Электронный коммутатор

Полезная модель относится к электронным коммутаторам обмоток статора электрического двигателя постоянного тока.
Широко применяемые в настоящее время электродвигатели имеют обмотки статора и ротора, коммутируемые с помощью медных ламелей и графитовых щеток (коллекторные электродвигатели), или непереключаемые обмотки статора, соединенные по фиксированной схеме «треугольник» - «звезда» (синхронные и асинхронные электрические моторы). Эти двигатели имеют относительно нерациональную конструкцию, нет возможности оперативно переключать обмотки при работающем электродвигателе и оперативно изменять динамические характеристики.
В отличие от упомянутых приводов, известны бесщеточные, то есть бесколлекторные вентильно-индукторные двигатели, заметно отличающиеся по устройству и по функциям. Для работы бесщеточных двигателей (БД) необходима специальная схема коммутации обмоток, управляемая от контроллера или микропроцессора, которая с необходимой периодичностью включает силовые обмотки, расположенные на статоре и обеспечивает требуемые усилия и скорости вращения безобмоточного ротора. Принципы работы таких двигателей популярно раскрыты в технической информации, например (Все о двигателе. Сборник информации о двигателях различных модификаций, https://avtika.ru/ustroystvo-i-rabota-vseh-vidov-dvigateley).
Известен вентильный электродвигатель (Пат. РФ №2365025, опубл. 20.08.2009), содержащий синхронную машину с двухфазной обмоткой якоря, в данном случае статора, и мостовые транзисторные коммутаторы, логические элементы, усилители мощности и импульсный автогенератор.
Недостатком схемы известного коммутатора обмоток вентильного электродвигателя является использование усилителей мощности, транзисторных коммутаторов и нестандартного автогенератора, в комплексе не обеспечивающих стабильность частоты вращения ротора, из-за недостаточной термостабильности элементов и схемного решения устройства, невозможность адаптации к изменениям нагрузок, а так же слабая перегрузочная способность и низкая надежность.
z
z
Наиболее близким к предложенному техническому решению является индукторный двигатель (Пат. РФ №2279173, опубл. 27.06.2006). Известный индукторный двигатель состоит из нескольких явнополюсных роторов и явнополюсных статоров с сосредоточенными на их полюсах фазными обмотками, подсоединенными к сети постоянного тока через инвертор, содержащий в каждой фазе по два управляемых полупроводниковых ключа. Фазные обмотки в двигателе, связанные с разными статорами, попарно соединены в параллельные цепи. В каждой ветви цепей включены диоды согласно по отношению к току цепи, выводы параллельных цепей обмоток подключены к диагоналям мостов, собранных из управляемых полупроводниковых ключей, а полюса роторов смещены относительно друг друга на угол t/n, где t - угловое полюсное деление ротора; n - количество роторов (статоров).
Недостатком версий известного индукторного двигателя при многостаторном выполнении является жесткая реализация схем коммутации к конструкциям двигателей без возможностей управления характеристиками в процессе использования.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в возможности изменения сопротивления обмотки статора во время работы электрического двигателя.
Для достижения технического результата в электронном коммутаторе обмоток статора электрического двигателя постоянного тока, содержащем управляемые полупроводниковые ключи, включенные в цепи фазных обмоток электрического двигателя, последний выполнен трехфазным, при этом каждая фаза содержит четыре обмотки статора, первый вывод фазы подключен к первому, второму и третьему управляемым полупроводниковым ключам, а также к первой обмотке статора, которая другим выводом подключена к четвертому управляемому полупроводниковому ключу, который подключен к пятому и шестому управляемым полупроводниковым ключам, ко второму выводу фазы и к четвертой обмотке статора, другой вывод которой подключен к третьему управляемому полупроводниковому ключу, при этом вторая обмотка статора подключена между первым и пятым управляемыми полупроводниковыми ключами, третья обмотка статора подключена между вторым и шестым управляемыми полупроводниковыми ключами, при этом седьмой управляемый полупроводниковый ключ подключен между соединением первой обмотки статора с четвертым управляемым полупроводниковым ключом и соединением второй обмотки статора с первым управляемым полупроводниковым ключом, восьмой управляемый полупроводниковый ключ подключен между соединением второй обмотки статора с пятым управляемым полупроводниковым ключом и соединением третьей обмотки статора со вторым управляемым полупроводниковым ключом, девятый управляемый полупроводниковый ключ подключен между соединением третьей обмотки статора с шестым управляемым полупроводниковым ключом и соединением четвертой обмотки статора с третьим управляемым полупроводниковым ключом, при этом все управляемые полупроводниковые ключи состоят из двух униполярных полевых транзисторов, соединенных встречно, управляемых от контроллера, получающего сигналы с датчика тока и частоты вращения ротора.
Дополнительно к этому в электронном коммутаторе обмоток статора электрического двигателя датчик тока обеспечивает контроль рабочего тока статорных обмоток, а датчик частоты вращения обеспечивает контроль частоты вращения якоря электродвигателя в целях реализации автоматического переключения с одной схемы включения обмоток на другую по заданному алгоритму.
Питание логических элементов матрицы и контроллера, получающих энергию от тока обмоток статора, осуществляется через стабилизатор напряжения, обеспечивающий надежность работы схемы.
Предлагаемый электронный коммутатор может быть реализован и для цепей фазных обмоток электрических генераторов, обеспечивая повышенную эффективность работы механических источников энергии, подобно работе при использовании в электрических потребителях-двигателях.
Предлагаемый электронный коммутатор обмоток статора электрического двигателя постоянного тока может быть применен в электродвигателях и электрогенераторах во всех приоритетных направлениях и критических технологиях развития промышленности и социальной сферы.
Новизна предлагаемого технического решения электронного коммутатора в части устройства усматривается в том, что реализуется увеличенный масштаб регулировок по сравнению с известными мотор-редукторами или механическими системами с внешними редукторами за счет оперативного и расширенного предела изменений характеристик.
Новизна предлагаемого технического решения электронного коммутатора в части устройства усматривается в том, что проявляется в возможности его применения в роботизированных системах с, более плавным, переключением механизмов.
Новизна предлагаемого технического решения электронного коммутатора в части устройства усматривается в том, что его использование заключается в большей экономичности электрических двигателей или генераторов, с предлагаемым электронным коммутатором обмоток статора, за счет оптимизации при адаптации к текущим нагрузкам.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг. 1 - Структурная схема электронного коммутатора обмоток статора электродвигателя постоянного тока при соединении составляющих в единое целое.
Фиг. 2 - Электрическое соединение обмоток статора электродвигателя по трем схемам: 1×4, 2×2, 4×1, статор в разрезе и обмотки с управляемыми полупроводниковыми ключами в фазе А-а.
Фиг. 3 - Электрическая схема соединения управляемого полупроводникового ключа на двух полевых транзисторах.
Фиг. 4 - Электрическая схема электронного коммутатора обмоток статора электродвигателя постоянного тока с управлением от контроллера (MCU).
Фиг. 5 - Электрическая схема коммутации обмоток асинхронного электродвигателя по двум основным схемам (Треугольник / Звезда) с помощью трех коммутационных элементов.
Предложенный электронный коммутатор обмоток статора электрического двигателя постоянного тока (фиг. 1) содержит управляемые полупроводниковые ключи 2 для непосредственного включения обмоток статора 1. Все управляемые полупроводниковые ключи 2 состоят из двух униполярных транзисторов, соединенных встречно (фиг. 2, 3) и управляемых через диодную матрицу 3 от контроллера (MCU) 4. Электронный коммутатор имеет стабилизатор напряжения 5, датчики тока 6 и частоты вращения ротора 7. Диодная матрица 3, состоящая из коммутирующих диодов в роли логических коммутирующих элементов (фиг. 4), реализует схему включения, необходимую для работы конкретного электродвигателя. Электронный коммутатор содержит датчик тока 6 для контроля рабочего тока статорных обмоток и реализации автоматического переключения с одной схемы включения обмоток 1 на другую по заданному алгоритму и датчик частоты вращения 7 для контроля частоты вращения якоря электродвигателя и реализации автоматического переключения с одной схемы включения обмоток 1 на другую по заданному алгоритму. Контроллер 4 служит для управления автоматической работой электрического двигателя.
Для питания логических элементов матрицы 3 и контроллера 4, получающих энергию от тока обмоток статора, он содержит стабилизатор напряжения 5. Предлагаемый электронный коммутатор обмоток статора может обеспечивать также работу электрического генератора.
Электронный коммутатор обмоток статора электрического двигателя постоянного тока работает следующим образом.
На фиг. 2 показаны версии коммутации обмоток трехфазного двигателя с четырьмя полюсами в каждой. Эти четыре полюса можно переключать по трем схемам: 1×4, 2×2, 4×1. В зависимости от режима работы обмотки объединяются в группы для получения максимального коэффициента полезного действия. Обмотки коммутируются друг с другом с помощью управляемых полупроводниковых ключей 2 (фиг. 3), управление которыми осуществляется с помощью контроллера 4 через диодную матрицу 3 (фиг. 1, фиг. 4). Сигнал управления поступает либо от датчиков рабочего тока 6, либо вручную от оператора по входам ln1-ln3 (фиг. 1). Для одной фазы количество коммутационных элементов равно 9 (фиг. 2), для трех фаз, соответственно, 27 управляемых полупроводниковых ключей (фиг. 4). Сигнал распределяется в матрице 3 в зависимости от того, какая схема коммутации обмоток выбрана, и поступает на силовые переключающие элементы 2, на униполярные полевые транзисторы. Управляемые полупроводниковые ключи 2 состоят из пары униполярных полевых. транзисторов, соединенных между собой встречно (фиг. 3), для предотвращения влияния встроенных защитных диодов.
Вначале, например (фиг. 2), автоматически или по управляющему сигналу оператора (ln1-ln3) подключается цепь при малых токах в обмотках статора из-за большого сопротивления нагрузки, то есть при R=rx4. В эту цепь с помощью управляемых полупроводниковых ключей 2 (фиг. 3) включаются обмотки статора двигателя 1. Именно для корректного переключения всех обмоток статора и используется диодная матрица 3 на основе коммутационных диодов. Непосредственно исполнительные управляемые полупроводниковые ключи 2 на основе униполярных полевых транзисторов соединены друг с другом. Управляет алгоритмами работы и переключает обмотки статора электродвигателя контроллер (MCU) 4, рабочее напряжение которого обеспечивается стабилизатором напряжения 5, использующим питание от работы этих обмоток и повышающим надежность функционирования схем управления. При достижении требуемой скорости, при необходимости, цепь обмотки двигателя переключается на цепь с сопротивлением R=rx1. Далее подобным образом коммутация обмоток статора осуществляется по схеме с сопротивлением R=rx0,25.
Предложенный электронный коммутатор обмоток статора электрического двигателя может быть использован и для коммутации обмоток асинхронных двигателей, например (фиг. 5),где показана схема коммутации обмотки для двух основных схем (Треугольник /Звезда) с помощью всего трех коммутационных элементов. В разомкнутом состоянии ключей по схеме (с) реализуется схема (а), а при замкнутом состоянии ключей, схема (b).
Промышленная применимость заявленного электронного коммутатора основывается на широком использовании электродвигателей, в том числе бесщеточных при востребованности реализаций электронных коммутаторов обмоток статора с повышенными характеристиками, что многосторонне раскрыто в рассматриваемых версиях технического решения.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном техническом решении электронного коммутатора обмоток статора электрического двигателя, из научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критерию новизны.
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных примеров использования, предложенного электронного коммутатора обмоток статора электрического двигателя постоянного тока, возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.