Возбудитель тиристорный цифровой синхронного электродвигателя

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к конструкциям шкафов управления электродвигателями, и может быть использована для возбуждения синхронных электрических машин низкого (0,4 кВ) и среднего (6/10 кВ) напряжений, а также в тиристорных электроприводах постоянного тока.
Возбудитель тиристорный цифровой (ВТЦ) синхронного электродвигателя характеризуется как централизованный программно-аппаратный комплекс, размещенный в едином вертикальном шкафу с двусторонним обслуживанием.
Известны статические тиристорные возбудители синхронного двигателя (SU 282487 A1; RU 2095934 C1; RU 168545 U1), каждый из которых содержит тиристорный выпрямитель, датчик тока возбуждения и блок системы управления. Регулирование тока возбуждения происходит с помощью системы управления по обратной связи от датчика тока возбуждения.
Недостатком известных аналогов является значительное количество электронных компонентов при использовании аналоговой схемы управления тиристорами и само расположение тиристоров с радиаторами внутри стоечного пространства, вследствие чего все тепло при естественном охлаждении рассеивается внутри шкафа, нагревая элементы.
Известен статический (тиристорный) возбудитель синхронного двигателя серий ВТЕ, ТЕ-8 и др., выполненный по унифицированной схеме (http://www.roselco.ru/catalog/avtomatizirovannye_elektroprivody/vozbuditeli_tiristornye_dlya_sinkhronnykh_dvigateley_serii_vte/ см. фиг. 1), который обеспечивает автоматическое управление током возбуждения в различных режимах работы синхронного двигателя. Регулирование током возбуждения достигается за счет подачи управляющих импульсов на тиристорный выпрямитель. При формировании управляющих импульсов на тиристоры в прототипе задействован контроллер и значительное количество электронных блоков (датчик тока шунта (ДТШ), датчик трансформаторов тока (ДТТ), формирователь фазовых импульсов (ФИ), блок фазового синхронного управления (ФСУ), регулятор тока (РТ), сумматор, переменный резистор R2).
Недостатком прототипа является расположение тиристоров силового выпрямителя и их радиаторов внутри стоечного пространства шкафа, вследствие чего все тепло при естественном охлаждении рассеивается внутри шкафа, нагревая элементы, и большое количество самих электронных элементов, участвующих при формировании управляющих импульсов на тиристоры. Большое количество электронных компонентов и их эксплуатация при повышенной температуре, приводящая к ускоренному старению комплектующих, увеличивает вероятность выхода из строя тиристорного возбудителя, уменьшая тем самым его надежность.
В качестве прототипа выбран шкаф управления электродвигателем (RU 138413 U1), содержащий элементы управления и индикации, расположенные, по меньшей мере, на одной его двери, снабженной уплотнителем, и размещенные на задней стенке шкафа релейно-контакторную аппаратуру и преобразователь частоты, силовые полупроводниковые модули которого установлены на оребренном радиаторе, при этом в задней стенке шкафа выполнено отверстие, через которое ребра радиатора выведены за пределы шкафа, а радиатор отделен от задней стенки шкафа теплоизолирующей и герметизирующей прокладками. Участок внешней поверхности задней стенки шкафа, расположенный над указанным отверстием, может быть покрыт теплоизолирующим материалом.
К недостаткам прототипа относится отход от форм-фактора шкафа (выступающие ребра радиатора могут являться помехой для обслуживающего персонала), а также отсутствие каких-либо дополнительных решений по оптимизации (для целей охлаждения) внутреннего пространства шкафа.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель - это повышение надежности возбудителя тиристорного цифрового синхронного электродвигателя, связанное с усовершенствованием охлаждения внутреннего пространства шкафа.
Технический результат достигается тем, что за счет установки тиристорных модулей, токоизмерительного шунта и панели импульсной коррекции на единый плоский радиатор, размещенный на задней поверхности шкафа с выведеными наружу ребрами охлаждения, тепло, выделяемое на тиристорах, рассеивается наружу шкафа при естественном охлаждении. Вывод тепла за пределы шкафа позволяет избежать нагрева внутреннего пространства шкафа и, как следствие, предотвратить ускоренное старение электронных компонентов из-за их эксплуатации при повышенной температуре. В процессе экспериментов выяснилось, что для синхронных электрических машин низкого (0,4 кВ) и среднего (6/10 кВ) напряжений, а также в тиристорных электроприводах постоянного тока достаточно ребра охлаждения выполнять вровень с плоскостью шкафа, то есть не выступающими относительно плоскости задней стенки шкафа (поверхности задней двери шкафа). Но при этом предотвращению нагревания способствует также ряд конструктивных особенностей заявленной полезной модели возбудителя тиристорного цифрового синхронного электродвигателя. Внутренний объем шкафа ВТЦ делится на два изолированных друг от друга отсека, разделенных непроницаемой изолирующей перегородкой, расположенной параллельно лицевой дверной панели. Блоки управления, измерения и индикации размещены во внутреннем объме переднего отсека шкафа, а силовой блок тиристорного преобразователя и блок пусковых сопротивлений, являющиеся основными источниками выделяемого тепла, размещены во внутреннем объеме заднего отсека. Блок пусковых сопротивлений размещен со стороны задней верхней дверной панели выше выпрямительного тиристорного блока и обращен к внутренней изолирующей перегородке, дополнительно защищенной листовым теплоотражающим экраном из сплава алюминия. Корпус шкафа ВТЦ может быть выполнен с перфорированным верхом для вывода тепла от блока пусковых сопротивлений. Ребра плоского охладителя, на котором расположены тиристорые модули с токоизмерительным шунтом и панелью импульсной коррекции, имеют вертикальную ориентацию для упрощения прохождения восходящих конвекционных потоков при естественном охлаждении. Все перечисленные конструктивные особенности призваны максимально вывести тепло из внутреннего объема шкафа для увеличения жизненного цикла электронных компонентов и увеличения надежности изделия в целом.
Повышению надежности полезной модели способствует также применение цифровых методов обработки входных аналоговых сигналов, что позволило существенно сократить число электронных компонентов, участвующих в процессе формирования управляющих импульсов тиристоров при регулировании тока возбуждения. В частности, удалось избавиться от множества аналоговых компараторов и операционных усилителей регулятора тока, переменных резисторов, участвующих в настройке каналов регулирования тока возбуждения и элементов, отвечающих за нормирование аналоговых сигналов. В заявленной полезной модели возбудителя тиристорного цифрового синхронного электродвигателя формирование фазовых импульсов управления тиристорным выпрямителем происходит в самом управляющем микроконтроллере, а их передача на тиристоры происходит через оптоэлектронные ключи. Сокращение числа электронных блоков, участвующих в процессе формирования управляющих импульсов на тиристоры, позволило не только повысить надежность устройства, но и улучшить качество регулирования тока возбуждения за счет уменьшения температурного дрейфа измерительных каналов. Уменьшение температурного дрейфа достигнуто за счет исключения из схемы аналоговых компараторов и операционных усилителей регулятора тока, переменных резисторов, участвующих в настройке каналов регулирования тока возбуждения, и элементов, отвечающих за нормирование аналоговых сигналов, которые в большей степени подвержены температурному дрейфу, чем используемый при цифровом методе обработки сигналов микроконтроллер.
Сущность заявленного технического решения - использование силового блока, состоящего из единого охладителя и установленных на нем тиристорных модулей, токоизмерительного шунта и панели импульсной коррекции, расположенного на задней поверхности шкафа с вынесенными наружу ребрами охлаждения для осуществления оптимального естественного охлаждения, и разделение внутреннего пространства шкафа на два изолированных друг от друга отсека непроницаемой изолирующей перегородкой, расположенной параллельно лицевой дверной панели, поясняется фотоматериалом, демонстрирующим размещение единого плоского охладителя на задней двери ВТЦ для обеспечения рассеивания тепла наружу шкафа (фиг. 1), и фотографией, демонстрирующей разделение пространство шкафа на два отсека (фиг. 2).
Заявленное техническое решение может использоваться как в возбудителях тиристорных цифровых синхронного электродвигателя, так и в более широком классе устройств - тиристорные регуляторы напряжения или тока.
Техническая возможность реализации заявленной полезной модели подтверждается образцом изделия, представленном на комбинированной фотографии (на фиг. 1 показано одновременно закрытое и открытое положения задней двери): блок конкретного образца, состоящий из единого плоского охладителя, расположенного на задней поверхности шкафа ВТЦ с вынесенными наружу ребрами охлаждения для обеспечения рассеивания тепла за пределы шкафа при естественном охлаждении, и установленных на нем тиристорных модулей, токоизмерительного шунта и панели импульсной коррекции.
Промышленная применимость заявленной полезной модели подтверждается успешным проведением испытаний на соответствие требованиям по надежности согласно ГОСТ 20.39.312 и успешной эксплуатацией конкретных моделей ВТЦ с цифровым регулированием тока возбуждения и силовым блоком, выполненным на едином плоском радиаторе, на промышленных объектах заказчиков.