Вентильно-механический коммутатор электрической машины постоянного тока

 

Использование: в коллекторных электрических машинах постоянного тока, имеющих дополнительные устройства для улучшения коммутации. Сущность изобретения: в данном устройстве применение накопительного конденсатора позволяет преобразовать индуктивную энергию коммутируемой секции в энергию электрического поля, которая затем преобразуется в индуктивную энергию дросселя. При размыкании коммутирующего элемента энергия рекуперируется ( возвращается ) в источник электропитания машины. 2 ил.

Изобретение относится к коллекторным электрическим машинам постоянного тока, имеющим дополнительные устройства для улучшения коммутации.

Известен коммутатор электрической машины постоянного тока [1], содержащий коллектор и щетки, разрезанные по высоте на части, изолированные друг от друга, причем выводы этих частей объединяются и подключаются к соответствующим зажимам источника электропитания машины. Указанная конструкция используется для увеличения сопротивления добавочному току коммутации, но одновременно при недостаточной эффективности существенно снижается КПД машины, что является главным ее недостатком.

Известен вентильно-механический коммутатор электрической машины постоянного тока [2] , содержащий коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки и вспомогательной щетки, располагаемой со стороны сбегающего края основной и изолированно от нее, причем основная щетка каждой группы определенной полярности подключена к зажиму соответствующей полярности источника электропитания машины и к одному из входных зажимов мостового выпрямителя, а вспомогательная щетка подключена к другому входному зажиму выпрямителя, к выходу которого подключено устройство улучшения коммутации, выполненное в виде транзисторного блокинг-генератора, играющего роль ключевого замыкателя. В транзисторе и диодах устройства рассеивается энергия коммутируемой секции. Кроме того, вентильно-механический коммутатор [2] обладает невысокой надежностью, в особенности для машин с тяжелыми условиями эксплуатации (запыленность, влажность, агрессивная среда и т. п. ), поскольку в момент размыкания контакта "щетка - пластина" возникает кратковременный импульс перенапряжения, зажигающий микродугу, которая затем срывается при срабатывании блокинг-генератора.

Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату и принято за прототип.

Недостатками его являются невысокая надежность и низкие энергетические показатели устройства коммутации машины.

Целью изобретения является повышение надежности и энергетических показателей устройства коммутации.

Цель достигается тем, что в вентильно-механический коммутатор электрической машины постоянного тока, содержащий коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки и вспомогательной щетки, располагаемой со стороны сбегающего края основной и изолированно от нее, причем основная щетка каждой группы определенной полярности подключена к зажиму соответственно полярности источника электропитания машины и к одному из входных зажимов мостового выпрямителя, а вспомогательная щетка подключена к другому входному зажиму выпрямителя, дополнительно введены конденсатор, дроссель, первый и второй диоды и управляемый полупроводниковый коммутирующий элемент со схемой управления, при этом конденсатор и цепочка последовательно соединенных дросселя и коммутирующего элемента подключены к выходу мостового выпрямителя, причем положительный электрод коммутирующего элемента соединен с анодом первого диода, катод которого соединен с положительным зажимом источника электропитания, а отрицательный электрод коммутирующего элемента - с катодом второго диода, анод которого соединен с отрицательным зажимом указанного источника.

На фиг.1 и фиг.2 приведены варианты схемы вентильно-механического коммутатора, показанные со стороны одного (положительного) зажима источника электропитания машины и одной группы щеток, причем в схеме фиг.1 в качестве управляемого коммутирующего элемента применен транзистор, а в схеме фиг.2 - тиристор. В качестве управляемого коммутирующего элемента могут использоваться и другие управляемые приборы силовой полупроводниковой электроники.

Вентильно-механический коммутатор содержит коллектор с чередующимися проводящими 1 и изолирующими 2 пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки 3 и вспомогательной щетки 4. К проводящим пластинам 1 подключены выводы секции 5 замкнутой обмотки якоря машины. Основная щетка 3 подключена своим выводом к положительному зажиму 6 источника электропитания машины и к одному из входных зажимов мостового выпрямителя 7, а вспомогательная щетка подключена к другому входному зажиму выпрямителя 7, к выходным зажимам которого подключены конденсатор 8 и цепочка последовательно соединенных дросселя 9 и коммутирующего элемента 10 со схемой управления 11. Положительный электрод коммутирующего элемента (коллектор транзистора n-p-n-типа на фиг.1, анод тиристора на фиг.2), соединен с анодом диода 12, катод которого соединен с положительным зажимом 6 источника электропитания машины. Отрицательный электрод коммутирующего элемента 10 (эмиттер транзистора n-p-n-типа на фиг. 1, катод тиристора на фиг.2) соединен с катодом диода 13, анод которого соединен с отрицательным зажимом 14 источника электропитания.

Вентильно-механический коммутатор электрической машины постоянного тока работает следующим образом.

Согласно изображенному стрелкой Vк перемещению коллектора относительно неподвижных щеток в положительной группе (т.е. связанной с положительным зажимом источника электропитания) происходит размыкание контакта основной щетки 3 с проводящей пластиной 1, которая продолжает контактировать с вспомогательной щеткой 4. При этом образуется путь для тока параллельной ветви обмотки якоря, являющейся в силу ее значительной индуктивности источником тока, а не напряжения, через вспомогательную щетку 4, мостовой выпрямитель 7 и конденсатор 8, потенциал заряда которого в момент размыкания близок к нулю. Следовательно, размыкание контакта "щетка - пластина" происходит при практически нулевом напряжении, что обеспечивает высокую надежность коммутации, ее безыскровое протекание при самых неблагоприятных внешних условиях (запыленность, влажность, агрессивная среда и т.п.). В процессе раздвижения контактов растет пробивное напряжение между ними и одновременно растет потенциал заряда конденсатора 8. При правильно выбранной емкости этого конденсатора рост потенциала заряда при максимальном токе якоря машины не будет превосходить рост пробивного напряжения между раздвигающимися контактами в самых неблагоприятных условиях. Поэтому надежность протекания коммутационного процесса будет сохраняться и далее. Линейно нарастающее напряжение на конденсаторе 8 через вентили выпрямителя 7 прикладывается к секции 5, вызывая ее коммутацию, после завершения которой индуктивная энергия коммутируемой секции преобразуется в электрическую энергию заряженного конденсатора 8. Вспомогательная щетка 4 полностью обесточивается, а благодаря выпрямителю 7 связь конденсатора 8 со щеточной группой (3, 4) прекращается. Когда зарядный ток конденсатора 8 достигает практически нулевого значения, по сигналу схемы управления 11 включается коммутирующий элемент 10 (транзистор в схеме фиг.1 и тиристор в схеме фиг.2), замыкающий конденсатор 8 на дроссель 9. В образованном таким образом LC-контуре происходит процесс перезаряда емкости на индуктивность. Когда конденсатор полностью разряжается, электрическая энергия конденсатора преобразуется в индуктивную энергию дросселя, ток которого теперь замыкается через вентили выпрямителя 7. Так как выпрямитель 7 шунтирует конденсатор 8, последний может зарядиться с противоположной полярностью только до величины напряжения, равной прямому падению напряжения в выпрямителе, т. е. на двух прямо и последовательно включенных диодах. В момент, когда напряжение на конденсаторе 8, проходя через нуль, изменяет свою полярность, коммутирующий элемент 10 запирается по сигналу схемы управления 11, а ток дросселя 9 замыкается через диоды выпрямителя 7, диоды 12 и 13, а также источник электропитания, реализуя тем самым рекуперацию (возврат) энергии. В процессе всего времени разряда перенапряжение на дросселе равно напряжению источника электропитания плюс сумма прямых падений напряжения вышеуказанных диодов.

Благодаря применению предложенного устройства при коммутации секции осуществляется возврат (рекуперация) индуктивной коммутационной энергии в источник электропитания, что существенно повышает энергетические показатели щеточно-коллекторного узла. Использование в структуре устройства накопительного конденсатора, связанного через выпрямитель с основной и вспомогательной щетками, позволяет реализовать размыкание основной щетки с коллекторной пластиной при практически нулевом потенциале между раздвигающимися контактами, что увеличивает надежность коммутационного процесса. Нулевой потенциал образуется благодаря наличию начального заряда конденсатора с полярностью, противоположной и равной по величине прямому падению напряжения на двух последовательно включенных диодах мостового выпрямителя.

По сравнению с известными устройствами для улучшения коммутации предложенное техническое решение позволяет существенным образом изменить не только конструкцию коммутирующего узла, но и всю конструкцию машины, сделав в итоге более экономичным ее производство путем широкого внедрения ресурсосберегающей технологии.

Среди главных технико-экономических преимуществ можно отметить следующие: ликвидация дополнительных полюсов в магнитной системе машины; снижение потерь в скользящем контакте в результате применения металлосодержащих щеток с улучшенными фрикционными характеристиками и энергетикой; повышение ресурса щеток и коллектора; сокращение эксплуатационных расходов.

Формула изобретения

ВЕНТИЛЬНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ КОММУТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий коллектор с чередующимися проводящими и изолирующими пластинами и контактирующие с ними разнополярные группы щеток, каждая из которых состоит из основной щетки и вспомогательной щетки, располагаемой со стороны сбегающего края основной и изолированно от нее, причем основная щетка каждой группы определенной полярности предназначена для подключения к зажиму соответствующей полярности источника электропитания машины и к одному из входных зажимов мостового выпрямителя, а вспомогательная щетка подключена к другому входному зажиму выпрямителя, конденсатор, диод, управляемый полупроводниковый коммутирующий элемент со схемой управления, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и энергетических показателей, в него дополнительно введены дроссель, первый и второй диоды, при этом конденсатор и цепочка последовательно соединенных дросселя и управляемого полупроводникового коммутирующего элемента подключены к выходу мостового выпрямителя, причем положительный электрод управляемого полупроводникового коммутирующего элемента соединен с анодом первого диода, катод которого предназначен для соединения с положительным зажимом источника электропитания, а отрицательный электрод управляемого полупроводникового коммутирующего элемента соединен с катодом второго диода, анод которого предназначен для соединения с отрицательным зажимом указанного источника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2