Электромашинный агрегат для получения постоянной частоты и напряжения при изменяющейся скорости вращения первичного двигателя Советский патент 1992 года по МПК H02P9/42 

Изобретение относится к автономным системам генерирования переменного тока постоянной частоты на подвижных объектах при осуществлении привода генераторного агрегата от ходового двигателя, работающего с изменяющейся скоростью вращения.

Известны электромашинные агрегаты для получения постоянной частоты генерируемого тока при изменяющейся скорости вращения приводного двигателя, содержащие синхронный генератор, регулируемую асинхронную машину, подключенную параллельно через регулятор напряжения к выходу синхронного генератора, и дифференциальный редуктор (ДР), соединяющий обе машины с приводным двигателем.

Для широкого и плавного регулирования напряжения, подводимого от генератора к асинхронной машине, в известном агрегате на валу генератора установлен электромашинный регулятор, выполненный в виде синхронной машины с двумя встречно включенными обмотками возбуждения на роторе и отдельными фазными обмотками на статоре, соединенными последовательно и синфазно с фазами обмотки синхронного генератора. Одна обмотка возбуждения электромашинного регулятора включена параллельно обмотке возбуждения основного синхронного генератора, а другая - на вращающийся выпрямитель возбудителя электромашинного регулятора, установленного на общем валу агрегата. Асинхронная машина выполнена с полюсо- переключаемой обмоткой статора, что обеспечивает возможность ее работы в двух двигательных и двух генераторных режимах, а также в режиме электродинамического тормоза при питании ее статорной обмотки регулируемым выпрямленным током от понижающего трансформатора. Использование асинхронной машины агрегата во всех пяти указанных режимах позволяет уменьшить максимальное скольжение ее ротора и потерю мощности в нем при изменении скорости вращения приводного двигателя в пределах П1макс/П1мин 2.

Вследствие наличия на общем валу агрегата четырех электрических машин, а именно:основного синхронного генератора (СГ), возбудителя СГ, электромашинного регулятора напряжения с двумя встречно включенными обмотками возбуждения и его возбудителя с вращающимся выпрямителем, завышены размеры и удельная масса агрегата стоимость производства, затруднена проверка исправности агрегата в условиях эксплуатации и снижена его надежность.

Цель изобретения - уменьшение удельной массы, повышение КПД и надежности. В предлагаемом электромашинном агрегате исключены электромашинный регулятор напряжения; его возбудитель и вращающийся выпрямитель, а в качестве регулятора напряжения, подводимого к асинхронной машине (AM) от синхронного генератора, применен неподвижный регу0 лятор трехфазного напряжения, имеющий меньшие размеры, удельную массу, стоимость производства и более высокие КПД и надежность.

На фиг. 1 изображена схема электрома5 шинного агрегата постоянной частоты и напряжения при изменяющейся скорости вращения; на фиг. 2 - часть цилиндрического, состоящего из трех частей, магнитопро- вода регулятора трехфазного напряжения;

0 на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.

Агрегат содержит синхронный генератор 1, возбудитель 2 генератора, полюсопе- реключаемую асинхронную машину 3, соединенную с генератором и приводным

5 двигателем через дифференциальный редуктор 4, регулятор трехфазного напряжения с пятью тороидальными трехфазными обмотками 5-9 и двумя обмотками 10 и 11 подмагничивания, а также переключающие

0 контакторы 12-14, регулятор 15 частоты и понижающий трансформатор 16с выпрямителем 17 системы питания обмотки 11 подмагничивания, выпрямитель 18, питающий обмотку 10 подмагничивания, контур регу5 лятора 19 напряжения, включающий: измеритель 20 напряжения с питающим его выпрямителем 21, магнитный усилитель 22 и выпрямитель 23, питающий обмотку возбуждения возбудителя 24, компаундирую0 щий трансформатор 25 тока и выпрямитель 26.

Трехфазные тороидальные обмотки 5 и 6 охватывают ярмо 29 средней части цилиндрического магнитопровода с пазами на ее

5 внешней и внутренней поверхностях, причем фазы маловитковой обмотки 5 включены последовательно с фазами обмотки синхронного генератора, а фазы соединенной в звезду обмотки 6 - параллельно.

0 Начала фаз трехфазной тороидальной обмотки 7, охватывающей внутреннее ярмо 27, соединены с началами фаз обмоток 5 и 6 так, что индуктируемые в фазах обмотки 7 ЭДС суммируются с фазными напряжения5 ми синхронного генератора. Концы фаз обмотки 7 соединены с концами фаз обмотки 8, расположенной на внешнем ярме 28, последовательно так, что индуктируемые в фазах обмотки 8 ЭДС вычитаются из фазных напряжений генератора. Начала фаз обмотки 8 соединены через переключающие контакторы 12-14 с трехфазной статорной обмоткой асинхронной машины.

Трехфазная тороидальная обмотка 9, расположенная на внешнем ярме, соединена через выпрямитель 18с обмоткой Юпод- магничивания внутреннего ярма 27, а обмотка 11 подмагничивания, расположенная на внешнем ярме 28, через регулятор 15 частоты и выпрямитель 17 включена на выход понижающего трансформатора 16. Стабилизация скорости вращения псг и частоты синхронного генератора при изменении его нагрузки и скорости вращения приводного двигателя щ достигается за счет изменения направления и скорости вращения ротора асинхронной машины пам в соответствии с уравнением дифференциального редуктора:

Пег Гц(1+И) ± Пам И 2 Об/МИН,

где и и 2 - передаточные числа дифференциального редуктора.

Плавное регулирование скорости вращения ротора асинхронной машины, работающей на 1-й и 2-й ступенях в режимах двигателя, на 3-й ступени в режиме электродинамического тормоза, а на 4-й и 5-й ступенях в режиме асинхронного генератора, обеспечивается изменением ее электромагнитного момента путем автоматического регулирования напряжения, подводимого к статорной обмотке от синхронного генератора с помощью регулятора трехфазного напряжения (фиг. 2).

Величина линейного напряжения, подводимого к статорной обмотке на 1-й, 2-й, 4-й и 5-й ступенях, в общем случае равна

Оам Осг + V§ (йфб - Оф7).

где Осг линейное напряжения СГ;

Офб Ёфб - 1ам2б И Оф7 Ефу + lanZl - фазные напряжения обмоток 7 и 8, сцепленных с вращающимися магнитными потоками Фай Фз внутреннего и внешнего ярм магнитолровода.

Величина вращающегося магнитного потока в среднем ярме Ф-i Фа + Фз, создаваемого результирующей намагничивающей силой трехфазных обмоток, пропорциональна напряжению UCr, которое при увеличении нагрузки СГ от минимальной до максимальной величины при Uc const возрастает приблизительно на 10% вследствие падения напряжения в обмотке 5.

При максимальном токе в обмотке 11 подмагничивания магнитное сопротивление внешнего ярма 28 очень велико, поэтому величина вращающегося магнитного потока в нем Фз Фт - Фа макс 0,05 Ф1, а во внутреннем ярме Фамакс 0,95 Ф-i. В этом

случае ЭДС, индуктируемая в обмотке 7, Ефбмакс 4 КфтУУохКобО.ЭБ Фт, а в обмотке 8 Ефумин 4кфт Л/7Коб 0,05 Фт, поэтому к статорной обмотке приложено максимальное напряжение Оаммакс Осг + У5 Ёфбмакс - Ёфтмин - laM(Z6+Z). При минимальном токе в обмотке 11 подмагничивания магнитное сопротивление внешнегоярма 28 мало, а внутреннего ярма 27 велико, так как ток в

обмотке 10 подмагничивания достигает максимальной величины.

В этом случае Фзмакс Ф1 - Фамин

«.0,95 Ф-|,а Фамин Ф,1- Фзмакс- 0,05 Ф1, поэтому Ефбмин ss4 fW6k06, 0,05 Ф1,

ЕфТмакс ,4 0,95 , а Оаммин ViT Ефбмин - Еф7макс - ам(2б+2т).

При W6 W7 И Ефбмакс Еф7макс 0,5

ифсг величина напряжения, подводимого от СГ к асинхронной машине, изменяется приблизительноот11ам 1,5 Ucr ДО Уам 0,5UCr. Так как электромагнитный момент Мам пропорционален U ам, то указанные пределы изменения Уам вполне достаточны для обеспечения равенства приведенных электромагнитных моментов Мам и Мег при изменении нагрузки дифференциального электромашинного агрегата от максимальной величины до нуля.

При повышении скорости вращения

Пег и частоты синхронного генератора f

Р т

CpJ. сг вследствие повышения скорости вращения первичного двигателя щ или уменьшения нагрузки СГ автоматический

регулятор 15 частоты на фиг. 1 регулятор 15 частоты условно показан только в виде исполнительного элемента - регулируемого сопротивления в цепи обмотки 11 подмагничивания, функционально схема

управления регулятора 15 частоты подобна схеме управления регулятора 19 напряжения: измеритель частоты, включаемый на выходные клеммы генератора, вырабатывает сигнал, пропорциональный отклонению

текущей частоты от заданного значения, усилительный.элемент усиливает этот сигнал и подает его на исполнительный элемент) уменьшает ток в обмотке 1 1 подмагничивания и магнитное сопротивление внешнего ярма 28. В результате этого вращающийся поток в ярме 28 и ЭДС Еф, индуктируемая им в обмотке 8, увеличиваются, а выходное напряжение индукционного регулятора на статорной обмотке

машины уменьшается, поэтому скорость вращения ротора Пам при работе асинхронной машины на 1-й и 2-й ступенях в двигательных режимах уменьшается, что приводит к уменьшению скорости вращения ncr и понижению частоты f до номинального значения. При работе на 3-й, 4-й и 5-й ступенях в тормозном и генераторных режимах уменьшение напряжения на статор- ной обмотке машины вызывает уменьшение электромагнитного момента Мам, повышение скорости вращения пам, уменьшение скорости Пег и восстановление частоты до близкой к номинальному значению.

В случае понижения скорости вращения Пег и частоты f вследствие уменьшения скорости вращения приводного двигателя щ или увеличения нагрузки автоматический регулятор 15 частоты увеличивает ток в обмотке 11 подмагничивания. В результате этого выходное напряжение индукционного регулятора на статорной обмотке асинхронной машины и ее электромагнитный момент увеличиваются, что приводит к повышению скорости вращения пам на 1-й и 2-й ступенях и к уменьшению скорости вращения пам при работе на 3-й, 4-й и 5-й ступенях, Так как в уравнении дифференциального редуктора на 1-й и 2-й ступенях пам имеет знак +, а на 3-й, 4-й и 5-й ступенях - знак -, то во всех случаях увеличение напряжения на статорной обмотке вызывает повышение скорости вращения синхронного генератора и восстановление его частоты f до номинального значения.

Изменение числа полюсов в статорной обмотке асинхронной машины и перевод ее из одного режима работы в другой осуществляются контакторами 12-14, управляемыми тахогенератором, установленным на входном валу ДР (не показан).

Применение маловитковой трехфазной обмотки 5, включенной последовательно с фазными обмотками синхронного генератора, обеспечивает необходимую величину напряжения на статорной обмотке при возможных кратковременных коротких замыканиях в сети и повышает устойчивость системы стабилизации частоты при изменениях нагрузки, Регулятор трехфазного напряжения, подводимого к машине, имеет высокий КПД, так как большая часть электрической мощности, пропорциональная Ucr подводится от Сг без преобразования, а трансформируется лишь часть мощности, пропорциональная ЭДС, Ефбмакс 0,5 11фсг. Удельная масса регулятора трехфазного напряжения почти в 3 раза меньше, чем электромашинного регулятора с возбудителем, так как скорость вращения магнитного поля в нем при двухполюсном магнитопроводе в 2,3 раза больше чем в злектромашинном регуляторе, число полюсов в котором должно быть таким, как у основного синхронного генератора, т.е. при частоте f 400 Гц 2Р 6или2Р 4,

Более высокие надежность и КПД предлатаемого электромашинного агрегата с регулятором трехфазного напряжения, по сравнению с прототипом, обеспечиваются в результате замены электромашинного регулятора и его возбудителя с вращающимися

роторами и выпрямителем статическим регулятором трехфазного напряжения, надежность работы и КПД которого выше, чем у вращающегося электромашинного регулятора с возбудителем и вращающимся выпрямителем,

Формула изобретения Электромашинный агрегат для получения постоянной частоты и напряжения при

изменяющейся скорости вращения первичного двигателя, содержащий бесконтактный синхронный генератор и полюсопереключа- емую асинхронную машину, связанные механически друг с другом и с приводным

двигателем посредством дифференциального редуктора, и регулирующее устройство трехфазного напряжения, подводимого от синхронного генератора к асинхронной машине, состоящее из регулятора трехфазного напряжения, переключающих контактов и понижающего трансформатора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения удельной массы, повышения КПД и надежности, регулятор трехфазного напряжения

выполнен в виде цилиндрического магнито- провода из трех концентрических неподвижных частей с пазами, в которых размещены пять тороидальных трехфазных обмоток и две обмотки подмагничивания

ярм внешней и внутренней частей, в пазах средней части расположены синфазно две первичные обмотки, из которых одна включена параллельно со статорной обмоткой генератора, а другая - последовательно, вторичные трехфазные обмотки, расположенные синфазно в пазах внутренней и внешней частей, соединены последовательно-встречно, и включены с одной стороны на клеммы генератора, с другой - на статорную

обмотку асинхронной машины, обмотка подмагничивания внутреннего ярма через выпрямитель соединена с трехфазной обмоткой на внешнем ярме, а обмотка подмагничивания внешнего ярма соединена через

переменное сопротивление и выпрямитель с вторичной обмоткой понижающего трансформатора, включенного на выходные клеммы регулятора трехфазного напряжения.

Фиг. 2

Изобретение м.б. использовано в электротехнике, автономных системах генерирования переменного тока постоянной частоты и напряжения на подвижных объектах. Электромашинный агрегат состоит из синхронного генератора 1, его возбудителя 2, полюсопереключаемой асинхронной машины 3, дифференциального редуктора 4, регулятора трехфазного напряжения с пятью тороидальными трехфазными обмотками 5-9 и двумя обмотками подмагничива- ния 10,11, переключающих контактов 12-14. регулятора 15, выпрямителей 17 и 18 системы питания обмоток подмагничивания, контура регулятора напряжения 19, включающего измеритель напряжения 20, выпрямители 21, 23, 26, магнитный усилитель 22, компаундирующий трансформатор тока 25. Применение неподвижного регулятора трехфазного напряжения уменьшает габариты, повышает КПД и надежность. 3 ил. и с