Дросселя). (ю - />Q; £д - индуктивность

-Г ++ Sn/4.

,к

тс out

7С COS

дросселем ВД я° двУхобм°точным схема б d принципиальная схема, б-временные диаграммы поясняющие принцип работы ВД. us 9 3 3 Схема ofl

При работе рассматриваемого ВД в его коммутаторе будут всегда открыты два транзистора, соединенные с секциями, сдвинутыми между собой на угол я/2.

Учитывая периодичность процессов в ВД, рассмотрим их для одного полупериода изменения ЭДС в секциях. Для определенности предположим, что в рассматриваемый момент времени произошло подключение секции L1 к источнику питания. В соответствии с очередностью коммутации транзистор VT3 ранее подключил секцию L3, сдвинутую относительно секции L1 на угол л/2. Временные диаграммы ЭДС еу и ез, е4 секций U и 20

L3, L4 для указанного случая представлены на рис. 2.2, б, откуда видно, что при принятых допущениях практически вся разность напряжения питания и ЭДС секций будет поочередно прикладываться к обмоткам дросселя (в соответствии с очередностью коммутации транзисторов). С учетом знаков напряжения источника и ЭДС еи е%, е4, а также в соответствии с эквивалентной схемой (рис. 2.2,в), построенной для углов поворота ротора 0 а я, можно записать выражения для напряжения на обмотке дросселя:

кн = (U - ei) - {U - е3) = е3 - е{ при 0<а<я/2 (2.3)

и

кн - (U - е{) - (U - еА) = вц - е{ при я/2а^я. (2.4)

На эквивалентной схеме (рис. 2.2, в) указаны знаки напряжения кн на соответствующих интервалах изменения а.

После подстановки значений е\ = Es sin а; е3 = Es cos а; е4 = = £j,sin(a- я/2) из выражений (2.1), (2.2) в (2.3) и (2.4) и упрощения получим

ика = - л/2 Es sin (a - я/4) при О^Сая/2 (2.5)

и

кн = - V2 Es cos (а - я/4) при я/2а^я. (2.6)

Очевидно, что амплитуда напряжения на обмотках wa дросселя L5 будет в два раза меньше икн:

Ико = он =--£s sin (а - я/4) при 0а^я/2 (2.7)

и

ко = он =----s cos (а - я/4) при я/2а^я. (2.8)

На рис. 2.2,6 представлена временная диаграмма напряжения на обмотках дросселя, построенная по выражениям (2.7) и (2.8). Нетрудно видеть, что форма этого напряжения близка к треугольной, а частота в два раза превышает частоту ЭДС секций. Так как ЭДС Es пропорциональна частоте вращения двигателя, то и амплитуда ЭДС на обмотках вольтодобавочного дросселя в выражениях (2.7), (2.8) также будет изменяться пропорционально частоте вращения ротора двигателя.

В нижней части рис. 2.2,6 показана диаграмма напряжения между точками 0 я А (см. рис. 2.2, а) двигателя, равного сумме ЭДС секции L1, подключенной через открытый транзистор к источнику питания, и ЭДС вольтодобавки.

Недостатками рассмотренных выше четырехсекционных ВД с однополупериодными коммутаторами являются неполное использование объема электрической машины и высокое напряжение, прикладываемое к выключенным силовым транзисторам.

икоммутаторами

?очнИкаам И^оДХвкГапРСХеМа разного ВД со Ьаз„пп

добавки, реализованными дросселей ЙТекц~? Т3

~- Рис, 2.3. Двухфазный ВД со сфази-рованными источниками вольтодо-бавки: а - принципиальная схема; б - временные диаграммы ЭДС и тока в первой (-) и во второй

(---) фазе

двигателя, сдвинутые в пространстве на 90° эл., подключены к выходам транзисторных мостов.

На рис. 2.3, б приведены диаграммы, поясняющие принцип действия ВД. При подаче постоянного напряжения на зажимы О, В на входах транзисторов коммутатора появляются сигналы ДПР (на схеме не показан). Так как угол сигнального сектора ДПР равен 180° эл., то в каждый момент времени в коммутаторе будут насыщены четыре силовых транзистора, обеспечивающие двухполупериодную коммутацию токов в секциях якорной обмотки.

Взаимодействие МДС секций с полем индуктора обеспечивает создание в машине электромагнитного момента. При вращении ротора в секциях якорной обмотки будут наводиться ЭДС еь е2, амплитуда и частота которых пропорциональны частоте вращения. Суммируясь между собой в замкнутом контуре, образованном открытыми транзисторами левого и правого мостов, ЭДС в\, ег прикладываются к обмотке дросселя LI.

Определим напряжение, действующее между точками А и Б дросселя L1, полагая, что ЭДС е4 и ег изменяются соответственно по закону синуса и 22

косинуса. Так как управляемые сигналами ДПР транзисторные мосты обладают свойствами двухполупериодных выпрямителей, то к точкам Лий дросселя L1 будут приложены действующие встречно противо-ЭДС еАВ и еБВ> представляющие собой выпрямленные ЭДС е4 и е2. Пусть при <s>t = 0 (ш - круговая частота ЭДС в\, ег) открыты транзисторы VT2, VT3 и VT6, VT7. Тогда в соответствии с диаграммами ЭДС еАВ и еБВ, показанными на рис. 2.3,6, между точками А, Б обмотки дросселя L1 будет действовать напряжение иАБ с полярностью, указанной на рис. 2.3, о. При повороте ротора ВД на угол 4>t - л/4 мгновенные значения ЭДС еАВ и еБВ станут равными друг другу и напряжение иАБ = 0. При дальнейшем вращении ротора ЭДС еАВ станет больше еБВ, что вызовет изменение полярности напряжения иАБ. Если ДПР обеспечивает насыщение транзисторов левого моста коммутатора в последовательности VT2, VT3, VT1, VT4..., а правого в последовательности VT6, VT7, VT5, VT8 ..., то ЭДС еАВ, еБВ и напряжение иАБ сфазированы между собой. Из рис. 2.3, б следует, что частота напряжения иАБ в два раза превышает частоту изменения ЭДС е(, е2, а его амплитуда равна амплитуде этих ЭДС и пропорциональна частоте вращения ротора ВД.

Между отрицательным зажимом источника питания и верхними выводами транзисторных мостов включена половина обмотки дросселя L1. Поэтому в электрических цепях, образованных источником питания и секциями L2 и L3, действуют напряжения вольтодобавки соответственно иА0 и иБ0 амплитуда которых в два раза меньше, чем амплитуда напряжения иАБщ Суммируясь с напряжением питания U, напряжения вольтодобавки uAQ и иБ0 обеспечивают питание секций якорной обмотки соответственно напряжениями иАВ и иБВ, совпадающими по форме с противо-ЭДС еАВ и еБВ Следствием последнего является отсутствие пульсаций токов it и н в секциях L2, L3 (рис. 2.3, б) и высокий КПД двигателей со сфазированными источниками вольтодобавки. Так как в моменты переключения смежных транзисторов мостов (например, VT2 и VT1, VT6 и VT5) происходит уменьшение их питающих напряжений uab и иБВ Д° НУЛЯ> т0 в рассматриваемом ВД невозможно протекание сквозных токов. Это существенно повышает надежность ВД со 180-градусной коммутацией. Обеспечение протекания токов в секциях рассматриваемого ВД в течение всего периода изменения ЭДС в них обусловливает полное использование машины и низкое значение показателей М/Р2 и V/P2 (М, V и Рг - соответственно масса, объем и полезная мощность ВД).

2.4. Энергетические свойства ВД

с идеальным вольтодобавочным дросселем

Оценим влияние вольтодобавочного дросселя на энергетические свойства ВД, для чего выведем выражения для механической характеристики и КПД вентильного двигателя. При выводе указанных выражений учтем допущение 5 (см. § 2.3). Будем также считать, что в электрической машине существуют только потери мощности в якорной обмотке.

Выражение для механической характеристики ВД с вольтодобавочным дросселем найдем из известного соотношения

тэм = PJQ, (2.9)

где рэм= - мгновенное значение электромагнитной 1 = 1

мощности двигателя; тэм - мгновенное значение электромагнитного момента двигателя; е( - мгновенное значение ЭДС вращения в t-й секции ВД; г, - мгновенное значение тока в i-й секции ВД.

С учетом выражений (2.7), (2.1), (2.2) и эквивалентной схемы, изображенной на рис. 2.2, в, запишем выражения для токов в секциях L1 и L3 ВД:

. U - Es sin а + 0,5 л/2 Es sin (а - я/4)

(2.10) (2.11)

Выражения (2.10), (2.11) справедливы при 0 а л/2. Подставляя в формулу (2.9) значения токов и ЭДС секций из (2.10), (2.11), (2.1), (2.2), с учетом выражения для Es послепре-образований получим для 0 а я/2

maM = C£/ns(sina + cosa) ---Q(l + sin 2a), (2.12) где Ins - U/Rs - пусковой ток в секции якорной обмотки.

Так как период изменения суммарной ЭДС в цепи каждой секции равен я/2 (см. рис. 2.2,6), то выражение (2.12) справедливо для любого а при соответствующем выборе начала отсчета углов.

Интегрируя выражение (2.12) в пределах от а = 0 до а = = л/2, найдем выражение для среднего значения электромагнитного момента ВД

Mc±CEfns--Q. (2.13)

Решая уравнение (2.13) относительно угловой частоты вращения ротора Q, получим выражение для механической характеристики

O-TTT--aTF (2-14)

или в относительных единицах

v = l-n, (2.15)

где

Выражения (2.14) и (2.15) свидетельствуют о линейности механической характеристики двигателя с идеальным вольто-добавочным дросселем.

Ток двигателя с вольтодобавочным дросселем равен сумме токов, протекающих по подключенным к источнику питания сек-

циям (например, ч и k):

tI + t3 = 2----(sina + cosa). (2.17)

As AS

<S

Среднее значение тока двигателя

/эм = 2-4£ j (sina + cosa)rfa = 2-±f-. (2.18)

о

Средняя мощность, потребляемая от источника питания,

Рэм = Шш = 2--±*£-. (2.19)

Мгновенное значение потерь мощности в секциях двигателя Рм = 01 + 4). (2.20)

Подставляя в выражение (2.20) значения токов U, i3 из (2.10), (2.11), после интегрирования получим выражение для среднего значения потерь мощности в меди секций двигателя:

. = 2£ + -f7-T (2.2.)

Выражение для электромагнитного КПД вентильного двигателя с дросселем, учитывающее только потери мощности в меди секций, запишем в виде

Л м= РэУ~Рм (2-22)

гэм

Подставляя в выражение (2.22) значения Рш и Рм из (2.19) и (2.21), после упрощения получим

-. . (2.23)

1ЭМ -л-

При идеальном холостом ходе электромагнитный КПД вентильного двигателя всегда равен нулю, так как из-за пульсаций ЭДС в его секциях будут иметь место пульсации токов и потери мощности в меди [4]. Учитывая сказанное, из выражения (2.23) можно определить амплитуду ЭДС в секциях при частоте вращения в режиме идеального холостого хода ВД, приравнивая числитель этого выражения нулю:

- Es*=Thu- (2-24)

Имея в виду, что

ES = CEQ,