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

Изобретение относится к установкам для получения переменного тока плавно изменяемой частоты, содержащим коллекторную машину переменной частоты и индукционный генератор, получающий возбуждение от указанной машины и имеющий обмотку, переключаемую на разные числа полюсов для изменения диапазона частот.

Во всех случаях основную трудность (при переключении), как и в ранее предлагавшихся установках, представляет переключение без разрыва цепей нагрузки и возбуждения в схемах «коллекторная машина - индукционный генератор».

Согласно изобретению, с целью предотвращения разрыва цепей нагрузки и возбуждения при переключении применены: второй индукционный генератор с полюсопереключаемой обмоткой, механически соединенный с первым и работающий параллельно с ним как со стороны нагрузки, так и со стороны возбуждения, и контакторное устройство, которое в процессе перевода индукционных генераторов с одного числа полюсов на другое образует промежуточную схему соединений, при которой генераторы работают параллельно при разных числах полюсов, в условиях синхронизации генераторов по частоте и фазе.

Вместо двух однообмоточных генераторов может быть применен один индукционный генератор с двумя независимыми полюсопереключаемыми обмотками, соединяемыми в процессе переключений параллельно при разных числах полюсов.

На фиг. 1 показана принципиальная схема установки с двумя индукционными генераторами; на фиг. 2 и 3 - схемы включения обмоток генератора для варианта установки с одним генератором, имеющим две независимые полюсопереключаемые обмотки.

На фиг. 1 обозначено: КМ - коллекторная машина; ИГ - индукционный генератор; КВ - коллекторный возбудитель; СГ - синхронный генератор, СГ′ - вспомогательный синхронный генератор, ПЧ и ПЧ′ - преобразователи частоты. Второй индукционный генератор на чертеже не показан (показаны только контакты 2′ и 3′, к которым он присоединен).

Для регулирования частоты в диапазоне ƒ_макс<ƒ<5ƒ_макс в схеме, приведенной на фиг. 1, в один агрегат, регулирующий частоту в диапазоне ƒ_макс<ƒ<3ƒ_макс, входят коллекторная машина КМ с возбудителем КВ, индукционный генератор ИГ с числом пар полюсов р, преобразователь частоты ПЧ и синхронный генератор СГ. Если второй индукционный генератор имеет то же число пар полюсов р и скорость вращения то частота на кольцах обоих генераторов равна Так как преобразователь частоты ПЧ также имеет скорость n_c и число пар полюсов р, то и на его коллекторе частота равна 2ƒ_макс-ƒ.

Во второй агрегат, регулирующий частоту в диапазоне 3ƒ_макс<ƒ<5ƒ_макс, входят те же генераторы, имеющие при той же скорости двойное число полюсов. Вместо преобразователя ПЧ в схему введен преобразователь ПЧ′, имеющий ту же скорость и удвоенное число пар полюсов. При увеличении частоты синхронного генератора СГ от 3ƒ_макс до 5ƒ_макс частота тока в машинах КB и КМ меняется только от ƒ_макс до 0 и наоборот, в то время как частота тока, снимаемого с колец генератора ИГ и передаваемого в цепь нагрузки Н через контакты 3, возрастает от 3ƒ_макс до 5ƒ_макс.

Таким образом, путем переключения с первой схемы на вторую можно получить частоту, регулируемую в диапазоне ƒ_макс<ƒ<5ƒ_макс, причем частота машин КМ и КВ не превышает ƒ_макс.

Для перехода с первой схемы на вторую один из индукционных генераторов переключается на удвоенное число пар полюсов 2р, после чего включается параллельно другому индукционному генератору, имеющему обычное число пар полюсов р. При этом оба преобразователя частоты ПЧ и ПЧ′ включаются параллельно на статор синхронного генератора СГ через контакты 5 и 5′.

Затем второй генератор переключается на удвоенное число пар полюсов 2р, после чего он подключается параллельно первому, так что оба генератора опять работают с одинаковым (удвоенным) числом пар полюсов (преобразователь ПЧ отключен).

Вспомогательный синхронный генератор СГ′ служит для предварительной синхронизации перед образованием промежуточной схемы соединений. До замыкания контактов 5 и, соответственно, 5′ (при замкнутых контактах 4) коллектор преобразователя частоты ПЧ (ПЧ′) через контакты 6 (6′) включается на вспомогательный синхронный генератор СГ′. Этот генератор создает вращающий момент, замедляющий или ускоряющий синхронный генератор СГ до совпадения частоты 3ƒ_макс ± Δƒ, возникающей на кольцах преобразователя ПЧ и на коллекторе коллекторной машины КМ, и частоты 3ƒ_максΔƒ, возникающей на коллекторе преобразователя ПЧ и на кольцах генератора ИГ, который переключен на двойное число пар полюсов, а также до совпадения соответствующих напряжений по фазе.

Аналогично можно поступать в случае, когда требуется переключить генератор ИГ на число пар полюсов 3р, 4р и т.д. Нужно только иметь еще третий, четвертый и т.д. преобразователи частоты, имеющие такое же число пар полюсов.

В общем случае задача заключается в том, чтобы при частоте f_крит=ƒ_макс·(2m+1) переключить индукционные генераторы, имеющие число пар полюсов mp и вращающиеся со скоростью на число пар полюсов р (m+1), и заменить преобразователь частоты, имеющий число пар полюсов mp, преобразователем частоты, имеющим число пар полюсов р(m+1), где m может быть любым целым числом.

На основании аналогичных соображений можно осуществить переключение и между другими возможными схемами агрегата «коллекторная машина - индукционный генератор», причем безразлично, какую скорость имеют эти машины и преобразователи частоты (постоянную или переменную) и в каком режиме они работают (в режиме генератора или двигателя).

Плавное изменение частоты в диапазоне ƒ_макс<ƒ<5ƒ_макс может быть также осуществлено путем применения вместо двух индукционных генераторов одного генератора с двумя независимыми обмотками, допускающими переключение с числа пар полюсов 2р на число пар полюсов 4р (и наоборот) через промежуточные схемы в роторе и статоре. Одна из обмоток, электрически связанная с коллекторной машиной КМ, обеспечивает одновременное существование 2р-полюсного и 4р-полюсного полей, вращающихся в различных направлениях по отношению к этой обмотке, а другая обеспечивает одновременное питание нагрузки от э.д.с., наводимых указанными полями и имеющих ту же частоту.

На фиг. 2 показан вариант схемы для случая, когда обмотка каждой фазы состоит из двух частичных обмоток I и II, I′ и II′, I′′ и II′′, меняющих число пар полюсов всей обмотки путем перехода от параллельного соединения к последовательному.

Допустим, например, что коллекторная машина КМ питает ротор индукционного генератора. Тогда на роторе должна быть одна обмотка (фиг. 2), состоящая из частичных обмоток I, II; I′, II′; I′′, II′′. Концы частичных обмоток I, I′ и I′′ постоянно соединены между собой, а концы обмоток II, II′ и II′′ выведены к трем кольцам a, b, c, которые могут быть соединены между собой с помощью контактов d и е или присоединены к коллекторной машине КМ через контакты f, g, h. Начальные точки обмоток I, I′ и I′′ постоянно соединены (каждая в отдельности) с соответствующими начальными точками обмоток II, II′, II′′ и точки соединения выведены к кольцам k, l, m, которые могут быть включены на напряжение коллекторной машины КМ через контакты n, o, p.

При переключении указанных обмоток, например, с числа пар полюсов 2р на 4р, т.е. со схемы параллельного соединения (контакты n, о, р, d, е замкнуты, контакты f, g, h разомкнуты) на схему последовательного соединения (контакты n, о, р, d, е разомкнуты, контакты f, g, h замкнуты), сначала размыкаются контакты d и е, после чего без размыкания контактов n, о, р замыкаются контакты f, g, h. Эта схема представляет собой одну из вышеупомянутых промежуточных схем, т.е. в данном случае промежуточную схему для ротора.

Физические процессы, происходящие в этой схеме, можно объяснить следующим образом.

Допустим, что частичные обмотки I, I′, I′′ обтекаются токами i_I, i_I′, i_I′′, а обмотки II, II′, II′′ - токами i_II, i_II′, i_II′′. Эти последние токи, несмотря на короткое замыкание обмоток II, II′, II′′, не равны нулю и имеют - если пренебречь потоками рассеяния и омическим сопротивлением - величины, при которых суммарное влияние иидуктивностей обмоток II, II′ II′′ уравновешивает суммарное влияние взаимоиндуктивностей обмоток I, I′, I′′. Рассмотрим сначала только токи в обмотках I, I′, I′′ и представим каждый из них в виде суммы двух соответствующих половин токов

Их влияние не меняется, если добавить в обмотках II, II′, II′′ те же половины токов, но с противоположным друг другу направлением, т.е. токи

Тогда распределение токов можно считать эквивалентным сложению двух распределений, из которых одно соответствует параллельному соединению обмоток I и II, I′ и II′, I′′ и II′′, а другое - их последовательному соединению. Таким образом, токи в обмотках I, I′, I′′ вызывают два одновременно существующих вращающихся поля, причем одно - с числом пар полюсов 2р, а другое - с числом пар полюсов 4р. Эти поля вращаются в противоположных направлених по отношению к создающим их обмоткам.

Токи в обмотках II, II′, II′′ вызывают аналогичные явления. Таким образом, все совместно взятые токи создают два результирующих поля, из которых одно имеет число пар полюсов 2р, а другое - 4р, причем эти поля по отношению к создающим их обмоткам вращаются в противоположных направлениях.

После осуществления указанной промежуточной схемы, предупреждающей разрыв цепи коллекторной машины КМ, можно обеспечить промежуточную схему в другой части машины (в данном примере, в статоре), которая позволяет изменить число полюсов в этой части машины также без разрыва цепи нагрузки (фиг. 3). Для этого на статоре предусмотрена обмотка, которая может быть переключена с числа пар полюсов 2р на число пар полюсов 4р аналогично обмотке ротора (фиг. 2) с той лишь разницей, что отсутствуют кольца а, b, с и k, l, m, а сама обмотка состоит из двух систем частичных обмоток, рассчитанных каждая (т.е. система) на половину мощности и работающих параллельно при f>f_крат и при f<f_крит.

На фиг. 3. показаны одна из этих обмоток с частичными обмотками I₁, II₁; и с контактами n₁, o₁, p₁, d₁, е₁, f₁, g₁, h₁ и вторая - с частичными обмотками I₂, II₂, и с контактами n₂, о₂, р₂, d₂, е₂, f₂, g₂, h₂.

При р=2 контакты n₁, n₂, o₁, о₂, p₁, p₂, d₁, d₂, e₁, е₂ замкнуты, а контакты f₁, f₂, g₁, g₂, h₁, h₂ разомкнуты, т.е. частичные обмотки соединены между собой параллельно.

После осуществления в роторе вышеуказанной промежуточной схемы э.д.с. в статорной обмотке наводится только тем полем ротора, которое имеет число пар полюсов 2р. Для осуществления промежуточной схемы статора размыкаются контакты n₁, o₁, p₁, d₁, e₁, вследствие чего на одно мгновение весь ток нагрузки проходит только через систему I₂, II₂, , в которых э.д.с. попрежнему наводится полем ротора, имеющим число пар полюсов 2р. После этого замыкаются контакты f₁, g₁, h₁, вследствие чего система обмоток I₁, II₁, I₁, оказывается опять соединенной с нагрузкой, причем то поле ротора, которое имеет число пар полюсов 4р, наводит э.д.с., совпадающую по частоте, фазе и величине с э.д.с:, наведенной в системе обмоток I₂, II₂, 2р-полюсным полем. Таким образом, ток нагрузки в этой промежуточной схеме опять проходит через обе системы обмоток. После этого происходит размыкание контактов n₂, о₂, р₂, d₂, е₂, вследствие чего на одно мгновение весь ток нагрузки проходит только через систему обмоток I₁, II₁, . Наконец, путем замыкания контактов f₂, g₂, h₂ эта система оказывается включенной параллельно второй системе обмоток, причем в обеих обмотках э.д.с. наводятся тем полем ротора, которое имеет число пар полюсов 4р.

Путем размыкания контактов n, о, р снимается 2р-полюсное поле, после чего в машине существует только 4р-полюсное поле, создаваемое обмоткой ротора, в которой частичные обмотки I, I′ и I′′ соответственно последовательно соединены с частичными обмотками II, II′ и II′′.

При переключении с 4р-полюсного поля на 2р-полюсное вышеописанный процесс происходит в обратном порядке.

1. Установка для получения переменного тока плавно изменяемой частоты, содержащая коллекторную машину переменной частоты, и индукционный генератор, получающий возбуждение от указанной машины и имеющий обмотку, переключаемую на разные числа полюсов для изменения диапазона частот, отличающаяся тем, что, с целью предотвращения разрыва цепей нагрузки и возбуждения при переключении обмотки, применены: второй индукционный генератор с полюсопереключаемой обмоткой, механически соединенный с первым и работающий параллельно с ним как со стороны нагрузки, так и со стороны возбуждения, и контакторное устройство, которое в процессе перевода индукционных генераторов с одного числа полюсов на другое образует промежуточную схему соединений, при которой генераторы работают параллельно при разных числах полюсов, в условиях синхронизации генераторов по частоте и фазе.

2. Видоизменение установки по п. 1, отличающееся тем, что вместо двух однообмоточных генераторов применен один индукционный генератор с двумя независимыми полюсопереключаемыми обмотками, соединяемыми в процессе переключений параллельно при разных числах полюсов.