УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПЛАВНО ИЗМЕНЯЕМОЙ ЧАСТОТЫ Советский патент 1956 года по МПК H02J3/00 

Как известно, коллекторные машины переменного тока обеспечивают возможность регулирования частоты ƒ выходного напряжения в широких пределах. В процессе регулирования машина вращается с неизменной скоростью каким-либо первичным двигателем и возбуждается током той же переменной частоты ƒ, подаваемым от отдельного возбудителя.

Размеры коллекторной машины определяются на основе данных предельного режима, в том числе наибольшего (для данной конструкции) значения частоты ƒ_макс, в связи с чем машины могут быть экономично построены лишь на ограниченные верхние значения частоты.

Согласно изобретению, с целью уменьшения мощности коллекторной машины и наибольшей требуемой от нее частоты применено контакторное устройство, посредством которого нагрузка в диапазоне частот от О до ƒ (где ƒ - наибольшая частота тока коллекторной машины) подключается к коллекторной машине для непосредственного питания от последней, а в диапазоне частот от ƒ до 3 ƒ - к индукционному генератору, мощность скольжения которого пропускают через указанную коллекторную машину.

С целью предотвращения разрыва цепей нагрузки и возбуждения во время переключения нагрузки с одной электрической машины на другую, контакторное устройство в положении переключения образует промежуточную схему соединений, при которой нагрузка питается одновременно от обеих электрических машин, автоматически синхронизируемых по частоте и фазе.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предложенной установки; на фиг. 2 и 3 - два варианта схемы для осуществления синхронизаций входящих в установку коллекторной и индукционной машин в процессе переключения нагрузки с одной из них на другую.

На общий вал, приводимый во вращение со скоростью n двигателем ДВ (фиг. 1), насажены коллекторная машина КМ и индукционный генератор ИГ, имеющий число пар полюсов

Нагрузка Н (например, асинхронный двигатель) в диапазоне частот питается непосредственно от коллекторной машины КМ, а при повышении частоты до переключается на питание от статора (или ротора) индукционного генератора ИГ, положительная или отрицательная мощность скольжения ротора (или статора) которого пропускается через коллекторную машину КМ.

Переключения осуществляются контакторным устройством, контакты K₁ и K₂ которого замкнуты, а K₃ - разомкнуты, при работе коллекторной машины непосредственно на нагрузку. В диапазоне частот от ƒ до 3ƒ контакты K₃ замкнуты, а контакты K₁ разомкнуты и мощность скольжения машины ИГ проходит через коллекторную машину КМ.

Во избежание разрыва цепи нагрузки при переключении контактов K₁ и K₃, вызывающего возникновение больших толчков тока и необходимость увеличения мощности контактов, предусмотрено кратковременное включение нагрузки при частоте одновременно на коллекторную машину КМ и на индукционный генератор ИГ (при этом замкнуты контакты K₁, K₂ и K₃), после чего нагрузка переключается на питание только от одной из этих машин.

Присоединение нагрузки одновременно к двум машинам допустимо только при полном равенстве их частот, хотя бы приблизительном равенстве напряжений и, наконец, совпадении фаз. В предложенной установке эти условия обеспечиваются следующим образом.

Обмотка возбуждения коллекторной машины КМ (фиг. 1) питается от коллекторного преобразователя частоты ПЧ, выполняющего функции возбудителя коллекторной машины и сидящего на, общем с ней валу. Преобразователь частоты ПЧ получает через кольца и контакты K₅ небольшую мощность от синхронного генератора СГ, вращаемого двигателем постоянного тока ДП с меняющейся скоростью (при этом контакты K₄ разомкнуты).

Если в начале синхронный генератор СГ дает ток, имеющий частоту , и если число пар полюсов преобразователя частоты ПЧ равно р (или р/с, если он находится на другом валу, вращающемся со скоростью с·n), то на коллекторе ПЧ, а следовательно, и на коллекторе машины КМ, можно получить частоту ƒ_макс. При правильном выборе последовательности фаз с ротора индукционного генератора ИГ снимается ток частоты т.е. приблизительно 3ƒ_макс. При этом коллекторная машина КМ работает в качестве генератора, передающего индукционному генератору ИГ электрическую мощность скольжения. При плавном уменьшении частоты ƒ_сг до частота на коллекторах машин ПЧ и КМ уменьшается до нуля, причем одновременно с частотой ƒ_сг меняется и частота ƒ_a. При дальнейшем уменьшении частоты ƒ_сг до частота на коллекторах возрастает от нуля до .

В этом режиме коллекторная машина КМ преобразовывает отдаваемую статором индукционного генератора электрическую мощность скольжения в механическую.

При достижении частотой ƒ_сг значения незначительно отличающегося от замыкаются контакты К₄ и К₅, в результате чего синхронный генератор СГ временно соединяется как с кольцами, так и с коллектором преобразователя ПЧ. При этом на синхронный генератор в первое мгновение поступает с коллектора преобразователя ПЧ ток с частотой т.е. и, следовательно, в нем кроме основного поля возбуждения, вращающегося со скоростью, соответствующей частоте возникает еще второе поле, вращающееся со скоростью, соответствующей частоте Это поле индуктирует в успокоительной обмотке возбудителя СГ ток, создающий тормозящий или ускоряющий момент, под влиянием которого скорость синхронного генератора СГ уменьшается или увеличивается до значения, при котором Δƒ уменьшается до нуля, после чего не только частоты, но и фазы напряжения на коллекторе и на кольцах преобразователя частоты ПЧ совпадают. То же самое относится и к значениям напряжения на коллекторе машины КМ и на кольцах индукционного генератора ИГ. Кроме того, если выбрать коэффициент трансформации между обмотками статора и ротора индукционного генератора ИГ равным приблизительно единице, то совпадают и значения напряжения. Следовательно, можно включать нагрузку одновременно на обе машины КМ и ИГ, замкнув контакты K₁ и K₃, а затем уже разомкнуть контакт K₃ и таким образом переключить нагрузку на питание от коллекторной машины КМ. Для дальнейшего снижения частоты до нуля, т.е. для снижения скорости асинхронного двигателя, образующего нагрузку Н, до нулевого значения, имеются два способа. Первый заключается в том, что синхронный генератор СГ, который был временно соединен с кольцами и с коллектором преобразователя частоты ПЧ, отключается от колец, т.е. непосредственно питает обмотку возбуждения машины КМ. При этом для уменьшения до нуля частоты тока, питающего нагрузку, необходимо уменьшить до нуля скорость синхронного генератора СГ.

Второй способ заключается в том, что после переключения нагрузки с машины ИГ на машину КМ синхронный генератор опять включается только на кольца преобразователя частоты ПЧ. (При этом с генератора СГ (для снижения частоты ƒ до нуля) снимается ток, имеющий частоту, увеличивающуюся до .

Чтобы изменение частоты от не вызвало толчков тока в нагрузке, можно с помощью соответствующего подбора параметров синхронного генератора СГ (и особенно его махового момента) создать условия, при которых достижение окончательной частоты требовало бы некоторой выдержки времени, в течение которой это изменение частоты не могло вызвать толчков тока в нагрузке.

Для облегчения переключения нагрузки в контактах K₁ и K₃ целесообразно предусмотреть в цепи контактов K₁ сопротивления r. Если, например, нагрузка H питается от индукционного генератора ИГ через контакты K₃ и замыкаются также контакты K₁, то вследствие наличия сопротивления r главный ток все-таки проходит через генератор ИГ. После этого контакты K₂ замыкаются, генератор ИГ оказывается замкнутым накоротко и ток через него больше не проходит, вследствие чего контакты K₁ размыкаются практически без тока. Наоборот, если нагрузка Н переключается с коллекторной машины КМ на индукционный генератор ИГ, то при замкнутых контактах K₂ через контакты K₃ ток не проходит. После размыкания контактов K₂ основная часть тока проходит через контакты K₃ вслед за чем можно разомкнуть контакты K₁.

Путем соответствующего регулирования скорости вращения синхронного генератора СГ и выбора схемы можно обеспечить также реверсирование асинхронного двигателя и переключение его из диапазона в диапазон

В предложенной установке коллекторную машину КМ можно заменить тремя однофазными коллекторными машинами при условии, что остальные машины являются двухфазными.

Эффективность установки и степень использования асинхронного двигателя, являющегося нагрузкой, тем выше, чем выше величина максимально достигаемой частоты, которая, в свою очередь, возрастает с величиной ƒ_макс. Последнюю величину можно увеличить гораздо выше достигаемых до сих пор, если использовать для уничтожения трансформаторной э.д.с. известный способ сравнения между собой по величине и фазе э.д.с. или вращающих моментов, моделирующих трансформаторную э.д.с. и э.д.с., компенсирующую ее. Появляющиеся при неравенстве или несовпадении по фазе импульсы используются для такого изменения величины и фазового положения потока дополнительного полюса, при котором указанное неравенство или несовпадение по фазе исчезают.

Для разрыва контактов K₁ и K₃ без тока вместо сопротивления r и контактов K₂ можно использовать также следующий способ (фиг. 2).

Допустим, что индукционный генератор ИГ построен так, что вторичное напряжение (в данном случае ротора) при холостом ходе машины на ΔU больше первичного (в данном случае статора), причем ΔU равно по величине результирующему падению напряжения внутри всей машины, возникающему при полной нагрузке.

Для перехода из диапазона в диапазон при замкнутых контактах K₃ замыкают еще контакты K₁. В случае отсутствия в схеме сопротивления r и контактов K₂ нагрузка Н окажется при этом включенной как на индукционный генератор ИГ, так и на коллекторную машину КМ. Однако ток, как и прежде, будет проходить только через ИГ, так как в этом случае ΔU=0 из-за электрической связи между статорной и роторной обмотками индукционного генератора ИГ.

Наличие на статоре индукционного генератора ИГ дополнительной обмотки (фиг. 2), расположенной так, что обтекание ее постоянным током при замкнутом контакте K₆ вызывает насыщение генератора, позволяет добиться такого уменьшения потока машины ИГ, когда ΔU=0 при холостом ходе. Вследствие этого весь ток перераспределяется и проходит только через контакты K₁, что обеспечивает возможность размыкания контактов K₃ без тока. Аналогично этому при переходе из диапазона в диапазон сначала замыкаются контакты K₁, a затем контакты K₃, причем ток, как и прежде, проходит только через контакты К₁. Последующим размыканием контакта K₆ производится отключение постоянного тока, вследствие чего весь ток проходит через индукционный генератор ИГ и через контакты K₃. После этого можно разомкнуть контакты K₁ без тока. Таким образом, мощные контакты K₂ (фиг. 1) заменяются контактами K₆, рассчитанными на незначительный ток. Указанная дополнительная обмотка должна быть расположена таким образом, чтобы вращающееся магнитное поле не наводило в ней э.д.с.

На фиг. 3 показан вариант схемы, обеспечивающий синхронизацию коллекторной машины и индукционного генератора в процессе переключения нагрузки и отличающийся применением дополнительного синхронного генератора СГ¹, сидящего на одном валу с синхронным генератором - возбудителем СГ и имеющего одинаковое с ним число полюсов.

До замыкания. контактов при замкнутых контактах коллектор преобразователя частоты ПЧ через контакты K₇ включается на дополнительный синхронный генератор СГ. Ток возбуждения i_в создает в возбудителе СГ¹ поле, вращающееся со скоростью, соответствующей частоте ƒ_макс±Δƒ, а ток от коллектора машины ПЧ создает поле, вращающееся со скоростью, соответствующей частоте Вследствие этого взаимодействие указанных полей создает замедляющий или ускоряющий момент, исчезающий при совпадении частоты и фазового положения напряжения на коллекторе машины ПЧ и в статоре генератора СГ (и потому и в статоре генератора СГ¹). Затем можно замкнуть контакты и разомкнуть контакты K₇. После переключения рабочей цепи контакты размыкаются.

Ввиду того, что синхронный генератор СГ¹ включается только во время переключения (т.е. кратковременно), он может иметь небольшие габариты.

Синхронизация коллекторной машины и индукционного генератора в процессе переключения нагрузки может быть осуществлена путем управления с помощью разности частот ƒ_макс±Δƒ и скоростью вала синхронного генератора-возбудителя (например, путем воздействия на поток возбуждения двигателя постоянного тока, регулирующего скорость синхронного генератора, таким образом, чтобы это воздействие исчезло только при полном совпадении частот и фазовых положений напряжений). Можно питать статор (или ротор) небольшой вспомогательной индукционной машины током частоты ƒ_макс±Δƒ, а ротор (или статор) при той же последовательности фаз - током частоты В этом случае ротор только при частоте Δƒ=0 занимает неподвижное положение, зависящее от относительного фазового положения напряжений, питающих статор и ротор. Таким образом, с помощью определенного расположения обмоток можно обеспечить при любом другом положения ротора индукционной машины возникновение сигнала, воздействующего на скорость вала синхронного генератора-возбудителя и прекращающегося только при полном совпадении частот и фазовых положений напряжений.

Когда для возбуждения коллекторной машины используется не синхронный генератор, а другой источник меняющейся частоты (например, резонансный контур), возникающие под влиянием Δƒ сигналы должны воздействовать на параметры этого контура.

1. Установка для получения переменного тока плавно изменяемой частоты, содержащая коллекторную машину (или машины) переменной частоты и индукционный генератор, получающий возбуждение от указанной машины, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения мощности коллекторной машины и наибольшей требуемой от нее частоты, применено контакторное устройство, посредством которого нагрузка в диапазоне частот от 0 до ƒ (где ƒ - наибольшая частота тока коллекторной машины) подключается к коллекторной машине для непосредственного питания от последней, а в диапазоне частот от ƒ до 3ƒ - к индукционному генератору, мощность скольжения которого пропускают через указанную коллекторную машину.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью предотвращении разрыва цепей нагрузки и возбуждения во время переключения нагрузки с одной электрической машины на другую, контакторное устройство в положении этого переключения образует промежуточную схему соединений, при которой нагрузка питается одновременно от обеих электрических машин, автоматически синхронизируемых по частоте и фазе.

3. Установка по п. 2, содержащая синхронный возбудитель коллекторной машины и коллекторный преобразователь частоты, включенный между синхронным возбудителем и коллекторной машиной, отличающаяся тем, что, с целью синхронизации коллекторной и индукционной машин в процессе переключения нагрузки, предусмотрены контакторы для подключения синхронного возбудителя одновременно к коллектору и контактным кольцам преобразователя частоты с тем, чтобы создать в синхронном возбудителе дополнительный вращающий момент, ускоряющий или замедляющий возбудитель до согласования напряжений коллекторной машины и индукционного генератора по частоте и фазе.

4. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что, с целью синхронизации коллекторной машины и индукционного генератора в процессе переключения нагрузки применена вспомогательная индукционная машина, статор (ротор) которой питается током частоты коллекторной машины, а ротор (статор) - током частоты индукционного генератора, и которая служит для управления частотой тока возбуждения коллекторной машины.