Система возбуждения асинхронизированной синхронной машины
EXCITATION SYSTEM OF ASYNCHRONOUS SYNCHRONOUS MACHINE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления возбуждением асинхронизированных синхронных машин, которые используются в энергетике для потребления или генерирования активной и реактивной мощности.
Известна система возбуждения асинхронизированной синхронной машины (патент RU 151665, МПК Н02Р 9/38 Н02K 19/36, опубл. 10.04.2015 в Бюл. №10), которую можно принять за близкий аналог по наличию преобразователя частоты в цепи ротора машины двойного питания на полностью управляемых вентилях. Данная система возбуждения реализуется следующим образом. Асинхронизированная синхронная машина, содержащий статор с трехфазной обмоткой и ротор с трехфазной обмоткой, трехфазный мостовой выпрямитель, имеющий катодные и анодные выходы. Анодный выход выпрямителя соединен с катодным входом трехфазногомостового инвертора, выполненного на полностью управляемых вентилях, а катодный выход выпрямителя подключен к анодному входу инвертора. Инвертор содержит обратные диоды, включенные встречно -параллельно каждому управляемому вентилю, блок управления инвертором, содержащий задающий генератор стабильной или регулируемой частоты, распределитель импульсов управления транзисторами инвертора, измерительный орган регулятора напряжения. Концы роторных трехфазных обмоток соединены с входами выпрямителя. Начала статорных обмоток соединены с выходом трехфазного инвертора, а концы статорных обмоток соединены с нагрузкой. Конденсаторы переменного тока подключены к концам роторных и статорных обмоток. В блок управления введено запирающее устройство транзисторов инвертора, соединенное с выходом измерительного органа регулятора напряжения.
Недостатком данной системы возбуждения является невозможность рекуперации энергии между входом выпрямителя и выходом инвертора, так как выпрямитель является нереверсивным, а также наличие конденсатора в цепи возбуждения ротора в качестве звена постоянного тока, что приводит к увеличению массогабаритных показателей установки.
За прототип взята система возбуждения асинхронизированной синхронной машины (патент RU 113440, МПК Н02Р 9/08, опубл. 10.02.2012 в Бюл. №4). Она содержит преобразователь частоты, питающий обмотки ротора и устройство управления, к входам которого подключены выходы датчика напряжения статора и датчика положения ротора, а к выходу - управляющий вход преобразователя частоты. Устройство управления определяет частоту и фазу ЭДС скольжения, наводимой в обмотках ротора вращающимся магнитным полем статора, и формирует на управляющем входе преобразователя сигнал с регулируемой амплитудой, частотой, равной частоте скольжения, и фазой, сдвинутой относительно фазы ЭДС скольжения на заданный угол в сторону опережения при пуске и в сторону отставания при торможении асинхронизированной синхронной машины (АСМ).
Эта система близка к заявляемой по наибольшему количеству конструктивных признаков. К ее недостаткам можно отнести его большие массогабаритные показатели из-за наличия согласующего трансформатора. Отсутствует возможность рекуперации энергии в сеть по цепи ротора в случае использования нереверсивного выпрямителя в преобразователе частоты.
Техническим результатом предлагаемого решения является получение системы возбуждения асинхронизированной синхронной машины с улучшенными массогабаритными показателями, расширенными функциональными возможностями и свободным обменом энергии по цепи ротора с источником питания.
Указанный технический результат достигается тем, что первая, вторая и третья обмотки трехфазного ротора подключены к выходам первого, второго и третьего пятифазных мостовых циклоконверторов, входы которых объединены и подключены к выходам вторичных обмоток двухфазно-пятифазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, входы первой и второй первичных обмоток трансформатора подключены соответственно к выходам первого и второго однофазных мостовых инверторов напряжения, входы которых объединены и подключены к источнику постоянного напряжения, при этом оба однофазных мостовых инвертора напряжения выполнены со 180° алгоритмом управления и широтно-импульсной модуляцией, а их выходные напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°, при этом сигналы на управляемые ключи циклоконверторов формируются системой управления, к входам которой подключены сигналы с датчиков тока и напряжения на выходе источника постоянного напряжения, сигналы датчиков тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора, сигнал с датчика напряжения обмотки статора, сигнал с датчика положения ротора, а также сигнал управления скоростью вращения ротора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым к нему графическим материалом, где на фиг. 1 приведена схема системы возбуждения асинхронизированной синхронной машины, а на фиг. 2 схема пятифазного мостового циклоконвертора.
На схеме системы возбуждения, показанной на фиг. 1, введены следующие обозначения: 1, 2 - зажимы источника постоянного напряжения, 3 - система двух однофазных мостовых автономных инверторов, 4, 5, 6, 7 - датчики напряжения, 8, 9, 10 - датчики тока, 11 - датчик положения ротора, 12, 13, 14, 15 - ключи первого инвертора, 16, 17, 18, 19 - ключи второго инвертора, 20 - двухфазно-пятифазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, 21, 22 - первая и вторая первичные обмотки трансформатора, 23-27 - с первой по пятую фазные вторичные обмотки трансформатора, 28-32 - входы вторичных обмоток трансформатора, 33-37 - входы первого пятифазного мостового циклоконвертора 38, 39-43 - входы второго циклоконвертора 44, 45-49 - входы третьего циклоконвертора 50, 51-56 - выходы первого, второго и третьего циклоконверторов, 57, 58, 59 - первая, вторая и третья обмотки ротора, 60 - система управления, 61 - сеть трехфазного напряжения, 62 - ротор, 63 - статор. На фиг. 2 изображена схема пятифазного мостового циклоконвертора 38, где приняты следующие обозначения: 33-37 - входы первого пятифазного мостового циклоконвертора 38, 64-73 - ключи катодной группы, 74-83 - ключи анодной группы, 51, 52 - выходы циклоконвертора 38.
Элементы устройства соединены следующим образом.
Входы первого и второго инверторов объединены и подключены к зажимам 1, 2 источника постоянного напряжения. Катушка первой первичной обмотки 21 трансформатора подключается к выходу первого однофазного мостового инвертора напряжения, катушка второй первичной обмотки 22 трансформатора подключается к выходу второго однофазного мостового инвертора напряжения. Входы 33-37, 38-43, 45-49 пятифазных мостовых циклоконверторов 38, 44, 50 объединены и подключены к входам 28-32 вторичных обмоток трансформатора 20. Выходы 41, 52 первого циклоконвертора 38 подключены к первой фазной обмотке 57 ротора 62, выходы 53, 54 второго циклоконвертора 44 подключены ко второй фазной обмотке 58 ротора, а выходы 55, 56 третьего циклоконвертора 50 подключены к третьей фазной обмотке 59 ротора. Концы обмоток ротора объединены в общую точку. Обмотки статора 63 подключены к сети трехфазного напряжения 61. Сигналы 84-93 с системы управления 60 поступают соответственно на ключи 64-73 катодной группы первого циклоконвертора 38, а сигналы 94-103 поступают соответственно на ключи 74-83 анодной группы. Аналогичным образом сигналы 104-113 поступают на ключи катодной группы второго циклоконвертора, сигналы 114-123 поступаю на ключи анодной группы второго циклоконвертора. Сигналы 124-133 поступают на ключи катодной группы третьего циклоконвертора, сигналы 134-143 поступают на ключи анодной группы третьего циклоконвертора. Сигналы управления 144-151 поступают на ключи 12-19 автономных инверторов 3. Сигналы с датчиков тока 8 и напряжения 4 на входе системы 3 инверторов поступают на входы 152, 153 системы управления 60. Сигналы с датчиков тока 9 и напряжения 5 первичной обмотки 22 трансформатора поступают на входы 154, 155 системы управления. Сигналы с датчиков тока 10 и напряжения 6 вторичной обмотки трансформатора поступают на входы 156, 157 системы управления, а сигналы с датчика напряжения 7 обмотки статора и датчика положения ротора 11 поступают на входы 158,159 системы управления. Сигналы управления скоростью и моментом ротора поступают на входы 160, 161 системы управления.
Управление системой возбуждения осуществляется следующим образом.
На первую первичную обмотку трансформатора посредством управления ключами первого инвертора, подается напряжение с широтно-импульсной модуляцией, которое формирует ток близкий к синусоидальному, сдвинутый на некоторый угол относительно подаваемого напряжения. На вторую первичную обмотку со сдвигом в 90°, относительно момента подачи импульсов на первую первичную обмотку, подается напряжение с широтно-импульсной модуляцией, которое формирует ток близкий к синусоидальному, сдвинутый на 90° относительно тока на первой первичной обмотке. Таким образом, в сердечнике магнитопровода формируется вращающееся магнитное поле, наводящее в системе вторичной обмотки многофазный ток. На вход первого циклоконвертора подается выходное пятифазное напряжения трансформатора, посредством управления ключами катодной и анодной групп, на выходе циклоконвертора формируется напряжение, близкое к синусоидальному. Работа второго и третьего циклоконверторов аналогична работе первого, но сигнал управления второго циклоконвертора сдвинут относительно сигнала управления первым циклоконвертором на 120°, а третьего на 240°. Первый циклоконвертор формирует напряжение близкое к синусоидальному в первой фазной обмотке ротора, второй циклоконвертор формирует напряжение близкое к синусоидальному во второй фазной обмотке ротора, сдвинутое на угол 120°, относительно напряжения первой обмотки, третий циклоконвертор формирует напряжение близкое к синусоидальному в третьей фазной обмотке ротора, сдвинутое на угол 240°. Частота и амплитуда напряжения ротора регулируется системой управления, на управляющий вход которой поступает сигнал задания скорости ротора. При этом скорость вращения ротора асинхронизированной синхронной машины пропорционально определяется через разность частот напряжений статора и ротора.
Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что улучшаются массогабаритные показатели системы возбуждения и расширяются функциональные возможности.
Изобретение может быть использовано в качестве системы возбуждения асинхронизированных синхронных машин, используемых как в качестве генератора, так и двигателя.