Самовозбуждающийся двухчастотный генератор Советский патент 1981 года по МПК H02K19/34 

(54) САМОВОЗНУЖДАЮЩИЙСЯ ДВУХЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к генераторам переменного тока, обеспечивающим питание потребителей с различ ными рабочими характеристиками на двух различных частотах. С целью получения переменного тска для питания двух различных потребителей с различными частотами при сризмерикых и значительных (свыше 100 кВА) мощностях применяются агрегаты, в которые входят две машины пе ременного тока, объединенные в одном корпусе, и возбудители к ним, или применяют две независимые машины переменного тока с индивидуальными сис темами регулирования. Известны конструкции двух машин переменного тока в .одном корпусе, на пример агрегаты, работающие в режимах преобразователей частоты, в кото рых одну из машин переменного тока используют в режиме двигателя, а дру гую - в режиме синхронного генератора 1. Недостатком зтих конструкций явля ются большие габариты и масса агрегатов с их системами возбуждения и регулирования..Кроме того, подобные агрегаты сложны в изготовлении и мон т гике, а также ненадежны в работе и обладают пониженной ремонтопригодностью. В других известных конструкциях питание двух различных нагрузок реализуется путем применения одной машины переменного тока и подключенного параллельно к ее выходным зажимам статического преобразователя . ; . Недостатки данных конструкций - повышенна, стоимость преобразователя частоты и жесткая взаимозависимость внешних характеристик. Известны также технические решения по использованию для якорей синхронных машин обмоток, совмшцающих функции обмоток с определенным соотноше,нием частот, например, предложена трехфазно-однофазная совмещенная обмотка на соотношение частот 1:6 Г23 Однако данная обмотка не может быть применена в синхронных машинах, поскольку практически не представляется возможной реализорция полей возбуждения с указанным отношением гармонических составляющих. Известно также выполнение совмещенной трехфазно-однофазной обмотки с соотношением частот 1:3 Сз}.

Однако эта обмотка сложна в практическом исполнении. Кроме того, напряжение однофазного источника напряжения утроенной частоты сильно зависит от тока нагрузки по. первичной частоте, например, в режимах, близки к холостому ходу, напряжение утроенной частоты будет близко к нулю.

Наи более близкой к предлагаемому является синхронная машина, в пазах сердечника статора которой размещаются две трехфазные электрически независилвле и индуктивно несвязанные обмотки с числами полюсов 2Р и 2P/j. На валу находится сердечник ротора, имеющий большие грани для главных полюсов с основными катушками возбуждения и меньшие грани для установки ступиц под дополнительные полюсы, несущие добавочные катушки возбулсдения. С целью уменьшения габарита и массы машины основания дополнительных полюсов с малой длиной полюсной дуги расположены на поверхности сердечника ротора, отстоящей от оси ротора на большем расстоянии, чем основания главных полюсов с большей длиной полюсной дуги. При этом оси главных полюсов сдвинуты параллельно осям их полюсных делений в сторону дополнительных подюсов на определенную величину, сердечники же дополнительных полюсов размещены симметрично между главными полюсами, причем оси их сердечников смещены относительно осей меньших полюсных делений. Основные и добавочные катушки возбуждения соединены последовательно t4.

Недостатками данной синхронной машины являются жесткая функциональная взаимосвязь напряжений двух-частот из-за невозможности раздельного регулирования гармонических составляющих поля возбуждения, повышение вибрации конструктивных элементов из-за дискретности распределения источников поля возбуждения, а также неприемлимость для высокочастотных машин вследствие предельного использования межполюсного пространства последних.

Цель изобретения - усовериенствование двухчастотного генератора в части улучшения его регулировочных характеристик путем образования поля возбуждения с независимым регулированием его наиболее существенных гармонических составляющих: основной и утроенной частоты.

Указанная цель достигается тем, что в синхронном генераторе в полю,сах ротора выйолнены пазы в зоне полюсного наконечника, расположенные на расстоянии- 0,4-0,5 ширины полюсного наконечника друг от друга и симметрично относительно оси полюса, а проекция высоты паза на полосную ось не превосходит высоты полюсного наконечника, в указанные пазы установлены катушки дополнительной обмотки, закрепленные в них с помощью клиньев и включенные в магнитном отношении встречно основной обмотке. 5 Кроме того, клинья, закрепляющие дополнительную обмотку, могут быть выполнены из магнитотвердого материала, намагниченного в направлении, перпендикулярном плоскости оси упомяQ нутых пазов, и полярность их внешних торцов совпадает с полярностью полюсных наконечников.

На фиг. 1 представлен электрический двухчастотный генератор с расширенным диапазоном независимого регулирования напряжений основной и утроенной частоты, поперечное сечение; на фиг. 2 - схема электрического соединения обмоток двухчастотного генератора; на фиг. 3 - кривые магнитных полей возбуждения на холостом ходу.

в предлагаемом синхронном генераторе в пазах сердечника статора размещены силовая обмотка 1, выполненная на основную частоту, и электри- чески- независимая от нее обмотка 2, выполненная на утроенную частоту.На валу 3 генератора находится сердечниК ротора 4, на котором известным способом, например с помощью ласточкиных хвостов закреплены сердечники 5 полюсов, оканчивающиеся полюсными наконечниками б. На сердечниках 5 помещена основная обмотка 7 возбуждения. Дополнительная обмотка 8 возбуждения, уложенная в пазы 9 и закрепленная клиньями 10, расположена в зоне полюсного наконечника 6.Клинья 10 из магнитотвердого материала намагничены в направлении, перпендикулярном плоскости оси пазов 9. Магнитные полюсы (N и S) клиньев 10 ориентированы в пазах таким образом, что полюс, обращенный к краю полюсного наконечника б, совпадает с полярностью сердечника 5.

Вследствие подобной ориентации клиньев их остаточный магнитный поток подмагничивает края пЬлюсных наконечНИКОВ и размагничивает центральную

, часть сердечника 5 полюса, чем достигается требуемая величина амплитуды третьей гармонической поля возбужде ния при отсутствии токов в обмотках 7 и 8.

Для увеличения амплитуды третьей гармонической поля возбуждения при подаче тока в обмотку 8 оси пазов 9, в которых она располСжена, имеют мея{ду собой расстояние, равное 40-50%

ширины полюсного наконечника б.

С целью увеличения площади пазов 9, обеспечивающей необходимые намагничивающие ампервитки, оси пазов 9 могут быть наклонены по отношению к

оси сердечника 5 полюса под углом 0-0, , где «I - коэффициент полюс ного перекрытия. Для размещения дополнительной обмотки 8 выше зоны сердечника 5, в ко торой располагаются стягивающие пог.люсные листы шпильки проекция высоты пазов 9 на ось сердечника 5 не превосходит высоты полюсного наконеч ника 6. дополнительная 8 и основная 7 обмотки возбуждения, включенные в магнитном отношении встречно, подсоединены к двум парам контактных колец 11 и 12. Кольца запитаны от двух полууправляемых статических преобразователей 13 и 14, подключенных со сто роны переменного тока к источнику на пряжения утроенной частоты. Как вид но из приведенных на фиг. 3 графико кривая 15 остаточной магнитной инду ции содержит значительную третью гармоническую составляющую, за счет которой на клеммах источника в режиме, когда отсутствует ток в основной обмотке 7 возбуждения, в силовой обмотке 1 (фиг. 1) наводитс напряжение утроенной частоты. Допол нительная обмотка возбуждения созда ет магнитное поле, описываемоекривой 16 индукций а основная обмотка 7 возбуждения создает магнитное пол описываемое кривой 17 магнитной индукции. Генератор работает следующим образом. Наводимое при вращении ротора за счет остаточного магнитного потока напряжение утроенной частоты выпрям ляется управляенллм преобразователем , 13 и подается на кольца 12 дополнительной обмотки 8 возбуждения (фиг. Возникающий в обмотке 8 ток усилива ет остаточное магнитное поле третье гармонической, что в свою очередь увеличивает напряжение на клеьмах источника утроенной частоты. Процес самовозбуждения развивается до тех пор, пока падение напряжения иа дополнительной обмотке не окгикется равным выпря ишенному напряжению утроенной частоты. При этом напряжение основной частоты на зажимах основной трехфазной обмотки статора генератора ;возрастает: незначительно поскольку амплитуде первой гармонической после возбуждения существенно ниже амплитуды третьей гармонической того, при необходимости напряжение основной частоты за счет встречного включения обмоток 7 и 8 в процессе самовозбуждения может под держиваться на заданном уровне.Как только напряжение утроенной частоты достигает величины, достаточной для обеспечения тока возбуждения генератора в нагрузочном режиме по основной частоте, с помощью преобразователя 14 генератор выводится на рабочий режим и по,основной частоте. С увеличением тока нагрузки напряжение утроенной частоты начинает увеличиваться за счет третьей гармонической магнитного поля реакции якоря. В соответствии с этим ток дополнительной обмотки может быть посредством преобразователя 13 уменьшен. Законы управления преобразователями 13 и 14 определяются, исходя из конкретных условий и требований к рабочим характеристикгих источников напряжения основной и утроенной частот. Благодаря встречному, в магнитном отношении, включению основной и , дополнительной обмоток возбуждения в значительной степени нивелируется искажающее действие насыщения магнитной цепи, что благоприятно сказывается на расширении диапазона независимого регулирования напряжений основной и утроенной частоты. Это обг стоятельство чрезвычайно важно для генераторов с широким диапазоном (Изменения рабочего напряжения и тока, Iнапример тяговых. . Формула изобретения 1.Самовозбуждающийся двухчастотный генератор, содержащий статор с трехфазными обмотками и ротор с явновыраженными полюсами, на которых установлена основная обмотка, и дополнительные катушки возбуждения с отличными от основных .полюсными перекрытиями, отличак)щийся тем, что, с целью расширения диапазона независимого регулирования напряжений основной и утроенной часто-, хы, а также повышения надежности работы, в полюсгис ротора выполнены па9ы в зоне полюсного наконечника, расположенные на расстоянии 0,4-0,5 ширины полюсного наконечника друг от друга и симметрично относительно оси полюса, а проекция высоты паза на полюсную ось не превосходит высоты полюсного наконечника, в указанные пазы установлены катушки дополнительной обмотки, закрепленные в них с помощью клиньев и включенные в маг-китном отношении встречно основной обмотке. 2.Генератор поп. l,oтлkч а ю щ и и с я тем, что, крепящие в пазах дополнительную обмотку возбуждения клинья выполнены из магнитотвердого материала, намагниченного в направлении, перпендикулярном плоскости оси упомянутых пазов, и полярность их внешних торцов совпадает с полярностью полюсных наконечников. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 453774, кл. Н 02 К 47/22, 1972. 2.Авторское свидетельство СССР 382192, кл. Н 02 Н J/00, 1968. , 3.Авторское свидетельство СССР 313503, кл. Н 02 К 19/36, 1969. 4.Авторское свидетельство СССР 385377, кл. Н 02 К 19/34, 1971.