УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВРАЩАЮЩИМСЯ ТИРИСТОРНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H02K19/36 H02P9/26 

Изобретение относится к области электромеханики и предназначено для применения в системах бесконтактного возбуждения синхронных электрических машин - турбогенераторов, синхронных компенсаторов - с вращающимся управляемым полупроводниковым выпрямителем.

Известно бесконтактное устройство для управления вращающимся тиристорным выпрямителем (см. Recent developments in large turbo-type generators by R. Hawley. Effects of vibrations, excitation system progress and testing of motor insulation. Electrical times, 1972, v. 161, N 23, p. 26-33, содержащее управляющую машину, выполненную на обращенном синхронном генераторе с продольно-поперечным возбуждением на статоре и многофазной обмоткой на роторе. Выводы фаз якорной обмотки подключены к блокам формирования сигналов управления, содержащим полупроводниковые элементы и ограничительные сопротивления.

Недостатком такого устройства является большое количество элементов блока формирования сигналов управления: на один тиристор вращающегося выпрямителя необходимо два диода, стабилитрон, вспомогательный тиристор, емкость и ограничительное сопротивление.

В качестве прототипа выбрано устройство управления вращающимся тиристорным выпрямителем (см. статью: В.С. Кильдишев, Г.А. Ковальков, В.С. Полулях и др. Бесконтактная система управления вращающимся тиристорным выпрямителем мощного бесщеточного возбудителя, Электротехническая промышленность, серия "Электрические машины", 1981, вып. 7 (125), с. 7-9). Это устройство содержит управляющую машину и полупроводниковые элементы с ограничительными сопротивлениями. Управляющая машина выполнена на обращенном синхронном генераторе с продольно-поперечным возбуждением на статоре и многофазной расщепленной якорной обмоткой. Части многофазной расщепленной якорной обмотки через полупроводниковые элементы - диоды и стабилитроны - и ограничительные сопротивления подключены к управляющим переходам тиристоров вращающегося выпрямителя, которые вместе с якорными обмотками возбудителя собраны по нулевой или мостовой схеме выпрямителя.

Недостатком этого устройства является необходимость установки на вращающейся части электрической машины специальных блоков формирования импульсов с большим количеством полупроводниковых элементов, причем число этих блоков равно числу тиристоров вращающихся выпрямителей. Это снижает надежность и увеличивает габариты устройства, особенно для мощных бесконтактных возбудителей. Даже пикообразная форма ЭДС якорной обмотки не обеспечивает необходимого качества сигналов управления: низкая крутизна импульсов управления и снижение амплитуды импульсов в динамических режимах, что недопустимо с точки зрения надежности работы вращающегося выпрямителя.

Низкая крутизна импульсов управления обусловлена неоднородностью параметров полупроводниковых диодов и стабилитронов, входящих в состав блоков формирования импульсов управления.

Технический эффект предложенного изобретения заключается в улучшении качества сигналов управления, повышении надежности работы устройства, улучшении массогабаритных показателей.

Указанная цель достигается тем, что в устройство управления вращающимся тиристорным выпрямителем, содержащим m-фазную электрическую машину, неуправляемые вентили и ограничительные сопротивления, в котором электрическая машина выполнена с продольно-поперечным возбуждением на статоре и якорной обмоткой на роторе, разделенной на части, указанные части якорной обмотки собраны в m-фазные группы, число которых равно числу вращающихся тиристоров выпрямителя, и, вместе с неуправляемыми вентилями, собраны в m-фазные нулевые схемы выпрямления, нагруженные на ограничительные сопротивления, причем управляющий переход каждого тиристора i-й фазы вращающегося выпрямителя подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля i-й фазы соответствующей m-фазной нулевой схемы выпрямления.

В другом варианте части якорной обмотки собраны в неполнофазные группы, число которых равно числу вращающихся тиристоров, причем на каждый тиристор i-й фазы вращающегося выпрямителя оставлены (i-1), i, (i+1) фазы якорной обмотки электрической машины, эти неполнофазные группы якорных обмоток вместе с неуправляемыми вентилями соединены в неполнофазные нулевые схемы выпрямления, нагруженные на ограничительные сопротивления, причем управляющий переход каждого тиристора i-й фазы вращающегося выпрямителя подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля i-й фазы соответствующей неполнофазной схемы выпрямления.

В третьем варианте выполнения устройства управления в неполнофазных группах якорной обмотки электрической машины оставлены лишь (i-1) и i-ая фазы на каждый тиристор i-й фазы вращающегося выпрямителя, а подключение управляющих переходов тиристоров осуществлено аналогично первым двум случаям.

Четвертый вариант выполнения устройства управления предусматривает выполнение вращающегося выпрямителя по нулевой схеме выпрямления. В этом случае управляющий переход тиристора i-й фазы подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля i-й фазы m-фазной нулевой схемы выпрямления, собранной из m-фазной якорной обмотки электрической машины и неуправляемых вентилей. Причем общее ограничительное сопротивление включено между нулевой точкой якорной обмотки электрической машины и общим катодом вращающихся тиристоров.

Пятый вариант выполнения устройства управления предусматривает выполнение вращающегося выпрямителя по мостовой схеме, в этом случае части якорной обмотки электрической машины собраны в полнофазную и неполнофазную группы, причем число неполнофазных групп равно числу тиристоров анодной группы вращающегося выпрямителя, тиристору i-й фазы вращающегося выпрямителя соответствует неполнофазная группа якорных обмоток электрической машины, образованная из i-й и (i-1) фаз якорной обмотки, группы якорных обмоток вместе с неуправляемыми вентилями собраны в нулевые схемы выпрямления, нагруженные на ограничительные сопротивления, причем управляющий переход тиристора i-й фазы анодной группы подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля i-й фазы соответствующей неполнофазной нулевой схемы выпрямления. При этом, ограничительные сопротивления предлагается выполнить нелинейными.

Предлагаемые варианты якорных цепей электрической машины приведены на фиг. 1 - 5. На фиг. 6 a, b, c, d, e приведены временные диаграммы ЭДС в фазах якоря возбудителя, выпрямленного напряжения на обмотке возбуждения турбогенератора, ЭДС в фазах электрической машины и импульсов управления тиристорами.

Для случаев, показанных на фиг. 1 - 3, вращающиеся тиристоры могут быть соединены по нулевой или мостовой схеме выпрямления, нагрузкой которой является обмотка возбуждения турбогенератора 4. В качестве примера рассматривается нулевая схема вращающегося выпрямителя.

На фиг. 1 якорная обмотка электрической машины 1 разделена на части 1С₁; 2С₁...mС₁;...; 1С_i; 2С_i,...mС_i;...; 1С_m, 2С_m,..., mС_m, из которых образованы полнофазные группы 1С₁, 1С₂, ... 1С_m; 2С₂, 2С₂...2С_m; ...; mС₁, mС₂...mС_m. Число групп равно числу вращающихся тиристоров К_m (К=1, если вращающиеся тиристоры соединены по нулевой схеме выпрямления, и К = 2, если вращающиеся тиристоры соединены по мостовой схеме выпрямления). В качестве примера показана цепь управления тиристором Т1 фазы С1 вращающегося выпрямителя 3. Группа якорных обмоток электрической машины 1С₁, 1С₂...1С_m вместе с неуправляемыми вентилями 1Д₁, 1Д₂...1Д_m собрана в m-фазную нулевую схему выпрямления, нагруженную на ограничительное сопротивление 1R. Управляющий переход тиристора Т1 фазы С₁ вращающегося выпрямителя 3 подключен в катодную цепь вентиля 1Д₁ фазы 1С₁ соответствующей m-фазной нулевой схемы выпрямления. Якорные обмотки возбудителя 2 - С₁, С₂,..., С_m и части якорной обмотки электрической машины 1 - 1С₁, 1С₂, 1С_m включены синфазно.

На фиг. 2 показан случай, когда части якорной обмотки электрической машины 1 1С₁, 2С₁, mС₁,..., (i-1)С_i, iС_i, (i+1)С_i, ..., (m-1)С_m, mС_m, 1С_m соединены в неполнофазные группы по числу тиристоров: 1С_m, 1С₁, 1С₂,...; iС_i-1, iС_i, iС_i+1; mС_m-1, mС_m, mС₁.

В качестве примера рассмотрена цепь управления тиристором Т1 фазы С₁ вращающегося выпрямителя 3. Части якорной обмотки 1С_m, 1С₁, 1С₂ образуют неполнофазную группу, которая вместе с неуправляемыми вентилями 1Д_m, 1Д₁, 1Д₂ собрана в нулевую схему выпрямления, нагруженную на ограничительное сопротивление 1R. Управляющий переход тиристора Т1 фазы С₁ вращающегося выпрямителя 3 подключен в катодную цепь вентиля фазы 1С₁ соответствующей неполнофазной нулевой схемы выпрямления. Якорные обмотки возбудителя 2: С₁, С₂, С_m и части якорной обмотки электрической машины 1: 1С₁, 1С₂, 1С_m включены синфазно.

На фиг. 3 показан случай, когда части якорной обмотки электрической машины 1: 1С₁, 2С₂... i С_i, (i+1)С_i+1..., mС_m, 1С_m соединены в неполнофазные группы по числу вращающихся тиристоров: 1С₁, 1С_m;... iС_i, iС_i-1,...; mС_m, mС_m-1. В качестве примера показана цепь управления тиристорами Т1 фазы С₁ вращающегося выпрямителя 3. Группа якорных обмоток электрической машины 1С₁, 1С вместе с неуправляемыми вентилями 1Д₁, 1Д собрана в неполнофазную нулевую схему выпрямления, нагруженную на ограничительное сопротивление 1R. Управляющий переход тиристора Т1 фазы С₁ вращающегося выпрямителя 3 подключен в катодную цепь вентиля фазы 1С₁ соответствующей неполнофазной нулевой схемы выпрямления. Якорные обмотки возбудителя 2: С₁, С_m и части якорной обмотки электрической машины 1: 1С₁, 1С_m включены синфазно.

На фиг. 4 рассмотрен случай соединения вращающихся тиристоров по нулевой m-фазной схеме выпрямления. M-фазная якорная обмотка электрической машины 1 вместе с неуправляемыми вентилями 1Д, 2Д,..., mД_m собрана в нулевую m-фазную схему выпрямления. Управляющий переход тиристора фазы С₁ вращающегося выпрямителя подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля фазы С₁ m-фазной нулевой схемы выпрямления. Обмотки якоря возбудителя 2 и якорные обмотки электрической машины 1 включены синфазно. Общее ограничительное сопротивление R включено между общим катодом вращающихся тиристоров и нулевой точкой якорных обмоток электрической машины.

На фиг. 5 показан случай соединения вращающихся тиристоров по мостовой схеме выпрямления 3. Якорная обмотка электрической машины 1 разделена на части 1_kС, 1_АС₁, 2_АС₁, . . ., i_kС_i, i_АС_i, (i+1)_АС_i, ... m_kС_m, М_АС_m, 1_АС_m, из которых образованы полнофазная группа 1_kС₁, 2_kС₂... m_kС_m и неполнофазные группы по числу тиристоров анодной группы 1_АС₁, 1_АС₂;...; i_АС_i, i_АС_i-1;... m_АС_m, m_АС_m-1. На фиг. 5 показаны цепи управления тиристорами катодной группы Т_k1, Т_k2, ..., Т_km и тиристором Т_А1 фазы С₁ анодной группы. М-фазная группа якорных обмоток электрической машины 1_kС₁, 2_kС₂, ..., m_kС_m вместе с неуправляемыми вентилями Д_k1, Д_k2, ..., Д_km собрана в m-фазную нулевую схему выпрямления. Управляющие переходы тиристоров катодной группы Т_k1, Т_k2, ... Т_km включены в катодные цепи вентилей фаз соответственно 1_kС₁, 2_kС₂... m_kС_m М-фазной нулевой схемы выпрямления. Ограничительное сопротивление включено между общим катодом вращающихся тиристоров и общей точкой группы якорных обмоток электрической машины 1_kС₁, 2_kС₂,..., m_kС_m. Якорные обмотки возбудителя С₁, С₂,..., С_m включены синфазно с якорными обмотками электрической машины соответственно 1_kС₁, 2_kС₂ ... m_kС_m. Части якорной обмотки электрической машины 1_AС₁, 1_АС_m образуют неполнофазную группу, которая вместе с неуправляемыми вентилями 1_АД₁, 1_АД_m собрана в неполнофазную нулевую схему выпрямления, нагруженную на ограничительное сопротивление 1_АR. Управляющий переход тиристора Т_А1 фазы С₁ вращающегося выпрямителя включен в катодную цепь неуправляемого вентиля 1_АД₁ фазы 1_АС₁ неполнофазной нулевой схемы выпрямления. Обмотки якоря электрической машины 1_АС₁, 1_АС_м включены в противофазе с обмотками якоря возбудителя соответственно С₁, С_m.

На фиг. 1 - 5 под индексом 5 показаны обмотки индуктора электрической машины.

При расщеплении фаз обмотки якоря возбудителя фазы якорной обмотки электрической машины тоже расщепляются.

Для того, чтобы предотвратить потерю управляемости вращающимся тиристорным выпрямителем из-за снижения амплитуды импульсов управления, в переходных режимах ограничительное сопротивление предлагается выполнить нелинейным, типа магниторезистора, зависящим от магнитного поля в зазоре электрической машины. Снижение модуля результирующего намагничивающего тока обмоток индуктора вызывает автоматическое снижение величины ограничительного сопротивления, что обеспечивает поддерживание амплитуды импульса тока управления на заданном уровне.

Принцип работы вариантов устройства управления вращающимся тиристорным выпрямителем, показанных на фиг. 1 - 5, один и тот же. В качестве примера рассмотрим работу устройства управления вращающимся тиристорным выпрямителем, показанного на фиг. 1, для случая 3-фазной электрической машины и 3-фазного возбудителя. Под действием потоков возбуждения в фазах якорей электрической машины и возбудителя создаются ЭДС, сдвиг во времени между которыми определяет угол открытия тиристоров вращающегося выпрямителя. Импульс управления тиристором Т1 формируется при коммутации неуправляемых вентилей 1Д₁ и 1Д₃, тиристором Т2 - при коммутации неуправляемых вентилей 2Д₁ и 2Д₂, тиристором Т3 - при коммутации неуправляемых вентилей 3Д₂ и 3Д₃ соответствующих 3-фазных нулевых схем выпрямления. Нагрузкой вращающегося тиристорного выпрямителя является обмотка возбуждения турбогенератора. Коммутация вентилей 1Д₁ и 1Д₃ наступает при равенстве ЭДС в фазах С₂ и С₃ якоря электрической машины. Длительность импульса управления - 2π/3 равна времени между последовательными коммутациями неуправляемых вентилей.

Качество сигналов управления повышено по сравнению с прототипом за счет уменьшения продолжительности фронта сигналов управления (τ_ф). В устройстве, выбранном за прототип, τ_ф = (80-100) мкс.

В предлагаемом устройстве длительность фронта импульса управления равна углу коммутации неуправляемого выпрямителя. Зависимость величины угла коммутации от параметров выпрямителя определяется формулой (см. книгу Беркович Е. И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др. Полупроводниковые выпрямители. М.: Энергия, 1978, с. 121):

где
X_S - реактивность анодной цепи выпрямителя; I_d - выпрямленный ток, U_2ф - действующее фазное значение анодной ЭДС.

Вариацией параметров источника питания и нагрузки неуправляемого выпрямителя можно добиться желаемой длительности угла коммутации.

Изобретение относится к области электромеханики и предназначено для применения в системах бесконтактного возбуждения синхронных электрических машин - турбогенераторов, синхронных компенсаторов - с вращающимся управляемым полупроводниковым выпрямителем. Рассматривается устройство управления вращающимся тиристорным возбудителем бесконтактной системой возбуждения синхронной машины, состоящее из управляющей машины, якорные обмотки которой через анодные выпрямители нагружены на активное сопротивление, причем управляющие электроды тиристоров подключены последовательно с диодами соответствующих плеч диодных выпрямителей. Техническим результатом является улучшение качества сигналов управления, повышение надежности, уменьшение масссогабаритных показателей. 5 с. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство управления вращающимся тиристорным выпрямителем, содержащее m-фазную электрическую машину, неуправляемые вентили и ограничительные сопротивления, в котором электрическая машина выполнена с продольно-поперечным возбуждением на статоре и якорной обмоткой на роторе, разделенной на части, отличающееся тем, что части якорной обмотки электрической машины собраны в m-фазные группы, число которых равно числу тиристоров вращающегося выпрямителя, и каждая m-фазная группа вместе с соответствующими неуправляемыми вентилями собрана в m-фазную нулевую схему выпрямления, каждая из которых нагружена на соответствующее ограничительное сопротивление, причем управляющий переход каждого тиристора i-й фазы вращающегося выпрямителя подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля i-й фазы соответствующей m-фазной нулевой схемы выпрямления. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ограничительные сопротивления выполнены нелинейными. 3. Устройство управления вращающимся тиристорным выпрямителем, содержащее m-фазную электрическую машину, неуправляемые вентили и ограничительные сопротивления, в котором электрическая машина выполнена с продольно-поперечным возбуждением на статоре и якорной обмоткой на роторе, разделенной на части, отличающееся тем, что части якорной обмотки электрической машины собраны в неполнофазные группы, число которых равно числу тиристоров вращающегося выпрямителя, причем каждому тиристору i-й фазы, где 1<i<m, вращающегося выпрямителя соответствует неполнофазная группа из частей (i - 1)-й, i-й и (i + 1)-й фаз якорной обмотки электрической машины, каждому тиристору первой фазы вращающегося выпрямителя соответствует неполнофазная группа из частей m-й, первой, второй фаз якорной обмотки электрической машины, каждому тиристору m-й фазы вращающегося выпрямителя соответствует неполнофазная группа из частей (m - 1)-й, m-й и первой фаз якорной обмотки электрической машины, части якорной обмотки электрической машины каждой из неполнофазных групп вместе с соответствующими вентилями формируют неполнофазную нулевую схему выпрямления, нагруженную на соответствующее ограничительное сопротивление, причем управляющий переход каждого тиристора вращающегося выпрямителя подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля соответствующей фазы соответствующей неполнофазной нулевой схемы выпрямления. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что ограничительные сопротивления выполнены нелинейными. 5. Устройство управления вращающимся тиристорным выпрямителем, содержащее m-фазную электрическую машину, неуправляемые вентили и ограничительные сопротивления, в котором электрическая машина выполнена с продольно-поперечным возбуждением на статоре и якорной обмоткой на роторе, разделенной на части, отличающееся тем, что части якорной обмотки электрической машины собраны в неполнофазные группы, число которых равно числу тиристоров вращающегося выпрямителя, причем каждому тиристору i-й фазы, где 1<i≤m, вращающегося выпрямителя соответствует неполнофазная группа из частей (i - 1)-й и i-й фаз якорной обмотки электрической машины, каждому тиристору первой фазы вращающегося выпрямителя соответствует неполнофазная группа из частей m-й и первой фаз якорной обмотки электрической машины, каждая из неполнофазных групп вместе с соответствующими вентилями формируют неполнофазную нулевую схему выпрямления, нагруженную на соответствующее ограничительное сопротивление, причем управляющий переход каждого тиристора вращающегося выпрямителя подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля соответствующей фазы соответствующей неполнофазной нулевой схемы выпрямления. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что ограничительные сопротивления выполнены нелинейными. 7. Устройство управления вращающимся тиристорным выпрямителем, выполненным по нулевой схеме, содержащее m-фазную электрическую машину, неуправляемые вентили и ограничительное сопротивление, в котором электрическая машина выполнена с продольно-поперечным возбуждением на статоре и якорной обмоткой на роторе, отличающееся тем, что якорная обмотка электрической машины и неуправляемые вентили собраны в m-фазную нулевую схему выпрямления, при этом управляющий переход тиристора i-й фазы вращающегося выпрямителя, где 1≤i≤m, подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля i-й фазы m-фазной нулевой схемы выпрямления, ограничительное сопротивление включено между нулевой точкой якорной обмотки электрической машины и общим катодом вращающихся тиристоров. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что ограничительное сопротивление выполнено нелинейным. 9. Устройство управления вращающимся тиристорным выпрямителем, выполненным по мостовой схеме, содержащее m-фазную электрическую машину, неуправляемые вентили и ограничительные сопротивления, в котором электрическая машина выполнена с продольно-поперечным возбуждением на статоре и якорной обмоткой на роторе, разделенной на части, отличающееся тем, что части якорной обмотки электрической машины собраны в одну m-фазную и неполнофазные группы, число которых равно числу тиристоров анодной группы вращающегося выпрямителя, причем каждому тиристору i-й фазы анодной группы вращающегося выпрямителя, где 1<i≤m, соответствует неполнофазная группа из частей (i - 1)-й и i-й фаз якорной обмотки электрической машины, каждому тиристору первой фазы вращающегося выпрямителя соответствует неполнофазная группа из частей m-й и первой фаз якорной обмотки электрической машины, части якорной обмотки электрической машины каждой из неполнофазных групп вместе с соответствующими вентилями формируют неполнофазную нулевую схему выпрямления, нагруженную на соответствующее ограничительное сопротивление, части якорной обмотки электрической машины, образующие полнофазную группу вместе с соответствующими вентилями, формируют m-фазную нулевую схему выпрямления, нагруженную на соответствующее ограничительное сопротивление, при этом управляющий переход тиристора каждой фазы катодной группы вращающегося выпрямителя подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля соответствующей фазы m-фазной нулевой схемы выпрямления, управляющий переход тиристора каждой фазы анодной группы вращающегося выпрямителя подключен в катодную цепь неуправляемого вентиля соответствующей фазы соответствующей неполнофазной нулевой схемы выпрямления. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что ограничительные сопротивления выполнены нелинейными.