SU1757043A1 - Бесконтактный преобразователь частоты - Google Patents

Abstract

Использование: электротехника, в частности преобразователи переменного тока промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты. Сущность изобретени ; 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. Трехфазна  обмотка статора асинхронной машины 4 подключена к сети через контактор. Возможно изменение чередовани  ее фаз. Трехфазна  обмотка статора асинхронной машины 5 подключена к нагрузке. Обмотка возбуждени  синхронного двигател  расположена на роторе и через выпр митель соединена последовательно с обмотками роторов асинхронных машин. На статоре асинхронной машины 5 расположен магнитный шунт 6. В его пазах размещена тороидальна  обмотка подмагничивани  7 Обмотка 7 подключена к автоматическому регул тору напр жени . 2 ил. сл с (Я 1 о Јь СлЭ

Description

Изобретение относитс  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, состо щие из обычного асинхронного или синхронного двигател  и синхронного генератора с собственным возбудителем или независимым возбуждением.

Известен преобразователь частоты, состо щий из синхронного двигател  и асинхронного преобразовател  частоты с последовательно соединенными трехфазными обмотками синхронной и асинхронной машин, у которого стабилизаци  выходного напр жени  осуществл етс  регулированием тока возбуждени  синхронной машины.

Существенный недостаток известных синхронно-асинхронных преобразователей частоты заключаетс  в наличии у синхронной и асинхронной машин скольз щих контактов в виде вращающихс  контактных колец и неподвижных щеток, установленных s щеткодержател х . Наличие скольз щих контактов снижает надежность работы преобразовател  и полностью исключает возможность использовани  их в агрессивной и взрывоопасной окружающей среде.

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

Недостатками этого преобразовател   вл ютс ; низкий коэффициент мощности (cos p пч), большой пусковой ток, нестабильность преобразованной частоты, измен ющейс  вследствие изменени  скольжени  ротора асинхронного двигател  при изменении нагрузки и величины напр жени  источника питани , а также нестабильность выходного напр жени , обусловленна  теми же причинами и падением напр жени  в обмотках.

Диапазон изменений выходйого напр жени , обусловленный падением напр жений в четырех трехфазных обмотках двух асинхронных машин, соединенных в каскад , и отклонением напр жени  источника питани , слишком широк, поэтому использование такого преобразовател  без отдельного регул тора напр жени , рассчитанного на большую мощность, нерационально .

Цель изобретени  - увеличение коэффициента мощности, КПД и перегрузочной способности преобразовател , уменьшение величины пускового тока, обеспечение стабильности выходного напр жени  и частоты .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве, содержащем расположенные на одном валу три машины переменного

тока, две из которых  вл ютс  асинхронными и имеют обмотки ротора, электрически соединенные между собой, причем статор одной асинхронной машины подключен к сети, а другой - к нагрузке, треть  машина

 вл етс  синхронной, обмотка возбуждени  которой расположена на роторе и соединена последовательно через выпр митель с роторными обмотками асинхронных машин , причем обмотка статора одной асинхронной машины подключена через контактор, позвол ющий измен ть чередование фаз1, к сети, а статор второй асинхрон- ной машины имеет цилиндрический магнитный шунт, в пазах которого расположена тороидальна  обмотка подмагничива- ни , подключенна  к автоматическому регул тору напр жени .

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

Статор одной из асинхронных машин

выполнен с цилиндрическим шунтом, охватываемым тороидальной обмоткой подмаг- ничивани , подключенной к источнику посто нного тока через автоматический регул тор напр жени .

Статорна  обмотка другой асинхронной машины подключена к сети через контактор , позвол ющий измен ть чередование фаз.

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

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

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

Перегрузочна  способность преобразовател  повышаетс  за счет предлагаемого подключени  обмотки возбуждени  синхронного двигател , ток возбуждени  которого автоматически возрастает с увеличением нагрузки.

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

Благодар  второму отличительному признаку обеспечиваетс  стабильность выходного напр жени , а стабильность частоты достигаетс  применением синхронного двигател  в качестве приводной машины вместо асинхронного двигател  в прототипе .

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

Устройство содержит синхронный двигатель (СД), трехфазна  обмотка 1 статора которого через контакты К1 контактора подключена к сети, а его обмотка возбуждени , расположенна  на роторе 2. через выпр митель 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, Трехфазна  обмотка 3 статора АМ1 подключена к сети через контактор К2, измен ющий чередование фаз после окончани  асинхронного запуска преобразовател , 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- магничивани  7 питаетс  выпр мленным током через автоматический регул тор 8 с измерителем напр жени  (ИН) 9 и настроечным резистором 10. Трехфазна  обмотка 11 статора АМ2 расположена во внешних пазах шунта, на который плотно напрессовано шихтованное  рмо 12

Преобразователь работает следующим образом.

Асинхронный запуск ненэгруженного преобразовател  осуществл етс  с помощью вспомогательной асинхронной машины АМ1, при отключенной статорной

0

обмотке СД. Так как число полюсов у АМ1 такое же, как у синхронного двигател , то частота вращени  роторов преобразовател  в конце асинхронного разгона приближаетс  к синхронной частоте вращени  СД, причем ток в обмотке возбуждени  СД в конце разгона уменьшаетс  до очень малой величины , при которой самосинхронизаци  СД с источником питани  при замыкании контактов К1 невозможна. Однако при изменении чередовани  фаз статорной обмотки АМ1, посредством контактора К2, измен етс  направление вращени  пол  статора АМ1, поэтому частота вращени  пол  АМ1 относительно ротора увеличиваетс  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 изменени  последовательности чередовани  фаз и одновременного замыкани  контактов К1 АМ1 переходит из двигательного режима работы в тормозной, а СД в режиме двигател . При этом в фазах роторной обмотки АМ1 индуктируютс  ЭДС удвоенной частоты, достаточные дл  нормального возбуждени  СД и АМ2 при холостом ходе преобразовател , а также дл  самосинхронизации СД с источником питани .

Дл  обеспечени  надежной самосинхронизации и предотвращени  качаний роторов при скачкообразных изменени х нагрузки в пазах полюсных наконечников СД имеетс  демпферна  короткозамкнута  обмотка. Последовательность чередовани  фаз роторных обмоток у АМ1 и АМ2 неодинакова , поэтому магнитное поле, созданное токами трехфазной роторной обмотки АМ2,

2fi60 вращаетс  с частотой р -к

относи5

0

5

тельно ротора, а относительно статора с частотой

« 4. 2fl6°

Пп ст ПСд +

об/мин.

РДМ2

индуктиру  в фазах статорной обмотки АМ2 ЭДС с частотой

f2 fi(f +2) Гц.

где fi - частота источника питани , Рдм2 и РСД - числа пар полюсов АМ2 и СД. Аз этой формулы видно, что преобразованна  частота f2 пропорциональна частоте источника питани  f1, а так как в промышленных системах электроснабжени  частота поддерживаетс  с достаточно высокой точностью, то преобразованна  частота также практически посто нна

При РСд - 1 и Рдмг - 1,2.3.4,5,6,7.8 ... получаютс  следующие значени  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.

Дл  обеспечени  точной стабилизации выходного напр жени  статорна  часть магнитопровода АМ2 (фиг. 2) выполнена с промежуточным магнитным шунтом 6, охватываемым витками тороидальной обмотки 7, Обычна  трехфазна  статорна  обмотка 11 расположена во внешних пазах шунта вместе с внешними сторонами тороидальной обмотки подмагничивани  шунта. С целью упрощени  технологии выполнени  обеих обмоток статора АМ2,  рмо 12 статора сделано в виде отдельного шихтованного полого цилиндра, напрессованного на внешние зубцы шунта после выполнени  обмоток. Стабилизаци  выходного напр жени  преобразовател  частоты осуществл етс  автоматическим регул тором 8 с измерителем напр жени  ИН 9 (фиг. 1), измен ющим величину выпр мленного тока в тороидальной обмотке 7, охватывающей магнитный шунт 6. При полностью выключенной нагрузке и максимальном напр жении источника питани  величине тока в обмотке подмагничивани  шунта очень мала , магнитное сопротивление шунта минимально , поэтому значительна  часть вращающегос  магнитного потока статора АМ2 замыкаетс  через шунт, а с трехфазной обмоткой статора АМ2 сцеплена остальна  часть магнитного потока, достаточна  дл  индуктировани  в фазах статорной обмотки ЭДС, равных номинальным фазным напр жени м преобразовател .

При максимальной нагрузке преобразовател  и минимальном напр жении источника питани  автоматической регул тор поддерживает в обмоткб подйаТнйчйвани  шунта максимальную величину тока, при которой магнитный шунт сильно насыщен посто нным магнитным потоком, поэтому магнитное сопротивление шунта дл  вращающегос  магнитного потока очень велико. В этом случае около 95% общего вращающегос  магнитного потока статора сцеплено с трехфазной обмоткой статора, индуктиру  в ее фазах ЭДС, достаточные дл  поддержани  номинальных фазных напр жений при максимальной нагрузке преобразовател  и минимальном напр жении источника питани .

Во всех промежуточных случа х автоматический регул тор напр жени  при уменьшении выходного напр жени  увеличивает ток подмагничивани  магнитного шунта, а при увеличении напр жени  уменьшает , поддержива  с требуемой точностью заданную величину выходного напр жени . Мощность выпр мленного тока, затрачиваема  на подмагничивэние шунта

при номинальной мощности преобразовател  30-50 кВА составл ет около 1,5%.

Расчетна  мощность вспомогательной асинхронной машины AMI. используемой в режиме двигател  при запуске преобразоэател  и в режиме возбудител  основной асинхронной машины АМ2 и синхронного двигател  СД в рабочем режиме преобразовател , не превышает 25% выходной мощности преобразовател . Так как фазы

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

данным величина тока ф р в фазах роторных обмоток АМ2 и AM 1 при увеличении нагрузки преобразовател  от нул  до номинальной величины увеличиваетс  в два раза, а это означает, что величина тока возбуждени 

синхронного двигател  18 сд 1.3 ф р также измен етс  в таких же пределах, обеспечива  большую кратковременную перегрузочную способность преобразовател  и высокий коэффициент мощности ч

близкий к единице, без применени  автоматического регул тора тока возбуждени  СД. При небольшом перевозбуждении СД преобразователь потребл ет, в основном, ак- тивный ток (при 0,97), поэтому

коэффициент мощности и КПД у предлагаемого преобразовател  значительно выше, чем у прототипа, состо щего из трех асинхронных машин,

При этом обеспечиваетс  более высокое качество преобразованной электроэнергии , так как выходна  частота пропорциональна частоте источника питани , а величина выходного напр жени  поддерживаетс  с заданной точностью с помощью автоматического регул тора напр жени , измен ющего величину тока в обмотке подмагничивани  магнитного шунта на статоре АМ2.

Claims (1)

1. Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты по сравнению с прототипом имеет более высокие значени  коэффициента мощности, КПД и перегрузочной способности, уменьшенную величину пускового тока и стабильные значени  выходного напр жени  и частоты. Формула изобретени  Бесконтактный преобразователь частоты , содержащий расположенные на одном валу три машины переменного тока, две из которых  вл ютс  асинхронными и имеют обмотки ротора, электрически соединенные между собой, причем статор одной асинхронной машины подключен к сети, а другой - к нагрузке отличающийс  тем, что, с целью увеличение КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности, уменьшени  величины пускового тока, ста

   бильности выходного напр жени  и частоты преобразовател , треть  машина  вл етс  синхронной, ее обмотка возбуждени  расположена на роторе и соединена последовательно через выпр митель с роторными обмотками асинхронных машин, причем обмотка статора одной асинхронной машины подключена через контактор, позвол ющий измен ть чередование фаз, к сети, а статор второй асинхронной машины имеет цилиндрический магнитный шунт, в пазах которого расположена тороидальна  обмотка подмагничивани , подключенна  к автоматическому регул тору напр жени .

   Фиг. 2