Способ коммутации обмоток электрической машины
METHOD FOR SWITCHING WINDINGS OF ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам управления электрическими машинами.
Известенэлектронный коммутатор (авторское свидетельство SU 224584), содержащий коммутирующие диоды, включенные по мостовой схеме, и подключенный к одной диагонали моста генератор разнополярных импульсов, а к другой - источник коммутирующего сигнала отличающийся тем, что, с целью увеличения точности коммутации и уменьшения прямого прохождения в нагрузку коммутирующего напряжения, последнее подано с генератора радиоимпульсов, несущая частота которых в n раз выше частоты коммутируемого сигнала, а параллельно диодному мосту подключен во встречном направлении дополнительный диодный мост.
Способ работы описанного коммутатора не пригоден для коммутации силовых цепей электрических машин.
Также, известен управляемый ключевой электронный коммутатор (патент RU 2628129), характеризующийся тем, что содержит: пороговый усилитель на транзисторе VT1 с программно изменяемым измерительным резистором-шунтом R-ш, подключенным в цепи между базой и эмиттером транзистора порогового усилителя, где эмиттер транзистора и первый верхний вывод резистора-шунта R-ш являются входом устройства; силовой ключ, организованный на полевом транзисторе VT3, подключенный истоком к выводу базы VT1 и второму выводу резистора-шунта R-ш порогового усилителя, причем выходом устройства является сток транзистора VT3, затвор транзистора VT3 подключен к резистивному делителю R4, R5 и катоду диода VD1, а средняя точка - к затвору управляющего силового транзистора VT3; узел начальной установки, состоящей из транзистора VT2 и делителя, организованного C1, R1, R2, управляющим входом которой является нижний вывод управляющей входной микросхемы D1, при этом эмиттер транзистора VT2 подключен к нижнему уровню питающего напряжения, а коллектор - к нижнему выводу резистора R3 и верхнему выводу входа верхнего канала микросхемы D2, а крайние выводы делителя С1 и R2 подключены к цепям питающего напряжения; триггер, организованный на микросхеме D2, в которой вход верхнего канала подключен к нижнему выводу резистора R3 и коллектору транзистора VT2, нижний вывод входа верхнего канала подключен к верхнему выводу входа второго канала, а нижний вывод входа второго канала подключен к нижнему уровню питающего напряжения, а выход верхнего вывода первого канала подключен к верхнему уровню питающего напряжения, нижний вывод выхода первого канала подключен к коллектору транзистора VT1, верхнему выводу резистора R3 и аноду диода VD1, оба вывода выходов второго канала подключены к входу внешней управляющей ЦВМ; и устройство управления, состоящее из управляющей входной микросхемы D1, нижний вывод выхода которой подключен к нижнему выводу резистора R5, а верхний вывод выхода - к нижнему уровню питающего напряжения.
Описанный коммутатор имеет только одно плечо коммутации и по этой причине пригоден только для реализации схемы подачи-отключения постоянного тока и защитного отключения нагрузки.
В обмотках электрических машин во время работы коммутатора наблюдаются явления, связанные с их индуктивностью и влияющие на режим работы электрической машины в целом. Называются они переходными процессами или ЭДС самоиндукции и проявляют себя только в динамике. На низких оборотах и при малой нагрузке их действие незначительно, и они практически не вызывают сопротивления движению ротора, но с увеличением оборотов это действие растёт и в итоге приводит к значительным затратам мощности на их преодоление. Энергия ЭДС самоиндукции, появляющаяся на выводах двигателя во время работы коммутатора, обычно гасится в RC цепях либо диодах с обратным включением, подключенных параллельно обмоткам двигателя, и не используется для увеличения эффективности работы электрической машины.
Техническим результатом применения нижеописанного способа коммутации является увеличение эффективности работы электрической машины за счёт рекуперации энергии переходных процессов, протекающих в обмотках электрических машин.
На приложенных чертежах изображены:
фиг. 1 – векторная диаграмма работы прерывателя;
фиг. 2 – схема реализации способа коммутации;
На схеме позиционно обозначены следующие элементы:
1 – фильтр нижних частот, убирающий верхние спектры коммутационных помех, возникающих при работе электронных ключей и сигналы с частотой ШИМ регуляторов;
2 – дифференциатор, определяющий момент разворота вектора фазного напряжения;
3 – сумматор импульсов фазных дифференциаторов, работающий по логике элемента ИЛИ;
4 – усилитель токового сигнала;
5 – одновибратор-формирователь прерывающего импульса с регулируемой длительностью;
6 – ключ-прерыватель силовых фазных цепей электрической машины;
7 – диодный мост выпрямительный;
8 – сглаживающие конденсаторы;
9 – выключатель питания контроллера управления электрической машины;
10 – стандартный контроллер управления электрической машины серийного производства (коммутатор, контроллер, драйвер, частотный преобразователь, коллекторно-щёточный узел и прочее);
11 – шунт токоизмерительный;
12 – батарея аккумуляторов;
13 – электрическая машина.
Для работы современных безщёточных электродвигателей применяют электронные контроллеры – коммутаторы обмоток или частотные преобразователи. При работе коммутатора, когда электрическая машина несёт нагрузку, во время перехода вектора напряжения из четвёртого в первый или из второго в третий квадрант векторной диаграммы (фиг.1), во время работы ШИМ-регуляторов в цепи обмоток электрической машины возникают микросекундные импульсы тока, по своей амплитуде в несколько раз превышающие максимальные рабочие значения. Эти импульсы тока могут прожигать кристаллы силовых транзисторов электронных ключей, что сокращает срок службы контроллера 10 (фиг.2) и может привести к его раннему выходу из строя. С увеличением оборотов вырастает частота и скорость протекания переходных процессов и вместе с этим растёт их амплитуда и интенсивность. Физическое действие этих процессов проявляет себя в виде противодействующих усилий импульсного характера, на преодоление которых затрачивается энергия из источника питания электрической машины.
t
t
Чтобы избежать последствий от действия импульсов тока переходных процессов на элементы коммутации, необходимо «разряжать» обмотки каждый раз, когда вектор напряжения переходит через ось абсцисс векторной диаграммы, то есть меняет свой знак с “+” на “–“ , либо с “–“ на “+”, т.е. в тот момент, когда фазное напряжение на обмотке после прохождения максимального значения начинает снижаться. Для этого необходимо со всех сторон разорвать цепи обмоток электрической машины на время  (фиг.1), равное времени действия первого полупериода импульса переходного процесса. Это время обычно составляет от нескольких единиц микросекунд до нескольких сотен и имеет зависимость от величины прерванного тока. Угловая величина времени действия импульса прерывания  (фиг.1) может составлять от 0 до 10 градусов и зависит от величины тока, протекающего в обмотках электрической машины. За это время на выводах обмоток происходит выброс ЭДС самоиндукции, значение которой может многократно превышать величину питающего напряжения.
Рассмотрим схему реализации заявленного способа на примере устройства для дополнения функционала контроллера (элемент 10 на фиг. 2) серийного производства для управления работой синхронного двигателя. Схема дополнительного устройства работает следующим образом. Дифференцирующий элемент 2, подключенный к фазному выходу контроллера 10 через фильтр нижних частот 1, выделяет в спектре выходного напряжения моменты изменения знака вектора, то есть моменты, когда напряжение начало увеличиваться или наоборот, когда начало падать. В этот момент на выходе дифференцирующего элемента 2 формируется микросекундный импульс, который поступает на сумматор фазных импульсов 3. Сумматор собирает импульсы со всех фазных каналов по логике ИЛИ и формирует импульсы запуска, которые направляются на ждущий мультивибратор – одновибратор 5. Одновибратор запускается по переднему фронту импульса и при каждом поступающем импульсе разрывает силовой ключ 6 прерывателя на время t, которое зависит от величины тока, протекающего через токоизмерительный шунт 11. Сигнал с токоизмерительного шунта усиливают усилителем постоянного тока 4 и поступает в схему одновибратора 5, управляя таким образом временем прерывания силовых цепей электрической машины 13. Во время прерывания силовых цепей А, В и С контроллера 10 из обмоток электрической машины 13 происходят выбросы тока ЭДС самоиндукции, которые через диоды выпрямительного моста 7 и выключатель питания 9 заряжают аккумуляторную батарею 12.
Чтобы избежать повреждения транзисторов электронных ключей 6 от перенапряжения, необходимо снизить амплитуду выброса напряжения ЭДС самоиндукции. Для этого параллельно выводам электрической машины подключают конденсаторы 8, которые применяют для компенсации реактивной мощности. Ёмкость конденсаторов рассчитывают по величине активного сопротивления шунтируемых обмоток и времени действия первого полупериода переходного процесса. Рабочее напряжение конденсаторов выбирают в два-три раза выше рабочего напряжения электрической машины. Энергия импульса самоиндукции переходит в конденсаторы 8, затем оттуда через диоды 7 и выключатель питания 9 перетекает в аккумулятор. Импульсные диоды 7 подключают катодом в сторону плюса, а анодом в сторону минуса источника питания. Таким образом, импульс тока с каждого фазного вывода обмотки электрической машины 13 прикладывают к нужному полюсу батареи аккумуляторов электрической энергии 12, рекуперируя энергию импульса самоиндукции и снижая таким образом мощность потребления энергии электрической машиной 13. Рабочий ток импульсных диодов 7 выбирают в два-три раза выше максимального значения рабочего тока электрической машины. Импульсные диоды имеют более простое устройство в сравнении с устройством транзисторов, и они без каких-либо последствий переносят действие высокоэнергетических импульсов тока, возникающих при переходных процессах.
При использовании описанного Способа в современных программируемых контроллерах функции ключа прерывателя 6 могут выполнять выходные транзисторы контроллера 10. Защитные диоды этих транзисторов, интегрированные на одном с транзистором кристалле, будут при этом выполнять роль импульсного диодного моста 7. Роль измерительного токового шунта будет выполнять токоизмерительный элемент защиты контроллера 10. В логику контроллера следует добавить функцию прерывания всех фазных силовых цепей в тот момент, когда фазное напряжение на обмотке после прохождения максимального значения начинает снижаться. Длительность импульса прерывания определяется величиной тока в обмотках электрической машины – чем выше ток, тем больше длительность импульса прерывания.
Таким образом, за счёт энергии переходных процессов, возникающей в обмотках электродвигателя при работе электронного коммутатора снижают мощность, потребляемую двигателем от источника питания при сохранении выходной механической мощности на валу и при этом выполняется рекуперация энергии во всех режимах работы двигателя, включая режим разгона и движения на подъём, что невозможно сделать при обычном режиме работы коммутатора, при котором рекуперация энергии возможна только в режиме торможения двигателем. При работе описанной схемы величина пробега транспортного средства увеличивается на 10-25% и становится мало зависима от рельефа местности.
Описанный способ коммутации также работает и с генератором, если его используют для получения электрической энергии постоянного тока. Схема включения при этом остаётся без изменения – фиг.2, где в качестве коммутатора используют контроллер управления генератором. В такой схеме включения при работе на низких оборотах или на высоких нагрузках идёт импульсная зарядка аккумуляторной батареи напрямую от генератора, облегчая работу контроллера, снижая входное усилие на валу генератора и увеличивая выработку электроэнергии на 10-25%. Это очень важно при использовании генератора в составе ветровой или гидравлической электростанции.
Описанный способ был опробован на нескольких прототипах коммутаторов. При подключении коммутатора к синхронному электродвигателю отмечено снижение тока холостого хода с трёх ампер до одного и при увеличении оборотов ток холостого хода не увеличивал своего значения. Рабочие обороты двигателя остались без изменения, тяговая способность выросла в области высоких оборотов. КПД двигателя увеличился от 10% на низких оборотах и до 25% на высоких оборотах без уменьшения момента кручения. Аналогичные изменения на входном усилии были отмечены при работе этого синхронного двигателя в качестве генератора. Импульсы зарядного тока в аккумулятор следовали во всех режимах, увеличивая свою интенсивность при увеличении нагрузки.