Устройство питания обмотки возбуждения в бесконтактных вентильных двигателях с электромагнитным возбуждением

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах транспортных средств, грузоподъемных машинах, в станочном приводе главного движения, в приводах насосов для добычи пластовых жидкостей из скважин, в приводах насосов компрессоров. Устройство питания обмотки возбуждения в бесконтактных вентильных двигателях с электромагнитным возбуждением включает подачу постоянного напряжения на инвертор от источника питания и через него подключение фазных обмоток переменного тока, при этом обмотку возбуждения соединяют с фазными обмотками через полупроводниковый выпрямитель последовательно, входы выпрямительного моста соединяют с концами фазных обмоток, а к выходам выпрямительного моста подключают обмотку возбуждения таким образом, чтобы мгновенное значение тока возбуждения было равно полусумме абсолютных значений величин фазных токов. Данное устройство позволит получить выходные характеристики электрических машин, аналогичные характеристикам коллекторной машины постоянного тока последовательного возбуждения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электрическим машинам и используется в приводах, применяемых в различных областях человеческой деятельности для преобразования электрической энергии в механическую. Максимальный эффект может быть достигнут при использовании заявляемого способа в тяговых электроприводах транспортных средств, грузоподъемных машинах, в станочном приводе главного движения, в приводах подвижных частей кузнечно-прессового оборудования, в приводах погружных насосов для добычи нефти из скважин, а также в приводах насосов компрессоров.

Заявляемый способ питания обмотки возбуждения в бесконтактных вентильных двигателях позволит получить выходные характеристики этих электрических машин, аналогичные характеристикам коллекторной машины постоянного тока последовательного возбуждения.

В настоящее время известны различные способы соединения и питания обмоток возбуждения, реализованные в вентильных электрических машинах, а также в синхронных машинах с обмоткой возбуждения на роторе, в сверхпроводниковой вентильной индукторной машине /1/.

Известны синхронные машины /2, с.250-255/ с различными способами питания обмотки возбуждения, размещенной на роторе. В первом случае питание обмотки возбуждения постоянным током осуществляется через управляемый выпрямитель с регулятором напряжения, причем выпрямитель подключен к сети трехфазного напряжения, которым питаются фазные обмотки электрической машины. Подвод питающего напряжения производится через контактные кольца на роторе. Во втором случае питание обмотки возбуждения осуществляется от специального генератора постоянного тока, работающего по принципу самовозбуждения, установленного на валу синхронной машины. В третьем случае для питания обмотки возбуждения в качестве возбудителя используется генератор переменного тока с последующим выпрямлением переменного тока.

В первом и втором случаях применение такого способа питания обмотки возбуждения ведет к увеличению числа элементов конструкции привода, необходимости наличия контактных колец для подачи напряжения питания на обмотку и нерационального использования подводимой энергии. В третьем случае применение последовательно подвозбудителя и возбудителя с управляемым выпрямителем хоть и ведет к отказу от применения контактных колец, но существенно усложняет конструкцию электрической машины.

При работе таких машин ток в обмотке возбуждения вызывает нагрев ротора, а отвод тепла от него оказывается очень затруднительным. Применение же жидкостного охлаждения оказывается если не невозможным, то весьма затруднительным в силу трудности обеспечения изоляции в первую очередь контактных колец, а также самой обмотки возбуждения от охлаждающей жидкости. Также искрение щеток на контактных кольцах, вызванное прохождением значительных токов, препятствует применению машин этого класса в условиях с повышенной взрывоопасностью.

Известны вентильные двигатели /3, с.576/ смешанного возбуждения, в которых независимая обмотка возбуждения подключается к автономному источнику трехфазного напряжения через управляемый выпрямитель, а продольная компенсационная обмотка включается на входе инвертора. От инвертора осуществляется питание фазных обмоток. При таком способе питания обмоток возбуждения продольная компенсационная обмотка носит вспомогательный характер и предназначена для повышения энергетических показателей электрической машины. Регулирование частоты вращения вала двигателя и вращающего момента осуществляется за счет независимой обмотки возбуждения, для питания которой необходим свой источник трехфазного напряжения. Также независимо от того, где размещен автономный инвертор, находится непосредственно возле машины или возле источника трехфазного напряжения, необходимо наличие специально выделенных линий питания. В первом случае необходимо наличие специальной трехфазной линии, рассчитанной на напряжение независимой обмотки возбуждения, что ведет к усложнению конструкции сети из-за значительной протяженности линии питания. Во втором случае количество проводов, по которым питается независимая обмотка возбуждения, меньше, но токи, протекающие по ним, больше токов, протекающих по фазным проводам, что требует большего сечения проводов и ведет к росту потерь в линии, вызванных нагревом проводов. Кроме того, такое подключение независимой обмотки возбуждения не обеспечивает внешней характеристики этой машины, аналогичной внешней характеристике коллекторных машин с последовательным возбуждением, что необходимо для тяговых приводов транспортных машин, в станочном приводе главного движения, в электронасосах для откачки пластовых жидкостей и др. Применение же компенсационной обмотки, включенной на входе инвертора, хотя и позволяет уменьшить потери электрической машины, но не обеспечивает их уменьшение в полной мере, что препятствует использованию машин этого класса в перечисленных выше сферах.

В сверхпроводниковой вентильной индукторной машине /1, с.8/ вращающий момент создается за счет взаимодействия в воздушном зазоре магнитных полей. Магнитное поле якоря создается многофазными катушечными обмотками, размещенными на статоре. Магнитное поле электродвигателя создается обмоткой возбуждения и вставкой из высокотемпературного сверхпроводникового материала с «вмороженным» магнитным потоком, размещенной на роторе, представляющей собой криомагнит. Такой криомагнит под действием магнитного поля соленоида, размещенного на статоре, при температуре ниже критической приобретает свойства постоянного магнита. В этой электрической машине соленоид, являющийся по сути независимой обмоткой возбуждения, подключается отдельно и независимо от фазных обмоток. Согласное или встречное включение соленоида с «вмороженным» магнитным потоком позволяет изменять величину магнитного потока возбуждения, чем достигается изменение величины вращающего момента. Несмотря на высокие массогабаритные показатели, эти электрические машины могут применяться только при наличии низких температур, необходимых для реализации магнитных свойств вставки, что делает невозможным их применение в указанных выше областях.

Известен вентильный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе для системы электродвижения транспортных средств /4/, в котором применяется многофазная катушечная система с разделением фазных обмоток на триады, которые питаются каждая от своего автономного инвертора. Наличие многофазной катушечной обмотки, разделенной на триады, улучшает энергетические показатели электродвигателя, но применение электрических машин этого класса возможно только там, где обеспечиваются хорошие условия отвода тепла. Наличие постоянных магнитов на роторе ограничивает применение таких электрических машин при высоких температурах и требует дополнительных технических решений по отводу тепла и уменьшению потерь. Также остается незначительным диапазон регулирования частоты вращения вала и вращающего момента, так как постоянные магниты не обеспечивают изменение магнитного потока возбуждения и он не зависит от тока, протекающего в фазных обмотках.

Известен способ получения вращающего момента /5/, где для создания взаимодействующих магнитных полей обмотка или обмотки возбуждения подключаются последовательно с фазными обмотками. На фазные обмотки напряжение от источника питания подают через автономный инвертор. При этом подключение фазных обмоток производится так, что обеспечивается в них прохождение переменного тока. Последовательную обмотку возбуждения подключают последовательно с инвертором и фазными обмотками, так что мгновенное значение тока возбуждения пропорционально сумме абсолютных величин фазных токов, при этом обмотка возбуждения подключена в цепь питающего инвертор напряжения.

При таком питании для бесконтактной вентильной машины с электромагнитным возбуждением обеспечивается внешняя характеристика, аналогичная внешней характеристике коллекторных машин постоянного тока с последовательным возбуждением. Однако такое соединение фазных обмоток и последовательной обмотки возбуждения целесообразно в том случае, когда электрическая машина находится на незначительном расстоянии от питающей сети переменного или постоянного тока. Использование электрических машин, реализующих известный способ получения вращающего момента, при таких соединениях фазных обмоток и последовательной обмотки возбуждения ограничено наличием и протяженностью линии питания и возрастающими при этом потерями. Это препятствует применению известных по этому патенту соединений для электрических машин, используемых в ряде отраслей техники, в частности, в тяговом приводе наземного транспорта и погружных электронасосах, что сужает сферу применения электрических машин этого класса.

Наиболее близким по своей сути является способ питания последовательной обмотки возбуждения, реализованный в бесконтактных вентильных двигателях /5/, описанный выше и взятый за прототип.

Задачей изобретения является получение выходных характеристик бесконтактных вентильных электрических двигателей с электромагнитным возбуждением, аналогичных выходным характеристикам коллекторных машин постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения, и расширение области применения электрических машин данного класса.

Задача решается за счет питания обмотки, соединенной последовательно с фазными обмотками через полупроводниковый выпрямитель в разрыв нулевой точки фазных обмоток.

Сущность изобретения заключается в следующем. При получении вращающего момента в электрическом двигателе с электромагнитным возбуждением применяют различные способы соединения фазных обмоток и обмоток возбуждения. Спецификой бесконтактных вентильных двигателей с электромагнитным возбуждением является то, что и независимая обмотка возбуждения и последовательная размещаются на статоре, причем в пространстве они соосны. Отличие обмоток также заключается в сечении применяемого провода и количестве витков. Так для последовательной обмотки возбуждения обычно применяется меньшее число витков, выполненных проводом большего сечения, а для независимой обмотки возбуждения применяют провод меньшего сечения, но с большим количеством витков. Изготовление обмотки возбуждения проводом большего поперечного сечения при меньшем числе витков позволяет применить бескаркасную конструкцию обмотки возбуждения из-за увеличения ее жесткости, а также сделать более технологичным ее крепление на статоре, что улучшает конструкцию машины и ее охлаждение. Быстродействие электрической машины также зависит от числа витков обмотки возбуждения, причем пропорциональность имеет квадратичную зависимость. Поэтому применение обмотки возбуждения с меньшим числом витков обеспечивает уменьшение постоянной времени машины и повышает ее быстродействие.

Для электрических машин, у которых в обмотке возбуждения протекает тот же ток, что и в якорной обмотке или по крайней мере пропорциональный току в фазных обмотках, упрощаются также алгоритмы управления инвертором, что выражается в лучших пусковых качествах и снижении пульсаций вращающего момента. Однако по приведенным выше обстоятельствам обеспечить эти свойства бесконтактной электрической машины с электромагнитным возбуждением известными способами соединения различных обмоток не представляется возможным.

Для достижения цели фазные обмотки, соединенные в звезду, в нулевой точке разъединяют и к их концам через выпрямительный мост подключают последовательную обмотку возбуждения. Обмотку возбуждения соединяют с положительным и отрицательным выводами выпрямительного моста. При этом за счет замыкания всех токов, включая токи от э.д.с. самоиндукции, через обмотку возбуждения обеспечиваются лучшие энергетические характеристики по сравнению с машинами, описанными в техническом решении, принятом за прототип. В зависимости от числа фазных обмоток полупроводниковый выпрямитель, через который питается последовательная обмотка возбуждения, может иметь различное число плеч. Однако более предпочтительным является применение в электрической машине триад фазных обмоток, так как это ведет к упрощению как конструкции машины, так и алгоритмов управления инвертором, поскольку эти технические решения являются достаточно отработанными. При таком соединении фазных обмоток и обмотки возбуждения последняя оказывается соединенной последовательно с фазными обмотками и по ней в любой момент времени протекает ток, равный полусумме абсолютных значений величин токов в фазных обмотках

где I_OB - ток, протекающий в обмотке возбуждения;

I_U, I_V I_W - токи, протекающие в фазах U, V, W.

Изобретение поясняется фиг.1, 2, 3. Элементы, заключенные между пунктирными линиями, конструктивно представляют различные устройства. На фиг.1 представлен бесконтактный вентильный электрический двигатель 1 с электромагнитным возбуждением, который имеет фазные обмотки U, V, W и обмотку возбуждения OB₁, а также зубчатый ротор Р. Фазные обмотки U, V, W своими начальными выводами 5к, 6к, 7к соединяют с полупроводниковым инвертором 2, который изготавливается с использованием широко распространенных микроконтроллеров различных производителей. Элементами таких инверторов являются транзисторы VT1..VT6 и диоды VD1..VD6. Полупроводниковый инвертор питают от источника постоянного напряжения U¹ _пит. Подключают его контактами 1к и 2к. Для последовательного соединения обмотки возбуждения OB₁, размещенной на статоре, с фазными обмотками концевые выводы последних 8к, 9к, 10к соединяют с входными цепями выпрямительного полупроводникового моста 3 (полупроводникового выпрямителя) на диодах VD7..VD12, число плеч которого равно удвоенному числу фазных обмоток, последовательно с которыми соединяют обмотку возбуждения. К выходам полупроводникового выпрямителя, положительному 4к и отрицательному 3к, подключают обмотку возбуждения.

При этом полупроводниковый выпрямитель 3 представляет собой отдельную конструкцию, которая может размещаться либо на самой машине, либо в непосредственной близости от нее. При размещении полупроводникового выпрямителя на машине компактность электропривода повышается. При этом он может являться элементом непосредственно конструкции машины, аналогично выпрямительным мостам вентильных автомобильных генераторов. При такой компоновке упрощается охлаждение полупроводникового выпрямителя.

Таким образом, способ питания последовательной обмотки возбуждения в бесконтактных вентильных двигателях с электромагнитным возбуждением заключается в том, что на фазные обмотки от источника питания подают через автономный инвертор напряжение, инвертор подключает фазные обмотки так, что обеспечивает прохождение в них переменного тока, а обмотку возбуждения соединяют с концевыми выводами фазных обмоток через полупроводниковый выпрямитель так, что мгновенное значение тока возбуждения равно полусумме абсолютных величин фазных токов. Такое соединение может быть реализовано, только когда полупроводниковый выпрямитель, через который питается последовательная обмотка возбуждения, своими входами подключают в разрыв нулевой точки при соединении фазных обмоток по схеме «звезда».

В случае, когда бесконтактный вентильный электрический двигатель 1 имеет общее число фазных обмоток большее трех (фиг.2) и их число кратно трем, то фазные обмотки U1, V1, W1 и U2, V2, W2 соединяют в триады соответственно. При таком конструктивном исполнении электрической машины число последовательных обмоток возбуждения численно равно числу триад, обмотки OB₁ и ОВ₂, и, соответственно, число полупроводниковых выпрямителей, через которые их подключают к концевым выводам фазных обмоток, будет также равно числу триад, выпрямители 3 и 4 на диодах 1VD7..1VD12 и 2VD7..2VD12. В этом случае независимо от числа триад фазных обмоток в каждой обмотке возбуждения в любой момент времени протекает ток, равный полусумме абсолютных значений величин токов в фазных обмотках своей триады. Так, для обмотки возбуждения, соединенной последовательно с первой триадой фазных обмоток, значение величины тока возбуждения будет определяться выражением

где I_OB1 - ток, протекающий в обмотке возбуждения первой триады фазных обмоток;

I_U1, I_V1, I_W1, токи фазных обмоток первой триады.

Для обмотки возбуждения, соединенной последовательно со второй триадой фазных обмоток, значение величины тока возбуждения будет определяться выражением

где I_OB2 - ток, протекающий в обмотке возбуждения второй триады фазных обмоток;

I_U2, I_V2, I_W2 - токи фазных обмоток второй триады.

Но независимо от числа триад фазных обмоток в каждой обмотке возбуждения в любой момент времени протекает ток, равный полусумме абсолютных значений величин токов в фазных обмотках своей триады.

Электрический двигатель, представленный на фиг.2, имеет фазные обмотки U1, V1, W1 первой триады, U2, V2, W2 второй триады, обмотки возбуждения OB₁, ОВ₂, а также зубчатый ротор Р. Фазные обмотки U1, V1, W1, U2, V2, W2 своими начальными выводами 5к, 6к, 7к соединяют с полупроводниковым инвертором 2, который имеет секционную структуру, имеющую такое число секций инверторов, сколько в машине имеется триад фазных обмоток. Первая секция состоит из транзисторов 1VT1..1VT6 и диодов 1VD1..1VD6, вторая 2VT1..2VT6 и диодов 2VD1..2VD6 соответственно. Полупроводниковый инвертор через контакты 1к и 2к питают от источника постоянного напряжения U¹ _пит. Для последовательного соединения обмоток возбуждения OB₁, ОВ₂, размещенных на статоре, с фазными обмотками своих триад концевые выводы последних 8к, 9к, 10к соединяют с входными цепями полупроводниковых выпрямителей 3 и 4. К выходам полупроводниковых выпрямителей, положительному 4к и отрицательному 3к, подключают обмотку возбуждения OB₁ или ОВ₂ соответственно, так что фазные обмотки соединяются последовательно со своей обмоткой возбуждения.

Для получения внешней характеристики двигателя, аналогичной характеристике двигателя постоянного тока смешанного возбуждения или в случае необходимости варьирования видом характеристики в различных режимах работы электрической машины, возможно применение также независимой обмотки возбуждения ОВ₃ (фиг.3), которую через контакты 11к и 12к подключают к регулятору напряжения 5, подключаемому к независимому источнику питания с напряжением U² _пит через контакты 13к и 14к. Наличие независимой обмотки возбуждения позволяет в еще более широких пределах изменять магнитный поток возбуждения, что приводит к расширению возможностей электрической машины в части реализации различных режимов работы. При этом дополнительный поток возбуждения создается независимой обмоткой возбуждения ОВ₃, подключаемой через регулятор напряжения 5 к источнику постоянного тока U² _пит.

В этом случае магнитный поток возбуждения формируется комбинированным способом, с помощью двух обмоток возбуждения, одна из которых включена последовательно с фазными обмотками, а другая независимо от своего автономного источника питания. Аналогичная схема питания последовательной обмотки возбуждения бесконтактного вентильного двигателя может быть применена и для машины с несколькими триадами фазных обмоток (фиг.4).

Заявляемый способ питания обмотки возбуждения бесконтактной вентильной электрической машины с электромагнитным возбуждением отличается от существующих тем, что подключение обмотки возбуждения осуществляют в разрыв нулевой точки фазных обмоток, соединенных по схеме «звезда», через полупроводниковый выпрямитель так, что она оказывается соединенной с фазными обмотками последовательно, что позволяет получить выходные характеристики бесконтактных вентильных электрических двигателей с электромагнитным возбуждением, аналогичные выходным характеристикам коллекторных машин постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения. При этом полупроводниковый выпрямитель является составной частью электродвигателя и не требуется дополнительных линий для питания обмотки возбуждения. Это позволяет расширить область применения электрических машин данного класса.

Необходимость применения этого способа питания обмотки возбуждения бесконтактной вентильной электрической машины с электромагнитным возбуждением может возникнуть при использовании бесконтактных вентильных электрических машин в качестве тяговых двигателей на транспорте, в грузоподъемных машинах, в приводе главного движения станков, в приводах насосов для добычи нефти из скважин, когда требуется достигнуть в электрических машинах переменного тока таких же выходных характеристик, как и в коллекторных машинах постоянного тока последовательного возбуждения, и ограничить число проводных линий для обеспечения работы электрической машины.

Источники информации

1. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2178942.

Сверхпроводниковая вентильная индукторная машина.

2. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины. Изд. 2-е, М., Высшая школа, 1981, 432 с.

3. Справочник по электрическим машинам. т.2. Под ред. Копылова И.П. и Клокова Б.К. М. - Энергоатомиздат, 1989, 688 с.

4. Патент РФ №2185701. Вентильный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе для системы электродвижения транспортных средств.

5. Патент РФ № 2234793. Способ получения вращающего момента для бесконтактных индукторных вентильных двигателей.

1. Устройство питания обмотки возбуждения в бесконтактных вентильных двигателях с электромагнитным возбуждением, включающее подачу постоянного напряжения на инвертор от источника питания и через него обеспечивающее протекание в фазных обмотках переменного тока, отличающееся тем, что обмотку возбуждения соединяют с фазными обмотками через полупроводниковый выпрямитель последовательно, при этом входы выпрямительного моста соединяют с концами фазных обмоток, а к выходам выпрямительного моста подключают обмотку возбуждения для получения мгновенного значения тока возбуждения равного полусумме абсолютных значений величин фазных токов.

2. Устройство питания обмотки возбуждения в бесконтактных индукторных вентильных двигателях с электромагнитным возбуждением по п.1, отличающееся тем, что число фазных обмоток кратно трем.