RU2498491C2

RU2498491C2 - Method of stat-up and brushless excitation for non-contact asynchronous machine

Info

Publication number: RU2498491C2
Application number: RU2012134105/07A
Authority: RU
Inventors: Иван Михайлович Ищенко; Николай Николаевич Клобуков; Сергей Сергеевич Робатень; Михаил Леонидович Сбитной
Original assignee: Закрытое акционерное общество "НТК"
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-11-10
Also published as: RU2012134105A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: three-phase alternating voltage is supplied from external network to stator winding; rotor of synchronous machine is brought to rotation and voltage is supplied to excitation winding of synchronous machine from semiconductor converter. Stator winding of exciter is connected to external source of three-phase alternating voltage to minimum number of poles in order to bring rotor to rotation; revolutions of synchronous machine rotor are controlled till subsynchronous rate is reached and then stator winding is connected to direct current source to maximum number of poles. At that value of DC voltage is set to less value than the actual value of AC voltage.

EFFECT: providing start-up and expanding functional capabilities of special-purpose synchronous machine, reducing consumption of materials, increasing efficiency factor, simplifying and reducing material consumption for exciter manufacturing.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для пуска и бесщеточного возбуждения синхронных бесконтактных электрических машин специального назначения, не обладающих самозапуском, например, в бортовых системах переменного тока постоянной частоты 400 Гц.The invention relates to electrical engineering and can be used to start and brushless excitement of synchronous contactless electric machines for special purposes that do not have self-starting, for example, in on-board AC systems of constant frequency of 400 Hz.

Уровень техники.The level of technology.

Известен способ пуска бесконтактных синхронных машин за счет асинхронного момента, создаваемого благодаря размещению на роторе пусковой обмотки и защитного устройства, шунтирующего вращающийся полупроводниковый преобразователь на время пуска, состоящий в том, что обмотку якоря бесконтактной синхронной машины подключают к сети, а при достижении подсинхронной скорости защитное устройство прекращает шунтировать вращающийся полупроводниковый преобразователь и обмотку возбуждения двигателя (Лищенко А.И. Синхронные двигатели с автоматическим регулированием возбуждения. - Киев.: Техника, 1969, 192 с.).There is a method of starting contactless synchronous machines due to the asynchronous moment created by placing a starting winding and a protective device shunting the rotating semiconductor converter on the rotor for the start time, consisting in the fact that the armature winding of the contactless synchronous machine is connected to the network, and when the sub-synchronous speed is reached, the protective the device stops shunting the rotating semiconductor converter and the field winding of the motor (A. Lishchenko. Synchronous motors with automatic physical regulation of excitation. - Kiev .: Technique, 1969, 192 p.).

Недостатками данного способа являются большие пусковые токи, оказывающие неблагоприятное воздействие на питающую сеть, наличие коммутации в цепи ротора снижает надежность.The disadvantages of this method are large inrush currents that have an adverse effect on the supply network, the presence of switching in the rotor circuit reduces reliability.

Известен способ пуска бесконтактных синхронных машин за счет асинхронного момента, создаваемого обмоткой ротора, выполненной с удвоенным числом полюсов и полюсопереключаемой обмоткой якоря, выполненной из двух полуфаз соответственно в каждой фазе (Авторское свидетельство СССР №414687, М.Кл. H02K 19/10, H02K 19/14, 1971 г.).A known method of starting contactless synchronous machines due to the asynchronous moment created by the rotor winding, made with double the number of poles and pole-switched armature winding, made of two half-phases, respectively, in each phase (USSR Author's Certificate No. 414687, M. Cl. H02K 19/10, H02K 19/14, 1971).

Недостатком такого способа пуска являются большие пусковые токи, сложная пусковая аппаратура. Кроме того, в известном способе не обеспечивается самосинхронизация бесконтактных синхронных машин в процессе разгона.The disadvantage of this method of starting are large inrush currents, complex starting equipment. In addition, in the known method does not provide self-synchronization of contactless synchronous machines during acceleration.

Известен способ пуска синхронного электродвигателя, описанный в патенте РФ №2014720, МПК⁶ H02P 1/50, 1994.A known method of starting a synchronous motor described in the patent of the Russian Federation No. 20144720, IPC ⁶ H02P 1/50, 1994.

Согласно известному способу, подключают обмотку возбуждения к активному добавочному сопротивлению, а обмотку статора - к питающей сети, измеряют мгновенные значения напряжений на статоре и тока в обмотке возбуждения, определяют скольжение ротора, при достижении скольжением первого заданного значения при каждом провороте ротора относительно поля статора определяют моменты времени для переключении обмотки возбуждения, в соответствии с которыми и чередуют ее подключение к возбудителю с двухполярным форсированным напряжением с подключением к добавочному активному сопротивлению, при достижении скольжением второго заданного значения обмотку возбуждения подключают к возбудителю с постоянным по знаку напряжением, дополнительно измеряют мгновенные значения токов в статоре, определяют знак производной тока в обмотке возбуждения, вычисляют мгновенные значения вращающего электромагнитного момента и фиксируют его максимальные и минимальные значения в течение каждого проворота ротора относительно поля статора, при этом обмотку возбуждения подключают к добавочному активному сопротивлению в моменты фиксации каждого максимального значения вращающего электромагнитного момента, а к возбудителю с форсированным напряжением, полярность которого выбирают совпадающей со знаком производной тока в обмотке возбуждения, подключают в моменты фиксации каждого минимального значения вращающего электромагнитного момента, а подключение обмотки возбуждения к возбудителю с постоянным по знаку напряжением, полярность которого выбирают совпадающей со знаком производной тока в обмотке возбуждения, производят при достижении скольжением второго заданного значения после фиксирования минимального значения вращающего электромагнитного момента.According to the known method, the field winding is connected to the active additional resistance, and the stator winding is connected to the supply network, instantaneous voltage values on the stator and current in the field winding are measured, the rotor slip is determined, when the slip reaches the first predetermined value with each rotation of the rotor relative to the stator field, moments of time for switching the field winding, in accordance with which alternate its connection to the pathogen with bipolar forced voltage with connecting to the additional active resistance, when the slip reaches the second preset value, the field winding is connected to the exciter with a constant voltage according to the sign, the instantaneous current values in the stator are additionally measured, the sign of the derivative of the current in the field winding is determined, the instantaneous values of the rotating electromagnetic moment are calculated and its maximum and fixed minimum values during each rotation of the rotor relative to the stator field, while the field winding is connected to an additional act resistance at the moments of fixation of each maximum value of the rotating electromagnetic moment, and to the exciter with a forced voltage, the polarity of which is chosen to coincide with the sign of the derivative of the current in the excitation winding, connect at the moments of fixation of each minimum value of the rotating electromagnetic moment, and the excitation winding is connected to the exciter with a constant by the sign of the voltage, the polarity of which is chosen to coincide with the sign of the derivative of the current in the field winding, is produced at izhenii slidably second predetermined value after fixing the minimum torque value of the electromagnetic torque.

Недостатком известного способа является применение добавочного активного сопротивления в цепи обмотки возбуждения, так как при определенном управлении работой двухстороннего преобразователя возможно создание режима, эквивалентного введению в цепь обмотки возбуждения активного сопротивления.A disadvantage of the known method is the use of additional active resistance in the field winding circuit, since with a certain control of the operation of a two-way converter, it is possible to create a mode equivalent to introducing active resistance into the field circuit of the field winding.

Известен способ пуска и ресинхронизации синхронной машины, описанный в патенте РФ №2064219, МПК⁶ H02P 1/50, 1996.A known method of starting and resynchronizing a synchronous machine is described in RF patent No. 2064219, IPC ⁶ H02P 1/50, 1996.

Согласно известному способу пуска и ресинхронизации синхронной машины с системой возбуждения, содержащей преобразователь с двухсторонней проводимостью, обмотку возбуждения подключают к преобразователю с двухсторонней проводимостью, который переводят в инверторный режим, а обмотку статора подключают к трехфазному напряжению питающей сети, от которой производят пуск и ресинхронизацию, при этом измеряют ток обмотки возбуждения, определяют скольжение и при величине скольжения, соответствующей подсинхронной скорости вращения, переводят упомянутый преобразователь в выпрямительный режим, подавая напряжение в обмотку возбуждения синхронной машины, отличающийся тем, что измеряют ток и напряжение статора и определяют мгновенные значения угла сдвига фаз между током и напряжением, знаки первых производных этого угла и тока в обмотке возбуждения и при скоростях вращения, меньших подсинхронной, производят циклическое управление преобразователем с двухсторонней проводимостью, переводя его из инверторного режима в выпрямительный в момент, когда знак первой производной угла сдвига фаз между током и напряжением статора становится положительным, и переводят указанный преобразователь в инверторный режим в момент, когда знак упомянутой производной становится отрицательным, при этом при переводе преобразователя с двухсторонней проводимостью при циклическом управлении в выпрямительный режим подачу напряжения в обмотку возбуждения синхронной машины осуществляют со знаком, совпадающим со знаком производной тока в обмотке возбуждения, при достижении ротором синхронной машины подсинхронной скорости вращения прекращают циклическое управление проводимостью преобразователя с двухчастотной проводимостью после очередного перевода его в выпрямительный режим.According to the known method of starting and resynchronizing a synchronous machine with an excitation system containing a converter with two-sided conductivity, the field winding is connected to a converter with two-sided conductivity, which is switched to inverter mode, and the stator winding is connected to a three-phase voltage of the supply network, from which start-up and resynchronization are performed, in this case, the current of the field winding is measured, the slip is determined, and with the amount of slip corresponding to the sub-synchronous rotation speed, t said converter into a rectifier mode, supplying voltage to the excitation winding of a synchronous machine, characterized in that the stator current and voltage are measured and instantaneous values of the phase angle between current and voltage are determined, the signs of the first derivatives of this angle and current in the excitation winding and at rotation speeds , smaller than sub-synchronous, cyclic control of the converter with two-side conductivity is carried out, transferring it from the inverter mode to the rectifier mode at the moment when the sign of the first derivative of the angle the phase shift between the current and voltage of the stator becomes positive, and the specified converter is put into inverter mode at the moment when the sign of the aforementioned derivative becomes negative, and when the converter with two-sided conductivity is cycled into the rectifier mode, the voltage is supplied to the excitation winding of the synchronous machine with a sign coinciding with the sign of the derivative of the current in the field winding when the rotor of the synchronous machine reaches a sub-synchronous rotation speed stop cyclic control of the conductivity of the converter with two-frequency conductivity after the next transfer to the rectifier mode.

Недостатком данного способа является отключение как инверторного, так и выпрямительного режима преобразователя с двухсторонней проводимостью в момент включения выпрямительного режима, что снижает средний электромагнитный момент синхронной машины. Как следует из описания изобретения прототипа, включение выпрямительного режима осуществляется, например, при отрицательной первой производной тока возбуждения и положительном значении самого тока возбуждения. При этом выпрямительный режим должен обеспечивать отрицательное выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью. Однако выпрямительный режим возможен только в случае совпадения по направлению (знаку) тока и напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью. Поэтому включения выпрямительного режима не произойдет, а инверторный режим будет отключен. При этом преобразователь с двухсторонней проводимостью остается как без инверторного, так и без выпрямительного режима.The disadvantage of this method is the shutdown of both the inverter and the rectifier mode of the converter with two-sided conductivity at the time the rectifier mode is turned on, which reduces the average electromagnetic moment of the synchronous machine. As follows from the description of the invention of the prototype, the inclusion of the rectifying mode is carried out, for example, with a negative first derivative of the excitation current and a positive value of the excitation current itself. In this case, the rectifying mode should provide a negative output voltage of the converter with two-sided conductivity. However, the rectifier mode is possible only if the direction (sign) of the current and voltage of the converter with two-sided conductivity coincides. Therefore, the rectifier mode will not turn on, and the inverter mode will be turned off. In this case, the converter with two-sided conductivity remains both without inverter and without rectifier mode.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ управления возбуждением синхронной машины, описанный в патенте РФ №2242080, МПК H02P 1/50, 2004.The closest analogue (prototype) is a method for controlling the excitation of a synchronous machine, described in RF patent No. 2242080, IPC H02P 1/50, 2004.

Согласно известному способу, обмотку возбуждения подключают к преобразователю с двухсторонней проводимостью и производят циклическое управление указанным преобразователем, который переводят в инверторный и выпрямительный режимы, а обмотку статора подключают к трехфазному напряжению питающей сети, от которой производят пуск и ресинхронизацию синхронной машины, при этом определяют частоту вращения и при величине частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, переводят упомянутый преобразователь в выпрямительный режим, подавая постоянное напряжение в обмотку возбуждения синхронной машины, затем определяют угол нагрузки синхронной машины и при частоте вращения, меньшей частоты вращения, достаточной для синхронизации синхронной машины, производят циклическое управление выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью, переводя его из режима положительного напряжения в режим отрицательного напряжения посредством перемены знака выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью (меандра напряжения), приложенного к обмотке возбуждения, в функции угла нагрузки с изменяющимся знаком выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью.According to the known method, the field winding is connected to a converter with two-sided conductivity and the specified converter is cycled, which is transferred to inverter and rectifier modes, and the stator winding is connected to a three-phase voltage of the supply network, from which the synchronous machine is started and resynchronized, and the frequency is determined rotation and when the speed is sufficient to synchronize the synchronous machine, the said converter is converted to rectifier the mode, applying a constant voltage to the excitation winding of the synchronous machine, then determine the load angle of the synchronous machine and when the rotation speed is less than the speed sufficient to synchronize the synchronous machine, the output voltage of the converter with two-side conductivity is cycled, transferring it from positive voltage mode to negative voltage by reversing the sign of the output voltage of the converter with two-sided conductivity (voltage meander), adj wound to the field winding, as a function of the load angle with a changing sign of the output voltage of the converter with two-sided conductivity.

Недостатком известного способа-прототипа является сложность схемы управления переменой знака выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью, приложенного к обмотке возбуждения, в функции угла нагрузки, разбитого на два неравных поддиапазона, причем на этих поддиапазонах знак меняется на противоположный, а так же в зависимости от того, совпадают ли по знаку ток и выходное напряжение преобразователя с двухсторонней проводимостью, его принудительно переводят в выпрямительный или инверторный режим, что снижает надежность функционирования синхронной машины.A disadvantage of the known prototype method is the complexity of the control circuit for reversing the sign of the output voltage of the converter with two-sided conductivity applied to the field winding as a function of the load angle, divided into two unequal subranges, and the sign changes to the opposite on these subranges, depending on whether the current and the output voltage of the converter coincide with the two-sided conductivity in sign, they are forcibly transferred to the rectifier or inverter mode, which reduces the reliability the functioning of the synchronous machine.

Пуск бесконтактных синхронных машин имеет свои особенности. Ввиду полного отсутствия коммутации в цепи ротора бесконтактных синхронных машин, вращающийся полупроводниковый преобразователь системы возбуждения требует специальной защиты от пробоя повышенным напряжением, наведенным в обмотке возбуждения двигателя при пуске или ресинхронизации.The launch of contactless synchronous machines has its own characteristics. Due to the complete absence of switching in the rotor circuit of contactless synchronous machines, a rotating semiconductor converter of the excitation system requires special protection against breakdown by the increased voltage induced in the motor excitation winding during start-up or resynchronization.

Задачей заявленного изобретения является улучшение пусковых характеристик бесконтактной синхронной машины, состоящей из основной бесконтактной синхронной машины и бесщеточного асинхронно-синхронного возбудителя, повышение надежности и упрощении конструкции для обеспечения возможности работы на борту летательного аппарата.The objective of the claimed invention is to improve the starting characteristics of a contactless synchronous machine, consisting of a main contactless synchronous machine and a brushless asynchronous-synchronous exciter, increasing reliability and simplifying the design to enable operation on board an aircraft.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение пуска и расширение функциональных возможностей бесконтактной синхронной машины специального назначения за счет организации работы возбудителя в двигательном и генераторном режимах при одновременном уменьшении расхода материалов, повышении КПД, упрощении и снижении материалоемкости изготовления возбудителя за счет использования в двигательном и генераторном режимах работы общей магнитной системы (совмещение магнитных цепей) и одних и тех же катушечных групп (совмещение электрических цепей).The technical result of the present invention is the provision of starting and expanding the functionality of a contactless synchronous special-purpose machine by organizing the operation of the pathogen in the motor and generator modes while reducing material consumption, increasing efficiency, simplifying and reducing the material consumption of the manufacture of the pathogen due to the use in the motor and generator operating modes general magnetic system (combination of magnetic circuits) and the same coil groups (ow replacing electrical circuits).

Технический результат достигается тем, что, в способе пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины, согласно которому подают трехфазное переменное напряжение от внешней сети на обмотку статора, раскручивают ротор синхронной машины до подсинхронной скорости и подают напряжение на обмотку возбуждения синхронной машины от полупроводникового преобразователя, статорную обмотку возбудителя подключают к внешнему источнику трехфазного переменного напряжения на минимальное число полюсов для раскрутки ротора, контролируют обороты ротора синхронной машины до достижения подсинхронной скорости и затем подключают статорную обмотку возбудителя к источнику постоянного напряжения на максимальное число полюсов, при этом величину постоянного напряжения устанавливают меньшей, чем действующая величина переменного напряжения.The technical result is achieved by the fact that, in the method of starting and brushless excitation of a contactless synchronous machine, according to which a three-phase AC voltage from an external network is supplied to the stator winding, the synchronous machine rotor is untwisted to a sub-synchronous speed and voltage is supplied to the excitation winding of the synchronous machine from a semiconductor converter, the stator the exciter winding is connected to an external source of three-phase alternating voltage for a minimum number of poles for spinning the rotor, controls Turnover comfort synchronous machine rotor until subsynchronous speed and then connect the exciter stator windings to a DC voltage source to the maximum number of poles, wherein the DC voltage is set lower than the current value of the alternating voltage.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:

На фиг.1 представлена электрическая схема устройства (вариант), при работе которого реализуется предложенный способ.Figure 1 presents the electrical circuit of the device (option), the operation of which implements the proposed method.

На фиг.2 изображена диаграмма ЭДС обмотки ротора для полюсности p₂=3.Figure 2 shows the EMF diagram of the rotor winding for the pole p ₂ = 3.

На фиг.3 изображена диаграмма ЭДС обмотки ротора для трехфазной полюсности p₁=1 двигательного режима.Figure 3 shows the EMF diagram of the rotor winding for a three-phase pole p ₁ = 1 of the motor mode.

Реализация способа поясняется описанием одного из возможных вариантов устройства для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины, состоящего из основной бесконтактной синхронной машины 1 с асинхронно-синхронным возбудителем (АСВ) 2 с совмещенной обмоткой 3 статора и совмещенной обмоткой 4 ротора, вращающегося полупроводникового преобразователя 5, регулятора тока возбуждения 6, коммутатора режимов 7, измерителя частоты вращения ротора бесконтактной синхронной машины 8 и контактов переключателей 9, 10, 11. Совмещенная якорная обмотка 4 АСВ 2 через вращающийся полупроводниковый преобразователь (ПП) 5 подключена к обмотке возбуждения синхронной машины 1. Совмещенная обмотка статора 3 АСВ 2 своими нулевыми выводами 01 и 02 подключена посредством рабочих контактов переключателя 9 через коммутатор режимов 7 к выходной цепи постоянного тока регулятора тока возбуждения 6, а своими трехфазными выводами 1A, 1B и 1C обмотка 3 через пусковые контакты переключателя 10 коммутатора режимов 7 подключена к внешней сети переменного тока постоянной частоты 400 Гц. Контакты переключателя 11, связанного с коммутатором 7, предназначены для подключения синхронной машины 1 к трехфазной сети переменного тока.The implementation of the method is illustrated by the description of one of the possible devices for starting and brushless excitation a non-contact synchronous machine, consisting of a main non-contact synchronous machine 1 with an asynchronously-synchronous exciter (ASV) 2 with a combined winding 3 of the stator and a combined winding 4 of the rotor, a rotating semiconductor converter 5, field current regulator 6, mode switch 7, rotor speed meter of a contactless synchronous machine 8 and switch contacts 9, 10, 11. Combined I The primary winding 4 of the ACB 2 through a rotating semiconductor converter (PP) 5 is connected to the excitation winding of the synchronous machine 1. The combined winding of the stator 3 of the ACB 2 is connected with its zero pins 01 and 02 through the operating contacts of switch 9 through the mode switch 7 to the DC output circuit of the current regulator excitation 6, and with its three-phase terminals 1A, 1B and 1C, the winding 3 is connected to the external AC network with a constant frequency of 400 Hz through the start contacts of the switch 10 of the mode switch 7. The contacts of the switch 11 connected to the switch 7 are designed to connect the synchronous machine 1 to a three-phase AC network.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Асинхронно-синхронный возбудитель 2 представляет собой неявнополюсную электрическую машину с совмещенными обмотками ротора и статора, расположенными в общем магнитопроводе и конструктивно выполненный в одном корпусе с синхронной машиной.Asynchronous-synchronous exciter 2 is an implicit pole electric machine with combined rotor and stator windings located in a common magnetic circuit and structurally made in one housing with a synchronous machine.

Статор асинхронно-синхронного возбудителя 2 содержит Z₁=24 паза, число которых в общем случае равно произведению числа пар полюсов двигательного режима 2p₁, числа фаз двигательного режима статорной обмотки м₁д и отношением числа пазов на полюс и фазу q₁, то есть Z₁=2p₁×m_1д×q₁.The stator of the asynchronous-synchronous pathogen 2 contains Z ₁ = 24 grooves, the number of which in the general case is equal to the product of the number of pairs of poles of the motor mode 2p ₁ , the number of phases of the motor mode of the stator winding m ₁ d and the ratio of the number of grooves per pole and phase q ₁ , i.e. Z ₁ = 2p ₁ × m _1d × q ₁ .

Совмещенная обмотка 3 статора в данном случае выполнена однослойной, трехфазной (1A, 1B, 1C) с диаметральным шагом и числом пар полюсов для двигательного режима 2p₁=2. При запитывании такой обмотки постоянным током через нулевые выводы 01 и 02 в пространстве воздушного зазора асинхронно-синхронного возбудителя создается неподвижное магнитное поле с числом полюсов, равным в общем случае произведению числа фаз двигательного режима на число пар полюсов двигательного режима, то есть 2p₂=m_1д×2p₁. Для данной обмотки число пар полюсов генераторного режима равно 2p₂=6.The combined stator winding 3 in this case is single-layer, three-phase (1A, 1B, 1C) with a diametrical pitch and the number of pole pairs for the motor mode 2p ₁ = 2. When such a winding is supplied with direct current through the zero terminals 01 and 02, a stationary magnetic field with the number of poles is created in the air gap of the asynchronous-synchronous exciter, in the general case, the product of the number of phases of the motor mode by the number of pairs of poles of the motor mode, i.e. 2p ₂ = m _1d × 2p ₁ . For this winding, the number of pairs of poles of the generator mode is 2p ₂ = 6.

Для совмещенной обмотки ротора асинхронно-синхронного возбудителя с тремя одинаковыми катушечными группами в фазе с полюсностью p₂=3 (для фазы 2А это номера 1′, 4′, 7′) катушечные группы каждой фазы сдвинуты относительно друг друга в p₂=3 - полюсном поле генератора на угол α₂=p₁×2π=360°. Катушечные группы соединены параллельно и образуют фазу генератора (например, 2А-0). Точно также параллельно соединены катушечные группы в двух оставшихся фазах генератора (2В-0; 2С-0).For the combined winding of the rotor of an asynchronous-synchronous exciter with three identical coil groups in a phase with a pole of p ₂ = 3 (for phase 2A these are numbers 1 ′, 4 ′, 7 ′), the coil groups of each phase are shifted relative to each other in p ₂ = 3 - the pole field of the generator at an angle α ₂ = p ₁ × 2π = 360 °. Coil groups are connected in parallel and form the phase of the generator (for example, 2A-0). In the same way, coil groups are connected in parallel in the two remaining phases of the generator (2B-0; 2C-0).

Совмещенная обмотка 4 ротора асинхронно-синхронного возбудителя 2 имеет число пар полюсов двигательного режима 2p₁=2 и число пар полюсов генераторного режима 2p₂=6, выполнена в двухслойном исполнении с числом фаз в генераторном режиме равным трем (m_2г=3), соединенная в a_2г=p₂/p₁=3 три параллельные ветви, размещенная в Z₂=36 пазах. В общем случае число пазов ротора Z₂ определяется произведением числа пар полюсов двигательного режима 2p₁ на число фаз двигательного режима обмотки ротора м_2д и отношения числа пазов на полюс и фазу q₂, то есть Z₂=2р₁×m_2д×q₂. Причем q₁≠q₂.The combined winding 4 of the rotor of the asynchronous-synchronous exciter 2 has the number of pairs of poles of the motor mode 2p ₁ = 2 and the number of pairs of poles of the generator mode 2p ₂ = 6, made in a two-layer design with the number of phases in the generator mode equal to three (m _2g = 3), connected in a _2d = p ₂ / p ₁ = 3 three parallel branches, located in Z ₂ = 36 grooves. In the general case, the number of rotor grooves Z ₂ is determined by the product of the number of pole pairs of the motor mode 2p ₁ by the number of phases of the motor mode of the rotor winding m _2d and the ratio of the number of grooves per pole and phase q ₂ , i.e. Z ₂ = 2р ₁ × m _2д × q ₂ . Moreover, q ₁ ≠ q ₂ .

Шаг обмотки ротора для поля генератора с полюсностью p₂=3 выбирается несколько большим полюсного деления. В двигательном режиме работы возбудителя все m_2г=3 фазы генератора образуют отдельные короткозамкнутые системы, эквивалентные m_2д=a_2г×m_2г=9 фазной обмотке для трехфазной полюсности p₁=1 двигательного режима (Попов В.И. Электромашинные совмещенные преобразователи частоты. - Москва. Энергия, 1980, 175 с.).The pitch of the rotor winding for the generator field with a pole of p ₂ = 3 is selected somewhat larger than the pole division. In the motor operating mode of the pathogen, all m _2g = 3 phases of the generator form separate short-circuited systems equivalent to m _2d = a _2g × m _2g = 9 phase windings for the three-phase pole p ₁ = 1 of the motor mode (Popov V.I. Electromagnetic combined frequency converters. - Moscow. Energy, 1980, 175 p.).

Совмещенная обмотка 4 ротора асинхронно-синхронного возбудителя 2 выполняет одновременно функции двух разнополюсных обмоток: девятифазной короткозамкнутой для p₁=1-полюсного поля двигателя и трехфазной для p₂=3-полюсного поля генератора. Она выполнена с тремя параллельными ветвями в фазе генератора, число которых зависит от отношения пар полюсов 2p₂/2p₁. Для данной обмотки ротора три одинаковые катушечные группы в фазе генератора (для фазы 2А это 1′, 4′, 7′) сдвинуты друг относительно друга в p₁=1-полюсном поле двигателя на угол α₂=p₁/p₂×2π=120° и при их параллельном соединении образуют трехфазную симметричную короткозамкнутую систему (1′, 4′, 7′) для двигательного режима работы (фиг.3).The combined winding 4 of the rotor of the asynchronous-synchronous exciter 2 simultaneously performs the functions of two different-pole windings: nine-phase short-circuited for p ₁ = 1-pole field of the motor and three-phase for p ₂ = 3-pole field of the generator. It is made with three parallel branches in the generator phase, the number of which depends on the ratio of the pairs of poles 2p ₂ / 2p ₁ . For a given rotor winding, three identical coil groups in the generator phase (for phase 2A it is 1 ′, 4 ′, 7 ′) are shifted relative to each other in the p ₁ = 1-pole field of the motor by an angle α ₂ = p ₁ / p ₂ × 2π = 120 ° and when they are connected in parallel form a three-phase symmetric short-circuited system (1 ′, 4 ′, 7 ′) for the motor operation mode (Fig. 3).

При этом на выводах фаз генератора 2А-0, 2В-0, 2С-0 отсутствует ЭДС скольжения в силу симметрии параллельных ветвей. Все три фазы генератора образуют три отдельные короткозамкнутые системы для поля двигателя полюсности p₁=1, эквивалентные общей девятифазной обмотке ротора.Moreover, the phase EMF of the generator 2A-0, 2B-0, 2C-0 does not have EMF slip due to the symmetry of parallel branches. All three phases of the generator form three separate short-circuited systems for the motor field of the pole of p ₁ = 1, equivalent to the common nine-phase rotor winding.

Предлагаемый способ для пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактных синхронных машин специального назначения реализуется при работе описанного варианта устройства следующим образом.The proposed method for starting and brushless excitation of contactless synchronous special-purpose machines is implemented when the described embodiment of the device is operated as follows.

Пусковой режим. По сигналу коммутатора 7 через контакты переключателя 10 напряжение сети переменного трехфазного тока постоянной частоты 400 Гц подается на совмещенную статорную обмотку 3 (клеммы 1A, 1B, 1C) асинхронно-синхронного возбудителя 2 и формирование асинхронного пускового момента происходит за счет взаимодействия вращающегося потока статора, созданного токами, протекающих в совмещенной обмотке 3 статора, состоящей из двух параллельно соединенных трехфазных звезд и потока ротора, созданного токами, протекающими в контурах девятифазной короткозамкнутой совмещенной обмотке 4 ротора. В силу симметрии фаз обмотки ротора напряжение на диодах вращающегося полупроводникового преобразователя 5 в пусковом режиме практически равно нулю (выводы 2A, 2B, 2C). Так как в процессе пуска синхронная машина 1 не возбуждена, разгон ее до подсинхронной скорости происходит сравнительно быстро. По достижении подсинхронной скорости возбуждение синхронной машины 1 осуществляется за счет питания обмотки 3 статора асинхронно-синхронного возбудителя 2 через нулевые выводы 01 и 02 постоянным током от регулятора возбуждения 6 через коммутатор режимов 7 и контакты переключателя 9. Контакты 9 замыкаются по сигналу измерителя частоты вращения 8 ротора синхронной машины 1. После выполнения условий самосинхронизации якорная цепь синхронной машины 1 коммутатором режимов 7 через контакты переключателя 11 подключается к сети переменного трехфазного тока, одновременно обесточивая цепь питания переменным трехфазным током статорной обмотки 3 асинхронно-синхронного возбудителя 2, размыкая контакты переключателя 10. При этом возбудитель прекращает работу в двигательном режиме и переходит к генераторному режиму, обеспечивая ток в обмотке возбуждения синхронной машины 1.Start mode. According to the signal of the switch 7 through the contacts of the switch 10, the mains voltage of an alternating three-phase current of a constant frequency of 400 Hz is supplied to the combined stator winding 3 (terminals 1A, 1B, 1C) of the asynchronous-synchronous exciter 2 and the formation of the asynchronous starting moment occurs due to the interaction of the rotating stator flow created currents flowing in the combined winding 3 of the stator, consisting of two parallel-connected three-phase stars and the rotor flux created by the currents flowing in the circuits of the nine-phase short-circuit Uta combined winding 4 of the rotor. Due to the symmetry of the phases of the rotor winding, the voltage across the diodes of the rotating semiconductor converter 5 in the starting mode is almost zero (terminals 2A, 2B, 2C). Since during the start-up the synchronous machine 1 is not excited, its acceleration to a sub-synchronous speed occurs relatively quickly. Upon reaching the sub-synchronous speed, the synchronous machine 1 is excited by supplying the winding 3 of the stator of the asynchronous-synchronous exciter 2 through neutral terminals 01 and 02 with direct current from the excitation controller 6 through the mode switch 7 and the contacts of switch 9. Contacts 9 are closed by the signal of the speed meter 8 rotor of the synchronous machine 1. After the self-synchronization conditions are fulfilled, the anchor circuit of the synchronous machine 1 by the mode switch 7 through the contacts of the switch 11 is connected to a three-phase alternating network th current supply circuit simultaneously de-energizing alternating three-phase current stator winding 3 asynchronous-synchronous exciter 2, thus opening switch contacts 10. This exciter terminates in motor mode and generator mode proceeds to providing current to the field winding of the synchronous machine 1.

В рабочем режиме синхронной машины 1 управление ее возбуждением осуществляется регулятором возбуждения 6, питающим постоянным током нулевые выводы 01 и 02 совмещенной обмотки 3 статора асинхронно-синхронного возбудителя 2 через коммутатор режимов 7 и контакты переключателя 9.In the operating mode of the synchronous machine 1, its excitation is controlled by the excitation controller 6, which feeds direct current to the zero conclusions 01 and 02 of the combined winding 3 of the stator of the asynchronous-synchronous exciter 2 through the mode switch 7 and the contacts of the switch 9.

Напряжение постоянного тока выбирается меньшим, чем действующее напряжение трехфазной сети для того, чтобы обеспечить возможность независимого существования магнитных полей в виде суперпозиции, которая обеспечивает возможность одновременной подачи переменного напряжения на контакты 1A, 1B, 1C и постоянного напряжения на контакты 01 и 02.The DC voltage is selected lower than the effective voltage of the three-phase network in order to ensure the independent existence of magnetic fields in the form of a superposition, which makes it possible to simultaneously supply alternating voltage to contacts 1A, 1B, 1C and direct voltage to contacts 01 and 02.

Протекающий в совмещенной трехфазной, состоящей из 3-х параллельных ветвей для полюсности p₂=3 обмотке 4 ротора переменный ток выпрямляется вращающимся полупроводниковым преобразователем 5 и подается на обмотку возбуждения синхронной машины 1, обеспечивая ее стабильную работу.The alternating current flowing in a combined three-phase, consisting of 3 parallel branches for pole p ₂ = 3 rotor 4 winding is rectified by a rotating semiconductor converter 5 and fed to the excitation winding of synchronous machine 1, ensuring its stable operation.

Достоинством предлагаемого способа пуска и бесщеточного возбуждения бесконтактной синхронной машины за счет применения асинхронно-синхронного возбудителя с совмещенными электрическими и магнитными цепями является повышение надежности и упрощение конструкции, исключается возможность выхода из строя элементов полупроводникового преобразователя в процессе пуска и самосинхронизации синхронной машины, отпадает необходимость в коммутационных устройствах в цепи обмотки ротора и дополнительных обмотках на статоре и роторе. Как следствие, улучшается использование активных материалов, повышается надежность и упрощается процесс запуска. В виду того, что мощность возбуждения в бесконтактной синхронной машины составляет порядка 6-10% от ее номинальной мощности, будут обеспечены благоприятные условия для питающей сети во время пуска.The advantage of the proposed method of starting and brushless excitation of a contactless synchronous machine through the use of an asynchronous-synchronous exciter with combined electrical and magnetic circuits is to increase reliability and simplify the design, the possibility of failure of the elements of the semiconductor converter during the start-up and self-synchronization of a synchronous machine, there is no need for switching devices in the rotor winding circuit and additional windings on the stator and rotor. As a result, the use of active materials is improved, reliability is improved and the start-up process is simplified. In view of the fact that the excitation power in a contactless synchronous machine is about 6-10% of its rated power, favorable conditions will be provided for the mains supply during start-up.

Claims

The method of starting and brushless excitation of a contactless synchronous machine, according to which a three-phase alternating voltage from an external network is supplied to the stator winding, the synchronous machine rotor is unwound to a sub-synchronous speed and voltage is supplied to the excitation winding of the synchronous machine from a semiconductor converter, characterized in that the stator winding of the exciter is connected to external source of three-phase alternating voltage to the minimum number of poles for the rotation of the rotor, control the rotor speed sync In order to achieve subsynchronous speed, the stator winding of the pathogen is connected to a constant voltage source at the maximum number of poles, while the constant voltage is set lower than the effective value of the alternating voltage.