Вентильный электродвигатель

1458945 Составитель В.Трегу ор И. Рыбченко Техред Л. Сердюкова КорректорЛ пен ед ул. Проектная роизводственно-полиграфическое пр тие, г. Ужг Заказ 376/57 Тираж 645 ВНИИПИ Государственного комитет 113035, Москва, Подписноео изобретениям.и открытиям при ГКНТ СССР35, Раушская наб.; д. 4/5Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к многофазным электродвигателям регулируемой скорости.Целью изобретения является улуч шение энергетических показателейдвигателя, расширение области применения путем увеличения диапазона регулирования и упрощение двигателя.На Фиг.1 представлен пример электрической силовой схемы двухфазного вентильного двигателя; на фиг.2 и 3 - графики, поясняннцие регулирование частоты и напряжения на обмотках дви гателя; на Фиг.4-7 - диаграммы примерой управляющих программ; на Фиг,8 и 9 - схемы, поясняющие прохождение реактивной мощности;на фиг.10 - структурная схема вентильного двигателя.Вентильный электродвигатель с числом Фаз, равным М.(на фиг.1 М2), предназначенный для подключения к ш-фазной сети (на фиг.1 ш = 8) переменного тока с угловой частоТой со = 21(й содержит катодную группу вентилей 1-8 и анодную группу Вентилей 9- 16 первого мостового управляемого выпрямителя 17, а также катодную группу вентилей 18-25 и анодную группу .вентилей 26-33 второго мостового управляемого выпрямителя 34. Статор 35 содержит четыре полуобмотки 36-39 с общей средней точкой 40, подключенной к общим точкам 41 и 42 катодных групп вентилей 1-8 и 18-25. Другими концами полуобмотки 36 и 37 одной фазы подключены к общей точке 43 анодной группы вентилей 9-16 первого выпрямителя 17 через вентили 44 и 45.40 Аналогично полуобмотки 38 и 39 второй фазы двигателя подключены к общей точке 46 анодной группы вентилей 26-33 второго выпрямителя 34 через вентили 47 и 48. Для прохождения45 реактивного тока могут быть преду смотрены диоды 49-52, шунтирующие полуобмотки 36-39.Ротор двигателя (не показан) может быть выполнен по типу синхронной 50 или асинхронной машины. Выпрямители 17 и 34 подключены к.источнику 53 (фиг.10). Двигатель содержит также датчик 54 тактовых импульсов частоты. 2 шй. синхронизированный с пи тающей сетью (с источником 53). Датчик 54 содержит элемент фиксации периода напряжения питания (не показан), например начала каждого периода напряжения первой фазы фй0 (всоответствии с диаграммами по фиг.4 -7). Выход датчика 54 соединен с входом программно-счетного устройства55, которое содержит столько счетных каналов (не показаны), сколькопредусмотрено программ по фиг.4-7.Счетные каналы могут быть выполненынезависимыми на базе счетных устройств или организованы микропроцессором. Каждый счетный канал содержитчисло счетных элементов (например,число разрядов кольцевого регистра),равное наименьшему общему кратномучисел 2 ш и 2 шК, где К - отношениепериода формируемого напряжения наобмотках 36, 37 и 38, 39 к периодунапряжения питания, Входы счетных.каналов соединены с выходом датчика54 с элементом Фиксации периода напряжения питания и с блоком 56 задания программ.Выходы счетных каналов объединены в каналы управления (не показа,ны), соединенные с управляющими электродами вентилей 1-8, 9-16, 18-25,26-33, Число таких каналов управления равно числууправляемых. вентилей 1-8, 9-16, 18-25, 26-33, т,е,М (2 ш + 2) = 2 М (ш + 1).Работа двигателя на примере однойфазы осуществляется следующим образом,Формирование напряжений,на полуобмотках 36 и 37 двигателя поясняетсяна фиг.2, где в верхней, части тонкими линиями изображены синусоидальныефазные напряжения источника питанияугловой, частоты Ы , причем цифрами1-8 и 9-16 обозначены номера .вентилей (тиристоров), на которые по-.даются эти напряжения. Ниже.изображены восемь напряжений различных частот на первой фазы"двигателя, причем для каждой кривой к оси временипримыкают две графы, в которых указаны номера вентилей (тиристоров),включенных на интервалах.Первая из восьми кривых показывает получение напряжения примернополовинной частоты. В момент Ыс=9/8включают вентиль 3, анодный потенциал которого с этого момента начинает уменьшаться от нуля. Одновремен-но включают вентиль 44.С этого моментак полуобмотке 36 приложено условно положительное напряжение, Вентиль 3 ос з 14589454тается включенным до момента ДГ15 Г/8, пока его анодное напряжение не упадет до нуля, так как никакие вентили катодной группы не включают. В анодной группе вентиль 12 включен на Интервал %/4,после чего включают вентиль 13, катодный потенциал которого становится меньше, а вентиль 12 автоматически вы" ключается. Далее включают вентили 14, 15, 16, 9 и 10, каждый иэ которых работает в течение интервала Т/4и выключается, как в мостовом неуправляемом выпрямителе,Таким образом; к полуобмотке 36 приложено линейное напряжение между одной из фаз сети (третьей) и всеми другими фазами (выведенное в верхней части фиг,2 жирной линией и образующее положительную полуволну выходного напряжения). Это напряжение к моменту ИГ = 15 К/8 уменьшается до нуля, и в этот момент вентиль 44 автоматически выключается, послечего сразу включают вентили 45, 2, 11. Вентиль 2 остается включенным, пока его анодное напряжение положительно, так как никакие другие вен тили катодной группы не включают, а в анодной группе через каждый интервал Г(/4 включают тот вентиль, укоторого катодный потенциал становитсяниже, а предыдущий вентиль автоматически, выключается. Поэтому с момента сГ = 15 Ч/8 к полуобмотке37 приложенов обратном направлениинапряжение между другой из фаз сети(второй) и всеми другими фазами. К моменту юГ - "29 У/8 это напряжение уменьшается до нуля, вентиль 45 ав;томатически выключается, после чеговключают вентиль 44 и начинается новый полупериод напряжения на первой фазе двигателя - оно образуется линейным напряжением между первой фазой сети и остальными, и т.д. Период напряжения на фазной обмотке 36 (37) равен 7/7/2 (частота 4/7 частоты питания).Вторая кривая показывает получениебольшей частоты напряжения на этой обмотке. В начале положительного полупериода включают вентиль 44,вентиль3 и сразу вентиль 13 (вентиль 12 не включают) с момента СЗГ = Ф/4, когда линейное напряжение между соответствующими фазами сети (третьей и пятой) начинает увеличиваться .от ну ля. Далее в катодной группе оставляют включенным вентиль 3, а в анодной группе через каждый интервал О 4включают вентиль с найменьшим катодным потенциалом,. как описано выше.Положительная полуволна напряженияна обмотке уменьшается до нуля, и втот же момент 63 Г = 15 Я 8, что и впредьдущем случае,. вентиль 44 вы 510 ключается.С момента саГ = .15 У/8 включают вентиль 45 и формиРуют отрицательную полуволну напряжения наобмотке описанным выше образом, т.е.линейным напряжением между одной изфаэ сети 2 (второй) и остальнымифазами, с той разницей, что в моментЯГ = 27 Т/8 не включают вентиль 9,а оставляют включенным. вентиль 16до момента иГ = 7 Г/2, т.е . покалинейное напряжение между соответствующими фазами (второй 2 и восьмой 8 ) положительно, после чеговентили 2, 16, 45 автоматически вы" ключаются, и включают вентили 8, 10, 44. Период образуемой кривой напряжения на обмотке равен 13/4. Третья кривая показывает получение частоты напряжения на фазной об 30 ляют включенным до момента Од Г = 131/4,пока линейное напряжение между 55соответствующими фазами сети (первой и седьмой) не уменьшится до нуля. В этот момент вентили 1, 15, 45 выключаются, включают вентили 7, 9, 44 и формируется следующая положитель" мотке, .в 1,5 раза меньшей частотыпитания. Начало положительной полу-волны напряжения на обмотке и номера включенных тиристоров совпадают спредьщущнм случаем, но в конце положительной полуволны в момент ЫГ =137 /8 не включают вентиль 10, аоставляют включенным вентиль 9 домоментаЫГ = 7.1/4, пока линейное 4 О напряжение между соответствующимифазами сети (третьей 3и первой 1 )не упадет до нуля, В этот моментвентили 3, 9, 44 выключаются и включают вентили 1, 11, 45, так как с 45 этого момента напряжение между указанными фазами сети начинает увеличиваться от нуля. Далее в катоднойгруппе оставляют включенным вентиль 1, а в анодной группе включаютпо очереди вентили с минимальнымкатодным потенциалом, причем вентиль16 не включают, а вентиль 15 ,остав5 14589 ная полуволна напряжения на обмотке. Период образуемой кривой равен 37/,Четвертая кривая - формирование, напряжения на обмотке с периодом 11 М /4. Положительная полуволна от,5 личается от предыдущей кривой тем, что начинается от момента Ис = 3 Т/8 линейным напряжением между соответствующими фазами сети (третьей 3 и шестой б), вентиль 13 не включают, а включают сразу вентиль 14, Отрицательная полуволна отличается от предыдущего тем, что кончается в моментСос = 25 У/8 перехода через нуль линейного напряжения между указанными фазами сети (вентиль 15 не включают, вентиль 14 включен до перехода напряжения через нуль)Пятая кривая - напряжение на об 20 мотке с периодом 5 /2. Положительная полуволна. формируется линейным напряжением соответственно между третьей фазой 3 сети и другими фазами (шестой б , седьмой 7 и восьмой 8 ), а отрицательная полуволна - линейныв напряжением между восьмой фазой 8 сети и фазами (третьей 3 , четвертой 4.1 и пятой 5). Следующая положительная полуволна Формируется линейным напряжением между пятой фазой 5 сети и фазами восьмой 1 (8 , первой 1 и второй 2 и т.д, Порядок включения вентилей указан на чертеже.Шестая кривая - напряжение на обмотке с периодом 9 Т/4. Положительная полуволна формируется линейным напряжением между третьей фазой 3 сети и фазами седьмой 7 и восьмой 8 , а отрицательная - между восьмой фазой 4 О 8 сети и фазами третьей 3 и четвертой 4, следующая положительная полуволна - между четвертой Фазой 4 сети и фазами восьмой 8 и дервой 1 и т.д.45Седьмая кРивая - напряжение. на обмотке с частотой питания - форми-, руется линейным. напряжением между двумя (третьей 3 и седьмой) Фазами сети.Последняя кривая- напряжение на обмотке, частота которого больше частоты питания. Начало положительного полупериода формируется линейным напряжением между третьей З и седьмой 7 фазами сети (включены вентили 3, 15). В момент ас = ЗУ /4 включают вентиль 14 с наименьшим 45,бкатодным потенциалом, поэтому вентиль 15 автоматически выключаетсяи остальная часть полупериода формируется линейным напряжением междутретьей 3 и шестой б фазами сети.Аналогично отрицательная полуволнаФормируется первые й/4 линейнымнапряжением между шестой 6и третьей 3Фазами, а после переключения тока с вентиля 11 на вентиль10 - линейным напряжением между шестой б и второй 2 фазами сети.Далее процесс продолжается в соответствии с указанными номерами вклю-.ченных вентилей. Период образуемойкривой равен 7 704 (частота 8/7 частоты питания).Таким образом, получены различныечастоты напряжения, на Фаэной обмоткедвигателя с дискретностью регулирования периода 2 Ф /8 в диапазоне4/И: 8/ы = 1:2 с помощью естественной коммутации вентилей причем полуволна напряжения каждой частоты отличной от частоты питания,формируется линейным напряжениеммежду одной и.той же Фазой источника питания и несколькими другими фа"зами. Для этого в каждом полупериодевключают один вентиль катодной группы и несколько вентилей аноднойгруппы. Однако тот же результатможно получить включая один вентильанодной и несколько вентилей катодной группы. Интервалы между переключениями вентилей измеряются .целымчислом 7 ш = Я 8, где ш - число фазисточника питания.На фиг.З показано регулированиенапряжение на обмотке при неизменной егочастоте. В катодной группев положительном полупериоде %/8 ф-де15 Т/8 включен вентиль 3, вотрицательном полупериоде ввентиль2. Номера включенных вентилей в анодной группе определяются различнымилиниями - сплошной, пунктирной, штрихпунктирной, точечной, - показанными нафиг.З. Например, для напряжений, заданных сплошной и штрих-пунктирнойлиниями, указаны номера включаемыхвентилей анодной группы. Причем показаны лишь некоторые из возможныхкомбинаций Формирования напряженияна обмотке заданной частоты. Как .видно из фиг.З, устройство позволяет регулировать напряжение на обмотке путем естественной коммутации7 14589вентилей в такие же фиксированные моменты времени, как и для регулирования частоты.Описанное программное управление5с фиксированными моментами включениявентилей осуществляется программносчетным устройством 55 (или микропроцессором), отсчитывающим для каждой программы требуемое число тактов М /ш = Т/8 между включениями каждого вентиля (датчик 54 тактовой частоты 2 шсд синхронизирован.с питающимнапряжением). Для каждой частоты напряжения на обмотке в памяти этогоустройства заложена программа счета.В качестве примера на фиг.4-7 данычетыре программы соответственно дляпервых четырех кривых на фиг.2, которые представлены в виде кольцевыхдиаграмм,На фиг4 показана диаграмма включения вентилей для получения первойиз восьми кривых напряжения на фиг.2.По этой диаграмме дана кольцевая 25шкала, одно деление которой соответствует одному такту Э/8 работы программно-счетного управляющего устройства, Вся кольцевая шкала включает 112 тактов - это полный цикл сче 30та программного устройства, содержащий все возможные взаимные включения вентилей анодной и катоднойгрупп. Управляющие импульсы подаются в начале каждого такта на те вентили, номера которых обозначенына. диаграмме. Период повторения включения (периодичность подачи управляющих импульсов) вентилей катоднойгруппы 1-8 равен полному циклу -112 тактам, а период повторения включения вентилей анодной группы 9-16равен 16 тактам,т.е. 1/7 полногоцикла. Синхронизация программно-.счетного устройства 55 с напряжениемпитания указана привязкой цикла кмоменту ы с = 0 прохождения черезнуль напряжения первой фазы (началопервого такта, см, фиг.2).На фиг.5 изображена аналогичнаядиаграмма для следующей частоты напряжения на обмотке (вторая криваяна фиг.2). Здесь масштаб кольцевойшкалы вдвое больше: одно деление соответствует двум тактам 2 ф /8 = "/4,а весь цикл счета программного устройства 55 равен 208 тактам. Период повторения включения вентилей анодной группы 9-16 состоит из 17 + бх 16 + 45 8+ 32 + Зх 16 + 15 = 1 бх 13 = 208 тактов, т.е равен полному циклу, а период повторения включения вентилей катодной группы 1-8 равен 8 х 13104 тактам, т.е. вдвое меньше.На фиг.б дана аналогичная диаграмма для следующей частоты (третья кривая на фиг.2). Цикл счета программно" го устройства равен 48 тактам, С такой периодичностью включаются только нечетные вентили 3, 1, 7, 5 катодной группы. Для анодной группы период состоит из 17+ 16 + 15 = 48 тактов для нечетных вентилей (9, 11, 13, 15) и из 16 + 32 = 48 тактов для четных вентилей (10, 12, 14, 16),На фиг.7 изображена диаграмма управления дя получения четвертой кривой на фиг.2. Здесь масштаб кольцевой шкалы также двойной (1 деление такта). Весь цикл счета равен 16 х х 11 = 176 тактам. Для вентилей катодной группы этот цикл состоит из 33 + 143 тактов, а для вентилей анодной группы - из 16 + 14 + 18 + + 15 + 17 + Зх 32 = 176 тактов.Аналогично могут быть получены программы переключения для других частот и для регулирования напряжения.Из приведенных диаграмм видно, что полный цикл счета для каждой программы равен наименьшему общему. кратному периодов входной и выходной частот, выраженному в тактах счета. Для первой частоты период равен 7 Т/2 = 28 тактам. Так как период питающего напряжения равен 16 тактам, то наименьшее общее кратное периодов равно 112 тактам - цикл счета на фиг.б. Для второй частоты (период равен 26 тактам) наименьшее общее кратное 16 и 26 составляет 208 тактов, для третьей частоты (период 24 такта) - 48 тактов, для четвертой частоты (период 22 такта) - 176 тактов.Работа двигателя с учетом индуктивности обмотки, пренебрегая временем коммутации вентилей, для примера частоты напряжения на обмот"Фке, равной 2/3 частоты питания, третья кривая на фиг.2, осуществляется следующим образом.Если для двигателя на частоте питания соз Ф= 0,1 ( Ф= Я 4), то на получаемой частоте этому соответству" ет сов Ч= 0,835, Соответствующие вре"91458945 10 ряжения и тока фаз-, пряжения делается пауза (из целого клей 44 45, 49, 50 числа интервалов квантования 7/ш) на г.8. Там же указа" включение вентилей, в течение котодимостей вентилей Рой ток успевает упасть до нуля, иста .затем вентили .восстанавливают запи.уыс7 Т/4, когда Рающую способность, после чего вклюе между третьей и чаются очередные по программе вентидолжно изменить ли. В рассматриваемом примере по тили 3, 44 и 9 и 10 фиг.9, где один под другим показа- течет через вен- ны напряжение и ток Фазной обмотки енения полярности для той же частоты Ю/1,5, после мот проводить обрат- мента уС = 7 У /4 изменения знака обмотки перехо- , напряжения подача управляющих имка диод 49, а 15 пульсов прекращается, т.е. в програмтим тиристоры 3, ме делается пауза, в течение кото- и выключаются Рой ток через вентили 3, 44, 9 ганих встречный), рантированно успевает упасть до нудиод 49 поддержива- ля и эти вентили выключаются. Длиопленной виндуктив тельность паузы 3 7//ш = 3 Р 8 перекрычающей рассеяниевает затягивание тока нагрузки (Г/3) примере интервал на время, достаточное для восстановямительного моста ления свойств вентилей. После паузы т (во встречном включается очередная по программе и действует ЭДС 26 группа вентилей 1, 45, 12. Ток двинейное напряжение гателя имеет пропуски. Поэтому тается. Лишь с мо" кое управление может быть использо" .гда линейное на- вано тогда, когда созе двигателя фикя больше ЗдС само-. сирован (пропуски тока менее.% /ш). перестает прово- З 0 ПРедлагаемый вентильный двигатель ться вентили 1, по.сравнению с прототипом имеет сд С = 13 У/4, когда улучшенные энергетические показатеервой и седьмойли, расширенную область применения ет знак, анало- благодаря увеличению диапазона реобмотки перево- гулирования и упрощенную конструк" тный диод 42, так З 5 цию за счет того, что одна вентильили 7, 35, 9 ная группа, дополненная двумя управ-: ереэ интервал Й /4 ляемыми вентилями, оеуществляет пре"образование напряжения частоты пииз-за индуктивно- тания в напряжение требуемой час 40одит задержка вклю- тоты, лежащей вблизи частоты питаей. Поэтому управ- ния. При этом форма преобразованодаваемые в момен- ного напряжения позволяет отказатьерез нуль, напри- ся от выходного фильтра или знапульсы на включе- чительно уменьшить его, причем мо, 11, подава- жет регулироваться и величина на. -45= 7 Х/4, должны пряжения. Преобразование частоты ширину, перекрыва- осуществляется коммутацией вентиили сами должны лей при нулевых углах управления,задержку. Ток что позволяет исключить дополнительО ное потребление реактивной мощно" ант типа раздель- сти и одновременно упростить систепосредственным пре- му управления, которая осуществля-. азанный на фиг.9 ет только программный счет импуль Ю сов. менные графики напной обмотки и вентпредставлены на фи1.ны интервалы прововыпрямительного моПеред моментомлинейное напряженипервой Фазами сетизнак, проводят венток полуобмотки 36тиль 44. После измнапряжения начинаеный диод 49 и токдит с тиристора 44включенные перед э44, 9 автоматическ(ток диода 49 дляПока ток черезется энергией, накности обмотки,вклю(в рассматриваемомЙ/4), вентили выпрвключиться не могудля них, направленисамоиндукции) и лина обмотку не подамента ( С = 2 Т,копряжение становитсиндукции и диод 49дить,.могут включи45, 11. С моментанапряжение между ифазами .сети изменягичным образом токдится с 36 на обрачто очередные вентвключаются также чи тдТакнм образом,сти обмотки происхчения части вентилляющие импульсы, иты перехода тока чмер управляющие имние,тиристоров 1,емые в момент (Д Симеть достаточнуюющую эту задержку;иметь соответствующуюобмотки непрерывныйВозможен и вариного управления необразователем, поккогда обратные диоды 49, 50 не устанавливаются. Пусть, например, извест-но что соз ч двигателя постоянныйи на частоте питания равен .0,5(Ф = 9/3). После изменения знака наФормула изобретения 1, Вентильный электродвигатель,содержащий фаэные обмотки с выведен-,11 14 ными средними точками, подключенные к управляемым вентильным выпрямителям с анодной и катодной вентильными группами, выпрямители лодключены к клеммам, предназначенным 1 для подключения к ш-фазной сети пе . ременного тока частоты Г, о т л и- ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей, расширения области применения путем увеличения диапазона регулирования и упрощения двигателя, он .снабжен синхронизированным с питающей сетью датчиком импульсов частоты 2 шй с элементом фиксации периода напряжения питания, программно-счетным устройством и блоком задания программ, программно-счетное устройство соединено с датчикбм импульсов и выполнено в виде счетных каналов по числу предусмотренных программ, каждый счетный канал содержит число счетных элементов, равное наименьшему общему кратному. чисел 2 ш и .2 шК, где К - отношение периода на 58945 12пряжения на обмотке к периоду напряжения питания, входы счетных каналов соединены с выходом датчика импульсов, с элементом фиксации периода напряжения питания и с блоком задания программ,- а выходы счетных каналов объединены в 2 М 1,1 + ш) управляющих каналов, где М - число фаз двидвигателя, которые. соединены с управляющими электродами вентилей, средняя точка каждой фаэной обмотки подключена к общей точке катодной группы вентилей, а крайние выводы обмот ки подключены к общей точке.аноднойгруппы через два управляемых вентиля, одинаково подключенных относительно средней точки, а управляющиеэлектроды всех вентилей подключенык программно-счетному устройотву. 2. Электродвигатель по п. 1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что параллельно каждой фазной обмотке подклю 2 б чен диод, катод которого подключен к средней точке