Синхронная машина с совмещенным многофункциональным бесщеточным возбудителем

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесщеточного возбуждения синхронных машин различного назначения. Сущность изобретения состоит в том, что магнитная система индуктора возбудителя состоит из полюсов с электромагнитным и комбинированным возбуждением, причем полюса с комбинированным возбуждением выполнены различной и чередующейся полярности и расположены симметрично по окружности индуктора, а в пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением размещено по две катушки с различными шагами, одна из них выполнена с тем же шагом, что и шаг катушек совмещенной якорной обмотки подвозбудителей, размещенной в пазах наконечников полюсов с электромагнитным возбуждением, вторая - с шагом, кратным четному числу полюсных делений рабочей гармоники зубцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре, якорная обмотка возбудителя имеет одну или несколько параллельных ветвей, максимальное число которых равно количеству полюсов с комбинированным возбуждением, между заполненными якорной обмоткой возбудителя пазами выполнены пазы меньшей глубины, незаполненные указанной обмоткой. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей возбудителя при одновременном уменьшении расхода материалов в увеличении КПД. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесщеточного возбуждения синхронных машин.

Известно устройство, состоящее из синхронного генератора, синхронного возбудителя обращенной конструкции, подвозбудителя, выполненного конструктивно как отдельная электрическая синхронная машина с магнитоэлектричсеким возбуждением, и автоматического регулятора возбуждения [1] Обмотка возбуждения возбудителя через статический преобразователь подключена к зажимам якорной обмотки подвоздубителя. Якорная обмотка возбудителя через вращающийся преобразователь подключена к обмотке возбуждения синхронного генератора. Автоматический регулятор возбуждения (АРВ) получает питание от якорной обмотки подвозбудителя.

Недостатком известной конструкции является наличие трех электрических машин, выполненных в различных магнитных системах и размещенных на одном валу, что удлиняет агрегат, удорожает и усложняет процесс изготовления и эксплуатации устройства.

Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство, которое состоит из возбуждаемой синхронной машины (генератора) синхронного возбуждения обращенной конструкции с m-фазной якорной обмоткой и явновыраженными полюсами, в пазах наконечников которых размещается обмотка и синхронного подвозбудителя индукторного типа [2] Полем возбуждения индукторного подвозбудителя служит зубцовая гармоника результирующего поля в воздушном зазоре синхронного возбудителя. Обмотка и зубцовая зона якоря возбудителя строятся традиционным образом [3] В рассматриваемом устройстве процесс начального самовозбуждения осуществляется за счет наличия остаточного поля в магнитном материале индуктора.

Основными недостатками прототипа являются.

1. Негарантированное время процесса самовозбуждения, т.к. не гарантирована величина остаточного потока.

2. Широкий диапазон изменения выходного напряжения подвозбудителя при изменении режима работы возбудителя от начального самовозбуждения до форсировки возбуждения. И в том случае, когда автоматический регулятор возбуждения /АРВ/ получает питание от якорной обмотки подвозбудителя. Это приводит к увеличению расчетной мощности блока питания АРВ по сравнению со случаем питания регулятора от независимого источника постоянного напряжения.

3. Зависимость времени процесса самовозбуждения от соотношения выбранной величины напряжения возбуждения возбудителя в номинальном режиме и величины порогового напряжения статического полупроводникового преобразователя.

4. Отсутствие в возбудителе датчика тока якорной обмотки, необходимого для регулирования с помощью АРВ тока возбуждения возбудителя.

Задачей изобретения является улучшение динамических характеристик комплекса, состоящего из синхронной машины и современного многофункционального возбудителя при уменьшении расхода материалов и увеличении КПД, исключающее недостатки прототипа.

Цель достигается тем, что магнитная система индуктора возбудителя состоит из полюсов с электромагнитным и комбинированным (магнитоэлектрическим и электромагнитным) возбуждением, причем количество полюсов с комбинированным возбуждением есть число четное, кроме того, полюса с комбинированным возбуждением выполнены различной и чередующей полярности и расположены симметрично по окружности индуктора, а в пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением размещено по две катушки с различными шагами, одна из указанных катушек выполнена с тем же шагом, что и шаг катушек наконечников полюсов с электромагнитным возбуждением, вторая из указанных катушек выполнена с шагом, кратным четному числу полюсных делений рабочей гармоники зубцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре, якорная обмотка возбудителя имеет одну или несколько параллельных полюсов в комбинированным возбуждением, и между заполненными якорной обмоткой возбудителя пазами выполнены пазы меньшей глубины, незаполненные указанной обмоткой. Возможно выполнение, при котором катушки, размещенные в пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением и имеющие шаг, кратный четному числу полюсных делений рабочей гармоники забцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре, соединены последовательно согласно, катушки, размещенные в пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением и выполненные с тем же шагом, что и шаг катушек в наконечниках полюсов с электромагнитным возбуждением, также соединены последовательно согласно.

На фиг. 1 и 2 показаны совмещенный многофункциональный возбудитель синхронной машины и принципиальная схема синхронной машины с совмещенным многофункциональным бесщеточным возбудителем, выполненным как отдельная электрическая машина в одном корпусе с ней либо консольно.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез совмещенного многофункционального бесщеточного возбудителя. Магнитная система 1 индуктора возбудителя состоит из полюсов с электромагнитным 2 и комбинированным (электромагнитным и магнитоэлектрическим) 3 возбуждением. Количество полюсов с комбинированным возбуждением есть число четное. Эти полюса выполнены различной и чередующейся полярности и расположены симметрично по окружности индуктора. На полюсах с комбинированным возбуждением размещены постоянные магниты 4. Обмотка возбуждения 5 имеется на всех полюсах. В пазах наконечника каждого полюса с электромагнитным возбуждением размещено по две катушки 6 с равными шагами. Это катушки, соединенные известным способом в фазы, образуют совмещенную якорную обмотку подвозбудителей. В пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением уложено по две катушки с различными шагами. Одна из катушек 7 выполнена с тем же шагом, что и катушка якорной обмотки подвозбудителей. Вторая 8 выполнена с шагом, кратным четному числу полюсных делений рабочей гармоники зубцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре. Все катушки 7 соединены между собой последовательно согласно. Все катушки 8 аналогично соединены последовательно согласно.

Якорная обмотка 9 возбудителя, уложенная в открытые пазы, имеет одну или несколько параллельных ветвей, максимальное число которых равно количеству полюсов с комбинированным возбуждением. Между заполненными якорной обмоткой возбудителя пазами выполняются пазы по меньшей глубины 10, незаполненные указанной обмоткой.

На фиг. 1 число полюсов с комбинированным возбуждением примера принято равным двум. Они выполнены различной и чередующейся полярности /N, S/. Обмотка якоря возбудителя в этом случае может иметь одну или две параллельные ветви. Можно выполнить индуктор, например, с двенадцатью полюсами, из которых четыре с комбинированным возбуждением. Последние полюса должны быть симметрично расположены по окружности индуктора с чередующейся /N,S, S,N/ полярностью. В данном случае обмотку якоря возбудителя можно выполнить, если это необходимо, с четырьмя параллельными ветвями. Причем четыре это максимально возможное число параллельных ветвей.

На фиг. 2 показана схема электрической системы возбуждения, например, состоящая из синхронного генератора с совмещенным многофункциональным бесщеточным возбудителем. Якорная обмотка 9 возбудителя через вращающийся полупроводниковый преобразователь 11 подключена к обмотке возбуждения синхронного генератора 12. Совмещенная якорная обмотка 6 подвозбудителей через статический преобразователь 13 подключена к обмотке возбуждения 5 возбудителя. Обмотки 7 и 8 подключены к АРВ 14. Обмотка 7 выполняет функцию источника питания АРВ, а обмотка 8 датчика тока обмотки якоря возбудителя.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Пусть ток возбуждения возбудителя и ток якоря возбудителя равно нулю. Поток в полюсах 3 с комбинированным возбуждением создан постоянными магнитами 4 и равен Ф^°_NS. При вращении якоря возбудителя поток Ф^°_NS наведен в якорной обмотке возбудителя 9 ЭДС e^°_NS. Под действием этой ЭДС и с помощью вращающегося диодного преобразователя 11 (фиг. 2) в обмотке возбуждения возбуждаемого синхронного генератора протекает ток возбуждения i_fns. Пусть число пар полюсов возбудителя и параметры постоянных магнитов выбраны так, что величина этого тока i_fns составляет, например, 30% от тока возбуждения холоcтого хода синхронного генератора. Тогда i_fns есть минимальное установившееся значение тока возбуждения синхронного генератора в случае, когда, например, откажет АРВ и ток возбуждения возбудителя станет равен нулю.

При протекании, например, синусоидального тока по симметричной якорной обмотке возбудителя последняя создает МДС реакции якоря, которую, как известно, можно представить в виде суммы первой и высшей гармоник МДС синусоидальной формы с номерами ν. Например, при числе фаз якорной обмотки возбудителя m 4 и числе пазов на полюс и фазу q 1 кривая МДС реакции якоря может быть представлена рядом гармоник с нечетными номерами: n 1, 3, 5, 7, 9, Указанные МДС создадут поля с числами пар полюсов n_p и полюсным делением , где p число пар полюсов возбудителя, D диаметр якоря.

Пусть каждая катушка совмещенной якорной обмотки подвозбудителей выполнена с шагом y ≠ 2τ_ν·n, где n любое число натурального ряда, начиная с единицы. Примем n 3, n 1, т.е. катушка выполнена с шагом y ≠ 2τ₃. Тогда поле, созданное третьей гармоникой МДС реакции возбудителя, наведет в якорной обмотке подвозбудителей ЭДС e_a, пропорциональную току нагрузки возбудителя. Далее будем называть e_a асинхронной составляющей, а совмещенный подвозбудитель асинхронным. Если статический преобразователь 13 (фиг. 2) открыт и e_a больше порогового напряжения его вентилей, то под действием этой ЭДС в обмотке возбуждения 5 возбудителя будет протекать ток. Параметры обмотки якоря возбудителя, якорной обмотки совмещенного подвозбудителя и обмотки возбуждения могут быть подобраны так, что при этом будет реализован процесс самовозбуждения возбудителя точно так же, как и в машине постоянного тока с последовательным возбуждением.

Как было показано выше, якорь возбудителя выполняется с открытыми пазами. Это приводит к появлению "провалов" индукции в результирующем поле возбуждения. Величина провала зависит от отношения ширины паза якоря к величине воздушного зазора. Результирующая кривая индукции в зазоре также может быть разложена в ряд, и выделены гармоники зубцового порядка с числом пар полюсов Z и полюсным делением где K 1, 2, 3, Если шаг катушки совмещенной якорной обмотки подвозбудителей выбран так, что y ≠ 2τ_z·n, то зубцовая составляющая результирующего поля в зазоре возбудителя наведет в ней ЭДС e_u. Эту составляющую ЭДС, пропорциональную результирующему полю в зазоре и вызванную наличием зубцов якоря возбудителя, будем называть индукторной ЭДС, а совмещенный подвозбудитель индукторным. Гармонику поля, которая наводит индукторную ЭДС, будем называть рабочей гармоникой зубцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре. Если параметры якорной обмотки индукторного подвозбудителя, зубцовой зоны якоря и обмотки возбуждения возбудителя выбрать соответствующим образом, то может быть реализован режим самовозбуждения. Процесс самовозбуждения происходит также, как в машине постоянного тока параллельного возбуждения. Для его осуществления должны быть выполнены те же условия, что и в машине постоянного тока.

С целью уменьшения расхода материалов на якорную обмотку подвозбудителей и магнитную цепь полюсного наконечника между заполненными якорной обмоткой возбудителя пазами выполняются пазы 10 (фиг. 1) меньшей глубины, незаполненные указанной обмоткой. Это позволяет получить дополнительный провал индукции в поле индуктора и тем самым увеличить ЭДС e_u, а, следовательно, при том же заданном значении ЭДС уменьшить число витков и размеры паза совмещенной якорной обмотки индукторного подвозбудителя, т.е. уменьшить расход материалов на возбудительное устройство.

Как отмечалось ранее, для питания АРВ предполагается использование якорной обмотки подвозбудителей, выходное напряжение которой в процессе работы возбудителя от режима холостого хода до форсированного может изменяться в пятьдесят и более раз. В предлагаемом устройстве (фиг. 1) источником питания АРВ являются катушки 7, выполненные с таким же шагом, что и катушки 6 якорной обмотки подвозбудителей, и размещенные в пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением. Диапазон изменения напряжения в катушках 7 значительно меньше, чем в катушках 6. Так в случае, когда поток Ф^°_NS, например, для возбудителя с числом пар полюсов 2p 10, равен половине форсированного потока в полюсе с электромагнитным возбуждением, напряжение в катушках 7 изменяется менее, чем в 3 раза. Электромагнитная обмотка возбуждения 5 на полюсах с постоянными магнитами служит для компенсации реакции якоря и тем самым для уменьшения диапазона изменения напряжения в катушках 7.

Заметим следующее. Если в представленном на фиг. 1 устройстве постоянные магниты полюсов с комбинированными возбуждением разделить по высоте на 2p магнитов и распределить последние по полюсам, т.е. сделать все полюса с комбинированным возбуждением, то напряжение в якорной обмотке подвозбудителей будет изменяться в процессе работы возбудителя более, чем в 20 раз. Таким образом, посредством постоянных магнитов в части полюсов возбудителя позволяет уменьшить диапазон изменения напряжения источника питания АРВ.

Регулирование тока возбуждения возбудителя осуществляется с помощью АРВ. В качестве датчиков тока обмотки возбуждения генератора используются последовательно согласно соединенные катушки 8 (фиг. 1), размещенные на полюсах с комбинированным возбуждением 3 и выполненные с шагом, кратным четному числу полюсных делений рабочей гармоники зубцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре. Размещение катушек на полюсах с комбинированным возбуждением и их последовательно согласное соединение позволяет исключить влияние ЭДС оборотной частоты, вызванной магнитной несимметрией индуктора в результате технологических отклонений при его изготовлении.

В переходных режимах работы синхронного генератора, например, в режиме пуска асинхронного двигателя или короткого замыкания в обмотке возбуждения генератора возникают апериодические и периодические составляющие тока. По отношению к якорю возбудителя указанные токи являются как бы источниками тока, вызывая увеличение тока якоря возбудителя, а, следовательно, увеличение ЭДС асинхронного подвозбудителя, что приводит в конечном итоге к увеличению кратности форсировки обмотки возбуждения возбудителя. В этом режиме работы комплекса мощность асинхронного подвозбудителя состоит из двух частей, а именно: из мощности, поступающей с вала, и мощности, поступающей трансформаторным путем от обмотки возбуждения синхронного генератора через полупроводниковый преобразователь и якорную обмотку возбудителя. Указанная мощность усиливается синхронным возбудителем, что и обеспечивает увеличение скорости нарастания напряжения на обмотке возбуждения синхронного генератора. Синхронный генератор как бы помогает возбудителю справиться с переходным процессом в генераторе. Заметим для сравнения, что этим свойством не обладает устройство, в отличие от предлагаемого, состоящее из синхронного генератора, бесщеточного синхронного возбудителя и подвозбудителя, выполненного с возбуждением из постоянных магнитов. Наоборот, переходный процесс в обмотке генератора снижает кратность форсировки возбудителя.

Синхронный генератор с возбудителем на постоянных магнитах также обладают указанным выше динамическим качеством "взаимной помощи", но наличие малого остаточного потока ограничивает зону токов возбуждения, при котором этот эффект действует. Введение постоянных магнитов только в части полюсов одновременно решает две задачи: улучшает динамические показатели комплекса и гарантирует стабильность указанного процесса, а также уменьшает диапазон изменения напряжения источника питания АРВ.

Формула изобретения

1. Синхронная машина с совмещенным многофункциональным бесщеточным возбудителем, состоящая из возбуждаемой синхронной машины, синхронного возбудителя, асинхронного и индукторного подвозбудителей, совмещенных в одной магнитной системе обращенного типа с числом пар полюсов Р > 2 явнополюсного исполнения, на полюсах размещена обмотка возбуждения, а в пазах полюсных наконечников совмещенная якорная обмотка указанных подвозбудителей, выполненная с шагом, кратным нечетному чису полюсных делений рабочей гармоники зубцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре, в пазах якоря уложена четырехфазная якорная обмотка возбудителя, выполненная с числом пазов на полюс и фазу, равным единице, отличающаяся тем, что магнитная система индуктора возбудителя состоит из полюсов с электромагнитным и комбинированным магнитоэлектрическим и электромагнитным возбуждением, причем количество полюсов с комбинированным возбуждением есть число четное, кроме того, полюса с комбинированным возбуждением выполнены различной и чередующейся полярности и расположены симметрично по окружности индуктора, а в пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением размещено по две катушки с различными шагами, одна из указанных катушек выполнена с тем же шагом, что и шаг катушек совмещенной якорной обмотки подвозбудителей, размещенной в пазах наконечников полюсов с электромагнитным возбуждением, вторая из указанных катушек выполнена с шагом, кратным четному числу полюсных делений рабочей гармоники зубцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре, якорная обмотка возбудителя имеет одну или несколько параллельных ветвей, максимальное число которых равно количеству полюсов с комбинированным возбуждением, и между заполненными якорной обмоткой возбудителя пазами выполнены пазы меньшей глубины, не заполненные указанной обмоткой.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что катушки, размещенные в пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением и имеющие шаг, кратный четному числу полюсных делений рабочей гармоники зубцового порядка результирующего поля в воздушном зазоре, соединены последовательно согласно, катушки, размещенные в пазах наконечников полюсов с комбинированным возбуждением и выполненные с тем же шагом, что и шаг катушек совмещенной якорной обмотки подвозбудителей, размещенной в наконечниках полюсов с электромагнитным возбуждением, также соединены последовательно согласно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права

Дата и номер государственной регистрации договора: 21.02.2011 № РД0076976

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:Открытое акционерное общество "Уралэлектротяжмаш - Уралгидромаш",Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Гермес"

(73) Патентообладатель(и):Закрытое акционерное общество "Энергомаш (Сысерть)-Уралгидромаш"

Адрес для переписки:ОАО "УЭТМ-УГМ", ул. Фронтовых Бригад, 22, г. Екатеринбург, Свердловская обл., 621017

Дата публикации: 10.04.2011

---