Устройство для равномерного распределения токов нагрузки машин постоянного тока независимого или параллельного возбуждения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при параллельной работе машин постоянного тока (МПТ) независимого или параллельного возбуждения для обеспечения устойчивого и равномерного распределения токов нагрузки. Сущность: якорные цепи параллельно работающих различных МПТ, составленные из обмоток якорей и подсоединенных к ним со стороны щеток одной и той же полярности коммутирующих обмоток, соединяются уравнительными проводами, причем точки подсоединения этих проводов соответствуют точкам соединения обмоток якорей с коммутирующими обмотками. Введение уравнительных проводов со стороны подсоединения коммутирующих обмоток и обмоток якорей благодаря использованию эффекта коммутационной реакции якоря обеспечивает равномерное распределение нагрузок параллельно работающих ИПТ в генераторном и двигательном режимах их работы. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при параллельной работе машин постоянного тока (МПТ) для обеспечения устойчивого и равномерного распределения токов нагрузки.

В известных устройствах для выравнивания токов нагрузки МПТ, параллельно работающих в режимах генераторов со смешанным возбуждением при согласном включении последовательной и независимой или параллельной обмоток возбуждения, находит применение схема с уравнительным проводом, соединяющим точки подсоединения последовательных обмоток возбуждения с обмотками якорей этих генераторов одноименной полярности таким образом, что последовательные обмотки возбуждения их оказываются включенными параллельно между собой [1] Случайное увеличение тока нагрузки одного из генераторов в этой схеме распределяется между последовательными обмотками возбуждения и вызывает увеличение ЭДС обоих генераторов. Известны также схемы с перекрестным соединением последовательных уравнительных обмоток, устанавливаемых на главных полюсах МПТ. Одна из этих обмоток возбуждается током нагрузки генератора, на полюсах которого она установлена, и включена в якорную цепь так, что создает намагничивающую силу (н. с.) встречную с н.с. независимой обмотки возбуждения, а другая уравнительная обмотка обтекается током нагрузки параллельно работающего генератора и включена таким образом, что создает н.с. согласную с н.с. независимой обмотки возбуждения. При увеличении тока нагрузки одного из генераторов (например, при E₁ > E₂) под действием н.с. уравнительных обмоток ЭДС этого генератора E₂ (с большим током нагрузки) снижается, а ЭДС другого генератора E увеличивается [2] Однако перечисленные схемы находят либо ограниченную область применения, как это имеет место в схеме с уравнительным проводом, пригодной лишь для генераторов со смешанным возбуждением, либо приводят к усложнению устройства из-за необходимости установки дополнительных обмоток.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности устройству является схема, предложенная в [3] в которой выравнивание токов нагрузки МПТ при их параллельной работе осуществляется путем использования уравнительных обмоток и эффекта коммутационной реакции якоря. Для этой цели в [3] уравнительные обмотки соединены последовательно с коммутирующими обмотками (обмотками дополнительных полюсов и компенсационной) и образуют с ними две параллельные ветви. Одна ветвь включается в цепь обмотки якоря МПТ, на полюсах которой установлены эти параллельные обмотки, а вторая ветвь в цепь обмотки якоря параллельно работающей машины. При повышении ЭДС одной из МПТ, параллельно работающих в генераторном режиме (например, E₁ > E₂) под действием уравнительного тока, протекающего через уравнительные обмотки ЭДС одного генератора будет снижаться за счет размагничивающего действия этих обмоток, а ЭДС другого (E₂) будет увеличиваться. При этом вследствие изменения соотношения н.с. коммутирующих обмоток и н.с. обмотки якоря коммутационный процесс более нагруженного генератора приобретает более замедленный характер, а менее нагруженного более ускоренный. Это приводит к образованию н. с. коммутационной реакции якоря, действующей в первом из перечисленных генераторов по продольной оси (оси главных полюсов) размагничивающим образом, а во втором намагничивающим, что также способствует выравниванию токов нагрузки генераторов. Недостатками рассмотренного устройства являются необходимость установки уравнительных обмоток на полюсах, сложность использования этой схемы при изменении направления вращения МПТ, при переходе их в двигательный режим работы, обусловленная необходимостью переключения уравнительных обмоток.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков. Цель изобретения состоит в упрощении схемы для обеспечения равномерного распределения токов нагрузки параллельно работающих МПТ с независимым или параллельным возбуждением и в расширении области применения. Поставленная цель достигается тем, что в электрическую схему параллельно работающих МПТ независимого или параллельного возбуждения вводится уравнительный провод, соединяющий однополярные точки обмоток якорей, электрически соединенных с последовательно включенными с ними соответствующими коммутирующими обмотками.

Описание предлагаемого устройства поясняется представленной схемой. Обозначение на схеме: M1, M2 параллельно работающие МПТ; Я1, Я2 щетки обмотки якоря машины М1; Я3, Я4 щетки обмотки якоря машины М2; ОДП1, КО1 обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка (коммутирующие обмотки) машины М1, ОДП2, КО2 то же самое машины М2; ОНВ1, ОНВ2 независимые обмотки возбуждения машин М1 и М2 соответственно; 1 уравнительное соединение.

В представленной схеме устройства якорная цепь машины М1 составлена из последовательно соединенных обмотки якоря Я1, Я2 и коммутирующих обмоток, в данном случае состоящих из обмотки дополнительных полюсов ОДП1 и компенсационной КО1, а якорная цепь машины М2 из обмотки якоря Я3, Я4 и коммутирующих обмоток ОДП2, КО2 соответственно, причем подсоединение коммутирующих обмоток производится как для машины М1, так и машины М2 к щеткам одной и той же полярности (Я2 и Я4). Уравнительное соединение 1 подключается к точкам подсоединения обмоток якорей и коммутирующих обмоток машин М1 и М2. Для машин М1 и М2 эта точка соответствует щеткам одной и той же полярности Я2 и Я4 соответственно. Так как предлагаемое устройство применимо для МПТ одинаковой и различной мощности, то питание обмоток независимого возбуждения может осуществлять либо при последовательном их включении между собой, как это имеет место в электрических схемах соединения тяговых электродвигателей при переводе их в генераторный режим (машины М1 и М2 имеют одинаковую мощность), либо при раздельном включении.

Принцип работы предлагаемой схемы состоит в следующем. Рассмотрим генераторный режим двух параллельно работающих МПТ независимого или параллельного возбуждения, для определенности предполагая, что МПТ имеют ускоренный (или замедленный) характер коммутационного процесса. Так как коммутирующие обмотки машин М1 и М2 благодаря введению уравнительного провода оказываются включенными параллельно, то соотношение токов в них (I_ОДП1 I_КО1) (I_ОДП2 I_КО2) обратно пропорционально отношению сумм соответствующих омических сопротивлений обмоток (r_ОДП1 + r_КО1) (r_ОДП2 + r_КО2) и остается неизменным при изменении величины тока нагрузки машин М1 и М2. При возникновении неравенства ЭДС машин М1 и М2 например, E_М1 > E_М2, в контуре якорных обмоток Я1Я2, Я3Я4 возникает неуравновешенная ЭДС ΔE E_М1 - E_М2 и уравнительный ток будет замыкаться по контуру Я2, Я1, Я3, Я4,1 где r_aM1, r_aM2 омические сопротивления обмоток якоря машин M1 и M2. Таким образом ток якоря I_aM1 возрастает I_aM1 M_M10 + I_k, а ток якоря I_aM2 уменьшается I_aM2 I_M20 I_k. Здесь I_M10, I_M20 токи нагрузки машин M1, M2 при E_M1 E_M2. При этом величина н.с. поперечной реакции якоря машины M1 F_aqM1 увеличивается, а величина суммы н. с. F_ОДП1 + F_КО1 останется неизменной. Таким образом коммутация в машине M1 станет более замедленной. Так как в машине M2 ток нагрузки уменьшился, то характер коммутации машины M2 приобретает более ускоренный характер. Под действием размагничивающей коммутационной реакции якоря, возникающей по продольной оси машины М1, ее ЭДС E_М1 уменьшается, а ЭДС E_М2 машины М2 увеличивается из-за намагничивающего влияния коммутационной реакции якоря. Тогда ток I_k уменьшается, что приводит к равномерному распределению токов нагрузки машин М1 и М2. Аналогичный эффект будет иметь место при замедленной коммутации машин М1 и М2.

В двигательном режиме параллельно работающих машин М1 и М2 при увеличении ЭДС E_М1> E_М2 также возникает уравнительный ток I_k, причем в данном случае он будет направлен встречно I_М1 и согласно I_М2, поэтому ток I_М1 уменьшается I_М1 I_М10 - I_k, ток I_М2 увеличивается I_М2 I_М20 + I_k. Вследствие уменьшения F_aqМ1 и увеличения F_aqМ2 характер коммутации в двигателе М1 станет более ускоренный, а в двигателе М2 более замедленный. Тогда размагничивающее действие коммутационной реакции якоря в двигателе М1 усилится (ЭДС E_М1 уменьшится), а в двигателе М2 уменьшится (ЭДС E_М2 увеличится), что приведет к более равномерному распределению нагрузок М1 и М2.

Нетрудно показать, что при одновременном изменении направления вращения МПТ как в генераторном, так и в двигательном режимах предлагаемое устройство обеспечивает равномерное распределение нагрузки МПТ. При неизменном по величине и направлению токе возбуждения независимых обмоток ОНВ1 и ОНВ2 изменяются в этом случае ЭДС E_М1, ЭДС E_М2 и ток нагрузки I_ам0 по направлению. В случае E_М1> E_М2 уравнительный ток I_k также изменяет свое направление и таким образом в генераторном режиме ток I_aМ1 M_М10 + I_k возрастает, а I_aМ2 I_М20 + I_k уменьшается. Воздействие коммутационной реакции якоря будет аналогично тому, как это было рассмотрено выше. Особенность использования предлагаемого устройства при параллельной работе МПТ различной мощности состоит в том, что может возникнуть необходимость согласования омических сопротивлений коммутирующих обмоток, которое обеспечивается, в частности, использованием балластных сопротивлений.

Предлагаемое устройство обеспечивает равномерное распределение токов нагрузки и в случае, если количество параллельно работающих МПТ превышает 2. Например, при 3-х параллельно работающих МПТ в режиме генератора при увеличении ЭДС одного из них, например, E₁> E₂ E₃ уравнительный ток также будет определяться величиной

но в этом случае уравнительный ток I_k, вызывая увеличение тока нагрузки 1-го генератора I_a1 I_a10 + I_k распределяется между двумя другими МПТ. При одинаковых параметрах этих генераторов I_k2 I_k3 0,5 I_k и будет вызывать уменьшение токов нагрузки I_a2 I_a3 I_a0 0,5 I_k. Такое распределение токов нагрузки, как было рассмотрено выше, приведет к тому, что н.с. поперечной реакции якоря 1-го генератора F_aq1 увеличится, а н.с. 2-го и 3-го генераторов F_aq2 F_aq3 уменьшается и при сохранении токов через коммутирующие обмотки этих генераторов неизменными вследствие их параллельного включения между собой характер коммутации 1-го генератора становится более замедленный, а у 2-го и 3-го более ускоренный. Тогда действие коммутационной реакции якоря вызовет уменьшение ЭДС 1-го генератора и увеличение ЭДС 2-го и 3-го генераторов из-за намагничивающего ее влияния, что приведет к уменьшению уравнительного тока I и более равномерному распределению токов нагрузки генераторов. Нетрудно увидеть, что предлагаемое устройство будет обеспечивать равномерное распределение токов нагрузки генераторов и в более сложном случае, когда E₁≠E₂≠E₃, ЭДС всех трех генераторов различны. Это можно доказать следующими рассуждениями. В любом из параллельно работающих генераторов постоянного тока при неравенстве их ЭДС появляется уравнительный ток, нарушающий соотношение н.с. по поперечной оси (между F_aq и F_ko + F_одп), что приводит к изменению характера коммутации и появлению коммутационной реакции якоря. Если ЭДС рассматриваемого генератора понижается, то характер коммутации становится более ускоренный и коммутационная реакция якоря вызывает повышение его ЭДС. Аналогичные явления будут иметь место и в том случае, если ЭДС генератора повышается, и в конечном счете коммутационная реакция якоря приведет к уменьшению его ЭДС. Из приведенных рассуждений очевидно, что эти явления будут иметь место и при большем числе параллельно работающих генераторов.

Преимущества предлагаемого устройства для равномерного распределения токов нагрузки при параллельной работе МПТ по сравнению с существующими схемами состоят:
1. В упрощении схемы, так как не требуется установка дополнительных обмоток в магнитной системе МПТ, а также переключений обмоток якорной цепи при изменении направления вращения и режимов работы МПТ, что обеспечивает повышение эффективности и надежности работы устройства и снижение его стоимости.

2. В расширении возможностей его использования как для двигательного, так и генераторного режимов работы МПТ, а также в случае параллельно работающих МПТ различной мощности и при количестве МПТ больше двух.

Формула изобретения

Устройство для равномерного распределения токов нагрузки машин постоянного тока независимого или параллельного возбуждения, якорные цепи которых составлены из обмоток якоря и последовательно с ними соединенных со стороны щеток одной и той же полярности коммутирующих обмоток, использующее эффект коммутационной реакции якоря при параллельной работе машин постоянного тока, отличающееся тем, что точки подсоединения коммутирующих обмоток к обмоткам якорей соединены между собой уравнительными проводами.

РИСУНКИ

Рисунок 1