СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ В БЕСЩЕТОЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING EXCITATION CURRENT IN BRISHLESS MACHINES

Область техники
Изобретение относится к бесщеточным электрическим машинам с обмотками возбуждения и к способу эксплуатации таких машин.
Уровень техники
Бесщеточные электрические машины, например синхронные машины, могут содержать помимо статорной обмотки также расположенную на роторе обмотку возбуждения. Она должна питаться электрической энергией, чтобы вырабатывать магнитное поле возбуждения. Электрическая энергия подается к обмоткам возбуждения за счет трансформаторной связи между одной или несколькими первичными обмотками на статоре с одной или несколькими вторичными обмотками на роторе. Образованный первичными и вторичными обмотками трансформатор возбуждения может быть расположен со смещением, например аксиальным, на оси вращающейся электрической машины. В других случаях в качестве первичной обмотки трансформатора возбуждения может быть использована также первичная обмотка.
Трансформатор возбуждения включает в себя статорную обмотку возбуждения в качестве первичной обмотки и роторную обмотку возбуждения в качестве вторичной обмотки. Роторная обмотка возбуждения соединена посредством диодного выпрямительного моста с обмоткой возбуждения. За счет этого к обмотке возбуждения подается электрический постоянный ток, ток возбуждения, который генерирует магнитное поле возбуждения.
Для определенной эксплуатации такой электрической машины, например для установления определенного крутящего момента, необходимо, однако, определять и, при необходимости, регулировать ток возбуждения через обмотку возбуждения, чтобы можно было определить напряженность созданного обмоткой возбуждения магнитного поля. Поскольку электрическая машина со стороны ротора не имеет отвода для токов и иным образом не позволяет выполнить надежное измерение тока, необходимо оценивать ток возбуждения за счет измерений электрических величин на стороне статора.
Прежние методы оценки основаны на измерении двух фазных токов и двух связанных выходных напряжений исполнительного звена с высоким разрешением по времени, что сложно реализовать. Выходное напряжение исполнительного звена является, кроме того, несинусообразным напряжением, из-за чего высоки затраты на расчеты при определении тока возбуждения.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, с помощью которых ток возбуждения определяется надежно и точно только с помощью измерения электрической величины со стороны статора. Эта задача решается посредством способа определения тока возбуждения электрической машины по п.1 формулы, а также посредством устройства и электродвигателя по дополнительным пунктам.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
Согласно первому аспекту, предложен способ определения тока возбуждения через обмотку возбуждения в электрической машине со статором и ротором. Электрическая машина включает в себя трансформатор возбуждения, чтобы за счет электромагнитной индукции генерировать со стороны ротора ток возбуждения, которым запитывается обмотка возбуждения для создания магнитного поля возбуждения. Способ включает в себя следующие этапы:
- управление трансформатором возбуждения на первичной стороне, чтобы генерировать в роторе ток возбуждения, производный от тока, индуцированного в трансформаторе возбуждения на вторичной стороне;
- измерение одного или нескольких фазных токов на первичной стороне трансформатора возбуждения;
- определение максимального значения тока в зависимости от одного или нескольких измеренных фазных токов;
- определение тока возбуждения через обмотку возбуждения в зависимости от полученного максимального значения тока.
Идея описанного способа состоит в том, чтобы рассчитать ток возбуждения с помощью простого расчета делителя тока в зависимости от максимального значения фазного тока на стороне статора. Это имеет то преимущество, что измерение максимального значения фазного тока осуществляется просто, тогда как при определении тока возбуждения путем измерения фазных токов на стороне статора и связанных напряжений с высокой частотой опроса приходится осуществлять сложный расчет для определения времени включения диодов используемого в роторе выпрямителя.
Описанный способ определения тока возбуждения основан на предположении, что в определяемый момент времени ток всегда течет через две катушки роторной обмотки возбуждения, так что можно предположить главное индуктивное сопротивление для каждой из катушек роторной обмотки возбуждения, в которых фазный ток, за счет трансформаторной связи текущий со стороны статора, вызывает течение тока. Текущий через обмотку возбуждения ток возбуждения можно определить, следовательно, как часть всего индуцированного трансформатором тока на вторичной стороне в делителе тока. Делитель тока имеет первую цепь тока, включающую обе главные индуктивности двух активных катушек роторной обмотки возбуждения, и вторую цепь тока, включающую обмотку возбуждения.
Кроме того, определение тока возбуждения может осуществляться в зависимости от коэффициента понижения трансформатора возбуждения, который соответствует соотношению числа витков катушек на первичной и вторичной сторонах, в зависимости от определяемого, например эмпирически, заданного поправочного коэффициента, в зависимости от частоты вращения электрической машины и в зависимости от отношения главной индуктивности трансформатора возбуждения к сумме главной индуктивности и импеданса обмотки возбуждения.
Согласно одному варианту, могут измеряться несколько фазных токов в фазах на первичной стороне, причем максимальное значение тока определяется путем усреднения максимальных значений для нескольких фазных токов.
Согласно одному альтернативному варианту, могут измеряться несколько фазных токов в фазах на первичной стороне, причем максимальное значение тока определяется путем выпрямления токов или напряжений, производных от указанных нескольких фазных токов, в мостовом выпрямителе и определения максимального значения тока в зависимости от выпрямленного тока или напряжения.
Согласно другому аспекту, предусмотрено устройство для определения тока возбуждения через обмотку возбуждения в электрической машине со статором и ротором, причем электрическая машина включает в себя трансформатор возбуждения, с тем чтобы за счет электромагнитной индукции генерировать на стороне ротора ток возбуждения, которым запитывается обмотка возбуждения для создания магнитного поля возбуждения. Устройство включает в себя:
- блок регистрации одного или нескольких фазных токов в одной или нескольких фазах на первичной стороне трансформатора возбуждения;
- блок определения максимального значения тока в зависимости от одного или нескольких измеренных фазных токов;
- блок управления электродвигателем для определения тока возбуждения через обмотку возбуждения в зависимости от полученного максимального значения тока.
Далее может быть предусмотрен блок управления трансформатором на первичной стороне, причем блок устанавливает фазные токи постоянными или устанавливает их в соответствии со значениями, заданными блоком управления электродвигателем.
Согласно другому аспекту, предусмотрена система электродвигателя. Он содержит:
- упомянутое устройство;
- электрическую машину со статором и ротором, содержащим обмотку возбуждения, причем электрическая машина включает в себя трансформатор возбуждения с тем, чтобы за счет электромагнитной индукции генерировать на стороне ротора ток возбуждения, с помощью которого обмотка возбуждения создает магнитное поле возбуждения.
Кроме того, электрическая машина может содержать диодный мостовой выпрямитель для выпрямления трансформаторных токов, генерированных в трансформаторе возбуждения на вторичной стороне.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления изобретения более подробно поясняются ниже с помощью прилагаемых чертежей, на которых:
- фиг.1: сечение электрической машины с трансформатором возбуждения;
- фиг.2: блок-схема электронной схемы электрической машины из фиг.1;
- фиг.3: эквивалентная блок-схема трансформатора возбуждения;
- фиг.4: эквивалентная блок-схема активной коммутирующей цепи в роторе;
- фиг.5: диаграмма сигнал-время для пояснения характеристик фазного тока на первичной стороне, частоты вращения электрической машины, измеренного тока возбуждения и рассчитанного тока возбуждения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображено сечение вращающейся электрической машины 1, например электродвигателя. Электрическая машина 1 включает в себя статор 2 со статорной обмоткой 3 и ротор 4, установленный на валу 5. Ротор 4 включает в себя роторную обмотку 6 для создания магнитного поля возбуждения. При управлении статорной обмоткой 3 можно использовать электрическую машину в качестве электродвигателя.
Рядом, в осевом направлении, на валу 5 установлен трансформатор возбуждения 7. Он содержит статорную обмотку возбуждения 8 или фиксированную по отношению к ротору 4 роторную обмотку возбуждения 9, установленную на вращающемся валу 5.
Статорная 3 и роторная 6 обмотки, а также статорная 8 и роторная 9 обмотки возбуждения могут содержать соответственно катушки, полюса которых (не показаны) ориентированы в радиальном направлении. Управление отдельными катушками статорной обмотки возбуждения 8 происходит так, что в зависимости от частоты вращения вала 5 возникает вращающееся переменное поле, в результате чего в катушках роторной обмотки возбуждения 9 индуцируется попеременный ток.
DC
Индуцированный в катушках роторной обмотки возбуждения 9 ток возбуждения выпрямляется в диодном мостовом выпрямителе 10. Для его защиты служит диодная защитная схема 11, образованная емкостью и сопротивлением. Выпрямленный ток возбуждения I течет через обмотку возбуждения 6 ротора 4, создавая магнитное поле возбуждения.
На фиг.2 электрическая машина 1 из фиг.1 изображена в виде электронной блок-схемы. Трансформатор возбуждения 7 электрической машины 1 выполнен с трехфазной статорной 8 и соответствующей роторной 9 обмотками возбуждения. В данном примере статорная обмотка возбуждения 8 содержит три соединенные звездой катушки. Также можно снабдить электрическую машину 1 более чем тремя фазами. Кроме того, может быть предусмотрено соединение катушек не звездой, а треугольником.
Катушки роторной обмотки возбуждения 9 имеют трансформаторную связь с катушками статорной обмотки возбуждения 8, так что в первых индуцируется переменный ток. Возникающий трехфазный переменный ток подается к диодному мостовому выпрямителю 10, содержащему шесть выпрямительных диодов 14, соединенных известным образом. В случае более трех фаз для каждой дополнительной фазы предусмотрены два дополнительных выпрямительных диода для пропускания известным образом положительной полуволны тока на одну из исходящих линий и отрицательной полуволны тока на другую исходящую линию.
Трансформатор возбуждения 7 работает за счет подходящего управления статорной обмоткой возбуждения 8 на первичной стороне, так что в роторной обмотке возбуждения 9 индуцируется соответствующий переменный ток. Управление катушками статорной обмотки возбуждения 8 происходит, в целом, так, что ток течет одновременно всегда только в части ее катушек, в результате чего на вторичной стороне соответствующий ток индуцируется только в каждых двух катушках роторной обмотки возбуждения 9.
DC
DC
Выход диодного мостового выпрямителя 10 подает в обмотку возбуждения 6 почти постоянный ток возбуждения I. Обмотка возбуждения 6 служит для создания постоянного магнитного поля. Следовательно, ток возбуждения I генерируется из переменного тока, индуцированного трансформатором в роторной обмотке возбуждения 9 путем выпрямления его в диодном мостовом выпрямителе 10.
DD
GND
На фиг.2 изображен также блок 20 управления трансформатором, который управляет Pull-up- и Pull-down-выключателями 21 (например, полевыми транзисторами), запитанными от источника постоянного напряжения (V, V) инверторного оконечного каскада 22 так, что всегда замыкаются один Pull-up- и один Pull-down-выключатели 21, которые, тем самым, образуют цепь для тока через часть катушек статорной обмотки возбуждения 8 (в данном примере через ее две катушки).
Вместо инверторного оконечного каскада может быть предусмотрено также тиристорное исполнительное звено переменного тока, у которого каждая фаза многофазного токоподвода соединена через тиристорный коммутирующий блок с одним из фазных выводов статорной обмотки возбуждения 8. За счет включения тиристорного коммутирующего блока, управляемого блоком 20 управления трансформатором, отдельные фазы могут включаться и выключаться для получения тока на вторичной стороне.
По меньшей мере, на одном из фазных выводов статорной обмотки возбуждения 8 расположен токоизмерительный элемент 23, например, в виде измерительного резистора (шунт) для измерения характеристики фазного тока. При использовании измерительного резистора вырабатывается пропорциональное измеряемому току измерительное напряжение, которое регистрируется в блоке 24 регистрации тока. Данные, полученные на основе измерительного напряжения, о характеристике фазного тока подаются в цифровом или аналоговом виде к блоку 25 определения максимального тока.
peak_measure
1
1
peak_measure
1
Блок 25 определяет по характеристике фазного тока максимальное значение I фазного тока I, т.е. определяется максимум каждой положительной полуволны фазного тока I. Блок 25 подает максимальное значение I фазного тока I в блок 27 определения тока возбуждения.
peak_measure
В качестве альтернативы можно регистрировать фазные токи нескольких или всех фаз. Результирующие измеренные токи или напряжения могут затем выпрямляться, например, с помощью мостового выпрямителя на первичной стороне. Выпрямленный измеренный ток регистрируется в блоке 24, так что в блоке 25 можно определить максимум результирующего выпрямленного измеренного тока в виде максимального значения I.
peak_measure
1
DC
DC
DC
Блок 27 определяет по максимальному значению I фазного тока I описанным ниже методом расчета ток возбуждения I для блока 26 управления двигателем. Этот блок 26 может управлять блоком 20, приводящим в действие инверторный оконечный каскад 22, в зависимости от вычисленного тока возбуждения I, например, чтобы поддерживать постоянным ток возбуждения I, например, с помощью подходящего регулирования, или установить его в соответствии с заданным значением.
1
exu
На фиг.3 изображена эквивалентная блок-схема связи одной из катушек статорной обмотки возбуждения 8 с одной из катушек роторной обмотки возбуждения 9. Это значит, что изображенная на фиг.3 эквивалентная блок-схема относится к трансформаторной связи статорной обмотки возбуждения 8 с роторной обмоткой возбуждения 9, при протекании определенного фазного тока I. Импеданс обмотки возбуждения 6 составляет при этом R/s, где s - скольжение ротора 4. Скольжение s определяется следующим образом:
supply
где f - частота фазного тока на стороне статора, p - число полюсных пар трансформатора возбуждения 7, n - число оборотов в секунду.
M
Электрическая эквивалентная блок-схема на фиг.3 относится к поведению трансформатора возбуждения 7 в случае стационарной трехфазной модели. Эквивалентная блок-схема содержит в качестве основной индуктивности главную индуктивность L. Для осуществляемой в блоке 27 оценки тока используется эквивалентная блок-схема для малых сигналов. Поскольку в каждый определенный момент времени в диодном мостовом выпрямителе 10 активны только две фазы, следует учитывать только активные выпрямительные мосты, т.е. только активные диоды, так что отсутствует необходимость в расчете фазового сдвига.
M
σ
На эквивалентной блок-схеме на фиг.4 видно, что в эквивалентной блок-схеме для малых сигналов учитываются только главные индуктивности L катушек роторной обмотки возбуждения 9, и индуктивность рассеяния L трансформатора возбуждения 7 учитывать не требуется.
В эквивалентной блок-схеме на фиг.4 с помощью делителя тока возникает следующая зависимость:
1
m1
m2
peak_measure
1
ex
где Z=2·ωL и , L=L=L - главные индуктивности трансформатора возбуждения 7, I - максимальное значение фазного тока I, k - поправочный коэффициент, который может быть задан или установлен эмпирически и может быть установлен, например, на значение 1,1, r - коэффициент понижения трансформатора возбуждения 7 (от статора к ротору), который может определяться с помощью отношения витков катушек статорной обмотки возбуждения 8 катушек роторной обмотки возбуждения 9.
exu
Импеданс обмотки возбуждения R можно определить следующим образом:
f
ma
nenn
nenn
где R - омическое сопротивление обмотки возбуждения 6 на единицу измерения, т.е. без единиц измерения, r - коэффициент понижения (от ротора к статору), который возникает из отношения витков катушек обмотки возбуждения 6 и катушек статорной обмотки 3, U = номинальное напряжение электрической машины, I - номинальный ток электрической машины (в соответствии с техническим паспортом).
DC
Ток возбуждения I в соответствии с приведенной выше зависимостью вычисляется просто:
DC,estimation
peak_measure
I=K·I·J(n)
где К - постоянная, определяемая расчетным или эмпирическим путем при взятии за основу физической модели, в противном случае - величина, зависимая от частоты вращения (через скольжение s). Соотношение J(n) импедансов определяется также просто. При небольшой частоте вращения n соотношение импедансов при определенных условиях можно принять даже постоянным.
DC
Наконец возникает следующая функциональная зависимость тока возбуждения I от максимального значения фазного тока на первичной стороне и от частоты вращения:
DC
peak_measure
I=f(I, n)
Такая функциональная зависимость реализуется простым образом в блоке 27. Расчет тока возбуждения происходит только в соответствии с заданной частотой за счет частоты питания, поскольку максимумы в характеристиках фазных токов возникают только один раз во время одного периода колебаний. Таким образом, могут быть снижены требования к вычислительной мощности блока 27.
1
peak_measure
1
DC_m
DC
DC
1
На фиг.5 изображены характеристики фазного тока I на первичной стороне, максимального значения I фазного тока I на первичной стороне, измеренного тока возбуждения I, вычисленного тока возбуждения I и частоты вращения n. Видно, что ток возбуждения I с высокой точностью выводится из максимального значения фазного тока I на первичной стороне.
Перечень ссылочных позиций
1 - электрическая машина
2 - статор
3 - статорная обмотка
4 - ротор
5 - вал
6 - обмотка возбуждения
7 - трансформатор возбуждения
8 - статорная обмотка возбуждения
9 - роторная обмотка возбуждения
10 - диодный выпрямительный мост
11 - диодная защитная схема
14 - выпрямительный диод
20 - блок управления трансформатором
21 - Pull-up- или Pull-down-выключатель
22 - инверторный оконечный каскад
23 - токоизмерительный элемент
24 - блок регистрации тока
25 - блок определения максимального тока
26 - блок управления двигателем
27 - блок определения тока возбуждения