ИНДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
INDUCTION ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к синхронным реактивным электрическим двигателям и генераторам, применяемым в электромеханических трансмиссиях автомобилей, строительно-дорожных машин, тракторов, сельскохозяйственных машин, вездеходов и других гусеничных и колесных самоходных машин.
Известен N-фазный вентильно-индукторный двигатель, содержащий зубчатый безобмоточный ротор и статор с явнополюсным сердечником и N-фазной обмоткой, которая выполнена в виде зубцовых катушек и соединена с электронным преобразователем, состоящим из N коммутаторов фазных обмоток, каждый из которых реализован по схеме несимметричного транзисторного моста (US 615079, Н02Р 1/46, 21.11.2000; RU 2089991, H02K 19/10, 10.09.1997; Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Изд-во МЭИ, 2003).
Применение в преобразователе коммутаторов, реализованных по несимметричной мостовой схеме, увеличивает суммарную мощность и цену этих преобразователей примерно в два раза по сравнению с симметричными мостовыми преобразователями (инверторами), которые широко используются для управления асинхронными и вентильными электродвигателями. Реализация несимметричных мостовых схем предопределяет также необходимость применения двух типов транзисторных модулей (модулей, в которых коллекторы транзисторов соединены с анодами диодов, и модулей, в которых эмиттеры транзисторов соединены с катодами диодов), что увеличивает номенклатуру комплектующих изделий, необходимых для реализации преобразователей, и ухудшает их ремонтопригодность.
Еще одним недостатком указанных вентильно-индукторных двигателей, по сравнению с асинхронными и вентильными двигателями, имеющими три вывода обмотки, является большое число выводов (6 выводов у трехфазного вентильно-индукторного двигателя, 8 выводов у четырехфазного и т.д.).
Наиболее близким к данному изобретению является индукторная электрическая машина, содержащая безобмоточный явнополюсный ротор и явнополюсный статор с сосредоточенными катушками, расположенными на его зубцах и образующими фазные обмотки, которые соединены в треугольник через диоды, включенные в эти обмотки последовательно согласованно. Фазные обмотки подключены к электронному силовому преобразователю, выполненному на основе симметричных полумостовых или мостовых транзисторных модулей (US 5703457, Н02Р 7/00, 30.12.1997; RU 2279173, H02K 19/36, Н02Р 6/16, 27.06.2006; RU 2352048, H02K 19/06, H02K 19/10, 10.04.2009; RU 2605957, B60L 11/02, B60W 10/08, B60K 17/12, H02P 8/00, 10.01.2017).
Недостатком этого технического решения является наличие в электрической машине паразитного замкнутого контура, который образован последовательно соединенными диодами и фазными обмотками. Токи, протекающие по этому контуру, приводят к увеличению потерь в фазных обмотках (в меди) и в магнитопроводах ротора и статора и, соответственно, к уменьшению КПД электрической машины.
При работе электрической машины в режиме электродвигателя токи паразитного контура создают тормозной момент, а при работе в режиме генератора - крутящий момент, что приводит к дополнительному ухудшению КПД, а также к увеличению пульсаций крутящего момента электрической машины.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение КПД индукторной электрической машины при одновременном снижении пульсаций ее крутящего момента.
В индукторной электрической машине, содержащей безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, и статор с фазными обмотками, которые выполнены в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах, и подключены к преобразователю, реализованному на основе симметричных мостовых или полумостовых транзисторных модулей, указанный технический результат достигается за счет того, что фазные обмотки через тиристоры, включенные последовательно в эти обмотки, соединены в треугольник, или многоугольник, или звезду, или попарно объединены через разнонаправленно включенные тиристоры.
Реализации отличительного признака изобретения - применение тиристоров, включенных последовательно в фазные обмотки, позволяет исключить протекание паразитных токов по замкнутым контурам этих обмоток, которые образуются при их соединении между собой с целью обеспечения возможности работы электрической машины совместно с мостовым преобразователем. Это приводит к снижению потерь в фазных обмотках (в меди) и в магнитопроводах ротора и статора, а также позволяет предотвратить возникновение паразитных тормозных и крутящих моментов при работе электрической машины, соответственно, в режиме электродвигателя или генератора. Поэтому реализация этого отличительного признака изобретения приводит к повышению КПД и снижению пульсаций крутящего момента индукторной электрической машины.
На фиг. 1 приведена упрощенная схема трехфазной индукторной электрической машины с мостовым преобразователем, выполненным на биполярных транзисторах или транзисторных модулях. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны возможные варианты реализации шестифазной электрической машины, работающей совместно с трехфазным мостовым преобразователем, в которой фазные обмотки соединены по схеме звезда и треугольник. На фиг. 4 - вариант четырехфазной электрической машины, работающей совместно с двумя мостовыми преобразователями. На фиг. 5 и фиг. 6 приведены временные диаграммы токов в обмотках трехфазной электрической машины (фиг. 1), поясняющие принцип ее работы.
Под индукторной электрической машиной в данном случае подразумевается синхронная электрическая машина (электродвигатель и/или генератор), у которой обмотки якоря и возбуждения расположены на статоре (могут быть совмещены), а безобмоточный ротор имеет ряд расположенных по окружности выступов-зубцов.
Такие электрические машины, не имеющие обмотки возбуждения и постоянных магнитов в статоре, в русскоязычной литературе именуются вентильно-индукторными, вентильно-реактивными, вентильными индукторными реактивными двигателями и генераторами (ВРД, ВИД, ВИРД, ВРГ, ВИГ), а в англоязычной литературе - электродвигателями или генераторами с переменным магнитным сопротивлением: «Switched Reluctance Motor» (SRM) или «Switched Reluctance Generator» (SRG).
Индукторная электрическая машина может быть также выполнена с постоянными магнитами в статоре без обмотки возбуждения - «Flux Switching Motor» (FSPM), с обмоткой возбуждения и постоянными магнитами в статоре (с гибридным возбуждением) - «Hybrid excitation flux switching motor» (HEFSM), «Hybryd Excitation Flux Switching Synchronous Machine» (HEFSSM) и т.д.
Она содержит ротор 1 и статор с фазными обмотками 2 (фиг. 1-4, фазы А, В, С, D, Е и F), выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах. Катушки, относящиеся к одной фазе, могут быть соединены между собой последовательно и/или параллельно.
Статор может содержать отдельную обмотку (обмотки) возбуждения и/или постоянные магниты. Эти магниты могут быть расположены, в частности, в средней части каждого зубца магнитопровода статора.
Ротор 1 выполнен безобмоточным и содержит датчик его положения 3, выполненный, в частности, в виде магнитного или оптического энкодера. Зубчатый магнитопровод ротора закреплен на его валу 4 с подшипниками, установленными в подшипниковых щитах.
Магнитопроводы (сердечники) статора и ротора 1 набраны из изолированных листов электротехнической стали.
Фазные обмотки 2 подключены к силовому электронному преобразователю 5, выполненному на основе симметричных мостовых или полумостовых транзисторных модулей.
Транзисторные модули могут быть реализованы на биполярных транзисторах (БТ), на биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ), именуемых согласно англоязычной терминологии - «Insulated Gate Bipolar Transistor» (IGBT), или на полевых транзисторах с изолированным затвором, для обозначения которых могут использоваться термины МОП (металл-окисел-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), а по англоязычной терминологии - MOS, MOSFET или МОСФЕТ (от сокращения словосочетаний: «Metal-Oxide-Semiconductor» (металл-окисел-полупроводник) и «Field-Effect-Transistors» (транзистор, управляемый электрическим полем) и их транскрипции.
На фиг. 1 в качестве примера показан трехфазный мостовой преобразователь, выполненный на биполярных транзисторах с антипараллельными диодами. Он может быть реализован в виде одного трехфазного мостового транзисторного модуля или трех транзисторных модулей, реализованных по схеме симметричного полумоста.
Под транзисторным модулем в данном изобретении подразумевается любое устройство, реализованное по полумостовой, однофазной мостовой или многофазной мостовой схеме и выполненное как в виде конструктивно законченного модуля в отдельном корпусе, так и на основе отдельных (дискретных) транзисторов и диодов, например, в корпусах типа ТО-220, ТО-247, ТО-3P и т.д.
Фазные обмотки 2 через последовательно включенные тиристоры 6 соединены в треугольник (фиг. 1, фиг. 2), многоугольник, звезду (фиг. 3) или попарно объединены через эти тиристоры (фиг. 4).
Под тиристором в данном случае подразумевается полупроводниковый прибор с тремя или более р-n переходами, рассматриваемый как электронный выключатель (ключ), имеющий два устойчивых состояния. Тиристор может иметь три электрических вывода - анод, катод и управляющий электрод. Возможно также применение двухвыводных тиристоров - динисторов, в которых переход в состояние высокой проводимости происходит в моменты времени, когда напряжение между его анодом и катодом превысит напряжение открывания.
В предложенном устройстве возможно применение тиристоров, проводящих ток как в одном направлении (например, тринисторов), так и в двух направлениях - симисторов (симметричных триодных тиристоров или триаков (от англ. TRIAC - «Triode for alternating current»)), симметричных динисторов и т.д.
Предпочтительным является применение трехвыводных тиристоров, проводящих ток в одном направлении, а также их размещение внутри корпуса электрической машины вблизи лобовых частей катушек, снаружи электрической машины на ее корпусе или на подшипниковом щите, что приводит к сокращению общей длины электрических соединений и, соответственно, к повышению КПД, мощности и крутящего момента электрической машины.
Преобразователь 5 работает под управлением контроллера 7, реализованного на основе микроконтроллера общего применения или цифрового сигнального процессора, специально предназначенного для управления электрическими машинами.
Контроллер 7 содержит гальванически развязанные драйверы транзисторов, входящих в состав транзисторных модулей преобразователя 5, и тиристоров 6. Эти драйверы в общем случае содержат усилители токов затворов (баз) транзисторов, гальванически развязанные источники питания вторичных цепей драйверов, а также аналоговые и логические элементы, предназначенные для реализации защиты транзисторов и тиристоров от перегрева и перегрузок по току и напряжению, обеспечения необходимых скоростей включения/выключения транзисторов (транзисторных модулей), диагностики их состояния и т.п. Драйверы тиристоров могут быть реализованы на основе тринисторных или симисторных оптопар.
В состав контроллера 7 входят также интерфейсные устройства, предназначенные для приема сигналов с датчика положения ротора 3, датчиков тока 8 в фазных обмотках 2, датчиков напряжения на этих обмотках, датчиков температуры фазных обмоток и т.д., а также для обмена информацией между контроллером и внешними устройствами. Этот обмен реализован с использованием аналоговых или цифровых сигналов по отдельным проводам или по цифровой мультиплексной линии связи, например, по шине CAN (Controller Area Network - сеть контроллеров). Возможно также применение проводных интерфейсов типа LIN (Local Interconnection Network), RS-485 (стандарт EIA/TIA) и т.д., а также беспроводных интерфейсов типа ZigBee (стандарт IEEE 802.15.4), Wi-Fi (стандарт IEEE 802.11), Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1) и т.п.
Преобразователь 5, рассматриваемый как отдельное устройство или совместно с контроллером 7, может именоваться силовым электронным преобразователем, инвертором, силовым коммутатором, электронным транзисторным коммутатором, блоком управления электрической машиной, силовым контроллером и т.д.
Электрическое питание преобразователя 5, контроллера 7 и индукторной электрической машины в целом при ее работе в режиме электродвигателя осуществляется по силовым шинам постоянного тока +U, -U. По этим же шинам осуществляется передача энергии в нагрузку при работе электрической машины в режиме генератора.
Для сглаживания пульсаций питающего напряжения электродвигателя и выходного напряжения генератора используется конденсатор 9, группа параллельно соединенных конденсаторов или аккумуляторная батарея.
При работе индукторной электрической машины в режиме электродвигателя электронный преобразователь (силовой коммутатор, инвертор и т.п.) 5, работающий под управлением контроллера 7, синхронно с положением вала 4 ротора 1, определяемым с помощью датчика положения ротора 3, поочередно подключает фазные обмотки 2 к источнику постоянного напряжения (к силовым шинам)+U, -U. Для этого осуществляется одновременное включение одного верхнего и одного нижнего транзисторов, относящихся к различным полумостам преобразователя. Одновременно контроллер 7 формирует импульсы управления тем тиристором 6, который должен находиться в проводящем состоянии во время работы данной фазы. В случае применения двухвыводных тиристоров (динисторов), напряжение их перехода в проводящее состояние (напряжение включения) выбирается меньше выходного напряжения преобразователя 5 (т.е. меньше, чем разность между минимальным напряжением на силовых шинах +U, -U и падением напряжения на транзисторах преобразователя), что приводит к автоматическому переходу динисторов в проводящее состояние после включения транзисторов преобразователя.
Ток, протекающий по обмоткам фазы А, В, С, D, Е или F, создает в магнитопроводах статора и ротора магнитный поток. В результате взаимного притяжения зубцов статора и ротора возникает крутящий момент, приводящий во вращение вал 4 индукторной электрической машины.
После поворота вала 4 ротора 1 на угол, соответствующий числу фаз и числу пар полюсов электрической машины, контроллер 7 осуществляет отключение транзисторов преобразователя, подающих напряжение на работающую фазу. Ток в ней начинает снижаться. Далее контроллер 7 формирует сигналы включения транзисторов и тиристора следующей фазы. По ней начинает протекать ток. В этот интервал времени ток в предыдущей фазе снижается до нуля, что приводит к выключению тиристора 6 этой фазы. Далее процессы повторяются, в результате чего осуществляется непрерывное вращение вала 4 ротора 1.
Кроме описанной симметричной коммутации фазных обмоток 2, в зависимости от числа фаз, количества зубцов ротора и статора, а также требований к пульсациям крутящего момента электрической машины, возможны также парная симметричная и несимметричная коммутация ее фазных обмоток.
Во время работы каждой фазы осуществляется импульсное (широтно-импульсное, частотно-импульсное, время-импульсное, двухпозиционное и т.п.) регулирование тока в ее обмотке. Измерение тока, необходимое для этого регулирования, осуществляется с помощью датчиков тока 8.
После отключения в преобразователе 5 одновременно двух транзисторов, через которые напряжение силовых шин подавалось на обмотку рабочей фазы, ток этой обмотки начинает протекать по антипараллельным диодам транзисторных модулей. В этом случае полярность напряжения на фазной обмотке меняется на противоположную, а его величина в первоначальный момент времени равна напряжению на силовых шинах. Это приводит к быстрому снижению тока в фазной обмотке.
Если в преобразователе 5 отключается только один транзистор, то ток в фазной обмотке замыкается через оставшийся включенным второй транзистор и антипараллельный диод. В этом случае напряжение на фазной обмотке близко к нулю, что приводит к медленному снижению этого тока.
Соответственно, путем регулирования моментов времени включения и отключения транзисторов в преобразователе 5 осуществляется регулирования тока в фазных обмотках и, соответственно, крутящего момента электрической машины. При этом при включении двух транзисторов одновременно формируется импульс включения соответствующего тиристора 6. Этот тиристор во время регулирования величины тока в фазной обмотке остается во включенном состоянии.
Внешний сигнал управления электрической машиной, поступающий, в частности, по шине CAN, может задавать, например, величину крутящего момента или скорости вращения ротора.
В первом случае контроллер 7 устанавливает величину тока в фазных обмотках 2, соответствующую заданной величине крутящего момента. Во втором случае контроллер 7 определяет скорость вращения вала ротора с помощью датчика положения ротора 3, сравнивает текущее значение этой скорости с заданной и осуществляет импульсное регулирование величины тока в фазных обмотках в зависимости от их рассогласования.
Одновременно контроллер 7 обеспечивает защиту преобразователя 5 и фазных обмоток 2 от аварийных режимов - от перегрева, превышения тока и т.д. При этом часть функций защиты может быть реализована аппаратно непосредственно в драйверах транзисторов и тиристоров, а часть функций - совместно драйверами и микроконтроллером (программно), на основе которого реализован контроллер 7.
При работе электрической машины в режиме генератора при вращающемся роторе 1 через транзисторы преобразователя 5 на фазные обмотки подаются импульсы возбуждения генератора путем подключения к этим обмоткам напряжения силовых шин +U, -U. Моменты подключения каждой из фазных обмоток и длительности интервалов времени, в течение которых осуществляется это подключение, определяются контроллером 7 в зависимости от положения и скорости вращения ротора, величины (сопротивления) электрической нагрузки и требуемой величины выходного напряжения генератора, которая задается, в частности, по шине CAN. После окончания каждого импульса возбуждения каждая фаза переходит в генераторный режим и ток поочередно от каждой фазной обмотки 2 через антипараллельные диоды транзисторных модулей, выполняющие функции силового выпрямителя, поступает на силовые шины шин +U, -U и далее на нагрузку.
На фиг. 5 и фиг. 6 приведены временные диаграммы токов в обмотках трехфазного индукторного электродвигателя (фиг. 1). На фиг. 5 - в случае установки последовательно в обмотки фаз диодов, на фиг. 6 - тиристоров.
Из этих временных диаграмм следует, что замена диодов на тиристоры позволяет исключить паразитные токи, возникающие в фазных обмотках перед включением следующей фазы. Это приводит к снижению потерь в обмотках и в магнитопроводах статора и ротора ориентировочно на 0,7…3%. Исключение токов паразитного контура позволяет также исключить соответствующий тормозной момент электрической машины при ее работе в режиме электродвигателя и крутящий момент при работе в режиме генератора. Благодаря этому достигается повышение КПД и снижение пульсаций крутящего момента электрической машины.
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов индукторной электрической машины возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.