ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
ELECTRICALLY-DRIVEN PULSED PHASE SHIFTER

Изобретение относится к области электромеханики, и может быть использовано в системах импульсно-фазового управления технологических электронных устройств, например тиристорных управляемых выпрямителей, а также как точный датчик поворота.
Общеизвестно, что электромашинный импульсный фазовращатель предназначен для формирования импульсов, начальная фаза которых должна иметь возможность регулирования относительно начальной фазы переменного силового напряжения электрической сети. Так в тиристорных управляемых выпрямителях управляющие импульсы сдвигают по фазе относительно анодного силового синусоидального напряжения электрической сети, например, вручную, с целью требуемого технологического изменения выпрямленного напряжения тиристорного выпрямителя.
Для обеспечения максимально широкого диапазона технологического регулирования, формируемые электромашинным фазовращателем импульсы должны иметь регулируемую начальную фазу в пределах всего периода силового синусоидального напряжения электрической сети при их стабильной амплитуде во всем диапазоне регулировании начальной фазы. Для точной и надежной работы технологических электронных устройств импульсы, формируемые электромашинным фазовращателем, должны быть короткими, т.е. иметь малую длительность во времени. Короткие управляющие импульсы, с одной стороны, более точно, чем длинные импульсы, указывают фазу силового синусоидального напряжения электрической сети за счет своего резкого одномоментного нарастания и спада. С другой стороны, при коротких управляющих импульсах происходит снижения потерь электроэнергии в цепях управления технологических электронных устройств и повышения их надежности за счет исключения перегрева этими потерями. Высокая надежность устройств, как известно, обеспечивается простой конструкции с малым количеством деталей и их соединений.
Известен электромашинный импульсный фазовращатель, основанный на принципе электромагнитной индукции [Арменский Е.В., Фал к Г.Б. Электрические микромашины: учеб. пособие для студ. электротехн. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1985. - С 192].
Электромашинный импульсный фазовращатель представляет собой электрическую машину переменного тока со статором и заторможенным ротором.
Сердечники статора и ротора выполнены из материалов с ферромагнитными свойствами и составляют в совокупности магнитопровод.
Статор представляет собой цилиндрическую трубу с двухфазной обмоткой статора, размещенной в аксиальных пазах на внутренней поверхности трубы, при этом фазы обмотки статора взаимно перпендикулярны. Электрические выводы фаз обмотки статора являются входными для электромашинного импульсного фазовращателя.
Ротор представляет собой цилиндр, коаксиально вставленный в статор с возможностью поворота относительно статора. На наружной поверхности ротора выполнены аксиальные пазы, в которых размещена обмотка ротора, выводы которой являются выходными для электромашинного импульсного фазовращателя.
Устройство работает следующим образом.
На выводы фаз обмотки статора электромашинного импульсного фазовращателя подается двухфазная система синусоидальных напряжений силовой электрической сети. Эти напряжения имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на 90 электрических градусов между собой. При этом в обмотке статора создается двухфазная система синусоидальных токов равной амплитуды.
Эта система токов возбуждает вращающееся магнитное поле статора, индукция которого увеличивается ферромагнитным магнитопроводом. За счет одинаковой конструкции фаз обмотки статора, равной амплитуды токов в них и цилиндрической симметрии магнитопровода вращающееся магнитное поле статора является круговым.
В обмотке заторможенного ротора круговое вращающееся магнитное поле статора наводит электродвижущую силу (ЭДС) синусоидальной формы. Благодаря круговой форме магнитного поля амплитуда этой ЭДС сохраняется неизменной при любом положении ротора.
Фазовый сдвиг ЭДС обмотки ротора относительно напряжения фазы силовой электрической сети определяется углом поворота ротора относительно статора.
При расположении обмотки ротора напротив соответствующей фазы обмотки статора начальные фазы ЭДС обмотки ротора и напряжения сети совпадают.
Для изменения начальной фазы ЭДС обмотки ротора на электрический угол «альфа» осуществляется поворот ротора на геометрический угол «альфа» относительно статора. При этом вращающееся магнитное поле статора наводит ЭДС в обмотке ротора со сдвигом во времени, определяемым углом поворота ротора «альфа» относительно его первоначального положения. Этот сдвиг во времени, выраженный в электрических градусах, является фазовым сдвигом ЭДС обмотки ротора относительно напряжения сети, фаза которого фиксирована системой электроснабжения.
За счет ЭДС обмотки ротора с регулируемым фазовым сдвигом на выводах обмотки ротора появляется выходное напряжение электромашинного импульсного фазовращателя с регулируемым фазовым сдвигом относительно входного напряжения на каждой из фаз обмотки статора и, соответственно напряжений фаз силовой электрической сети.
Достоинством известного устройства является максимально широкий диапазон технологического регулирования за счет возможности изменения фазы выходного напряжения в пределах всего периода силового синусоидального напряжения электрической сети при их стабильной амплитуде во всем диапазоне регулировании фазового сдвига.
Недостатком известного электромашинного импульсного фазовращателя является большая длительность импульсов его выходного напряжения, которая равна половине периода напряжения силовой электрической сети. Это приводит к низкой точности указания фазового состояния силового синусоидального напряжения электрической сети с помощью импульсов выходного напряжения за счет медленного, не одномоментного нарастания и спада импульсов выходного напряжения. Кроме того, длинные импульсы выходного напряжения известного электромашинного импульсного фазовращателя при использовании их в цепях управления технологических электронных устройств вызывают электрические потери и перегрев этими потерями электронных устройств, что снижает надежность последних.
Недостатком известного электромашинного импульсного фазовращателя так же является необходимость наличия двухфазной силовой электрической сети синусоидального напряжения, которая является несимметричной, поэтому не имеет широкого распространения в технике и на практике малодоступна.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является электромашинный импульсный фазовращатель, основанный на принципах электромагнитной индукции и насыщения магнитопровода [Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины [Текст]: учеб. для вузов: В 2-х т./ А.В. Иванов-Смоленский. - М.: МЭИ. Т.1. - 2004. - С 614, С. 177].
Электромашинный импульсный фазовращатель состоит из двух электрических машин, электрически соединенных каскадно - трехфазной электрической машины переменного тока со статором и заторможенным ротором и пикового трансформатора.
Сердечники статора и ротора электрической машины переменного тока, а также трансформатора выполнены из материалов с ферромагнитными свойствами и являются магнитопроводами.
Статор представляет собой цилиндрическую трубу с аксиальными пазами на внутренней поверхности, число которых кратно числу фаз, т.е. трем. В пазах размещена симметричная трехфазная обмотка статора, подключенная к симметричной трехфазной силовой сети синусоидального напряжения. Электрические выводы фаз обмотки статора являются входными для электромашинного импульсного фазовращателя.
Ротор представляет собой цилиндр, коаксиально вставленный в статор с возможностью поворота относительно статора. На наружной поверхности ротора выполнены аксиальные пазы, число которых кратно числу фаз, т.е. трем. В пазах размещена симметричная трехфазная обмотка ротора с тремя электрическими выводами.
Пиковый трансформатор содержит магнитопровод с первичной и вторичной обмотками на нем. Ферромагнитный магнитопровода выполнен с малым поперечным сечением и (или) из материала с прямоугольной магнитной характеристикой. Первичная обмотка пикового трансформатора электрически подключена к двум выводам обмотки ротора. Выводы вторичной обмотки пикового трансформатора являются выходными для электромашинного импульсного фазовращателя.
Устройство работает следующим образом.
На обмотку статора электромашинного импульсного фазовращателя из силовой электрической сети подается трехфазная система синусоидальных напряжений. При этом в обмотке статора создается симметричная трехфазная система синусоидальных токов.
Эта система токов возбуждает круговое вращающееся магнитное поле статора, индукция которого увеличивается ферромагнитным магнитопроводом.
В обмотке заторможенного ротора круговое вращающееся магнитное поле статора наводит электродвижущую силу (ЭДС) синусоидальной формы. Благодаря круговой форме магнитного поля заданная амплитуда ЭДС сохраняется неизменной при любом положении ротора.
Фазовый сдвиг ЭДС обмотки ротора в электрических градусах относительно напряжения сети зависит от угла поворота ротора в геометрических градусах относительно статора. При расположении фазы обмотки ротора напротив соответствующей фазы обмотки статора начальные фазы ЭДС обмотки ротора и напряжений обмотки статора, а значит и силовой электрической сети, совпадают.
Для изменения начальной фазы ЭДС обмотки ротора на электрический угол «альфа» осуществляют поворот ротора на геометрический угол «альфа» относительно статора. При этом вращающееся магнитное поле статора наводит ЭДС в обмотке ротора со сдвигом во времени, определяемым углом поворота ротора «альфа» относительно его первоначального положения. Этот сдвиг во времени, выраженный в электрических градусах, является фазовым сдвигом ЭДС обмотки ротора относительно напряжения сети, фаза которого фиксирована системой электроснабжения.
За счет ЭДС обмотки ротора с регулируемым фазовым сдвигом в первичной обмотке пикового трансформатора создается синусоидальный ток, который в свою очередь создает в ферромагнитном магнитопроводе пикового трансформатора магнитное поле. Благодаря тому, что ферромагнитный магнитопровод трансформатора выполнен с малым поперечным сечением и (или) из материала с прямоугольной магнитной характеристикой, происходит магнитное насыщение ферромагнитного магнитопровода пикового трансформатора.
Благодаря тому, что первичная обмотка трансформатора подключена к силовой электрической сети синусоидального напряжения через линейное индуктивное сопротивление обмоток электрической машины переменного тока с заторможенным ротором, ток в первичной обмотке трансформатора остается практически синусоидальным. При этом за счет магнитного насыщения магнитопровода трансформатора зависимость магнитного потока в нем от времени приобретает «плоскую» форму, близкую к разнополярным прямоугольным импульсам типа «меандр».
В моменты перехода через ноль магнитного потока во вторичной обмотке пикового трансформатора наводится ЭДС, которая, имеет форму коротких импульсов. Короткие импульсы ЭДС вторичной обмотки пикового трансформатора и регулируемый фазовый сдвиг ЭДС обмотки ротора приводят к тому, что короткие импульсы ЭДС вторичной обмотки пикового трансформатора имеют регулируемый фазовый сдвиг относительно входного напряжения электромашинного импульсного фазовращателя и, соответственно синусоидальных напряжений силовой электрической сети.
Достоинством известного устройства является максимально широкий диапазон технологического регулирования за счет возможности изменения фазы выходного напряжения в пределах всего периода силового синусоидального напряжения электрической сети при их стабильной амплитуде во всем диапазоне регулировании фазового сдвига. Другим достоинством известного устройства является питание от симметричной трехфазной силовой электрической сети, которая имеет самое широкое применение.
Так же достоинством известного устройства является повышение точности фиксации фазы силового синусоидального напряжения электрической сети за счет формы выходного напряжения в виде коротких импульсов в заданные поворотом ротора моменты периода напряжения электрической сети. При этом возрастает точность регулирования технологических электронных устройств. Дополнительно при коротких выходных импульсах происходит снижения потерь электроэнергии в цепях управления технологических электронных устройств и повышение их надежности за счет исключения перегрева этими потерями.
Недостатки известного электромашинного импульсного фазовращателя заключаются в следующем.
Во-первых, низкая собственная надежность при высокой материалоемкости электромашинного импульсного фазовращателя за счет конструкции с большим числом элементов и их соединений.
Во-вторых, низкая энергоэффективность за счет дополнительного потребления электроэнергии на потери в обмотках и магнитопроводе пикового трансформатора.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке электромашинного импульсного фазовращателя, обладающего высокой надежностью за счет конструкции с минимальным числом элементов и их соединений, а так же высокой энергоэффективностью за счет снижения электрических и магнитных потерь.
Для решения поставленной задачи в электромашинном импульсном фазовращателе, содержащем статор и ротор, которые представляют собой ферромагнитные сердечники с обмотками на них, сердечник статора выполнен в виде трубы с аксиальными пазами на внутренней поверхности, в которых размещена трехфазная обмотка статора с электрическими выводами, ротор коаксиально вставлен в статор с возможностью поворота, сердечник ротора выполнен в виде цилиндрической трубы, разделенной в аксиальном направлении на три равные части немагнитными зазорами ротора и соединенными внутри трубы стержнями, образующими симметричную трехлучевую звезду, оси стержней направлены по радиусам цилиндрической трубы, стержни выполнены из материала с прямоугольной магнитной характеристикой, обмотка ротора выполнена в виде катушек с электрическими выводами, на каждом стержне расположена одна катушка.
Разделение сердечника ротора в аксиальном направлении на три равные части немагнитными зазорами, соединение этих частей радиально расположенными стержнями, выполненными из материала с прямоугольной магнитной характеристикой, расположение катушек обмотки ротора на стержнях отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря существенным отличительным признакам в совокупности с остальными признаками заявляемого устройства оно имеет повышенную надежность при низкой материалоемкости, а также высокую энергоэффективность за счет снижения потерь в обмотках и магнитопроводе.
Это обусловлено тем, что магнитный поток вращающегося кругового магнитного поля, создаваемый симметричной трехфазной обмоткой статора, подключенной к симметричной трехфазной силовой электрической сети синусоидального напряжения, разделяется в роторе на два магнитных потока. Один из них является основным магнитным потоком обмотки ротора, направлен радиально и проходит по стержням ротора. Другой магнитный поток является магнитным потоком рассеяния обмотки ротора, проходит по окружности магнитопровода ротора, пересекая немагнитные зазоры ротора. За счет магнитного насыщения материала стержней зависимость магнитного потока в них от времени приобретает «плоскую» форму, близкую к разнополярным прямоугольным импульсам типа «меандр». Элементы магнитопровода, по которым проходит магнитный поток рассеяния обмотки ротора не насыщаются за счет немагнитных зазоров ротора, поэтому зависимость магнитного потока рассеяния обмотки ротора от времени имеет форму, дополняющую «плоскую» форму магнитного потока в стержнях до синусоидальной формы вращающегося кругового магнитного поля статора.
В моменты перехода через ноль магнитного потока стержней в неподвижной обмотке ротора наводится ЭДС, которая, имеет форму коротких импульсов.
Такая конструкция ротора обеспечивают одновременно: и регулирования фазового сдвига между напряжением электрической сети на выводах обмотки статора и напряжением на выводах обмотки ротора; и оптимальную форму выходного напряжения в виде коротких импульсов в заданные поворотом ротора моменты периода напряжения электрической сети.
Вследствие этого заявляемое устройство, за счет многофункциональности элементов своей конструкции, содержит минимальное число элементов и их соединений, поэтому обладает высокой надежностью при низкой материалоемкости, а также малыми электрическими и магнитными потерями.
Причинно-следственные связи «поворот ротора в круговом вращающемся магнитном поле статора приводит к фазовому сдвигу синусоидального напряжения на выводах обмотки ротора», а так же «магнитное насыщение магнитопровода трансформатора при синусоидальном токе в его первичной обмотке приводит к коротким импульсам напряжения в его вторичной обмотке» логически вытекает из существующего уровня техники.
Однако, причинно-следственная связь «поворот ротора в круговом вращающемся магнитном поле статора приводит к сдвигу коротких импульсов напряжения по фазе на выводах обмотки ротора» является новой и не вытекает из существующего уровня техники.
Наличие новой причинно-следственной связи «существенные отличительные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлено схематическое изображение электромашинного импульсного фазовращателя.
Электромашинный импульсный фазовращатель содержит ферромагнитный сердечник статора 1 с аксиальными пазами 2 на внутренней поверхности, в которых размещена симметричная трехфазная обмотка статора. Начала фаз обмотки статора обозначены буквами А, В, С; концы фаз обмотки статора обозначены буквами X, Y, Z.
Ротор содержит ферромагнитную цилиндрическую трубу, разделенную в аксиальном направлении на три равные кольцевые части 3 немагнитными зазорами 4. Кольцевые части ротора 3 соединены внутри радиальными стержнями 5, образующими симметричную трехлучевую звезду. Стержни 5 выполнены из материала с прямоугольной магнитной характеристикой. Кольцевые части 3 и стержни 5 ротора составляют сердечник ротора. На каждом стержне 5 сердечника ротора размещена катушка 6, являющаяся фазой обмотки ротора. Ротор коаксиально вставлен в статор с возможностью поворота.
Фазы обмотки ротора имеют начальные электрические выводы а, b, с и конечные электрические выводы х, у, z. Фазы обмотки статора могут быть соединены в схему «звезда» или схему «треугольник». Фазы обмотки ротора могут быть соединены между собой или использоваться по-отдельности в зависимости от предназначения электромашинного импульсного фазовращателя в системе импульсно-фазового управления технологических электронных устройств.
Электромашинный импульсный фазовращатель работает следующим образом. Выводы фаз обмотки статора А, В, С, соединенные в схему «звезда» или схему «треугольник», подключают к симметричной трехфазной силовой сети синусоидального напряжения, которая на чертеже не показана. При этом напряжения трехфазной силовой сети становятся входными напряжениями электромашинного импульсного фазовращателя. В обмотке статора входными напряжениями создается симметричная трехфазная система токов. На чертеже направления токов в проводниках обмотки статора условно показаны для одного из моментов времени: крестиками показаны токи, направленные в плоскость чертежа, точками - из плоскости чертежа.
1
1
Трехфазная система токов обмотки статора возбуждает вращающееся в пространстве с частотой вращения n магнитное поле статора с магнитным потоком Ф. Магнитный поток Ф статора увеличивается ферромагнитными сердечниками статора и ротора, которые составляют магнитопровод электромашинного импульсного фазовращателя.
1
2
2
В роторе магнитный поток Ф разделяется на два магнитных потока. Один из них является основным магнитным потоком Ф обмотки ротора, направлен радиально и проходит по стержням 5 ротора. Другой магнитный поток является магнитным потоком рассеяния  обмотки ротора, проходит по окружности магнитопровода ротора по кольцевым частям 3 ротора, пересекая немагнитные зазоры 4 ротора. Благодаря тому, что магнитный поток рассеяния  обмотки ротора проходит в основном по ферромагнитным участкам магнитопровода, он имеет среднюю во времени величину, соизмеримую с основным магнитным потоком Ф обмотки ротора.
1
1
За счет того, что существенная часть потока Ф, а именно поток , замыкается через немагнитные зазоры 4 ротора, ферромагнитный сердечник статора 1 и ферромагнитные кольцевые части 3 ротора при работе остаются ненасыщенным в магнитном отношении. Поэтому трехфазная обмотка статора и, соответственно, весь электромашинный импульсный фазовращатель со стороны своих входных выводов А, В, С, по отношению к трехфазной силовой сети синусоидального напряжения является практически линейным электрическим сопротивлением. Это определяет синусоидальную форму токов в обмотке статора. Синусоидальная форма симметричной трехфазная системы токов в симметричной трехфазной обмотке статора является причиной того, что магнитное поле статора является круговым в пространстве, т.е. магнитный поток Ф статора вращается в пространстве с частотой вращения n, не меняя своей величины.
1
2
За счет вращения в пространстве магнитного потока Ф статора, его радиальная составляющая в неподвижном стержне 5 сердечника ротора - основной магнитный поток Ф обмотки ротора - пульсирует во времени с изменением направления в пространстве. Это приводит к появлению ЭДС вращения в неподвижной обмотке ротора 6 и появлению переменного напряжения на выводах этой обмотки.
2
2
1
1
Радиальный магнитный поток Ф в роторе проходит только по ферромагнитным участкам 3 и 5 с малыми магнитными сопротивлениями, а поток  преодолевает немагнитный зазор 4 с повышенным магнитным сопротивлением. При пульсации потока Ф в те моменты времени, когда он соответствует линейному круто возрастающему участку прямоугольной магнитной характеристик материала стержней 5, этот поток за счет малых магнитных сопротивлений участков 3 и 5 составляет большую часть потока Ф статора поэтому круто изменяется во времени. При этом поток  за счет повышенного магнитного сопротивления зазора 4 составляет оставшуюся часть потока Ф статора.
2
2
2
1
В те моменты времени, когда потока Ф соответствует нелинейному пологому участку прямоугольной магнитной характеристик материала стержней 5, наступает их магнитное насыщение, потока Ф перестает возрастать. При этом многократно увеличивается магнитное сопротивления стержней 5 для этого режима и становится сравнимом с магнитным сопротивлением зазора 4. Это приводит к возрастанию потока  и перераспределению величин потока Ф и потока  таким образом, что их суммарный поток Ф остается неизменным по величине.
1
Таким образом, кольцевые части 3 ротора, ненасыщенные в магнитном отношении вследствие наличия зазоров 4, выполняют существенную функцию поддержания круговой формы вращающегося магнитного потока Ф статора.
2
2
За счет магнитного насыщения стержней 5 зависимость магнитного потока Фв них от времени приобретает форму, близкую к двухполярным прямоугольным импульсам. По этой причине ЭДС вращения в неподвижной обмотке ротора 6 наводится только в моменты резких переходов двухполярных прямоугольных импульсов магнитного потока Ф через ноль. Эта ЭДС создает переменное выходное напряжение электромашинного импульсного фазовращателя на выводах обмотки 6 в виде коротких импульсов.
1
Для изменения начальной фазы выходного напряжения электромашинного импульсного фазовращателя относительно начальной фазы напряжения электрической сети на электрический угол «альфа» осуществляют поворот ротора на геометрический угол «альфа» относительно статора. При этом вращающееся магнитный поток Ф статора наводит ЭДС в обмотке 6 ротора со сдвигом во времени, определяемым углом поворота ротора «альфа» относительно его первоначального положения. Этот сдвиг во времени, выраженный в электрических градусах, является фазовым сдвигом ЭДС обмотки ротора, а значит и выходного напряжения электромашинного импульсного фазовращателя относительно выходного напряжения электромашинного импульсного фазовращателя, т.е. напряжения электрической сети.
1
1
Несмотря на периодическое насыщение стержней ротора 5, вращающийся поток Ф статора в каждый момент времени сохраняет неизменную величину, т.е. является круговым за счет существенных отличительных признаков заявляемого устройства. Круговая симметрия конструкции ротора заявляемого устройства при круговой пространственно-временной форме потока Ф статора обеспечивает необходимое постоянство амплитуды выходных коротких импульсов напряжения электромашинного импульсного фазовращателя при повороте ротора на любой геометрический угол «альфа» относительно статора.
Лабораторные испытания проведены на макете электромашинного импульсного фазовращателя, в конструкции которого использован статор асинхронного трехфазного электродвигателя марки УАД-32 номинальной мощностью 7 Вт, номинальным напряжением 220 В, номинальным током 0,11 А. Кольцевые части 3 ротора выполнены из электротехнической трансформаторной стали, стержни 5 выполнены из пермаллоя. Катушки 6 ротора выполнены проводом марки ПЭВ-1 диаметром 0,12 мм до заполнения свободного пространства между стержнями 5. Выводы катушек 6 ротора выполнены гибкими изолированными проводами для возможности поворота ротора в пределах одного оборота. Измерения электронным осциллографом показали возможность регулирования фазы импульсов выходного напряжения макета фазовращателя на 360 электрических градусов и более при стабильности их амплитуды. Длительность выходных импульсов на уровне половины их амплитуды составила 100 мкс. Регулируемые импульсы выходного напряжения макета фазовращателя использованы для управления выпрямителем на тиристорах марки Т-160. В процессе управления выпрямленное напряжения регулировалось от нуля до полного напряжения силовой электрической сети.