Устройство для возбуждения бесщеточных электрических машин Советский патент 1979 года по МПК H02P9/14 H02P7/52 

. i; /- . Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в устройствах для возбуждения бесщеточвых электрических машин, преимущественно для машин, получающих энергию возбуждения от обращенного синхронного возбудителя. Известны устройства для возбуждения бб сщеточных электрических машин, содержащие вращающийся выпрямитель, возбу- дйРгель, выполненный в виде синхронней машины с явнополюсным индуктором на статоре (обращенный синхронный возбудитель), на котором размещены обмотки возбуждения возбудителя постоянного тока, подсоединенные через регулятор возбуждения к .зажимам статора бесщеточной машины и через выпрямитель к статической обмотке переменного тока, расположенной на том индукторе возбудителя непосредственно в пазах полюсных накойеч- НИКОВ, либо в межполюсном пространстве 111 Подсоединение выпрямителя к статической обмотке переменного тока расположенной на возбудителе, обеспечивает его самовозбуждение в режимах начал1 ного пус ка и коротких замыканий на статоре бесщеточной машины, что упрощает ее конст- , рукцию, так как при э-ЮМ не требуется дополнительного независимого источника питания ИЛИ подвозбудителя. Упомянутый выпрямитель выполнен в виде неуправляемого или управляемого тИристорного преобразователя со схемой управления, подсоединеннойк той же статической обмотее переменного тока и к регулятору возбуждения. Несмотря на ряд достоинств бесщеточной машины с возбудителем и тиристорным преобразователем, применение указанного возбудителя для целей регулирования затруднено ввиду больших реактансов и значительных искажений формы питающего напряжения аа указанной статической обмотке переменного тока. Кроме того, вследствие особенностей конструктивного 69 выполнения частота питающего напряжени на статичесжой обмотке перемеиного тока возбудителя превышает часто.ту контролируейоЗго Напряжения на зажвмах статора бесщеточкой машины, что вызывает допел ните льные трудности при синхронизации воздействий регулятора возбуждения и схе Mbf управления тиристорным преобразователем, Другое известное устройство с управ- лаемым выпрямителем и полупроводнико вым ключом, подсоединенным к регулятоpyi устраняет ряд указанных недостатков. Это устройство содержит вентильный преобразователь на тиристорах и формиро ватель импульсов (называемый также схе мой управления тиристорным преобразов телем), подающий при включении релейного элемента (транзисторного ключа) от пнрающий импульс на соответствующий вентиль. Формирователь импульсов выполнен в виде управляющего выпрямителя на диодах и разделительных импульсных трансформаторах, первичньте обмотку которых включены последовательно с диодами, а вторичньхе подключены к управляющим цепям тиристора согласованно с полярностью подключения первичных обмотхэк. На выходе управляющего выпрямителя последовательно с нагрузкой установлен транвисторньгй кпбзч, к входу которого под ооедИНёй резистор уст-авки скорости вра щения двигателя j. Однако у известного устройства имеются значительные конструктивные и параметрические недостатжи, определяемые в первую очередь длительными по време ни процессами коммутации. Повышенная длительность коммутации, вызванная срав нительно большими реактансами статичес- -кой обмотжи переменного тока, не позволяет сформировать импульсы управления с требуемыми псх техническим условиям параметрами при приемлемых габаритах -импульсных трансформаторов. Другим недостатком известного устройствй прамейв ёлйно к их использованию в бесшеточньтх Машинах является сравнительно низкая структурная надежность управляющего канала. При случайном пробое, найрИ1 Лвр,тран зйСторнотх кЛсюча, схема управления пере водит тиристорный преобразователь в фор саровочный режим. При этом увеличивают ся ток возбуждения и напряжение на вра щающвхся обмотках переменного тока воз будителя. Растет ток .возбуждения маши2ньг и напряжение на ее статоре, причем этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительным перенапряжениям на статоре из-за положительной обратной связи по питанию тиристорного преобразователя, так как напряжение на статических обмотках переменного тока находится в прямой зависимости от тока возбуждения машины. Известно также устройство для возбуждения бесщеточных электрических ма шин, содержащее вращающийся выпрямитель, подключенный к расположенной на роторе якорной обмотже обращенного возбудителя, на статоре которого размешены обмотка возбуждения и обмотка переменного тока, связанные между собой через тиристорный преобразователь, схема управления которого выполнена на основе управляющего выпрямителя на диодах, вклл.ченных последовательно с первичными обгмотэсами импульсных трансформаторов, вто ричные обмотки которых через разделительные диоды подключены к управляющие цепям тиристоров, а в цепи нагрузки уп- равляющего выпрямителя установлен транзисторный ключ, соединенный по цепи управления с регулятором возбуждения, вход которохч) подключен к статорным обмоткам машины, и релейный элемент СзД. В этом устройстве вращающаяся обмотка возбуждения основной машины питается от выпрямителя на силовых диодах, подключенных к расположенным на роторе обмоткам переменного тока возбудителя. На статоре возбудителя смонтированы две обмотки возбужден ия возбудителя. К одной обмотке подключен неуправляемый выпрямитель и тралсформатор компаундирования, к другой - тиристорный преобразователь. Напряжение к; тиристорному преобразователю подается от подвозбудителя. Формирователь импульсов на управляющем выпрямителе с включенным в цепь диодов импульсньши трансформаторами и транзисторным ключом образуют систему управления, К входу транзисторного ключа подключен регулятор возбуждения. Подмагничивание при первоначальных пусках Осуществляется встроенными в возбудитель постоянными магнитами. Подвозбудитель может выполняться на любое напряжение в частоту, вследствие чего управляющий канал бесщето«1ной машины содержит блоки приемлемых габаритов. При случайном выходе из строя канала регулирования с тиристорным преобразователем управление возбуждением может вестись по каналу компаундирования. Следовательно, схема устройства обладает достаточной структурной надежностью. Недостатком этого устройства является так называемая схемная избыточность- использование подвозбудителя, применение дополнительного канала компаундирования и выполнение возбудителя с двумя обмот ками постоянного тока на роторе, что при водит к значительному усложнению устройства управления, увеличению его габаритов и к утяжелению бесщеточной машины в целом. Цель изобретения снижение габарито и повышение надежности. Для этого последовательно с транзисторным ключом установлен высокочастотный коммутатор, подключенный через релейный элемент к статорным обмоткам, ма шинь, при этом вторичные обмотки импул сных трансформаторов подсоединены к управляющим цепям тиристоров встречно по отношению к полярности первичных обмоток. Такое выполнение устройстпва позволяет за счет использования отдельной обмот ки переменного тока, установленной на .ин дукторе возбудителя, юкратить возбудительное оборудование и обеспечить требуемое регулирование в режимах иачальйй№ пуска и коротких замыканий. Подключение высокочастотного коммутатора последовательно с транзисторным ключом переводит работу управляющего выпрямителя в режим работы, определяемый коммутацией его нагрузки по двум признакам - низкочастотным переключениям транзисторного ключа в соответствии с воздействиями регулятора возбуждения, и независящим высокочастотным переключением, что позволяет существенно снизит габарить управляющей части при любых реактансах питающего источника, в том числе при больших реактансахобмотки переменного тока на возбудителе. (Подключение вторичных обмоток импульсных трансформаторов к управляющим цепям тяристорного преобразователя через диоды встречно полярности подключения первичных обмоток к диодам управляюше« го выпрямителя позволяет сформировать требуемые по техничесжим условиям импуталы управления при минимальных габаритах ферритовых сердечников и уменьшить потребляемую мощность. Соединение высокочастотного коммутатора оо статором через релейный элемент обеспечивает параллельно с регулятором возбуждения вторую ветвь управления в режимах перенапряжений, что увеличивает надежность устройства возбуждения машины при случайных отказах отдельных элементов. На фиг. 1 - устройство возбуждения бесщеточной электрической машины, принципиальная схема; на фиг. 2 - подключение системы управления к тиристорному преобразователю, принципиальная схема; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу системы управления тиристорным преобразователем применительно к сийусоидальной форме питающего напряжения. Устройство для возбуждения бесшеточ- ной электрической машины (фиг. 1) рассматривается на примере устройства автоматического регулирования возбуждения . синхронной машины 1, работающей в режиме генератора энергии. Устройство содержит вращающийся на роторе выпрямитель 2, предназначенный для преобразования переменного напряжения роторной обмотки 3, обращенного синхронного возбу- дителя в постоянное напряжение, статор 4 возбудителя, на котором расположены статическая обмотка 5 переменного тока и обмотка Э возбуждения возбудителя, тиристорный преобразователь 1, собранный на мостовой схеме выпрямления, регулятор 8 возбуждения, подключенный к зажимам электрической машины и к измерительному трансформатору 9 тока, систему управления указанным преобразователем или формирователь импульсов, сострящий из управляющего выпрямителя 1О, его нагрузки 11 j транзисторного ключа 12 и высокочастотного транзисторного коммутатора 13, входная цепь которого подсоединена к высокочастотному полупроводниковому генератору 14. Управляющий выпрямитель 10 собран на диодах 15, включенных последовательно с первичными обмотками 16 импульсных трансформаторов 17, по схеме соединения вентилей тиристорного преобразователя вторичные обмотки 18 указанных трансформаторов подключены через разделительные диоды 19 и резисторы 20 к управляющим цепям вентилей тирнсторного преобразователя встречно по отношению к полярности подключения первичных обмоток. Релейный элемент 21 включен меле ду статорными обмотками машины R од ным из входов высокочастотного полупроводникового генератора 14. 769 Регулятор 8 возбуждения осуществля- ег широтво-ймпульсное управление транзисторным ключом 12, при замыкании ко торого высокочастотный транзисторный коммутатор 13 подключает к управляющее му выпрямителю 10 его нагрузку 11 с частотой, на несколько порядков превышающей частоту питающего напряжения. Для литания высокочастотного генератора 14 .используется ЭДС статорной обмотки 5 переменного тока, возбудителя; этот же источник питания обеспечивает насыщение транзисторного ключа 1.2 в режимах начального возбуждения и короткого замыка ния электрической машины. При случайном пробое ключа 12 и аварийном перенапряжении, на шинах статора синхронного генератора срабатывает релейный элемент 21 и отключает высокичасто-щый коммутатор 13. Тем самым размыкается нагрузка 11 на выходе управляющехх выпрямителя 10, исчезают ймпульсь управления тиристор- ным преобразователем 7, и он запирается. При этом производится развозбуждение синхронного генератора. На фиг. 2в качестве варианта устрой ства возбуждения бесщеточных электричес ких машин приведено трехфазное выполнение статорной обмотки 5 переменного тока возбудителя, питающей тиристорный преобразователь 7 и систему управления тиристорным преобразователем. В момент подключения нагрузки к управляющему выпрямителю по элементам сйСтемы управления протекает ток, напри мер, под действием фазных напряжений Сд и 2.С ток течет по цепи: статорная об мочха 5 переменного тока, диод 15-1 ка тодной группы, первичная обмотка 16 ИМ пульсного трансформатора 17-1, нагрузка 11, транзисторный ключ 12, высокочастотный транзисторный коммутатор 13, диод анодной группы 15-2, первичная обмотаа 16 импульсного трансформатора 17-2, фаза статорной обмотки 5 перемен ного тока. При протекании тока через пер вйчные обмотай 16 импульсных трансформаторов 17 на них формируются импульсы, длительность которых равна времени 13амыкания вьтсокочастотного транзисторного коммутатора 13. Энергий этих импульсов запасается в намагничивающем , контуре импульсных трансформаторов 17 при разомкнутой нагрузке, так как разделительные диода 19 1йрТ5Ктичё(Жй отделяют вторичные обмотки 13 от управляющих переходов тиристоров. Резисторы 20 2 шунтирующие управляющие цени тиристоров, оказываются включенными последовательно с высюким обратным сопротивлением диодов 19, снижая обратное напряжение на указанных переходах, тем самым известное включение резисторов 20 § данном применении несет дополнительные функции. При запирании высокочастотного транзисторного коммутгтора 13 запасенная в намагничивающем контуре импульсных трансформаторов 17 энергия расходуется на формирование управляющего импульса, причем параметры управляющего перехода определяют амплитудное значение напряжения импульса, а величина запасенной энергии - его ток. Скорость нарастания тока импульсов управления тиристорами задается крутиз-, ной фронта запирания высокочастотного транзисторного коммутатора 13 вне зависимости от характера коммутации диодов 15 управляющего выпрямителя. На фиг. 3 приведены эпюры токов к напряжений элементов устройства возбуждения электрической машины применительно к трехфазному варианту исполнения возбудителя:и 5 - фазные напряжения , Gt, , .Q на статорной обмотке 5 переменного тока возбудителя; - напряжение управления высокочастотного транзисторного коммутатора 13, импульсы управления соответствуют закороченному состоянию коммутатора; -напряжение управления транзисторного ключа 12, интервал т соответствует замкнутому состоянию ключа, а интервал п - разомкнутому; -напряжение на нагрузке 11 управляющего выпрямителя; Vf, -lS-2, нВ-б - ТОКИ через соответствующие диоды (15-1,. 15.2, 15-6) управляющего выпрямителя; УП71, l7-i Чп7-6 Напряжения управления тиристоров 7-1, 7-2, Импульсы, поступающие на управляющие цепи тиристоров, появляются в интералах между импульсами тока через диды 15 управляющего выпрямителя и оказываются окончательно сформированными о требуемьгм параметрам как в начале оммутации тиристоров, так и во всех остальных режимах работы управляемого реобразователя. . При замкнутом транзисторном ключе 12 на вторичных обмотках импульсных трансформаторов 17 появляются пачки вы сокочастотных импульсов длительностью, соответствующей интервалу протекания токов через диоды 15 управляющего выпрямителя. Фааировка пачек импульсов относительно анодного напряжения вентилей тиристор ного преобразователя 7 осуществляется так, чтобы первые импульсы пачек попадали на управляющую цепь вентиля в момент его естественной коммутации. При отпирании вентилей тиристорный преобразователь 7 работает в режиме неуправляемого. выпрямителя. Ток в обмотке 6 возбуждения возбудителя возрастает, при этом увеличивается напряжение на роторной, обмотке 3 переменного тока и напряжение на вращающемся выпрямителе 2. Ток в индукторной обмотке синхронной машины 1 возрастает и напряжение на ее зажимах растет. При параллельной работе с сетью неограниченной мощности рассмотренный процесс ведет к увеличению генерируемого реактивного тока. Размыкание транзисторного ключа 12 вызывает пропадание импульсов управления, в этом случае вентили тиристорного преобразователя 7 закрьгты. В результате начинает снижаться ток обмотки 6 возбуждения возбудителя, уиеньщаются напря жение на роторной обмотке переменного тока 3 и напряжение на вращающемся выпрямителе 2. Ток в индукторной обмотке синхронной машины 1 понижается и, следовательно, уменьшается напряжение на ее зажимах. В целгях увеличения быстродействия регулирования может быть использован инверторный режим работы тиристорного преобразователя 7. Для этого в рассматриваемое устройство вводится второй управляющий выпрямитель, нагрузка которого под ключена к высокочастотному транзисторно му коммутатору. При этом фавировка пачек инвертор- импульсов выполняется со сдвигом относительно начала основных выпря мительных импульсов, где m ч- число фаз питающего напряжения. Процесс регулирования возбуждения электрической машины в статических и динамических режимах осуществляется чередованием открытого и закрытого состояния вентилей тиристорного преобразователя. - В устройстве возбуждения тиристорный преобразователь, выполненный по мостовой схеме выпрямления и управляемый релейно-импульсной системой, не нуждается в дополнительных запускающих элементах, так как требуемые по энергии импульсы управления одновременно появляются на двух втентилях тиристорного преобразователя (один - в катодной, другой - в анодной группах): поскольку формирование этих импульсов определяется моментом размыкания высЬкоЧастЬтного транзисторного коммутатора. При расчете элементов системы управления на частоту, значительно превышающую частоту питающего напряжения, и с учетом снижения энергии, затрачиваемой на формирование управляющих импульсов при встречном включении обмоток импульсных трансформаторов, удается существенно умень-, шить габариты и потребляемую мощность системы управлений. Импульсные трансформаторы, используемые в системе управления, вьтполняются на малогабаритных бронеаых сердечниках из ферритовьтх материалов, технология изготовления которых значительно упрощена, так как катушки заготавливаются отдельно и затем встраиваются в сердечник. Технологический зазор между чашками сердечника позволяет отстроиться от разбросов магнитной проницаемости ферритов, что существенно при массовом изготовлении импульсных трансформаторов. Уменьшение тока нагрузки управляющего выпрямителя позволяет значительно снизить мощность выходного сигнала регулятора возбуждения, что ведет к уменьшению его габаритов. При сопоставимых мощностях применяемых возбудителей и блоков управления рассматриваемое уст йство обладает большим быстродействием по сравнению с известными системами возбуждения бесщеточных электрических машин с вращающимися неуправляемыми выпрямителями. Значительное снижение весогабаритных показателей и упрощение элементов уст- ройства эозбуждения позволяет кардинально решить вопрос о размещении непосредственно на корпусе электрической машины всего оборудования автоматического регулирования. Формула изобретения Устройство для возбуждения бесщеточных электрических машин, содержащее вращающийся выпрямитель, 1юдключенный к расположенной на роторе якорной обмот к© обращенного возбудителя, на статоре которого размещены обмотжа возбуждения и обмотха переменного тока, связанные между собой через тирнсторный преобразователь, схема управления которого выполнена на основе управляющего выпрямителя на диодах, включенных последователь но с первичными обмотками импульсных трансформаторов, вторичные обмотжи которых через разделительные диоды подключены к управляющим цепям тиристоров, а в цепи Hiarpy3K0 управляющего выпрямителя установлен транзисторный ключ, соединенный по цепи управления с регулятором возбуждения, вход которого подключен к статорным обмоткам машины, и ре лейОый элемент, отличающеес я тем, что, с целью снижения габаритов и повышения надежности, последовательно с транзисторным ключом установлен высокочасто-щый коммутатор, подключенный через релейный элемент к статорным обмотаам машины, при этом вторичные обмотки импульсных трансформаторов Подсоединены к управляющим цепям тиристоров встречно по отношению к поляркости первичных обмоток. Источники информации, . принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Англии № 1361273, кл. Н2А, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 201497, кл. Н 02 Р 5/12, 1967. 3.Патент США № 2863337, кл. 29-630С, 1975.

Жтттшшт пп пп ттт1