Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель Российский патент 2021 года по МПК H02K19/38 H02K19/12 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, а именно к синхронной машине, которая может работать в режиме синхронного генератора или в режиме синхронного двигателя.

Из уровня техники известна синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель (патент №2698102 на изобретение, МПК Н02К 19/38; Н02К 11/042; Н02К 3/28, 2019.08.22), содержащая: корпус с подшипниковыми щитами, ротор с валом, статор с основной обмоткой, установленный в корпусе, ротор синхронной машины с основным ротором с обмоткой, установленный на валу, статор возбудителя с обмоткой, установленный на подшипниковом щите корпуса, ротор возбудителя с обмоткой, имеющий магнитную связь со статором с обмоткой, выпрямитель, установленный на роторе возбудителя, выпрямляющий переменное напряжение обмотки ротора возбудителя в постоянное напряжение для обеспечения током возбуждения обмотки основного ротора синхронной машины.

К недостаткам данного изобретения можно отнести следующее:

Источником тока возбуждения синхронной машины является выходное/входное напряжение машины, вследствие чего форсировка тока возбуждения в рабочем режиме осуществляется только работой блока управления, без форсировки источника тока возбуждения. Данная система возбуждения увеличивает время переходных процессов при набросе/сбросе нагрузки.

Источником тока возбуждения синхронной машины является выходное/входное напряжение машины по первой гармонике, вследствие чего при коротком замыкании на выходе синхронной машины в режиме генератора отсутствует ток короткого замыкания. Данная система возбуждения не может обеспечить селективность работы защиты, в частности, отключение тока короткого замыкания выключателем нагрузки.

Выпрямитель и обмотка ротора синхронной машины не имеют защиты от всплесков напряжения при переходных процессах при набросе/сбросе нагрузки. Это может привести к пробою диодов выпрямителя.

Выпрямитель и обмотка ротора синхронной машины не имеют защиты от перенапряжения при первоначальном пуске синхронной машины в режиме двигателя. Это может привести к пробою диодов выпрямителя.

Блок управления работает на высокой частоте переключения тока возбуждения, что приводит к использованию сердечника трансформатора из ферриторных материалов. Данные сердечники имеют высокую стоимость и низкую механическую прочность.

Блок управления при работе в режиме синхронного двигателя использует датчики углового положения ротора. Это не только усложняет конструкцию синхронной машины, но и не гарантирует устойчивость работы двигателя от выхода из синхронизма при резком набросе номинальной нагрузки вследствие инерции изменения тока возбуждения.

Синхронная машина не обеспечивает автоматического определения режима работы генератор/двигатель.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение перечисленных выше недостатков, присущих аналогу.

Технический результат - улучшение характеристик, улучшение пусковых характеристик в режиме двигатель, повышение надежности, уменьшение габаритов и массы.

Технический результат достигается за счет того, что синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель, содержащая: корпус с подшипниковыми щитами, ротор с валом, статор с основной обмоткой, установленный в корпусе, ротор синхронной машины с основным ротором с обмоткой, установленный на валу, статор возбудителя с обмоткой, установленный на подшипниковом щите корпуса, ротор возбудителя с обмоткой, имеющий магнитную связь со статором с обмоткой, выпрямитель, установленный на роторе возбудителя, выпрямляющий переменное напряжение обмотки ротора возбудителя в постоянное напряжение для обеспечения током возбуждения обмотки основного ротора синхронной машины, синхронная машина содержит дополнительную обмотку основного статора по третьей гармонике и/или сочетания дополнительных обмоток по первой и третьей гармонике для форсировки тока возбуждения в рабочем режиме и сокращения времени переходных процессов при набросе/сбросе нагрузки.

В одном из вариантов осуществления изобретения синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель при работе в режиме генератора может содержать дополнительную обмотку основного статора по третьей гармонике или сочетания дополнительных обмоток по первой и третьей гармонике для форсировки тока возбуждения.

Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель при работе в режиме двигателя при начальном пуске может содержать реле гашения поля, соединенного через щеткодержатель и щетки с контактными кольцами для защиты выпрямителя и обмотки ротора синхронной машины от перенапряжения при первоначальном пуске в режиме двигателя. Реле гашения поля своими контактами через узел контактных колец подключено параллельно выпрямителю и обмотке ротора синхронной машины, замыкает обмотку ротора синхронной машины, переводя синхронную машину в режим асинхронного пуска.

Изобретение может осуществляться в варианте, когда синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель содержит регулятор возбуждения, который может работать с выходной частотой регулятора тока возбуждения не превышающей 2-х или 3-х, или 6-ти кратную частоту синхронной машины, обеспечивая при этом стабильность управления при применении недорогой электротехнической стали сердечников статора ротора возбудителя.

Изобретение может осуществляться в варианте, когда для питания и форсировки тока возбуждения в рабочем режиме используется дополнительная обмотка по первой и третьей гармонике.

Изобретение может осуществляться в варианте, когда для форсировки тока возбуждения при коротком замыкании в режиме генератора используется дополнительная обмотка по первой и третьей гармонике.

В этом варианте осуществления изобретения источником питания возбуждения синхронной машины при коротком замыкании в режиме работы генератора является дополнительная обмотка по первой и третьей гармонике, обеспечивающая форсировку тока возбуждения синхронной машины при коротком замыкании и селективность работы защиты.

Изобретение может осуществляться в варианте, когда синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель содержит регулятор возбуждения с подключенным выходным/входным напряжением синхронной машины и датчиком тока в режиме генератора обеспечивает стабильное выходное напряжение и статизм по реактивному току при параллельной работе, а в режиме двигателя обеспечивает стабильный реактивный ток потребления из сети, обеспечивая устойчивую работу двигателя и отсутствие выпадение его из синхронизма при включении 100% номинальной нагрузки.

Данный режим позволяет использовать синхронную машину в режиме двигателя с коэффициентом мощности от 1 до 0,8 (опережающий) при номинальной нагрузке. При работе с cosϕ=1, двигатель потребляет из сети минимальный ток (активный) со ступенчатым 50% набросе нагрузки, не выходя из синхронизма При работе с cosϕ=0,8 (опережающим), двигатель может принять 100% номинальной нагрузки без опасения выхода из синхронизма.

Режим работы генератор/двигатель регулятора возбуждения с реле работы генератора и реле работы двигателя выбирается автоматически, в зависимости от того, на каком из реле первым появится напряжение, на синхронной машине или в сети.

В возможном варианте осуществления изобретения для защиты выпрямителя и обмотки ротора синхронной машины от импульсных всплесков напряжения при набросе/сбросе нагрузки может содержать варистор, подключенный параллельно выпрямителю и обмотке ротора синхронной машины.

Синхронная машина обеспечивает автоматический выбор режима работы генератор/двигатель. Данный режим определяется работой реле работы генератора и реле работы двигателя. При вращении вала синхронной машины, она возбуждается и на ее выходе появляется напряжение, вследствие чего включается реле работы генератора, которое своими контактами блокирует включение реле работы двигателя и переводит регулятор возбуждения в режим работы генератора, который подключается к нагрузке выключателем нагрузки. При появлении напряжения в сети, включается реле работы двигателя, которое своими контактами блокирует включение реле работы генератора, и переводит регулятор возбуждения в режим работы двигателя.

Изобретение поясняется следующим графическим материалом:

на фиг. - показазана принципиальная схема синхронной машины, где арабскими цифрами обозначены:

1 - основная обмотка синхронной машины;

2 - обмотка ротора синхронной машины;

3 - вал;

4 - обмотка статора возбудителя;

5 - обмотка ротора возбудителя;

6 - выпрямитель;

7 - узел контактных колец;

8 - реле гашения поля;

9 - контакт реле гашения поля;

10 - дополнительная обмотка;

11 - выходное/входное напряжение синхронной машины;

12 - датчик тока;

13 - регулятор возбуждения;

14 - реле работы генератора;

15, 16 - контакты реле работы генератора;

17 - реле работы двигателя;

18, 19 - контакты реле работы двигателя;

20 - выключатель нагрузки/сети;

21 - корпус;

22 - нагрузка/сеть;

23 - варистор;

24 - синхронная машина.

Как показано на фиг., синхронная машина 24 имеет корпус 21 с подшипниковыми щитами, статор с основной обмоткой 1 и дополнительной обмоткой 10, статор возбудителя с обмоткой 4, ротор машины с валом 3. На валу установлены основной ротор с обмоткой 2, ротор возбудителя с обмоткой 5, выпрямителем 6 и варистором 23, контактные кольца 7. К контактным кольцам через щетки и щеткодержатель подключены контакты 9 реле гашения поля 8. В основную обмотку синхронной машины 24 включен датчик тока 12, выключатель нагрузки/сети 20, реле работы генератора 14 и реле работы двигателя 17. Синхронная машина 24 имеет регулятор возбуждения 13, к которому подключена дополнительная обмотка 10, обмотка статора возбудителя 4, реле гашения поле 8, выходное/входное напряжение синхронной машины 11, датчик тока 12, контакты реле работы генератора 16, контакты реле работы двигателя 19. В цепь питания обмотки реле работы генератора 14 включен контакт реле работы двигателя 18. В цепь питания обмотки реле работы двигателя 17 включен контакт реле работы генератора 15.

Дополнительная обмотка 10 по первой и третьей гармонике может являться источником питания возбуждения синхронной машины в рабочем режиме, обеспечивает форсировку тока возбуждения при набросе/сбросе нагрузки, уменьшая время переходных процессов.

Дополнительная обмотка 10 по первой и третьей гармонике может являться источником питания возбуждения синхронной машины при коротком замыкании, обеспечивая форсировку тока возбуждения при коротком замыкании в режиме синхронного генератора.

Реле гашения поля 8 своими контактами 9 через узел контактных колец 7 обеспечивает защиту выпрямителя 6 и обмотки ротора синхронной машины 2 от перенапряжения при первоначальном пуске в режиме двигателя.

Регулятор возбуждения 13 осуществляет управление током возбуждения синхронной машины с частотой коммутации 2-х или 3-х, или 6-ти кратной частоты синхронной машины, обеспечивая стабильную работу системы возбуждения, используя в качестве сердечника статора возбудителя 4 и ротора возбудителя 5 обычное недорогое электротехническое железо.

Регулятор возбуждения 13 с подключенным выходным/входным напряжением синхронной машины 11 и датчиком тока 12 в режиме генератора обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и обеспечивает статизм по реактивному току при параллельной работе, а в режиме двигателя обеспечивает стабилизацию реактивного тока двигателя из сети от 0% до 100%. Данный режим обеспечивает устойчивость работы синхронной машины от выхода из синхронизма при набросе/сбросе нагрузки в режиме двигателя.

Реле работы генератора 14 и реле работы двигателя 17 обеспечиваеют автоматический выбор работы синхронной машины в режиме генератор/двигатель. При вращении вала синхронной машины 3 она возбуждается и на ее выходе появляется напряжение, включается реле работы генератора 14, которые своим контактом 16 задает режим работы регулятору возбуждения 13 режим работы генератора, а контактами 15 блокирует работу реле работы двигателя 17. При подаче напряжения на выключатель нагрузка/сеть 20 включается реле работы двигателя 17, которое своими контактами 19 задает режим работы регулятора возбуждения 13 режим работы двигателя, а контактами 18 блокирует работу реле работы генератора 14.

Варистор 23 обеспечивает защиту выпрямителя 6 и обмотки ротора синхронной машины 2 от всплесков напряжения при набросе/сбросе нагрузки в рабочем режиме.

Изобретение относится к области электротехники. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель, содержащая: корпус с подшипниковыми щитами, ротор с валом, статор с основной обмоткой, установленной в корпусе, ротор синхронной машины с основным ротором с обмоткой, установленный на валу, статор возбудителя с обмоткой, установленный на подшипниковом щите корпуса, ротор возбудителя с обмоткой, имеющий магнитную связь со статором с обмоткой, выпрямитель, установленный на роторе возбудителя, выпрямляющий переменное напряжение обмотки ротора возбудителя в постоянное напряжение для обеспечения током возбуждения обмотки основного ротора синхронной машины. Синхронная машина содержит дополнительную обмотку основного статора по третьей гармонике и/или сочетание дополнительных обмоток по первой и третьей гармонике, обеспечивающую форсировку тока возбуждения синхронной машины при набросе/сбросе нагрузки и уменьшение времени переходных процессов. Технический результат - улучшение характеристик, улучшение пусковых характеристик в режиме двигатель, повышение надежности, уменьшение габаритов и массы. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель, содержащая: корпус с подшипниковыми щитами, ротор с валом, статор с основной обмоткой, установленный в корпусе, ротор синхронной машины с основным ротором с обмоткой, установленный на валу, статор возбудителя с обмоткой, установленный на подшипниковом щите корпуса, ротор возбудителя с обмоткой, имеющий магнитную связь со статором с обмоткой, выпрямитель, установленный на роторе возбудителя, выпрямляющий переменное напряжение обмотки ротора возбудителя в постоянное напряжение для обеспечения током возбуждения обмотки основного ротора синхронной машины, отличающаяся тем, что содержит дополнительную обмотку основного статора по третьей гармонике и/или сочетание дополнительных обмоток по первой и третьей гармонике, обеспечивающую форсировку тока возбуждения синхронной машины при набросе/сбросе нагрузки и уменьшение времени переходных процессов.

2. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что при работе в режиме генератора содержит дополнительную обмотку основного статора по третьей гармонике или сочетания дополнительных обмоток по первой и третьей гармонике для форсировки тока возбуждения.

3. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что при работе в режиме двигателя при начальном пуске содержит реле гашения поля, соединенные через щеткодержатель и щетки с контактными кольцами для защиты выпрямителя и обмотки ротора синхронной машины от перенапряжения.

4. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что при работе в режиме генератор/двигатель регулятор возбуждения работает с выходной частотой регулятора тока возбуждения, не превышающей 2-, или 3-, или 6-кратную частоту синхронной машины, обеспечивая при этом стабильность управления при применении недорогой электротехнической стали сердечников статора ротора возбудителя.

5. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что для питания и форсировки тока возбуждения в рабочем режиме используется дополнительная обмотка по первой и третьей гармонике.

6. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что для форсировки тока возбуждения при коротком замыкании в режиме генератора используется дополнительная обмотка по первой и третьей гармонике.

7. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что источником питания возбуждения синхронной машины при коротком замыкании в режиме работы генератора является дополнительная обмотка по первой и третьей гармонике, обеспечивающая форсировку тока возбуждения синхронной машины при коротком замыкании и селективность работы защиты.

8. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что содержит регулятор возбуждения с подключенным выходным/входным напряжением синхронной машины и датчиком тока, в режиме генератора обеспечивает стабильное выходное напряжение и статизм по реактивному току при параллельной работе, а в режиме двигателя обеспечивает стабильный реактивный ток потребления из сети, сохраняя при этом устойчивую работу двигателя и отсутствие выпадения его из синхронизма при включении 100% номинальной нагрузки.

9. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что режим работы генератор/двигатель регулятора возбуждения с реле работы генератора и реле работы двигателя выбирается автоматически в зависимости от того, на каком из реле первым появится напряжение, на синхронной машине или в сети.

10. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель по п. 1, отличающаяся тем, что для защиты обмотки ротора синхронной машины и выпрямителя от импульсных всплесков напряжения при набросе/сбросе нагрузки в рабочем режиме установлен варистор.