УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПУСКА И БЕСЩЕТОЧНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
DEVICE FOR START-UP AND BRUSHLESS EXCITATION OF NON-CONTACT SYNCHRONOUS MACHINE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для пуска и возбуждения синхронных бесконтактных электрических машин специального назначения, например в бортовых системах переменного тока постоянной частоты 400 Гц.
Уровень техники
2
Известно устройство для пуска и бесщеточного возбуждения синхронной машины, включающее обращенный синхронный возбудитель, обмотка возбуждения которого соединена с управляемым неподвижным выпрямителем, подключенным через силовой трансформатор к обмотке якоря синхронной машины, и асинхронный двигатель-возбудитель, совмещенные на одном магнитопроводе, имеющий дополнительную обмотку статора, электрически совмещенную с обмоткой возбуждения обращенного синхронного возбудителя, при этом обмотка якоря синхронного возбудителя и обмотка ротора асинхронного двигателя-возбудителя соединены последовательно и через вращающийся выпрямитель подключены к обмотке возбуждения синхронной машины. Основная обмотка статора асинхронного двигателя возбудителя через пусковые контакты двухпозиционного переключателя подключена к сети переменного тока, а через рабочие контакты, неподвижный симисторный преобразователь и силовой трансформатор соединена с обмоткой якоря синхронной машины, асинхронный двигатель-возбудитель имеет дополнительную обмотку на статоре, выполненную электрически совмещенной с обмоткой возбуждения обращенного синхронного возбудителя, подключенную своими трехфазными зажимами к сопротивлениям (А.С. СССР №649111, МКИ Н02Р 1/46, опубл. 1979).
Недостатками известного устройства являются наличие дополнительной обмотки статора асинхронного двигателя возбудителя, силового трансформатора, блока пусковых сопротивлений и управляемого выпрямителя, что существенно усложняет утяжеляет конструкцию, что затрудняет использование устройства в бортовых условиях. Кроме того, высока вероятность выхода из строя диодов вращающегося выпрямителя при пуске и самосинхронизации синхронной машины, что снижает надежность и ресурс устройства.
Известно устройство для пуска и возбуждения синхронной машины, состоящее из синхронного генератора, синхронного возбудителя обращенной конструкции, подвозбудителя, выполненного конструктивно в виде отдельной электрической синхронной машины с магнитоэлектрическим возбуждением и автоматическим регулятором возбуждения. Обмотка возбуждения возбудителя через статический преобразователь подключена к зажимам якорной обмотки подвозбудителя. Якорная обмотка возбудителя через вращающийся преобразователь подключена к обмотке возбуждения синхронного генератора. Автоматический регулятор возбуждения запитан от якорной обмотки подвозбудителя (Глебов Н.А., Логинов С.И. Системы возбуждения и регулирования синхронных двигателей - Л.: Энергия, 1972. C.113).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции из-за наличия трех электрических машин, выполненных в различных магнитных системах и размещенных на одном валу, что удлиняет и утяжеляет агрегат, удорожает и усложняет процесс изготовления и эксплуатации устройства.
Наиболее близким решением к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату, является устройство (выбранное в качестве прототипа), состоящее из возбуждаемой (основной) синхронной машины, обращенного синхронного возбудителя, асинхронного и индукторного подвозбудителей, совмещенных в общей магнитной системе, обмотки возбуждения, подключенной посредством статического преобразователя к якорной обмотке асинхронного подвозбудителя, расположенных на роторе обмоток, вращающегося полупроводникового преобразователя и регулятора возбуждения (патент РФ №2095923, МПК: Н02К 19/38, опубл. 1997). Перечисленные существенные признаки прототипа совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.
Недостатком известной конструкции является наличие трех электрических машин, выполненных в общей магнитной системе и наличие четырех расположенных на статоре обмоток, наличие в части полюсов постоянных магнитов, двух статических регуляторов, что удорожает и усложняет процесс изготовления и эксплуатации устройства. Кроме того, наличие четырех обмоток делает устройство чрезмерно материалоемким и затрудняет его применение для бортовых условий эксплуатации.
Задачей заявленного изобретения является улучшение пусковых характеристик бесконтактной синхронной машины, состоящей из основной бесконтактной синхронной машины и бесщеточного асинхронно-синхронного возбудителя, повышение надежности и упрощении конструкции для обеспечения возможности работы на борту летательного аппарата.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей возбудителя за счет обеспечения работы в двигательном и генераторном режимах при одновременном уменьшении расхода материалов, повышении КПД, упрощении конструкции и снижении материалоемкости изготовления возбудителя за счет использования в двигательном и генераторном режимах работы общей магнитной системы (совмещение магнитных цепей) и одних и тех же катушечных групп (совмещение электрических цепей).
Технический результат достигается тем, что устройство для пуска и бесщеточного возбуждения синхронной машины, включающее основную синхронную машину, обращенный синхронный возбудитель основной синхронной машины в обшей магнитной системе с асинхронным подвозбудителем, выполненным в виде асинхронного двигателя, обмотку возбуждения синхронного возбудителя, расположенную на роторе обмотку и вращающийся полупроводниковый преобразователь, а так же регулятор возбуждения, снабжено коммутатором режимов и переключателями обмоток, при этом последние выполнены в виде катушечных групп в неявнополюснои магнитной системе статора и ротора, а магнитная система выполнена совмещенной по магнитным потокам с меньшим числом полюсов для двигательного режима работы и большим числом полюсов для генераторного режима работы, при этом катушечные группы обмотки статора выполнены в виде коммутируемых в две параллельно соединенных трехфазных звезды для включения в режиме двигателя, катушечные группы обмотки ротора выполнены для двигательного режима девятифазными короткозамкнутыми, а для генераторного режима трехфазными с тремя параллельными катушечными группами в каждой фазе, коммутатор режимов связан с переключателями обмотки для подключения постоянного тока к нулевым выводам трехфазных звезд в генераторном режиме работы и коммутации основной синхронной машины на внешнюю сеть.
Таким образом, упрощение конструкции и снижение материалоемкости достигается за счет использования в генераторном и двигательном режимах работы возбудителя одних и тех же катушечных групп обмоток и общей магнитной системы. Изобретение поясняется чертежами, на которых:
На фиг.1 представлена электрическая схема устройства.
2
На фиг.2 изображена диаграмма ЭДС обмотки ротора для полюсности р=3.
1
На фиг.3 изображена диаграмма ЭДС обмотки ротора для трехфазной полюсности p=1 двигательного режима.
Устройство для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины состоит из основной бесконтактной синхронной машины 1 с асинхронно-синхронным возбудителем (АСВ) 2 с совмещенной обмоткой 3 статора и совмещенной обмоткой 4 ротора, вращающегося полупроводникового преобразователя 5, регулятора тока возбуждения 6, коммутатора режимов 7, измерителя частоты вращения ротора бесконтактной синхронной машины 8 и контактов переключателей 9, 10, 11. Совмещенная якорная обмотка 4 АСВ 2 через вращающийся полупроводниковый преобразователь 5 подключена к обмотке возбуждения синхронной машины 1. Совмещенная обмотка статора 3 АСВ 2 своими нулевыми выводами 01 и 02 подключена посредством рабочих контактов переключателя 9 через коммутатор режимов 7 к выходной цепи постоянного тока регулятора тока возбуждения 6, а своими трехфазными выводами 1А, 1В и 1C обмотка 3 через пусковые контакты переключателя 10 коммутатора режимов 7 подключена к внешней сети переменного тока постоянной частоты 400 Гц. Контакты переключателя 11, связанного с коммутатором 7, предназначены для подключения синхронной машины 1 к трехфазной сети переменного тока.
Пример реализации
Асинхронно-синхронный возбудитель 2 представляет собой неявнополюсную электрическую машину с совмещенными обмотками ротора и статора, расположенными в общем магнитопроводе и конструктивно выполненный в одном корпусе с синхронной машиной.
1
1
1
1
1
1
lд
1
Статор асинхронно-синхронного возбудителя 2 содержит Z=24 паза, число которых в общем случае равно произведению числа пар полюсов двигательного режима 2p, числа фаз двигательного режима статорной обмотки мд и отношением числа пазов на полюс и фазу q, то есть Z=2p×m×2p.
1
2
1д
1
2
Совмещенная обмотка 3 статора в данном случае выполнена однослойной, трехфазной (1А, 1В, 1C) с диаметральным шагом и числом пар полюсов для двигательного режима 2p=2. При запитывании такой обмотки постоянным током через нулевые выводы 01 и 02 в пространстве воздушного зазора асинхронно-синхронного возбудителя создается неподвижное магнитное поле с числом полюсов, равным в общем случае произведению числа фаз двигательного режима на число пар полюсов двигательного режима, то есть 2р=m×2p. Для данной обмотки число пар полюсов генераторного режима равно 2р=6.
2
2
1
Для совмещенной обмотки ротора асинхронно-синхронного возбудителя с тремя одинаковыми катушечными группами в фазе с полюсностью р=3 (для фазы 2А это номера 1′, 4′, 7′) катушечные группы каждой фазы сдвинуты относительно друг друга в р=3-полюсном поле генератора на угол α=p×2π=360°. Катушечные группы соединены параллельно и образуют фазу генератора (например, 2А-0). Точно также параллельно соединены катушечные группы в двух оставшихся фазах генератора (2В-0; 2С-0).
1
2
2г
2г
2
1
2
2
1
2д
2
2
1
2д
1
2
Совмещенная обмотка 4 ротора асинхронно-синхронного возбудителя 2 имеет число пар полюсов двигательного режима 2p=2 и число пар полюсов генераторного режима 2р=6, выполнена в двухслойном исполнении с числом фаз в генераторном режиме равным трем (m=3), соединенная в a=p/p=3 три параллельные ветви, размещенная в Z=36 пазах. В общем случае число пазов ротора Z определяется произведением числа пар полюсов двигательного режима 2p на число фаз двигательного режима обмотки ротора М и отношения числа пазов на полюс и фазу q, то есть Z=2p×m×q2. Причем q≠q.
2
2г
2д
2г
2г
1
Шаг обмотки ротора для поля генератора с полюсностью р=3 выбирается несколько большим полюсного деления. В двигательном режиме работы возбудителя все m=3 фазы генератора образуют отдельные короткозамкнутые системы, эквивалентные m=a×m=9 фазной обмотке для трехфазной полюсности p=1 двигательного режима (Попов В.И. Электромашинные совмещенные преобразователи частоты. - Москва. Энергия, 1980, 175 с.).
1
2
2
1
1
2
1
2
Совмещенная обмотка 4 ротора асинхронно-синхронного возбудителя 2 выполняет одновременно функции двух разнополюсных обмоток: девятифазной короткозамкнутой для р=1-полюсного поля двигателя и трехфазной для р=3 - полюсного поля генератора. Она выполнена с 3-мя параллельными ветвями в фазе генератора, число которых зависит от отношения пар полюсов 2p/2p. Для данной обмотки ротора три одинаковые катушечные группы в фазе генератора (для фазы 2А это 1′, 4′, 7′) сдвинуты друг относительно друга в p=1 - полюсном поле двигателя на угол α=р/р×2π=120° и при их параллельном соединении образуют трехфазную симметричную короткозамкнутую систему (1′, 4′, 7′) для двигательного режима работы (фиг.3)
1
При этом на выводах фаз генератора 2А-0, 2В-0, 2С-0 отсутствует ЭДС скольжения в силу симметрии параллельных ветвей. Все три фазы генератора образуют три отдельные короткозамкнутые системы для поля двигателя полюсности p=1, эквивалентные общей девятифазной обмотке ротора.
Предлагаемое устройство для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактных синхронных машин работает следующим образом.
Пусковой режим. По сигналу коммутатора 7 через контакты переключателя 10 напряжение сети переменного трехфазного тока постоянной частоты 400 Гц подается на совмещенную статорную обмотку 3 (клеммы 1А, 1В, 1C) асинхронно-синхронного возбудителя 2 и формирование асинхронного пускового момента происходит за счет взаимодействия вращающегося потока статора, созданного токами, протекающих в совмещенной обмотке 3 статора, состоящей из двух параллельно соединенных трехфазных звезд и потока ротора, созданного токами, протекающими в контурах девятифазной короткозамкнутой совмещенной обмотке 4 ротора. В силу симметрии фаз обмотки ротора напряжение на диодах вращающегося полупроводникового преобразователя 5 в пусковом режиме практически равно нулю (выводы 2А, 2В, 2С). Так как в процессе пуска синхронная машина 1 не возбуждена, разгон ее до подсинхронной скорости происходит сравнительно быстро. По достижении подсинхронной скорости возбуждение синхронной машины 1 осуществляется за счет питания обмотки 3 статора асинхронно-синхронного возбудителя 2 через нулевые выводы 01 и 02 постоянным током от регулятора возбуждения 6 через коммутатор режимов 7 и контакты переключателя 9. Контакты 9 замыкаются по сигналу измерителя частоты вращения 8 ротора синхронной машины 1. После выполнения условий самосинхронизации якорная цепь синхронной машины 1 коммутатором режимов 7 через контакты переключателя 11 подключается к сети переменного трехфазного тока, одновременно обесточивая цепь питания переменным трехфазным током статорной обмотки 3 асинхронно-синхронного возбудителя 2, размыкая контакты переключателя 10. При этом возбудитель прекращает работу в двигательном режиме и переходит к генераторному режиму, обеспечивая ток в обмотке возбуждения синхронной машины 1.
В рабочем режиме синхронной машины 1 управление ее возбуждением осуществляется регулятором возбуждения 6, питающим постоянным током нулевые выводы 01 и 02 совмещенной обмотки 3 статора асинхронно-синхронного возбудителя 2 через коммутатор режимов 7 и контакты переключателя 9.
2
Протекающий в совмещенной трехфазной, состоящей из 3-х параллельных ветвей для полюсности р=3 обмотке 4 ротора переменный ток выпрямляется вращающимся полупроводниковым преобразователем 5 и подается на обмотку возбуждения синхронной машины 1, обеспечивая ее стабильную работу.
Достоинством предлагаемого устройства для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины за счет применения асинхронно-синхронного возбудителя с совмещенными электрическими и магнитными цепями является повышение надежности и упрощение конструкции, исключается возможность выхода из строя элементов полупроводникового преобразователя в процессе пуска и самосинхронизации синхронной машины, отпадает необходимость в дополнительных обмотках на статоре и роторе. Как следствие, улучшается использование активных материалов устройства, повышается надежность и упрощается само устройство.