ВОЗБУДИТЕЛЬ ДЛЯ БЕСЩЕТОЧНОЙ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для обеспечения питания обмотки возбуждения мощных синхронных машин.
Обмотка возбуждения мощной синхронной машины (как правило, мощностью более 10 кВт) получает питание постоянного тока от специального генератора, называемого возбудителем. Большинство парка мощных синхронных машин в России снабжено коллекторными возбудителями постоянного тока, что порождает большое число проблем, связанных с изготовлением и эксплуатацией щеточно-коллекторного узла, особенно у машин с длительным сроком службы. В связи с этим большое значение имеют работы по переводу возбуждения генераторов на бесщеточную систему, что обеспечивает значительный рост надежности систем электроснабжения и снижает время ремонтных простоев. Особенно это важно для турбо- и гидрогенераторов, от надежной работы которых зависит существование целых регионов. При такой модернизации должна быть произведена замена коллекторного возбудителя постоянного тока на возбудитель переменного тока, выход которого подключен к средним точкам парных полупроводниковых блоков вращающегося выпрямителя, питающего обмотку возбуждения синхронной машины [1].
Известны возбудители переменного тока для бесщеточных систем возбуждения, которые представляют собой обращенные синхронные генераторы, т.е. такие синхронные машины, у которых якорь, установленный на валу основной машины, вращается внутри неподвижного индуктора, причем напряжение генератора выпрямляется вращающимися полупроводниковыми вентилями [2] (прототип). Индуктор представляет собой цилиндрическое стальное ярмо, на внутренней поверхности которого установлены полюса с обмотками возбуждения возбудителя. Якорь состоит из шихтованного сердечника с пазами, в которых уложена
многофазная обмотка переменного тока. Для данной цели обмотки применяются двухслойные, у которых в каждом слое расположено по одной стороне секций, иными словами, одна сторона некоторой k-ой секции обмотки расположена в нижнем слое k-го паза, а вторая - в верхнем слое паза, отстоящего на обмоточный шаг от k-го. Таким образом, полное число секций всей обмотки равно числу пазов сердечника.
Необходимо отметить, что, несмотря на отсутствие щеточно-коллекторного узла, данные возбудители не свободны от проблем коммутации. Только в данном случае имеются в виду процессы, происходящие в полупроводниковых вентилях, выпрямляющих напряжение якоря, при переключении фаз. Все переключения происходят не мгновенно, а в течение некоторого времени (время коммутации), и чем больше это время, тем хуже показатели возбудителя: растут потери, снижается напряжение. Анализ показывает, что длительность коммутации зависит от индуктивности переключаемых секций, а та, в свою очередь, от квадрата числа витков в секции. Очевидно, что в целях снижения периода коммутации, целесообразно увеличивать число секций, поскольку при этом снижается число витков в секции. Однако рост числа секций требует увеличения числа пазов, а такое увеличение ограничено конструктивными соображениями, поскольку пазовое деление (частное от деления длины окружности якоря на число пазов) практически не может быть менее 20-30 мм.
Для увеличения числа секций без увеличения числа пазов предлагается якорная обмотка с числом секций кратным числу пазов, причем частное от деления числа секций на число пазов должно быть большим единицы (практически 2-4). Для пояснения данного предложения приведены фиг.1 и 2 для частного случая якорной двухслойной петлевой обмотки, когда число секций в 3 раза превосходит число пазов. На данных фигурах обозначены:
1 - сердечник якоря;
2 - секции обмотки.
На фиг.1 показана развертка наружной поверхности сердечника якоря 1 с пазами, в которых показан фрагмент якорной обмотки, состоящей из ряда
последовательно включенных секций 2. Секции, в соответствии с проектом, могут быть как одновитковыми, так и многовитковыми. В данном случае это не имеет принципиального значения. Поэтому для большей ясности на фигурах приведен случай одновитковых секций (т.н. стержневая обмотка). На фигуре видно, что обмотка располагается в двух слоях пазов, причем в каждом слое находятся три стороны секций. В нижнем слое k-гo паза располагаются стержни «а, b, с», являющиеся началами трех последовательных секций. Концы первых двух секций из этой группы, обозначенные соответственно «а', b'», лежат в верхнем слое n-го паза, расположенном на расстоянии равном шагу обмотки «у» от k-ro паза (этот шаг выбирается при проектировании машины), а конец секции «с», обозначенный «с'», лежит в верхнем слое (n+1)-го паза. Схема соединений этих стержней приведена на фиг.2. Из схемы видно, что конец третьей секции присоединен к началу четвертой, занимающему в (k+l)-м пазу то же положение, что и начало первой секции («а»). Так продолжается до конца всей фазы. Поскольку общее число витков в фазе определяется заданным напряжением возбудителя и размерами якоря, то увеличение числа секций приводит к уменьшению числа витков в секции и, как результат, к уменьшению времени коммутации полупроводниковых вентилей вращающегося выпрямителя, что и является целью настоящего предложения.
Источники информации
1. Глебов И.А. Научные основы проектирования систем возбуждения мощных синхронных машин. «Наука», Л., 1988.
2. Абрамов А.И., А.В.Иванов-Смоленский. Проектирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. «Высшая школа», М., 2001 (прототип).