Вентильный электродвигатель

(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ (57) Изобретение технике и может в электропривода тродвигателями,ГОСУДАРСТБЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБР д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Овчинников И.Е., ЛебедевБесконтактные двигатели постотока., в , Л.: Наука, 1979, с. 2Федоров В.В. Исследованиеработка методов структурнойризации регулируемых бесконтадвигателей постоянного тока:реф,. дис. на соиск. учен, стеканд. техн. наук. - М.: МЭИ,с. 12,ЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ относится к электроыть использовано с вентильными элекк-рым предъявляЕНИЯъlЪ,ются требования мин. пульсации мгно"венной частоты вращения, например,в электроприводах звукозаписывающейаппаратуры, Целью изобретения является повышение равномерности мгновенной частоты вращения за счет уменьшения пульсаций вращающего момента иснижение себестоимости за счет обеспечения возможности использованияключей со значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи границы допуска, Вентильный электродвигатель содержит электрическую машину,секции якорной обмотки к-рой связаныс ключами двухполупериодного преобразователя частоты, снабженного мос"том обратного тока, Ключи преобразователя частоты и вентипи моста обратного тока имеют различные параметры насыщения Предложен порядок подключения ключей и вентилей с различными параметрами насыщения к.определенным секциям эл. машины, чем обеспечивается поставленная цель. 1 з,п.ф-лы, 4 ил, 325630Изобретение относится к электротехнике и может быть использованов электроприводах с вентильными электродвигателями,. к которым предъявляются требования минимальной пульсации мгновенной частоты вращения, например, в электроприводах звукозаписывающей аппаратуры,Цель изобретения - повьпнение равномерности мгновенной частоты вращения за счет уменьшения пульсации вращающего момента и снижение себестоимости изготовления за счет обеспечения возможности использования ключейсо значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи границы допуска,На тЬтлг, 1 представлена блок-схемавентильного электродвигателя, электрическая машина которого имеет тп-секционную обмотку якоря", на Ьиг, 2 -схема вентильного электродвигателя дляи=5; на фиг. 3 - временнвте диаграммы напряжений, ттоясняющие работувентильного электродвигателя; найиг. 4 - временные диаграммы пульсаций выходного сопротивления преобразователя частоты,30 Вентильный электродвигатель (фиг.1)30содержит электрическую машину 1 си-секционной обмоткой 2 якоря, двухполупериодный преобразователь 3 частоты с 2 и управляющими клтачами, образующими тп(1 р т 1 р ь ор 1 р а о о ьпо о а о р 1 су о е о ртп) 35его ветвей и две группы (анодную 4 икатодную 5) по и ключей в каждой,каждая ь -я секция обмотки 2 якоряэлектрической машины 1 подключена квыводу ьт -й ветви двухполупериодного 40преобразователя 3 частоты, управляющие входы ключей которого подключенык выходу блока 6 формирования сигналов управления, а сами ключи имеютразличные параметры режима насыщения 45причем о,сыс ст, сМЫс сы сст тп ключей с параметрамирежима насыщения от ст до о( включеныв одну группу, например анодную 4двухполупериодного преобразователя 3частоты, в катодную группу 5 котороговключены другие и ключей с параметрами режима насыщения ото доЫДвухполупериодный преобразователь3 частоты спабжен мостом 7 обратноготока из 2 пт вентилей, с различными параметрами режима насыщения , причем дЕе; бе о - д е е аььо-.о.,--а;-, -с;3Вентили моста 7 обратного тока образуют две группы (анодную 8 и катодную 9), и вентилей с параметрами режима насыщения от 9 довклюооо чены в анодную группу 8 моста 7 обратного тока, в катодную группу 9 которого включены другие ш вентилей с параметрами режима насыщения от 1Фе ь до У,1-й ключ анодной группы 4 и т-й ключ катодной группы 5 двухполупериодного преобразователя 3 частоты включены соответственно в его 1-.ю и 1 с-юветви, удовлетворяющие соотношениям1=и+1-0 51+(1-тп - О 5)1 с 1 с и1- (-1)"2 5(з.-и+1)+(2 тп+0,5),.; тп+1 стб 2 тп;1 - (-1)2Дополнительно 1-й вентиль анодной группы 8 и т-й вентиль катодной группы 9 моста 7 обратного тока включены соответственно в 1-ю и Е-ю ветви, Вентильный электродвигатель получает питание от источника 1 О напряжения.Для частного случая тп=5 вентильный электродвигатель (фиг, 2) содержит электрическую машину 1 с пяти- секционной обмоткой 2 якоря, двухполупериодный преобразователь 3 частоты с десятью управляемыми ключами, образующими пять его ветвей (1, 11, 111, 17, ч), и две группы (анодную 4 и катодную 5) по пять ключей в каждой, каждая секции, например третья, обмотки 2 якоря электрической машины 1 подключена к выходу ветви 111 двухполупериодного преобразователя 3 частоты, управляющие входы ключей которого подключены к выходу блока 6 формирования сигналов управления (не показан), а сами ключи имеют различные параметры режима насыщения Ы., причем пять ключей с параметрами режима насыщения от от, до о включены в одну группу, например анодную 4, двухполупериодного преобразователя 3 частоты, в катодную группу 5 которого включены другие пять ключей с параметрами режима насыщения От се 6,цоДвухполупериодный преобразователь 3 частоты снабжен мостом 7 обратного тока из десяти вентилей с различными параметрами режима насыщения у, причем Я, У У. а Мо(3) Вентили моста 7 обратного тока об разуют две группы (анодную 8 и катод ную 9) по пять вентилей в каждой, пять вентилей с параметрами режима насыщения от ф до ф включены в1 5анодную группу 8 моста 7 обратного тока, в катоднуто группу 9 которого включены другие пять вентилей с параметрами режима насьпцения отдо6 у . В вентильном электродвигателе отретий ключ с параметром режима насыщения о анодной группы 4 и девятый ключ с параметром режима насьпцения сп катодной группы 5 двухполупериодного преобразователя 3 частоты включены соответственно в его 11-ю (1-ю) и 1 Ч-ю (Е-ю) ветви, удовлетворяющие соотношениям 1=6-0,51+ (1-5,5) .; 115; 1- (-1) г М 0,5 (з.-4)+ (10,5-з.)6- т. с 10; 1-(- ) 2.Дополнительно третий вентиль анодной груптты 8 с параметром режима насьпцения т и девятый вентиль катодной группы 9 с параметром режима насыщениямоста 7 обратного тока включены ветви 11 и 111 соответственно,Электрическая машина может быть любого типа из числа известных конструкций синхронных машин, Преобразователь частоты может быть выполнен как на транзисторах, так и на тиристорах.Блок формирования сигналов управления может быть выполнен по различным известным схемам. В частности, указанный блок может быть выполнен с обеспечением формирования управляющих сигналов по сигналам датчика положения ротора электрической машины,Вентильный электродвигатель рабо-. тает следующим образом.При подключении источника 10 напряжения и поступлении управляющих сигналов на ключи преобразователя 3 частоты с блока 6 формирования сигналов управления ротор вентильного электродвигателя приходит во вращение за счет поочередного подключения секций обмотки 2 якоря к источнику 10 напряжения с помощью ключей преобразователя 3 частоты. В воздушном зазоре организуется дискретно вращающееся магнитное поле якоря, которое, взаимодействуя с магнитным полем ин-.дуктора, создает вращающий момент.Алгоритм клточей преобразователя 3 5частоты показан диаграммами (фиг. 3) .Наличие импульса в каком-либо угловом интервале свидетельствует о том, что данньпт ключ включен. Длительность включенного состояния ключа равна 2, гдест/п - межкоммутационный интервал или естественный такт коммутации вентильного электродвигателя.В любой момент времени секции обмотки 2 якоря подключены к источнику 10 напряжения через два ключа, параметры режима насыщения которых определяют выходное сопротивление ЕЫ преобразователя частоты. Представим параметр режима насыщения и-го ключа в 20виде где п=0,2. 2 тп - число, условно характеризующее изменение исследуемого параметра отключа к ключу.Тогда выходное сопротивление Е стпреобразователя частоты для любого 30момента времени согласно изобретениюможет принимать лишь три значения.(усл. ед,) 7 сА=2 с,+2 тп=2(ст,+тп) - 1; 35 7 ст=2 с, +2 тп=2 (сА.,+тп); 7 с=2 сС, +2 тп+1=2 (Ы,+тп)+1. При этом для любого числа секцийобмотки 2 якоря выходное сопротивле" 40 ние преобразователя 3 частоты дваждыпринимает значение Е ст и по (ш) разу принимает значения 7: ст и Е ст1Из диаграммы (фиг. 4, кривая А) видно, что амплитуда пульсации выходного 45 сопротивления преобразователя частоты составляет 6=2 усл.ед., а частоф тпта Гмаркс 2,п 50 Согласно изобретению размещениеключей в ветвях и группах преобразователя 3 частоты подчиняется строгомуалгоритму, математически описанномув виде (1). В каждой группе функция 55 распределения номеров ветвей для ключей с последовательно увеличивающимися параметрами режима насьпценияподчинена колебательному закону субывающей амплитудой (номер ветви1325 б 30 6преобразователя 3 частоты, полученные при различных алгоритмах расположения ключей в группах и ветвях,можно установить, что переход отхудшего с точки зрения минимума пульсаций мгновенной частоты вращенияалгоритма (4) к лучшему (1) позволяет снизить амплитуду пульсации выходного сопротивления 7 Р в 2(щ) раза,а ее частоту увеличить в щ раз. Напрактике при случайном расположенииключей в группах и ветвях преобразователя частоты вероятность расположения ключей согласно (4) при большом числе секций низка. При маломчисле секций обмотки якоря, напримерпри щ=З, вероятность такого расположения ключей, при котором формируются как максимальное, так и мийимальное значения выходного сопротивленияувеличивается, Алгоритм (4) дандля оценки наихудшего варианта расположения ключей,При расположении ключей с различными параметрами режима насыщения вветвях и группах преобразователя частоты согласно (1) минимальная амплитуда и максимальная частота пульсациивыходного сопротивленияЫ обеспечивается как для прямого, так и для обратного направлений вращения электродвигателя, поскольку изменяется только порядок (с прямого на обратный),формирования выходного сопротивленияЕс(фиг, 4),35. функция, параметр режима насыщения ключа-аргумент). В частности, для щ=5 функция распределения номеров . ветвей следующая: 1-Ч-1 Ч-1-Ч-1 Ч. В каждой ветви разность номеров ключей равна числу секций обмотки 2 якоря электрической машины (фиг, 1-2).При произвольном включении ключей в ветви и группы преобразователя ча стоты амплитуда пульсации его выходного сопротивления может осущественно увеличиться, а частота " уменьшиться, что неблагоприятно сказывается на работе вентильного электродви гателя. В частности, те же ключи с параметрами режима насыщения от К, до с можно включить так, что все четные р -е ключи включены в анодную группу 4 преобразователя частоты, а 20 нечетные 1 -е ключи включены в его катодную группу 5, Кроме этого, -й ключ анодной группы и 1 -й ключ катодной группы можно включить в я-юи р-ю ветви преобразователя частоты, удо влетворяющим соотношениям+11-(-1)2 В этом случае амплитуда пульсациивыходного сопротивления преобразователя частоты является максимальновозможной и составляетл =4(щ)йусл.ед, (для щ=56=1 б усл,ед.), а частотаУ =1/2 (фиг, 4 В), В этомслучае распределение ключей в ветвяхи 1 руппах преобразователя частотытакже подчиняется строгому алгоритму,математически описанному в виде (4) .Однако функции распределения номеровветвей для ключей с различными параметрами режима в каждой группе различны. Для анодной группы для нечетных ключей с увеличивающимся параметром режима насьпцения эта функция имеет вид 1-Ч-1 Ч, а длякаждой группы для нечетных ключей111-1 Ч-Ч, В каждой ветви сумманомеров ключей равна (2 щ+1),Сравнивая диаграммы изменениявыходного сопротивления ЕФ (фиг4) 40 45 50 55 В=щ+ 1-0, 25+ (О, 54 -щ-О, 5 )р 2. Р 62 щ - целое четное число;(4) Если преобразователь 3 частоты выполнен на ключах с полной управляемостью, например, на транзисторах, то он снабжается мостом 7 обратного тока из 2 щ вентилей Указанный мост 7 служит для замыкания токов, вызванных энергией, запасенной в индуктивности отключаемой секции обмотки якоря, для реализации режимов динамического и генераторного торможения. На конкретном приборе работы вентильного электродвигателя видно, что предлагаемый алгоритм (1) расположения ключей является также оптимальным и для расположения вентилей моста обратного тока, Пусть при угловом положении Ч, ( фиг.31 ротора вентильного электродвигателя происходит отключения ключа чо и включение ключа сС при постоянно вклю 9ченном ключе ос, Запасенная в индуктивности отключаемой секции 111 энергия вызывает электрический ток в контуре: секция 111 - вентиль Мщ - ключ)уменьшения пульсации мгновенной частоты вращения электродвигателя желательно в любой момент времени при любом режиме иметь минимальную амплитуду пульсации выходного сопротивления Ес преобразователя частоты. Поскольку параметры режима насыщения транзисторов (в первую очередь кремниевых) и вентилей примерно одинаковы, то для обеспечения минимума пульсации выходного сопротивления Ео необходимо при отключении 3-го ключа диодной группы 4 и 1-го ключа катодной группы 5 преобразователя 3 частоты в образуемые электрические контура включать 1-й вентиль анодной группы 8 и 1-й вентиль катодной группы 9 моста 7 обратного тока.При организации режима динамического торможения образуется аналогичный электрический контур (контура) с включением в него ключа из анодной группы 4 и вентиля из катодной группы 9 или ключа из катодной группы 5 и вентиля из анодной группы 8. При организации генераторного торможения вентили моста обратного тока работают согласно алгоритму.(фиг.3). Сохранение алгоритма (1) для расположения вентилей моста 7 обратного тока гарантирует минимальную ампли-, туду пульсации выходного сопротивленияУ преобразователя частоты и в этом режиме. Таким образом, изобретение позволяет обеспечить минимально возможную амплитуду пульсации выходного сопротивлений преобразователя частоты при максимально возможной ее частоте, что обеспечивает минимальную пульсацию якорного тока, вращающего момента и мгновенной частоты вращения вентильного электродвигателя. Формула изобретения Вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с шсекционной обмоткой якоря, двухполупериодный преобразователь частоты с 2 ш-управляемыми ключами, образующими ш его ветвей, и две группы (анодную 5 б 30 8и катодную) по щ ключей в каждой,каждая и-я секция обмотки якоря электрической машиной подключена к выводу и-й ветви двухполупериодного преобразователя частоты, управляющиевходы которого подключены к выходублока формирования сигналов управления; а сами ключи имеют различные параметры насыщения Ы, причемс сК 410 Ы сы отличающийся2 пФ 4тем, что, с целью повышения равномерности мгновенной частоты вращенияза счет уменьшения пульсаций вращающего момента и снижения себесто имости за счет обеспечения воэможности использования ключей со значениями параметров режима насыщения, лежащими вблизи границы допуска, шключей с параметрами режима насыщения от ы., досА, включены в первуюгруппу, например анодную двухполупериодного преобразователя частоты,во вторую группу которого включеныдругие ш ключей с параметрами режима 25 насыщения отс(доо, каждый 3-йключ из первой и 1-й второй катоднойгрупп двухполупериодного преобразователя частоты включены соответственнов его 1-ю и 1-ю ветви, удовлетворяющие следующим соотношениям: 1=ш+1-0,53+(3-ш,5).; 1 3ш 1 Э 1- (-1) 21 с=0,5 (з.-ш+1)+ (2 ш-ь.+0,5) , Я1.1- (-1)ш+112 ш ь т2Ф 2. Электродвигатель по п 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,двухполупериодный преобразователь частотыдополнительно снабжен мостом обратно"го тока с 2 ш вентилями, имеющими различные параметры режима насьпцения у, 45 причем у с ,7 ,6 ш вентилей с параметрами режима йасьпцения от7, до г включены в анодную группукоста обратного тока, в катодную группу которого включены другие ш венти лей, каждый 3-й вентиль иэ аноднойгруппы и -й вентиль из катодной группы моста обратного тока включены соответственно в 1-ю и 1-ю ветви.325630 Составитель В.Бабакедактор М.Бланар Техред В.Кадар Муска рект Подписноекомитета СССР и открытииушская наб,роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проект Заказ 3121/52 Тираж ВНИИПИ Гос по делам 113035, Моск