суммой ЭДС двух последовательно соединенных секций якорной обмотки.

При одновременном насыщении обоих транзисторов VT5 и VT6 диод VD1 запирается напряжением источника, а все секции якорной обмотки машины соединяются с источником параллельно. Так как при этом напряжение U уравновешивается ЭДС вращения только одной секции, то частота вращения ВД значительно возрастает по сравнению с предыдущим Случаем. Если - будет обеспечено поочередное насыщение одного из транзисторов VT5 или VT6, то к источнику питания параллельно будет поочередно подключаться только одна пара секций. Другая пара

Рис. 4.1. Принципиальная схема ВД с Рис. 4.2. Механическая характе-изменяемой структурой ристика ВД с изменяемой струк-

турой

секций при этом будет периодически отключаться от источника в моменты запирания диода VD1. Например, при насыщении только транзистора VT5 к источнику будут подключены лишь секции L3, L4 с транзисторами VT3, VT4, тогда как секции L/, L2, транзисторы VT1, VT2 и диод VD1, запертый противо-ЭДС секций Ы, L2, окажутся обесточенными. ВД будут при этом иметь промежуточное значение частоты вращения, большее, чем при последовательном соединении секций, и меньшее, чем при параллельном.

Таким образом, рассмотренное свойство схемы позволяет, варьируя состоянием транзисторов VT5 и VT6, изменять структуру силовой части коммутатора и якорной обмотки машины и обеспечить механическую характеристику ВД, близкую к характеристике равной мощности (рис. 4.2, кривая абвг).

Переход от одной структуры к другой, в частности от последовательного соединения секций к параллельному, имеет особенность, которую необходимо учитывать при разработке конкретных ВД с изменяемой структурой. Сущность этой особенности состоит в следующем. Для нормальной работы двигателя с

последовательным соединением секций без зон с нулевым значением вращающего момента каждый транзистор должен быть открыт сигналом ДПР на протяжении угла рс == 180° эл. Здесь следует напомнить, что транзисторы VT1 и VT2, VT3 и VT4 работают всегда в противофазе. При одновременном насыщении транзисторов VT5, VT6 и переходе к параллельной схеме соединения секций КПД двигателя с указанным значением рс существенно снизится из-за бросков тока в моменты прохождения противо-ЭДС через нулевые значения, так как ток секций определяется при пренебрежении индуктивностью секций известным выражением

hi = (U - esi)/Rs,

где isi - ток в i-й секции; eSi - ЭДС в i-й секции. Указанные броски тока особенно значительны при синусоидальной форме ЭДС в секциях, т. е., например, при es\ = Es sin at.

Для исключения бросков тока в секциях якорной обмотки ВД в схеме на рис. 4.1 транзисторы VT5 и VT6 управляются (насыщаются, выключаются) выходными сигналами пороговых устройств П1 и 172, на входы которых подаются выпрямленные диодами

VD2, VD3 И VD4, VD5 мгновен- e\ J Насыщен транзисторов

ные значения ЭДС секций. Управ-

ление транзистором VT5 производится ЭДС секций L3, L4, управление транзистором VT6 - ЭДС секций LI, L2 [28].

В процессе работы ВД насыщение транзисторов VT5 или VT6 и переключение соответствующих секций (изменение структуры) происходят при превышении мгновенной ЭДС уровня напряжения срабатывания пороговых устройств Упор - уровня настройки.

На рис. 4.3 приведены временные диаграммы ЭДС секций LI - L4, позволяющие наглядно проиллюстрировать работу ВД с изменяемой структурой при плавном уменьшении или увеличении частоты вращения ротора. Для удобства масштаб одного периода ЭДС в секциях выбран одинаковым для любой частоты вра- щения.

Из приведенных на рис. 4.3 временных диаграмм для ЭДС секций L1, L2 видно, что на отрезках угла поворота ротора, для которых положительное значение ЭДС превышает напряжение срабатывания /7пор порогового устройства П2, транзистор VT6 насыщается, подключая соответствующие секции через открытые транзисторы VT5 или VT6 к источнику питания. Аналогичную картину имеем и для ЭДС секций L3, L4.

Насыщение транзисторов VT5 или VT6 имеет место при значениях угла поворота ротора 0 < ее < я при любой частоте вращения Двигателя, так как напряжение срабатывания пороговых устройств всегда отлично от нуля

II 1

Насыщен транзистор VT5

Рис. 4.3. К пояснению принципа работы ВД

(U oq Ф 0). При уменьшении частоты вращения, например, из-за роста нагрузки на валу амплитуда ЭДС в секциях снижается, что приводит к соответствующему уменьшению угла включения транзисторов VT5 и VT6. Следовательно, транзисторные ключи VT5 и VT6 в процессе работы двигателя периодически насыщаются и выключаются. Частота срабатывания ключей в два раза превышает частоту изменения ЭДС секций, а отношение времени насыщенного их состояния к времени, когда они выключены, растет с увеличением частоты вращения. Наконец, отметим, что насыщение и выключение ключей VT5 и VT6 происходят со сдвигом между собой по фазе на 90° эл.

Указанный порядок работы транзисторов VT5 и VT6 приводит к тому, что в зависимости от частоты вращения ротора имеют место следующие четыре режима работы схемы.

1. Транзисторы VT5 и VT6 выключены. При этом режиме частота вращения такова, что амплитуда ЭДС каждой секции меньше напряжения срабатывания ПОРОГОВОГО устройства (Es < Упор).

2. Насыщен или один, или другой транзистор, причем промежутки времени, соответствующие насыщенному состоянию того или другого транзистора, чередуются с промежутками, где они выключены.

3. Постоянно насыщен или один, или другой транзистор. Режиму соответствует только одно значение частоты вращения, при котором каждый транзистор насыщен на протяжении половины каждого полупернода изменения ЭДС. причем Unop = л/2 EJ2 = л/2СЕй/2.

4. Постоянно насыщены или один, или оба транзистора, причем эти состояния чередуются. Режиму соответствуют такие частоты вращения, при которых каждый транзистор насыщен большую часть каждого полупериода изменения ЭДС, a Unop < л/2 Es/2.

Каждому режиму соответствуют следующие способы соединения секции якорной обмотки электрической машины между собой и источником питания: последовательное;

в течение одной части каждого полупериода изменения ЭДС последовательное, а в течение другой-параллельное по одной секции поочередно; поочередно параллельное;

параллельное по одной или по две секции поочередно.

Наличие четырех режимов работы ВД с изменяемой структурой обусловливает на его механической характеристике (см. рис. 4.2) три явно выражен-нх участка с различной жесткостью:

участок аб, соответствующий первому режиму работы двигателя;

участок бв с малой жесткостью, соответствующий второму режиму;

участок вг, соответствующий четвертому режиму.

Точка в на механической характеристике соответствует третьему режиму.

Участок абв механической характеристики ВД с автоматически изменяемой структурой по своему виду подобен механическим характеристикам обычных щеточно-коллекторных электродвигателей с последовательным возбуждением.

Следует отметить, что значительно расширить область механической характеристики, в которой ВД работает с постоянной мощностью на валу, и повысить его энергетические показатели возможно путем введения в него сфазированных с ЭДС секций якорной обмотки источников вольтодобавки и датчика среднего значения ЭДС секций (тахогенератора), подключенного через сумматоры ко входам пороговых устройств (29].

В вентильном двигателе с изменяемой структурой со сфази-рованными источниками вольтодобавки (рис. 4.4) транзистор VT5 типа NPN соединен эмиттером с отрицательным зажимом источника питания, а коллектором - с выводным концом первой обмотки дросселя L5. Транзистор VT6 типа PNP соединен эмиттером с положительным зажимом источника питания, а коллек-

тором - с выводным концом второй обмотки дросселя L5, одноименным с концом первой обмотки, соединенным с транзистором VT6. Другие два конца обмоток дросселя L5 соединены соответственно с анодом и катодом диода VD1. Управление транзисторами VT5 и VT6 осуществляется через пороговые устройства соответственно П1 и П2 сигналами, образованными в результате суммирования в сумматорах SM1 и SM2 мгновенного и среднего значений ЭДС секций. Первые входы каждого сумматора соединены с выходами соответствующих датчиков мгновенной ЭДС секций, а вторые - сдатчиком среднего значения ЭДС секций ТГ. Из схемы видно, что в данном ВД, так же как и в ВД,

Рис. 4.4. Схема ВД с изменяемой структурой со сфазиро-ванными источниками вольтодобавки

изображенном на рис. 4.1, при включенных транзисторах VT5, VT6 секции попарно через диод VD1 и транзисторы коммутатора соединены между собой последовательно. При насыщенных транзисторах VT5, VT6 диод VD1 запирается напряжением источника питания, а все секции якорной обмотки электрической машины подключаются к нему параллельно.

Дроссель L5 с замкнутым магнитонроводом при работе ВД осуществляет вольтодобавку к напряжению источника питания, что позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот вращения двигателя. Дроссель вырабатывает ЭДС вольтодобавки при одновременно насыщенных транзисторах VT5 и VT6, когда секции якорной обмотки подключены параллельно к источнику питания. При этом вледствие синусоидальности ЭДС секций и наличия фазового сдвига между ними 90° эл. направление результирующей МДС обмоток дросселя периодически изменяется с частотой, в два раза большей частоты ЭДС секций. Под действием изменяющейся МДС в магнитопроводе дросселя в его обмотках индуктируется ЭДС треугольной формы, частота которой в два раза превышает частоту ЭДС секций. ЭДС дросселя, суммируясь с ЭДС вращения секций якорной обмотки и с

напряжением источника питания, обусловливает существенное увеличение частоты вращения двигателя и повышает его КПД приблизительно в 1,7 раза.

Рассмотрим принцип работы схемы. При пуске Q = О, ЭДС на выходах сумматоров равна нулю и пороговые устройства П1 и П2 обеспечивают запертое состояние транзисторов VT5 и VT6. Двигатель работает при этом на участке аб механической характеристики (см. рис. 4.2). По мере разгона электродвигателя ЭДС в его секциях и на выходе тахогенератора (ТГ) увеличивается. Как только суммарная ЭДС Ъе на выходах сумматоров SM1 или SM2 превысит уровень настройки (7Пор пороговых устройств, на входы транзисторов VT5, VT6 начнут подаваться сигналы, приводящие к насыщению последних на время, в течение которого 2е превышает (Упор. При насыщении любого транзистора (VT5 или VT6) запирается диод VD1 и изменяется структура силовой части ВД (силовые транзисторы и якорная обмотка), двигатель переходит от последовательного соединения секций к параллельному и наоборот. Указанный порядок работы схемы ВД обусловливает появление участка бв механической характеристики, который намного шире, чем у предыдущего двигателя. Если частота вращения двигателя достигнет такого значения, при котором напряжение на выходе измерителя среднего значения частоты вращения (ТГ) превысит пороговое значение (Упор, пороговые устройства обеспечат непрерывную работу транзисторов VT5, VT6 в режиме насыщения. При этом двигатель будет работать на участке в'г' механической характеристики (см. рис. 4.2).

4.3. Электромагнитные процессы в ВД с изменяемой структурой энергопреобразующего узла

Найдем аналитические выражения для механических характеристик ВД с изменяемой структурой (см. рис. 4.1). Для этого необходимо определить зависимость угла включенного состояния порогового устройства от амплитуды выпрямленной ЭДС на его входе.

Обозначим угол включенного состояния порогового устройства ри. с Из рассмотренного ранее следует, что ри. с - это угол, на протяжении которого замкнут ключ VT5 или VT6, изменяющий структуру ВД (см. рис. 4.3).

При безгистерезисной работе пороговых устройств угол ри. с зависит от частоты вращения ротора ВД и определяется выражением

Ри с = л - 2 arcsin U °v . (4.1)

Так как. при замыкании ключа VT5 или VT6 электродвигатель работает при параллельном подключении секций, то угол

ри. с фактически является углом сигнального сектора ВД с изменяемой структурой на участке вг механической характеристики (см. рис. 4.2).

Запишем параметры в выражении (4.1) в относительных

единицах:

Рн. с == - 2 arcsin-, (4.2)

где u = Unop/Es0; v = EJEs0; Es0 = - U - амплитуда ЭДС в секциях ВД с параллельным подключением секций к источнику питания при рс = п.

Так как для реальных элементов пороговое напряжение и

отлично от нуля, v 0, а функция arcsin-- существует при 0- <; 1, то возможные пределы изменения величины ри. с в процессе работы ВД будут следующие:

0<ри.с<я. (4.3)

В дальнейшем будем опускать знак абсолютной величины напряжения и, считая его положительным.

Назовем узел ВД, образованный секциями Ы, L2 и транзисторами VT1, VT2, первой ячейкой, а узел ВД, образованный секциями L3, L4 и транзисторами VT3, VT4, - второй ячейкой. Тогда мгновенные значения токов в ячейках ВД с учетом выражений (4.2), (4.3) будут определяться равенствами:

.=(£ е^)ь; (4.4)

где

= 0, если яга - arcsin < а < яга + arcsin -;

i>i = l, если яга -f- arcsin -у<ая (га + 1) - arcsin

г|з2 = 0, если 4г(2га + 1) - arcsin ~ < а < {2п + 1) + arcsin --

я)2 = 1, если ~ (2га - 1) + arcsin - а у (2га -f- 1) - arcsin

п = 0, 1, 2, 3, i\ - ток в секциях первой ячейки; i2 - ток в

секциях второй ячейки.

Учитывая периодичность процессов в ВД, достаточно рассмотреть их для четверти периода изменения ЭДС в секциях, например для 0 а я/2.