СПОСОБ ПУСКА И БЕСЩЕТОЧНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
METHOD OF STAT-UP AND BRUSHLESS EXCITATION FOR NON-CONTACT ASYNCHRONOUS MACHINE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для пуска и бесщеточного возбуждения синхронных бесконтактных электрических машин специального назначения, не обладающих самозапуском, например, в бортовых системах переменного тока постоянной частоты 400 Гц.
Уровень техники.
Известен способ пуска бесконтактных синхронных машин за счет асинхронного момента, создаваемого благодаря размещению на роторе пусковой обмотки и защитного устройства, шунтирующего вращающийся полупроводниковый преобразователь на время пуска, состоящий в том, что обмотку якоря бесконтактной синхронной машины подключают к сети, а при достижении подсинхронной скорости защитное устройство прекращает шунтировать вращающийся полупроводниковый преобразователь и обмотку возбуждения двигателя (Лищенко А.И. Синхронные двигатели с автоматическим регулированием возбуждения. - Киев.: Техника, 1969, 192 с.).
Недостатками данного способа являются большие пусковые токи, оказывающие неблагоприятное воздействие на питающую сеть, наличие коммутации в цепи ротора снижает надежность.
Известен способ пуска бесконтактных синхронных машин за счет асинхронного момента, создаваемого обмоткой ротора, выполненной с удвоенным числом полюсов и полюсопереключаемой обмоткой якоря, выполненной из двух полуфаз соответственно в каждой фазе (Авторское свидетельство СССР №414687, М.Кл. H02K 19/10, H02K 19/14, 1971 г.).
Недостатком такого способа пуска являются большие пусковые токи, сложная пусковая аппаратура. Кроме того, в известном способе не обеспечивается самосинхронизация бесконтактных синхронных машин в процессе разгона.
6
Известен способ пуска синхронного электродвигателя, описанный в патенте РФ №2014720, МПК H02P 1/50, 1994.
Согласно известному способу, подключают обмотку возбуждения к активному добавочному сопротивлению, а обмотку статора - к питающей сети, измеряют мгновенные значения напряжений на статоре и тока в обмотке возбуждения, определяют скольжение ротора, при достижении скольжением первого заданного значения при каждом провороте ротора относительно поля статора определяют моменты времени для переключении обмотки возбуждения, в соответствии с которыми и чередуют ее подключение к возбудителю с двухполярным форсированным напряжением с подключением к добавочному активному сопротивлению, при достижении скольжением второго заданного значения обмотку возбуждения подключают к возбудителю с постоянным по знаку напряжением, дополнительно измеряют мгновенные значения токов в статоре, определяют знак производной тока в обмотке возбуждения, вычисляют мгновенные значения вращающего электромагнитного момента и фиксируют его максимальные и минимальные значения в течение каждого проворота ротора относительно поля статора, при этом обмотку возбуждения подключают к добавочному активному сопротивлению в моменты фиксации каждого максимального значения вращающего электромагнитного момента, а к возбудителю с форсированным напряжением, полярность которого выбирают совпадающей со знаком производной тока в обмотке возбуждения, подключают в моменты фиксации каждого минимального значения вращающего электромагнитного момента, а подключение обмотки возбуждения к возбудителю с постоянным по знаку напряжением, полярность которого выбирают совпадающей со знаком производной тока в обмотке возбуждения, производят при достижении скольжением второго заданного значения после фиксирования минимального значения вращающего электромагнитного момента.
Недостатком известного способа является применение добавочного активного сопротивления в цепи обмотки возбуждения, так как при определенном управлении работой двухстороннего преобразователя возможно создание режима, эквивалентного введению в цепь обмотки возбуждения активного сопротивления.
6
Известен способ пуска и ресинхронизации синхронной машины, описанный в патенте РФ №2064219, МПК H02P 1/50, 1996.
Согласно известному способу пуска и ресинхронизации синхронной машины с системой возбуждения, содержащей преобразователь с двухсторонней проводимостью, обмотку возбуждения подключают к преобразователю с двухсторонней проводимостью, который переводят в инверторный режим, а обмотку статора подключают к трехфазному напряжению питающей сети, от которой производят пуск и ресинхронизацию, при этом измеряют ток обмотки возбуждения, определяют скольжение и при величине скольжения, соответствующей подсинхронной скорости вращения, переводят упомянутый преобразователь в выпрямительный режим, подавая напряжение в обмотку возбуждения синхронной машины, отличающийся тем, что измеряют ток и напряжение статора и определяют мгновенные значения угла сдвига фаз между током и напряжением, знаки первых производных этого угла и тока в обмотке возбуждения и при скоростях вращения, меньших подсинхронной, производят циклическое управление преобразователем с двухсторонней проводимостью, переводя его из инверторного режима в выпрямительный в момент, когда знак первой производной угла сдвига фаз между током и напряжением статора становится положительным, и переводят указанный преобразователь в инверторный режим в момент, когда знак упомянутой производной становится отрицательным, при этом при переводе преобразователя с двухсторонней проводимостью при циклическом управлении в выпрямительный режим подачу напряжения в обмотку возбуждения синхронной машины осуществляют со знаком, совпадающим со знаком производной тока в обмотке возбуждения, при достижении ротором синхронной машины подсинхронной скорости вращения прекращают циклическое управление проводимостью преобразователя с двухчастотной проводимостью после очередного перевода его в выпрямительный режим.
Недостатком данного способа является отключение как инверторного, так и выпрямительного режима преобразователя с двухсторонней проводимостью в момент включения выпрямительного режима, что снижает средний электромагнитный момент синхронной машины. Как следует из описания изобретения прототипа, включение выпрямительного режима осуществляется, например, при отрицательной первой производной тока возбуждения и положительном значении самого тока возбуждения. При этом выпрямительный режим должен обеспечивать отрицательное выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью. Однако выпрямительный режим возможен только в случае совпадения по направлению (знаку) тока и напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью. Поэтому включения выпрямительного режима не произойдет, а инверторный режим будет отключен. При этом преобразователь с двухсторонней проводимостью остается как без инверторного, так и без выпрямительного режима.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ управления возбуждением синхронной машины, описанный в патенте РФ №2242080, МПК H02P 1/50, 2004.
Согласно известному способу, обмотку возбуждения подключают к преобразователю с двухсторонней проводимостью и производят циклическое управление указанным преобразователем, который переводят в инверторный и выпрямительный режимы, а обмотку статора подключают к трехфазному напряжению питающей сети, от которой производят пуск и ресинхронизацию синхронной машины, при этом определяют частоту вращения и при величине частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, переводят упомянутый преобразователь в выпрямительный режим, подавая постоянное напряжение в обмотку возбуждения синхронной машины, затем определяют угол нагрузки синхронной машины и при частоте вращения, меньшей частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, производят циклическое управление выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью, переводя его из режима положительного напряжения в режим отрицательного напряжения посредством перемены знака выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью (меандра напряжения), приложенного к обмотке возбуждения, в функции угла нагрузки с изменяющимся знаком выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью.
Недостатком известного способа-прототипа является сложность схемы управления переменой знака выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью, приложенного к обмотке возбуждения, в функции угла нагрузки, разбитого на два неравных поддиапазона, причем на этих поддиапазонах знак меняется на противоположный, а так же в зависимости от того, совпадают ли по знаку ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью, его принудительно переводят в выпрямительный или инверторный режим, что снижает надежность функционирования синхронной машины.
Пуск бесконтактных синхронных машин имеет свои особенности. Ввиду полного отсутствия коммутации в цепи ротора бесконтактных синхронных машин, вращающийся полупроводниковый преобразователь системы возбуждения требует специальной защиты от пробоя повышенным напряжением, наведенным в обмотке возбуждения двигателя при пуске или ресинхронизации.
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 обеспечение пуска и расширение функциональных возможностей бесконтактной синхронной машины специального назначения за счет организации работы возбудителя в двигательном и генераторном режимах при одновременном уменьшении расхода материалов, повышении КПД, упрощении 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, в способе пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины, согласно которому подают трехфазное переменное напряжение от внешней сети на обмотку статора, раскручивают ротор синхронной машины до подсинхронной скорости и подают напряжение на обмотку возбуждения синхронной машины от полупроводникового преобразователя, статорную обмотку возбудителя подключают к внешнему источнику трехфазного переменного напряжения на минимальное число полюсов для раскрутки ротора, контролируют обороты ротора синхронной машины до достижения подсинхронной скорости и затем подключают статорную обмотку возбудителя к источнику постоянного напряжения на максимальное число полюсов, при этом величину постоянного напряжения устанавливают меньшей, чем действующая величина переменного напряжения.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
На фиг.1 представлена электрическая схема устройства (вариант), при работе которого реализуется предложенный способ.
2
На фиг.2 изображена диаграмма ЭДС обмотки ротора для полюсности p=3.
1
На фиг.3 изображена диаграмма ЭДС обмотки ротора для трехфазной полюсности p=1 двигательного режима.
Реализация способа поясняется описанием одного из возможных вариантов устройства для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины, состоящего 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 (ПП) 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 1A, 1B 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 способа.
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
1д
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×q.
1
2
1д
1
2
Совмещенная обмотка 3 статора в данном случае выполнена однослойной, трехфазной (1A, 1B, 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 2p=m×2p. Для данной обмотки число пар полюсов генераторного режима равно 2p=6.
2
2
2
1
Для совмещенной обмотки ротора асинхронно-синхронного возбудителя с тремя одинаковыми катушечными группами в фазе с полюсностью p=3 (для фазы 2А это номера 1′, 4′, 7′) катушечные группы каждой фазы сдвинуты относительно друг друга в p=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
2
1
2
Совмещенная обмотка 4 ротора асинхронно-синхронного возбудителя 2 имеет число пар полюсов двигательного режима 2p=2 и число пар полюсов генераторного режима 2p=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=2р×m×q. Причем q≠q.
2
2г
2д
2г
2г
1
Шаг обмотки ротора для поля генератора с полюсностью p=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 p=1-полюсного поля двигателя и трехфазной для p=3-полюсного поля генератора. Она выполнена с тремя 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=p/p×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.
Предлагаемый способ для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактных синхронных машин специального назначения реализуется при работе описанного варианта устройства 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 1A, 1B, 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 2A, 2B, 2C). 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.
Напряжение постоянного тока выбирается меньшим, чем действующее напряжение трехфазной сети для того, чтобы обеспечить возможность независимого существования магнитных полей в виде суперпозиции, которая обеспечивает возможность одновременной подачи переменного напряжения на контакты 1A, 1B, 1C и постоянного напряжения на контакты 01 и 02.
2
Протекающий в совмещенной трехфазной, состоящей из 3-х параллельных ветвей для полюсности p=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 способа 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 коммутационных устройствах в цепи обмотки ротора и дополнительных обмотках на статоре и роторе. Как следствие, улучшается использование активных материалов, повышается надежность и упрощается процесс запуска. В виду того, что мощность возбуждения в бесконтактной синхронной машины составляет порядка 6-10% от ее номинальной мощности, будут обеспечены благоприятные условия для питающей сети во время пуска.