше, завершает отключение тиристоров, 30 и 3, полный ток которых берут на себя тиристоры 31, 2 и 4, При последующих коммутациях включаются тиристоры 30, 3 и 5, затем 31 2, 4, б, 30, 3 5 и 7 и т д.

При разработке принципиальной схемы вентильного переключателя необходимо прежде всего учитывать потенциальный режим обмотки якоря. Последний можно характеризовать средним . напряжением Uz приходящимся и одну секцию

Ч»= 20Н/К2 (1)

Одновременно должно выполняться и другое условие

Ор 7 20 (2)

Условие (2) объясняется структурой и режимом работы схемы, из которого следует, что максимальное напряжение, прикладываемое к одному тиристору, мо.45 жет быть не более удвоенного значения среднего напряжения одной секции.

Из (1) и (2) можно определить минимально необходимое число выводов обмотки 50

K r4Ug f()р (3)

Эффективность схемы может быть оценена коэффициентом уменьшения числа тиристоров в ключевых элементах вен« тильного переключателя, который зависит от необходимого числа и последовательно включенных тиристоров в ключевых элементах и определяется по о е ф рмул

f1-(n+ 1)/231). (4)

С увеличением числа эффективность возрастает и 0 33 0 375- 0 4 0 4166 и 3 4 5 6 М

Рассмотрим в качестве примера использования зависимостей (4) расчет ключевых элементов машины, представленной на чертеже. Исходные данные:

Он = ЗОООВ, Up = 1000B; и = 3. К определяется по формуле (3) К = 12.

Общее число тиристоров в ключевых элементах бесколлекторной машины 2К И =

= 72 шт. Число тиристоров в ключевых элементах предлагаемой схемы будет

2К И (1-g> ) = 48 шт, т.е. на ЗЗЪ ьюйьше. Однако при уменьшении числа тиристоров в ключевых элементах нагрузка некоторой части тиристоров увеличивается. Например, если ключе,вой элемент 6 находится в проводящем

I состоянии 1/12 часть от. времени пово:,.рота ротора на 360 эл.град,то тиристоры 2, 3, 8 и 9 и т.п.) имеют общее время открытого состояния в три раза больше, а тиристоры 4 и 5 и т.п. в два раза больше. Проведенные расчеты показывают, что при работе с постоянными скоростью и нагрузкой машины перегрев тиристоров 4 и 5 и т.п. будет на 2У С больше, а 2 и 3 и т.п. на

40 С больше, чем у тиристоров с временем открытого состояния равным 1/12 от 360 зл.град. Указанное обстоятельство необходимо также принимать во внимание при разработке схемы вентильного переключателя. Например, при расчете температурного режима элементов необходимо так подбирать их параметры, чтобы наибольший перегрев имели бы тиристоры 4 и 5 и т.п.

Тогда основная масса тиристоров с времейем открытого состояния, равным

1/12 от 360 эл. град, будет работать с меньшим перегревом.. A в качестве тиристоров 2 и 3 и т.п. общее число которых невелико, можно применять либо тиристоры большей мощности,либб по два параллельно включенных тиристора той же мощности, что и все остальные. В последнем случае эти тиристоры будут несколько недоиспользованы по мощности, а эффектив,ность предлагаемой схемы соответственно уменьшится

Формула изобретения

Вентильная электрическая машина, содержащая расположенную на роторе обмотку возбуждения, неподвижную мнОгосекционную обмотку якоря, с К выводами которой связаны 2К ключевых элементов, содержащих по несколько последовательно включенных тиристоров образующих анодную и катодную группы, каждая из которых в свою очередь, состоит из двух подгрупп, содержащих ь/2 ключевых элементов, :связанных каждая либо с четными, либо с нечетными выводами обмотки якоря, и подключена однополярными

959225 электродами элементов группы к соответствующим зажимам источника питания через управляемые вентили анодного и катодного коммутирующих блоков, образующих совместно с ключевымн элементами вентильный переключатель, и схему управления, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью упрощения схемы вентильного переключателя, каждые и ключевых элементов любой подгруппы объедиНЕны в ключевые узлы, в которых первый..ключевой элемент содержит П последовательно включенных тиристоров, второй элемент й- 1 тиристоров подключен к управляемым вентилям анодного или катодного блока через один тиристор первого ключевого элемента, третий элемент и — 2 тиристоров подключен к вентилям тех же блоков через два последовательно включенных тиристора, нз

-которых один является общим для первого и второго, а другой - для второго и третьего ключевых элементов и т.д., и -й ключевой элемент узла содержит один тиристор и подключен к коммутирующему блоку через и — 1 последовательно включенных тиристо>О ров.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании Ю 1396533, кл.. H 02.К 29/02, 1973.

35 2. Дж.Мэрфи. Тиристорное управление двигателями переменного тока. N. Энергия, (пер. с англ.), 1979, .с. 204-206 .