Синхронный бесщеточный преобразователь частоты

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 132 1965

СИНХРОННЫЙ БЕСЩЕТОЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

В. С. НОВОКШЕНОВ, А. Б. ЦУКУБЛИН

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей

электротехники)

В Советском Союзе и за рубежом в настоящее время широка применяются асинхронные электродвигатели повышенной частоты. Применение таких электродвигателей позволяет значительно снизить вес ручного электроинструмента (электропил, электросверл и т. д.), упростить конструкцию и эксплуатацию высокоскоростных станков в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, а также -повышать производительность труда [3, 4].

Для питания ^синхронных двигателей повышенной частоты обычно применяются или двухмашинные асинхронные преобразователи частоты, или агрегат асинхронный двигатель — синхронный генератор повышенной частоты. Недостатком этих преобразователей является наличие у них скользящего контакта, работа которого в сырых, запыленных помещениях, на открытом воздухе, а также во взрывоопасных средах крайне ненадежна или даже недопустима по условиям техники безопасности.

В настоящей статье дается описание и принцип действия синхронного бесщеточного преобразователя частоты (СБПЧ), предназначенного для питания 2—3 электросверл повышенной частоты.

Устройство и принцип действия

Синхронный бесщеточный преобразователь частоты представляет собой синхронную машину с внешнезамкнутым магнитным потоком. Пакет статора (2) СБПЧ ничем практически не отличается от «пакета статора обычной трехфазной машины переменного тока. В пазы пакета статора укладываются две трехфазные обмотки: синхронного двигателя (3), имеющая число пар полюсов ри и обмотка якоря синхронного генератора (4), имеющая число пар полюсов

Ротор СБПЧ состоит из вала и двух одинаковых магниторазоб-щенных частей, имеющих клювообразные полюса противоположной полярности с полюсным делением ть Корпус (1), подшипниковые щиты р магниторазобщенные части ротора выполняются из стали с большой магнитной проницаемостью, например, Сш 10. Вал СБПЧ выполняется из немагнитной стали. Обмотка возбуждения состоит из двух катушек, расположенных концентрично оси ротора в кольцеобразных

Рис. 1.

выступах подшипниковых щитов, и питается постоянным током от полупроводниковых выпрямителей.

М. д. с. обмотки возбуждения создает основной магнитный поток, который замыкается не внутри машины, а по внешнему магнитопрово-ду, ^образованному щитами, корпусом и ротором преобразователя.

Каждый полюс ротора по длине полюсного деления ть имеет явно выраженные провалы. При соответствующем числе и расположении этих провалов кривая распределения индукции в воздушном зазоре будет иметь кроме основной гармонической с числом пар полюсов pi ярко выраженную гармоническую с желаемым числом пар колюсов р-2.

В [2, 3] приводится ряд магнитных систем для получения желаемых гармонических в кривой магнитной индукции в воздушном зазоре. На рис. 2 представлены развертки двух магнитных систем ротора СБПЧ, кривая магнитной индукции и выделенные из нее первая и третья гармонические для преобразователя на 150 гц.

При питании первичной обмотки трехфазным переменным током ротор преобразователя вращается, как ротор синхронной машины, синхронно с полем со скоростью

*

Pi

где /i — частота питающей сети.

Выделенная гармоническая с числом пар полюсов р2 индуктирует при этом во вторичной (генераторной) обмотке э. д. с. с частотой

- _ р2П ___ р2 г

7 'w

Таким образом, СБПЧ представляет собой электрическую машину, которая состоит из синхронного двигателя и синхронного генератора с общим магнитопроводом и общим магнитным полем, содержащим в воздушном зазоре две яр-ко Ьыраженные гармоничесше с числом пар полюсов pi и pi. Пуск преобразователя асинхронный, подобный пуску асинхронного двигателя с массивным ротором.

Обмотки генератора и двигателя должны быть подобраны таким образом, чтобы между ними не было непосредственной трансформаторной -связи. Математическое условие отсутствия трансформаторной связи между двумя обмотками может быть записано в виде

kw\2 — &у12 ' kz\2 ~ 0; kw2\ = ky2\ ' k'p2\ * k-2\ = 0,

где kwn, 6yi2, kj\2, kr\2 — соответственно обмоточный коэффициент, коэффициенты укорочения, распределения секций и распределения катушек обмотки 1 для поля обмотки 2, a kW2\, ky2\, &321, ^-21 —обмоточный коэффициент, коэффициенты укорочения, распределения секций и распределения катушек обмотки 2 для поля обмотки 1. Если обмоточный коэффициент обмотки 2 для поля Фх с числом пар полюсов рY равен нулю, то равны нулю и обмоточные коэффициенты обмотки 2 для всех полей высших пространственных гармонических с р Ф рг, которые получаются при разложении кривой основного поля СБПЧ в гармонический ряд. Следовательно, э. д. е., индуктируемые этими высшими гармоническими в обмотке 2, равны нулю; поэтому при анализе физических процессов в СБПЧ мы их не рассматриваем.

Основные уравнения СБПЧ

Рассмотрим физику происходящих в преобразователе процессов. В режиме холостого хода м. д. с. обмоток возбуждения создает основной магнитный поток машины. Распределение магнитных индукций этого потока в воздушном зазоре при малом насыщении магнитной цепи и малом воздушном зазоре можно считать прямоугольным (рис. 3.). Такое несинусоидальное поле может быть разложено на пер-

Фв

Л \ ф' % Л

0\ / V/ /гп

Рис. 3.

вую гармоническую с числом пар полюсов ри гармоническую с числом пар полюсов р2 и высшие гармонические, которые в дальнейшем не учитываем по причинам, указанным ранее. Эти выделенные потоки с числом пар полюсов рх и, р2 и создают основную э. д. с. двигателя Е} и генератора Е2, между которыми, как и в реактивных преобразователях [3], существует жесткая связь

Е01 и

- = -- /сф,

где кт 1, — обмоточный коэффициент и число витков обмотки двигателя,

кш<1, Щ — обмоточный коэффициент и число витков обмотки генератора,

/и /о — частоты двигателя и генератора.

- Фо1 ВтОТ^-е Bm01-.Pi

Кф — - = - — - >

<£>02 Вщ Вт02'Р2

где Вт01 — амплитуда первой гармонической с числом пар полюсов ри Вт§2 — амплитуда выделенной гармонической с числом пар полюсов р2.

При работе преобразователя на нагрузку создается реакция якоря как двигателя, так и генератора. Но так как в одном магнитопрово-де совмещены две синхронные машины — двигатель и генератор, то 46

сложность рассмотрения процессов заключается в том, что реакция якоря двигателя влияет не только на сам двигатель, но и на генератор, а реакция якоря генератора влияет и на работу двигателя. При рассмотрении всех процессов, протекающих в преобразователе, воспользуемся, как и в случае обычных синхронных машин с явновыраженными полюсами, теорией двух реакций, считая, что продольная ось (й—й) совпадает с осью полюсов ротора.

Поля Фай2 и Фая2, созданные м. д. с. якоря генератора по продольной и поперечной осям, в воздушном зазоре имеют форму, изображенную соответственно на рис. 4, 5. Несинусоидальное поле реак-

ции якоря генератора по продольной оси Ф1ип может быть разложено на поле реакции якоря генератора, на сам генератор Фай<п с числом пар полюсов р2 и на поле реакции якоря генератора на двитатель Фай\2 с числом пар полюсов р{. Поле реакции якоря генератора по поперечной оси Фац2 может быть разложено соответственно на Фш722 И Ф а<112-

Поля по продольной и поперечной осям Ф(ия и Фац 1, созданные м.д.с. якоря двигателя, в воздушном зазоре имеют форму, изображенную соответственно на рис. 6, 7.

Рис. 7.

Эти поля так же, как и поля реакции якоря генератора, могут быть разложены на поля реакции якоря двигателя, на сам двигатель 4$

Фа<х\\ и Фад\\ с числом пар полюсов р1 и поля реакции якоря двигателя на генератор Фа<т и Фад21 с числом пар полюсов р2. Каждый из потоков реакции якоря двигателя и генератора будет индуктировать в соответствующих обмотках э. д. е., которые по общему правилу могут быть записаны в следующем виде:

ЕайП — ЕаяП =

Еай 12 ~ ]1

• •

Еай 22 ~ Е'ад22~ ^' Xq22'>

Еаа 21 ~ У'1(и'ха2и 2Х = j^q\'xq2u

где хйПл ха22, ^22 — продольные и поперечные синхронные сопротивления самоиндукции генератора и двигателя, а ха2и хд12, хд21 — продольные и поперечные синхронные сопротивления взаимоиндукции, определяемые по формулам:

х -2т ^ гЩ-т-К^-К^ т .

КыКь* PiPk

f Wk'WrK

X -2m H-o f wk-WrKwkKwí Dl k

xqik ¿TTlfr Vi Z—r Ul-Rqiky

где г =1,2, Л=1,2.

Значения kdik и kqik определяются как

R R

г- _ Dadlkm • и _ Daqlkm

Kdik — ~~' Kqik — -- *

Если пренебречь активными сопротивлениями обмоток ввиду их малости, что вполне допустимо для синхронных явнополюсных машин, учесть физику происходящих в преобразователе процессов, то можно записать уравнения равновесия э. д. с. как двигателя, так и для генератора (уравнения (2)):

= — JI díxdU-\-jIqlxqU-\~ JI d2xdí2~\-JI q2xqí2,

U2 == ^02 J^d2xd'¿2 jl q2Xq22 J^ d\Xd2\ J^qi'Xq2\-

Исходя из уравнения равновесия э. д. с. и физики процессов векторная диаграмма преобразователя может быть изображена в следующем виде (рис. 8).

Анализ векторной диаграммы дает возможность получить некоторые уравнения, необходимые для расчета преобразователя:

иг cosel=£,0t + /dl^11—/2^12 sin (<р2+03),

Ux sin i=Iqi-xqU—I2xql2 cos

U2 cos Q2^E02+Id]xd21~-I2xd22 sin (cp2+ в2), ¿72sin©2-/2^22- cos(cp2+ e2)— IqiXq2x.

Электромагнитная мощность может быть найдена при принятых допущениях о пренебрежении активными сопротивлениями следующим образом:

А„2= m2U2I2co$ сра= m2U2I2 cos (ф2— в2) = .= /7z2¿72/2sin^2' sin02-f m2U2I2 cos ф2- cos в2 = = m2U2Id2- sin во + m2U2Iq2 cos 02.

4. Заказ 5716. 49

Подставляя в это уравнение значения 1а2 и Iцг из уравнений (3), окончательно получаем электромагнитную мощность генератора

Рэм2~ т2Щ

Етхс12\

X'

. 81п е2 + т2 ^ - З1п2 е. 2 \х'ч х'

+

\ ¿а х'й )

где:

н

-ЛйХаг*

Рис. 8.

Электромагнитная мощность двигателя запишется аналогично

эм1

тхих

01^22

ЕпоХ

02Л<Я2

X'

эт тх

и\

<?22

X'

Хй22 \ 81п 20! + туих • и2 [ зт е2соз в,

в^ОБ в;

2

X ¿1

й) \ Л Я

На основе приведенных уравнений СБПЧ разрабатывается в настоящее время методика расчета преобразователя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авторское свидетельство, № 130966. 1960.

2. В. С. Н о в о к ш е н о в. Исследование асинхронного бесщеточного преобразователя частоты. Диссертация, Томск, 1961.

3. М. М. Т а р а щ а н с к и й. Синхронно-реактивные преобразователи частоты* Укртехиздат, 1962.

4. П. П. Б а р з и л о в и ч, Г. М. Я н ч у к и др. Преобразователи частоты для питания рудничных электросверл. Информационный справочник внедрения новой техники, ЭМЗ «Красный металлист», Конотоп, 1957.