Резонансный электромеханический инвертор

(5 ц 4 Н 02 М 7 ТЗЕННЫЙ КОМИТЕТ НИЯМ И ОТНРЫТИЯМ СР ГОСУДФРСПО ИЭОБ ЭОБРЕТЕНИЯ СВИДЕТЕЛЬСТВ Н АЭТОРСН ССР1983.(71) Кировоградский институт сельскхозяйственного машиностроения(56) Патент США У 3089018,кл. Н 02 М 1/60, 1963.Авторское свидетельство СУ 1220091, кл. Н 02 М 7/64,ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ относится к преобраке и м.биспользосистемах электроснабжения. Целью изобретения является расширение Функционалыых воэможностей. Устр-во содержит электромеха. нические коммутирующие элементы, выполненные в виде неэлектропроводиого диска, на торцах которого установлены наружные и внутренние системы из медных частей колец 4-6 и 1-9, контактируницих со щеточнымн узлами 10, 11. Диск приводится во вращение двигателем постоянного тока 3. При этомпроисходит переключение коммутирующих элементов в соответствующей.последовательности, которая. обеспечивает колебательный процесс заряда-пере- заряда конденсатора 40 и обмен электрической энергией между конденсатором и реактивными элементами нагруз 1448377Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к резонансным инверторам, и может быть использовано в электротехнологии и 5 электроприводе.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.На фиг.1 представлена конструкция электромеханического резонансного 10 инвертора; на фиг.2 - электрическая схема; на фиг.3 - форма кривой токов в Фазах.Инвертор содержит злектромеханические коммутирующие элементы, распо ложенные на торцах неэлектропроводного диска 1 (на фиг.1 изображен пунктирными линиями только контур диска), установленного на валу 2, который механически связан с двигателем пос тоянноГО тока 3Коммутирующие элементы выполнены следующим образом.На одном торце диска, например,25 левом установлены по окружностям большего и меньшего диаметра две системы частей медных колец-наружная и внутренняя. Наружная система содержит три одинаковых части колец 4-6, расположенных равномерно по окружнос.30 ти под углом 120 геометрических градусов один относительно другого, Точно также расположены три одинаковых части колец 7-9 внутренней системы. Части колец наружной системы сдвинУ ты относительно частей колец внутренней системы по окружности на 60 геометрических градусов. Около торца диска по его радиусу неподвижно установлены два щеточных узла 10 и 11, 40 каждый из которых механически контактирует со своей системой частей колец.Между частями колец в каждой системе имеются воздушные промежутки, 45 длина которых больше ширины щетки щеточного узла. В каждом воздушном промежутке изолированно от частей колец установлены медные вставки 12, которые используются лишь как элементы с высоким коэффициентом скольжения для прохождения щеток через воздушные промежутки.Каждая часть внутренней системы электрически связана с той частью 55 кольца наружной системы, которая повернута относительно нее по окружности против часовой стрелки на 60 геометрических градусов, т.е. электрически связаны между собой части колец 4 и 7,5 и 9,6 и 8.Со стороны левого торца диска на валу на изоляционных втулках установлены три медных контактных кольца 135, каждое из которых соединено сэлектрически связанной парой частей колец внутренней и наружной системы.Например, контактное кольцо 15 элек-трически подключено к частям колец 4 и 7, контактное кольцо 14 подключено к частям колец 5 и 9, и т,д. Сконтактными кольцами механически кон"тактируют щелочные узлы 16-18, которые подключены к Фазам нагрузки 19.На правом торце диска 1 по окружностям большего и меньшего диаметратакже установлены две системы медных колец - наружная и внутренняя. В каждой системе насчитывается по шесть одинаковых частей колец, расположенных равномерно по окружности через 60 геометрических градусов. Наружнаясистема состоит из частей колец 20- 25, внутренняя система содержит части колец 26-31. Части колец наружной и внутренней системы размещены безсдвига друг относительно друга по окружности. Части колец внутреннейсистемы, расположенные друг относительно друга под углом 120 геометрических градусов, электрически связаны, т.е. электрически связаны части колец 20,22,24 и электрических связаны части колец 21,23,25, образуя две подсистемы. Точно также связаны части колец 26,28,30 и части колец 27,29,31 наружной системы, также образуя две подсистемы. Каждая внутренняя подсистема частей колец электрически подключена к той наружной подсистеме частей колец, которая сдвинута относительно нее по окружности на 60 геометрических градусов, подсистема из частеи колец 20,22,2ч20 22 24н подключена к подсистеме из частеи колец 27,29,31, а подсистема из частей колец 21,23,25 подключена к подсистеме из частей колец 26,28,30. С наружной и внутренней системами частей колец механически контактируют щеточные узлы 32 и 33, неподвижно установленные со стороны правоГо торца диска по его радиусу. Цеточный узел 32 подключен к катоду высокотемпературного вентиля 34, анод которого подключен к положительному выводу ис 3 144точника питания постоянного тока, ащеточный узел 33 подключен к отрицательному выводу источника питания.Между частями колец наружной ивнутренней систем с правого торцадиска также имеются воздушные промежутки больше ширины щетки щеточногоузла. В каждом промежутке изолированно от частей колец установлены медные вставки 35, использующиеся лишькак скользящие элементы для прохождения щеток через зазоры.Середины воздушных зазоров междучастями колец 7-9 внутренней системына левом торце диска совмещены по угловой координате по окружности, лежащей в плоскости торца диска, с середины воздушных зазоров, расположенными под углом 120 геометрическихградусов один относительно другогомежду частями колец внутренней системы на правом торце диска, например,между частями колец 27,28,29 и 30,26 и 31 или частями колец 28 и 29,30и 3,26 и 27. Таким же образом середины воздушных зазоров между частямиколец 4-6 .овмещены с середины воздушных зазоров между частями колец20 и 21,22 и 23,24 и 25, или зазоровмежду частями колец 21 и 22,23 и 24,25 и 20.Щеточные узлы 10 и 11 лежат в одной плоскости со щеточными узлами 32и 33, либо сдвинуты по угловой координате по окружности лежащей в плоскости торца диска, на угол, равный60" п, где и - целое число,С правой стороны от диска на валуна изоляционных втулках установленыдва медных контактных кольца 36 и 37,причем контактное кольцо 36 подключено к электрически связанной системечастей колец 20,22,24,27,29,31, аконтактное кольцо 37 подключено ксистеме колец 21,23,25,26,28,30.С контактными кольцами 36 и 37 механически контактируют неподвижноустановленные щеточные узлы 38 и 39.Щеточный узел 38.подключен к обкладке конденсатора 40. Вторая обкладкаконденсатора подключена к одному извыходов дросселя 41. Второй выводиндуктивности подключен к щеточномуузлу 10. Щеточный узел 39 подключенк щеточному узлу 11. Параллельно индуктивности 41 включен ключ 42.На фиг.2 представлена электрическая модель схемы инвертора, на кото 8377 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 рой электрические ключи 43-52 отображают электрическое соединение злектромеханических коммутирующих элементов. Наружную и внутреннюю системы иэ частей колец 20-25 и 26-31 с системой щеток 32,33,38,39 и контактных колец 36,37 можно представить в виде ключей 43-46, образующих двухфазный мост (фиг.2). Наружную и внутреннюю системы из частей колец 4-6 и 7-9 щеточных узлов 10, 11,16,18 и контактных колец 13-15 можно представить в виде ключей 47-52, включенных в трехфазный мост (фиг,2).Общая точка соединения контактов 47-49 подключена к одному из выводов дросселя 41, при этом образуется последовательная цепочка, состоящая из конденсатора 40, дросселя 41 и трехфазного моста на замыкающихся ключах. Эта последовательная цепочка включена в одну из диагоналей двухфазного моста, Другая диагональ двухфазного моста подключена через вентиль 34 к источнику питания постоянного тока. В плечи трехфазного моста со стороны переменного тока подключена трехфаз" ная нагрузка 19.Пунктирными линиями на фиг.2 показача механическая связь вача двигате. ля 3 с ключами 43-52.Принцип действия инвертора следую щийвПри вращении двигателя 3 приходит во вращение диск 1. При этом щетки скользят по медным частям колец на правом и на левом торцах диска, подключая или отключая источник питания от фаз нагрузки. Щетки 10 и 11 скользят по частям колец 8,5, а щетки 32, 33 в по частям колец 22,28. При этом идет колебательный процесс заряда конденсатора 40 по цепи: "плюс" источника питания, вентиль 34, щеточый узел 32 часть кольца 22, контактное. кольцо 36, щеточный узел 38, верхняя обкладка конденсатора 40, нижняя об" кладка конденсатора 40, дроссель 41 или контакт 42, щеточный узел 10, часть кольца 8, контактное кольцо 13, щетка 18, фазы нагрузки 19 С-Е и 7-В, щетка 17, контактное кольцо 14, часть кольца 5, щеточный узел 11, щеточный узел 39, контактное кольцо 37, часть кольца 28, щеточный узел 33, "минус" источника питания. В данную часть периода (почти 1/3 периода) колебаний ток заряда конденсатора протека 5 144 ет через фазы В и С и не протекает через фазу А нагрузки.Скорость вращения диска регулируется с помощью приводного двигателя таким образом, что время заряда конденсатора 40 немного меньше времени движения щетки 1 О по участку, меньшему половины длины части кольца 8 и движения щеток 32 и 33 по частям колец 22 и 28, За счет этого в момент, когда щетка 10 подходит к концу части кольца 8 (вращение диска принимаем против часовой стрелки), щетки 32,33 проходят к концам частей колец 22,28, ток колебательного заряда конденсатора спадает до нуля, а вентиль 34 препятствует разряду конденсатора и появлению разрядного тока.Полуволна тока заряда (переэаряда) конденсатора (фиг.3) имеет длительность й. Время движения, например, щетки 32 по части кольца 22 и по медной вставке 35 равно , Это же время соответствует движейию щетки 33 , по части кольца 28 и медной вставке, щеток 11,10 - по половинам частей колец 5,8 и щетки 10 - еще и по медной вставке. За время паузы в кривой токе й, когда заряд конденсатора 40 закончился, а разряду препятствует вентиль 34, шетки 10,32,33 проходят воздушные зазоры между частями колец по медным вставкам 12 и 35.Как только щетки 32,33 вступают в механический контакт с частями колец 23,29, щетка 10 с частью кольца 7 (щетка 11 продолжает двигаться по части кольца 5), начинается колебательный переэаряд конденсатора 40 по цепи: "плюс" источника, вентиль 34, щеточный узел 32, часть кольца 23, кольцо 37, щеточный узел 39, щеточный узел 11, часть кольца 5, кольцо 14, щеточный узел 17, фазы В-У и А-Х нагрузки 19, щеточный узел 16, кольцо 15, часть кольца 7, щетка 10, дроссель 41 (или контакт 42), нижняя обкладка конденсатора 40, верхняя обкладка конденсатора 40, щеточный узел 38, контактное кольцо 36, часть кольца 29 щеточный узел 33, "минус" источника питания. Таким образом, в этой части периода изменилась полярность подключения обкладок конденсатора к источнику постоянного тока. Ток протекает через фазные обмотки В-У и А-Х и не протекает через обмотку С-Е (вторая часть 1/6 периода на8377 6 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фиг3), Пока щетки 10,11,32,33 движутся по частям колец 7,5,23,29, конденсатор 40 переэаряжается. Перезаряд конденсатора происходит до упражнения большего напряжения источника питания за счет наличия в цепи конденсатора индуктивнйх накопителей. Время перезаряда конденсатора также меньше времени движения щеток 10,11, 12,33 по частям колец 5,7,23,29. Разряду конденсатора опять препятствует вентиль, при этом образуется пауза в кривой тока разряда конденсатора, в течение которой щетки 11,32,33 пе" реходят воздушные промежутки по медным вставкам 12,35. Затем процесс перезаряда конденсатора повторяется.Уменьшая обороты приводного двигателя, можно увеличивать паузы в кривых токов в фазах, так как собственная часть колебаний тока в индуктивно-емкостной цепи остается неизменной. При этом снижается частота инвертируемого токаУвеличение оборотов приводного двигателя и соответственно частоты инвертируемого тока допускается лишь до какого-то предельно минимального значения паузы в кривой тока. Для инвертируемого тока с частотой 50 Гц минимальное значение паузы в форме кривой допускается в пределах 0,3-0,4 мс. Дальнейшее уменьшение паузы и переход в режим работы без паузы (непрерывный режим работы или режим работы с отсечкой тока) приводит к сильному искрению под щетками и быстрому выходу их из строя.Другой иллюстрацией работы инвертора может служить электрическая схема на фиг.2. Замкнутое состояние ключей 43,46 двухфазного моста соответствует механическому контакту щетки 32 с частью кольца 22 и щетки 33 с частью кольца 28. Одновременно с этим замкнуты ключи 47 и 51, что соответствует механическому контакту щетки 10 с частью кольца 8 и щетки 11 с частью кольца 5. Конденсатор 40 заряжается по цепи: "плюс" источника питания, вентиля 34, ключ 43, конденсатор 40, дроссель 41, ключ 47, фаза С-Е, фаза У-В, ключ 51, контакт 46, "минус" источника питания.Затем ключи 43,46,47,51 размыкаются н замыкаются ключи 4445,49,51. Конденсатор 40 начинает перезаряжаться через. замкнутые ключи и через фа74483 зы В-У, и А-Х. Замкнутые ключи 44,45, 49 и 51 соответствуют механическому контакту щеток 32,33,10,11 с частями колец 23,29,7,5.Переключение ключей 47-52 соответ 5 ствует движению щеток по частям медных колец яа левом торце диска и происходит попарно в следующей последовательности: 47,51,49,51,49,50,48,50, 10 48,52,47,52; 47,51 и т.д.Синхронно с переключением указанных пар ключей происходит переключение пар ключей 43-46 в следующей последовательности 43,46,44,45,43, 15 46 и т.д. При этом обеспечиваются1 неэатухакацие автоколебательные в индуктивно-емкостной цепи. Дроссель 41 выполняет роль пуско вого. Если нагрузкой служит трехфазная обмотка асинхронного короткоэамкнутого двигателя, то в момент пуска двигателя индуктивное сопротивление статорной обмотки мало. При этом собственная частота колебаний в индуктивно-емкостном контуре велика, приводной двигатель имеет ограниченную частоту вращения. Это приводит к появлению значительной паузы Со в кривых токах 9 аэ. При этом электромагнитный момент двигателя имеет широкие провалы и двигатель не может разогнаться. Введение пускового дросселя резко снижает собственную часто ту колебаний в контуре в момент пуска и уменьшает ширину провалов в кривой электромагнитного момента двигателя.Дроссель 41 включается только на время пуска двигателя. После заверше ння пуска двигателя дроссель закорачивается ключом 42. Индуктивное сопротивление цепи обеспечивается индуктивностью статорной обмотки двигателя. 45 Формула изобретения Резонансный электромеханический инвертор, содержащий электромехани ческие коммутирующие элементы, выполненные в виде диска из неэлектропроводящего материала, установленного на валу, соединенного механически с приводным двигателем, с размещенными 55 на торцах диска по прилегающим к ним окружностям частями медных колец, и неподвижно установленных по два по радиусу диска с каждого его торца щеточных узла, механически контактирующих с частями колец, воздушные зазоры между которыми больше ширины щетокщеточных узлов, высокотемпературныйвентиль, подключенный анодом к положительному входному выводу, а катодом - к щеточному узлу, и последова"тельную индуктивно-емкостную цепь, вкоторой одна обкладка конденсатораподключена к одному из выводов дросселя, а другая - к щеточиому узлу,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения Функциональныхвозможностей, части медных колец образуют четыре системы по две с каждого торца диска - наружную и внутрен" яюю, слевого торца диска в каждой системе имеются по три одинаковых части колец, расположенных по окружоности под углом 120 друг к другу, при этом части колец наружной систеомы смещены на 60 по окружности относительно частей колец внутренней системы, с правого торца диска в каждой системе имеются по шесть одинаковых колец, расположенных равяоо мерно по окружности через 60 , при этом части колец по окружности наруж" ной и внутренней систем расположены симметрично, каждый щеточный узел механически контактирует только с одной из систем частей колец, в воздушных зазорах между частями колец изолированно от них установлены медные вставки, равные по высоте частям колец, на общем валу с диском со стороны его левого торца на изоляционных втулках размещены три медных контактных кольца, с которыми механически контактируют неподвижно установленные рядом три щеточных узла, подключенных к трехфазной цепи нагрузки, на левом торце диска каждая из трех частей колец внутренней системы электрически связана с диаметрально противоположно расположенной частью кольца наружной системы и с контактным кольцом, со стороны правого торца диска на валу на изоляционных втулках установлены два медных кон" тактных кольца, с которыми механически контактируют неподвижно установленные рядом два щеточяых узла, один из которых подключен к одной обкладке конденсатора, а другой подключен к щеточному узлу, контактирующему с наружной системой частей колец на левом торце диска, на правом торце дис9 14 ка части колец, по три в обеих системах, расположенных под углом )20 одна относительно другой по окружности, электрически связаны, образуя в наружной и внутренней системах по две подсистемы, каждая внутренняя подсистема электрически связана с наружной подсистемой, сдвинутой по окружности относительно Иее на угол 60 , и электрически подключена к контактному кольцу, расположенному со стороны правого торца диска, первый из двух щеточных узлов, механически контактирующих с системами частей колец на правом торце диска, подключен к отрицательному входному выводу, второй - к катоду вентиля, второй вывод дросселя подключен к щеточному узлу, контактирующему с внутреннейФ 48377 )Осистемой частей колец на левом торцедиска, середины воздушных зазоровмежду частями колец внутренней и наружной систем с левого торца дюскасовмещены по угловой координате поокружности большего и меньшего диаметров на торцах диска с серединамивоздушных зазоров, размещенными подо10 углом 120 одна относительно другой,между частями колец соответственновнутренней и наружной систем с правого торца диска лежат в одной плоскости или сдвинуты по угловой коорди нате по окружностям на торцах дискаена угол, равный 60 п, относительнощеточных узлов, контактирующих с частями колец с левого торца диска, гдеи - целое число.2 Д:ропзводсгвенно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектн Заказ 6850/55ВНИИПИ . о ударс Тираж 666енного комитета по изо 13035, Москва, Ж, Р тениям и открытия ская наб., д. 4/5