Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем

-0 Бюл. У 1 научно-исследоваут электромашиностронаправлени я вычислит осцепления на т го используют ройства, с по ью которых ые усо сигозбужд а якоря, оложения алам датчиков т ения и углового еско еобх регулирительных о потокосцепления и и возбуждения допол ольных обмоток возб уждения, испо тегральныезуя пропорционально- регуляторы и усилите и токов в тромеханиче з.п. ф-лы,дения генератора икого преобразовател7 ил. СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ения(56) Вентилъные двигатели и их применение на электроподвижном составе,/ 11 од ред, Б.Н.Тихменева. - М,:Транспорт, 1976, 10-13 с,Авторское свидетельство СССР11 1356134, кл. Н 02 К 29/06, 1985.(54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ С ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ(57) Изобретение относится к электротехнике, конкретно к регулируемым электрическим машинам переменного Тока при работе их от преобразователей частот, и может быть использовано в системах электропривода и электроснабжения транспортныхсредств, Цель изобретения - уменьшение пульсаций вращающего моментавентнльного электродвигателя, улучшение энергетических, динамических,массогабаритных показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения. Индукторы генератораи электромеханического преобразователя вентильного электродвигателяснабжаются дополнительными продольными обмотками возбуждения, токкоторых регулируется так, чтобы проекция регулируемой части векторапотокосцепления возбуждения по продольной оси на направление, ортогональное вектору тока якоря, былапропорциональна проекции асинхронносоставляющей вектора основного пото енератора и электромеханипреобразователя вычисляютмый заноя изменения основн1534662 Составитель А. Санталов Редактор В. Петраш Техред И.Ходанич Корректор И. Кучерява одписн ул. Гагарина Производственно-издательский комбин тент , г, Уж Заказ 52 Тираж 435 ВНИПИ Государственного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, Раетениям и открытиям при ГКНТ СССушская наб д. 4/5нальны тригонометрическим функциямположения их роторов, Каждая фазакольцевой обмотки 19 якоря генератора 1 выполнена из двух ветвей,расположенных одна относительно другой на угол 6 /р, и соединенных междусобой дополнительной обмоткой 21 возбуждения, ось которой совпадает сосью полюсов индуктора 20 генератора 1, Дополнительная обмотка 21возбуждения подключена к выходу первого усилителя 13 тока через первыйдополнительный датчик 15 тока, Входпервого усилителя 13 подключен квыходу первого пропорционально-интегрального регулятора 11, первыйвход которого подключен к выходу первого вычислительного устройства 9,а второй вход объединен с первымвходом первого вычислительного устройства 9 и подключен к выходу первого дополнительного датчика 15 тока. Второй двухканальный вход первого вычислительного устройства 9подключен к первому дополнительномувыходу системы 4 управления, а ш -фазный вход этого вычислительногоустройства 9 подключен к выходу шфазиого датчика 17 тока якоря гене. -ратора 1,Каждая фаза кольцевой обмотки 22якоря ЭМП 2 выполнена из двух вет"вей, расположенных одна относительнодругой на угол /р и соединенныхмежду собой своими разноименнымивыводами. Индуктор 23 ЭМП 2 снабжендополнительной обмоткой 24 возбуждения, ось которой совпадает с осьюполюсов индуктора 23 ЭМП 2. Дополнительная обмотка 24 возбужденияЭМП 2 подключена к выходу второгоусилителя 14 тока через второй дополнительный датчик 16 тока. Входвторого усилителя 14 подключен квыходу второго пропорцнонально-.интегрального регулятора 12 тока, первый вход которого подключен к выходу второго вычислительного устройства 10, а второй вход объединен спервым входом второго вычислительного устройства 10 и подключен квыходу второго дополнительного датчика 16 тока. Второй двухканальныйвход второго вычислительного устройства 10 подключен к второму дополнительному выходу системы 4 управле"ния, а ш -фаэный вход .этого вычислительного устройства 10 подключен 3 1534662Изобретение относится к электротехнике, а именно .к регулируемым машинам переменного тока различногоназначения при работе их от преоб 5разователя частоты, и может бытьиспользовано в автономной системеэлектрооборудования (АСЭ) транспортных средств с вентильными электродвигателями. 10Цель изобретения - уменьшениепульсаций вращающего момента, улучшение энергетических, динамическихи массогабаритных показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения вентильного электродвигателя (ВД),На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема АСЭ с ВД;на фиг, 2 и 3 - векторные диаграммы 20изображающих векторов генератора иэлектромеханического преоьразователя (ЭМП); на фиг, 4 - функциональная схема вычислительного устройства; на фиг, 5 - функциональная схема блока моделирования потокосцеплений якоря; на фиг, 6 - конструктивная схема ЭМП и генератора с дат"чиками углового положения ротора;на фиг. 7 - конструктивная схема ЗОдиска ротора ЭМП и генератора.АСЭ (фиг. 1) содержит 2 р -полюсный ш,-фазный генератор 1 переменного тока и вентильный электродвигатель, включающий в себя 2 р -полюсныйш -фазный ЭМП 2, обмотки якорей которых связаны через преобразователь3 частоты, управляющий вход которого подключен к выходу системы 4 уп"равления (СУ), датчик 5 углового по" 40ложения ротора генератора 1, установленный на оси 6, датчик 7 углового положения ротора ЭМП 2, уста"новленный на оси 8, первое 9 и второе 10 вычислительное устройства, 5два пропорционально-интегральных ре"гулятора 11 и 12 тока, два усилителя 13 и 14 тока, два дополнительныхдатчика 15 и 16 тока, ш -фазныйдатчик 17 тока якоря генератора 1, 5 Ош -фаэный датчик 18 тока якоря ЭМП 2,СУ 4 снабжена двумя дополнительными выходами, входами для регулирования угла запаздывания и угла опе"режения и информационными входами,подключенными соответственно к выходам датчиков 5 и 7 углового положения роторов генератора 1 и ЭМП 2,выходные сигналы которых пропорцио(2) 50где 6,55"с 1 д фХ 5 1к выходу щ, -фазного датчика 18 токаякоря ЭМП 2,Каждое вычислительное устройство9 и 1 О (фиг, 4) включает в себя двакоординатных преобразователя 25 и26, блок 27 моделирования потокосцеплений якоря, блок 28 выделениясреднего значения, блок 29 суммирования, блок 30 деления, выход которого является выходом вычислительныхустройств 9 и 10, а вход делимогоподключен к выходу блока 29 суммирования, первым входом соединенногос выходом блока 28 выделения среднего значения. Вход блока 28 соединенс вторым входом блока 29 суммирования и с выходом второго координатного преобразователя 26, первый ивторой входы которого соединены сопервым и вторым выходами блока 27моделирования потокосцеплений якоря,первым и вторым входами соединенногос первым и вторым выходами первогокоординатного преобразователя 25,третьим входом - с источником эквивалентного сигнала, а четвертый входблока 27 моделирования является первым входом вычислительного устройства 9 и 1 О. Вход делителя блока 30деления, третий вход второго координатного преобразователя 26, первыйвход первого координатного преобразователя 25 объединены и представляют собой первый канал второго двухканального входа вычислительногоустройства 9 и 10, Четвертый входвторого координатного преобразователя, 26, второй вход первого координатного преобразователя 25 объединены и представляют собой второй канал второго двухканального входа вычислительных устройств 9 и 1 О, а щ 1 фаэный или щ -фазный вход первогокоординатного преобразователя 25 является щ-фазным или щ -фазным входами вычислительных устройств 9 и 10.В АСЭ при фазовом регулировании напряжения генератора 1 и напряженияЭМП 2 эквивалентный выпрямленный ток(модуль вектора тока якоря) ЭМП 2содержит, кроме постоянной составляющей, переменные составляющие тока, которые и являются причинойпульсации вращающего момента и ухудшения энергетических показателей ВД.Кроме того, вращающий момент ВД является пульсирующим даже при идеально сглаженном эквивалентном выпрям 534662 Ьленном токе ЭМП 2 ввиду дискретногохарактера изменения положения векто".ра тока якоря ЭМП 2, что приводитпри низких частотах вращения к явлению шагания ВД, ограничивая теми 1самым диапазон регулирования частотывращения АСЭ с ВД, Дискретный характер изменения положения вектора тока якоря генератора 1 вызывает пульсации электромагнитного момента генератора 1 и приводит к ухудшениюего энергетических показателей,Пульсации эквивалентного выпрямленного тока и момента, обусловленные фазовым регулированием напряжения ЭМП 2 и дискретным характеромизменения вектора тока якоря ЭМП 2,можно устранить, если проекцию век тора основного потокосцепления якоря ЭМП 2 на направление .д, ортогональное вектору току якоря ЭМП 2поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования тока возбуждения ЭМП 2 по продольной оси Йд для чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потокосцепления й(3 рд в выражении, электромагнит ного момента (фиг. 2) Мд = (С 1 р д + Ь(ф бд) хд где( б - среднее значение проек ции вектора основногопотокосцепления на направление Ед, ортогональное вектору тока якоряЭМП 2 д,40 Из диаграммы изображающих векторов(фиг, 2) необходимая величина потокосцепления дополнительной обмотки24 возбуждения ЭМН 2 по продольнойоси й определяетсяЧ,1 Д =ЦУ д/совъ+ 12нп6 оугол опережения включения при холостом ходе, определяемый установкой датчика 7 углового положения ротораЭМП 2;ток возбуждения и индуктивное сопротивление рассеяния дополнительной продольной обмотки 24 возбуядения ЭМП 2.где и - среднее значение проек обгции вектора основного потокосцепления на направление Гг, ортогональноевектору тока якоря генератора 1Из диаграммы изображающих векторов (Фиг. 3) необходимая величина потокосцепления дополнительной обмотки 21 возбуждения генератора 1 по продольной оси й определяется так: 30 3569,1,= Й( /сов С, + 61(4) Гф.где сг оЫ - угол запаздывания включенияпри холостом ходе, определяемый установкой датчика5 углового положения роторагенератора 1; 11 йгХ - ток возбуждения и индуктиво 1 гное сопротивление рассеяниядополнительной продольнойобмотки 21 возбуждения генератора 1,Диаграммы изображающих векторов(Фиг. 2 и 3) для простоты рассмотрения построеныдля углов коммутациитока в Фазах ЗМП 2 и генератора 1,равных Фг1 = 0 (принудительнаякоммутация), При наличии углов коммутации вычислительные устройства 9и 10 определяют проекции переменных 50 Аналогично можно устранить пульсации эквивалентного выпрямленного . тока и момента, обусловленные Фазовым регулированием напряжения генератора 1 и дискретным характером5 изменения вектора тока якоря генератора 1. Для этого проекцию вектора основного потокосцеппения якоря генератора 1 на направление Е , ортого нальное вектору. тока якоря генератора 1 1 , необходимо поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования тока возбуждения генератора 1 по продольной оси й , для 15 чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потокосцепления Ь 55 г в выражении электромагнитного момента (Фиг, 3): составляющих основного потокосцепления Ь, 6 (1с учетом их амплитуд и Фаз на коммутационном интервале, При этом регуляторы 11 и 12 тока позволяют с достаточной для практики точностью поддерживать как в статике, так и в динамике проекции векторов основного потокосцепления р о4 на уровне, соответствующем их средним значениям, включая и коммутационные интервалы, Первые слагаемые в выражениях (2) и (4) Формируются с помощью вычислительных устройств 9 и 10, выходные сигналы которых подаются на первые входы пропорционально-интегральных регуляторов 11 и 12 тока, на вторые входы которых подаются сигналы, пропорциональные токам возбуждения дополнительных продольных обмоток 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2, Масштабные козФФициенты на входах регуляторов 11 и 12 выбираются так, что суммарный сигнал определяется выражениями (2) и (4),За счет интегральных составляющих на выходах регуляторов 1 и 12 вырабатывается сигнал, обеспечивающий после усиления усилителями 13 и 14 необходимое напряжение на дополнительных обмотках 21 и 24 возбуждения генератораи ЭМП 2, требуемое для поддержания проекции вектора основного потокосцепления якоря генератоРа 1 и ЭМП 2 (1 г и(1) на УРовне, равном их средним значениям, Выбор соответствующих передаточных Функций регуляторов 11 и 12 тока дополнительных обмоток 21 и 24 возбуждения обеспечивает динамику процесса регулирования возбуждения.Вычислительные устройства 9 и 10 предназначены для определения переменных составляющих проекций векторов основного потокосцепления генератора 1 и ЗМП 1 на оси, ортогональные векторам токов обмоток якоря генератора 1 и ЭМП 2, и моделирования части потокосцеплений дополнительных обмоток 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2 согласно выражениям (2) и (4), Для этого применяется первый координатный преобразователь 25, который состоит из типовых множительных и суммирующих элементов и реализует преобразование тока от Фазовых составляющих к продольной и поперечной составляющим по сигналам6210 9 .1 5346 датчиков 17 н 18 и по сигналам датчиков 5 или 7 углового положения роторов генератора 1 или ЭИП 2. Моделирование основных потокосцеплений якоря по осям 6, с 1 осуществляется в блоке 27 моделирования продольной и поперечной составляющих потокосцеплений (Фиг. 5). Нелинейные элементы 31 и 32 имеют одинаковые характеристики и определяют зависимость основного потока у от результирующей намагиичивающей силы 1, т.е. ( = = Г, Намагничивающие силы 1, одной половины полюса определяются суммой намагиичивающих сил по продольной и поперечной осям (фиг. 5)МВ 0,5(В + Ю ),111 0,5(У, + 11 ), ,% адругой половини полюса х - разностью Этим намагиичивакнщим силам соответствуют потокосценления ), и ц, т.е.выходы нелинейных элементов 31 и 32 Масштабные коэициенты усилителей33 и 34 выби .аагая так, что суммарные сигнал на выходах этих усилителей определяются выражениями Далее составляющие основного потокосцепления по осям 4, 9 поступают вовторой координатныйпреобразователь26, состоящий иэ типовых множительных и суммирующих элементов и осуществляющий переход из продольной ипоперечной составляющих основногопотокосцепления к составляющей основного потокосцепления(р, ортогональйой вектору тока якоря, по следующему соотношению:В 6 Ч" соз -1 здпС,ь" 1Составляющая основного потокосцепленияподается на вход блока 28выделения среднего значения, на выходе которого получают среднее значение основного потокосцепления о,Блок 28 может быть выполнен в виде 25 за 35 40 4 50 55 интегратора. Переменную составляющую основного потокосцепления А бполучают на выходе блока 29 суммирования как разность составляющихиподаваемых на вход блока 29 суммирования. На выходе блока 30 деления получают сигнал, необходимый для моделирования потокосцепления продольной дополнительной обмотки 2 или 24 возбуждения Генератор 1 и ЭИП 2 (Лиг. 6 и 7) выполнены скомбинированным возбужде" кием, при этом якори генератора 1 и ЭИП 2 содержат ш,-фаэную генератора 1 и т -разную ЭИП 2 кольцевые обмотки 19 и 22, жестко закрепленные на тороидальном магнитопроводе 35, зафиксированном неподвижно относительно корпуса 36 с помощью наружной немагнитной втулки 37, а индукторы 20 и 23 генератора 1 и ЭИП 2 расположены с двух торцовых сторон якоря и состоят из магнитопроводящих секторов 38, образующих многополюсную систему, жестко закрепленных на внутренней и внешней магнитопроводящих втулках 39 и 40, разделенных между собой немагнитной втулкой 41 индукторов 20 и 23 генератора 1 и ЭМП 2.Число магнитопроводащих секторов 38 равно числу полюсов, оси секторов 38, примыкающих к одной стороне якоря, совпадают с осью секторов 38, примыкающих к другой стороне якоря. Внутренняя магеитопроводящая втулка 39 жестко закреплена на валу 42, внешняя магнитопроводящая втулка 40 жестко прикреплена к внутренней магнитопроводящей втулке 39 через не- магнитную втулку 41 индукторов 20 и 23 генератора 1 и ЭИП 2. Нри этом на магнитопроводящих секторах 38 внутренней магнитопроводящей втулки 39, примыкающих к одной стороне якоря, закреплены полюсы 43 из магнито-. твердого материала одной полярности, а примыкающих к другой стороне яко- ря - полюсы 43 из магнитотвердого материала другой полярности, на магнитонроводящих секторах 38 внешней магнитопроводящей втулки 40 закреплены полосы 44 из магнитомягкого материала.Дополнительные обмотки 21 и 24 генератора 1 и ЭИП 2 выполнены в ви 1534662 12де цилиндрической катушки 45, закрепленной неподвижно относительно сектора через внутреннюю немагнитную втулку 46 и расположенной в пространстве, ограниченном внутренним диамет" ром кольцевых обмоток 19 и 22 генератора и ЭИП 2 и наружным диаметром внешней магнитопроводящей втулки 40, с торцов обмотки 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2 примыкают через рабочий зазор к внутренним торцовымповерхностям магнитопроводящих секторов 38. К наружной торцовой поверхности магнитопроводящих секторов 38одной активной стороны индукторов 20и 23 генератора 1 и ЭМП 2, напримерправой, прикреплен ротор 47 датчикауглового положения, выполненного ввиде бесконтактного синусно-косинусного вращающегося трансформатора дискового типа с кольцевыми высокочастотными трансформаторами 48, статор 49 которого закреплен на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита 50.Принцип действия электрических манин синхронного типа с комбинированным возбуждением известен, Лучшееиспользование активного объема машины достигается в машинах за счет второй активной стороны катушки статора. При этом улучшается тепловое состояние машины, так как увеличивается теплоохлаждающая поверхность обмоток статора. Дополнительная обмотка возбуждения машины, почти не увеличивая занимаемого машиной объема, приводит к образованию дополнительного электромагнитного момента, причем этот момент изменяется по величине в соответствии с сигналом управления. Наличие двух магнитопроводящих контуров (контура магнитоэлектрического типа и контура электромагнитного типа) позволяет осуществлять независимое электромеханическоп преобразование с суммированием электромагнитных моментов на общем валу. Расширение функциональных возможностей в электрических машинах такого типа позволяет использовать их как в качестве генераторов с регулируемым напряжением, так и в качестве двигателей, управляемых по моменту и частоте вращения,Формула изобретения1, Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем, содержащая 2 р -полюсныйш,-фазный генератор переменного токаи вентильный электродвигатель, включающий в себя 2 р -полюсный ш -фазный 5электромеханический преобразователь,обмотки якорей которых выполнены покольцевой схеме и связаны через преобразователь частоты, управляющийвход которого подключен к выходу системы управления, снабженной входамидля регулирования угла запаздыванияи угла опережения и информационными входами, подключенными соответственно к выходам датчиков угловогоположения ротора электромеханического преобразователя и генератора,п 1,-фазный датчик тока якоря генератора и ш-фазный датчик тока якоряэлектромеханического преобразователя, отличающаяся тем,что, с целью уменьшения пульсацийвращающего. момента, улучшения энергетических, динамических, массогаба ритных показателей и расширения диапазона регулирования частоты вращения, в нее дополнительно введеныпервое и второе вычислительные устройства, два пропорционально-интегральных регулятора тока, два усилителя тока и два дополнительных датчика тока, система управления снабжена двумя дополнительными выходами,а индуктор электромеханического пре"образователя и индуктор генератораснабжены дополнительной обмоткой возбуждения, каждая ось которой совпадает с осью полюсов соответствующегоиндуктора, обмотки якоря генератора 40 и электромеханического преобразователя выполнены кольцевыми, каждаяфаза обмоток якоря электромеханичес"кого преобразователя и генераторавыполнена из двух ветвей, располо"женных одна относительно другой наугол й/р у генератора и Ф/р уэлектромеханического преобразователяи соединенных между собой своими1разноименными выводами, дополнитель"ная обмотка возбуждения генератораподключена к выходу первого усилителя тока через первый дополнительный датчик тока, вход первого усилителя подключен к выходу первого пропорционально-интегрального регулятора, первый вход которого подключенк выходу первого вычислительногоустройства, а второй вход объединенс первым входом первого вычислитель 13141534 ЬЬ 2ного устройства и подключен к выходу первого дополнительного датчика тока, второй двухканальный вход первого вычислительного устройства под 5 ключен к первому дополнительному выходу системы управления, а ш 1-фазный вход этого вычислительного устройства подключен к выходу ш,-фазного датчика тока якоря генератора, дополнительная обмотка возбуждения электромеханического преобразователя подключена к выходу второго усилителя тока через второй дополнительный датчик тока, вход второго усилителя подключен к выходу второго пропорционально-интегрального регулятора, первый вход которого подключен к выходу второго вычислительного устройства, а второй вход объединен с первым входом второго вычислительного устройства и подключен к выходу второго дополнительного датчика тока, второй двухканальный вход второго вычислительного устройства подклю чен к второму дополнительному выходу системы управления, а ш -фазный вход этого вычислительного устройства подключен к выходу ш -фазнЬго датчика тока якоря электромеханического преобразователя, причем каждое вычислительное устройство включает в себя два координатных преобразователя, блок моделирования потокосцеплений якоря блок выделения среднего знаЭ35 чения, блок суммирования, блок деления, выход которого является выходом вычислительного устройства, а вход делимого подключен к выходу блока суммирования, первым входом соединенного с выходом блока выделения среднего значения, вход которо,го соединен с вторым входом блока суммирования и выходом второго координатного преобразователя, первый н второй входы которого соединены с первым и вторым выходами блока моделирования потокосцеплений якоря, первым и вторым входами соединенного с первым и вторым выходами первого координатного преобразователя, тре 50 тьим входом - с ис точником зкв ив алентного сигнала, а четвертый вход блока моделирования является первым входом вычислительного устройства, вход делителя блока деления, третий вход второго координатного преобразователя и первый вход первого координатного преобразователя объедине" ны и представляют собой первый каналвторого двухканального входа вычислительного устройства, четвертыйвход второго координатного преобразователя, второй вход первого координатного преобразователя объединены и представляют собой второй каналвторого двухканального входа вычислительного устройства, а ш -фазныйвход первого координатного преобразователя является ш -фазным входомвычислительного устройства. 2. Система по и. 1, о т л и ч а - ю щ а я с я тем, что генератор и электромеханический преобразователь выполнены с комбинированным возбуждением, при этом кольцевые обмотки якоря генератора и электромеханического преобразователя, жестко закреплены на тороидальном магнитопроводе, зафиксированном неподвижно относительно корпуса с помощью наружной немагнитной втулки, а индуктор расположен с двух торцовых сторон якоря и состоит из магнитопроводящих секторов, образующих многополюсную систему, жестко закрепленных на внутренней и внешней магнитопроводящих втулках, разделенных между собой немагнитной втулкой индуктора, число магнитопроводящих секторов равно числу полюсов, оси секторов, примыкающих к одной стороне якоря, совпадают с осью секторов, примыкающих к другой стороне якоря, внутренняя магнитопроводящая втулка жестко эак" реплена на валу, внешняя магнитопроводящая втулка жестко прикреплена к внутренней маГнитопроводящей втулке через немагнитную втулку индуктора, на магнитопроводящих секторах внутренней магнитопроводящей втулки, примыкающих к одной стороне якоря, закреплены полюсы из магнитотвердого материала одной полярности, а примыкающих к другой стороне якоряполюсы из магнитотвердого материала другой полярности, на магнитопроводящих секторах внешней магнитопроводящей втулки закреплены полюсы из магнитных материалов, дополнительная обмотка возбуждения выполнена в виде цилиндрической катушки и расположена в пространстве, ограниченном внутренним диаметром кольцевой обмотки ста" тора и наружным диаметром внешней магнитопроводящей втулки индуктора, 15. 1534662а с торпов обмотка возбуждения примькает через рабочий зазор к ннутренним торцовым поверхностям магнитопроводящих секторов.