Устройство для возбуждения бесщеточных электрических машин

Патент 692052

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

, м т н." т в i) а ..(f.,, .1

ОПИСАНЙЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслублни (. 692052 (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 06.09.76 (21) 2396324/24-07 с присоединением заявки РЙ{23) ПриоритетОпубликоваио 1д.10.79. Бюллетень М 38

Дата опубликования описания 18.10.79 (Я)м. Кл.

Н 02 P 9/14„

Н 02 P 7/52

Гооударотоонный ноинтет

СССР но делам нзобретоннй н отнритнй (53) УДК629.113. .066:6 21. 316. . 728(088.8) Л, 3. Мадорский, К В. Лапаев, И. С. Николаева и В. М, Фукс (72) Авторы изобретения (7I) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ БЕСЩЕЧОЧНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в устройствах для возбуждения бесшеточных электрических машин, преимущественно для машин, получающих энергию возбуждения от обращенного син5 хронного возбудителя.

Известны устройства для возбуждения бесшеточных электрических машин, содер- >о жащие вращающийся выпрямитель, возбудйтель, выполненный в виде синхронной машины с явнополюсным индуктором на статоре {обращенный синхронный возбудитель), на котором размещены обмотки возбуждения возбудителя постоянного тока, подсоединенные через регулятор soaбуждения K зажимам статора бесщеточной машины и через выпрямитель к статической обмотке переменного тока, расположенной на том индукторе возбудителя не-! посредственно в пазах полюсных наконечников, либо в межполюсном пространстве

М2

Подсоединение выпрямителя к статической обмотке переменного тока расположенной на возбудителе, обеспечивает его самовозбуждение в режймах начального пус ка и коротких замыканий на статоре бес щеточкой машины, что упрощает ее конст-, рукцию, так как при этом не требуется дополнительного независимого источника питания или подвозбудителя.

Упомянутый выпрямитель выполнен в виде неуправляемого или управляемого тнристорного преобразователя со схемой управления, подсоединенной к той же стати ческой обмотке переменного тока и к регулятору возбуждения.

Несмотря на ряд достоинств бесщеточ» ной машины с возбудителем и тиристорным преобразователем, применение указанного возбудителя для делей регулирования затруднено ввиду больших реактансов и значительных искажений формы питающего напряжения sa укаэанной статической обмотке переменного тока. Кроме того, вследствие оообенностей конструктивного

692052

3 выполнения частота питеюшего непряжения на статической обмотке переменного тока возбудителя превышает частоту контролируемого напряжения на зажимах стетора бесшеточной машины, что вызывает допол5 нительные трудности при синхронизации воздействий регулятора возбуждения и схемы управления тиристорным преобразователем. другое известное устройство с управляемым выпрямителем и полупроводниковым ключом, подсоединенным к регулятору, устраняет ряд указанных недостатков.

Зто устройство содержит вентильный преобразователь на тиристорех и формиро- t5 ватель импульсов (называемый также схемой управления тиристорным преобразователем), подаюший при включении релейного элемента (транзисторного ключа) отпираюший импульс на соответствуюший 20 вентиль.

Формирователь импульсов выполнен в

4 виде упревляюшего выпрямителя на диодах и разделительных импульсных трен форматорах, первичные обмотки кото рых включены последовательно с диодами, а вторичные подключены к управляюшим цепям тиристора согласованно с полярностью подключения первичных обмоток, На выходе управляюшего выпрямителя последовательно с нагрузкой установлен транзисторный ключ, к входу которого под соединен резистор уставки скорости врашенин двигателя 2

Однако у известного устройства имеются значительные конструктивные и параметрические недостатки, определяемые в первую очередь длительными по времени процессами коммутации. Повышенная длительность коммутации, вызванная срав40

Ф нительно большими реактансеми статичес-кой обмотки переменного тока, не позволяет сформировать импульсы управления с требуемыми по . техническим условиям параметрами при приемлемых габаритах

-.импульсных трансформаторов. ,другим недостатком известного устройства применительно к их использованию в бесшеточнйх машинах является

56 сравнительно низкая структурная надежность управлявшего канала.

При случайном пробое, найример, транзисторного ключа, схема управпенйя переводит тиристорный преобразователь в фор55 сировочный режим. При этом увеличиваются ток возбуждения и напряжение на вра

1 шеюшихся обмотках переменного тока возбудителя. Растет ток,возбуждения маши4 ны и напряжение на ее стеторе, причем этот процесс носит левинообразиый характер и приводит к значительным перенапряжениям не статоре из-за положительной обратной связи по питанию тиристорного преобразователя, так как напряжение на статических обмотках переменного тока находится в прямой зависимости ст токе возбуждения машины.

Известно также устройство для возбуждения бесшеточных электрических машин, содержешее врашеюшийся выпрямитель, подключенный к расположенной на роторе якорной обмотке обрашенного возбудителя, на статоре которого резмешены обмотка возбуждения и обмотка переменного тока, связанные между собой через тиристорный преобразователь, схема управления которого выполнена не основе управляюшего выпрямителя на диодах, вкл» ченных последовательно с первичными обмотками импульсных трансформаторов, вто ричные обмотки которых через разделительные диоды подключены к управляюшим цепям тиристоров, а в цепи нагрузки уп равляюшего выпрямителя установлен транзисторный ключ, соединенный по цепи управления с регулятором возбуждения, вход которого подключен к статорным обмот кам машины, и релейный элемент f3).

B этом устройстве врешаюшаяся обмотка возбуждения основной машины питается от выпрямителя на силовых диодах, подключенных к расположенным на роторе обмоткам переменного тока возбудителя. На статоре возбудителя смонтированы две об» мотки возбуждения возбудителя. К одной обмотке подключен неуправляемый выпрямитель и трансформатор компаундирования, к другой - тиристорный преобразователь.

Напряжение к тиристорному преобразователю подается от подвозбудителя.

Формирователь импульсов не упревляюшем выпрямителе с включенным в цепь диодов импульсными трансформаторами и транзисторным ключом образуют систему управления. К входу транзисторного ключа подключен регулятор возбуждения. Подмагничивание при первоначальных пусках осушествляется встроенными в возбудитель постоянными магнитами. Подвозбудитель может выполняться на любое напряжение и частоту, вследствие чего упревляюший канал бесшеточной мешины содержит блоки приемлемых габаритов.

При случайном выходе из строя канала регулирования с тиристорным преобразователем управление возбуждением мо692052 жет вестись по каналу компаундирования.

Следовательно, схема устройства обладает достаточной структурной надежностью.

Недостатком этого устройства является так называемая схемная избыточность". использование подвозбудителя, применение дополнительного канала компаундирования и выполнение возбудителя с двумя обмотками постоянного тока на роторе, что приводит к значительному усложнению уст- 10 ройства управления, увеличению его габаритов и к утяжелению бесшеточной машины в делом.

IJenb изобретения вЂ” снижение габаритов и повышение надежности. 15

Для этого последовательно с транзисторным ключом установлен высокочастотный коммутатор, подключенный через релейный элемент к статорным обмоткам машины, при этом вторичные обмотки импуль20 сных трансформаторов подсоединены к уцравляюшим цепям тиристоров встречно по отношению к полярности первичных обмоток.

Такое выполнение устройства позволяет за счет использования отдельной обмотки переменного тока, установленной на индукторе возбудителя,,сократить возбудительное оборудование и обеспечить требуемое регулирование в режимах начального З0 пуска и коротких замыканий.

Подключение высокочастотного коммутатора последовательно с транзисторным ключом переводит работу управляющего выпрямителя в режим рабогы, определяемый коммутацией его нагрузки по двум признакам вЂ” низкочасто 1ным переключениям транзисторного ключа в соответствии с воздействиями регулятора возбуждения, 40 и независящим высокочастотным переключением, что позволяет существенно снизить габариты управляющей части при любых реактансах питающего источника, в том числе при больших реактансах обмотки пе45 ременного тока на возбудителе. ,Подключение вторичных обмо IoK импульсных трансформаторов к управляющим цепям тиристорного преобразователя через диоды встречно полярности подключения

50 первичных обмоток к диодам управляюшего выпрямителя позволяет сформировать требуемые по техническим условиям импульсы управления при миним ных габаритах ферритовых сердечников и уменьшить потреб55 ляемую мощность.

Соединение высокочастотного коммутатора со статором через релейный элемент обеспечивает параллельно с рег улятором

6 возбуждения вторую ветвь управления в режимах перенапряжений, что увеличивает надежность устройства возбуждения машины при случайных отказах отдельных элементов.

На фиг. 1 - устройсгво возбуждения бесшеточной электрической машины, принципиальная хемаа; на фиг. 2 - подключение системы управления к тиристорному преобразователю, принципиальная схема; на фиг. 3 - временные диаграммы, пояс няюшие работу системы управления тиристорным преобразователем применительно к синусоидальной форме питающего напряжения.

Устройство для возбуждения бесшеточной электрической машины (фиг. 1) рассматривается на примере устройства автоматического регулирования возбуждения синхронной машины l, работающей в режиме генератора энергии. Устройство содержит вращающийся на роторе выпрямитель 2, предназначенный для преобразования переменного напряжения роторной обмотки 3, обращенного синхронного воэбу« дителя в постоянное напряжение, статор

4 возбудителя, на котором расположены статическая обмотка 5 переменного тока и обмотка р возбуждения возбудителя, тиристорный преобразователь 7, собранный на мостовой схеме выпрямлении, регулятор 8 возбуждения, подключенный к зажимам электрической машины и к измерительному трансформатору 9 тока, систему управления указанным преобразователем или формирователь импульсов, состоящий из управляющего выпрямителя 10, его нагрузки 11; транзисторного ключа 12 и высокочастотного транзисторного коммутатора 13, входная цепь которого подсоединена к высокочастотному полупроводниковому генератору 14.

Управляющий выпрямитель 10 собран на диодах 15, включенных последователь-но с первичными обмотками 16 импульсных трансформаторов 17, по схеме соединения вентилей тиристорного преобразователя вторичные обмотки 18 указанных трансформаторов подключены через разделительные диоды 19 и резисторы 20 к управляющим пеням вентилей тиристорного преобразователя встречно по отношению к полярности подключению первичных обмоток. Релейный элемент 21 включен меж ду статорными обмотками машины и од » ным из входов высокочастотного полупроводникового генератора 14.

692052

Регулятор 8 возбуждения осуществляет широтно-импульсное управление транзисторным ключом 12, при замыкании которого высокочастотный транзисторный коммутатор 13 подключает к управляюшему выпрямителю 10 его нагрузку 11 с частотой, на несколько- порядков превышающей частоту питавшего напряжения. Для питания высокочастотного генератора 14 исподьзуется ЭБС статорной обмотки 5 to переменного тока, возбудителя; этот же источник питания обеспечивает насыщение транзисторного ключа 12 в режимах начального возбуждения и короткого замыкания электрической машины. При случайном пробое ключа 12 и аварийном перенапряжении на шинах статора синхронного генератора срабатывает репейный элемент 21 и отключает вьтсокчастотньтй коммутатор 13.

Тем самым размыкается нагрузка 11 на выходе управляющего выпрямителя 10, исчезают имйульсьт управления тиристорным преобразователем 7, и ой запирает25 ся. При этом производится развозбуждение синхронного генератора.

На фиг. 2 в качестве варианта устройства возбуждения бесшеточных электрических машин приведено трехфазное выпол30 нение статорной обмотки 5 переменного тока возбудителя, питающей тиристорный преобразователь 7 и систему управления тиристорным преобразователем.

В момент подключения нагрузки к управляющему выпрямителю по элементам

35 систейи управления протекает ток, напри« мер, под действием фазных напряжений

Сд и 9с ток течет по цепи: статорная обмотка 5 переменного тока, диод 15-1 ка40 тодной группы, первичная обмотка 16 им«. пульсного трансформатора 17-3.„нагрузка 11, транзисторный ключ 12, высокочастотный транзисторный коммутатор 13, диод анодной группы 15-2, первичная об45 мотка 16 импульсного трансформатора

17-2, фаза статорной обмотки 5 переменного тока. При протекании тока через первичные обмотки 16 импульсных трансформаторов 17 на них формируются импульсы, длительность которых равна времени замыкания выСокочастотного транзисторного коммутатора 13. Энергия этих импульсов запасается в намагиичиваюшем . контуре импульсных трансформаторов 17 при разомкнутой нагрузке, так как разделительные диоды 19 йрактически отделяют вторичные обмотки 13 от управляв- ших переходов тиристоров. Резисторы 20, шунтируюшие управляющие цепи тиристоров, оказываются включенными последовательно с высоким обратным сопротивлением диодов 19, снижая обратное напряжение на указанных переходах, тем самым известное включение резисторов 20 в данном применении несет дополнительные функции. При запирании высокочастотного транзисторного коммутатора 13 запасенная в намагничиваюшем контуре импульсных трансформаторов 17 энергия расходуется на формирование управляющего импульса, причем параметры управляющего перехода определяют амплитудное значение напряжения импульса, а величина запасенной энергии вЂ” его ток.

Скорость нарастания тока импульсов управления тиристорами задается крутизной фронта запирания высокочастотного транзисторного коммутатора 13 вне зависимости от характера коммутации диодов

15 управляющего выпрямителя.

На фиг. 3 приведены эпюры токов и напряжений элементов устройства возбуждения электрической машины применительно к трехфазному варианту исполнения возбудителя:

Ц - - фазньте напряжения Яд на статорной обмотке 5 переменного тока возбудителя;

Ц вЂ” напряжение управления вьтсокочастотного транзисторного ком» мутатора 13, импульсы управления соответствуют закороченному состоянию коммутатора;

Uaz - напряжение управления транзисторного ключа 12, интервал

"т1 соответствует замкнутому состоянию ключа, а интервал

"т1 ". - разомкнутому;

- напряжение на нагрузке 11 уп1 равляюшего выпрямителя;

- токи через соответствующие диоды (1 51, 1 5,2, 15-6) управляющего выпрямителя;

"z» Оип1 4п ь напряжeH«управления тиристоров 7-1, 7-2, 7-6).

Импульсы, поступающие на управляющие цепи тиристоров, появляются в интервалах между импульсами тока через диоды 15 управляющего выпрямителя и оказываются окончательно сформированными по требуемым параметрам как в начале коммутации тиристоров, так и во всех остальных режимах работы управляем»г» преобразова теля.

69 205 2

11ри замкнутом транзисторном ключе

12 на вторичных обмотках импульсных трансформаторов 17 появляются пачки высокочастотных импульсов длительностью, соответствующей интервалу протекания то- 5 ков через диоды 15 управляющего выпрямителя, Фазировка пачек импульсов относитель» но енодного напряжения вентилей тиристорного преобразователя 7 осуществляется 10 так, чтобы первые импульсы пачек попадали на управляющую цепь вентиля в момент его естественной коммутации. При отпирании вентилей тиристорный преобразователь 7 работает в режиме неуправля- 15 емого.выпрямителя. Ток в обмотке 6 возбуждения возбудителя возрастает, при этом увеличивается напряжение на роторной обмотке 3 переменного тока и напряжение на вращающемся выпрямителе 2.

Ток в индукторной обмотке синхронной машины 1 возрастает и напряжение на ее зажимах растет. При параллельной работе с сетью неограниченной мощности рассмотренный процесс ведет к увеличе25 нию генерируемого реактивного тока.

Размыкание транзисторного ключа 12 вызывает пропадание импульсов управления, в этом случае вентили тиристорного

30 преобразователя 7 закрычьт. В результате начинает снижаться ток обмотки 6 возбуждения возбудителя, ук4еньшаются напряжение на роторной обмотке переменного тока 3 и напряжение на вращающемся вы прямителе 2. Ток в индукторной обмотке35 синхронной машины 1 понижается и, следовательно, уменьшается напряжение на ее зажимах.

В целях увеличения быстродействия ре40 гулирования может быть использован инверторный режим работы тиристорного преобразователя 7. Для этого в рассматриваемое устройство вводится второй управляющий выпрямитель, нагрузка которого под45 ключвна к высокочастотному транзисторному коммутатору.

При этом фазировка пачек инвертор7 тх импульсов выполняется со сдвигом

7 Й 50 относительно начала основных выпрямительных импульсов, где m число фаз питающего напряжения.

Процесс регулирования возбуждения электрической машины в статических и динамических режимах осуществляется чередованием открытого и закрытого состояния вентилей тиристорного иреобразоваTBJIH.

B устройстве возбуждения тиристорный преобразователь, выполненный по мостовой схеме выпрямления и управляемый релейно-импульсной системой, не нуждается в дополнительных запускающих элементах, так как требуемые по энергии импульсы управления одновременно появляются на двух вентилях тиристорного преобразователя (один - в катодной, другой - в анодной группах): поскольку формирование этих импульсов определяется моментом размыкания высокочастотного транзисторного коммутатора. При расчете элементов системы управлений на частоту, значительно превышающую частоту питающего напряжения, и с учетом сниже« ния энергии, затрачиваемой на формирование управляющих импульсов при встречном включении обмоток импульсных трансформаторов, удается существенно уменьшить габариты и потребляемую мощность системы управления. Импульсные трансформаторы, используемые в системе управления, выполняются на малогабаритных броневых сердечниках из ферритовых ма« териапов, технология изготовления которых значительно упрощена, так как катушки заготавливаются отдельно и затем встраиваются в сердечник. Технологический зазор между чашками сердечника позволяет отстроиться от разбросов магнитной проницаемости ферритов, что существенно при массовом изготовлении импульсных трансформаторов. Уменьшение тока нагрузки управляющего выпрямителя позволяет значительно снизить мощность выходного сигнала perks тора возбуждения, что ведет к уменьшению его габаритов.

При сопоставимых мощностях применяемых возбудителей и блоков управления рассматриваемое устройство обладает большим быстродействием по сравнению с известными системами возбуждении бесшеточных электрических машин с вращаю« шимися неуправляемыми выпрямителями.

Значительное снижение весогабаритных показателей и упрощение элементов уст-ройства возбуждения позволяет карди нально решить вопрос о размещении непосредственно на корпусе электрической машины всего оборудования автоматическог регулирования.

Формула изобретения

Устройство для возбуждения бесшвточ ных электрических машин, содержащее

692052

11 врашвюшийся выпрямитель, подключенный к расположенной на роторе якорной обмотке обращенного возбудителя, на статоре которого размешены обмотка возбуждения и обмотка переменного тока, связанные между собой через тиристорный преобразователь, схема управления которого выполнена на основе упрввляюшего выпрямителя-на диодах, включенных последовательно с первичными обмотками импульсных to трансформаторов, вторичные обмотки которых через разделительные диоды подключены к управляющим цепям тиристоров, а

s цепи нагрузки уйравляюшего выпрями теля установлен транзисторный ключ, сое- 15 диненный по цепи управления с регулято ром возбуждения, вход которого подключен к статорным обмоткам машины, и релейный элемент, о тл и ча юmе ес я тем, что, с целью снижения габаритов и повышения надежности, последовательно с транзисторным ключом установлен высокочастотный коммутатор, подключенный через релейный элемент к статорным обмоткам машины, при этом вторичные обмотки импульсных трансформаторов подсоединены к упрввляюшим цепям тиристоров встречно по отношению к полярности первичных обмоток.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Англии М 1361273, кл. Н2А, 1971, 2. Авторское свидетельство СССР

М 201497, кл. Н 02 Р 5/12, 1967.

3. Патент США l4 2863337, кл. 29-630С, 1975.