ДВУХМАШИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Двухмашинный преобразователь частоты относится к области электротехники (электромашиностроения) и предназначен для преобразования частоты трехфазного тока 50 Гц в требуемую частоту (например, 6 Гц) трехфазного тока питания электродвигателей грузоподъемного крана реакторного отделения (РО) энергоблока АЭС, при расположении преобразователя в непосредственной близости от системы управления (СУ) крана, расположенной на мосту крана.
Специфика таких СУ диктует необходимость наличия достаточно простых в обслуживании, ремонтопригодных и надежных преобразователей частоты для выполнения точных транспортно-технологических операций краном при малых скоростях движения и номинальной нагрузке. Точное поддержание выходной частоты преобразователя для осуществления таких операций является одним из основных требований к нему, наряду с требованием сохранения работоспособности в условиях эксплуатации в РО, в частности, после прохождения режима «малой течи», характеризующегося сочетанием высоких значений радиации, температуры, давления и влажности воздуха (парогазовая смесь), а также необходимостью дезактивации.
Известен электромашинный преобразователь частоты (патент РФ №2410827 C1, МПК H02K 47/18, H02K 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, плохие массогабаритные показатели и низкая ремонтопригодность.
Известен асинхронный двигатель (АД) 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:
f - частота изменения электромагнитного поля статора, p - число пар полюсов обмотки статора.
Известен синхронный генератор (СГ) 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).
Технический результат заявленной полезной модели заключается в создании двухмашинного преобразователя частоты, обеспечивающего повышенную точность генерирования и поддержания частоты на заданном значении при работе механизмов грузоподъемного крана РО АЭС на номинальной мощности.
Функционирование двухмашинного преобразователя частоты, достигается тем, что преобразователь частоты выполнен в виде двух отдельных электрических машин - асинхронного двигателя и синхронного генератора, которые установлены на общей раме, при этом их валы соединены посредством механической передачи.
Применение двух герметичных электрических машин для создания двухмашинного преобразователя частоты обеспечивает его стойкость к воздействию внешних факторов окружающей среды и повышенную надежностью при эксплуатации в РО АЭС, в т.ч. в режиме «малой течи» - при одновременном воздействии влажности, температуры и радиации, а также обеспечение возможности проведения дезактивации поверхностей преобразователя частоты без попадания радиоактивной жидкости внутрь преобразователя. Преобразователь при этом должен обладать хорошей ремонтопригодностью.
В качестве АД и СГ могут быть использованы серийно выпускаемые электрические машины, в том числе, в герметичном исполнении, специально предназначенные для эксплуатации в РО АЭС. При необходимости, для соответствия конкретным требованиям к электрическим характеристикам, СГ может быть доработан с использованием существующих технологий.
Указанное построение преобразователя - из двух отдельных электрических машин - способствует повышению его надежности и стойкости к воздействию повышенных температур также вследствие более благоприятного режима охлаждения по сравнению с «однокорпусным» исполнением.
Заявляемый преобразователь обладает также высокой ремонтопригодностью.
Входными клеммами заявляемого двухмашинного преобразователя частоты являются зажимы обмотки асинхронного двигателя, выходными -зажимы обмотки синхронного генератора. Для получения и поддержания требуемого значения выходной частоты синхронного генератора число пар полюсов, скольжение асинхронного электродвигателя, число пар полюсов синхронного генератора, а также передаточное отношение механической передачи должно быть подобрано специальным образом.
Сущность полезной модели поясняется фигурами чертежей 1 и 2:
фиг.1 - эскиз двухмашинного преобразователя частоты,
фиг.2 - схема двухмашинного преобразователя частоты. На чертежах приведены следующие обозначения:
1 - обмотка статора асинхронного электродвигателя;
2 - асинхронный электродвигатель;
3 - коробка выводов;
4 - обмотка ротора асинхронного электродвигателя;
5 - ротор асинхронного электродвигателя;
6 - ротор синхронного генератора;
7 - синхронный генератор;
8 - механическая передача;
9 - обмотка статора синхронного генератора;
10 - общая рама.
1
При подаче напряжения частоты f на зажимы обмотки 1 статора асинхронного электродвигателя 2, клеммная колодка которой расположена в коробке 3 выводов, по обмотке 1 протекает ток, в результате образуется вращающиеся МДС и магнитный поток, проходящий по сердечнику статора. Магнитный поток статора пересекает короткозамкнутую обмотку 4 ротора 5 и наводит в обмотке 4 ротора ЭДС, по обмотке 4 ротора протекает ток, МДС ротора 5 взаимодействует с результирующим полем, образовавшимся в результате взаимодействия полей статора и ротора, в результате на ротор 5 действует вращающий момент. Ротор вращается с частотой
,
где s - электрическое скольжение ротора асинхронного двигателя.
Ротор 5 асинхронного двигателя механически соединен с ротором 6 синхронного генератора 7 посредством механической передачи 8.
Под действием вращающего момента, передаваемого через механическую передачу, вращается ротор 6 синхронного генератора 7. При вращении ротора магнитное поле постоянных магнитов ротора 6 наводит ЭДС в обмотке статора 9 синхронного генератора 7. При замыкании обмотки статора 9 на нагрузку по ней потечет ток пониженной частоты
2
2
2
f=np/60,
отдавая мощность в нагрузку.
С учетом того, что отношение частот вращения ротора генератора и ротора двигателя равно передаточному отношению механической передачи k: , выходная частота двухмашинного преобразователя частоты будет и, определяться соотношением:
1
1
2
2
где p, f, s - число пар полюсов, частота питания и скольжение асинхронного электродвигателя при заданной мощности нагрузки, p, f - число пар полюсов и выходная частота синхронного генератора, k - передаточное отношение механической передачи, соединяющей валы асинхронного двигателя и синхронного генератора.
1
2
Механическая передача может быть, например, цепной, имеющей передаточное отношение, равное отношению числу зубцов колес двигателя 2 z и генератора 3 z:  соответственно.
В этом случае формула (2) приобретает вид
При использования формул (2) и (3) выходная частота двухмашинного преобразователя частоты может быть задана и поддерживаться с высокой точностью (±0,2 Гц), в частности, - за счет «тонкой настройки» посредством соответствующего выбора передаточного отношения механической передачи.
Таким образом, для достижения технического результата предлагается двухмашинный преобразователь частоты, выполненный в виде двух герметичных электрических машин - асинхронного двигателя и синхронного генератора, установленных на общей раме, с целью повышения точности генерирования и поддержания частоты на заданном значении (например, 6 Гц) при работе механизмов грузоподъемного крана на номинальной мощности валы асинхронного двигателя и синхронного генератора соединены посредством механической передачи, при этом электрические параметры электрических машин и механической передачи связаны соотношением (2), в частном случае, при использовании цепной передачи - соотношением (3).