RU2280317C2 - Direct-current machine power circuit - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: proposed power circuit for electrical machine that has armature winding 14 and field winding 11 is arranged as follows. Field winding is connected at output of semiconductor converter 6 to other phase 7 of voltage supply same or different than armature winding 14. Semiconductor converter can function as armature circuit regulator and field regulator affording separate control of currents through stator and armature windings.

EFFECT: enlarged functional capabilities of semiconductor converter.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к схеме для питания электрической машины постоянного тока с обмоткой якоря и обмоткой возбуждения.The invention relates to a circuit for powering an electric DC machine with an armature winding and an excitation winding.

Подобная схема известна из опубликованной немецкой заявки на патент DE 19726233 A1.A similar scheme is known from published German patent application DE 19726233 A1.

Она служит для соответствующего питания электродвигателя постоянного тока от источника постоянного напряжения необходимого режима работы. В случае тяговых электродвигателей, например для локомотивов и т.п., этими режимами работы являются режим движения и режим торможения соответственно для обоих направлений вращения двигателя (движение вперед и назад). В качестве регулятора цепи якоря, регулятора возбуждения и регулятора торможения используют компактный полупроводниковый преобразователь, состоящий, например, из трех фаз регулятора возбуждения и двух фаз регулятора торможения на одном общем конденсаторе звена постоянного тока. Обмотка возбуждения находится в соединении через линию с обмоткой якоря и за счет этого управляется одинаковым образом.It serves for the corresponding power supply of the DC motor from a constant voltage source of the required operating mode. In the case of traction electric motors, for example for locomotives, etc., these operating modes are the driving mode and braking mode, respectively, for both directions of rotation of the engine (forward and backward movement). A compact semiconductor converter is used as an armature circuit regulator, an excitation regulator, and a braking regulator, consisting, for example, of three phases of an excitation regulator and two phases of a braking regulator on one common DC link capacitor. The field winding is connected through a line with the armature winding and is thereby controlled in the same way.

В известной схеме необходимы контакторы направления, чтобы иметь возможность изменять направление тока в двигателе для изменения направления движения вперед и назад. Известная схема поэтому является сложной с точки зрения аппаратуры. Ослабление поля является возможным только ступенчато с применением контакторов.In a known circuit, directional contactors are necessary in order to be able to change the direction of the current in the motor to change the direction of movement forward and backward. The known circuit is therefore complex in terms of equipment. Field attenuation is only possible stepwise using contactors.

В основе изобретения лежит задача указания улучшенной схемы, которая позволяет без сложных контакторов направления эксплуатировать электродвигатель вперед и назад и соответственно в режиме движения и в режиме торможения и/или позволяет реализовать непрерывное ослабление поля возбуждения с помощью регулятора возбуждения.The basis of the invention is the task of indicating an improved circuit that allows the motor to be driven back and forth without complex direction contactors and, accordingly, in driving mode and in braking mode and / or allows for continuous weakening of the field of excitation using the excitation controller.

Эта задача решается согласно изобретению за счет того, что обмотка возбуждения на выходе полупроводникового преобразователя соединена с другой фазой того же или другого источника напряжения, чем обмотка якоря.This problem is solved according to the invention due to the fact that the field winding at the output of the semiconductor converter is connected to a different phase of the same or different voltage source than the armature winding.

Тем самым достигается преимущество, что полупроводниковый преобразователь работает как регулятор цепи якоря и регулятор возбуждения, в то время как силы тока в обмотках статора и якоря могут управляться отдельно. Следовательно, могут быть сэкономлены выпрямители, диоды и при подходящих обстоятельствах контакторы направления. За счет подходящего выбора силы тока предпочтительным образом электрическая машина постоянного тока может при необходимости эксплуатироваться вперед и назад. Это является возможным за счет того, что ток якоря можно устанавливать независимо от тока статора и тем самым также его направление протекания можно реверсировать единственно путем подходящего управления фаз.Thus, the advantage is achieved that the semiconductor converter operates as an armature circuit regulator and an excitation regulator, while the current strengths in the stator and armature windings can be controlled separately. Consequently, rectifiers, diodes and, under appropriate circumstances, direction contactors can be saved. Due to a suitable choice of current strength, it is preferable that the electric DC machine can be operated back and forth if necessary. This is possible due to the fact that the armature current can be set independently of the stator current, and thus also its flow direction can be reversed solely by suitable phase control.

Также переключение с режима движения на режим торможения можно производить единственно за счет выбора сил тока и направлений тока в статоре и якоре.Also, switching from driving mode to braking mode can be done solely by selecting the current strengths and current directions in the stator and anchor.

При этом полупроводниковым преобразователем (компактный преобразователь) выполняются задачи регулятора возбуждения.In this case, the semiconductor converter (compact converter) performs the tasks of the excitation controller.

Например, является возможным непрерывное регулирование токов через обмотку возбуждения и/или через обмотку якоря без использования контакторов только полупроводниковым преобразователем. При необходимости ток статора может быть меньше, чем ток якоря.For example, it is possible to continuously control the currents through the field winding and / or through the armature winding without the use of contactors by a semiconductor converter only. If necessary, the stator current may be less than the armature current.

С помощью последующих фаз является возможным изменение полярности возбуждения при экономии диодных выпрямителей и контакторов направления.Using the following phases, it is possible to change the excitation polarity while saving diode rectifiers and direction contactors.

В случае если имеются два электродвигателя, они могут быть соединены через так называемое перекрещивание возбуждения. При этом первая фаза соединена с якорем первого электродвигателя и статором второго электродвигателя, в то время как вторая фаза соединена с якорем второго электродвигателя и статором первого электродвигателя. Перекрещивание возбуждения производится при переходе от движения к торможению самостоятельно за счет действия диодов без приведения в действие контакторов.If there are two electric motors, they can be connected through the so-called crossing of excitation. In this case, the first phase is connected to the armature of the first electric motor and the stator of the second electric motor, while the second phase is connected to the armature of the second electric motor and the stator of the first electric motor. Crossing of excitation is carried out during the transition from motion to braking independently due to the action of the diodes without actuating the contactors.

С соответствующей изобретению схемой достигается то преимущество, что машина постоянного тока без применения сложных контакторов и диодов только с известным полупроводниковым преобразователем в режиме вперед и назад может быть использована как для движения, так и для торможения.With the circuit according to the invention, the advantage is achieved that a direct current machine without the use of complex contactors and diodes with only a known semiconductor converter in the forward and reverse mode can be used both for movement and for braking.

Примеры для такой схемы поясняются более подробно с помощью чертежа. При этом показано:Examples for such a scheme are explained in more detail using the drawing. It is shown:

Фиг.1 - схема, которая требует только две фазы преобразователя, зато, однако, еще контакторы направления и диоды,Figure 1 is a diagram that requires only two phases of the converter, but, however, directional contactors and diodes,

Фиг.2 - подобная схема без диодов и без контакторов направления,Figure 2 is a similar diagram without diodes and without direction contactors,

Фиг.3 - схема с возможностью перекрещивания возбуждения и хорошим использованием полупроводникового преобразователя, но без регулятора возбуждения,Figure 3 is a diagram with the possibility of crossing excitation and good use of a semiconductor converter, but without an excitation regulator,

Фиг.4 - вариант схемы согласно Фиг.2.Figure 4 is a variant of the circuit according to Figure 2.

На всех фигурах стрелки указывают направление тока. Движение и торможение отличаются друг от друга тем, что ток якоря изменяет свое направление, в то время как ток статора сохраняет свое направление. При движении назад в случае Фиг.1 и 3 реверсируют направление тока якоря. В случае Фиг.2 и 4 реверсируют направление тока статора (ток возбуждения).In all figures, arrows indicate the direction of the current. Movement and braking differ from each other in that the armature current changes its direction, while the stator current maintains its direction. When moving backward in the case of FIGS. 1 and 3, the direction of the armature current is reversed. In the case of FIGS. 2 and 4, the stator current direction (field current) is reversed.

В случае если за счет подходящей схемы может свободно устанавливаться направление тока статора (Фиг.2 и 4), реверсирование направления движения можно производить также путем реверсирования тока статора. Тогда не требуются никакие контакторы.If, due to a suitable circuit, the direction of the stator current can be freely set (Figs. 2 and 4), reversing the direction of movement can also be done by reversing the stator current. Then no contactors are required.

Схема состоит из соединенной с контактным проводом 1 первой линии 2 и второй линии 5, соединенной по крайней мере с одним колесом 3, которое находится в контакте с рельсом 4. Между этими двумя линиями 2 и 5 расположен известный полупроводниковый преобразователь 6, от которого отходят три различные фазы 1, 8 и 9. Каждая фаза соединена с дросселем 10, который имеет конденсатор.The circuit consists of a first line 2 connected to the contact wire 1 and a second line 5 connected to at least one wheel 3, which is in contact with the rail 4. A known semiconductor converter 6 is located between these two lines 2 and 5, from which three different phases 1, 8 and 9. Each phase is connected to a choke 10, which has a capacitor.

Согласно Фиг.1 первая фаза 7 соединена с обмоткой возбуждения 11, параллельно которой включен постоянный шунт 12. Обмотке возбуждения 11 придана диодная мостовая схема. Вторая фаза 8 в обход обмотки возбуждения 11 находится непосредственно в соединении с обмоткой якоря 14 электродвигателя через линию 15. Перед обмоткой якоря 14 могут быть включены шунтируемые тормозные сопротивления 16. Исходя от обмотки якоря 14, альтернативно замыкаемые через контакторы направления 17, 18 линии ведут к первой или второй линиям 2 или 5.According to Figure 1, the first phase 7 is connected to the excitation winding 11, in parallel with which a constant shunt 12 is connected. The excitation winding 11 is assigned a diode bridge circuit. The second phase 8, bypassing the field winding 11, is directly connected to the winding of the motor armature 14 via line 15. Before the armature winding 14, shunt braking resistors 16 can be connected. Based on the armature winding 14, alternatively, the lines connected through the contactors 17, 18 lead to first or second lines 2 or 5.

При полном возбуждении первая фаза 7 проводит только ток якоря. Для того чтобы при торможении не появлялась слишком большая токовая нагрузка второй фазы 8 (ток якоря и ток в первой фазе стали бы суммироваться во второй фазе 8), имеются диоды 13 выпрямителя для питания цепей возбуждения диодной мостовой схемы. Третью фазу 9 включают параллельно к первой фазе 7 только при необходимости, чтобы повысить мощность полупроводникового преобразователя 6. По выбору можно подключать третью фазу 9 с целью повышения мощности параллельно к первой фазе 7 или привлекать для питания второго электродвигателя с независимым регулированием. Для этого в случае привода с двумя электродвигателями к фазе 9 через линию 9* может быть подключен якорь второго электродвигателя 14*. Его обмотку возбуждения 11* тогда включают последовательно к обмотке возбуждения 11 первого электродвигателя 14.When fully excited, the first phase 7 conducts only the armature current. In order for the current load of the second phase 8 not to appear during braking (the armature current and the current in the first phase would be summed in the second phase 8), there are rectifier diodes 13 for supplying the excitation circuits of the diode bridge circuit. The third phase 9 is connected in parallel to the first phase 7 only if necessary, in order to increase the power of the semiconductor converter 6. Optionally, the third phase 9 can be connected in order to increase the power in parallel with the first phase 7 or to use a second motor with independent regulation to power it. For this, in the case of a drive with two electric motors, the armature of the second electric motor 14 * can be connected to phase 9 via line 9 *. Its field winding 11 * is then connected in series to the field winding 11 of the first electric motor 14.

Фиг.2 соответствует в основном Фиг.1. Однако здесь нет диодов 13 выпрямителя для питания цепей возбуждения. Кроме того, отсутствует соединительная линия от контактора 17 между обмоткой якоря 14 и первой линией 2. Контактор 18 в линии 5 отпадает. Кроме того, третья фаза 9 точно так же, как и первая фаза 7, параллельно соединена со второй фазой 8. За счет параллельного включения отдельная нагрузка фаз 7, 8 и 9 уменьшается настолько, что можно отказаться от диодов 13 выпрямителя для питания цепей возбуждения. Для движения назад можно путем подходящего управления полупроводникового преобразователя 6 реверсировать направление тока в обмотке возбуждения 11 так, что можно отказаться от контактора 17 и от соответствующей линии. Также показанный в соединительной линии от обмотки якоря 14 ко второй линии 5 контактор 18 не является обязательным. Он, однако, может быть предусмотрен для прерывания тока в аварийной ситуации. Эту функцию может, однако, брать на себя также включенный параллельно к тормозным сопротивлениям 16 контактор.Figure 2 corresponds mainly to Figure 1. However, there are no rectifier diodes 13 for supplying excitation circuits. In addition, there is no connecting line from the contactor 17 between the armature winding 14 and the first line 2. The contactor 18 in line 5 disappears. In addition, the third phase 9, in exactly the same way as the first phase 7, is connected in parallel with the second phase 8. Due to the parallel connection, the separate load of phases 7, 8 and 9 is reduced so that rectifier diodes 13 can be omitted to supply the excitation circuits. To move backward, by suitable control of the semiconductor converter 6, the current direction in the field winding 11 can be reversed so that the contactor 17 and the corresponding line can be discarded. Also shown in the connecting line from the armature winding 14 to the second line 5, the contactor 18 is optional. However, it can be provided to interrupt the current in an emergency. This function can, however, also be assumed by a contactor connected in parallel with the braking resistors 16.

На Фиг.3 дана подходящая схема для перекрещивания возбуждения за счет подходящей схемы включения (параллельно включенный контактор) 19, причем обмотка возбуждения 11а первого электродвигателя может быть соединена с обмоткой якоря 14b второго электродвигателя и обмотка возбуждения 11b второго электродвигателя с обмоткой якоря 14а первого электродвигателя. За счет другого коммутационного положения, однако, могут быть соединены друг с другом также соответственно обмотка возбуждения и обмотка якоря одного и того же электродвигателя.Figure 3 shows a suitable circuit for crossing the excitation due to a suitable switching circuit (parallel contactor) 19, wherein the field winding 11a of the first electric motor can be connected to the winding of the armature 14b of the second electric motor and the field winding 11b of the second electric motor to the coil of the armature 14a of the first electric motor. Due to a different switching position, however, the excitation winding and the armature winding of the same motor can also be connected to each other, respectively.

Со схемой на Фиг.4 обмотка якоря 14 является полностью независимой от обмотки возбуждения 11. Первая фаза 7 и третья фаза 9 соединены в виде так называемого Н-образного моста. Ток через обмотку возбуждения 11 можно реверсировать для движения назад так, что можно отказаться от контакторов 17 и 18. Этот вариант схемы является очень предпочтительным в случае параллельного возбуждения, так как тогда не текут никакие токи статора. В случае последовательного возбуждения устройства являются более выгодными схемы согласно Фиг.1 или 2.With the circuit of FIG. 4, the armature winding 14 is completely independent of the field winding 11. The first phase 7 and the third phase 9 are connected in the form of a so-called H-shaped bridge. The current through the field winding 11 can be reversed to move backward so that contactors 17 and 18 can be dispensed with. This circuit variant is very preferable in the case of parallel excitation, since then no stator currents flow. In the case of series excitation, the devices according to FIGS. 1 or 2 are more advantageous.

Все схемы являются применимыми по смыслу также в случае компактных преобразовательных схем с четырьмя фазами, например четырьмя квадрантными регуляторами. В принципе является возможным повышение мощности за счет параллельного включения фаз того же самого полупроводникового преобразователя 6 или также других преобразователей.All circuits are also applicable in the sense of compact converter circuits with four phases, for example, four quadrant regulators. In principle, it is possible to increase power due to the parallel connection of the phases of the same semiconductor converter 6 or also other converters.

Во всех схемах согласно Фиг.1 или 2 и 4 силу тока в различных фазах 7, 8 и 9 можно устанавливать независимо друг от друга. За счет этого сила тока в обмотке возбуждения 11 может быть также больше, чем сила тока в обмотке якоря 14. Протекающая через постоянный шунт 12 на обмотке возбуждения 11 токовая составляющая может быть компенсирована.In all the circuits according to FIGS. 1 or 2 and 4, the current strength in the various phases 7, 8 and 9 can be set independently of each other. Due to this, the current strength in the field winding 11 can also be greater than the current in the winding of the armature 14. The current component flowing through the constant shunt 12 on the field winding 11 can be compensated.

Во всех схемах за счет дросселей 10 в виде многофазного дросселя с уравнительным плечом достигается конструкция, экономящая вес ферромагнитного сердечника и позволяющая иметь равномерный нагрев. Так как дроссели 10 расширены конденсаторами до фильтров, нагрузки по напряжению обмоток и потери в электродвигателе снижаются. Это является предпочтительным особенно относительно модернизации приводов постоянного тока при сохранении старых электродвигателей.In all schemes, due to the chokes 10 in the form of a multiphase choke with an equalizing arm, a design is achieved that saves the weight of the ferromagnetic core and allows uniform heating. Since the chokes 10 are expanded by capacitors to filters, the voltage loads of the windings and losses in the electric motor are reduced. This is preferable especially with respect to the modernization of DC drives while maintaining the old electric motors.

В частности, достигается преимущество, что без сложных схемных элементов только с обычными полупроводниковыми преобразователями 6 электродвигатель можно использовать для режима вперед и назад и, соответственно, для режима движения и торможения.In particular, the advantage is achieved that without complex circuit elements with only conventional semiconductor converters 6, the electric motor can be used for the forward and reverse modes and, accordingly, for the driving and braking modes.

Claims (3)

1. Схема для питания электрической машины постоянного тока с обмоткой якоря (14) и обмоткой возбуждения (11), отличающаяся тем, что обмотка возбуждения (11) на выходе полупроводникового преобразователя (6) соединена с другой фазой (7) того же или другого источника напряжения, чем обмотка якоря (14).1. A circuit for powering an electric DC machine with an armature winding (14) and an excitation winding (11), characterized in that the excitation winding (11) at the output of the semiconductor converter (6) is connected to another phase (7) of the same or different source voltage than the armature winding (14). 2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что токи через обмотку возбуждения (11) и/или обмотку якоря (14) являются регулируемыми непрерывно.2. The circuit according to claim 1, characterized in that the currents through the field winding (11) and / or the armature winding (14) are continuously adjustable. 3. Схема по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что две электрические машины постоянного тока соединены с полупроводниковым преобразователем (6) через перекрещивание возбуждения.3. A circuit according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the two electric DC machines are connected to the semiconductor converter (6) through excitation crossing.

Images