УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Устройство импульсного возбуждения синхронной машины
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в системах возбуждения синхронных машин. К аналогам устройства относятся;
1.Устройство для управления тиристорным выпрямителем. Авторское свидетельство СССР №551796 кл. Н02Р 13/16. опубл. в БИ, 1977, №11.
2.Кузнецов И.Е.. Кулаков Ю.П., Релин А.Б. Анализ коммутационных процессов и повышение коэффициента мощности тиристорного возбудительного устройства МОЩНОГО синхронного двигателя. - Электротехн. пром-сть. Сер. Преобразовательная техника, 1975, вып. 7(66). с. 18-22.
3.Абрамович Б.Н. и др. Электромеханические комплексы с синхронным двигателем и тиристорным возбуждением С.-Петербург: Наука. 1995. с. 149. 150,209.
4.Суворов П.А. Статический возбудитель с высоким коэффициентом мощности. - Промышленная энергетика, 1980, №12, с. 23-25.
В аналоге 1 приведен тиристорный возбудитель синхронных двигателей, содержащих трехфазный источник переменного напряжения, тиристорный выпрямитель, входные цепи которого подключены к указанному трехфазному источнику напряжения, а выходные цепи постоянного тока - к обмотке возбуждения синхронной машины. Для повышения коэффициента мощности возбудителя при глубоком регулировании напряжения в схему аналога введен дополнительный управляемый вентиль, включенный между нулевым выводом
H02P9/14
трехфазного источника напряжения (вторичной обмоткой трансформатора) и одним из полюсов тиристорного выпрямителя. Недостатком устройства 1J является повышение сложности схемы, обусловленное введением дополнительного вентиля и схемы управления указанным вентилем.
В аналоге 2 приведен тиристорный возбудитель, в котором, с целью повышения коэффициента мощности, обмотка возбуждения шунтирована вентилями, которые увеличивают коэффициент мощности преобразователя примерно на 30%. Недостатком устройства 2 является повышение сложности схемы, обусловленное введением дополнительных вентилей.
В аналоге 3 приведен тиристорный возбудитель синхронного двигателя, содержащий трехфазный источник переменного напряжения, тиристорный выпрямитель, входные цепи которого подключены к указанному трехфазному источнику напряжения, а выходные цепи постоянного тока - к обмотке возбуждения содержащей схему гашения поля ротора. Гашение поля производится переводом тиристорного выпрямителя в инверторный режим. К недостатку устройства относится нарушение режима инвертирования и повышение времени гашения поля ротора при отключении источника трехфазного напряжения от питающей сети переменного тока. т.к. при этом ток, генерируемый индуктивной нагрузкой - обмоткой возбуждения, замыкается через последний включенный тиристор, и время спадания тока возрастает в десятки раз по сравнению с режимом инвертирования.
Наиболее близким по составу и по энергетическим показателям к описываемому устройству является тиристорный возбудитель, приведенный в
В прототипе 4 приведена схема статического возбудителя с высоким
значением cos ф  0,958. Для получения таких энергетических показателей в силовой трансформатор введена дополнительная трехфазная вольтодобавочная обмотка, нулевые точки которой замыкаются при помощи трех тиристоров, снабженных схемой управления, а в силовой выпрямитель введены дополнительно три диода. Таким образом, выпрямитель имеет два последовательно соединенные моста: управляемый и неуправляемый, причем средняя группа вентилей является составной частью обоих мостов. Недостатком прототипа 4 является сложность выпрямителя и трансформатора и необходимость введения цепей управления дополнительными тиристорами. В
возбудителе по схеме 4 так же, как в аналогах 1 - 3. прекращается режим инвертирования при отключении напряжения питающей сети и многократно (более чем в 10 раз) увеличивается время спадания тока возбуждения.
Целью полезной модели является упрощение аппаратной базы устройства, повышение коэффициента мощности и получение режима быстрого гашения поля при отключении напряжения питания, а также эффективное снижение колебаний ротора при резко-переменной нагрузке.
Цель достигается тем, что преобразователь выполнен из диодного выпрямителя: силового транзисторного ключа, например, транзисторного IGBTмодуля, включенного последовательно с обмоткой возбуждения и выходными цепями указанного выпрямителя; диода, соединенного последовательно с резистором и включенного параллельно обмотке возбуждения катодом к плюсовому выводу обмотки возбуждения; тиристора, включенного встречнопараллельно указанному диоду; системы программного управления ключевым элементом.
На рисунке приведена блок-схема устройства.
Устройство содержит источник переменного напряжения 1; выпрямитель 2; силовой транзисторный ключ 3, выполненный, например, в виде транзисторного IGBT-модуля; систему программного управления, состоящую из автоматического регулятора возбуждения (АРВ) 7, блока релейного переключения частоты импульсов 8, генератора импульсов с регулируемой скважностью 5, драйвера 4; датчик тока возбуждения 6, выполненный, например, на базе датчика Холла.
На вход блоков 7, 8 подключены выходная цепь датчика 6, измерительные цепи тока 11 и напряжения 10 статора синхронной машины 13; блок гашения поля ротора 9, содержащий резистор 17 и последовательно включенные с резистором 17 диод 16 и тиристор 14, блок 9 включен параллельно обмотке возбуждения 12. Силовой транзисторный ключ 3 и датчик тока 6 включены последовательно с обмоткой возбуждения 12 и подключены к выходам + и - выпрямителя 2.
Устройство работает следующим образом;
Силовой транзисторный ключ 3 работает в импульсном режиме и подает на обмотку возбуждения 12 синхронного двигателя 13 последовательность импульсов фиксированной частоты, например, f  6 кГц, с постоянной амплитудой, равной напряжению диодного моста 2, и с изменяющейся скважностью, определяемой автоматическим регулятором возбуждения 7 и
драйвером 4. Так как период следования импульсов Т мал по сравнению с электромагнитной постоянной обмотки возбуждения, то средняя величина напряжения за период практически не изменяется. Она колеблется около среднего значения, зависящего от скважности импульсов управления Ои  ТЛи, или, что то же самое, от коэффициента заполнения импульсов Кз  1/Ои  1иЯ. Изменение последнего в пределах О  Кз  1 в зависимости от величины управляющего сигнала позволяет получить соответствующее изменение тока возбуждения от нуля до максимального значения.
Высокий КПД импульсного устройства возбуждения достигается за счет того, что силовой транзисторный ключ 3, например, транзисторный модуль, в импульсном режиме работы имеет только два состояния - насыщения и отсечки. В первом из них ток транзисторного модуля максимален, а падение напряжения на нем мало (1 - 1.5 В), во втором - наоборот. В результате тепловые потери в транзисторном модуле относительно малы. Они определяются остаточным падением напряжения в насыщенном режиме и током утечки закрытого транзисторного модуля. Блок релейного переключения частоты 8 вступает в работу при значительных набросах нагрузки, обеспечивая квазиоптимальное демпфирование колебаний ротора за счет релейного изменения частоты импульсов управления генератора импульсов 5.
Устройство обеспечивает величину коэффициента мощности устройства, близкую к единице, т. к. при работе силового транзисторного ключа 3 в режиме широтно-импульсного регулирования с высокой частотой, во много раз превышающей частоту питающей сети, в цепи источника переменного напряжения отсутствует фазовый сдвиг между током и напряжением при любых величинах выпрямленного тока.
Гашение поля ротора выполняется при отключении силового транзисторного ключа 3, что происходит либо по внешнему сигналу, либо при отключении питания источника 1. Одновременно производится замыкание контакта 15 в цепи управления тиристором 14. При замыкании контакта 15 включается тиристор 14, цепь обмотки возбуждения 12, обладающая большой индуктивностью, замыкается через тиристор 14 на резистор 17. При величине сопротивления резистора 17, равной 10-кратной величине сопротивления обмотки возбуждения 12, процесс гашения поля ротора происходит в течение времени, равного или близкого времени инверторного гашения.
Новым в полезной модели является применение в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянный ток возбуждения силового транзисторного ключа 3, работающего в режиме широтно-импульсного регулирования с частотой, существенно (более чем в 100 раз) превышающей частоту питающей сети, и включенного на выход диодного выпрямителя последовательно с обмоткой возбуждения. Управление током возбуждения производится генератором импульсов регулируемой скважности, на вход которого подключены выходные цепи автоматического регулятора возбуждения и блок релейного переключения импульсов, который обеспечивает демпфирование колебаний ротора.
По сравнению с тиристорными преобразователями устройство имеет высокий (близкий к единице) коэффициент мощности, гашение поля производится с высокой скоростью при отключении напряжения питания.