Аксиальный преобразователь частоты Российский патент 2022 года по МПК H02K47/18 

Изобретение относится к области преобразования промышленной частоты переменного тока в повышенную частоту и может быть использовано на заводах и в организациях, проектирующих и изготавливающих электромашинные преобразователи частоты для различных отраслей производства и специальной техники.

Известен преобразователь частоты, состоящий из электрического двигателя с трехфазной якорной обмоткой и асинхронной машины с трехфазной индукторной и трехфазной якорной обмотками (Рихтер Р. Электрические машины. Т. 4, ГОНТИ, М. - Л., 1939, с. 353-354). Этот преобразователь имеет круто падающую внешнюю характеристику и, следовательно, нестабильное напряжение на выходе при изменении нагрузки, а также неудовлетворительные массо-габаритные показатели.

Кроме того, известен также бесконтактный преобразователь частоты (Авторское свидетельство СССР № SU 1757043 А1, авторы М.М. Красношапка, Г.А. Коваленко и Д.М. Красношапка. МПК Н02К 47/18, 13.08.1990), содержащий расположенные на одном валу три электрические машины переменного тока радиальной конструкции, две из которых являются асинхронными и имеют обмотки ротора, электрически соединенные между собой, причем статор одной асинхронной машины подключен к сети, а другой - к нагрузке. С целью увеличения КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности, уменьшения величины пускового тока, стабильности выходного напряжения и частоты преобразователя третья машина является синхронной, ее обмотка возбуждения расположена на роторе и соединена последовательно через выпрямитель с роторными обмотками асинхронных машин, причем обмотка статора одной асинхронной машины подключена через конденсатор, позволяющий изменять чередование фаз, к сети, а статор второй асинхронной машины имеет цилиндрический магнитный шунт, в пазах которого расположена тороидальная обмотка подмагничивания, подключенная к автоматическому регулятору напряжения.

Однако наличие трех электрических машин (а именно - второй асинхронной машины) на одном валу увеличивает массу и размеры такого преобразователя по сравнению с двухмашинными агрегатами, то есть массогабаритные показатели таких преобразователей не высоки. Кроме того, технология изготовления магнитопроводов и сборки такого преобразователя сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статоров и роторов электрических машин, входящих в состав преобразователя, а также необходимости выполнения обмоточных работ внутри радиального статора.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятым авторами за прототип является синхронно-асинхронный преобразователь частоты (Сравнительный анализ преобразователей повышенной частоты как возможных источников наземного электропитания воздушных судов / Я.М. Кашин, А.Б. Варенов, Г.А. Кириллов // Научный журнал «Вестник Адыгейского государственного университета. Серия 4: Естественно-математические и технические науки» Выпуск 4 (211). - Майкоп: Изд-во «Адыгейский государственный университет», 2017. - С. 148-153), содержащий на одном валу, установленном в подшипниковых узлах, закрытых передним и задним подшипниковыми щитами, две машины переменного тока радиальной конструкции: синхронный двигатель с индуктором (магнитопроводом индуктора с основной обмоткой возбуждения) на статоре и якорем (магнитопроводом якоря с трехфазной обмоткой якоря) на роторе и асинхронный преобразователь частоты - асинхронную машину, имеющую трехфазные обмотки на магнитопроводах статора и ротора и работающую в режиме преобразователя частоты.

В качестве приводного двигателя в этом преобразователе использован синхронный двигатель обращенной конструкции с индуктором на статоре. Обращенная конструкция обеспечивает минимальное количество контактных колец со щетками - всего три. В случае, когда индуктор синхронного двигателя располагается на роторе, контактных колец со щетками необходимо пять.

Трехфазная обмотка якоря синхронного двигателя и трехфазная роторная обмотка асинхронного преобразователя частоты подключены друг по отношению к другу с обратной последовательностью, а их концы соединены с контактными кольцами, закрепленными на валу, и выполнены с возможностью подключения посредством угольных щеток, расположенных на корпусе, к первичной сети трехфазного напряжения.

Однако, известный синхронно-асинхронный преобразователь частоты, принятый за прототип, имеет ряд недостатков:

1. Как и другие известные электромашинные преобразователи частоты радиальной конструкции, он имеет низкие массогабаритные показатели, обусловленные его большими осевыми размерами, присущими всем электрическим машинам радиальной конструкции, а также нерациональным использованием свободного пространства внутри магнитопроводов.

2. Технология изготовления магнитопроводов и сборки такого преобразователя сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора электрических машин, входящих в состав преобразователя, а также необходимости выполнения обмоточных работ внутри радиального статора.

3. Неудовлетворительное качество электроэнергии на выходе преобразователя частоты: нестабильность выходного напряжения по величине, высокая длительность переходного процесса и недопустимо высокие колебания частоты выходного напряжения при изменении тока нагрузки преобразователя.

При всех достоинствах принятого за прототип асинхронного преобразователя частоты его применение проблематично из-за трудностей, с которыми приходится сталкиваться при построении системы стабилизации выходного напряжения по величине. Крутизна внешней характеристики известного синхронно-асинхронного преобразователя частоты больше, чем у синхронного генератора равной мощности. Это происходит потому, что при увеличении нагрузки и неизменном напряжении, приложенном к первичной (трехфазной роторной) обмотке, возрастают падения напряжения не только в статорных обмотках, но и в обмотках ротора, отделенного от статора воздушным зазором. Поэтому даже при постоянном первичном напряжении изменение выходного напряжения может достигать 30% и более (Красношапка М.М., Красношапка Д.М. Электромашинные преобразователи частоты. В кн. Электроустановки повышенной частоты. - Кишинев: Штиинца, 1978. - с. 3-12.). Это вызывает необходимость для его стабилизации применять сравнительно мощный (и, соответственно, громоздкий и тяжелый) регулятор трехфазного напряжения, подводимого к роторной обмотке синхронно-асинхронного преобразователя частоты или снимаемого с его статорной обмотки.

4. Низкий коэффициент мощности cos ф, при этом для его увеличения в известном преобразователе частоты требуется отдельное устройство, которое по габаритам и размерам сопоставимо с самим преобразователем частоты.

5. Низкая надежность известного преобразователя частоты, обусловленная тем, что в момент его пуска в основной обмотке возбуждения синхронного двигателя может наводиться недопустимо высокое напряжение, которое может привести к пробою основной обмотки возбуждения и короткому замыканию ее на корпус. Кроме того, жесткость конструкции известного преобразователя невысока: возможные биения ротора радиального типа, имеющего большие осевые размеры, могут привести к соприкосновению магнитопроводов ротора и статора и, соответственно, к заклиниванию.

Задачей изобретения является усовершенствование преобразователя частоты, позволяющее обеспечить улучшение его эксплуатационно-технических характеристик.

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение массо-габаритных показателей, упрощение технологии изготовления магнитопроводов и сборки преобразователя частоты, улучшение качества электрической энергии путем стабилизации выходного напряжения преобразователя по величине, уменьшения длительности переходного процесса регулирования выходного напряжения и уменьшения колебаний частоты выходного напряжения при изменении тока нагрузки преобразователя, повышение коэффициента мощности cos ϕ, повышение надежности и жесткости конструкции.

Технический результат достигается тем, что в аксиальном преобразователе частоты, содержащем корпус, синхронный двигатель и асинхронный преобразователь частоты, установленные на одном валу, закрепленном в корпусе в переднем и заднем подшипниковых узлах, закрытых передним и задним подшипниковыми щитами соответственно, при этом синхронный двигатель состоит из магнитопровода индуктора, в пазы которого уложена основная обмотка возбуждения, и магнитопровода якоря с трехфазной обмоткой якоря, а асинхронный преобразователь частоты состоит из магнитопровода статора с трехфазной статорной обмоткой и магнитопровода ротора с трехфазной роторной обмоткой, при этом трехфазная обмотка якоря синхронного двигателя и трехфазная роторная обмотка асинхронного преобразователя частоты подключены друг по отношению к другу с обратной последовательностью, а их концы соединены с контактными кольцами, закрепленными на валу, и выполнены с возможностью подключения посредством угольных щеток, расположенных на корпусе, к первичной сети трехфазного напряжения, при этом магнитопроводы синхронного двигателя и асинхронного преобразователя частоты выполняют аксиальными, а в корпусе дополнительно устанавливают корректор выходного напряжения с одним входом и первым и вторым выходами, пусковое сопротивление и реле переключения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя, которую выполняют с возможностью подключения к первому выходу корректора выходного напряжения, при этом аксиальный магнитопровод индуктора синхронного двигателя жестко закрепляют в корпусе на его задней поверхности, аксиальный магнитопровод статора асинхронного преобразователя частоты жестко закрепляют в корпусе посредством кронштейна на его задней поверхности соосно с аксиальным магнитопроводом индуктора синхронного двигателя, а их общей осью симметрии является ось симметрии вала, причем аксиальный магнитопровод статора асинхронного преобразователя частоты с трехфазной статорной обмоткой размещают внутри аксиального магнитопровода индуктора синхронного двигателя, при этом аксиальный магнитопровод ротора асинхронного преобразователя частоты и аксиальный магнитопровод якоря синхронного двигателя жестко закрепляют на валу посредством роторного диска соосно друг другу, а их общей осью симметрии является ось симметрии вала, причем аксиальный магнитопровод ротора асинхронного преобразователя частоты размещают внутри аксиального магнитопровода якоря синхронного двигателя, при этом в пазы аксиального магнитопровода индуктора синхронного двигателя дополнительно укладывают демпферную короткозамкнутую обмотку и дополнительную обмотку возбуждения, а между задней поверхностью корпуса и аксиальным магнитопроводом статора асинхронного преобразователя частоты устанавливают магнитный шунт, содержащий аксиальный магнитопровод, в пазы которого укладывают корректирующую и компаундирующую обмотки асинхронного преобразователя частоты, а во внутреннюю часть аксиального магнитопровода магнитного шунта устанавливают измеритель выходного напряжения и частоты с одним входом и с первым и вторым выходами и выпрямительное устройство 28, при этом корректирующую обмотку подключают ко второму выходу корректора выходного напряжения, а компаундирующую обмотку асинхронного преобразователя частоты соединяют последовательно с дополнительной обмоткой возбуждения синхронного двигателя и подключают к выходу выпрямительного устройства, вход которого подключают к началам фаз трехфазной статорной обмотки асинхронного преобразователя частоты, при этом вход измерителя выходного напряжения и частоты подключают к выходу асинхронного преобразователя частоты, его первый выход соединяют с обмоткой управления реле переключения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя, а его второй выход соединяют со входом корректора выходного напряжения.

Улучшение массогабаритных показателей достигается путем уменьшения осевых размеров статора и ротора преобразователя частоты за счет того, что магнитопроводы синхронного двигателя и асинхронного преобразователя частоты выполняют аксиальными, а свободное пространство внутри аксиальных магнитопроводов синхронного двигателя используют путем размещения в этом пространстве аксиальных магнитопроводов асинхронного преобразователя частоты, а именно путем соосного размещения внутри аксиального магнитопровода индуктора синхронного двигателя, жестко закрепленного в корпусе на его задней поверхности, аксиального магнитопровода статора асинхронного преобразователя частоты с трехфазной статорной обмоткой, жестко закрепленного в корпусе посредством кронштейна на его задней поверхности, и путем размещения внутри аксиального магнитопровода якоря синхронного двигателя аксиального магнитопровода ротора асинхронного преобразователя частоты.

Улучшение массогабаритных показателей предлагаемого преобразователя частоты достигается также путем размещения во внутренней части аксиального магнитопровода магнитного шунта измерителя выходного напряжения и частоты с одним входом и с первым и вторым выходами и выпрямительного устройства.

Таким образом, уменьшение осевых размеров статора и ротора предлагаемого преобразователя частоты, а также использование внутреннего пространства аксиальных магнитопроводов элементов магнитной системы преобразователя частоты приводит к улучшению массогабаритных показателей, а именно - к уменьшению габаритных размеров и массы всей электрической машины в целом по сравнению с известным синхронно-асинхронным преобразователем частоты радиального типа.

Упрощение технологии изготовления магнитопроводов предлагаемого преобразователя частоты достигается за счет выполнения его магнитопроводов аксиальными, что позволяет использовать для их изготовления передовую технологию, известную из описания изобретения к патенту РФ №2689249 (авторы: Кашин Я.М., Варенов А.Б., 23.03.2018 г.).

Упрощение технологии сборки аксиального преобразователя частоты достигается за счет того, что механическое соединение двух частей ротора (аксиального магнитопровода ротора асинхронного преобразователя частоты и аксиального магнитопровода якоря синхронного двигателя) между собой обеспечивает возможность жесткого закрепления всех элементов ротора на валу посредством роторного диска соосно друг другу с их общей осью симметрии на оси симметрии вала вне корпуса. Собранный таким образом вне корпуса ротор целиком устанавливается в корпус и закрепляется в нем, при этом исключается необходимость сборки ротора (закрепления на валу аксиального преобразователя частоты аксиального магнитопровода ротора асинхронного преобразователя частоты и аксиального магнитопровода якоря синхронного двигателя) внутри корпуса.

Улучшение качества электрической энергии достигается путем стабилизации выходного напряжения преобразователя по величине, уменьшения длительности переходного процесса регулирования выходного напряжения и уменьшения колебаний частоты выходного напряжения при изменении тока нагрузки преобразователя.

Стабилизация выходного напряжения преобразователя по величине осуществляется за счет дополнительной установки в корпусе аксиального преобразователя частоты корректора выходного напряжения с одним входом и первым и вторым выходами, установки между задней поверхностью корпуса и аксиальным магнитопроводом статора асинхронного преобразователя частоты магнитного шунта, укладки в пазы его аксиального магнитопровода корректирующей обмотки и подключения ее ко второму выходу корректора выходного напряжения, установки во внутренней части аксиального магнитопровода магнитного шунта измерителя выходного напряжения и частоты с одним входом и с первым и вторым выходами, подключения входа измерителя выходного напряжения и частоты к выходу асинхронного преобразователя частоты и соединения второго выхода измерителя выходного напряжения и частоты со входом корректора выходного напряжения.

Величина выходного напряжения аксиального преобразователя частоты измеряется с помощью измерителя выходного напряжения и частоты, со второго выхода которого снимается сигнал по отклонению выходного напряжения от стабилизируемого уровня и подается на вход корректора выходного напряжения. Со второго выхода корректора выходного напряжения соответствующее напряжение подается на корректирующую обмотку. Это приводит к изменению электрического тока в ней, и, соответственно, изменению величины магнитного потока в аксиальном магнитопроводе статора асинхронного преобразователя частоты и восстановлению величины выходного напряжения до стабилизируемого уровня.

Уменьшение длительности переходного процесса регулирования выходного напряжения при изменении тока нагрузки преобразователя достигается за счет установки между задней поверхностью корпуса и аксиальным магнитопроводом статора асинхронного преобразователя частоты магнитного шунта и укладки в пазы его аксиального магнитопровода компаундирующей обмотки асинхронного преобразователя частоты, последовательным соединением ее с дополнительной обмоткой возбуждения синхронного двигателя и подключением этого последовательного соединения обмоток к выходу выпрямительного устройства, вход которого подключен к началам фаз трехфазной статорной обмотки асинхронного преобразователя частоты. Посредством компаундирующей обмотки осуществляется регулирование выходного напряжения предлагаемого преобразователя частоты по «возмущению», что и приводит к уменьшению длительности переходного процесса.

Уменьшение колебаний частоты выходного напряжения при изменении тока нагрузки преобразователя обеспечивается за счет дополнительной укладки в пазы аксиального магнитопровода индуктора синхронного двигателя демпферной короткозамкнутой обмотки. Уменьшение колебаний частоты выходного напряжения достигается путем демпфирования колебаний угловой скорости вращения вала. При возникновении колебаний угловой скорости вращения вала в демпферной короткозамкнутой обмотке наводится дополнительная ЭДС, под действием которой в демпферной короткозамкнутой обмотке протекает электрический ток, который взаимодействует с вращающимся магнитным полем, наводимым токами, протекающими в фазах трехфазной обмотки якоря синхронного двигателя. В результате этого взаимодействия возникают тормозящие моменты, которые уменьшают колебания вала и, соответственно, колебания частоты выходного напряжения.

Повышение коэффициента мощности (cos ϕ) преобразователя достигается за счет укладки в пазы аксиального магнитопровода индуктора синхронного двигателя дополнительной обмотки возбуждения, последовательным соединением ее с компаундирующей обмоткой асинхронного преобразователя частоты и подключением этого последовательного соединения обмоток к выходу выпрямительного устройства, вход которого подключен к началам фаз трехфазной статорной обмотки асинхронного преобразователя частоты. При нагрузке аксиального преобразователя частоты по дополнительной обмотке возбуждения протекает электрический ток, который создает дополнительный магнитный поток возбуждения синхронного двигателя, суммирующийся с основным магнитным потоком, создаваемым основной обмоткой возбуждения синхронного двигателя. Это приводит к перевозбуждению синхронного двигателя и отдаче им реактивной мощности в первичную сеть. А это, в свою очередь, приводит к увеличению коэффициента мощности (cos ϕ) преобразователя частоты.

Повышение надежности аксиального преобразователя частоты достигается за счет дополнительной установки пускового сопротивления и реле переключения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя, а также выполнения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя с возможностью подключения к первому выходу корректора выходного напряжения и соединения обмотки управления реле переключения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя с первым выходом измерителя выходного напряжения и частоты.

Пусковое сопротивление шунтирует основную обмотку возбуждения синхронного двигателя в момент его пуска, обеспечивая ее защиту в этот момент от наведения в ней высокого напряжения и возможного пробоя. По окончании пуска (при достижении угловой скорости вращения ротора ω₁ значения, близкого к значению угловой скорости вращения вращающегося магнитного поля, создаваемого электрическими токами, протекающими в фазах трехфазной обмотки якоря синхронного двигателя), напряжение, снимаемое с первого выхода измерителя выходного напряжения и частоты и подаваемое на обмотку управления реле переключения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя обеспечивает переключение основной обмотки возбуждения с пускового сопротивления на первый выход корректора выходного напряжения и переход синхронного двигателя в рабочий режим.

Повышение надежности достигается также за счет усиления жесткости конструкции ротора путем механического соединения между собой двух частей ротора (аксиального магнитопровода ротора асинхронного преобразователя частоты и аксиального магнитопровода якоря синхронного двигателя) и жесткого закрепления их соосно друг другу на валу посредством роторного диска.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого аксиального преобразователя частоты в разрезе; на фиг. 2 - его электрическая схема.

Аксиальный преобразователь частоты содержит корпус 14, синхронный двигатель 30 и асинхронный преобразователь частоты 29, установленные на одном валу 4, закрепленном в корпусе 14 в переднем 6 и заднем 26 подшипниковых узлах, закрытых передним 8 и задним 27 подшипниковыми щитами соответственно.

Синхронный двигатель 30 состоит из магнитопровода 18 индуктора, в пазы которого уложена основная обмотка возбуждения 15, и магнитопровода 2 якоря с трехфазной обмоткой 3 якоря. Асинхронный преобразователь частоты 29 состоит из магнитопровода 21 статора с трехфазной статорной обмоткой 20 и магнитопровода 10 ротора с трехфазной роторной обмоткой 11. Трехфазная обмотка 3 якоря синхронного двигателя 30 и трехфазная роторная обмотка 11 асинхронного преобразователя частоты 29 подключены друг по отношению к другу с обратной последовательностью, а их концы соединены с контактными кольцами 5, закрепленными на валу 4, и выполнены с возможностью подключения посредством угольных щеток 7, расположенных на корпусе 14, к первичной сети трехфазного напряжения. Магнитопроводы синхронного двигателя 30 и асинхронного преобразователя частоты 29 выполнены аксиальными. В корпусе 14 дополнительно установлены корректор выходного напряжения 19 с одним входом и первым и вторым выходами, пусковое сопротивление 13 и реле 1 переключения основной обмотки 15 возбуждения синхронного двигателя 30, которая выполнена с возможностью подключения к первому выходу корректора выходного напряжения 19.

Аксиальный магнитопровод 18 индуктора синхронного двигателя 30 жестко закреплен в корпусе 14 на его задней поверхности. Аксиальный магнитопровод 21 статора асинхронного преобразователя частоты 29 жестко закреплен в корпусе 14 посредством кронштейна 12 на его задней поверхности соосно с аксиальным магнитопроводом 18 индуктора синхронного двигателя 30. Их общей осью симметрии является ось симметрии вала 4.

Аксиальный магнитопровод 21 статора асинхронного преобразователя частоты 29 с трехфазной статорной обмоткой 20 размещен внутри аксиального магнитопровода 18 индуктора синхронного двигателя 30. Аксиальный магнитопровод 10 ротора асинхронного преобразователя частоты 29 и аксиальный магнитопровод 2 якоря синхронного двигателя 30 жестко закреплены на валу 4 посредством роторного диска 9 соосно друг другу, а их общей осью симметрии является ось симметрии вала 4.

Аксиальный магнитопровод 10 ротора асинхронного преобразователя частоты 29 размещен внутри аксиального магнитопровода 2 якоря синхронного двигателя 30. В пазы аксиального магнитопровода индуктора 18 синхронного двигателя 30 дополнительно уложены демпферная короткозамкнутая обмотка 17 и дополнительная обмотка 16 возбуждения. Между задней поверхностью корпуса 14 и аксиальным магнитопроводом 21 статора асинхронного преобразователя частоты 29 установлен магнитный шунт, содержащий аксиальный магнитопровод 22, в пазы которого уложены корректирующая 23 и компаундирующая 24 обмотки асинхронного преобразователя частоты 29. Во внутренней части аксиального магнитопровода 22 магнитного шунта установлены измеритель выходного напряжения и частоты 25 с одним входом и с первым и вторым выходами и выпрямительное устройство 28. Корректирующая обмотка 23 подключена ко второму выходу корректора выходного напряжения 19. Компаундирующая 24 обмотка асинхронного преобразователя частоты 29 соединена последовательно с дополнительной обмоткой 16 возбуждения синхронного двигателя 30 и подключена к выходу выпрямительного устройства 28, вход которого подключен к началам фаз трехфазной статорной обмотки 20 асинхронного преобразователя частоты 29. Вход измерителя выходного напряжения и частоты 25 подключен к выходу асинхронного преобразователя частоты 29, его первый выход соединен с обмоткой управления реле 1 переключения основной обмотки 15 возбуждения синхронного двигателя 30, а его второй выход соединен со входом корректора выходного напряжения 19.

Аксиальный преобразователь частоты работает следующим образом (фиг. 1, 2).

При подаче трехфазного напряжения (U₁, f₁) из первичной сети к угольным щеткам 7 с контактными кольцами 5 по фазам трехфазной обмотки 3 якоря синхронного двигателя 30 протекают электрические токи, которые создают вращающееся магнитное поле, которое наводит ЭДС в демпферной короткозамкнутой обмотке 17 синхронного двигателя 30. Под действием этой ЭДС в демпферной короткозамкнутой обмотке 17 протекает электрический ток. Взаимодействие вращающегося магнитного поля, созданного электрическими токами, протекающими по фазам трехфазной обмотки 3 якоря синхронного двигателя 30, с электрическим током демпферной короткозамкнутой обмотки 17 вызывает появление электромагнитного момента, под действием которого ротор (вал 4, закрепленный в корпусе 14 в переднем 6 и заднем 26 подшипниковых узлах, закрытых передним 8 и задним 27 подшипниковыми щитами соответственно, жестко закрепленные на валу 4 посредством роторного диска 9 соосно друг другу аксиальные магнитопровод 10 ротора асинхронного преобразователя частоты 29 и аксиальный магнитопровод 2 якоря синхронного двигателя 30) приходит во вращение с некоторой угловой скоростью ω₁ со скольжением.

Одновременно трехфазное напряжение из первичной сети (U₁, f₁) через угольные щетки 7 с контактными кольцами 5 подается на фазы трехфазной роторной обмотки 11 асинхронного преобразователя частоты 29, и по ним протекают электрические токи, которые создают вращающееся магнитное поле, угловая скорость вращения которого относительно ротора определяется формулой:

где р_АП - число пар полюсов асинхронного преобразователя частоты 29; f₁ - частота трехфазного напряжения первичной сети.

Вращающееся магнитное поле, созданное токами вращающейся с угловой скоростью ω₁ трехфазной роторной обмотки 11 асинхронного преобразователя частоты 29, наводит в трехфазной статорной обмотке 20 асинхронного преобразователя частоты 29 ЭДС, частота которой определяется формулой:

где р_АП - число пар полюсов асинхронного преобразователя частоты 29; ω₂ - угловая скорость вращения магнитного поля, сцепленного с витками трехфазной статорной обмотки 20 асинхронного преобразователя частоты 29, определяемая по формуле:

где ω₁ - угловая скорость вращения ротора; ω₀ - угловая скорость вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазной роторной обмоткой 11 асинхронного преобразователя частоты 29, относительно ротора.

Величина ЭДС, наводимой в трехфазной статорной обмотке 20 асинхронного преобразователя частоты 29, выражается формулой:

где С - конструкционный коэффициент, ω₂ - угловая скорость вращения магнитного поля, сцепленного с витками трехфазной статорной обмотки 20 асинхронного преобразователя частоты 29; Ф - магнитный поток, создаваемый трехфазной роторной обмоткой 11 асинхронного преобразователя частоты 29.

При неподвижном роторе и при пуске преобразователя основная обмотка возбуждения 15 синхронного двигателя 30 зашунтирована пусковым сопротивлением 13.

При достижении угловой скорости вращения ротора ω₁ значения, близкого к значению угловой скорости вращения вращающегося магнитного поля, создаваемого электрическими токами, протекающими в фазах трехфазной обмотки 3 якоря синхронного двигателя 30, значение частоты выходного напряжения, снимаемого с концов фаз трехфазной статорной обмотки 20 асинхронного преобразователя частоты 29, становится близким к заданному значению. Это напряжение поступает на вход измерителя выходного напряжения и частоты 25. С его первого выхода напряжение поступает на обмотку управления реле 1 переключения основной обмотки 15 возбуждения, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 18 индуктора синхронного двигателя 30, которое своими контактами переключает основную обмотку возбуждения 15 с пускового сопротивления 13 на первый выход корректора выходного напряжения 19. С первого выхода корректора выходного напряжения 19 на основную обмотку 15 возбуждения синхронного двигателя 30 подается установленное значение напряжения возбуждения синхронного двигателя 30, под действием которого в основной обмотке возбуждения 15 протекает постоянный ток, который вызывает появление синхронизирующего момента, и угловая скорость вращения ω₁ ротора становится равной частоте вращения вращающегося магнитного поля:

где р_СД - число пар полюсов синхронного двигателя 30; f₁ - частота напряжения первичной трехфазной сети. Тогда с учетом (1), (2), (3), (5):

где р_АП - число пар полюсов асинхронного преобразователя частоты 29; f₁ - частота трехфазного напряжения первичной сети; р_СД - число пар полюсов синхронного двигателя 30.

При подключении нагрузки к выходу аксиального преобразователя частоты (концам трехфазной статорной обмотки 20 асинхронного преобразователя частоты 29) в трехфазной статорной обмотке 20 протекает электрический ток, который выпрямляется выпрямительным устройством 28, и по компаундирующей обмотке 24 асинхронного преобразователя частоты 29 и дополнительной обмотке возбуждения 16 синхронного двигателя 30 протекает постоянный ток, величина которого пропорциональна току нагрузки.

Протекание тока по компаундирующей обмотке 24 асинхронного преобразователя частоты 29 вызывает подмагничивание аксиального магнитопровода 22 магнитного шунта и вытеснение части магнитного потока в магнитопровод статора 21 асинхронного преобразователя частоты 29, жестко закрепленного в корпусе 14 на его задней поверхности посредством кронштейна 12. Возрастание магнитного потока в магнитопроводе статора 21 приводит к увеличению ЭДС в трехфазной статорной обмотке 20 асинхронного преобразователя частоты 29, определяемой по формуле (4), и соответствующему увеличению значения выходного напряжения U₂ аксиального преобразователя частоты.

При изменении тока нагрузки величина тока, протекающего по компаундирующей обмотке 24, изменяется. Соответственно, изменяется магнитный поток, пересекающий трехфазную статорную обмотку 20. Это приводит к соответствующему изменению ЭДС, наводимой в трехфазной статорной обмотке 20 (а, соответственно, и выходного напряжения аксиального преобразователя частоты). Так осуществляется регулирование выходного напряжения предлагаемого преобразователя частоты «по возмущению». Такое регулирование обеспечивает уменьшение длительности переходного процесса.

Протекание тока по дополнительной обмотке возбуждения 16 синхронного двигателя 30 обусловливает увеличение синхронизирующего момента и обеспечивает тем самым устойчивость работы синхронного двигателя 30 в рабочем режиме. Кроме того, протекающий по дополнительной обмотке 16 возбуждения электрический ток создает дополнительный магнитный поток возбуждения синхронного двигателя 30, который суммируется с основным магнитным потоком, создаваемым током, протекающим в основной обмотке 15 возбуждения синхронного двигателя 30. Это приводит к перевозбуждению синхронного двигателя 30 и отдаче им реактивной мощности в первичную сеть. А это, в свою очередь, приводит к увеличению коэффициента мощности (cos ϕ) преобразователя частоты.

Величина выходного напряжения U₂ аксиального преобразователя частоты измеряется с помощью измерителя выходного напряжения и частоты 25, со второго выхода которого снимается сигнал по отклонению выходного напряжения от стабилизируемого уровня и подается на вход корректора выходного напряжения 19. Со второго выхода корректора выходного напряжения 19 соответствующее напряжение подается на корректирующую обмотку 23. Это приводит к соответствующему изменению электрического тока в ней, изменению величины магнитного потока в аксиальном магнитопроводе статора 21 и восстановлению величины выходного напряжения U₂ до стабилизируемого уровня.

Таким образом, совокупность представленных признаков позволяет улучшить его эксплуатационно-технических характеристики преобразователя частоты за счет улучшения его массо-габаритных показателей, упрощения технологии изготовления магнитопроводов и сборки преобразователя частоты в целом, улучшения качества электрической энергии путем стабилизации выходного напряжения преобразователя по величине, уменьшения длительности переходного процесса регулирования выходного напряжения и уменьшения колебаний частоты выходного напряжения при изменении тока нагрузки преобразователя, повышения коэффициента мощности cos ϕ, повышения надежности и жесткости конструкции.

Изобретение относится к области преобразования промышленной частоты переменного тока в повышенную частоту. Технический результат - улучшение массо-габаритных показателей, повышение энергоэффективности, повышение надежности и жесткости конструкции. Аксиальный преобразователь частоты содержит корпус, синхронный двигатель и асинхронный преобразователь частоты, установленные на одном валу. Обмотка якоря синхронного двигателя и роторная обмотка асинхронного преобразователя частоты подключены друг к другу с обратной последовательностью. Магнитопроводы синхронного двигателя и асинхронного преобразователя частоты выполнены аксиальными, а в корпусе дополнительно установлены корректор выходного напряжения, пусковое сопротивление и реле переключения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя. В пазы аксиального магнитопровода индуктора синхронного двигателя дополнительно уложены демпферная короткозамкнутая обмотка и дополнительная обмотка возбуждения. Дополнительно установлен магнитный шунт, содержащий корректирующую и компаундирующую обмотки асинхронного преобразователя частоты, а также измеритель выходного напряжения и частоты и выпрямительное устройство. 2 ил.

Аксиальный преобразователь частоты, содержащий корпус, синхронный двигатель и асинхронный преобразователь частоты, установленные на одном валу, закрепленном в корпусе в переднем и заднем подшипниковых узлах, закрытых передним и задним подшипниковыми щитами соответственно, при этом синхронный двигатель состоит из магнитопровода индуктора, в пазы которого уложена основная обмотка возбуждения, и магнитопровода якоря с трехфазной обмоткой якоря, а асинхронный преобразователь частоты состоит из магнитопровода статора с трехфазной статорной обмоткой и магнитопровода ротора с трехфазной роторной обмоткой, при этом трехфазная обмотка якоря синхронного двигателя и трехфазная роторная обмотка асинхронного преобразователя частоты подключены друг по отношению к другу с обратной последовательностью, а их концы соединены с контактными кольцами, закрепленными на валу, и выполнены с возможностью подключения посредством угольных щеток, расположенных на корпусе, к первичной сети трехфазного напряжения, отличающийся тем, что магнитопроводы синхронного двигателя и асинхронного преобразователя частоты выполнены аксиальными, а в корпусе дополнительно установлены корректор выходного напряжения с одним входом и первым и вторым выходами, пусковое сопротивление и реле переключения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя, которая выполнена с возможностью подключения к первому выходу корректора выходного напряжения, при этом аксиальный магнитопровод индуктора синхронного двигателя жестко закреплен в корпусе на его задней поверхности, аксиальный магнитопровод статора асинхронного преобразователя частоты жестко закреплен в корпусе посредством кронштейна на его задней поверхности соосно с аксиальным магнитопроводом индуктора синхронного двигателя, а их общей осью симметрии является ось симметрии вала, причем аксиальный магнитопровод статора асинхронного преобразователя частоты с трехфазной статорной обмоткой размещен внутри аксиального магнитопровода индуктора синхронного двигателя, при этом аксиальный магнитопровод ротора асинхронного преобразователя частоты и аксиальный магнитопровод якоря синхронного двигателя жестко закреплены на валу посредством роторного диска соосно друг другу, а их общей осью симметрии является ось симметрии вала, причем аксиальный магнитопровод ротора асинхронного преобразователя частоты размещен внутри аксиального магнитопровода якоря синхронного двигателя, при этом в пазы аксиального магнитопровода индуктора синхронного двигателя дополнительно уложены демпферная короткозамкнутая обмотка и дополнительная обмотка возбуждения, а между задней поверхностью корпуса и аксиальным магнитопроводом статора асинхронного преобразователя частоты установлен магнитный шунт, содержащий аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложены корректирующая и компаундирующая обмотки асинхронного преобразователя частоты, а во внутренней части аксиального магнитопровода магнитного шунта установлены измеритель выходного напряжения и частоты с одним входом и с первым и вторым выходами и выпрямительное устройство, при этом корректирующая обмотка подключена ко второму выходу корректора выходного напряжения, а компаундирующая обмотка асинхронного преобразователя частоты соединена последовательно с дополнительной обмоткой возбуждения синхронного двигателя и подключена к выходу выпрямительного устройства, вход которого подключен к началам фаз трехфазной статорной обмотки асинхронного преобразователя частоты, при этом вход измерителя выходного напряжения и частоты подключен к выходу асинхронного преобразователя частоты, его первый выход соединен с обмоткой управления реле переключения основной обмотки возбуждения синхронного двигателя, а его второй выход соединен со входом корректора выходного напряжения.