Однофазный вентильный репульсионный двигатель

 

О П И-С. . И.И

ИЗОБРЕТЕНИЯ

<п1 54l248

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 02.07.74 (21) 2037738/07 (51) М. Кл. Н 02К 29/04 с присоединением заявки № 2037602/07

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30.12.76. Бюллетень № 48

Дата опубликования описания 21.01.77 (53) УДК 621.313.014.2:

:621.382(088.8) (72) Авторы изобретения

Л. Я. Зиннер, Г. Ф. Кропачев и Ю. Г. Соколов

Куйбышевский политехнический институт им. В. В. Куйбышева (71) Заявитель (54) ОДНОФАЗНЫЙ ВЕНТИЛЪНЫЙ РЕПУЛЪСИОННЫЙ

ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам переменного тока с бесконтактной коммутацией и может быть применено в регулируемом транспортно-тяговом, станочном, подьемно-крановом, рольганговом приводах с питанием от однофазной сети переменного напряжения.

Известны схемы однофазных вентильных репульсионных двигателей (ОВРД) (1, 2), обладающих устойчивой естественной коммутацией, но в ограниченном нижнем диапазоне частот вращения. Так, от режима пуска до момента, когда частота, при которой ротор за полупериод питающего напряжения поворачи2 вается на угол, равный в фазной зоне т (m — число секций якорной обмотки), ОВРД имеют наиболее устойчивую сетевую коммутацию. При ней выходящие из работы (сбегающие) вентили включаются спаданием якорного тока, а следовательно, и тока вентилей к концу полупериода, на который пришелся ,коммутационный процесс. При этом ОВРД полностью проявляют все свои положительные качества: высокую кратность пускового момента (до 4 — 6), высокие регулировочные свойства, тяговые электромеханические характеристики.

Однако при повышении частоты вращения процесс работы ОВРД характеризуется наличием зон неустойчивой коммутации. Как показали исследования (4, 5), такими зонами яв5 ляются интервалы противоположной полярности якорного напряжения и тока в конце каждого их полупериода.

Для повышения коммутационной устойчивости целесообразно запрещать включение си10 ловых вентилей в течение этого интервала.

Схемно это осуществляется включением управляемых вентилей в функции фазы якорного тока (2). Открывающее напряжение от датчика положения ротора в этом случае необ15 ходимо подавать только на тот вентиль набегающей ветви, полярность которого соответствует полярности якорного тока. Тогда в интервалах разнополярности якорного напряжения и тока анодное напряжение открываемых

20 вентилей будет для них обратным, и эти вентили не откроются. Наличие таких пропусков в работе ОВРД приводит к снижению среднего момента, понижению использования питающего напряжения, ухудшению формы ра25 бочих токов и (повышению) содержания в них высших гармонических.

По решаемой технической задаче и достигаемому положительному эффекту наиболее близок к изобретению однофазный вентиль541248

Зо

65 пый рспульсионный двигатель (6), содержащий мпогофазную вторичную обмотку, соединенную по схеме замкнутого многоугольника, между противоположными вершинами которого включены встречно-параллельно пары управляемых вентилей, причем коммутирующие элементы датчика положения ротора в цепях управления вентилями подключены через диодныс ограничители напряжения и импульсные трансформаторы к трансформатору тока сети.

Основным недостатком этой схемы являются низкие энергетические показатели ОВРД, вследствие низкой точности фазы якорного тока, так как измерение осуществляется по фазе первичного тока двигателя. Это приводит к необходимости введения по его параметрам соответствующих коммутационных запасов, которые значительно расширяют паузы в работе двигателя и тем самым усугубляют перечисленные выше недостатки.

Цель изобретения — расширение области применения ОВРД за счет улучшения его коммутации»а высоких частотах вращения.

Цель достигается тем, что двигатель снабжен анализатором фазы тока якоря, импульсным устройством и дополнительной обмоткой, магнитно связанной с обмоткой якоря, причем дополнительная обмотка подключена к входу анализатора фазы и выходу импульсного устройства, а выход анализатора фазы связан с управляющими цепями импульсного устройства. Кроме того, двигатель снабжен трансформатором, первичная обмотка которого является дополнительной обмоткой, а одноименные выводы вторичной обмотки соединены с разнонаправленными тиристорами замыкающих цепей.

Дополнительная обмотка расположена на индукторе с угловым сдвигом относительно первичной обмотки.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого двигателя, дополнительная обмотка которого расположена на индукторе; на фиг. 2 †схе двигателя, дополнительная обмотка которого является первичной обмоткой трансформатора.

Предлагаемый двигатель содержит однофазную обмотку возбуждения 1, расположенную на индукторе и через скользящие контакты 2, 3 подключенную к питающей сети переменного напряжения, секции 4 — 13 якорной обмотки соединены по схеме замкнутого многоугольника, между вершинами которого включены пары встречно-параллельно соединенных силовых вентилей 14 — 23. Двигатель содержит дополнительную обмотку 24, магнитно связанную с якорной цепью и подключенную к входу анализатора фазы 25 и выходу импульсного устройства 26. Выходы всех чувствительных элементов датчика положения ротора 27 через соответствующие дифференцирующие цепочки объединены на синхронизирующем (запускающем) входе 28 импульсного устройства 26, которое представляет со4 бой импульсный генератор, работающий в ждущем режиме. К управляющему входу 29 импульсного устройства 26, по которому регулируется полярность его выходного сигнала, подключен выход анализатора фазы 25.

Магнитная связь дополнительной обмотки

24 с якорной цепью двигателя может быть выполнена в двух вариантах. В одном из них (фиг. 2) дополнительная обмотка 24 является первичной обмоткой трансформатора, вторичные обмотки 30 — 39 которого включены последовательно с вентилями якорной цепи 14 — 23, причем одноименные концы вторичных обмоток 30 — 39 соединены с разнополярными вентилями замыкающих ветвей 14, 15, 16, 17,..., 22, 23.

Во втором варианте схемы (фиг. 1) дополнительная обмотка 24 расположена на индукторе под углом — относительно оси обмотки

2 возбуждения 1 и через скользящие, контакты

40, 41 соединена с входом анализатора фазы

25.

Чувствительные элементы датчика положения ротора 27 укреплены»а якоре с шагом, 2к равным ширине фазной зоны . Каждый т из чувствительных элементов осуществляет включение обоих вентилей своей ветви при

2к попадании ее оси в сектор ΄— 0„+ ) отm носительно оси обмотки возбуждения 1.

При подключении обмотки возбуждения 1 к питающей сети Г, протекающий по ней первичный ток создает пульсирующий магнитный поток двигателя, который наводит во вторичной якорной обмотке 4 — 13 Э Д С Эта

Э Д С распределена в якорной обмотке по косинусоидальному закону. Напряжение между ее противоположными точками, расположенными, например, под углом 0 относитель»о оси обмотки возбуждения 1 (фиг. 1), равно

=ЕсозО„, где Е напряжение якорной обмотки возбуждения 1.

В момент пуска один из чувствительных элементов открывает вентили своей ветви, например 16, 17, находящейся в секторе

2к

΄— О+ т

Под действием напряжения якорной обмотки 4 — 13 между точками включения этой ветви 16, 17 по ней потечет якорный ток, разветвляясь далее по двум параллельным якорным полуобмоткам 6 — 10 и 11 — 13, 4, 5. В результате взаимодействия этого тока с магнитным потоком двигателя создается его вращающий момент, который поворачивает индуктор против часовой стрелки, пока ветвь 16, 17 не

2л не выйдет из сектора ΄— О„+ . В этот

2к момент в сектор ΄— (О„+ ) входит сосед" " -) няя ветвь, чувствительный элемент датчика

541248

20 положения ротора 27 включает вентили 14, 15, и процесс повторяется.

Работа ОВРД характеризуется двумя чередующимися режимами: рабочим, когда в якорной цепи открыта одна из тиристорных ветвей, и коммутационным, в течение которого существуют одновременно две открытые ветви, например с момента включения очередной набегающей ветви 14 и до момента выключения сбегающей ветви 16. В предлагаемой схеме осуществляется принудительная коммутация выходящих из работы (сбегающих) вентилей, а коммутирующая цепь построена по принципу отрицательной обратной связи по току сбегающего вентиля.

Существуют одновременно две откпьттьте ветви, например с момента включения очередной набегающей ветви 14 и до момента вы= ключения сбегающей ветви 16. В предлагаемой схеме осуществляется пттинудтттельттая коммутация выходящих из работы (сбегающих) вентилей, а коммутирующая цепь построена по принципу отрицательной обратной связи по току сбегающего вентиля.

В рабочем режиме схемы (фиг. 2), например при протекании якорного тока по вентилю 16 и обмотке трансфооматора 32, анализатоп фазы 25 посредством дополнительной обмотки 24, подключенной на его входе и магнитно связанной с обмоткой 32, следит за полярностью тока открытой ветви (якорного тока), устанавливая по управляющему входу 29 импульсного устройства 26 соответствующую полярность его выходного напряжения.

В момент входа в сектор 0„— 0„+ )

m набегающей ветви 14, 30, 16, 31 чувствительный элемент датчика положения ротора 27 включает вентили 14, 15 и импульсное устпойство 26 по его входу 28. Выходное напряжение импульсного устройства 26, приложенное к дополнительной (первичной) обмотке 24, тпанст1тормируется во все вторичные обмотки

30 — 39 в виде импульсных Э Д С l„. Принцип построения схемы фиг. 1 обусловливает согласное включение вторичных обмоток 30—

ЗЗ ITo контуру коттоткозамкнутьтх секций 5, 32, 16 (33, 17), 10, 30, 14 (31, 15) при любом сочетанитт полярности якорного напряжения и тока. Контур отрицательной обпатной связи по току сбегающего вентиля 16: вторичная обмотка 32 с якорным током (до момента включения набегающих вентилей) — ттервичная обмотка 24 — анализатор фазы 25 — импульсное устройство 26 (с момента его включения) — первичная обмотка 24 — вторичные обмотки 32, 30 обеспечивает всегда встпечное направление Э Д С 4 обмоток 32, 30 току сбегающего вентиля 16 по контуру коооткозамкнутых секций 5, 32, 16, 10. 30, 14. В этом же контуре действуют и Э Д С секции 5 и 10

lB, наведенные в них обмоткой возбуждения 1, с первичным током.

Как показали исследования, направление

Э Д С 4 периодически изменяется относи25

65 тельно тока сбегающего вентиля 16 в зависимости от фаз якорного напряжения и тока, частоты вращения, нагрузки угла О„. Поэтому при настройке двигателя устанавливается такая амплитуда выходного напряжения импульсного устройства, чтобы в ппоиессе его работы во вторичных обмотках 32, 30, входящих в коммутационный контур, наводились коммутиоующие Э Д С l,:,, которые с учетом любых изменений по величине и направлению Э Д С lB секций 5, 10 обеспечивали бы надежную коммутацию обегающих вентилей 16 при любых неблагоприятных сочетаниях рабочих параметров двигателя во всем диапазоне частот вращения и нагрузок. Сам процесс коммутации осуществляется созданием алгебраической суммой всех Э Д С (,: и

4 по контуоу короткозямкнутых секций 5. 32, 16, 10, 30. 14 тока этого контура i- (пунт тинная линия Фиг. 1), встпечного току сбегающего вентиля 16 и ппевосходятттего его по величине, что ппиводпт к спяденито результирующего тока до нуля и закрытию вентиля.

В схеме фиг. 1 коммутация ослшествляется аналогично. Магтттттньтй поток, созданный током дополнительной обмотки 24. HBBîëèт Bо всех секциях 4 — 13 якорной обмотки импульсные Э Д С l, амплитуда каждой из которых, например 5 и 10, соответствует угловому положению их осей относительно оси дополнительной обмотки 24. Для режима максимального впашяюшего момента схемы фиг. 1 этот угол составляет около 25 эл. град.. а коэфйипттент т;х лтагнитной связи — соответственно 0,9.

Так как контур ппинл дительной т<олтмутации этой схемы: якооняя обмотка 4 — 15 с током— магнитно связанная с ней дополнительная обмотка 24 — анализатор т1тязьт 25 — импульсное устройство 26 — дополнительная обмотка 24— короткозамкнутые секции 5. 10 — представляет собой отоицательную обратную связь по якорному Toку, то наводимые в коттоткозялткнутых секциях 5, 10 импульсные Э Д С I„. будут всегдя напоавлены встпечно току сбегающего т« т.тттля 16 по контуру этих секций 5, 16. 10, 14.

В отличие от них Э. Д. С. 4, наводимые обмоткой возбуждения 1, с пепвичным током в короткозамкцутых секциях 5, 10 как части якорного наппяжения не остаются постоянными по направлению относите.чьно тока сбегающего вентиля (якорного тока). я в зависимости от частоты вращения. нагрузки угла

Н„являются периодически то совпадающими, то встречными. Поэтому в данной схеме так же пгедварительно устянавлттвяется такая амплитуда выходного напряжения импульсного устро" сТВВ 26, чтобы амплитуда наводимых им импульсных Э Д С l в короткозамкнутых секциях 5, 10 с учетом максимально возможно а ослабляющего действия на них

Э Д Г l при самых неблагоприятных сочетаниях рабочих параметров двигателя обеспечиваля бы надежную коммутацию сбегающих

541248 вентилей (16) во всем диапазоне частот вращения.

Относительно влияния принудительной коммутации па всю якорную цепь необходимо отметить, что угол между магнитными осями якорной 4 — 13 и дополнительной 24 обмоток составляет для режима максимального вращающего;1омента около 65 эл. гпял. и тем обусловливает их спавнительно ма.лый коэфФициент связи (О, 4). Кпоме того, постоянная впемени якопной цепи значительно (до двух попялков) боль1ие длительности выходного напряжения импульсного устпойства 26. поэтому составляющая якопного тока, обусловленная импульсными Э. Д. С. ее секпии 4—

13, няволимыми дополнительной обмоткой 24, не vcIIpBBpt,.÷øåñòâåíío напасти, составляя около 1 — 2% от его установившегося значения. Поэтому ппи изменении угла О„от нуля ло 10 — 15 эл. град. влияние принудительной коммутации на якорную цепь пренебрежимо мало.

Олнако с увеличением угла О„свьпце 15 эл. град., кроме усиления указанного впелного влияния на якопную цепь. начинает заметно ослабляться магнитная связь между дополнительной обмоткой 24 и короткозамкнутыми секциями 5, 10, понижая коммутипующую способность импульсного устройства 26 ппи постоянных папаметпях его выхолного наппяжения. Поэтому одной из особенностей этой схемы является ограниченный верхний диапазон регулирования угла 0„. Отсутствие коммутипуюшего тпансФопматопа обеспечивает ей определенные констпуктивные ппеимушества по спявнению со схемой Фиг. 2.

Достоинством схемы Фиг. 2 является постоянство связи выхолной цепи импульсного устпойства 25 с контурами копоткозамкнуть х секций ппи любых значениях 0„. что сохпян ет неизменной коммутипующую способность импульсного устройства 26.

Для рассмотренных схем ОВРД (Фиг. 1 и

2) верхним предельным значением частоты вращения является такое ее значение. при котором за длительность выходного напряжения импульсного устройства 26 индуктор повора2у. чивается на угол в фазную зону:- —, что

m создает благоприятные условия для более широкого его применения, особенно при использовании импульсных источников с регулируемой длительностью выходного импульса, Формула изобретения

1. Олнофазный вентильный репульсионный лвигатель с первичной обмоткой, расположенной на индукторе, и вторичной якорной обмоткой, секции которой соединены по схеме замкнутого многоугольника с включенными межлу его вершинами парами встречно-параллельно соединенных вентилей, уппавляющие цепи которых соединены с чувствительными элементами датчика положения потопа, о тлича ющийся тем, что, с целью расшипения области ппименения за счет улучшения коммутации ня высоких частотах впашения, двигатель снабжен анализатором Фазы тока якопя, импульсным устройством и дополнительной обмоткой. магнитно связанной с обмоткой якоря. ппичем дополнительная обмотка подключена к входу анализатора Фазы и выходу импул -сного устпойства. а выход анализатора фазы связан с управляющими цепями импульсного устройства.

2. Двигатель по п. I, отл ич а югци йс я тем. что он снабжен тпансфопмятором. пеп25 вичная обмотка котопого является дополнительной обмоткой, а одноименные выводы втопичной обмотки соединены с пазнонаппавленными тиристопами замыкающих ветвей.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся

Зп тем, что дополнительная обмотка расположена на инлуктопе с угловым сдвигом относительно первичной обмотки.

Источники инфопмации, принятые во внимание ппи экспептизе:

1. Авт. св. No 421094. Н 02К 29 — 04 1961.

2. Авт. св. М 302791, H 02К 29/04. 1970.

3. Сонин Ю. П. Токи и момент однофазного вентильного репульсионного двигателя. «Электромеханика» № 7, 1970.

4. Сонин Ю. П. и дп. Исследование ппоцесса коммутации однофазного вентильного Пепульсионного двигателя на АВМ. Тематический сбопник «Полупроводниковые ппиборы и преобразовательные стпойства». Вып. 2.

45 Мопловский государственный университет им. H. П. Огапева, Саранск. 1973.

5. Сонин Ю. П. и др. Расчет мгновенных величин токов обмоток однофазного вентильного репульсионного лвигателя на ЦВМ. Те5П матический сборник 102 «Полупроводниковые ппибопы и преобразовательные устпойства».

Вып. 2. Мордовский госуларствепный университет им. Н. П. Огарева. Сапанск, 1973.

6. Авт. св. № 206703, 1-1 02К 29 — 04, 1965. 541248

12 фиг.2

Составитель А. Санталов

Техред Е. Петрова

Редактор С. Заика

Корректор Л. Брахнина

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2927/19 Изд. № 1399 Тираж 882 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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