ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (ВАРИАНТЫ)
ROTARY FREQUENCY CHANGER (VERSIONS)

Электромашинный преобразователь частоты относится к области электромашиностроения и может быть использован в регулируемом электроприводе, генераторных агрегатах переменного тока, а также в качестве преобразователя частоты с варьированием выходных параметров электроэнергии - частоты и амплитуды напряжения (вариант 1) и без варьирования (вариант 2).
Известен электромашинный преобразователь частоты (патент РФ №2410827 С1, МПК Н02K 47/18, Н02K 47/20), содержащий первую и вторую машины переменного тока с магнитопроводами на статорах и роторах, с обмотками якорей и индукторов с входными и выходными клеммами, и узел регулирования и управления, отличающийся тем, что установлен общий вал с размещенными на нем роторами первой и второй машин, снабжен дополнительными магнитопроводами на статоре и роторе, выполненными из отдельных шихтованных кольцевых пакетов с размещенными между смежными пакетами тороидальными обмотками переменного тока, соотносящимися по расточке статора магнитопровода через кольцевой воздушный зазор, противоположные цилиндрические стороны пакетов снабжены дополнительными замыкающими магнитопроводами, обмотки якорей и индукторов первой и второй машин выполнены для переменного тока, при этом роторные обмотки первой и второй машин соединены между собой с обратным следованием фаз и подключены к обмотке ротора дополнительного магнитопровода, обмотка индуктора второй машины установлена на статоре и подключена к узлу управления и регулирования, статорная обмотка первой машины подключена к выходным клеммам, входные клеммы установлены на тороидальной обмотке статора дополнительного магнитопровода. Недостатком аналога является сложность конструкции и плохие массогабаритные показатели.
Целью настоящего изобретения является создание электромашинного преобразователя частоты, обладающего повышенной надежностью, хорошими массогабаритными показателями, а также стойкостью к радиационному воздействию, в отличие от широко распространенных статических преобразователей частоты, построенных на полупроводниковых элементах, например, тиристорах или полевых транзисторах.
Известен асинхронный двигатель с трехфазной симметричной обмоткой статора и короткозамкнутым ротором (например, Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х томах. Учебник для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 2004 - том 1 - 652 с.: ил., том 2 - 532 с.: ил.), при подаче напряжения на зажимы обмотки статора по обмотке статора протекает ток, в результате образуется вращающиеся МДС и магнитный поток статора. Магнитный поток статора пересекает витки короткозамкнутой обмотки ротора, наводит в ней ЭДС, по обмотке ротора протекает ток, МДС ротора взаимодействует с результирующим полем, образовавшимся в результате взаимодействия полей статора и ротора, в результате на ротор действует вращающий момент, ротор вращается с частотой, которая ниже частоты вращения электромагнитного поля, как правило, на 2-5%, где частота вращения электромагнитного поля:
<mrow><mtext>n</mtext><mo>=</mo><mtext>60f/p</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(1)</mtext></mrow>
f - частота изменения электромагнитного поля статора, р - число пар полюсов обмотки статора.
Известен синхронный двигатель с трехфазной симметричной обмоткой статора и возбуждением от постоянных магнитов (например, Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х томах. Учебник для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 2004 - том 1 - 652 с.: ил., том 2 - 532 с.: ил.), расположенных на роторе. При подаче напряжения на зажимы обмотки статора по ней протекает ток, образуется вращающиеся МДС и магнитный поток статора. В результате взаимодействия МДС статора с потоком постоянных магнитов ротора, действует вращающий момент, ротор вращается с частотой, определяемой формулой (1).
Известен синхронный генератор с трехфазной симметричной обмоткой статора и возбуждением от постоянных магнитов (например, Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х томах. Учебник для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 2004 - том 1-652 с.: ил., том 2-532 с.: ил.), расположенных на роторе. При вращении ротора сторонним источником вращающего момента магнитное поле постоянных магнитов наводит в статоре ЭДС. При замыкании обмотки статора на нагрузку по ней потечет ток. Частота ЭДС и тока синхронного генератора также определяется из формулы (1).
При механическом соединении (например, через муфту) роторов описанных асинхронного двигателя и синхронного генератора может быть построен электромашинный преобразователь частоты. Он принят за прототип настоящего изобретения по варианту 1. Входными клеммами являются зажимы обмотки асинхронного двигателя, выходными - зажимы обмотки синхронного генератора. Недостатком прототипа являются плохие массогабаритные показатели. Поскольку создание такого электромашинного преобразователя частоты является вопросом инженерного проектирования, его конструкция не запатентована. При написании формулы авторы приняли за основу описание асинхронного двигателя.
При механическом соединении роторов описанных синхронного двигателя и синхронного генератора также может быть построен электромашинный преобразователь частоты. Он принят за прототип настоящего изобретения по варианту 2. Входными клеммами являются зажимы обмотки синхронного двигателя, выходными - зажимы обмотки синхронного генератора. Недостатком прототипа являются плохие массогабаритные показатели. Поскольку создание такого электромашинного преобразователя частоты является вопросом инженерного проектирования, его конструкция не запатентована. При написании формулы авторы приняли за основу описание синхронного двигателя.
2
При соединении роторов асинхронного двигателя с синхронным генератором (вариант 1) и числе пар полюсов асинхронного двигателя и синхронного генератора р1≥2 и р=1 происходит уменьшение частоты выходного напряжения по сравнению с входным в k раз, где
<mrow><mtext>k</mtext><mo>=</mo><mtext>(1</mtext><mo>−</mo><mtext>s)</mtext><mo>⋅</mo><msub><mtext>p</mtext><mtext>2</mtext></msub><msub><mrow><mtext>/p</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(2)</mtext></mrow>
k - коэффициент преобразования частоты, s - электрическое скольжение ротора асинхронного двигателя. Таким образом, кроме отношения пар полюсов коэффициент преобразования частоты определяется электрическим скольжением s ротора асинхронного двигателя.
1
2
При соединении роторов синхронного двигателя с синхронным генератором (вариант 2) и числе пар полюсов синхронного двигателя и синхронного генератора p≥2 и р=1 происходит уменьшение частоты выходного напряжения по сравнению с входным в k раз:
<mrow><mtext>k</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>p</mtext><mtext>2</mtext></msub><msub><mrow><mtext>/p</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>.</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(3)</mtext></mrow>
1
3
1
2
1
3
3
2
4
2
2
1
1
1
1
1
1
1
2
3
1
Принцип действия электромашинного преобразователя частоты согласно варианту 1, поясняется фигурой чертежа 1. На фигуре чертежа штриховкой показан ротор преобразователя. Обмотки статора асинхронного двигателя являются входными. Индексы начал соответствующих фаз обмотки обозначены буквами: А, В, С.Индексы концов соответствующих фаз обмотки статора асинхронного двигателя обозначены буквами: X, Y, Z. Индекс до запятой соответствует первой обмотке асинхронного двигателя с числом пар полюсов р, индекс после запятой соответствует второй обмотке асинхронного двигателя с числом пар полюсов р, при этом p≠р, р≠р, p≠p, р≠p. Обмотка обмотки статора синхронного генератора является выходной. Индексы начал соответствующих фаз обмотки статора синхронного генератора с числом пар полюсов р обозначены: A, B, C. Индексы концов соответствующих фаз обмотки статора синхронного генератора обозначены: X, Y, Z. Внутри полого ротора асинхронного двигателя соосно расположен ротор синхронного генератора обращенного типа. На фигуре 1 р=6, р=1, р=3. Выходная частота электромашинного преобразователя частоты при подаче напряжения на обмотку с числом пар полюсов р определяется выражением:
<mrow><msub><mtext>f</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mtext>f</mtext><mo>⋅</mo><mtext>(1</mtext><mo>−</mo><mtext>s)</mtext><mo>⋅</mo><msub><mtext>p</mtext><mtext>2</mtext></msub><msub><mrow><mtext>/p</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(4)</mtext></mrow>
3
где f - частота изменения электромагнитного поля обмотки статора асинхронного двигателя, s - скольжение асинхронного двигателя, при подаче напряжения на обмотку с числом пар полюсов р определяется выражением:
<mrow><msub><mtext>f</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mtext>f</mtext><mo>⋅</mo><mtext>(1</mtext><mo>−</mo><mtext>s)</mtext><mo>⋅</mo><msub><mtext>p</mtext><mtext>2</mtext></msub><msub><mrow><mtext>/p</mtext></mrow><mtext>3</mtext></msub><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(5)</mtext></mrow>
2
2
Допустим, номинальное скольжение асинхронного двигателя s=0.02. Таким образом, для электромашинного преобразователя, согласно фиг.1, при подаче на входные зажимы напряжения частотой f=5 ОГц f=8.16 Гц, либо f=16.33 Гц.
4
На статоре асинхронного двигателя может располагаться еще ряд обмоток с другим числом пар полюсов, либо секции обмотки могут соединяться по полюсно-переключаемой схеме, образуя обмотку с числом пар полюсов р.
1
3
1
При подаче напряжения на зажимы одной из обмоток 1 статора, расположенную в пазах, по обмотке протекает ток, в результате образуется вращающиеся МДС и магнитный поток, проходящий по сердечнику 2 статора. При этом обмотки 1 статора соединены в звезду или треугольник. Напряжение может подаваться на одну из обмоток 1 и число пар полюсов статора асинхронного двигателя может изменяться с p на p. Магнитный поток статора пересекает короткозамкнутую обмотку ротора 3, расположенную в пазах сердечника 4 ротора, наводит в обмотке 4 ротора ЭДС, по обмотке 4 ротора протекает ток, МДС ротора взаимодействует с результирующим полем, образовавшимся в результате взаимодействия полей статора и ротора, в результате на ротор действует вращающий момент. Немагнитная втулка 5 между ротором асинхронного двигателя и ротором синхронного генератора служит для магнитной «развязки» между ними. Под действием вращающего момента вращается ротор синхронного генератора. Он состоит из сердечника 6 и постоянных магнитов 7 с числом пар полюсов р=1. При вращении ротора магнитное поле постоянных магнитов 7 наводит ЭДС в обмотке статора 8 синхронного генератора. Обмотка статора 8 расположена в пазах сердечника статора 9 синхронного генератора. При замыкании обмотки статора на нагрузку по ней потечет ток пониженной частоты, отдавая мощность в нагрузку.
1
2
1
2
1
1
1
1
1
1
Принцип действия электромашинного преобразователя частоты, согласно варианту 2, поясняется фигурой чертежа 2. На фигуре чертежа штриховкой показан ротор преобразователя. Обмотка статора синхронного двигателя с числом пар полюсов р являются входной. Индексы начал соответствующих фаз обмотки статора синхронного двигателя обозначены А, В, С. Индексы концов соответствующих фаз обмотки статора синхронного двигателя обозначены X, У, Z. Обмотка статора синхронного генератора с числом пар полюсов р является выходной, причем р≠р. Индексы начал соответствующих фаз обмотки статора синхронного генератора обозначены A, B, C. Индексы концов соответствующих фаз обмотки статора синхронного генератора обозначены X, Y, Z. Внутри полого ротора синхронного двигателя соосно расположен ротор синхронного генератора обращенного типа. На фигуре 2
1
2
1
p=6, р=1. Выходная частота электромашинного преобразователя частоты при подаче напряжения на обмотку с числом пар полюсов р определяется выражением:
<mrow><msub><mtext>f</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mtext>f</mtext><mo>⋅</mo><msub><mtext>p</mtext><mtext>2</mtext></msub><mtext>/p1</mtext><mtext>.</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(6)</mtext></mrow>
2
Таким образом, для электромашинного преобразователя, согласно фиг.2, при подаче на входные зажимы напряжения частотой f=50 Гц f=8.33 Гц.
2
При подаче напряжения на зажимы обмотки 10 статора, расположенной в пазах, по обмотке протекает ток, в результате образуется вращающиеся МДС и магнитный поток, проходящий по сердечнику 11 статора. При этом обмотка 10 статора соединена в звезду или треугольник. В результате взаимодействия МДС статора с потоком постоянных магнитов 12 ротора, действует вращающий момент. Ярмо 13, выполненное из магнитного материала, является магнитопроводом для потока постоянных магнитов 12. Немагнитная втулка 14 между ротором синхронного двигателя и ротором синхронного генератора служит для магнитной «развязки» между ними. Под действием вращающего момента вращается ротор синхронного генератора. Он состоит из сердечника 15 и постоянных магнитов 16 с числом пар полюсов р=1. При вращении ротора магнитное поле постоянных магнитов 16 наводит ЭДС в обмотке статора 17 синхронного генератора. Обмотка статора 17 расположена в пазах сердечника статора 18 синхронного генератора. При замыкании обмотки статора на нагрузку по ней потечет ток пониженной частоты, отдавая мощность в нагрузку.
Техническим результатом настоящего изобретения по вариантам 1 и 2 является увеличения надежности и улучшение массогабаритных показателей.