RU2662233C1 - Induction electrical machine - Google Patents

Induction electrical machine Download PDF

Info

Publication number
RU2662233C1
RU2662233C1 RU2017140758A RU2017140758A RU2662233C1 RU 2662233 C1 RU2662233 C1 RU 2662233C1 RU 2017140758 A RU2017140758 A RU 2017140758A RU 2017140758 A RU2017140758 A RU 2017140758A RU 2662233 C1 RU2662233 C1 RU 2662233C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stator
electric machine
thyristors
phase windings
phase
Prior art date
Application number
RU2017140758A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Андреевич Коровин
Алексей Дмитриевич Чернышев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс")
Priority to RU2017140758A priority Critical patent/RU2662233C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2662233C1 publication Critical patent/RU2662233C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08Reluctance motors
    • H02P25/092Converters specially adapted for controlling reluctance motors
    • H02P25/0925Converters specially adapted for controlling reluctance motors wherein the converter comprises only one switch per phase
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/02Synchronous motors
    • H02K19/10Synchronous motors for multi-phase current
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/18Synchronous generators having windings each turn of which co-operates only with poles of one polarity, e.g. homopolar generators
    • H02K19/20Synchronous generators having windings each turn of which co-operates only with poles of one polarity, e.g. homopolar generators with variable-reluctance soft-iron rotors without winding
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/22Synchronous generators having windings each turn of which co-operates alternately with poles of opposite polarity, e.g. heteropolar generators
    • H02K19/24Synchronous generators having windings each turn of which co-operates alternately with poles of opposite polarity, e.g. heteropolar generators with variable-reluctance soft-iron rotors without winding
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08Reluctance motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering and can be used in synchronous reactive electric motors and generators used in transmissions of self-propelled machines for various purposes. Induction electric machine contains an uncoated rotor, the gear magnetic circuit of which is fixed to the shaft with bearings, and a stator with phase windings made in the form of lumped coils placed on the teeth of the stator magnetic core in its slots. Phase windings are connected to a converter realized on the basis of symmetrical bridge or half-bridge transistor modules, and are connected in a triangle, a polygon or a star through thyristors connected in series to these windings, or pairwise combined through these thyristors. Electric machine can be made without an excitation winding and without permanent magnets in the stator, as well as with the excitation winding and/or with permanent magnets in the stator. Thyristors can be three-lead or two-lead, conductive current in one or two directions. They are located, in particular, inside the enclosure of the electrical machine near the front parts of the coils of its phase windings.
EFFECT: technical result is increased efficiency and reduced torque ripple of an inductor electric machine.
4 cl, 6 dwg

Description

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.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to synchronous jet electric motors and generators used in electromechanical transmissions of automobiles, road-building machines, tractors, agricultural machines, all-terrain vehicles and other tracked and wheeled self-propelled vehicles.

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).Known N-phase valve-induction motor containing a gearless non-winding rotor and a stator with an explicit pole core and an N-phase winding, which is made in the form of gear coils and connected to an electronic converter, consisting of N phase winding switches, each of which is implemented according to the asymmetric circuit transistor bridge (US 615079, Н02Р 1/46, 11.21.2000; RU 2089991, H02K 19/10, 09/10/1997; Kuznetsov V.A., Kuzmichev V.A. Induction-induction motors. - M.: Publishing House MPEI, 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.The use of switches implemented in an asymmetric bridge circuit in the converter increases the total power and price of these converters by about two times compared with symmetric bridge converters (inverters), which are widely used to control asynchronous and valve motors. The implementation of asymmetric bridge circuits also necessitates the use of two types of transistor modules (modules in which transistor collectors are connected to the diode anodes, and modules in which transistor emitters are connected to the diode cathodes), which increases the range of components needed to implement the converters and worsens their maintainability.

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.).Another drawback of these valve-induction motors, in comparison with asynchronous and valve motors having three winding leads, is the large number of conclusions (6 conclusions for a three-phase valve-induction motor, 8 conclusions for a four-phase, etc.).

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).Closest to the present invention is an induction electric machine comprising a non-winding explicit pole rotor and an explicit pole stator with lumped coils located on its teeth and forming phase windings that are connected in a triangle through diodes connected to these windings in series with each other. Phase windings are connected to an electronic power converter based on symmetrical half-bridge or bridge transistor modules (US 5703457, Н02Р 7/00, 12/30/1997; RU 2279173, H02K 19/36, Н02Р 6/16, 06/27/2006; RU 2352048, H02K 19/06, H02K 19/10, 04/10/2009; RU 2605957, B60L 11/02, B60W 10/08, B60K 17/12, H02P 8/00, 01/10/2017).

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.The disadvantage of this technical solution is the presence in the electric machine of a stray closed loop, which is formed by series-connected diodes and phase windings. The currents flowing along this circuit lead to an increase in losses in the phase windings (in copper) and in the magnetic circuits of the rotor and stator and, accordingly, to a decrease in the efficiency of the electric machine.

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.When the electric machine is operating in electric motor mode, the currents of the parasitic circuit create a braking torque, and when operating in generator mode, they generate torque, which leads to an additional deterioration in the efficiency, as well as to an increase in the pulsation of the torque of the electric machine.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение КПД индукторной электрической машины при одновременном снижении пульсаций ее крутящего момента.The problem solved by the invention is to increase the efficiency of the induction electric machine while reducing the ripple of its torque.

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.In an induction electric machine containing a windingless rotor, a gear magnetic circuit of which is mounted on a shaft with bearings, and a stator with phase windings, which are made in the form of lumped coils placed on the teeth of the stator magnetic circuit in its grooves, and connected to a converter based on symmetrical bridges or half-bridge transistor modules, the specified technical result is achieved due to the fact that the phase windings through thyristors connected in series in these windings are connected to a triangle, or a polygon, or a star, or in pairs are combined through oppositely connected thyristors.

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.Implementation of the distinguishing feature of the invention is the use of thyristors connected in series in phase windings, which allows to prevent stray currents along the closed circuits of these windings, which are formed when they are connected to each other in order to enable the electric machine to work together with a bridge converter. This leads to a decrease in losses in the phase windings (in copper) and in the magnetic circuits of the rotor and stator, and also prevents the occurrence of spurious braking and torque during operation of the electric machine, respectively, in the mode of an electric motor or generator. Therefore, the implementation of this distinguishing feature of the invention leads to increased efficiency and reduced ripple torque of the induction electric machine.

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.In FIG. 1 shows a simplified diagram of a three-phase induction electric machine with a bridge converter made on bipolar transistors or transistor modules. In FIG. 2 and FIG. 3 shows possible embodiments of a six-phase electric machine operating in conjunction with a three-phase bridge converter, in which the phase windings are connected in a star and delta circuit. In FIG. 4 is a variant of a four-phase electric machine working in conjunction with two bridge converters. In FIG. 5 and FIG. 6 shows time diagrams of currents in the windings of a three-phase electric machine (Fig. 1), explaining the principle of its operation.

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.In this case, by an induction electric machine is meant a synchronous electric machine (electric motor and / or generator), in which the armature and field windings are located on the stator (can be combined), and the windingless rotor has a number of teeth-protrusions located around the circumference.

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).Such electric machines that do not have a field winding and permanent magnets in the stator are referred to in the Russian literature as valve-inductor, valve-reactive, valve induction jet engines and generators (WFD, VID, VIRD, VRG, TIG), and in English literature as electric motors or alternating magnetic resistance generators: Switched Reluctance Motor (SRM) or 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.The inductor electric machine can also be made with permanent magnets in the stator without a field winding - "Flux Switching Motor" (FSPM), with a field winding and permanent magnets in the stator (with hybrid excitation) - "Hybrid excitation flux switching motor" (HEFSM), Hybryd Excitation Flux Switching Synchronous Machine (HEFSSM), etc.

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.It contains a rotor 1 and a stator with phase windings 2 (Fig. 1-4, phases A, B, C, D, E and F), made in the form of concentrated coils placed on the teeth of the stator magnetic circuit in its grooves. Coils related to one phase can be connected to each other in series and / or in parallel.

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.The stator may comprise a separate field winding (s) and / or permanent magnets. These magnets can be located, in particular, in the middle part of each tooth of the stator magnetic circuit.

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.The rotor 1 is made without winding and contains a position sensor 3 thereof, made in particular in the form of a magnetic or optical encoder. A toothed magnetic circuit of the rotor is mounted on its shaft 4 with bearings installed in the bearing shields.

Магнитопроводы (сердечники) статора и ротора 1 набраны из изолированных листов электротехнической стали.Magnetic cores (cores) of the stator and rotor 1 are drawn from insulated sheets of electrical steel.

Фазные обмотки 2 подключены к силовому электронному преобразователю 5, выполненному на основе симметричных мостовых или полумостовых транзисторных модулей.Phase windings 2 are connected to a power electronic converter 5, made on the basis of symmetrical bridge or half-bridge transistor modules.

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.Transistor modules can be implemented on bipolar transistors (BT), on insulated gate bipolar transistors (IGBTs), referred to in English terminology - "Insulated Gate Bipolar Transistor" (IGBT), or on insulated gate field effect transistors, which can be used to indicate which the terms MOS (metal-oxide-semiconductor) or MIS (metal-dielectric-semiconductor), and in English terminology - MOS, MOSFET or MOSFET (from the abbreviation: “Metal-Oxide-Semiconductor” (metal-oxide-semiconductor) and “ Field-Effect-Transistors "(tra ican, controlled by an electric field) and their transcription.

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.In FIG. 1 as an example, a three-phase bridge converter made on bipolar transistors with antiparallel diodes is shown. It can be implemented in the form of one three-phase bridge transistor module or three transistor modules, implemented according to the scheme of a symmetrical half-bridge.

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.By a transistor module in this invention is meant any device implemented in a half-bridge, single-phase bridge or multiphase bridge circuit and made both in the form of a structurally complete module in a separate case, and on the basis of separate (discrete) transistors and diodes, for example, in TO-type cases -220, TO-247, TO-3P, etc.

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).Phase windings 2 through successively connected thyristors 6 are connected into a triangle (Fig. 1, Fig. 2), a polygon, a star (Fig. 3) or are paired through these thyristors (Fig. 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.In this case, a thyristor means a semiconductor device with three or more pn junctions, considered as an electronic switch (key) having two stable states. A thyristor can have three electrical outputs - an anode, a cathode and a control electrode. It is also possible to use double-output thyristors - dynistors, in which the transition to the state of high conductivity occurs at times when the voltage between its anode and cathode exceeds the opening voltage.

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.In the proposed device, it is possible to use thyristors that conduct current both in one direction (for example, trinistors), and in two directions - triacs (symmetric triode thyristors or triacs (from the English. TRIAC - "Triode for alternating current")), symmetric dinistors and etc.

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.It is preferable to use three-output thyristors that conduct current in one direction, as well as their placement inside the body of the electric machine near the frontal parts of the coils, outside the electric machine on its body or on the shield, which leads to a reduction in the total length of electrical connections and, consequently, to increase Efficiency, power and torque of an electric machine.

Преобразователь 5 работает под управлением контроллера 7, реализованного на основе микроконтроллера общего применения или цифрового сигнального процессора, специально предназначенного для управления электрическими машинами.Converter 5 operates under the control of controller 7, implemented on the basis of a microcontroller of general use or a digital signal processor, specially designed to control electric machines.

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.The controller 7 contains galvanically isolated drivers of the transistors that make up the transistor modules of the converter 5 and thyristors 6. These drivers generally contain amplifiers of gate currents (bases) of transistors, galvanically isolated power supplies of the secondary driver circuits, as well as analog and logic elements designed for the protection of transistors and thyristors from overheating and overloads of current and voltage, providing the necessary on / off speeds of transistors (transistor muzzle), diagnosis of their condition, etc. Thyristor drivers can be implemented based on trinistor or triac optocouplers.

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.The controller 7 also includes interface devices for receiving signals from the rotor position sensor 3, current sensors 8 in the phase windings 2, voltage sensors on these windings, temperature sensors of the phase windings, etc., as well as for exchanging information between the controller and external devices. This exchange is implemented using analog or digital signals on separate wires or on a digital multiplex communication line, for example, via the CAN bus (Controller Area Network). It is also possible to use wired interfaces like LIN (Local Interconnection Network), RS-485 (EIA / TIA standard), etc., as well as wireless interfaces like ZigBee (IEEE 802.15.4 standard), Wi-Fi (IEEE 802.11 standard) , Bluetooth (IEEE 802.15.1 standard), etc.

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.The converter 5, considered as a separate device or in conjunction with the controller 7, can be called a power electronic converter, inverter, power switch, electronic transistor switch, control unit of an electric machine, power controller, etc.

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.The electric power supply of the converter 5, controller 7 and the induction electric machine as a whole when it is operating in the electric motor mode is carried out via DC busbars + U, -U. On the same buses, energy is transferred to the load when the electric machine is in generator mode.

Для сглаживания пульсаций питающего напряжения электродвигателя и выходного напряжения генератора используется конденсатор 9, группа параллельно соединенных конденсаторов или аккумуляторная батарея.To smooth the ripple of the supply voltage of the electric motor and the output voltage of the generator, a capacitor 9, a group of parallel-connected capacitors or a battery are used.

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.When the induction electric machine is in electric motor mode, an electronic converter (power switch, inverter, etc.) 5 operating under the control of the controller 7 synchronously connects the phase windings 2 in turn with the position of the shaft 4 of the rotor 1, determined by the rotor 3 position sensor to a constant voltage source (to power buses) + U, -U. For this, the simultaneous inclusion of one upper and one lower transistors related to different half-bridges of the converter. At the same time, the controller 7 generates control pulses of the thyristor 6, which should be in a conducting state during operation of this phase. In the case of using two-output thyristors (dynistors), the voltage of their transition to the conducting state (switching voltage) is selected less than the output voltage of the converter 5 (i.e., less than the difference between the minimum voltage on the power buses + U, -U and the voltage drop across the transistors transducer), which leads to an automatic transition of the dynistors to a conducting state after turning on the transistors of the converter.

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.The current flowing through the windings of phase A, B, C, D, E or F creates a magnetic flux in the stator and rotor magnetic circuits. As a result of the mutual attraction of the teeth of the stator and the rotor, a torque occurs, which drives the shaft 4 of the induction electric machine.

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.After turning the shaft 4 of the rotor 1 by an angle corresponding to the number of phases and the number of pairs of poles of the electric machine, the controller 7 disconnects the transistors of the converter, supplying voltage to the working phase. The current in it begins to decline. Next, the controller 7 generates the switching signals of the transistors and the thyristor of the next phase. A current begins to flow through it. In this time interval, the current in the previous phase decreases to zero, which leads to the turn off of the thyristor 6 of this phase. Further, the processes are repeated, resulting in a continuous rotation of the shaft 4 of the rotor 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.In addition to the described symmetrical switching of the phase windings 2, depending on the number of phases, the number of teeth of the rotor and stator, as well as the requirements for the pulsations of the torque of the electric machine, pairwise symmetric and asymmetric switching of its phase windings are also possible.

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.During the operation of each phase, pulsed (pulse-width, pulse-frequency, pulse-time, on-off, etc.) current regulation in its winding is carried out. The current measurement necessary for this regulation is carried out using current sensors 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.After two transistors are switched off simultaneously in the converter 5, through which the voltage of the power buses is supplied to the winding of the working phase, the current of this winding begins to flow through the antiparallel diodes of the transistor modules. In this case, the polarity of the voltage on the phase winding changes to the opposite, and its value at the initial time is equal to the voltage on the power buses. This leads to a rapid decrease in current in the phase winding.

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.If only one transistor is turned off in the converter 5, then the current in the phase winding is closed through the second transistor and the antiparallel diode remaining turned on. In this case, the voltage across the phase winding is close to zero, which leads to a slow decrease in this current.

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.Accordingly, by regulating the on and off times of transistors in the converter 5, the current in the phase windings and, accordingly, the torque of the electric machine is regulated. In this case, when two transistors are turned on, a switching pulse of the corresponding thyristor 6 is simultaneously formed. This thyristor remains in the on state during the regulation of the current value in the phase winding.

Внешний сигнал управления электрической машиной, поступающий, в частности, по шине CAN, может задавать, например, величину крутящего момента или скорости вращения ротора.The external control signal of the electric machine, which is received, in particular, via the CAN bus, can set, for example, the magnitude of the torque or rotational speed of the rotor.

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.In the first case, the controller 7 sets the amount of current in the phase windings 2, corresponding to a given value of torque. In the second case, the controller 7 determines the rotational speed of the rotor shaft using the rotor position sensor 3, compares the current value of this speed with a given one and performs pulse control of the current in the phase windings depending on their mismatch.

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.At the same time, the controller 7 provides protection for the converter 5 and phase windings 2 from emergency conditions - from overheating, over current, etc. At the same time, part of the protection functions can be implemented in hardware directly in the drivers of transistors and thyristors, and part of the functions can be implemented jointly by drivers and a microcontroller (software), on the basis of which controller 7 is implemented.

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.When the electric machine is operating in the generator mode with a rotating rotor 1, transistors of the transducer 5 transfer the generator excitation pulses to the phase windings by connecting + U, -U power bus voltage to these windings. The moments of connection of each phase winding and the duration of the time intervals during which this connection is made are determined by the controller 7 depending on the position and speed of rotation of the rotor, the magnitude (resistance) of the electrical load and the required value of the output voltage of the generator, which is set, in particular, by CAN bus. After the end of each excitation pulse, each phase goes into the generator mode and the current alternately from each phase winding 2 through the antiparallel diodes of the transistor modules, which perform the functions of a power rectifier, enters the busbars + U, -U and then to the load.

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.In FIG. 5 and FIG. 6 shows time diagrams of currents in the windings of a three-phase induction motor (Fig. 1). In FIG. 5 - in the case of installing diodes in series in the phase windings, in FIG. 6 - thyristors.

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.From these time diagrams it follows that replacing the diodes with thyristors eliminates the stray currents that occur in the phase windings before switching on the next phase. This leads to a decrease in losses in the windings and in the magnetic circuits of the stator and rotor by approximately 0.7 ... 3%. The exclusion of parasitic currents also allows you to exclude the corresponding braking moment of the electric machine when it is operating in electric motor mode and torque when working in generator mode. Thanks to this, an increase in efficiency and a decrease in the ripple of the torque of the electric machine are achieved.

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.For specialists in this field of technology it is clear that in addition to the described options for an induction electric machine, other options for its implementation are also possible based on the features set forth in the claims.

Claims (4)

1. Индукторная электрическая машина, содержащая безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, и статор с фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах, причем фазные обмотки подключены к преобразователю, выполненному на основе симметричных мостовых или полумостовых транзисторных модулей, и через тиристоры, включенные последовательно в эти обмотки, соединены в треугольник, или многоугольник, или звезду, или попарно объединены через эти тиристоры.1. An inductor electric machine containing a windingless rotor, a gear magnetic circuit of which is mounted on a shaft with bearings, and a stator with phase windings made in the form of concentrated coils placed on the teeth of the stator magnetic circuit in its grooves, the phase windings being connected to a converter made on the basis of symmetric bridge or half-bridge transistor modules, and through thyristors connected in series in these windings, connected to a triangle, or polygon, or star, or in pairs nen through these thyristors. 2. Индукторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена без отдельной обмотки возбуждения и без постоянных магнитов в статоре, или без отдельной обмотки возбуждения с постоянными магнитами в статоре, или с отдельной обмоткой возбуждения с постоянными магнитами в статоре, или с отдельной обмоткой возбуждения без постоянных магнитов в статоре.2. The induction electric machine according to claim 1, characterized in that it is made without a separate field winding and without permanent magnets in the stator, or without a separate field winding with permanent magnets in the stator, or with a separate field winding with permanent magnets in the stator, or with a separate field winding without permanent magnets in the stator. 3. Индукторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что тиристоры выполнены трехвыводными или двухвыводными, проводящими ток в одном или в двух направлениях.3. The inductor electric machine according to claim 1, characterized in that the thyristors are made of three-pin or two-pin, conducting current in one or two directions. 4. Индукторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что тиристоры размещены внутри корпуса электрической машины около лобовых частей катушек, или на наружной поверхности корпуса, или на подшипниковом щите.4. The inductor electric machine according to claim 1, characterized in that the thyristors are located inside the body of the electric machine near the frontal parts of the coils, or on the outer surface of the housing, or on a bearing shield.
RU2017140758A 2017-11-22 2017-11-22 Induction electrical machine RU2662233C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140758A RU2662233C1 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Induction electrical machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140758A RU2662233C1 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Induction electrical machine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2662233C1 true RU2662233C1 (en) 2018-07-25

Family

ID=62981702

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017140758A RU2662233C1 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Induction electrical machine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2662233C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU185923U1 (en) * 2018-07-02 2018-12-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) Three phase alternator
RU2702615C1 (en) * 2019-01-10 2019-10-09 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") Inductor generator with combined excitation and stator windings

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4143308A (en) * 1976-05-19 1979-03-06 Engins Matra Control for variable reluctance motors
RU2066912C1 (en) * 1994-03-25 1996-09-20 Михаил Иванович Лузин Electromagnetic-reduction synchronous motor
GB2308018A (en) * 1995-12-08 1997-06-11 Dana Corp Variable reluctance motor having bifurcated stator poles
US5703457A (en) * 1994-07-13 1997-12-30 Switched Reluctance Drives, Ltd. Power supply to a stator of a polyphase reluctance machine
DE69820158T2 (en) * 1997-06-20 2004-11-25 Switched Reluctance Drives Ltd., Harrogate Circuit for a reluctance machine
EP1208642B1 (en) * 1999-08-17 2005-10-19 Black & Decker Control of an electrical reluctance machine
RU2279173C2 (en) * 2004-09-27 2006-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" Inductor engine (variants)
RU2352048C1 (en) * 2007-08-08 2009-04-10 Закрытое акционерное общество "ИРИС" Valve reactive inductor motor
RU2605957C1 (en) * 2015-08-20 2017-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" Self-propelled vehicle electromechanical transmission
WO2017191298A1 (en) * 2016-05-04 2017-11-09 Universiteit Gent Switched reluctance machine and power converter

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4143308A (en) * 1976-05-19 1979-03-06 Engins Matra Control for variable reluctance motors
RU2066912C1 (en) * 1994-03-25 1996-09-20 Михаил Иванович Лузин Electromagnetic-reduction synchronous motor
US5703457A (en) * 1994-07-13 1997-12-30 Switched Reluctance Drives, Ltd. Power supply to a stator of a polyphase reluctance machine
GB2308018A (en) * 1995-12-08 1997-06-11 Dana Corp Variable reluctance motor having bifurcated stator poles
DE69820158T2 (en) * 1997-06-20 2004-11-25 Switched Reluctance Drives Ltd., Harrogate Circuit for a reluctance machine
EP1208642B1 (en) * 1999-08-17 2005-10-19 Black & Decker Control of an electrical reluctance machine
RU2279173C2 (en) * 2004-09-27 2006-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" Inductor engine (variants)
RU2352048C1 (en) * 2007-08-08 2009-04-10 Закрытое акционерное общество "ИРИС" Valve reactive inductor motor
RU2605957C1 (en) * 2015-08-20 2017-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" Self-propelled vehicle electromechanical transmission
WO2017191298A1 (en) * 2016-05-04 2017-11-09 Universiteit Gent Switched reluctance machine and power converter

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU185923U1 (en) * 2018-07-02 2018-12-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) Three phase alternator
RU2702615C1 (en) * 2019-01-10 2019-10-09 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") Inductor generator with combined excitation and stator windings

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3706309B1 (en) Rotary electric machine control device
US20140239876A1 (en) Electric drive with reconfigurable winding
US7253574B2 (en) Effective switching frequency multiplier inverter
US10917030B1 (en) Electric drive system with reconfigurable machine windings
US11456686B2 (en) Rotating electrical machine control device
WO2011123440A1 (en) Pm brushless motor drive circuit topology and control
US9379597B2 (en) System for driving electromagnetic appliance and motor driven vehicle
JPH08182383A (en) Polyphase reluctance machine
CN107534408B (en) Control device for AC rotating machine
JP2007252192A (en) Y-shaped switching inverter for electric car or hybrid car
US10903772B2 (en) Multigroup-multiphase rotating-electric-machine driving apparatus
TW201909525A (en) Control device for inverter
US6642683B1 (en) Controller and associated drive assembly for power sharing, time sliced control of a brushless direct current motor
RU2662233C1 (en) Induction electrical machine
US10797631B2 (en) Power output device
US11757373B2 (en) Power converter
CN106972802A (en) The method and apparatus of controlled motor drive system DC bus-bar voltage
US6661190B1 (en) Controller and associated drive assembly controlling a brushless direct current motor
JP2018011490A (en) Rotary electric machine
Lin et al. An innovative multiphase PWM control strategy for a PMSM with segmented stator windings
Ye et al. Torque ripple and copper loss minimization for a family of mutually coupled switched reluctance machines
WO2019244212A1 (en) Variable-speed motor device
RU2698464C1 (en) Switched reluctance electric machine with switched phase windings
Ishikawa et al. A Novel Drive Circuit for Switched Reluctance Motors with Bipolar Current drive
Sakai et al. Study of switching method for MATRIX motor realizing variable characteristic