Электромашинный агрегат для получения постоянной частоты и напряжения при изменяющейся скорости вращения первичного двигателя

 

Изобретение м.б. использовано в электротехнике , автономных системах генерирования переменного тока постоянной частоты и напряжения на подвижных объектах . Электромашинный агрегат состоит из синхронного генератора 1, его возбудителя 2, полюсопереключаемой асинхронной машины 3, дифференциального редуктора 4, регулятора трехфазного напряжения с пятью тороидальными трехфазными обмотками 5-9 и двумя обмотками подмагничивания 10,11, переключающих контактов 12-14. регулятора 15, выпрямителей 17 и 18 системы питания обмоток подмагничивания, контура регулятора напряжения 19, включающего измеритель напряжения 20, выпрямители 21, 23, 26, магнитный усилитель 22, компаундирующий трансформатор тока 25. Применение неподвижного регулятора трехфазного напряжения уменьшает габариты, повышает КПД и надежность. 3 ил. и с

COI03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАПИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 Р 9/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4767306/07 (22) 11.72,89 (46) 23,04,92. 5юл. N" 15 (72) M. М. Красношапка, Д. М, Красношапка и С. В. Мишин (53) 62 7.313. 7 2(088.8) (56) Красношапка M, M. Генераторы переменного тока стабильной и регулируемой частоты. — Киев: Техника, 1974, с. 93-119, Авторское свидетельство СССР

М 436428, кл. Н 02 P 9/42, 07.02.72, (54) ЭЛ Е КТРОМАШ И Н Н Ы Й АГРЕ ГАТ ДЛЯ

ПОЛУЧЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТЫ И

НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ

СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ПЕРВИЧНОГО

ДВИГАТЕЛЯ (57) Изобретение м.б. использовано в электротехнике, автономных системах генерирования переменного тока постоянной

„„!Ж„„1728959 А1 частоты и напряжения на подвижных объектах. Электромашинный агрегат состоит иэ синхронного генератора 1, его возбудителя

2, полюсопереключаемой асинхронной машины 3, дифференциального редуктора 4, регулятора трехфазного напряжения с пятью тороидальными трехфазными обмотками 5-9 и двумя обмотками подмагничивания 10, 11, переключающих контактов 12-14, регулятора 15, выпрямителей 17 и 18 системы питания обмоток подмагничивания, контура регулятора напряжения 79, включающего измеритель напряжения 20, выпрямители 21, 23, 26, магнитный усилитель 22, компаундирующий трансформатор тока 25. Применение неподвижного регулятора трехфазного напряжения уменьшает габариты, повышает КПД и надежность. 3 ил.

1728959

25

Изобретение относится к автономным системам генерирования переменного тока постоянной частоты на подвижных объектах при осуществлении привода генераторного агрегата от ходового двигателя, работающего с изменяющейся скоростью вращения.

Известны электромашинные агрегаты для получения постоянной частоты генерируемого тока при изменяющейся скорости вращения приводного двигателя, содержащие синхронный генератор, регулируемую асинхронную машину, подключенную параллельно через регулятор напряжения к выходу синхронного генератора, и дифференциальный редуктор (ДР), соединяющий обе машины с приводным двигателем.

Для широкого и плавного регулирования напряжения, подводимого от генератора к асинхронной машине, в известном агрегате на валу генератора установлен электромашинный регулятор, выполненный в виде синхронной машины с двумя встречно включенными обмотками возбуждения на роторе и отдельными фазными обмотками на статоре, соединенными последовательно и синфазно с фазами обмотки синхронного генератора, Одна обмотка возбуждения электромашинного регулятора включена параллельно обмотке возбуждения основного синхронного генератора, а другая — на вращающийся выпрямитель возбудителя электромашинного регулятора, установленного на общем валу агрегата.

Асинхронная машина выполнена с полюсопереключаемой обмоткой статора, что обеспечивает возможность ее работы в двух двигательных и двух генераторных режимах, а также в режиме электродинамического тормоза при питании ее статорной обмотки регулируемым выпрямленным током от понижающего трансформатора, Использование асинхронной машины агрегата во всех пяти указанных режимах позволяет уменьшить максимальное скольжение ее ротора и потерю мощности в нем при изменении скорости вращения приводного двигателя в пределах п максlп1мин = 2.

Вследствие наличия на общем валу агрегата четырех электрических машин, а именно: основного синхронного генератора (СГ), возбудителя СГ, электромашинного регулятора напряжения с двумя встречно включенными обмотками возбуждения и его возбудителя с вращающимся выпрямителем, завышены размеры и удельная масса агрегата стоимость производства, затруднена проверка исправности агрегата в условиях эксплуатации и снижена его надежность.

Цель изобретения — уменьшение удельной массы, повышение КПД и надежности.

В предлагаемом электромашинном агрегате исключены электромашинный регулятор напряжения; его возбудитель и вращающийся выпрямитель, а в качестве регулятора напряжения, подводимого к асинхронной машине (АМ) от синхронного генератора, применен неподвижный регулятор трехфазного напряжения, имеющий меньшие размеры, удельную массу, стоимость производства и более высокие КПД и надежность.

На фиг, 1 изображена схема электромашинного агрегата постоянной частоты и напряжения при изменяющейся скорости вращения; на фиг. 2 — часть цилиндрического, состоящего из трех частей, магнитопровода регулятора трехфазного напряжения; на фиг. 3 — разрез А-А на фиг, 2, Агрегат содержит синхронный генератор 1, возбудитель 2 генератора, полюсопереключаемую асинхронную машину 3, соединенную с генератором и приводным двигателем через дифференциальный редуктор 4, регулятор трехфазного напряжения с пятью тороидальными трехфазными обмотками 5-9 и двумя обмотками 10 и 11 подмагничивания, а также переключающие контакторы 12-14, регулятор 15 частоты и понижающий трансформатор 16 с выпрямителем 17 системы питания обмотки 11 подмагничивания, выпрямитель 18, питающий обмотку 10 подмагничивания, контур регулятора 19 напряжения, включающий; измеритель 20 напряжения с питающим его выпрямителем 21, магнитный усилитель 22 и выпрямитель 23, питающий обмотку возбуждения возбудителя 24, компаундирующий трансформатор 25 тока и выпрямитель

26.

Трехфазные тороидальные обмотки 5 и

6 охватывают ярмо 29 средней части цилиндрического магнитопровода с пазами на ее внешней и внутренней поверхностях, причем фазы маловитковой обмотки 5 включены последовательно с фазами обмотки синхронного генератора; а фазы соединенной в звезду обмотки 6 — параллельно.

Начала фаз трехфазной тороидальной обмотки 7, охватывающей внутреннее ярмо

27, соединены с началами фаз обмоток 5 и 6 так, что индуктируемые в фазах обмотки 7

ЭДС суммируются с фазными напряжениями синхронного генератора. Концы фаз обмотки 7 соединены с концами фаз обмотки

8, расположенной на внешнем ярме 28, последовательно так, что индуктируемые в фазах обмотки 8 ЭДС вычитаются из фазных напряжений генератора, Начала фаз обмот1728959

10 ки 8 соединены через переключающие контакторы 12-14 с трехфазной статорной обмоткой асинхронной машины.

Трехфазная тороидальная обмотка 9, расположенная на внешнем ярме, соединена через выпрямитель 18 с обмоткой 10 подмагничивания внутреннего ярма 27, а обмотка 11 подмагничивания, расположенная на внешнем ярме 28, через регулятор 15 частоты и выпрямитель 17 включена на выход понижающего трансформатора 16. Стабилизация скорости вращения ncr и частоты синхронного генератора при изменении его нагрузки и скорости вращения приводного двигателя п1 достигается за счет изменения направления и скорости вращения ротора асинхронной машины п,м в соответствии с уравнением дифференциального редуктора: псг = n1(1+i1) пам 1 2 Об/мИК, где i1 и i2 — передаточные числа дифференциального редуктора.

Плавное регулирование скорости вращения ротора асинхронной машины, работающей на 1-й и 2-й ступенях в режимах двигателя, на 3-й ступени в режиме электродинамического тормоза, а на 4-й и 5-й ступенях в режиме асинхронного генератора, обеспечивается изменением ее электромагнитного момента путем автоматического регулирования напряжения, подводимого к статорной обмотке от синхронного генератора с помощью регулятора трехфазного напряжения (фиг. 2).

Величина линейного напряжения, подводимого к статорной обмотке на 1-й, 2-й, 4-й и 5-й ступенях, в общем случае равна

0ам = 0сг + l 3 (0фб 0ф7), где U г — линейное напряжения СГ;

0ф6 =- Ефб ia>s26 и 0ф7 = Еф7 + 1ам21 фазные напряжения обмоток 7 и 8, сцепленных с вращающимися магнитными потоками Ф2 и Ф з внутреннего и внешнего ярм магнитопровода.

Величина вращающегося магнитного потока в среднем ярме Ф1 = Ф2 + Фз, создаваемого результирующей намагничивающей силой трехфазных обмоток, пропорциональна напряжению 0«, которое при увеличении нагрузки СГ от минимальной до максимальной величины при 0с —=

const возрастает приблизительно на 10 вследствие падения напряжения в обмотке 5.

При максимальном токе в обмотке 11 подмагничивания магнитное сопротивление внешнего ярма 28 очень велико, поэтому величина вращающегося магнитного потока в нем ФЗ = Ф1 - Ф2 макс — 0,05 Ф1, а во внутреннемярме Ф2ма = 0,95 Ф1. В этом случае ЭДС, индуктируемая в обмотке 7, Ефбмакс = 4 kgfWoxko60,95 Ф1, а в обмотке

8 Еф7мин = 4кфМ/Фо6 0,05 Ф1, поэтому к статорной обмотке приложено максимальНОЕ НаПРЯжЕНИЕ 0аммакс 0сг + V3 (ЕфбмаксЕф7мин lax(Z6+Z7)). При минимальном токе в обмотке 11 подмагничивания магнитное сопротивление внешнего ярма 28 мало, а внутреннего ярма 27 велико, так как ток в обмотке 10 подмагничивания достигает максимальной величины.

В ЭТОМ СЛУЧаЕ ФЗмакс = Ф1- Ф2мин =

=0,95 Ф1, а Ф2мин = Ф1- Фзмакс = 0,05

Ф 1, поэтому Ефбмин =41(фйМ6Коб, 0,05 Ф 1, Еф7макс „=4 kgfW7ko6 0,95 Ф1 а 0аммин (Ефбмин Еф7макс 1ам(26+27).

При W6 = УУ7 и Ефвмакс = Еф7макс = 0,5

0фсг величина напряжения, подводимого от

СГ к асинхронной машине, изменяется приблизительно от 0ам = 1,5 0сг до 0ам = 0,50сг

Так как электромагнитный момент М, пропорционален 0 ам, то указанные пределы

2 изменения Ua вполне достаточны для обеспечения равенства приведенных электромагнитных моментов Мам и Мсг при изменении нагрузки дифференциального электромашинного агрегата от максимальной величины до нуля.

Пои повышении скорости вращения п«и частоты синхронного генератора f =

P сг п сг — вследствие повышения скорости вращения первичногодвигателя п1или уменьшения нагрузки СГ автоматический регулятор 15 частоты на фиг, 1 регулятор

15 частоты условно показан только в виде

Ъ исполнительного элемента — регулируемого сопротивления в цепи обмотки 11 подмагничивания, функционально схема управления регулятора 15 частоты подобна схеме управления регулятора 19 напряжения: измеритель частоты, включаемый на выходные клеммы генератора, вырабатывает сигнал, пропорциональный отклонению текущей частоты от заданного значения. усилительный элемент усиливает этот сигнал и подает его на исполнительный элемент) уменьшает ток в обмотке 11 подмагничивания и магнитное сопротивление внешнего ярма 28. В результате этого вращающийся поток в ярме 28 и ЭДС Еф7, индуктируемая им в обмотке 8, увеличиваются, а выходное напряжение индукционного регулятора на статорной обмотке машины уменьшается, поэтому скорость вращения ротора пам при работе асинхронной машины на 1-й и 2-й ступенях в двигательных режимах уменьшается, что приводит к уменьшению скорости враще1728959

15 ния flcr и понижению частоты f до номинального значения. При работе на З-й, 4-й и 5-й ступенях в тормозном и генераторных режимах уменьшение напряжения на статорной обмотке машины вызывает уменьшение электромагнитного момента М м, повышение скорости вращения п м, уменьшение скорости flcr и восстановление частоты до близкой к номинальному значению.

В случае понижения скорости вращения

ncaa и частоты f вследствие уменьшения скорости вращения приводного двигателя и> или увеличения нагрузки автоматический регулятор 15 частоты увеличивает ток в обмотке 11 подмагничивания, В результате этого выходное напряжение индукционного регулятора на статорной обмотке асинхронной машины и ее электромагнитный момент увеличиваются, что приводит к повышению скорости вращения пам на 1-й и 2-й ступенях и к уменьшению скорости вращения п м при работе на З-й, 4-й и 5-й ступенях, Так как в уравнении дифференциального редуктора на 1-й и 2-й ступенях пам имеет знак "+", а на З-й, 4-й и 5-й ступенях — знак "-", то во всех случаях увеличение напряжения на статорной обмотке вызывает повышение скорости вращения синхронного генератора и восстановление его частоты f до номинального значения, Изменение числа полюсов в статорной обмотке асинхронной машины и перевод ее из одного режима работы в другой осуществляются контакторами 12-14, управляемыми тахогенератором, установленным на входном валу ДР (не показан).

Применение маловитковой трехфазной обмотки 5, включенной последовательно с фазными обмотками синхронного генератора, обеспечивает необходимую величину напряжения на статорной обмотке при возможных кратковременных коротких замыканиях в сети и повышает устойчивость системы стабилизации частоты при изменениях нагрузки, Регулятор трехфазного напряжения, подводимого к машине, имеет высокий КПД, так как большая часть электрической мощности, пропорциональная Uc подводится от Сг без преобразования, а трансформируется лишь часть мощности, пропорциональная ЭДС, Е ремакс = 0,5 Uycr, Удельная масса регулятора трехфазного напряжения почти в 3 раза меньше, чем электромашинного регулятора с возбудителем, так как скорость вращения магнитного поля в нем при двухполюсном магнитопроводе в

2,3 раза больше чем в электромашинном регуляторе, число полюсов в котором долж20

55 но быть таким, как у основного синхронного генератора, т,е. при частоте f = 400 Гц 2Р =

6 или 2Р = 4, Более высокие надежность и КПД предлагаемого электромашинного агрегата с регулятором трехфазного напряжения, по сравнению с прототипом, обеспечиваются в результате замены электромашинного регулятора и его возбудителя с вращающимися роторами и выпрямителем статическим регулятором трехфазного напряжения, надежность работы и КПД которого выше, чем у вращающегося электромашинного регулятора с возбудителем и вращающимся выпрямителемм, Формула изобретения

Электромашинный агрегат для получения постоянной частоты и напряжения при изменяющейся скорости вращения первичного двигателя, содержащий бесконтактный синхронный генератор и полюсопереключаемую асинхронную машину, связанные механически друг с другом и с приводным двигателем посредством дифференциального редуктора, и регулирующее устройство трехфазного напряжения, подводимого от синхронного генератора к асинхронной машине, состоящее из регулятора трехфазного напряжения, переключающих контактов и понижающего трансформатора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения удельной массы, повышения КПД и надежности, регулятор трехфазного напряжения выполнен в виде цилиндрического магнитопровода из трех концентрических неподвижных частей с пазами, в которых размещены пять тороидальных трехфазных обмоток и две обмотки подмагничивания ярм внешней и внутренней частей, в пазах средней части расположены синфазно две первичные обмотки, из которых одна включена параллельно со с аторной обмоткой генератора, а другая — последовательно, вторичные трехфазные обмотки, расположенные синфазно в пазах внутренней и внешней частей, соединены последовательно-встречно, и включены с одной стороны на клеммы генератора, с другой — на статорную обмотку асинхронной машины, обмотка подмагничивания внутреннего ярма через выпрямитель соединена с трехфазной обмоткой на внешнем ярме, а обмотка подмагничивания внешнего ярма соединена через переменное сопротивление и выпрямитель с вторичной обмоткой понижающего трансфооматора, включенного на выходные клеммы регулятора трехфазного напряжения, 1728959

-@n1

A

Фиг. 2

Фиг. 5

Составитель М, Красношапка

Редактор О.Юрковецкая Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О.Ципле

Заказ 1414 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101