Бесконтактный преобразователь частоты

 

Использование: электротехника, в частности преобразователи переменного тока промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты. Сущность изобретения; 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. Трехфазная обмотка статора асинхронной машины 4 подключена к сети через контактор. Возможно изменение чередования ее фаз. Трехфазная обмотка статора асинхронной машины 5 подключена к нагрузке. Обмотка возбуждения синхронного двигателя расположена на роторе и через выпрямитель соединена последовательно с обмотками роторов асинхронных машин. На статоре асинхронной машины 5 расположен магнитный шунт 6. В его пазах размещена тороидальная обмотка подмагничивания 7 Обмотка 7 подключена к автоматическому регулятору напряжения. 2 ил. сл с (Я 1 о Јь СлЭ

„„Я2„„1757043 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (й)з Н 02 К 47/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 2 (21) 4869556/07 ты содержит синхронный двигатель 2 и две (22) 13.08,90 асинхронные машины 4 и 5. Роторы трех (46) 23.08.92, Бюл. М 31 .:: . машин выполнены на общем валу. Трехфаз(72) M.Ì.Êðàcíîøàïêà, Г.А.Коваленко и ные обмотки роторов асийхрбнных машин 4

Д.M.Êðâñíîøàïêà ...:и 5 соединены электрически . Трехфазная (56) Перегудов В.А. идр. Наземные авиаци-:.; обмотка статора асинхровной машины 4 онные источНики электроэнергии. —. М.: подключена к сети через контактор, ВозТранспорт, 1980, с. 136, МОжно изменение чередованйя ее фаз.

Авторское свидетельство СССР Трехфазная обмотка статора асинхронной

N 710096, кл. Н 02 К 47/26, 1977.. машины 5 подключена к нагрузке. Обмотка

Патент ФРГ Ь 2508994, кл. Н 02 К. возбуждениясинхронногодвигателя pacrlo47!18, 1976.: ложена на.роторе и через выпрямитель сое(54) БЕСКОНТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВА-: динена последовательно с обмотками

ТЕЛЬ ЧАСТОТЫ: . роторов асинхронных йашин На статоре (57) Использование: электротехнйка, в част-:: асинхронной машины 5 расйоложен магнитности преобразователи переменного тока ный шунт 6. В его пазах размещена тороипромышленной частоты в переменный ток - дальная обмотка подмагничивания 7. повышенной частоты. Сущность изобрете-,Обмотка 7 подключена к автоматическому ния; бесконтактный преобразователь часто- "регулятору напряжения. 2 ил.

К2

1757043

Изобретение относится к преобразованию переменноro тока промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты и может быть использовано в конструкторских бюро и на заводах, проектиру- 5 ющих электромашинные преобразователи, частоты различных бтраслей промышленности, транспорта и специальных областей техники.

Цель изобретения — увеличение коэффициента мощности, КПД и перегрузочной способности преобразователя, уменьшение величины пускового тока, обеспечение стабильности выходного напряжения и частоты.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем расположенные на одном валу три машины переменного

Известны электромаШинные преобра- 10 тока, две иэ которых являются асинхроннызователи частоты двигательгенераторного ми и имеют обмотки ротора, электрически типа, состоящие иэ обычногб асинхронного соединенные между собой, причем статор или синхронного двигателя и синхронного одной асинхронной машины подключен к генератора с собственным возбудителеМ сети, а другой — к нагрузке, третья машина или независимым возбуждением; 15 является синхронной, обмотка возбуждения

Известен преобразователь чаСтоты, со- которой расположена на роторе и соединестоящий из синхронного двигателя и асинх- на последовательно через выпрямитель с ронного преобразователя частоты с роторными обмотками асинхронных мапоследовательно соединенными трехфаз- шин, причем обмотка статора одной асинхными обмоткамй синхронной и асинхрон- 20 ронной машины подключена через ной машин, у которого стабилизация контактор, позволяющий изменять чередовыходного найряжения осуществляется ре- . вание фаэ, к сети, а статор второй асинхронгулированием тока возбуждения синхрон-: . ной майины имеет цилиндрический ной машины.: ..: ..- .. магнитный шуйт, в пазах которого располо- :

Существенный недостаток известных 25 жена тороидальная обмотка подмагничива- синхронно-асинхронных йреобраэователей ния, подключенная к автоматическому частоты заключается в наличии у синхрон-. - регулятору напряжения, ной и асинхронной машин скользящих коH- - В качестве приводной машины испольтактов в виде вращаюЩихся Контактйых зован,синхронный двигатель, обмотка возколец и неподвижных щеток, установлен- 30 буждения которого расположена йа роторе ных в щеткодержателях, Наличие скользя-:. и через выпрямитель соедйнена последоващих контактов сйижает надежность работы тельно с роторными обмотками двух асинхпреобразователя и полйостью исключает ронных машин..; возможность использования их в агрессив- : Статор одной иэ асинхронных машин ной и взрывоопасной окружающей среде. 35 выполнен с цилиндрическим шунтом, охваИзвестен также бесконтактный преоб- тываемым тороидальной обмоткой подмагразователь частоты, состоящий из трех, . ничиванйя, подключенной к источнику асинхронных машин, установленйых йа об- постоянного тока через автоматический рещем валу в общем корпусе..: :.. гулятор напряжения.

Недостатками этого преобразователя 40 Статорная обмотка другой асинхронной являются; низкий коэффициент мощности" машины подключена к сети через контак(c0s р лц), большой пусковой ток, нестабиль- тор, позволяющий изменять чередование ность преобразованной частоты, изменяю- фаз, щейся вследствие измененйя скольжейия ротора асийхронного двйгателя при изме- 45 Первый. отличительный признак позвонении нагрузки и величины напряжения ис- ляет увеличить коэффициент мощности и точника питания, а также нестабйльность КПД преобразователя, поскольку немного выходного напряжения, обусловленная те- перевозбужденный синхронный двигатель ми же причинами и йадением напряжения в (созф сд = 0,97) компенсирует реактивную обмотках. .. 50 мощность, потребляемую двумя асинхронДйапаэон изменения выходйого напря- ными машинами. Таким образом преображенйя, обусловленный падением напряже- эователь в целом из сети реактивной ния в четырех трехфазных обмотках двух мощности не потребляет(cos p = 1) в от- . асйнхронных машин, соединенных в кас- личие от прототипа, все три асинхронные кад, и отклонением напряжения источника,55 машины которого потребляют значительпитания, слишком широк, поэтому исполь- ную реактивную мощность, По этой же приэование такого преобразователя беэ от- чине КПД предлагаемого преобразователя дельного регулятора напряжения, выше, так как суммарные потери в его обрассчитанного на большую мощность, нера- мотках меньше, чем у прототипа, ционально.

1757043

Перегрузочная способность и реобразователя повышается за счет предлагаемого подключения обмотки возбуждения синхронного двигателя, ток возбуждения которого автоматически возрастает. с увеличением нагрузки.

Снижение величины пускового тока достигается за счет запуска преобразователя, гателя, мощность которой в 4 раза меньше мощности приводного двигателя. Соответственно величина пускового тока при такой схеме запуска в 4 раза меньше, чем у прототипа, что очень важно для автономных пер- 15 вичных источников и маломощных сетей.

Благодаря второму отличительному признаку обеспечивается стабильность выходного напряжения, а стабильность частоты достигается применением синхронйого

20 двигателя в качестве приводной машины вместо асинхронного двигателя в прототипе, На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого бесконтактного преобразователя частоты; на фиг, 2 — статор

25 асинхронной машины с промежуточным цилиндрическим магнитным шунтом, поперечный разрез.

Устройство содержит синхронный двигатель (СД), трехфазная обмотка 1 статора которого через контакты К1 контактора подключена к сети; а его обмотка возбуждения, расположенная на роторе 2, через выпрями35 тель соединена последовательно с трехфазными обмотками роторов 4 и 5 асинхронных машин АМ1 и АМ2. Роторы всех трех машин

СД, АМ1 и АМ2 выполнены на общем валу.

Трехфаэная обмотка 3 статора АМ1 подключена к сети через контактор К2, изменяю- 40 щий чередование фаз после окончайия асинхронного запуска преобразователя.

Отдельные фазы обмотки ротора 4 АМ1 соединены с фазами обмотки ротора 5 АМ2 в обратной последовательности. Цилиндри- 45 ческий шихтованный магнитный шунт на статоре АМ2 с тороидальной обмоткой подмагничивания 7 питается выпрямленным током через автоматический регулятор 8 с измерителем напряжения (ИН) 9 и настро- 50 ечным резистором 10. Трехфаэная обмотка

11 статора АМ2 расположена во внешних пазах шунта, на который плотно напрессовано шихтованное ярмо 12.

Преобразователь работает следующим 55 образом.

Асинхронный запуск ненагруженного преобразователя осуществляется с помощью вспомогательной асинхронной машины АМ1, при отключенной статорной с помощью асинхронной машины с таким же числом полюсов, как у синхронного дви - 10 обмотке СД, Так как число полюсов у АМ1 такое же, как у синхронного двигателя, то частота вращения роторов преобразователя в конце асинхронного разгона приближается к синхронной частоте вращения СД, причем ток в обмотке возбуждения СД в конце разгона уменьшается до очень малой величины, при которой самосинхронизация СД с источником питания при замыкании контактов К1 невозможна. Однако при изменении чередования фаз статорной обмотки АМ1, посредством контактора К2, изменяется направление вращения поля статора АМ1, поэтому частота вращения поля АМ1 относительно ротора увеличивается скачко60f> образно от пп.мин = — So до nn,scРдм1

60f1 — (2 — Я<,). где Я<> < 0,01, Рдм1

После изменения последовательности чередования фаэ и одновременного замыкания контактов К1 АМ1 переходит из двигательного режима работы в тормозной, а СД в режиме двигателя, При этом в фазах роторной обмотки АМ1 индуктируются ЭДС удвоенной частоты, достаточные для нормального возбуждения СД и АМ2 при холостом ходе преобразователя, а также для самосинхронизации СД с источником питания.

Для обеспечения надежной самосинхронизации и предотвращения качаний роторов при скачкообразных изменениях нагрузки в пазах полюсных наконечников

СД имеется демпферная короткозамкнутая обмотка. Последовательность чередования фаз роторных обмоток у АМ1 и АМ2 неодинакова, поэтому магнитное поле, созданное токами трехфазной роторной обмотки АМ2, 2f160 вращается с частотой nn.p.= — относи мг тельно ротора, а относительна статора с чаСТ0ТОА

21160 пп.ст = псд+

Рдмг об!мин, индуктируя в фазах статорной обмотки АМ2

ЭДС с частотой

f2= f1(+2) Гц, Рсд где f1 — частота источника питания, Рдмг и

Рсд — числа пар полюсов АМ2 и СД, Иэ этой формулы видно; что преобразованная частота fz пропорциональна. частоте источника питания f1, а так как в промышленных системах электроснабжения частота поддерживается с достаточно высокой точностью, то преобразованная частота также практически постоянна, 1757043

При Рсд 1 и Рдм2 1,2.3,4,5,6,7.8 ... получаются следующие значения выходной частоты; 12- 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 Гц, а при Р д = 2 f2- 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300 Гц.

Для обеспечения точной стабилизации выходного напряжения статорная часть магнитопровода АМ2 (фиг. 2) вййолнена с промежуточным магнитным шунтом 6, охватываемым витками тороидальной обмотки

7. Обычная трехфаэная статорная обмотка

11 расположена во внешних пазах шунта вместе с внешними сторонами тороидальной обмотки подмагничивания шунта. С целью упрощения технологии выполнения обеих обмоток статора АМ2, ярмо 12 статора сделано в виде отдельного шихтованного полого цилиндра, напрессованного на внешние зубцы шунта после выполнения обмоток. Стабилизация выходного напряжения преобразбвателя частоты осуществляется автоматическим регулятором 8 с измерителем напряжения ИН 9 (фиг. 1). inмейяющим величину выпрямленного тока в тороидальйой обмотке 7; охватывающей магнитный шунт 6. При полностью выключенной нагрузке и максимальном напряжении источника питания величина тока 8 обмотке йодмагничивания шунта очень мала, магнитное сопротивление шунта минимально, поэтому значительная часть вращающегося, магнитного потока статора

АМ2 замыкается через шунт, а с трехфазной обмоткой статора АМ2 сцеплена остальная часть магнйтного потока, достаточная для имдуктирования в фазах статорной обмотки

ЭДС, равных номинальным фазным напряжениям преобразователя, При максимальной нагрузке преобразователя и минимальном напряжении источника питания автоматической регулятор поддерживает в обмотке подмагничйвания шунта максимальную величину тока, при которой магнитный шунт сильно насыщен постоянным магнитным потоком, поэтому магйитное сопротивление шунта для вращающегося магнитного потока очень велико. В этом случае около 95 $ общего вращающегося магнитного потока статора сцеплено с трехфазной обмоткой статора, индуктируя в ее фазах ЭДС, достаточные для поддержа ния номинальных фазных напряжений при максимальной нагрузке преобразователя и минимальном напряжении источника питания.

Во всех промежуточных случаях автоматический регулятор напряжения при уменьшении выходного напряжения увеличивает ток подмагничивания магнитного шунта, а при увеличении напряжения— уменьшает, поддерживая с требуемой точностью заданную величину выходного напряжения. Мощность выпрямленного тока, затрачиваемая на подмагничивание шунта

5 при номинальной мощности преобразователя 30-50 кВА составляет около 1,5%.

Расчетная мощность вспомогательной асинхронной машины АМ1, используемой в режиме двигателя при запуске преобразо10 вателя и в режиме возбудителя основной асинхронной машины АМ2 и синхронного двигателя СД в рабочем режиме преобразователя, не превышает 25 выходной мощности преобразователя. Так как фазы

15 роторной обмотки АМ1 соединены последовательно с фазами роторной обмотки АМ2 и с обмоткой возбуждения СД через полупроводниковый выпрямитель, то максимальный пусковой ток АМ1 превышает ее номиналь20 ный ток не более, чем в 2-2,5 раза. Из этого следует, что запуск преобразователя можно осуществлять от любого источника соизмеримой мощности, не подвергая его перегрузке при запуске. Согласно расчетным

25 данным величина тока Iy.р в фазах роторных обмоток АМ2 и АМ1 при увеличении нагрузки преобразователя от нуля до номинальной велйчины увеличивается в два раза, а это означает, что величина тока возбуждения

30 синхронного двигателя 4, д = 1,3 1ф.p также изменяется в таких же пределах, обеспечивая большую кратковременную перегрузоч-. ную способность преобразователя и высокий коэффициент мощности cosign,q, 35 близкий к единице, без применения автоматического регулятора тока возбуждения СД.

При небольшом перевозбуждении СД преобразователь потребляет, в основном. активный ток (при соэф д 0,97), поэтому

40 коэффицйент мощности и КПД у предлагаеМого преобразователя значительно выше, чем у прототипа, состоящего из трех асинхронных маши н.

45 При этом обеспечивается более высокое качество преобразованной электроэнергии, так как выходная частота прОпорциональна частоте источника питания, а величина выходного напряжения под50 держивается с заданной точностью с помощью автоматического регулятора напряжения, изменяющего величину тока в обмотке подмагничивания магнитного шунта на статоре АМ2, 55 Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты по сравнению с прототипом имеет более высокие значения коэффициента мощности, КПД и перегрузочной способности, уменьшенную величи1767043

71

Составитель-Г.Коваленко

Редактор H.Ëàçàðåíêî Техред М.Моргентэл Корректор M. Петрова

Заказ 3096 .. Тираж . Подписное

8НИИПИ 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 ну пускового тока и стабильные значения выходного напряжения и частоты.

Формула изобретенйя

Бесконтактный преобразователь частоты, содержащий расположенные на одном валу три машины переменного тока, две из которых являются асинхронными и имеют обмотки ротора, электрически соединенные между собой, причем статор одной асинхронной машины подключен к сети, а другой — к нагрузке, о т л и ч а io шийся тем, что, с целью увеличение КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности, уменьшения величины пускового тока, ста- бильности выходного напряжения и частоты преобразователя, третья машина является синхронной, ее обмотка возбуждения расположена на роторе и соединена последова5 тельно через выпрямитель с роторными обмотками асинхронных машин, причем обмотка статора одной асинхронной машины подключена через контактор, позволяющий изменять чередование фаз, к сети. а статор

10 второй асинхронной машины имеет цилиндрический магнитный шунт, в пазах которого расположена тороидальная обмотка .. подмагничивания, подключенная к автоматическому регулятору йапряжения.