Вентильный электродвигатель

Союз Советских Социалистическин Республик(51) Л 1, Кл Н 02 К 29/О сударотаенныи комитет авета Ииннетроа СССР по делам изобретений ковано 05.06.77,Бюллетень2 публикования описания 29.09,7(72) Авторы изобретеии Н, Баранов и Ю, Г. Юерстняков удового КрасногН. 3. Баумана 71) Заявитель овское ордена высшее техни нина и орденакое училище им мени 54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛ алека теИзобретение относится к области тротехники, в частности к электродвиг лям с бесконтактной коммутацией.Известны вентильные электродвигатели переменного тока, состоящие из динамического трансформатора, служащего для пе 1 еедачи электромагнитной энергии в цепь обмотки якоря и одновременно выполняьщего функцию силового датчика положения ротора, и собственно двигателя и содер О н(ащие систему возбуждения и обмотку яко ря, секции которой коммутируются с помощью управляемых вентилей1.Обмотка якоря этого электродвигателя оасположенная на роторе, вместе с ком б мутирующими вентилями и устройством уп равления ими представляет собой вращао ецийса. реверсивный однополупериодный выпрямитель. Характерной, особенностью конструкций подобного типа является то, что система управления ими является одноканальной, так как управляющие импульсы подаются на все вентили одновременно.Известны также вентильные электродвте гатели, у которых обмотка якоря номещена на статоре, а динамический трансформаьтор выполнен в виде конструкпии с.явнополюсным ротором, причем его вторичнаяобмотка совмещена с обмоткой якоря 121Его преимущество состоит прежде всего втом, что управляющие вентили могут бытьразмещены вне электрической машины, ипоэтому отпадает необходимость в применении специального устройства для передачи сигналов управления на ротор черезвоздушный зазор,Это устройство по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким к изобретению. Однако двигатели, у которых вторичная обмотка1динамического трансформатора конструктивн совмешена с обмоткой якоря, имеет и ряд существенных недостатков в связи с тем,.что тйогут работать только в режиме одиополупериодного выпрямлении переменного тока. Следствием этого являются низкие энергетические показатели (низкие значения к.п.д, и коэффипиента мощности), а также загрузка питающейЯ 5 сети постоянной составляющей тока и высшими гармониками,Пель изобретения - повышение анергетических показателей электродвигателя присохранении одноканальной системы управления, а также упрощение конструкции силового датчика положения ротора (динамического трансФорматора).Указанная цель достигается тем, чтомагнитопроводы статора динамического 10трансформатора выполнены в виде стержневых П-образных пакетов, число которыхравно произведению числа полюсов двигателя на число секций обмотки якоря. Накаждом магнитопроводе помещена одна ка- итушка первичной обмотки и катушки вторичной обмотки в количестве, равном числусекций обмотки якоря. При этом все катушки первичной обмотки соединены согласно, а катушки вторичной обмотки объединены в группы, число которых равно числуполюсов синхронной машины. Катушки внутри группы соединены пос.адовательно-согласно, а группы катушек между собойпоследовательнс-встречно.Таким образом, в предлагаемой конструкции вторичные обмотки динамическоготрансформатора и секции обмотки якоря выполнены раздельно и не являются функционально и конструктивно совмещенными,что дает возможность использовать режимдвухполупериодного выпрямления тока вобмотке якоря и тем самым повысить анерг, тические показатели электродвигателя.Приэтом динамический трансформатор обеспечивает циклическое опрокидывание фазынапряжения его вторичных обмоток в процессе вращения, хотя первичная и вторичная обмотки взаимно неподвижны, что поъволяет сохранить одноканальную систему 40управления. Одновременно достигается существенное упрощение динамического транс-,форматора, поскольку в его конструкциииспользованы только сосредоточенные обмотки, размещенные на одних и тех же 45П-образных магнитопроводах ствтора. Порядок соединения вторичных обмоток междусобой таков, что в результате они образуют системы, аналогичные распределеннымобмоткам с шагом, равным полюсному делению синхронной машины,На фиг. 1 показан электродвигатель,разрез по Л А нв фиг. 2; на фиг. 2 - разрез по Б-Б на фиг, 1; нв фиг. 3 представлена нринципиальнвя электРИческая схема 55электродвигателя; на фиг. 4 -схема намотки секции якоря и вторичной обмоткидинамического трансформатора; на фиг.5 графики электромагнитных процессов, характеризующих работу электродвигателя. Ю Активная часть ротора алектродвигателя состоит из магнитопровода системы возбуждения 1 с обмотками возбуждения 2 и немагнитной втулки 3, в пазах которой 1.азмещены магнитопроводы 4 ротора динамического трансформатора. Число атих мвгнитопроводов равно числу пар полюсов системы возбуждения. Оси магнитопроводов 4 располагаются со сдвигом относиельно друг друга на двв полюсных деления и со сдвигом относительно полюсов системы возбуждения на половину полюсного деления. Ширина каждого такого магнитопровода не должна превышать одного полюсногэ деления. На втулке 3 помещена также втооичнвя обмотка 5, ои атывающая магнитопроводы" 4 и служащая для питания обмоток возбуждения двигателя через выпрямитель, алементы которого (диоды 6 нв фиг. 2) расположены на роторе.В корпусе 7 закреплены магнитопровод статора двигателя 8 с размещенной в его пазах обмоткой якоря 9 и магнитопровод статора динамического трансформатора. ПоследнйГсоСтгчт йз феррбмвгнитных стерж- невых П-образных пакетов, замыкающих магнитный поток динамического трансФорматора в аксиальном направлении. Общее количество этих пакетов ,равно произведению числа секций обмотки якоря на число полксс системы возбуждения (в предлагаемой конструкции их число равно две надцати), Пакеты состоят из радиально расположенных магнитопроводов 10, 11, соединенных магнитопроводвми 12. На мв- нитопроводах 12 размещены первичные обмотки динамического трансформатора и вторичные обмотки, число которых равно числу секций обмотки якоря. Все первичные обмотки, расположенные на магнитопроводах 12, соединены согласно и созда-. ют переменный магнитный поток, замыкающийся в аксиальном направлении. Каждая вторичная обмотка состоит из последовательно соединенных двенадцати секций, расположенных на магнитопроводах 12 (по три обмотки согласно), что эквивалентно вторичной обмотке, выполненной с шагом, равным полюсному делению и пространственно ориентированной относительно соот ветствующей обмотки якоря.Принципиальная электрическая схема двигателя представлена на фиг. 3. Первичная обмотка 13 динамического трансформатора подключается к сети однофвзного переменного тока, Вторичные обмотки (на фиг. 3 их.число равно трем) соединяются с соответствующими секциями обмотки якоря. Каждая секция намотанапвойным проводом с лчагом, равным полюс; -люсному делению, Таким образом, каждаясекция якоря состоит из двух отдельныхобмоток, расположенных в одних и тех жепазах, благодаря чему лежпу ними возникает сильная магнитная связь (коэффициентсвязи близок к единице).Последовательно с каждом обмоткойвключена пара соединенных встречно-параллельно тиристоров. Одна из двух обмоток, 10принадлежащая данной секции, попключенак началу вторичной обмотки динамическоготрансформатора своим концом, втораяначчлом.На фиг. 4 представлена схема намотки 15одной из трех вторичных обмоток 14 диьамического трансформатора (фиг. 3, 4)и соответствующих ей обмоток секции якоря 15, 16 (фиг. 3, 4), последовательнос которыми всключены встречно параллельные тиристоры 17, 18 и 19, 20 (фиг. 3,4). Активные проводники секции обмоткиякоря находятся в зоне действия полюсовсистемы возбуждения,Контур вторичной обмотки 14 сцепляется с переменными. потоками динамического трансформатора. На фиг. 4 условнопоказаны направления силовых линий взонах действия переменных потоков, Онисмещены относительно зон действия потоков возбуждения на половину полюсногоделения, поскольку магнитопроводы 4 ротора динамического трансфторматора смещены относительно полюсов возбуждения,На фиг. 5 представлены графики алектромагнитных процессов двигателя, как функции времени, а именно 21 - переменноенапряжение питания первичной обмотки динамического трансформатора, 22 - переменное напряжение цепи обмотки 15, 23 40переменное напряжение в цепи обмотки 16.Напряжения 22, 23 показаны изменяющимися в противофазе, так как они отсчи.тываются относительно одноименных зажимов этих обмоток, 24- импульсы управления тиристорами 17, 18, 25 - имдульсы управления тиристорами 19, 20,26 - ток в обмотке 15, 27 - ток в обмотке 16,Электродвигатель работает следующим 50образом.Силовые линии аксиальных магнитныхпотоков пинвмическооо трансформатора,сцепляясь с контурами его вторичных обмоток, в любой момент времени имеют относительно этих контуров одинаковое направление. Так как число магнитопроводов4 вдвое меньше числа полюсов системывозбуждения, а сдвиг между их осями составляет два полюсных деления, индуктируе: 60 мые во вторичных обмотках переменныеа,п.с, суммируются (например, в облотке14, фиг. 4),При смещении в процессе вращения магнитопроводов 4, а следовательно, и зонпействия переменных потоков нв угол, равный половине полюсного пеления (в данном случае на 45 градусов) относительноположения, показанного на фиг. 4, суммарная индуктируемая обмотки переменнаяа,д.с. станет равной нуг.ю, в при смешениина угол, больший 45 градусов, произойпетопрокидывание фазы э,д.с, на 18 ал. град,В каждой вторичной обмотке динамического трансформатора присоединена секция якоря, состоящая из двух облоток.Коммутацию токов в секциях якоря удобно рассмотреть нв примере одной секции,состояпей иэ обмоток 15, 16, присоединенных ко вторичной обмотке динамическоготрансформатора 14 (фиг. 3,4). При указанном выше " .порядке подключения одноименных зажимов этих обмоток наведенная трансформаторная э.д.с, оказываетсяприложенной к ним в противофазе(кривые22, 23 на фиг, 5). Нв тиристоры 17, 18,регулирующие величину тока в обмотке 15,подается последовательность импульсов управления 24 на тиристоры 19, 20, регулирующие ток в обмотке 16 - последовательность импульсов 25,Для каждой иэ двух обмоток, составляющих данную секцию якоря, совпадение вовремени положительной полуволны э.п,с.ги импульса на управляющем электропе обеспечивается лишь для одного иэ двух тирис;торов, поатому в каждой обмотке протекает выпрямленный пульсирующий ток.Так как импульсы управления двумя обмотками секции сдвинуты во времени наполовину периода напряжения питания, тосоответственно спвинуты во времени и импульсы тока в этих обмотках (кривые 26,27 на фиг, 5). Поэтому суммарная намагничивающая сила каждой секции получаетсятакой же, квк если бы онв соэдаввлвсьодной обмоткой, питаемой током, полученным в результате двухполупериодного выпр явления.Изменение направления тока в обеихобмотках секции происходит в момент оп 1 окидыввния фазы а.д.с когда активныепроводники секции находятся на линии нейтрали, т,е. между соседними полюсами системы возбуждения,Регулирование величины тока в секцияхобмотки якоря (в, слеповательно, и скорости вращения двигателя) осуществляетсяза счет синхронного сдвига во времениобеих последовательностей импульсов уповвления относительно напряжения питания. Первая последовательность подается на управляющие алектроды тиристоров, регулирующих ток в одной иа двух обмоток секций якоря (например на тиристоры всехлевых обмоток, показанных на фиг, 3), Вторая последовательность подается на тиристоры всех правых обмоток,Бесконтактный реверс двигателя обеспечивается сменой Ослецовс цельности им Опульсов уравле;, поступающих на т:;ристоры.При регулировании тока и секциях обмотки якоря могут возникать два режима, вопределенной мере аналогичных режимам 15рработы обычных регулируемых двухполупериодных выпрямителей, а именно, режимМОЛЫХ уГЛОВ ОтКрЫтия тнрнсторОВ, ПрИ Коффтором импульсы тока в Двух Обмотках секциине перекрывают друг друга во времени,режим больших углов открытия тиристоров,когда имеется интервал времени, в течение которого ток, протекает в обеих обмотках. Благодаря сильной магнитной связимежду ними длительность етого интервала р 5по сравнению с периодом частоты питанияочень мала. В течение етого времени осушесгвляется трансформаторная связь междуобмотками, которая приводит к быстромусбросу тока в одной из них и столь же ЗОбыстрому нарастанию в другой, В етом режиме среднее значение тока в обмоткахпрактически не зависит от их индуктивностей, хотя для каждой из двух обмоток секции, взятых Отдельно, осуществляется режим прерывистого тока, При етом обеспечиваютси достаточно высокие энергетические показатели електродвигателя и одневременно устраняется возможность возникновения режимов короткого замыения исгочника питания при коммутации тока вобмотках особенно в режиме реверса.При питании двигателя от неуправляемого однофазного инвертора динамический трансформатор может использоваться в качестве выходного трансформатора инвертора.Формула изобретенияВентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с расположенными на статоре секциями обмотки якоря и силовой датчик положения ротора, выполненный в виде динамического трансформатора с явнополюсным ротором, число зубцов которого равно числу пар полксов синхронной машины и статором с первичной и вторичной обмотками, соединенными с секциями обмотки якоря через управляемые ключи, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции датчика и повышения энергетических показателей двигателя, магнитопроводы статора динамического трансформатора выполнены в виде стержневых П-образных пакетов, число которых равно произведению числа полюсов двигателя на число секций обмотки якоря, на каждом магнитопроводе помещена одна катушка первичной обмотки и катушки вторичной обмотки в Количестве, равном числу секций обмотки якоря, причем все катушки первичной обмотки соединены согласно, а катушки вторичной обмотки обьединены в группы, число которых равно числу полюсов синхронной машины, катушки внутри группы соединены последовательно- согласно, а группы катушек между собой- последовательно-встречно.1Источники информации принятые во внима мание при экспертизе:1. Авторское свидетельство СССР, кл, Н 02 К 29/04 % 445104 1972,2. Авторское свидетельство СССРкл. Н 02 К 29/04 М 405158, 1972, 561257Составитель А. СанталовРеиактор В, Фельдман Техред М. Левицкаи Корректор Л. НеболаЗаказ 1586/156 Тираж 917 По дписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по иелам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., ц. "/5 Филиал ППП "Патентф, г. Уна"ороси, ул, Проектная, 4