Вентильный электродвигатель

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 19) 111) 151) 4 Н 02 К 29/ ОСУДАРСТВЕННЫЙ МОМИТЕТ СССР1 о делАм изоБРетений и отнРытийОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ цЪ И(56) Заявка Японии 11 51-42726,кл, Н 02 Р 5/16, 55 С 2, 1976,Вентильньге двигатели и их применение на электроподвижном составе./Подред.Тихменева Б.Н., М.: Транспорт,1976, с,50.(57) Изобретение относится к электроприводам с вентильными электродвигателями, Цель изобретения - повьппениеКПД за счет снижения потерь в последовательно соединенных ключах преобразователя частоты. Электродвигатель содержит электромеханический преобразователь с числом пар полюсов Р и иобмотками якоря, каждая из которыхвыполнена иэ гп секций, и преобразователь частоты, выполненный на 2 гп иуправляемых ключах. Обмотки якоря установлены одна относительно другой с Фиксированным угловым сдвигом, равным 7(2-гп) /гпрп, 1-л секция первой обмотки якоря подключена к первому выводу -го ключа первой группы из гп ключей, 1-я секция и-й обмотки якоря подключена к первому выводу г.-го ключа второй группы из гп ключей, вторые выводь: ключей в первой и второй группах объединены и подключены, соответственно, к первому и второму выводу цепи питания. Каждая 1-я секция Е-й обмотки якоря соединена одним ключом с 1-й, а другим - с (1 + 1)-й секциями ф + 1)-й обмотки якоря. Иэ- с менение структуры преобразователя частоты, осуществленное- за счет изменения связей между ключами и секциями обмоток якоря, позволяет сократить С. число последовательно соединенных ключей с 2 до (п + 1). Это снижает . составляющую мощности потерь в ключах преобразователя и повьппает КПД двигателя, 9 ил.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано цэлектроприводах с вентильцыми электродвигателями,Цель иэобре гения - повышение К 1 Дэлектродвигателя путем уменьпгецияпотерь в последовательно соединенныхключах преобразователя частоты.На фиг.1 изображена блок-схемавентильного электродвигателя с двумятрехсекционными обмоткамй якоря; нафиг.2 и.З - эпюры напряжений управляющих сигналов вентильного электродвигателя для различных направленийвращения; на фиг.4 - блок-схема ревенсора вентильного электродвигателя,управляемого по сигналам датчика положения ротора; на фиг.5 - условноеизображение пространственного расположения намагничивающих сил секцийобмоток якоря; на фиг.6 - блок-схемавентильного электродвигателя с двумяпятисекционцыми обмотками якоря", нафиг.7эпюры напряжений управляющих сигналов вентильного эл,ктродвигателя, изображенного на фиг,6; нафиг.8 - блок-схема вецтильцого электродвигателя с пятью четырехсекционными обмотками якоря; на фиг,9 -блок-схема вентильного электродвигателя с тремя семисекционными обмотками якоря На фиг.1 показан один из вариантов вентильного электродвигателя, который содержит электромеханический преобразователь 1, имеющий индуктор 2 с числом пар полюсов р и якорь сп = 2 обмотками 3 и 4 якоря, каждая из которых выполнена из гп.= 3 секций 3,1, 3.2, 3.,3 и 4,1, 4.2, 4.3, и преобразователь 5 частоты, собранный на 2 ш и = 12 управляемых ключах 6- 17 обмотки 3 и 4 якоря установлены одна относительно другой с фиксированным фаэовым сдвигом, равнымЯ(2-)тпр брг-я секция, например 3.1 первой обмотки. 3 якоря подключена к первому выводу 18 г-го ключа 6 первой группы 19 из ш = 3 ключей, ";-я секция 4.1ап-й обмотки 4 якоря подключена к перному выводу 20 г-го ключа 15 второй группы 21 из ш = 3 ключей, вторые выводы 22-24 и 25-27 ключей 6-8 и 15-17 в первой 19 и второй 20 группах объединены, образуют два общихраздельных вывода 28 и 29, служащих для подключения к источнику питация, Каждая г-я, например, первая 3.1 секция к-й (первой) обмотки якоря соединена одним ключом 12 с 1-и секцией 4,2, а другим 13 - с (3 +1)-й секцией 4.3 и + 1 -й (второй) обмотки 4 якоря, причемт - 3-1.3+112 если угловая длительность управляющегосигнала в каждом канале равна 4.,20гп - 1г +щ 4 3.21 )1 ъЩединичная функция25 д = 1, 1 с:= 1,2 (и - 1), 1 с =. 1, Еслиключи выполнены в виде полностью управляемых ключей, то встречцо-параллельно каждому ключу включены диоды30-41.30Для обеспечения нормальной работыентильного электродвигателя долженбыть выбран алгоритм работы ключейпреобразователя 5 частоты, отличающийся от алгоритма управления ключамипреобразователя частоты известногоустройства, Сигналы для управленияключами 6-17 преобразователя 5 частоты могут быть сформированы из сигналов управления ключами преобразователя частоты известного устройства, 40 или получены с помощью специальногодатчика положения ротора.На фиг,4 показан один из возможныхпримеров. реализации устройства управления вентильным электродвигателем.Устройство содержит источник управляющих сигналов, например, датчик 42 положения ротора, на 4 гп (12-ти) выходах 43-51 которого сформирована последовательность управляющих сигналов,(фиг.2 и 3), обеспечиваюпая нормальную работу вентипьцого электродвигателя с преобразователем частоты. Обоз начения сигналов (фиг.2,3,7) совпадают с обозначением элементов, на кото 55 рых присутствуют эти сигналы.1241364 4реключателей 55 и 56 (изображенномпунктирными линиями) осуществленоподключение каналов 47,48,50 и 51соответственно к объединенным входам72 - 73, 70-71, 66-67 и 64-65 логических элементов 58-59, 62-57, 61-62 и59-60 совпадения.Переключатели 55 и 56 служат дляосуществления реверса вентильногоэлектродвигателя.Изображенная на фиг,6 блок-схемавентильного электродвигателя включаетэлектромеханический преобразователь1, имеющий индуктор 2 с произвольнымчислом пар полюсов р и якорь с и = 2обмотками 3 и 4, каждая из которыхвыполнена из ш = 5 секций, и преобразователь 5 частоты из 2 шп = 20управляемых ключей 80-99, обмотки 3и 4 якоря установлены одна относительно другой с фиксированным фазовым сдвигом, равным Я 2 -Кл)шпр . 10 р ф если ш-Г2 В 2%угловой сдвиг управляюш 3 пих сигналов для каждых трех последо 2 Т аательных каналов составляет (=2 л 5а угловой сдвиг между управ 3ляющими сигналами в -м и ( + ш)-м каналах, например, в 43 и 46 каналах, составляет и, Сигналы в первых 2 ш10 каналах (43-48) смещены относительно сигналов в одноименных вторых 2 ш каналах 49-54 на электрический угол и 7шп 16Наличие сигнала (фиг.2 и 3) соот 15 ветствует включенному состоянию ключа. Управляющие сигналы в каналах 46-51 датчика 42 положения ротора изображены пунктиром.20Каналы 43-45 и 52-54 датчика 42 положения ротора подключены к управляющим входам ключей 6-8 и 15-17 первой 19 и второй 21 групп ключей пре" образователя 5 частоты непосредствен :ю. Каналы 46-5 1 датчика 42 положения ротора подключены к управляющим входам,ключей 9-14 преобразователя 5 частоты через два двухканальных двух- позиционных переключателя 55 и 56 и шесть двухвходовых логических элемен 30 тов 57-62. совпадения. Первый вход логического элемента 57 и первый вход 63 логического элемента 58 объединены и подключены к каналу 49 датчика 42 положения ротора, а первые входы 64-3565 и 66-67 логических элементов 59- 62 совпадения попарно объединены и подключены через переключатель 56 к каналам 50 и 51 датчика 42. Вторые входы 68 и 69 логических элементов 40 60 и 61 совпадения объединены и подключены к каналу 46 датчика 42 положения ротора, а вторые входы 70-71 и 72-73 логических элементов 62,57,58, 59 совпадения попарно объединены и подключены через переключатель 55 к каналам 47 и 48 датчика 42. Выходы 74-79 логических элементов 57-,62 совпадения подключены к управляющимвходам ключей 9-14 преобразователя 5 50частоты. В первом положении переключателей 55 и 56 (изображенном сплошными линиями) осуществлено подключение каналов 47,48,50 и 51 соответственно к объединенным входам 70-71, 5572-73 64-65 и 66-67 логических элементов 62-57, 58-59, 59-60, 61-62совпадения, Во втором положении пед-я секция, например, вторая 3,2 первой обмотки 3 якоря подключена к пер- " вому 100 выводу 1- го (второго) ключа 81 первой группы 101 из ш = 5 ключей 80-84, х-я секция 4.2 и-й второй обмотки 4 якоря подключена к первому выводу 102 -го второго ключа 96 второй группы 103 из ш = 5 ключей 95-99, вторые выводы 104-108 и 109-113 ключей 80-84 и 95 - 99 в первой 101 и второй 103 группах объединены, образуют два общих раздельных вывода 28-29, служащих для подключения к источнику питания. Каждая -я,. например, вторая 3.2 секция 1 -й (первой) обмотки 3 якоря соединена одним ключом 92 с 3-й 4.4, а другим - с (3 + 1)-й секциями (1 + 1)-й (второй) обмотки 4 якоря, причемш - 1 5 - 13 12413Работу вентильного электродвигателя иллюстрируют эпюры (фиг,7) напряжений управляющих сигналов на ключах 80-99 преобразователя 5 частоты. Наличие сигнала на ключе свидетельствуе.т о том, что этот ключ открыт. Пунктиром изображены управляющие сигналы, которые имеют место в известном устройстве с последовательным соединением двух пятисекционных двухполупери одных преобразователей частоты.Для иллюстрации на фиг.8 изображен вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь 1, имеющий индуктор 2 с произ водным числом пар полюсов р и якорь с и = 5 обмотками 114-118 якоря, каждая из которых выполнена из щ = 4 секций 114.1-114.4, 115,1 в 1,4, 116.1 в 1.4, 117. 1 в 1.4, 118. 1 в 1.4,20 и преобразователь 5 частоты из 2 щи = = 40 управляемых ключей (ключи на фиг,8 не обозначены). Обмотки 114- 118 якоря установлены с фиксированным фазовым сдвигом одна относительно 25 другой, равным 7(2 - 6,) 20 р щ п р щ,- я секция 118.2 и-й (пятой) обмотки 118 якоря подключена к первому З 5выводу 122 1-го ключа 123 второй группы 124 из щ = 4 ключей, вторые выводыключей в первой 121 и второй 124группах объединены, образуют два общих раздельных вывода 28 и 29, служащих для подключения к источнику питания. Каждая д-я, например, третья,116.3 секции 1-й (третьей) обмотки116 якоря соединена ключом 125 с3-й (первой 117,1), а другим 126 -с (3 + 1)-й (второй 117.2) секциямичг (2 - ), 1 щи р 21 р 1.-я секция, например, третья 127.3 г.;ервой обмотки 127 якоря подключена к первому выводу 130 .-го (третьего) ключа 131 первой группы 132 из щ = 7 ключей, -я, третья 129,3 секция и-й третьей обмотки 129 якоря подключена к первому выводу 133 -го (третьего) ключа 134 второй группы 135 из щ =ключей, вторые выводы ключей в первой .132 и второй 135 группах объединены, образуют два общих раздельных вывода 28 и 29, служащих для подключения к источнику питания.Каждая х-я, например, вторая 128.2 секция Е-й (второй) обмотки 128 якоря соединена одним ключом 136 с 1-й (пятой 1295), а другим 137 - с (3 + + 1)-й (шестой 129.6) секциями (1 + 1)-й (третьей) обмотки 129 яко-, ря, причем-1 2+ -- - -- = 5 2 1:. +щ 8721 3 г 1 - (-1)ч единичная функция,- О, К =: 1,2,(и - 1),= 3,Для иллюстрации на фиг.9 изобраяена блок-схема вентильного электродвигателя, содержащего электромеханический преобразователь 1, имеющий индуктор с. произвольным числом пар полюсов р и якорь с и = 3 обмотками 127-129 якоря, каждая из которых выполнена из щ = 7 секций 127.1-127.7;128.1-128.7, 129.1-129.7, и преобразователь 5 частоты из 2 щи = 42 управляемых ключей (ключи на фиг,9 не обозначены), Обмотки 127-129 якоря установлены одна относительно другой с фиксированным фазовым сдвигом, равным+ ---- щ 521 если 4; 1 - (-1)М- единичная функция1, к = 1,2(и - 1), 1 с = 2.Электромеханический преобразователь в конструктивном отношении выполнен по типу как синхронной, так иасинхронной машины, с произвольным количеством и обмоток на якоре и с произвольным количеством секций ш в каждой обмотке. Фиксированный фазовый сдвиг между соседними обмотками, равный ( (2 - )устанавливаетея для уменью и ршенияпульсаций. вращающего момента. Число пар полюсов р индуктора электро 10 механического преобразователя может быть произвольным и выбирается при конструктивной проработке вентильного электродвигателя. Преобразователь частоты выполнен на любых. управляемых15 ключах (транзисторах, тиристорах, синисторах, герконах и т.д.), Если ключи выполнены полностью управляемыми (транзисторы, герконы), то вторично-параллельно каждому ключу дол 20 жен быть включен диод моста обратного тока для исключения перенапряжений на ключе в момент его принудительного запирания. Нумерация обйоток якоря устанавливается в направлении протекания тока от источника питания, например, от вывода 28 к выводу 29. Нумерация секций в каждой обмотке устанавливается в направлении вращения индуктора, при этом первая секция может быть выбрана любой. При реверсе30 вентильного двигателя порядок нумераций секций в каждой обмотке сохраняет- ся, т.е. если для одного направления вращения данная секция имеет номер ш, то для противоположного направле- З 5 ния вращения эта секция будет иметь номер два, поскольку номер первый секции остается неизменным. Одноименными секциями в двух соседних обмотках якоря считаются те секции, электрические процессы в которых имеют фазовый сдвиг, равный%(2 -,)напр45Управление вентильным электродвигателем может осуществляться как по разомкнутой схеме цепи, например, от задающего генератора, на 2 ш п вы 50 ходах которого сформированы управляющие сигналы, аналогичные тем, которые изображены на фиг,2 и 3, так и по замкнутой схеме по сигналам датчика положения ротора, установленного на валу электромеханического преобразо 55 теля. При этом, если датчик положения ротора выполнен по классической схеме и обеспечивает формирование одинаковых по длительности сигналов в каждом из 2 шп каналов, то он дополнительно снабжен логическим устройством для формирования вполне определенной совокупности сигналов для управления ключами преобразователя частоты, связывающими секции обмоток якоря. Одно из таких устройств изображено на фиг,4 Вентильный электродвигатель относится к классу электро- механических преобразователей энергии с дискретным перемещением магнитного поля в воздушном зазоре. Работоспособность такого электродвигателя будет обеспечена, если указанное дискретное перемещение магнитного поля однонаправленное. В данном электродвигателе это условие выполняется. Пусть к выводам 28 и 29 (фиг.1) подключен источник постоянного напряжения с положительной полярностью к выводу 28. Переключатели 55 и 56 находятся в первом положении, изображенном на фиг.4 сплошными линиями,В каналах 43-54 датчика 42 положения ротора сформированы сигналы,.изображенные на фиг.2 (сигналы в каналах 46-51 показаны пунктиром). На управляющих входах 6-17 преобразователя 5 частоты сформированы сигналы, изображенные на фиг.2. Йа угловом интервале О --- включены три (и +6+ 1) ключа б, 14, 16, что обеспечивает подключение к источнику питания последовательно .соединенных секций 3.1- 3.2-4.3-4,2. Обтекаемые электрическим током секции создают намагничивающие силы (НС), изображенные на фиг.5. Обозначение НС (фиг.5) соответствует обозначению секций. Обозначение без черты наверху указывает на то, что ток втекает в секцию, а с чертой наверху - на то, что ток вытекает из секции. Направления одноименных НС, обозначенных с чертой и без нее, взаимно противоположны. НС геометрически суммируются и образуют результирующие НС В 1 якоря. Взаимодействие НС В 1 якоря и НС индуктора вызывает вращающий момент и поворот ротора вентильного электродвигателя. В положении индуктора с =й= -- происходит отключение ключа 146и включение ключа 9. К источнику питания подключаются секции 3.1-3.2- 4.1-4.2, которые создают соответ 1241364 10ствующие НС (фиг.6). Геометрическое суммирование дает результирующую НС В , которая смещена в пространУстве относительно НС В на угол -6-.5 В каждом последующем такте коммутации Результирующая НС якоря дискретИно перемещается на угол -- в направ-,6лении движения часовой стрелки. Это 1 О является необходимым и достаточным условием создания непрерывного вращающего момента и вращения ротора электродвигателя вперед (В)Для изменения направления вращения 15 вентильного электродвигателя изменяют на противоположный порядок следования сигналов в каналах 43-45 датчика 42 положения ротора (Фиг.З). В электродвигателе дополнительно устанавлявают 1 О переключатели 55 и 56 во второе положение, изображенное на Фиг.4 пунктиром. На управляющих входах ключей 6- 17 преобразователя 5 частоты сформированы сигналы, изображенные на фиг.3.25На угловом интервале 0 -вклю 6 чены ключи 7.,12,17, что обеспечивает подключение к источнику питания последовательно соединенных секций 3.2- ЗО 3.1.-4.2-4.4.3, которые создают соответствующие НС и результирующую НС Н (фиг,6). В положении индуктора с(, =-- происходит отключение ключа 1235 и включение ключа 11. К источнику питания подключаются секции 3,2-3,3- 4.2-4.3, которые создают соответствую щие НС и результирующие НС Н . В каж 2 дом последующем такте коммутации результирующая НС якоря дискретно перемещается на уголв направлении6против часовой стрелки (назад, Н). Определяют алгоритм переключения ключей 9-14 преобразователя 5 частоты, связи между которыми подвергнуты изменениям, В качестве исходной информации для определения этого алгоритма принимают известный алгоритм переключения ключей поеобразователя частоты устройства-прототипа. Обозначают угловую длительность включенного состояния ключа, подключенного к -й секции 1-й обмотки в преобразователе частоты устройства-прототипа, (7; . Аналогично обозначают длительность включенного состояния ключа, подключенного к 1-й секции (1 с + 1)-й обмотки в нреобразователс частоты устройства-прототипа,1. На фиг.2 этосигналы в каналах 46-48 и 49-51, изображенные пунктиром,.=(,7 Лгде Л. - символ логического умножения.Аналогично, для угловой длитель(к 7ности 7, 1 включенного состояния клю (7 1ча, соедйняющего х - ю секцию К -й обмотки с (3 + 1)-й секцией+ 1)-й обмотки, получаютк(+)(1 "1 " 1 н )( ) (2)На фиг,2 представлены сигналы наключах 9- 14. Сигналы на фиг,2 и 3обозначены номерами, соответствующими номерам ключей коммутатора 5 (без, кобок), или номерам выходных каналовдатчика 42 положения (со скобками),В частности, угловая длительностьвключенного состояния ключа 12, соединяющего -ю (первую 3.1) секцию1:-й (первой) обмотки с 3 -й (второй4.2) секцией (+ 1) -й (второй) обмотки, определяется логиЧеским умно.:кением сигналов 46 и 50, имеющих место при управлении ключами преобразователя частоты в устройстве-прототипе,Сигналы управления (фиг.7) ключами 85-94 преобразователя 5 частотыьентильного электродвигателя (фиг.6)сформированы согласно установленномуалгоритму. Сигналы на Фиг.7 обозначены номерами, соответствующими позициям на фиг.6.На Фиг.7 пунктиром изображены сигналы управления, которые имеют местов устройстве-прототипе, Каждый такойсигнал обозначен номерами в скобках,одноименными с обозначением сигнала,управляющего ключом, соединенного стой же секцией обмотки якоря, толькос чертой наверху, Это свидетельствуетс том, что сигналы имеют Фазовыйсдвиг равный. угловая длительность. ванных сигналов различий, то они могут быть определены путем вычисленияразностей между Ч; и Ч, и междуЛнализ полученных выражений показывает, что угловые длительностисформированных сигналов зависят отчисла секций гп, числа обмоток и, угловой длительности исходного сигнала75 управления, охарактеризованного коэффициентом г, и не зависят от конкретных номеров обмоток,Для конкретного случая (в = 3,и = 2, г = 2,= 1, получают ;ЗО =. = в , - что соответствует+ )фиг.2,3. Для тех же условий, толькодля щ = 5, получают(11; = -- (ф10й")Зк1 Очто соответствует фиг.7.35Для четных значений а ш=4, и= Для конкретного случая40 = 5, г = 2, получают ю Ч(1 ф) 4Изменение структуры преобразователя частоты, осуществленное за счет изменения связей между ключами и секциями обмоток якоря, позволяет сократить число последовательно соединенных ключей с 2 и до (и + 1), что снижает составляющую мощность потерь в ключах преобразователя частоты и повышает за счет этого КПД вентильного электродвигателя.(о; и заднегоФронтов 3-го сигналауправления ключами+ 1)-й обмотки,используемого для формирования требуемого алгоритма управления, соответственно равны включенного состояния ключа 92, соединяющего 1-ю например, вторую 3,2 секцию к -й (первой) обмотки с 3-й (четвертой 4.4) секцией (+ 1)-й (второй) обмотки определяется логическим умножением сигналов, сдвинутых на угол Я относительно сигналов на выводах 105 и 1 12, имеющих место при управлении ключами преобразователя частоты в устройстве-прототипа, В общем случае, угловая длительность включенного состояния ключа в устройстве-прототипе может находиться в ,диапазоне ок .к - фолк (3) 1где Ы = --- межкоммутационный инютервал.На фиг.2,3 и 7 изображен случай,когда 1 = 2 а, Если )к; ) 2 к, то сигналы, управляющие работой ключей 914, будут следить одни за другим сперекрытием,Для угловых координат и длительности .импульсов управления ключамипреобразователя частоты вентильногоэлектродвигателя могут быть полученыаналитические выраженИя, Из анализадиаграмм и работы вентильного электродвигателя видно, что координатыфронтов формирующих импульсов определяются координатами фронтов сигналовуправления ключами преобразователячастоты известного устройства,Координаты переднего у, и заднего (, Фронтов -го сигнала управления ключами к -й обмотки, используемого для Формирования требуемого алгоритма управления, соответственно равны(2 -1.,) Ь + 1)Ч =а "21 - 2 +кг. 29 =9 -к) Формула изобретения Вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с числом пар полюсов р и и-обмоткамякоря, каждая из которых выполнена из ш секций, и преобразователь частоты, выполненный на 2 вп управляемых ключах, обмотки якоря установлены одна относительно другой с фиксированным угловым сдвигом, рав 7(2 -Г)ным в-, -я секция первойш и робмотки якоря подключена к первому 1 О выводу -го ключа первой группы из в ключей, -я секция п-й обмотки якоря подключена к первому выводу -го ключа второй группы из щ ключей, вторые выводы ключей в первой и вто рой группах объединены и подключены соответственно к первому и второму выводу цепи питания, о т л и ч а юшения потерь в последовательно соединенных ключах преобразователя частоты, каждая -я секция 1 -й обмотки якоря соединена одним ключом с 1-й, а другим - с (1 Ф 1)-й секцией (1 4 + 1)-й обмотки якоря, причемш -,.3 1+ -- если+ф2 щ +1 ----- если+ 2 ф тп и 1 - (-1))щ2 единичная функция, 1 с = 1,2,(п 1), п 2. щ и й с я тем, что, с целью повышения КПЕЯ электродвигателя путем умень