стоянии более чем в два раза по сравнению с известными составными ключами и тем самым существенно повысить КПД устройства.

Другим путем снижения потерь в составных транзисторных ключах является введение в цепь коллектора их входного или выходного транзистора низковольтного насыщающего источника постоянного напряжения.

Схема ВД с насыщающимися составными магнитополупро-водинковыми ключами приведена на рис. 5.10 [44].

Рис. 5.10. Принципиальная схема ВД с насыщающимися МТК

Вентильный электродвигатель содержит силовые транзисторы VT1 - VT4 коммутатора, синхронную машину с секциями LI - L4 якорной обмотки, вольтодобавочный дроссель L5, маг-нитотранзисторные ключи MTKt - МТК4, постоянный магнит датчика положения ротора (СЭ), насыщающий трансформаторы МТК, секции ш3, ш4 дополнительной обмотки вольтодобавочного дросселя. Средняя точка дополнительной обмотки подсоединена к отрицательному зажиму источника питания через линейный дроссель L6, а выходные концы обмотки через диоды VD1, VD2 и развязывающие диоды VD3 - VD6 подключены к средним точкам коллекторных обмоток трансформаторов МТК. Коллекторные обмотки МТК подсоединены также через диоды VD7 - VD10 к соответствующим коллекторам силовых транзисторов ключей.

ВД работает следующим образом.

В исходном состоянии в соответствии с пространственным расположением по расточке трансформаторов МТК и магнита сигнального элемента ДПР два трансформатора из четырех будут насыщены магнитным потоком и, следовательно, не возбуждены. Два других трансформатора находятся вне действия магнитного потока датчика положения.

При подаче напряжения от источника питания МТК возбуждаются и открывают соответствующие силовые транзисторы. Ротор двигателя приходит во вращение. Через каждые 90° эл. поворота ротора будет возбужден один из МТК, ранее находившийся под действием поля сигнального элемента, что обеспечит создание однонаправленного электромагнитного момента. По мере разгона ротора ВД на секциях да3, да4 вольтодобавочного дросселя L5 появляется треугольное напряжение, которое выпрямляется диодами VD1, VD2, фильтруется линейным дросселем L6 и через диоды VD3 - VD6 подается на коллекторные обмотки трансформаторов МТК-

При достижении определенной частоты вращения вала ВД значение постоянного напряжения после дросселя фильтра L6 становится достаточным для перевода силовых транзисторов VT1 - VT4 в насыщенное состояние. При этом падение напряжения на силовых ключах уменьшается с 1-2 В до 0,1-0,15 В. Это позволяет повысить КПД низковольтных ВД примерно на 2 % и уменьшить площадь радиаторов, рассеивающих тепло, выделяемое в силовых транзисторах.

На рис. 5.11, а приведена схема четырехсекционного ВД, в котором насыщение силовых транзисторов VT2, VT3 и VT6, VT7 составных ключей осуществляется при помощи низковольтных источников напряжения, введенных в их коллекторные цепи. Каждый низковольтный источник образован дополнительной обмоткой вольтодобавочного дросселя L5 и частью витков секций якорной обмотки, соединенных между собой последовательно. Так как для насыщения ПК четырехсекционного ВД требуются четыре низковольтных источника напряжения, то в него вводятся четыре дополнительные обмотки L5.3 - L5.6 вольтодобавочного дросселя, а каждая секция LI-L4 якорной обмотки выполняется с отводом от части витков. Коллекторы входных транзисторов составных ПК соединяются с отводами от части витков коммутируемых ими секций, а коллекторы выходных транзисторов соединяются с выходными концами коммутируемых ими секций через дополнительные обмотки дросселя.

При вращении ротора двигателя в секциях Ы - L4 и в обмотках вольтодобавочного дросселя появляются ЭДС соответственно синусоидальной и треугольной формы. На рис. 5.11,6 для примера показаны ЭДС в\, е2 в части витков секций LI, L2 и ЭДС еаа дополнительной обмотки дросселя ЭДС, действующие в части витков секций и в дополнительных обмотках вольтодобавочного дросселя L5, суммируются. Сумма ЭДС, например e и евд, действующих между коллекторами открытых транзисторов ПК, положительным потенциалом приложена к коллектору выходного транзистора (например, VT2), а отрицательным-к коллектору входного транзистора (например, VT1). Диаграмма суммарной ЭДС е% показана на рис. 5.11,6. Под действием ЭДС е2, имеющей значение около 1 В, составной

ключ полностью насыщается. Так как МДС, создаваемые частями витков секций L1.2, L2.2, L3.2 и L4.2, участвуют в создании электромагнитного момента двигателя, а потери в насыщенных составных ПК предельно уменьшаются, то рассмотренный ВД имеет высокий КПД и небольшие размеры поверхностей радиа-

I I 1

О ТС 2TZ LUt

Рис. 5.11. Четырехсекционный ВД с насыщением составных ключей от низковольтных источников напряжения: а - принципиальная схема; б - временные диаграммы, поясняющие работу ВД

торов, рассеивающих тепло, выделяемое в коммутаторе. Последнему способствует отсутствие в низковольтных источниках рассматриваемого ВД выпрямительных диодов и дросселя фильтра, необходимых в двигателе, показанном на рис. 5.10.

Комплекс положительных свойств МТК открывает широкую перспективу их применения в ВД приводов роботов. Для обеспе-

чения наилучших энергетических и коммутационных свойств ПК, разрабатываемых на основе МТК, необходимо выявить зависимость свойств МТК от значения питающего напряжения, ин-

укции внешнего магнитного поля и основных его параметров.

нализ свойств МТК проводится при следующих допущениях, упрощающих математические выкладки:

1. Кривая намагничивания материала магнитопровода трансформатора МТК имеет вид, показанный на рис. 5.12, а. Такая аппроксимация характеристики намагничивания предполагает, что на участке изменения индукции в магнитопроводе от -Bs

,Рис. 5.12. К анализу электромагнитных процессов в МТК: а - кривая намагничивания магнитопровода трансформатора; б - эквивалентная схема МТК

до -\-Bs его относительная магнитная проницаемость постоянна и определяется выражением

И = Bs/(Hs\i0).

При достижении индукцией в магнитопроводе значения ткВц его относительная магнитная проницаемость становится равной единице.

2. Активное сопротивление обмоток wK, we равно нулю.

3. Напряжение на эмиттерно-коллекторном переходе насыщенного транзистора равно нулю.

4. Сопротивление управляющей цепи транзисторов постоянно. Это допущение будет справедливо в том случае, если постоянное сопротивление /?б (см. рис. 5.8, г) намного больше со-противления /?6-э транзисторов. В дальнейшем будем считать, что значение сопротивления R6-3 учтено при выборе резистора R6.

5. Время переключения транзисторов пренебрежимо мало по сравнению с периодом колебаний МТК-

Эквивалентная схема МТК, соответствующая принятым допущениям, при активной нагрузке показана на рис. 5.12,6. Транзисторы VT1 и VT2 на схеме изображены в виде контактов выключателя. Полагая для определенности, что при включении

МТК открылся транзистор VT1, запишем в операторной форме выражение для его коллекторного тока:

1{Р) = ЩВ1 =- V * / (5.35>

z(p) pRa\ + Л

I RHR6 J

где

RdPL

Z(p) - Ru-\-7--T--полное сопротивление цепи коллек-

R6 + pLT

тора транзистора VT1;

б = ( ) ~ приведенное к первичной цепи сопротивление базовой цепи транзистора;

LT = -j--индуктивность первичной обмотки трансформатора МТК-

Оригинал выражения (5.35) имеет вид

RH + R6

(5.36)

Уравнение равновесия напряжений в коллекторной цепи транзистора VT1

= + (5.37)

где i6 - приведенный ток базовой цепи.

Подставляя в выражение (5.37) значение тока /к и решая его относительно i6, получим

б

яв + яб

Напряжение на первичной обмотке трансформатора Т

(5.38)

uWK = i6R6 = U ° е \ б> . (5.39)

Напряжение на обмотке даб найдем из выражения .

uW6 uwn и + /?,

где п = wq/Wk. - коэффициент трансформации. 1С2

Ток базы открытого транзистора

и,.,. U wK

= 21 = - - e Ч^нЧ) . . (5.40)

Из приведенных выражений видна важная особенность маг-нитотранзисторных ключей - пропорциональность тока г'б в управляющих цепях транзисторов току нагрузки.

При токе базы, определяемом выражением (5.40), максимально возможный ток коллектора равен

. R* + R6 * б

где р - коэффициент усиления по току транзисторов МТК.

Выбирая значение коэффициента wK/wQ, следует учитывать, что для нормальной работы МТК необходимо, чтобы его открытый транзистор находился в состоянии насыщения при значении тока коллектора, определяемом из выражения (5.36), т. е.

и

(Rn + Re) we R*

*н*б ;

R6 Ч +<)

я + яб

Из выражений (5.36) и (5.40) следует, что в момент насыщения магнитопровода трансформатора (LT->-0) ток коллектора возрастает до значения i,max U/RH, в то время как ток базы в конце полупериода принимает наименьшее значение

UwK *(*н+*б) 2

где Г/2 - время одного полупериода работы МТК, которое можно определить после интегрирования в пределах от t = 0 до t= - Т/2 и от В = -Bs до В = -\-Bs соответственно левой и правой частей выражения 7

/ --;-гг- г -..

, U-e = WkS ,

RH + R6 dt

полученного из равенства (5.39).

После интегрирования и упрощения получим :

m*,\s{R+R<) 1п, ;:-: /?Х' 1 2ВМ -----