Бесконтактный преобразователь частоты Советский патент 1992 года по МПК H02K47/18 

Изобретение относится к преобразованию переменного тока промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты и может быть использовано в конструкторских бюро и на заводах, проектирующих электромашинные преобразователи частоты различных отраслей промышленности, транспорта и специальных областей техники.

Известны электромашинные преобразователи частоты двигателыенераторного типа, состоящие из обычного асинхронного или синхронного двигателя и синхронного генератора с собственным возбудителем или независимым возбуждением.

Известен преобразователь частоты, состоящий из синхронного двигателя и асинхронного преобразователя частоты с последовательно соединенными трехфазными обмотками синхронной и асинхронной машин, у которого стабилизация выходного напряжения осуществляется регулированием тока возбуждения синхронной машины.

Существенный недостаток известных синхронно-асинхронных преобразователей частоты заключается в наличии у синхронной и асинхронной машин скользящих контактов в виде вращающихся контактных колец и неподвижных щеток, установленных s щеткодержателях . Наличие скользящих контактов снижает надежность работы преобразователя и полностью исключает возможность использования их в агрессивной и взрывоопасной окружающей среде.

Известен также бесконтактный преобразователь частоты, состоящий из трех асинхронных машин, установленных на общем валу в общем корпусе.

Недостатками этого преобразователя являются; низкий коэффициент мощности (cos p пч), большой пусковой ток, нестабильность преобразованной частоты, изменяющейся вследствие изменения скольжения ротора асинхронного двигателя при изменении нагрузки и величины напряжения источника питания, а также нестабильность выходного напряжения, обусловленная теми же причинами и падением напряжения в обмотках.

Диапазон изменений выходйого напряжения, обусловленный падением напряжений в четырех трехфазных обмотках двух асинхронных машин, соединенных в каскад, и отклонением напряжения источника питания, слишком широк, поэтому использование такого преобразователя без отдельного регулятора напряжения, рассчитанного на большую мощность, нерационально.

Цель изобретения - увеличение коэффициента мощности, КПД и перегрузочной способности преобразователя, уменьшение величины пускового тока, обеспечение стабильности выходного напряжения и частоты.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем расположенные на одном валу три машины переменного

тока, 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, третья машина

является синхронной, обмотка возбуждения которой расположена на роторе и соединена последовательно через выпрямитель с роторными обмотками асинхронных машин, причем обмотка статора одной асинхронной машины подключена через контактор, позволяющий изменять чередование фаз1, к сети, а статор второй асинхрон- ной машины имеет цилиндрический магнитный шунт, в пазах которого расположена тороидальная обмотка подмагничива- ния, подключенная к автоматическому регулятору напряжения.

В Качестве приводной машины использован синхронный двигатель, обмотка возбуждения которого расположена на роторе и через выпрямитель соединена последовательно с роторными обмотками двух асинхронных машин.N

Статор одной из асинхронных машин

выполнен с цилиндрическим шунтом, охватываемым тороидальной обмоткой подмаг- ничивания, подключенной к источнику постоянного тока через автоматический регулятор напряжения.

Статорная обмотка другой асинхронной машины подключена к сети через контактор, позволяющий изменять чередование фаз.

Первый отличительный признак позволяет увеличить коэффициент мощности и КПД преобразователя, поскольку немного перевозбужденный синхронный двигатель ( 0,97) компенсирует реактивную

мощность; потребляемую двумя асинхронными машинами. Таким образом преобразователь в целом из сети реактивной мощности не потребляет (cos f пч 1) в отличие от прототипа, все три асинхронные

машины которого потребляют значительную реактивную мощность, По этой же причине КПД предлагаемого преобразователя выше, так как суммарные потери в его обмотках меньше, чем у прототипа

Перегрузочная способность преобразователя повышается за счет предлагаемого подключения обмотки возбуждения синхронного двигателя, ток возбуждения которого автоматически возрастает с увеличением нагрузки.

Снижение величины пускового тока достигается за счет запуска преобразователя с помощью асинхронной машины с таким же числом полюсов, как у синхронного двигателя, мощность которой в 4 раза меньше мощности приводного двигателя. Соответственно величина пускового тока при такой схеме запуска в 4 раза меньше, чем у прототипа, что очень важно для автономных первичных источников и маломощных сетей.

Благодаря второму отличительному признаку обеспечивается стабильность выходного напряжения, а стабильность частоты достигается применением синхронного двигателя в качестве приводной машины вместо асинхронного двигателя в прототипе.

На фиг. t изображена принципиальная схема предлагаемого бесконтактного преобразователя частоты; на фиг 2 - статор асинхронной машины с промежуточным цилиндрическим магнитным шунтом, поперечный разрез.

Устройство содержит синхронный двигатель (СД), трехфазная обмотка 1 статора которого через контакты К1 контактора подключена к сети, а его обмотка возбуждения, расположенная на роторе 2. через выпрямитель соединена последовательно с трехфазными обмотками роторов 4 и 5 асинхронных машин AM 1 и АМ2. Роторы всех трех машин СД, АМ1 и АМ2 выполнены на общем валу, Трехфазная обмотка 3 статора АМ1 подключена к сети через контактор К2, изменяющий чередование фаз после окончания асинхронного запуска преобразователя, Отдельные фазы обмотки ротора 4 АМ1 соединены с фазами обмотки ротора 5 АМ2 в обратной последовательности Цилиндрический шихтованный магнитный шунт на статоре АМ2 с тороидальной обмоткой под- магничивания 7 питается выпрямленным током через автоматический регулятор 8 с измерителем напряжения (ИН) 9 и настроечным резистором 10. Трехфазная обмотка 11 статора АМ2 расположена во внешних пазах шунта, на который плотно напрессовано шихтованное ярмо 12

Преобразователь работает следующим образом.

Асинхронный запуск ненэгруженного преобразователя осуществляется с помощью вспомогательной асинхронной машины АМ1, при отключенной статорной

0

обмотке СД. Так как число полюсов у АМ1 такое же, как у синхронного двигателя, то частота вращения роторов преобразователя в конце асинхронного разгона приближается к синхронной частоте вращения СД, причем ток в обмотке возбуждения СД в конце разгона уменьшается до очень малой величины, при которой самосинхронизация СД с источником питания при замыкании контактов К1 невозможна. Однако при изменении чередования фаз статорной обмотки АМ1, посредством контактора К2, изменяется направление вращения поля статора АМ1, поэтому частота вращения поля АМ1 относительно ротора увеличивается скачко60fi с

ООрЗЗНО ОТ Пл мин р оо ДО ПП макс 0

5

0

5

0

60fi

(2-So), где So 0,01.

PAMI

После изменения последовательности чередования фаз и одновременного замыкания контактов К1 АМ1 переходит из двигательного режима работы в тормозной, а СД в режиме двигателя. При этом в фазах роторной обмотки АМ1 индуктируются ЭДС удвоенной частоты, достаточные для нормального возбуждения СД и АМ2 при холостом ходе преобразователя, а также для самосинхронизации СД с источником питания.

Для обеспечения надежной самосинхронизации и предотвращения качаний роторов при скачкообразных изменениях нагрузки в пазах полюсных наконечников СД имеется демпферная короткозамкнутая обмотка. Последовательность чередования фаз роторных обмоток у АМ1 и АМ2 неодинакова, поэтому магнитное поле, созданное токами трехфазной роторной обмотки АМ2,

2fi60 вращается с частотой р -к

относи5

0

5

тельно ротора, а относительно статора с частотой

« 4. 2fl6°

Пп ст ПСд +

об/мин.

РДМ2

индуктируя в фазах статорной обмотки АМ2 ЭДС с частотой

f2 fi(f +2) Гц.

где fi - частота источника питания, Рдм2 и РСД - числа пар полюсов АМ2 и СД. Аз этой формулы видно, что преобразованная частота f2 пропорциональна частоте источника питания f1, а так как в промышленных системах электроснабжения частота поддерживается с достаточно высокой точностью, то преобразованная частота также практически постоянна

При РСд - 1 и Рдмг - 1,2.3.4,5,6,7.8 ... получаются следующие значения выходной частоты: h - 150,200,250,300,350,400,450, 500 Гц, а при РСд - 2 fa - 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300 Гц.

Для обеспечения точной стабилизации выходного напряжения статорная часть магнитопровода АМ2 (фиг. 2) выполнена с промежуточным магнитным шунтом 6, охватываемым витками тороидальной обмотки 7, Обычная трехфазная статорная обмотка 11 расположена во внешних пазах шунта вместе с внешними сторонами тороидальной обмотки подмагничивания шунта. С целью упрощения технологии выполнения обеих обмоток статора АМ2, ярмо 12 статора сделано в виде отдельного шихтованного полого цилиндра, напрессованного на внешние зубцы шунта после выполнения обмоток. Стабилизация выходного напряжения преобразователя частоты осуществляется автоматическим регулятором 8 с измерителем напряжения ИН 9 (фиг. 1), изменяющим величину выпрямленного тока в тороидальной обмотке 7, охватывающей магнитный шунт 6. При полностью выключенной нагрузке и максимальном напряжении источника питания величине тока в обмотке подмагничивания шунта очень мала, магнитное сопротивление шунта минимально, поэтому значительная часть вращающегося магнитного потока статора АМ2 замыкается через шунт, а с трехфазной обмоткой статора АМ2 сцеплена остальная часть магнитного потока, достаточная для индуктирования в фазах статорной обмотки ЭДС, равных номинальным фазным напряжениям преобразователя.

При максимальной нагрузке преобразователя и минимальном напряжении источника питания автоматической регулятор поддерживает в обмоткб подйаТнйчйвания шунта максимальную величину тока, при которой магнитный шунт сильно насыщен постоянным магнитным потоком, поэтому магнитное сопротивление шунта для вращающегося магнитного потока очень велико. В этом случае около 95% общего вращающегося магнитного потока статора сцеплено с трехфазной обмоткой статора, индуктируя в ее фазах ЭДС, достаточные для поддержания номинальных фазных напряжений при максимальной нагрузке преобразователя и минимальном напряжении источника питания.

Во всех промежуточных случаях автоматический регулятор напряжения при уменьшении выходного напряжения увеличивает ток подмагничивания магнитного шунта, а при увеличении напряжения уменьшает, поддерживая с требуемой точностью заданную величину выходного напряжения. Мощность выпрямленного тока, затрачиваемая на подмагничивэние шунта

при номинальной мощности преобразователя 30-50 кВА составляет около 1,5%.

Расчетная мощность вспомогательной асинхронной машины AMI. используемой в режиме двигателя при запуске преобразоэателя и в режиме возбудителя основной асинхронной машины АМ2 и синхронного двигателя СД в рабочем режиме преобразователя, не превышает 25% выходной мощности преобразователя. Так как фазы

роторной обмотки АМ1 соединены последовательно с фазами роторной обмотки АМ2 и с обмоткой возбуждения СД через полупроводниковый выпрямитель, то максимальный пусковой токАМ1 превышает ее номинальный ток не более, чем в 2-2.5 раза. Из этого следует, что запуск преобразователя можно осуществлять от любого источника соизмеримой мощности, не подвергая его перегрузке при запуске. Согласно расчетным

данным величина тока ф р в фазах роторных обмоток АМ2 и AM 1 при увеличении нагрузки преобразователя от нуля до номинальной величины увеличивается в два раза, а это означает, что величина тока возбуждения

синхронного двигателя 18 сд 1.3 ф р также изменяется в таких же пределах, обеспечивая большую кратковременную перегрузочную способность преобразователя и высокий коэффициент мощности ч

близкий к единице, без применения автоматического регулятора тока возбуждения СД. При небольшом перевозбуждении СД преобразователь потребляет, в основном, ак- тивный ток (при 0,97), поэтому

коэффициент мощности и КПД у предлагаемого преобразователя значительно выше, чем у прототипа, состоящего из трех асинхронных машин,

При этом обеспечивается более высокое качество преобразованной электроэнергии, так как выходная частота пропорциональна частоте источника питания, а величина выходного напряжения поддерживается с заданной точностью с помощью автоматического регулятора напряжения, изменяющего величину тока в обмотке подмагничивания магнитного шунта на статоре АМ2.

Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты по сравнению с прототипом имеет более высокие значения коэффициента мощности, КПД и перегрузочной способности, уменьшенную величину пускового тока и стабильные значения выходного напряжения и частоты. Формула изобретения Бесконтактный преобразователь частоты, содержащий расположенные на одном валу три машины переменного тока, 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 отличающийся тем, что, с целью увеличение КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности, уменьшения величины пускового тока, ста

бильности 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 контактор, 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.

Использование: электротехника, в частности преобразователи переменного тока промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты. Сущность изобретения; бесконтактный преобразователь частоf «W; ты Содержит синхронный двигатель 2 и две асинхронные машины 4 и 5. Роторы трех машин выполнены на общем валу. Трехфазные обмотки роторов асинхронных машин 4 и 5 соединены электрически. Трехфазная обмотка статора асинхронной машины 4 подключена к сети через контактор. Возможно изменение чередования ее фаз. Трехфазная обмотка статора асинхронной машины 5 подключена к нагрузке. Обмотка возбуждения синхронного двигателя расположена на роторе и через выпрямитель соединена последовательно с обмотками роторов асинхронных машин. На статоре асинхронной машины 5 расположен магнитный шунт 6. В его пазах размещена тороидальная обмотка подмагничивания 7 Обмотка 7 подключена к автоматическому регулятору напряжения. 2 ил. сл с (Я 1 о Јь СлЭ

Фиг. 2