ТИРИСТОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ
DIRECT CURRENT THYRISTOR SWITCH FOR ELECTRIC VEHICLE

Заявляемое изобретение относится к сильноточной электротехнике и может быть использовано, например, в электромобилях для плавно-ступенчатого регулирования скоростью вращения колесных двигателей постоянного тока.
Известны механические вакуумные сильноточные переключатели со сравнительно небольшим числом переключаемых контактов. Так, известно решение, в котором низковольтный многополюсный сильноточный вакуумный выключатель содержит корпус, преимущественно три вакуумные дугогасящие камеры, расположенные в одной плоскости, пружины поджатая, включающий электромагнит с толкателем, отключающий электромагнит, отключающую пружину, подпружиненную защелку, вал с жестко связанными с ним рычагами для крепления штоков подвижных контактов вакуумных дугогасящих камер, рычажную передачу, содержащую пружину, и механизм свободного расцепления (Патент РФ №2145746, МПК H01H 33/66, приоритет от 24.06.1998 г.). В известном техническом решении вакуумные камеры, рычажный привод и электромагнит включения расположены вдоль осей вакуумных камер, а механизм свободного расцепления - поперек плоскости расположения вакуумных камер. Такое техническое решение уменьшает габариты аппарата в ширину, зато значительно увеличивает габариты в высоту, что существенно снижает область применения такого выключателя.
Недостатком известного устройства является его сложность и сравнительно низкая надежность, а также ограниченное и достаточно малое число коммутируемых каналов.
Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются повышение числа переключаемых сильноточных каналов и повышение надежности работы сильноточного переключателя.
Указанная цель достигается в заявляемом тиристорном переключателе постоянного тока для электромобиля, отличающемся тем, что он выполнен из N связанных между собой анодами силовых тиристоров, образующих общий вывод переключателя, а катоды силовых тиристоров образуют N каналов переключения, включение одного из N тиристоров по соответствующему его переходу «управляющий электрод - катод» силового тиристора осуществляется N тиристорными оптопарами, тиристоры которых включены к управляющим электродам силовых тиристоров и общему для всех N тиристорных оптопар незаземленному источнику постоянного тока, а светодиоды оптопар подключены между вторым заземленным низковольтным источником постоянного тока и N выходами дешифратора, к входу которого подключена схема аналого-цифрового преобразователя, при этом переключение каналов осуществляется изменяющимся напряжением на входе схемы аналого-цифрового преобразователя.
Достижение поставленных целей изобретения объясняется применением сильноточных тиристоров, управляемых от электронного блока управления.
Изобретение понятно из представленных на рис.1 следующих элементов:
1 - источника опорного напряжения,
2 - прецизионного потенциометра (может быть механически совмещен с педалью акселератора электромобиля),
3 - аналого-цифрового преобразователя (АЦП) двоичного m-разрядного кода,
4 - двоичного дешифратора с N выходными каналами,
5 - тиристорных оптопар (или оптотранзисторных) по числу N переключаемых каналов,
6 - силовых тиристоров по числу переключаемых каналов,
7 - заземленного низковольтного источника постоянного тока,
8 - второго незаземленного источника постоянного тока.
На рис. 2 указана силовая литий-ионная батарея из N последовательно соединенных аккумуляторов с отводами от каждого из них. Заземлен плюсовой вывод аккумуляторной батареи с максимальным напряжением 3N В (аккумулятор имеет напряжение около 3 В). Диапазон плавно-ступенчатой регулировки напряжения на колесные двигатели постоянного тока 0…3N вольт с шагом 3 В.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
Известно, что в настоящее время в электромобилях применяют асинхронные двигатели переменного тока в связи с низкой надежностью коллекторных двигателей постоянного тока. Однако это заметно усложняет состав оборудования, поскольку требуется преобразование постоянного тока от батареи аккумуляторов с полным напряжением 300…600 В в трехфазное переменное напряжение с регулируемой частотой. Использование двигателей постоянного тока было бы чрезвычайно эффективным, поскольку никаких блоков преобразования не требуется, а регулировка вращательного момента (и угловой скорости вращения) в двигателях постоянного тока осуществляется простой регулировкой подаваемого к двигателям напряжения непосредственно от аккумуляторной батареи. Однако при этом следует использовать БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ двигатели постоянного тока со скользящими контактами, более надежными по сравнению с коллекторными. Такие двигатели предложены в работах [1-6]. Важной их особенностью является то, что вся рабочая обмотка ротора находится постоянно под током (то есть отсутствуют переходные процессы, затрудняющие в коллекторных двигателях повышение скорости вращения ротора), что увеличивает кпд такого двигателя и его быстроходность. А использование неодимовых магнитов для создания в рабочем магнитном зазоре требуемой магнитной индукции позволяет существенно снизить расход электроэнергии.
1
2
m
Переключение N каналов (выводов от аккумулятора, как на рис. 2) к общему выводу (подключаемому к колесным двигателям постоянного т ока) осуществляется одним из N силовых тиристоров 6. Управление включением такого силового тиристора происходит от тиристорной (или фототранзистороной) оптопарой 5, светодиод которой включен между соответствующим выводом дешифратора 4 и заземленным низковольтным источником 7 постоянного тока ИП-1 через ограничительный резистор R. При этом на включенном выходе дешифратора возникает сигнал «0» (с напряжением 0…+0,4 В), а на остальных его выходах возникают сигналы «1» (с напряжениями 2,4…5 В) для дешифраторов ТТЛ-логики. При зажигании светодиода оптопары становится проводящим тиристор (фототранзистор) этой оптопары, и через управляющий переход силового тиристора 6 протекает отпирающий его ток от второго незаземленного источника 8 постоянного тока (с более высоким напряжением) ИП-2 через ограничивающий резистор R. На вход дешифратора 4 подается m-разрядный двоичный код с выхода аналого-цифрового преобразователя 3, который работает от источника опорного напряжения 1, например, с напряжением +5 В, а также к его входу подается управляющее напряжение с прецизионного потенциометра 2, также подключенного к источнику опорного напряжения. Число переключаемых каналов определено условием N≤2.
Например, если батарея аккумуляторов рассчитана на 600 В, то есть в ней используется 200 последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов с напряжением около 3 В, то следует применить 8-разрядный АЦП 3 (AF9042) и 16 дешифраторов ТТЛ-типа К155ИДЗ всего на 256 возможных каналов, из которых будет использовано только первых 200 каналов. Младшие четыре разряда кода от АЦП 3 включают параллельно к входам всех 16-и дешифраторов 4, а старшие 4 разряда этого кода подаются на дополнительный дешифратор типа К155ИД3. все 16 выходов которого подключают соответственно к 16-и входам разрешения включением 16-и выходных дешифраторов. Эта схема отличается от указанной на рис. 1, но легко понятна для специалиста. При этом к колесным двигателям постоянного тока будут подаваться напряжения в диапазоне 0…600 В с шагом 3 В. В качестве тиристоров можно использовать лавинные тиристоры типа ТЛ371-320-8. При напряжении 600 В и общем токе в 300 А при кпд 0,9 имеем максимальную мощность двигателей около 220 л.с. применительно к электромобилям представительского класса.
Литература
1. Меньших О.Ф. Бесколлекторный двигатель постоянного тока. Патент РФ №2391761, опубл. в бюлл. №16 от 10.06.2010.
2. Электрические униполярные машины/Под ред. Л.А. Суханова. М., ВНИИЭМ, 1964.
3. Меньших О.Ф. Бесколлекторный 2-роторный двигатель постоянного тока. Патент РФ №2531029, опубл. в бюлл. №29 от 20.11.2014.
4. Меньших О.Ф. Бесколлекторный двигатель постоянного тока. Патент РФ №2532861, опубл. в бюлл. №33 от 27.11.2014.
5. Меньших О.Ф. Бесколлекторный мотор-генератор постоянного тока. Патент РФ №2545525, опубл. в бюлл. №10 от 10.04.2015.
6. Меньших О.Ф. Электрическая машина. Патент РФ №2565232, опубл. в бюлл. №29 от 20.10.2015.