RU82077U1

RU82077U1 - ELECTRIC DRIVE

Info

Publication number: RU82077U1
Application number: RU2008147982/22U
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Лаптев; Александр Владимирович Левин; Владимир Маркович Довгаленок; Михаил Федорович Ходунов
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Агрегатное Конструкторское Бюро "Якорь"; Николай Николаевич Лаптев; Александр Владимирович Левин; Владимир Маркович Довгаленок; Михаил Федорович Ходунов
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2009-04-10

Abstract

Электропривод, содержащий электрическую машину с ротором на постоянных магнитах, статорные обмотки которой подсоединены к выводам переменного тока инвертора, выводы постоянного тока которого подключены к источнику электропитания и емкостному накопителю, инвертор выполнен по трехфазной мостовой схеме на полупроводниковых ключах, управляемых либо по каналу движения, либо по каналу торможения, выводы питания каждого из каналов связаны с источником электропитания посредством контактов контроллера, обеспечивающего при поступлении команды с источников сигналов «движение» либо «торможение» подключение электропитания к каналу движения либо к каналу торможения соответственно, выходом канала движения являются выходы его блока управления, входы которого присоединены к источнику сигнала «движение» и выходу генератора пилообразного напряжения, канал торможения включает в себя два широтно-импульсных модулятора, первые входы которых подключены к противофазным выходам генератора пилообразного напряжения, а вторые входы - к источнику сигнала «торможение», при этом выходы канала торможения, связанные с выходами первого широтно-импульсного модулятора, соединены с ключами, подключенными к положительному выводу источника электропитания, а выходы канала торможения, связанные с выходами второго широтно-импульсного модулятора, соединены с ключами, подключенными к отрицательному выводу источника электропитания.An electric drive containing an electric machine with a permanent magnet rotor, the stator windings of which are connected to the inverter’s AC terminals, whose DC terminals are connected to a power source and capacitive storage, the inverter is made using a three-phase bridge circuit using semiconductor switches controlled either by a traffic channel or on the braking channel, the power leads of each channel are connected to the power source through the contacts of the controller, which provides NDA from the “motion” or “braking” signal sources, the power supply is connected to the motion channel or to the braking channel, respectively, the output of the motion channel is the outputs of its control unit, the inputs of which are connected to the “motion” signal source and the output of the sawtooth voltage generator, the braking channel includes two pulse-width modulators themselves, the first inputs of which are connected to the antiphase outputs of the sawtooth voltage generator, and the second inputs are connected to the “braking” signal source, while the outputs to the braking channels associated with the outputs of the first pulse-width modulator are connected to the keys connected to the positive terminal of the power supply, and the outputs of the braking channel associated with the outputs of the second pulse-width modulator are connected to the keys connected to the negative terminal of the power source.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электромашиностроению, и может быть использована при изготовлении транспортных средств, станков или устройств бытовой техники, например, кондиционеров, компрессоров, вентиляторов.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to electrical engineering, and can be used in the manufacture of vehicles, machine tools or appliances, for example, air conditioners, compressors, fans.

Известны конструкции электроприводов колес автомобиля, содержащие аккумуляторную батарею, присоединенную через управляемый преобразователь к приводному двигателю колес (1). В устройстве предусмотрена организация цепей для использования энергии торможения колес. Электропривод имеет недостаточную энергетическую эффективность. Это объясняется тем, что при рекуперационном торможении генерируемое напряжение падает, а накопленный заряд в батарее растет, в результате чего по мере выравнивания потенциалов батареи и генератора темп зарядки батареи замедляется, а затем и вовсе прекращается.Known designs of electric wheels of a car containing a battery connected via a controlled Converter to the drive motor of the wheels (1). The device provides for the organization of circuits for using the energy of braking of the wheels. The electric drive has insufficient energy efficiency. This is due to the fact that during regenerative braking, the generated voltage drops, and the accumulated charge in the battery increases, as a result of which, as the potentials of the battery and the generator equalize, the battery charging rate slows down, and then completely stops.

Наиболее близким к полезной модели является электропривод колес автомобиля (2), содержащий электрическую машину с ротором на постоянных магнитах, статорные обмотки которой подсоединены к выводам переменного тока инвертора. Выводы постоянного тока инвертора подключены к источнику электропитания и емкостному накопителю. Инвертор выполнен по трехфазной мостовой схеме на полупроводниковых ключах, управляемых либо по каналу движения либо по каналу торможения. Для повышения эффективности устройства в режиме торможения в силовой контур введен управляемый выпрямитель, а статорные обмотки снабжены дополнительными обмотками. Введение дополнительных элементов отчасти решило поставленную задачу, однако привело к значительному усложнению конструкции и, следовательно, ухудшению масса-габаритных показателей устройства.Closest to the utility model is an electric wheel drive of a car (2), which contains an electric machine with a permanent magnet rotor, the stator windings of which are connected to the inverter’s AC terminals. The inverter's DC terminals are connected to a power source and capacitive storage. The inverter is made according to a three-phase bridge circuit on semiconductor switches controlled either by the motion channel or by the braking channel. To increase the efficiency of the device in braking mode, a controlled rectifier is introduced into the power circuit, and the stator windings are equipped with additional windings. The introduction of additional elements partly solved the problem, but led to a significant complication of the design and, consequently, the deterioration of the mass-dimensional characteristics of the device.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании полезной модели, является улучшение масса-габаритных показателей путем упрощения конструкции.The technical result that can be achieved using the utility model is to improve the mass-dimensional parameters by simplifying the design.

Технический результат достигается за счет того, что в электроприводе, содержащем электрическую машину с ротором на постоянных магнитах, статорные обмотки которой подсоединены к выводам переменного тока инвертора, выводы постоянного тока которого подключены к источнику электропитания и емкостному накопителю, инвертор выполнен по трехфазной мостовой схеме на полупроводниковых ключах, управляемых либо по каналу движения либо по каналу торможения, выводы питания The technical result is achieved due to the fact that in an electric drive containing an electric machine with a permanent magnet rotor, the stator windings of which are connected to the inverter’s AC terminals, whose DC terminals are connected to a power source and capacitive storage, the inverter is made using a three-phase semiconductor bridge circuit keys controlled either by the motion channel or by the braking channel, power leads

каждого из каналов связаны с источником электропитания посредством контактов контроллера, обеспечивающего при поступлении команды с источников сигналов «движение» либо «торможение» подключение электропитания к каналу движения либо к каналу торможения соответственно, выходом канала движения являются выходы его блока управления, входы которого присоединены к источнику сигнала «движение» и выходу генератора пилообразного напряжения, канал торможения включает в себя два широтно-импульсных модулятора, первые входы которых подключены к противофазным выходам генератора пилообразного напряжения, а вторые входы - к источнику сигнала «торможение», при этом выходы канала торможения, связанные с выходами первого широтно-импульсного модулятора, соединены с ключами, подключенными к положительному выводу источника электропитания, а выходы канала торможения, связанные с выходами второго широтно-импульсного модулятора, соединены с ключами, подключенными к отрицательному выводу источника электропитания.each channel is connected to the power source through the controller contacts, which, when a command is received from the “motion” or “braking” signal sources, connects the power supply to the motion channel or to the braking channel, respectively, the output of the motion channel is the outputs of its control unit, the inputs of which are connected to the source signal "movement" and the output of the sawtooth voltage generator, the braking channel includes two pulse-width modulators, the first inputs of which are connected to the out-of-phase outputs of the sawtooth voltage generator, and the second inputs to the “brake” signal source, while the outputs of the braking channel associated with the outputs of the first pulse-width modulator are connected to the keys connected to the positive terminal of the power supply, and the outputs of the braking channel with the outputs of the second pulse-width modulator, connected to the keys connected to the negative terminal of the power source.

На фиг.1 представлена электрическая схема устройства.Figure 1 presents the electrical circuit of the device.

На Фиг.2 изображены диаграммы работы переключения ключей инвертора.Figure 2 shows a diagram of the operation of switching the keys of the inverter.

Устройство (Фиг.1) содержит электрическую машину 1 с ротором на постоянных магнитах, статорные обмотки которой подсоединены к выводам переменного тока инвертора 2. Выводы постоянного тока инвертора 2 подключены к источнику электропитания 3 и емкостному накопителю, например, молекулярному конденсатору 4. Инвертор 2 выполнен по трехфазной мостовой схеме на полупроводниковых ключах, управляемых либо по каналу движения либо по каналу торможения. Выводы питания каждого из каналов связаны с источником электропитания 3 посредством контактов контроллера 5, обеспечивающего при поступлении команды с источников сигналов «движение» 6 либо «торможение» 7 подключение электропитания к каналу движения либо к каналу торможения соответственно. Выходом канала движения являются выходы его блока управления 8, входы которого присоединены соответственно к источнику сигнала «движение» 6 и выходу генератора пилообразного напряжения 9. Канал торможения включает в себя два широтно-импульсных модулятора 10 и 11, первые входы которых подключены к противофазным выходам генератора пилообразного напряжения 9, а вторые входы - к источнику сигнала «торможение» 7. Первые три выхода канала торможения, связанные с выходами первого широтно-импульсного модулятора 10, соединены с ключами, подключенными к положительному выводу источника электропитания. Вторые три выхода канала торможения, связанные с выходами второго широтно-импульсного модулятора 11, соединены с ключами, подключенными к отрицательному выводу источника электропитания.The device (Fig. 1) contains an electric machine 1 with a permanent magnet rotor, the stator windings of which are connected to the AC terminals of the inverter 2. The DC terminals of the inverter 2 are connected to a power supply 3 and a capacitive storage device, for example, a molecular capacitor 4. Inverter 2 is made on a three-phase bridge circuit on semiconductor switches controlled either by the motion channel or by the braking channel. The power terminals of each channel are connected to the power supply 3 through the contacts of the controller 5, which ensures that upon receipt of a command from the signal sources “motion” 6 or “braking” 7, the power supply is connected to the motion channel or to the braking channel, respectively. The output of the motion channel is the outputs of its control unit 8, the inputs of which are connected respectively to the signal source “motion” 6 and the output of the sawtooth voltage generator 9. The braking channel includes two pulse-width modulators 10 and 11, the first inputs of which are connected to the antiphase outputs of the generator sawtooth voltage 9, and the second inputs to the source of the signal "braking" 7. The first three outputs of the braking channel associated with the outputs of the first pulse-width modulator 10 are connected to the keys connected and to the positive terminal of the power supply. The second three outputs of the braking channel associated with the outputs of the second pulse-width modulator 11 are connected to the keys connected to the negative terminal of the power source.

Для разделения работы каналов движения и торможения может быть использована любая реализующая функцию «ИЛИ» схема, установленная на входах ключей.To separate the operation of the motion and braking channels, any circuit implementing the "OR" function installed on the key inputs can be used.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При поступлении команды поступательного движения (с источника сигнала «движение») контроллер 5 подключает электропитание к блоку управления 8. Блок управления 8 формирует сигналы (А, В, С; А′, В′, С′), которые поступают на управляющие входы ключей инвертора 2. По статорным обмоткам электродвигателя 1 течет ток, создается вращающее магнитное поле, ротор двигателя и, следовательно, колеса автомобиля начинают вращаться. В режиме движения блок управления 8 может работать по любому известному алгоритму, в, частности, с использованием высокочастотной широтно-импульсной модуляции с использованием схем сравнения пилообразного и синусоидального напряжений. Схема управления 8 в зависимости от величины сигнала, поступающего на его входы, позволяет изменять напряжение и частоту (при одновременном приближении формы тока к синусоидальной).Upon receipt of a translational motion command (from the “motion” signal source), the controller 5 connects power to the control unit 8. The control unit 8 generates signals (A, B, C; A ′, B ′, C ′), which are received at the control inputs of the keys inverter 2. Current flows through the stator windings of the electric motor 1, a rotating magnetic field is created, the motor rotor and, therefore, the wheels of the car begin to rotate. In motion mode, the control unit 8 can operate according to any known algorithm, in particular, using high-frequency pulse-width modulation using comparison circuits of sawtooth and sinusoidal voltages. The control circuit 8, depending on the magnitude of the signal supplied to its inputs, allows you to change the voltage and frequency (while approaching the current shape to a sinusoidal one).

При поступлении команды «торможение» контакты контроллера 5 отключают питание от блока управления 8 и подключают питание к широтно-импульсным модуляторам 10 и 11, в которых пилообразные напряжения сравниваются с напряжением сигнала торможения (Фиг.2а, б), причем пилообразные напряжения на узлы 10 и 11 подают в противофазе. Согласно результатам сравнения на выходах модуляторов, являющихся выходами канала торможения, формируются сигналы управления (А, В, С; А′, В′, С′), которые поступают на входы ключей инвертора (Фиг.2в, г).Upon receipt of the "braking" command, the contacts of the controller 5 turn off the power from the control unit 8 and connect the power to the pulse-width modulators 10 and 11, in which the sawtooth voltage is compared with the voltage of the brake signal (Figa, b), and the sawtooth voltage to the nodes 10 and 11 are in antiphase. According to the results of the comparison, the control signals (A, B, C; A ′, B ′, C ′) are generated at the outputs of the modulators, which are outputs of the braking channel, which are fed to the inputs of the inverter keys (Fig. 2c, d).

Сигналы с первого ШИМ-модулятора 10 одновременно управляют ключами, связанными с положительным выводом источника электропитания, а сигналы с модулятора 11 - ключами, связанными с его отрицательным выводом.The signals from the first PWM modulator 10 simultaneously control the keys associated with the positive output of the power supply, and the signals from the modulator 11 control the keys associated with its negative output.

Во время открытого состояния ключей (А, В, С, либо А′, В′, С′) двигатель 1 переходит в режим короткого замыкания, и ток через его статорные обмотки растет, запасая энергию их индуктивностей рассеивания.During the open state of the keys (A, B, C, or A ′, B ′, C ′), the motor 1 goes into short circuit mode, and the current through its stator windings increases, storing the energy of their dissipation inductances.

Во время закрытого состояния ключей энергия, накопленная в индуктивностях рассеивания, (вне зависимости от напряжения), передается в накопитель 4. При этом, чем больше сигнал торможения, тем на большее время открываются очередные тройки ключей, следствием чего является увеличение накапливаемой в индуктивностях энергии и интенсивности торможения. В последующий полупериод процессы повторяются с той только разницей, что динамическое короткое замыкание обеспечивается открытием ключей, подсоединенных к отрицательному выводу источника питания.During the closed state of the keys, the energy stored in the dissipation inductances (regardless of the voltage) is transferred to the drive 4. Moreover, the larger the braking signal, the longer the next triples of the keys will open, resulting in an increase in the energy stored in the inductances and braking intensity. In the subsequent half-cycle, the processes are repeated with the only difference that a dynamic short circuit is provided by opening the keys connected to the negative terminal of the power source.

Динамическое короткое замыкание отличается от обычного короткого замыкания тем, что при нем величина токов определяется не только A dynamic short circuit differs from a conventional short circuit in that, with it, the magnitude of the currents is determined not only

характеристикой генератора, но и временем торможения, частотой высокочастотной модуляции и индуктивностями рассеивания обмоток.generator characteristic, but also braking time, high-frequency modulation frequency and winding dissipation inductances.

При увеличении сигнала торможения увеличивается время включения очередной тройки ключей, при этом частота высокочастотной модуляции не изменяется. Это означает, что при тех же параметрах генератора большее количество энергии можно передать в емкостной накопитель, что, в свою очередь, увеличит ток рекуперации и тормозящий момент.With an increase in the brake signal, the turn-on time of the next three keys increases, while the frequency of high-frequency modulation does not change. This means that with the same generator parameters, more energy can be transferred to the capacitive storage, which, in turn, will increase the recovery current and the braking torque.

Таким образом, организация принудительного динамического короткого замыкания статорных обмоток в каждом из полупериодов частоты модуляции позволяет рекуперировать энергию торможения в накопитель при минимальном усложнении схемы (введения в канал торможения двух широтно-импульсных модуляторов), что практически не влияет на масса-габаритные показатели конструкции.Thus, the organization of a forced dynamic short circuit of the stator windings in each of the half-periods of the modulation frequency allows the braking energy to be recovered to the drive with minimal complication of the circuit (introducing two pulse-width modulators into the braking channel), which practically does not affect the overall dimensions of the design.

Простота конструкции и высокий КПД позволяют рекомендовать данное устройство при изготовлении электроприводов широкого назначения, например, для транспортных средств, станков, устройств бытовой техники.The simplicity of design and high efficiency allow us to recommend this device in the manufacture of electric drives for general purposes, for example, for vehicles, machine tools, household appliances.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:Sources of information taken into account when compiling the description:

«Электронные компоненты» №11, 2007 г., с.22-35.“Electronic Components” No. 11, 2007, pp. 22-35.

RU 74530 U1, Н02Р 1/00, 2008 г.RU 74530 U1, Н02Р 1/00, 2008

Claims

An electric drive containing an electric machine with a permanent magnet rotor, the stator windings of which are connected to the inverter’s AC terminals, whose DC terminals are connected to a power source and capacitive storage, the inverter is made using a three-phase bridge circuit using semiconductor switches controlled either by a traffic channel or on the braking channel, the power leads of each channel are connected to the power source through the contacts of the controller, which provides NDA from the “motion” or “braking” signal sources, the power supply is connected to the motion channel or to the braking channel, respectively, the output of the motion channel is the outputs of its control unit, the inputs of which are connected to the “motion” signal source and the output of the sawtooth voltage generator, the braking channel includes two pulse-width modulators themselves, the first inputs of which are connected to the antiphase outputs of the sawtooth voltage generator, and the second inputs are connected to the “braking” signal source, while the outputs to the braking channels associated with the outputs of the first pulse-width modulator are connected to the keys connected to the positive terminal of the power supply, and the outputs of the braking channel associated with the outputs of the second pulse-width modulator are connected to the keys connected to the negative terminal of the power source.