Применение полупроводникового коллектора в бесконтактном электромашинном усилителе и преобразователе переменного тока

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО-

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1966*

Том 160

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КОЛЛЕКТОРА В БЕСКОНТАКТНОМ ЭЛЕКТРОМАШИННОМ УСИЛИТЕЛЕ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Э. Ф. ОБЕРГАН

Известно, что наилучшими технико-экономическими характеристиками обладает электропривод переменного тока с частотным регулированием скорости вращения исполнительного двигателя. В качестве источника переменного тока регулируемой частоты, питающего исполнительный двигатель, в таких системах используют различные электромашинные и электронные преобразователи, широкое применение которых ограничено вследствие присущих каждому из известных устройств недостатков.

Развитие полупроводниковой техники позволяет в настоящее время рассматривать практически задачу создания комбинированного электронно-электромашинного преобразователя переменного тока регулируемой частоты, обладающего преимуществами известных электромашинных и электронных преобразователей и лишенного большей части недостатков, присущих каждому из них в отдельности.

На кафедре «Электрические машины (и аппараты» ТПИ осуществлен комплекс теоретических и экспериментальных исследований бесконтактного электронно-машинного усилителя переменного тока регулируемой частоты и получены результаты, свидетельствующие о перспективности работ в этом направлении.

Одним из основных узлов, определяющих характеристики и эксплуатационную надежность работы электронно-машинного усилителя и преобразователя регулируемой частоты, является полупроводниковый коллектор, связанный с обмоткой электрической машины.

На рис. 1 показана принципиальная схема соединения двух ячеек полупроводникового коллектора.

На рис. 2 приведена принципиальная схема преобразователя с полупроводниковым коллектором.

Регулирование частоты электронно-машинного преобразователя на рис. 2 осуществляется последовательным переключением ячеек полупроводникового коллектора, при этом первичная обмотка первого каскада выполняется якорного типа.

Отличительные особенности преобразователя определяются принципом работы первого каскада.

Прежде всего необходимо определить характер изменения тока в первичной обмотке при переменной скорости переключения ячеек полупроводникового коллектора и при разомкнутой вторичной обмотке, т. е. при разомкнутых обмотках ротора.

Рис. 1 Принципиальная электрическая схема двух ячеек полупроводникового коллектора, соединенных с обмоткой. В — управляемые вентили. Д — диоды. С — коммутирующий конденсатор.

¿У/

К К к 1х к ь

а р I 11 1

и#

1и

СОр

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема преобразователя с полупроводников Ы.Л1 кол л ек т оро м.

Без учета влияния потерь в стали магнитопровода значение тока в обмотке определяется из уравнения

где

1ш 1

и

1 + 2^(7Г=7) )•'•'

2-х

, (О

— —величина постоянного тока в обмотке при отсутствии пе-1\1

реключения ячеек коллектора, т. е. при ^О и 13=0, Г —частота переключения ячеек полупроводникового коллектора.

^—время «замкнутого» состояния части обмотки, заключенной между смежными выводами,

т0 = ^ — постоянная времени обмотки, К1

п — количество пар выводов обмотки, -связанных с ячейками полупроводникового коллектора.

Значение 13 определяется паспортными параметрами полупроводниковых управляемых вентилей.

Уравнение (1) ¡справедливо для значений частот лежащих в пределах

<.<1

Верхний предел частоты Г обусловлен принципом работы полупроводникового коллектора, а нижний предел обусловлен упрощением, допущенным при выводе уравнения (1). Однако,учитывая линейный характер изменения тока от частоты переключения, значение тока при частотах ниже нижнего предела определяется графически и не превышает 1%-г2% от 110.

Таким образом, как показывает уравнение (1), величина тока в обмотке при изменении частоты переключения от Г = 0 до 1 = изменяется от значения 1ю до значения 1ю+Л1ь при этом максимальное значение АЬшах ПРИ * — ^ шах равно отношению омического сопротивления коммутируемой части обмотки \к омическому сопротивлению параллельной ветви.

При достаточно большом числе выводов обмотки в практических расчетах возможно допущение о независимости тока в обмотке от частоты переключения полупроводникового коллектора. Амплитуда пульсаций тока в обмотке определяется по формуле

-'»• "V • бг^тг «'-У»

и уменьшается ;с увеличением частоты

Характер коммутации тока в части обмотки между смежными выводами определяется уравнениями тока:

а) в период «замкнутого» состояния части обмотки

1з

— П2-

¡з (*) = 1ю-е

б) в период «разомкнутого» состояния части обмотки

п

которые позволяют подбором параметров полупроводникового коллектора и обмотки задать желательный закон изменения тока в период коммутации.

При работе полупроводникового коллектора на коммутируемых частях обмотки возникают перенапряжения, величины которых зависят от параметров полупроводникового коллектора и обмотки

\ 1 Г~4

( 1Ь5\ _ 1

V ^ ;тах  у

<5)

где иш5 — напряжение на части обмотки между смежными выводами. С помощью уравнения (5) расчет параметров обмотки производит-

ся с учетом предельно допустимых для данной схемы полупроводникового коллектора перенапряжений на коммутируемых частях обмотки.

Работа первого каскада преобразователя при разомкнутой вторичной обмотке аналогична работе синхронного генератора на холостом >:оду, поэтому ток в первичной обмотке Ь будем называть током возбуждения, а первичную обмотку — обмоткой возбуждения.

При соединении обмоток ротора между собой взаимосвязь токов и напряжений возбуждения, ротора и нагрузки выражается уравнениями, на основании которых может быть построена векторная диаграмма, показанная на рис. 3.

Применение полупроводникового коллектора, связанного с обмоткой возбуждения, вносит специфическую особенность во взаимосвязь токов и напряжений, баланс мощностей и закон регулирования напряжения возбуждения при регулировании частоты выходного напряжения.

Прежде всего, вращающийся в пространстве поток возбуждения создается постоянным током, который, как указано выше, непосредственно от частоты переключения коллектора практически не зависит. Ось потока возбуждения в каждый данный момент совпадает с осью, соединяющей точки подключения к обмотке напряжения возбуждения, или, по аналогии с механическим коллектором, с «осью щеток» (на векторной диаграмме ось 0—О1).

При работе обоих каскадов преобразователя ось результирующего потока первого каскада в общем случае не будет совпадать с осью потока возбуждения, и поперечная составляющая его, перпендикулярная к «оси щеток», будет наводить э.д.с. в обмотке возбуждения, направленную встречно или согласно напряжению возбуждения в зависимости от направления переключения коллектора и характера нагрузки.

12. Заказ 7780. 177

Рис. 3. Векторная диаграмма двух каскадов преобразователя при нагрузке.

Введя обозначения скольжения Si поля первого каскада

Sl = j>p-(±mBjL (6>

шр

и скольжения S> поля второго каскада

S2 = ,

(0П

гдешр, о)в, сод — угловые скорости вращения ротора, поля возбуждения относительно статора и поля второго каскада относительно ротора,

можно определить из векторной диаграммы рис. 3 значение напряжения Ев, индуктируемого в обмотке возбуждения:

Ев - ± Io'-Sine-Xo'-

Знак ( + ) берется при положительном значении Si, а знак (—) при отрицательном значении Si.

При постоянном значении напряжения возбуждения Ub ток I/ в обмотке возбуждения, приведенный к ротору, равен:

1/ = ¡30' ± Í0sin8-X0-

Принимая во внимание, что

lo = Ь' + lip = Ь' + 1щ—Ím = -^-- >

можно выразить значение тока возбуждения первичной обмотки первого каскада в зависимости от параметров преобразователя, величины и характера нагрузки, и режимов работы, определяемых величинами и знаками скольжений первого и второго каскадов:

í'io ± im'( 1 +  S, • S2 ) .*„' • (1 - SJ • Sin в

= i + x0' • и—s,)-sme '

(io>

здесь

г„" = V Ян" + }хн"

В числителе перед вторым слагаемым знак ( + ) берется при положительных значениях Б] и 52 знак (—) при отрицательных Б] и 5г. В знаменателе перед вторым слагаемым знаки берутся в обратном порядке.

Анализ уравнения (10) показывает, что совмещение полупроводникового коллектора с электромашинным преобразователем позволяет осуществлять регулирование частоты выходного напряжения в нескольких широких диапазонах, в том числе от ^ = 0. При соответствующем выборе параметров преобразователя, числе пар полюсов первого и второго каскадов и скольжений 8] и 52, мощность возбуждения может составлять от мощности выхода меньший процент, чем у синхронного генератора, а закон регулирования напряжения возбуждения с изменением частоты выходного напряжения и мощности нагрузки может быть аналогичен закону регулирования возбуждения синхронного генератора при изменении нагрузки.

Применение полупроводникового коллектора в электромашинном преобразователе, предназначенном для генерирования переменного напряжения регулируемой в широком диапазоне частоты, вносит ряд принципиально новых особенностей как в эксплуатационные характе-

ристики электропривода, так и в расчет электрической машины. В частности, в отдельных режимах работы коэффициент усиления преобразователя достигает значений, позволяющих рассматривать преобразователь в качестве усилителя, что очень важно, так как значительно снижает габариты и стоимость полупроводникового коллектора. Кроме того, расчет влияния коммутационных процессов на работу электрической машины при использовании полупроводникового коллектора имеет много отличий от аналогичного расчета при механическом коллекторе и позволяет более точно предопределять характер этих процессов.

ЛИТЕРАТУРА

1. М. П. Костенко. Электрические машины. Специальная часть, ГЭИ, 1949.

2. Ш. И. Л у т и д з е. Уравнения и схемы электрических машин с управляемым полупроводниковым коммутатором. Известия АН СССР, № 6, 1964.

3. С. М. Д а м я н о в. Об одной разновидности электрической машины. Известия АН СССР, № 6, 1964.