RU2698464C1 - Вентильно-индукторная электрическая машина с переключаемыми фазными обмотками - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических трансмиссиях колесных и гусеничных машин различного назначения. Техническим результатом является повышение КПД, надежности и упрощение конструкции вентильно-индукторной электрической машины с переключаемыми фазными обмотками. Вентильно-индукторная электрическая машина с переключаемыми фазными обмотками содержит статор с фазными обмотками, выполненными в виде катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах, безобмоточный ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, подшипниковые щиты и преобразователь. Катушки каждой фазной обмотки соединены между собой с образованием двух групп, в каждую из которых входит равное количество катушек. В состав преобразователя входят контроллер, силовые транзисторные ключи и диоды, предназначенные для коммутации фазных обмоток, и по три тиристора на каждую фазу, использующиеся для переключения фазных обмоток (групп катушек) с их последовательного соединения на параллельное и обратно. Первые тиристоры включены последовательно между двумя группами катушек обмоток каждой фазы, а второй и третий тиристоры подключены к различным выводам двух групп катушек каждой фазной обмотки. Полярность включения каждого тиристора согласована с направлением протекания тока в группе катушек, к которой он подключен. Силовая часть преобразователя N-фазной электрической машины может быть реализована в виде N асимметричных или N/2 симметричных мостовых коммутаторов. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к тяговым системам мобильных машин различного назначения на основе электрических машин с силовыми полупроводниковыми преобразователями.

Известна вентильно-индукторная реактивная электрическая машина, в состав которой входят статор, содержащий магнитопровод и катушки фазных обмоток, размещенные на его полюсах, и безобмоточный зубчатый ротор, закрепленный на оси вращения. Катушки выполнены с отводами и подключены к асимметричному мостовому преобразователю, каждая фаза которого сдержит основные силовые ключи и диоды (S1, S2, D1, D2) и дополнительные силовые ключи и диоды (S3, D3), соединенные с отводами катушек (ЕР 1389827 А1, 18.02.2004).

Благодаря изменению количества витков в фазных обмотках, использующихся при работе электрической машины, обеспечивается сохранение необходимого уровня ее выходной мощности в широком диапазоне скоростей вращения ротора.

К недостаткам этой электрической машины относится повышенная сложность ее электрической схемы и конструкции, обусловленная наличием дополнительных ключей, выполненных, как правило, на биполярных транзисторах с изолированным затвором (анг. IGBT - Insulated-gate Bipolar Transistor). К другим ее недостаткам относится невысокий КПД в области высоких скоростей вращения ротора, при которых не используется часть витков фазных обмоток, что приводит к необходимости увеличения плотности тока и потерь в обмотках.

Известна также вентильно-индукторная электрическая машина, входящая в состав мехатронного тягового модуля, содержащая корпус, подшипниковые щиты, ротор, статор с обмотками, силовой преобразователь, соединенный с обмотками, программируемый микропроцессорный контроллер, а также электромагнитные реле, переключающие контакты которых соединены с обмотками статора с возможностью их переключения с последовательного на параллельное соединение и обратно в зависимости от скорости вращения ротора таким образом, что низкой скорости вращения ротора соответствует их последовательное соединение (RU 2621410 С1, 05.06.2017).

Ее недостатком является пониженная надежность и ограниченный ресурс работы, что обусловлено применением электромеханических (электромагнитных) реле для переключения катушек обмоток статора с последовательного соединения на параллельное и обратно. Другим недостатком данной электрической машины является наличие разрыва потока мощности при изменении скорости вращения ротора по причине низкого быстродействия электромеханических реле.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является селективно конфигурируемый вентильно-индукторный электродвигатель, содержащий статор с полюсами и фазными обмотками, выполненные в виде сосредоточенных катушек и размещенными на зубцах магнитопровода статора в его пазах, безобмоточный ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, подшипниковые щиты и преобразователь, в состав которого входят основные силовые транзисторные ключи и обратные диоды, образующие асимметричные мостовые коммутаторы фазных обмоток, а также дополнительные транзисторные ключи и дополнительные диоды, обеспечивающие переключение катушек фазных обмоток статора с последовательного соединения на параллельное и обратно, а также контроллер, формирующий сигналы управления основными и дополнительными силовыми ключами (US 7400071 В2, 15.07.2008).

Эта электрическая машина имеет пониженный КПД из-за потерь энергии в дополнительных транзисторных ключах и дополнительных диодах, а также повышенную сложность и невысокую надежность, поскольку в ней общее число силовых транзисторных ключей и силовых диодов более чем вдвое превышает число этих компонентов, использующихся для реализации классического асимметричного преобразователя.

Из анализа аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания вентильно-индукторной электрической машины с переключаемыми обмотками фаз, имеющей одновременно высокий КПД, высокую надежность и простоту конструкции. Задачей изобретения является создание такой электрической машины.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является одновременное повышение КПД, надежности и упрощение конструкции вентильно-индукторной электрической машины с переключаемыми фазными обмотками.

В вентильно-индукторной электрической машине с переключаемыми фазными обмотками, содержащей статор с фазными обмотками, выполненными в виде катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах, безобмоточный ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, подшипниковые щиты и преобразователь, причем катушки каждой фазной обмотки соединены между собой с образованием двух групп катушек, а в состав преобразователя входят силовые транзисторные ключи и диоды, приспособленные для коммутации фазных обмоток, дополнительные силовые ключи, использующиеся для переключения фазных обмоток с последовательного соединения групп катушек этих обмоток на параллельное и обратно, а также контроллер, осуществляющий управление силовыми транзисторными ключами и дополнительными силовыми ключами, указанный технический результат достигается за счет того, что дополнительные силовые ключи каждой фазы выполнены в виде трех тиристоров, причем первые тиристоры включены последовательно между двумя группами катушек обмоток каждой фазы, а второй и третий тиристоры подключены к различным выводам двух групп катушек каждой фазной обмотки.

Достижение и улучшение указанного технического результата в частных случаях реализации вентильно-индукторной электрической машины обеспечивается также за счет того, что:

- в каждую из двух групп катушек каждой фазной обмотки входит равное количество катушек, которые соединены между собой последовательно и/или параллельно;

- силовые транзисторные ключи и диоды, приспособленные для коммутации N фазных обмоток, образуют N асимметричных мостов, выходы каждого из которых соединены с выводами двух групп катушек одной фазы, соединенных с тиристорами, которые выполнены проводящими ток в одном или в двух направлениях;

- силовые транзисторные ключи и диоды, приспособленные для коммутации N фазных обмоток, образуют N/2 симметричных мостов, выходы каждого из которых соединены с выводами четырех групп катушек двух фаз, соединенных с тиристорами, которые выбраны проводящими ток в одном направлении, причем полярность их включения выбрана из условия обеспечения возможности протекания тока в двух группах катушек одной фазной обмотки в одном направлении, а в двух других группах катушек другой фазной обмотки - в противоположном направлении;

- в состав преобразователя входят драйверы силовых транзисторных ключей и тиристоров, емкостный фильтр в цепи питания, датчик положения ротора и датчики тока в фазных обмотках.

Реализация каждого из указанных отличительных признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения, а также одновременная реализация нескольких этих признаков в любом сочетании, приводит к достижению одного и того же технического результата.

В частности, разделение катушек фазных обмоток на две группы и реализация дополнительных силовых ключей каждой фазы, реализующих переключение фазных обмоток (групп катушек), в виде трех тиристоров с указанным соединением с этими катушками, обеспечивает повышение КПД вентильно-индукторной электрической машины за счет сокращения общего количества силовых электронных компонентов, по которым протекает ток при работе электрической машины, с соответствующим снижением потерь в этих компонентах. Применение в этих ключах тиристоров, имеющих более низкое значение падение напряжения по сравнению с IGBT транзисторами, обеспечивает дополнительное снижение потерь в этих ключах и повышение КПД электрической машины.

При использовании указанной схемы соединений групп катушек фазных обмоток с тиристорами для их переключения, как при последовательном, так и при параллельном соединении этих групп катушек, последовательно в силовую цепь включается только один тиристор. Протекание тока фазы только по одному силовому ключу (тиристору) обеспечивает минимальное падение напряжения на них и соответствующее повышение КПД электрической машины.

В работе предложенной электрической машине при любом соединении ее катушек (фазных обмоток) используются все катушки и все витки этих катушек. Соответственно, в пазах статора отсутствуют неработающие (обесточенные) витки, что обеспечивает пониженную плотность тока в фазных обмотках и соответствующее повышение КПД электрической машины.

В предложенной электрической машине для переключения каждой фазной обмотки (катушек этой обмотки) используется три силовых полупроводниковых компонента - три тиристора, а в прототипе - суммарно 8 IGBT транзисторов и диодов на каждую фазу. За счет указанного сокращения силовых компонентов одновременно с повышением КПД электрической машины обеспечивается повышение ее надежности и упрощение конструкции.

К повышению КПД и одновременному повышению надежности и упрощению конструкции электрической машины приводит также экономичность и простота управления тиристорами по сравнению с управлением электромагнитными реле и IGBT транзисторами. Для управления тиристорами достаточно сформировать короткие импульсы тока, имеющие низкий уровень средней мощности, не требуется формирование обратного напряжения на управляющих электродах и т.д.

Надежность и перегрузочная способность тиристоров значительно выше, чем электромагнитных реле и IGBT транзисторов. Соответственно, применение тиристоров для переключения фазных обмоток в сочетании с образованием групп катушек и их указанное соединение с тиристорами, позволяет, кроме повышения КПД, существенно повысить надежность и упростить конструкцию электрической машины.

К этому же техническому результату приводит реализация технических решений, изложенного в зависимых пунктах формулы изобретения.

В частности, обеспечение равенства количества катушек в каждой из двух групп катушек одной фазы позволяет повысить КПД и надежности электрической машины за счет обеспечения равенства токов и плотностей токов в этих катушках. При этом равенство количества катушек в группах обеспечивает упрощение конструкции электрической машины за счет симметричности фазных обмоток.

Реализация отличительных признаков следующего зависимого пункта формулы, предусматривающего реализацию асимметричных мостов с тиристорным переключением групп катушек каждой фазы, обеспечивает достижение указанного технического результата за счет максимального сокращения количества используемых силовых электронных компонентов преобразователя и потерь в них.

Дальнейшее улучшение указанного технического результата достигается в случае реализации признаков четвертого зависимого пункта формулы, согласно которому переключение фазных обмоток совмещено с разделением 2-х фаз при их работе совместно с симметричным мостовым коммутатором. В этом случае первые тиристоры используются одновременно и для разделения управления различными фазами, и для переключения групп катушек этих фаз. Благодаря этому достигается дальнейшее сокращение количества используемых силовых электронных компонентов, снижение потерь энергии в них и повышение КПД электрической машины при одновременном повышении ее надежности и упрощении конструкции.

Реализация контроллера и многофункционального драйвера, которые обеспечивают управление как силовыми транзисторными ключами, так и тиристорами, предусмотренное отличительными признаками последнего зависимого пункта формулы изобретения, обеспечивает упрощение и повышение надежности преобразователя и электрической машины в целом. Совмещение такого управления позволяет также обеспечить повышение ее КПД за счет более точного и более своевременного переключения фазных обмоток в переходных режимах работы вентильно-индукторной электрической машины.

Дополнительно влияние отличительных признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения на достижение указанного технического результата показано при описании различных вариантов осуществления данного изобретения.

На фиг. 1 показана упрощенная схема трехфазной вентильно-индукторной электрической машины с переключаемыми фазными обмотками. На фиг. 2 - принципиальная схема силовой части четырехфазной электрической машины. На фиг. 3 и фиг. 4 - последовательное и параллельное соединение 4-х катушек обмотки одной фазы, образующих 2 группы катушек, с подключенными к ним тиристорами.

Под вентильно-индукторной электрической машиной в настоящем изобретении подразумевается электромеханический комплекс, сочетающий в себе электрическую машину индукторного типа и ее систему управления, включающую в себя по меньшей мере преобразователь с силовыми электронными компонентами и микропроцессорным контроллером. Причем под электрической машиной индукторного типа подразумевается синхронная машина, у которой статор выполняет функции якоря и индуктора и у которой процесс преобразования энергии обусловлен пульсациями магнитной индукции вследствие зубчатости ротора. Вращающий момент этой электрической машины является реактивным и обусловлен неравенством магнитных проводимостей по поперечной и продольной осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения и постоянных магнитов

Вентильно-индукторная электрическая машина может работать в режиме двигателя и/или генератора и может именоваться также вентильной реактивной, вентильной индукторно-реактивной, электронно-коммутируемой, бесконтактной реактивной и т.д. электрической машиной (ВИД, ВИГ, ВРД, ВРГ, ВИРД, ВИРГ и т.д.), а в зарубежной технической литературе - «Swithed Reluctance Motor» (SRM) или «Switched Reluctance Generator» (SRG). С учетом наличия преобразователя она может именоваться также не электрической машиной, а вентильно-индукторным приводом или переключаемым реактивный приводом (англ. - «Switched Reluctance Drive» (SRD)).

Вентильно-индукторная электрическая машина с переключаемыми фазными обмотками содержит статор, размещенный внутри корпуса или станины, безобмоточный ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, и преобразователь. Вал установлен в подшипниках, установленных в подшипниковых щитах, прикрепленных к корпусу или станине.

Вентильно-индукторная электрическая машина может также иметь бескорпусную конструкцию. Она может иметь жидкостное, воздушное естественное, воздушное принудительное или испарительное охлаждение.

Магнитопровод (сердечник) статора выполнен из листов электротехнической стали. Фазные обмотки выполнены в виде катушек 1-14, размещенных на зубцах (полюсах) магнитопровода статора в его пазах.

Катушки обмотки одной (каждой) фазы А, В, С или А, В, С, D соединены между собой с образованием двух групп катушек 1, 2 (фиг. 1), 3, 4 и 5, 6, (фиг. 2), 7, 8 и 9, 10 (фиг. 3), 11, 12 и 13, 14 (фиг. 4). Соответственно, каждая фазная обмотка содержит две группы катушек, непосредственно не соединенных между собой.

Количество катушек в каждой группе - одна катушка (фиг. 1, фиг. 2) или любое четное количество. Например, две, как показано на фиг. 3 и фиг. 4. Их количество определяется числом фаз и количеством пар полюсов электрической машины. (На фиг. 1 и фиг. 2 каждая группа катушек условно показана в виде одной катушки).

Катушки в каждой группе могут быть соединены между собой последовательно (фиг. 3), параллельно (фиг. 4) или по комбинированной последовательно-параллельной схеме, если их количество в группе ≥4.

Например, 18 катушек статора 3-фазной вентильно-индукторной машины с числом зубцов статора/ротора 18/12 разделены на 6 групп катушек по две группы в обмотке одной фазе и по 3 катушки в каждой (одной) группе. Аналогичным образом, 16 катушек статора 4-фазной вентильно-индукторной машины с числом зубцов статора/ротора 16/12 разделены на 8 групп катушек по 2 группы в обмотке одной фазы и по 2 катушки в каждой группе.

Преобразователь может именоваться также силовым коммутатором, инвертором, блоком управления, преобразователем электрической энергии, частотным преобразователем, электронной системой управления и т.п. В его состав входят силовые транзисторные ключи 15-20 и диоды 21-26, соединенные по схеме асимметричного (несимметричного) (фиг. 1) или симметричного моста (фиг. 2) и использующиеся для коммутации обмоток, соответственно одной и двух фаз.

Силовые транзисторные ключи 15-20 содержат группу биполярных транзисторов с изолированным затвором (анг. IGBT - Insulated-gate bipolar transistor), полевых транзисторов с изолированным затвором (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, или биполярных транзисторов и диодов.

Кристаллы транзисторов размещены в отдельных корпусах, например, типа ТО-220, ТО-247, ТО-251АА, ТО-3, ТО-3Р и т.п., или общем корпусе, в частности, на медно-керамической подложке DBC (Direct Bond Copper), т.е. выполнены в виде транзисторных модулей. В состав этих модулей могут входить диоды 21-26.

Предпочтительным является применение силовых транзисторных модулей, в которых внутренние силовые шины расположены под кристаллами и между кристаллами транзисторов и диодов и керамической подложкой, т.е. реализованы путем утолщения медного слоя на DBC подложке.

Количество асимметричных мостов (мостовых коммутаторов) определяется числом фаз N индукторной электрической машины, а количество симметричных мостов (коммутаторов) - N/2. Например, на фиг. 1 показана схема коммутации обмоток 3-х фаз (А, В, С) с помощью 3-х асимметричных, а на фиг. 2 - обмоток 4-х фаз (А, В, С, D) с помощью 2-х симметричных мостовых коммутаторов.

Выходы каждого асимметричного или симметричного мостового коммутатора, именуемого также мостом, соединены с выводами двух групп катушек, соответственно, одной фазы или двух фаз.

Под переключением фазных обмоток в данном изобретении подразумевается переключение двух групп катушек, образующих одну (каждую) фазную обмотку, с последовательного соединения на параллельное и обратно.

Для переключения обмоток каждой фазы используется три тиристора.

Первые их этих тиристоры 27 (фиг. 1), 28, 29 (фиг. 2), 30 (фиг. 3) и 31 (фиг. 4) включены последовательно между двумя группами катушек обмоток каждой фазы, а второй и третий тиристоры 31-38 подключены к различным выводам двух групп катушек каждой фазной обмотки.

Под тиристором в данном случае подразумевается полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния - «закрытое» (состояние низкой проводимости) и «открытое» (состояние высокой проводимости).

Во всех вариантах реализации предложенной электрической машины возможно применение триодных незапираемых тиристоров с управлением по катоду, не проводящих ток в обратном направлении.

В примере реализации предложенного устройства, приведенного на фиг. 1, возможно применение тиристоров, проводящих ток как в одном направлении (например, тринисторов), так и в двух направлениях (например, симисторов).

В устройстве, показанном на фиг. 2, необходимо применение тиристоров 28, 29, 34, 35, 36 и 37, проводящих ток в одном направлении - анода к катоду. Это обусловлено необходимостью раздельного управления фазами А, С и В, D при включении силовых транзисторных ключей по симметричной мостовой схеме.

Управление транзисторными ключами 15-20 и тиристорами 27-41 осуществляется с помощью контроллера 42. Усиление и/или гальваническая развязка сигналов управления осуществляется с помощью драйверов 43.

Драйверы транзисторных ключей 15-20 могут быть реализованы на основе микросхем оптоэлектронной развязки и гальванически развязанных источников питания выходных цепей этих драйверов. Драйверы тиристоров 27-41 могут быть выполнены в виде импульсных усилителей с трансформаторной развязкой, либо оптотиристоров или оптосимисторов.

В первом случае для управления первыми тиристорами всех N фаз может использоваться усилитель с одним импульсным трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, а для управления вторыми и третьими тиристорами - усилитель со вторым импульсным трансформатором, имеющим 2N вторичных обмоток (по числу тиристоров). Если для управления тиристорами используются оптотиристоры или оптосимисторы, то их общее количество равно 3N.

В качестве тиристоров 27-41 могут использоваться оптотиристоры или интеллектуальные тиристорные ключи, что приводит к упрощению драйверов 43.

В состав преобразователя входят также датчик положения ротора 44, емкостный фильтр в цепи питания 45, устройство ввода/вывода информации, встроенное в контроллер 42 или подключенное к нему, датчики температуры фазных обмоток, датчики температуры силовых транзисторных ключей и тиристоров, датчики тока в фазных обмотках, датчик напряжения питания и другие функциональные узлы, условно не показанные на чертежах.

Контроллер 42 может именоваться цифровым вычислителем, схемой управления, информационно-вычислительным блоком или устройством и т.д. Он может быть реализован в виде одной или нескольких печатных плат на основе программируемого микроконтроллера или специализированного цифрового сигнального процессора, предназначенного для цифрового управления электрическими машинами. Контроллер реализован из условия обеспечения возможности быстрого захвата сигналов с датчика положения ротора 44 и датчиков тока в фазных обмотках 1-14, контроля напряжения на этих обмотках и входного напряжения (U_BX) (в случае необходимости), формирования сигналов управления драйверами силовых транзисторных ключей 15-20 и тиристоров 27-41 в ответ на изменения контролируемых параметров вентильно-индукторной электрической машины в реальном масштабе времени, защиты силовых транзисторных ключей, тиристоров и обмоток электрической машины от аварийных режимов (от перегрева, превышения тока и напряжения и т.п.), а также решения общих задач в системе, в которой используется данная вентильно-индукторная электрическая машина, например, в электромеханической трансмиссии колесной или гусеничной машины.

Микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор, на основе которого реализован контроллер 42, может содержать одно или несколько процессорных ядер, интегрированную оперативную память и Flash-память программ, встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), модули формирования широтно-модулированных сигналов (ШИМ) и набор коммуникационных интерфейсов.

Датчик положения ротора 43 может быть выполнен в виде магнитного энкодера. В этом случае он содержит постоянный магнит с диаметральным намагничиванием, прикрепленный к торцу вала ротора, и микросхему магнитного энкодера, которая может быть размещена на отдельной печатной плате или на печатной плате контроллера 39. Возможна также реализация датчика положения ротора на основе оптического энкодера, дискретных оптических или магнитных переключателей, например трех оптронов с открытым оптическим каналом или датчиков Холла, а также на основе вращающегося трансформатора.

Датчики тока фазных обмоток могут быть выполнены на основе датчиков Холла с кольцевыми магнитопроводами, охватывающими выводы этих обмоток.

Для обмена данными между преобразователем и внешними устройствами, входящими, например, в состав электромеханической трансмиссии (с органами управления, приборными панелями и т.д.), в том числе для приема сигналов управления и передачи сигналов о параметрах и режимах работы вентильно-индукторной электрической машины, используется коммуникационный интерфейс - встроенное в контроллер 42 или подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, реализующее обмен этими данными в аналоговой форме, или по проводному - CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network - интерфейс для автомобильных систем), RS-485 (Recommended Standard 485) или какому-либо другому стандарту (протоколу).

Входной емкостный фильтр 45 содержит группу пленочных, электролитических или керамических конденсаторов, именуемых силовыми конденсаторами (DC-Link) и рассчитанных на работу с большими импульсными токами.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Внешний сигнал управления U_УПР электрической машиной в аналоговой или цифровой форме через устройство ввода/вывода информации, например, через драйвер CAN шины, поступает на контроллер 42 преобразователя.

Этот сигнал задает необходимую выходную скорость вращения ротора вентильно-индукторной электрической машины, если она работает в режиме электрического двигателя, либо необходимый уровень выходного напряжения генератора, если она работает в генераторном режиме.

Напряжение питания +U_BX, ^_U_BX преобразователя при работе электрической машины в режиме электродвигателя, а также первоначальное напряжение на нагрузке при ее работе в режиме генератора, подается от внешнего источника постоянного тока, например, от аккумуляторной батареи.

При первоначальном включении напряжения питания контроллер 42 формирует сигналы включения первых тиристоров 27-31 преобразователя. Вторые и третьи тиристоры 32-41 при этом остаются выключенными. Благодаря этому реализуется последовательное соединение групп катушек фазных обмоток.

Контроллер 42 работает по программе, записанной в памяти его микроконтроллера или цифрового сигнального процессора, и формирует сигналы на драйверы 43 силовых транзисторных ключей в соответствии с сигналами датчика положения ротора 44. Драйверы 43 в соответствии с полученными импульсами управления формируют напряжения на затворах силовых IGBT или MOSFET транзисторов, либо токи баз биполярных силовых транзисторов, обеспечивая их включение/выключение в соответствующие моменты времени. Силовые транзисторные ключи 15-20 попеременно подключают фазные обмотки электрической машины через силовые шины к выводам питания +U_BX, -U_BX, обеспечивая протекание тока по фазным обмоткам. Благодаря этому обеспечивается возбуждение электрического генератора, либо создание вращающего момента электрического двигателя.

При работе электрической машины в режиме электрического генератора ее ротор приводится во вращение, например, двигателем внутреннего сгорания. Диоды 21-26 при этом выполняют роль силового выпрямителя (на фиг. 1 и фиг. 2 - соответственно трехфазного и четырехфазного мостового выпрямителя).

Поскольку информация о положении ротора электрической машины относительно статора представлена в цифровой форме, для коммутации фазных обмоток контроллер 42 реализует алгоритм логического преобразования сигналов датчика положения ротора 44 в сигналы управления драйверами 43 силовых транзисторных ключей, записанный в его Flash-памяти программ. Этот алгоритм может быть представлен, в частности, в виде математических формул или таблиц.

Для регулирования выходного напряжения электрического генератора или крутящего момента электрического двигателя контроллер 42 осуществляет изменение величины тока в фазных обмотках 1-14 путем изменения длительности или скважности включения этих обмоток, формируя соответствующие импульсные сигналы управления драйверами 43 силовых транзисторных ключей с учетом необходимых углов опережения их включения. В простейшем случае это осуществляется путем реализации гистерезисного регулятора - включения и отключения силовых транзисторных ключей в зависимости о величин токов в фазных обмотках.

В начале работы и при низких скоростях вращения ротора, когда индуктивные сопротивления обмоток и индуктируемая ЭДС и противоЭДС имеют малые величины, для ограничения тока и развиваемого момента электрической машины осуществляется широтно-импульсное (ШИМ) регулирование тока фаз.

Под действием этого момента ротор начинает вращаться и через механическую передачу (при ее наличии) приводит в движение, например, колеса или гусеницы транспортной или тяговой машины.

При высоких скоростях вращения ротора используется регулирование изменением углов включения и коммутации напряжения, т.е. так называемое «фазовое» регулирование.

После того, когда при работе электрической машины в режиме электрического двигателя скорость вращения вала ротора достигнет предварительно установленной величины, записанной в энергонезависимой памяти контроллера (Flash-памяти) и контролируемой с помощью датчика положения ротора, контроллер 42 формирует сигналы управления тиристорами из условия переключения групп катушек фазных обмоток с последовательного соединения на параллельное. В этом случае контроллер снимает сигналы включения первых тиристоров 27-31 и через интервал времени, достаточный для прекращения протекания тока по ним, формирует сигналы включения вторых и третьих тиристоров 32-41. При снижении скорости вращения ротора осуществляется обратное переключение.

Благодаря этому достигается высокий КПД электрической машины в широком диапазоне скоростей вращения ее ротора при невысоких значениях максимального тока в силовых транзисторных ключах преобразователя.

Аналогичным образом контроллер 42 осуществляет переключение фазных обмоток электрической машины с последовательного соединения групп катушек на параллельное и обратно при ее работе в режиме электрического генератора. Такие переключения осуществляются в зависимости характера нагрузки генератора. В частности в зависимости от скорости вращения его вала, от величины выходного напряжения генератора или тока нагрузки. Выбор параметра, в зависимости от которого осуществляется переключение фазных обмоток, осуществляется из условия достижения максимального КПД генератора или необходимой величины его выходной мощности.

Если при работе вентильно-индукторной электрической машины в режиме электродвигателя или генератора будет достигнута заданная скорость вращения вала ротора или необходимая величина напряжения на нагрузке, контроллер 42 уменьшает длительности импульсов в сигналах управления силовыми транзисторными ключами 15-20, обеспечивая стабилизацию установленного выходного параметра электрической машины.

Одновременно контроллер 42 с помощью датчиков температуры, тока и напряжения осуществляет контроль параметров и режимов работы вентильно-индукторной электрической машины и силовой части ее преобразователя и реализует алгоритмы их защиты от аварийных режимов, в том числе от перегрева силовых транзисторных ключей и тиристоров, перегрева фазных обмоток, а также защиту от перегрузок силовых транзисторных ключей и тиристоров по току и по напряжению. Алгоритмы защиты предусматривают отключение сигналов управления силовых транзисторных ключей в случае, если величина контролируемого параметра превышает предварительно установленную максимально допустимую величину.

Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов вентильно-индукторной электрической машины с переключаемыми фазными обмотками возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.

Claims (5)

1. Вентильно-индукторная электрическая машина с переключаемыми фазными обмотками, содержащая статор с фазными обмотками, выполненными в виде катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах, безобмоточный ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, подшипниковые щиты и преобразователь, причем катушки каждой фазной обмотки соединены между собой с образованием двух групп катушек, а в состав преобразователя входят силовые транзисторные ключи и диоды, приспособленные для коммутации фазных обмоток, дополнительные силовые ключи, приспособленные для переключения фазных обмоток с последовательного соединения групп катушек этих обмоток на параллельное и обратно, а также контроллер, выполненный с возможностью управления силовыми транзисторными ключами и дополнительными силовыми ключами, отличающаяся тем, что дополнительные силовые ключи каждой фазы выполнены в виде трех тиристоров, причем первые тиристоры включены последовательно между двумя группами катушек обмоток каждой фазы, а второй и третий тиристоры подключены к различным выводам двух групп катушек каждой фазной обмотки.

2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что в каждую из двух групп катушек каждой фазной обмотки входит равное количество катушек, которые соединены между собой последовательно и/или параллельно.

3. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что силовые транзисторные ключи и диоды, приспособленные для коммутации N фазных обмоток, образуют N асимметричных мостов, выходы каждого из которых соединены с выводами двух групп катушек одной фазы, соединенных с тиристорами, которые выполнены проводящими ток в одном или двух направлениях.

4. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что силовые транзисторные ключи и диоды, приспособленные для коммутации N фазных обмоток, образуют N/2 симметричных мостов, выходы каждого из которых соединены с выводами четырех групп катушек двух фаз, соединенных с тиристорами, причем полярность их включения выбрана из условия обеспечения возможности протекания тока в двух группах катушек одной фазной обмотки в одном направлении, а в двух других группах катушек другой фазной обмотки - в противоположном направлении.

5. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что в состав преобразователя входят драйверы силовых транзисторных ключей и тиристоров, емкостный фильтр в цепи питания, датчик положения ротора и датчики тока в фазных обмотках.

Images