Скачать книгу из которой взят данный материал

БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ С ОБМОТКАМИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

особенность машин первого типа — наличие дополнительных зазоров в магнитной цепи и больших потоков рассеяния, особенности машин второго типа — увеличенный объем обмотки возбуждения и необходимость ее размещения в полом валу.

В перечисленных типах БЭМ обмотки якоря и возбуждения размещаются на статоре, а изменение магнитного потока в активной зоне обеспечивается благодаря специальной форме стального магнитопровода ротора. В 30...40-е годы нашего века были предложены БЭМ с вращающимися выпрямителями (см. § 3.2), обмотка возбуждения которых расположена на роторе, а ее питание постоянным током осуществляется через вращающийся выпрямитель от бесконтактного возбудителя. Интенсивное развитие машин этого типа началось в 60-е годы и продолжается по настоящее время в связи с быстрым совершенствованием полупроводниковой техники. Особенность БЭМ с вращающимся выпрямителем — объединение в одном агрегате нескольких органически связанных электрических машин. Поэтому при их изучении большое значение приобретают вопросы регулирования выходных показателей.

Аналитическое описание БЭМ с ОВ, как правило, базируется на классической теории синхронных электрических машин, в частности на тех ее элементах, которые были кратко рассмотрены в § 1.2. Специфические особенности расчетных моделей БЭМ с вращающимся выпрямителем, торцовых БЭМ, индукторных машин и машин с осевым возбуждением выявляются в процессе рассмотрения различных типов БЭМ с ОВ.

Бесконтактные машины с ОВ, обладая хорошими регулировочными качествами, широко применяются в разнообразных областях современной электроэнергетики.

§ 3.2. Бесконтактные синхронные машины с вращающимся

выпрямителем

В БЭМ с вращающимся выпрямителем (бесщеточных электрических машинах) основным элементом является обычная синхронная машина, у которой на статоре находится обмотка якоря, а на роторе — полюсы из магнитомягкой стали и обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. В отличие от обычной синхронной машины, у которой ток подается в ОВ через кольцевой щеточный контакт, в рассматриваемой машине питание ОВ осуществляется от специального возбудителя (В), обеспечивающего бесконтактную передачу энергии от статора к ротору электромагнитным путем. Так как при этом на ротор передается электрическая энергия переменного тока, возбудитель питает ОВ через установленный на роторе вращающийся выпрямитель, что и определяет название машины. Типичная компоновка элементов бесконтактной синхронной машины (БСМ) с вращающимся выпрямителем (ВВ) показана на рис. 3.1.

Типы возбудителей. В качестве возбудителя можно использовать вращающийся трансформатор (ВТ), асинхронный (АВ) и синхронный (СВ) возбудители.

Вращающийся трансформатор (рис. 3.2, а) содержит на статоре первичную цепь с обмоткой 01 и сердечником С1, а на роторе — вторичную цепь с обмоткой 02 и сердечником С2.

Сердечники С1 и С2 разделены минимально возможным конструктивным зазором 6. При питании обмотки 01 переменным током образуется переменный магнитный поток, замыкающийся через сердечники С/, С2 и зазор 6. Этот поток наводит ЭДС в обмотке 02, подключаемой к основной обмотке возбуждения ОВ через ВВ (см. рис. 3.1). Все процессы во вращающемся трансформаторе протекают так же, как и в обычном трансформаторе. Разница заключается лишь в ослабленной индуктивной связи между первичной и вторичной обмотками из-за дополнительного зазора в магнитопроводе. Конструкции ВТ отличаются большим многообразием (одно- и многофазные, цилиндрические и торцо-цепи возбуждения БЭМ, поскольку трансформатор обеспечивает лишь электромагнитную передачу энергии от статора к ротору.

Асинхронный возбудитель (рис. 3.2, б) представляет собой обычную асинхронную машину с первичной и вторичной респределенными многофазными (обычно трехфазными) обмотками 01 и 02, уложенными в пазах цилиндрических шихтованных магнитопроводов. Обмотка 01 питается переменным током и создает магнитный    поток,    вращающийся встречно по отношению к

ротору,    так    что    АВ    работает    со    скольжениями 5>1.    Зажимы об

мотки 02 соединены с входом ВВ. В обмотке 02 наводится ЭДС,    пропорцио

нальная скольжению 5, которая и используется для питания ОВ через ВВ. Поскольку на 02 действует тормозящая электромагнитная сила, компенсируемая моментом на    валу БЭМ,

асинхронный возбудитель не только обеспечивает трансформаторную передачу электрической энергии от статора к ротору, но и преобразует механическую энергию в электрическую, т. е. служит усилителем электрической мощности. Поэтому первичная цепь АВ рассчитывается на мощность, меньшую мощности возбуждения БЭМ, что является достоинством АВ.

Активная мощность обмотки 01 при заданной мощности 02 обратно пропорциональна 5, поэтому рационально увеличение 5 до 2...2,5. Однако при заданной скорости ротора и, следовательно, частоте основной сети увеличение 5 может обеспечиваться увеличением числа полюсов обмотки 01, что приводит к росту намагничивающей мощности АВ и его габаритов. Поэтому полная мощность обмотки 01 ненамного меньше мощности обмотки 02 (мощности возбуждения БЭМ). Достоинства АВ — его конструктивная простота и относительно малая электромагнитная постоянная времени, что улучшает быстродействие регулирования БЭМ.

В настоящее время наиболее распространены БСМ с синхронным возбудителем. Синхронный возбудитель (СВ) представляет собой обычный синхронный генератор с полюсами на статоре (рис. 3.3). Полюсы (рис. 3.3) охвачены обмоткой возбуждения возбудителя ОВВ, питаемой постоянным током, а многофазная обмотка якоря возбудителя ОЯВ со своим сердечником находится на роторе и подсоединяется к ОВ через вращающийся выпрямитель. Очевидно, что СВ, как и обычный синхронный генератор, является усилителем электрической мощности, так как мощность статорной обмотки ОВВ составляет лишь незначительную часть (4...8%) мощности роторной обмотки ОЯВ и соответственно мощности основной ОВ. Разница между мощностями ОЯВ И ОВВ определяется механической мощностью, затрачиваемой на вращение ОЯВ. Таким образом, БСМ с синхронным возбудителем имеют наименьшие мощности управляющих и регулирующих цепей, что выгодно отличает их от БСМ с ВТ и АВ. Недостаток СВ — повышенные по сравнению с ВТ и АВ электромагнитные постоянные времени и инерционность регулирования.

Синхронные возбудители, как правило, не имеют демпферных обмоток на полюсах в отличие от обычных синхронных генераторов, поскольку демпферные обмотки снижают быстродействие регулирования машины.

Во всех схемах БСМ с ВВ целесообразно иметь в возбудителе (ВТ, АВ, СВ) ненасыщенные стальные сердечники, чтобы зависимость тока возбуждения БСМ от тока первичной цепи возбудителя (тока управления) была близка к линейной. При сравнении БСМ с АВ и СВ следует иметь в виду, что по массогабаритным показателям БСМ с СВ рациональны при высоких частотах вращения ротора (7г>1000 об/мин), для тихоходных БСМ предпочтительнее использование АВ. Это связано с тем, что размеры СВ при заданной мощности определяются скоростью ротора (падают с ростом п), а размеры АВ в значительной мере зависят от скольжения (падают с ростом 5), которое может быть сделано большим даже при малых скоростях ротора за счет увеличения числа полюсов обмотки 01. Во всех случаях схемы с АВ превосходят схемы с СВ по быстродействию регулирования, но имеют относительно большие мощности управления.

В автономных энергоустановках (в авиации, на транспорте и т. п.), характеризуемых высокими частотами вращения электромеханических преобразователей, в большинстве случаев применяются БСМ с СВ. Мощные современные турбогенераторы (300 МВт и более) также часто выполняют бесконтактными с использованием СВ и ВВ. Схема возбуждения с СВ и ВВ принята и в ряде разрабатываемых перспективных мощных сверхпроводниковых генераторов.

Устройство и принцип работы БЭМ с ВВ. Для синхронных генераторов с СВ и ВВ существенное значение приобретает проблема самовозбуждения. Принципиально самовозбуждение может осуществляться за счет остаточного намагничивания стальных сердечников. Однако во многих случаях надежность такого вида возбуждения оказывается низкой, а инерционность выхода на режим — недопустимо большой. Поэтому в бесконтактных генераторах с СВ вводится дополнительный элемент — подвозбудитель (П), обеспечивающий быстрое и надежное возбуждение СВ. Подвозбудитель представляет собой синхронный генератор с постоянными магнитами на роторе, подобный по конструкции машинам, рассмотренным в § 2.8. Общий компоновочный эскиз генератора с СВ и П приведен на рис. 3.4. На статоре машины находится основная обмотка якоря ОЯ, обмотка возбуждения возбудителя ОВВ и обмотка якоря подвозбудителя ОЯП. На роторе располагаются основная обмотка возбуждения OB, обмотка якоря возбудителя ОЯВ, вращающийся выпрямитель ВВ и индуктор подвозбудителя ИП с постоянными магнитами.

В наконечниках основных полюсов обычно размещается короткозамкнутая стержневая обмотка КО. Она демпфирует колебания магнитного потока и повышает устойчивость синхронной машины.

В двигательном режиме КО может обеспечивать асинхронный пуск машины. Машина может выполняться как явнополюсной, так и неявнополюсной при повышенных частотах вращения (п ^ ^ 12 ООО об/мин).

В генераторном режиме БСМ с ВВ работает следующим образом. При вращении ротора наводится ЭДС в ОЯП и создается ток, который выпрямляется и питает ОВВ. Последнее обеспечивает наведение ЭДС в ОЯВ. Ток ОЯВ выпрямляется с помощью ВВ и питает OB, благодаря чему наводится основная ЭДС в ОЯ. Система оснащена автоматическим регулятором возбуждения (АРВ). Параметры генератора допускают плавное и глубокое регулирование за счет изменения тока в ОВВ. Подвозбуди-тель — высоконадежное звено, часто применяемое не только для начального возбуждения генератора, но и для питания ответственных цепей управления и защиты энергоустановок с БЭМ. Ток, создаваемый П, обычно имеет повышенную частоту (1000... 1600 Гц и более).

Вращающийся выпрямитель выполняется на основе кремниевых полупроводниковых вентилей с повышенной механической прочностью (вентилей таблеточного типа со специальными прочностными гибкими мембранами), называемых роторными вентилями и рассчитанных на работу при центробежных ускорениях 5000g и более. В ряде случаев их надежность, измеряемую интенсивностью отказов, можно довести до уровня надежности короткозамкнутой беличьей клетки в асинхронных двигателях, что дает основания считать, что, например, бесконтактные синхронные двигатели с ВВ по своей надежности не уступают асинхронным двигателям. Вентили ВВ соединяются по одной из стандартных выпрямительных схем (см. § 5.2). Наибольшее распространение в ВВ получили трехфазная мостовая схема выпрямления (двухполупе-риодная), обеспечивающая хорошее качество выпрямления тока и малое отличие мощностей на стороне переменного и постоянного токов, а также однополупериодные схемы выпрямления с нулевым проводом (трех-, шестифазные и др.)» которые, несмотря на ухудшенные энергетические показатели, позволяют понизить токовые нагрузки на вентили, сократить их число и повысить надежность ВВ.

Вентили ВВ закрепляются на несущей скобе (она может выполнять также роль теплоотводящего радиатора) или размещаются внутри полого вала (для высокооборотных конструкций, где велики центробежные силы). Вращение вентилей способствует их интенсивному охлаждению. При воздушном охлаждении (продуве) ВВ часто размещают в зоне подшипникового щита, через который в генератор подается холодный воздух.

Рис. 3.5. Защита вращающегося выпрямителя с помощью варистора (а), тиристоров и стабилитронов (б, в)

В большинстве случаев ВВ выполняются неуправляемыми на базе кремниевых диодов. Для улучшения динамических показателей некоторых типов БСГ могут использоваться управляемые ВВ на тиристорах, бесконтактное управление которыми осуществляется с помощью вспомогательных вращающихся трансформаторов. В перспективе для управляемых ВВ возможно применение фототиристоров.

Особенность работы вращающихся выпрямителей в БСМ заключается в необходимости их защиты от перенапряжений, возникающих в основной обмотке возбуждения при несинхронных режимах работы (например, при выпадении из синхронизма синхронного генератора или асинхронном пуске синхронного двигателя). В таких режимах ОВ не является неподвижной по отношению к потоку якоря (как при нормальной работе) и в ней наводятся большие асинхронные ЭДС Е_ас, способные вывести из строя выпрямитель. Защита ВВ может обеспечиваться с помощью варисторов, тиристоров, стабилитронов.

Схема с варистором наиболее проста. Варистор (нелинейное полупроводниковое сопротивление) 7?г> включается параллельно с ОВ (рис. 3.5, а) и шунтирует полуволны Е_гс, создающие наиболее опасные обратные напряжения на ВВ (полуволны Е_ас,

соответствующие прямому напряжению на выпрямителе, опасности для него не представляют и создают лишь асинхронные токи к.з. в ОВ, замыкающиеся через ВВ). При нормальной работе ва-ристор находится под номинальным напряжением OB; R_v велико и не оказывает существенного влияния на распределение токов. При перенапряжениях R_v существенно уменьшается (в 10...20 раз) и шунтирует ОВ, сохраняя обратное напряжение на ВВ в допустимых пределах. Основной недостаток схемы с варистором заключается в том, что асинхронная ЭДС имеет разные сопротивления для полуволн разных знаков:    при прямом напряжении на ВВ

сопротивление практически равно нулю, а при обратном напряжении на ВВ имеем R_v>0. Поэтому ток в ОВ становится несимметричным и приобретает постоянную составляющую, создающую тормозные моменты на роторе.

Защитные схемы на тиристорах более рациональны. Одна из них в упрощенном виде приведена на рис. 3.5, б. В схеме имеются тиристоры 77 и Т2, включенные параллельно В В, но с обратной относительно ВВ полярностью. Управление тиристорами осуществляется с помощью кремниевых стабилитронов КС1 и КС2. Когда асинхронная ЭДС создает на ВВ большие обратные напряжения, стабилитроны обеспечивают появление токов управления и включения тиристоров, последние полностью шунтируют ВВ. Два тиристора необходимы для того, чтобы шунтирующая ветвь не оставалась включенной под действием рабочего напряжения ВВ.

Возможно использование встречно включенных тиристоров 77 и Т2 со стабилитронами КС1 и КС2 и балластным сопротивлением R _Б, включаемым при любой полярности асинхронной ЭДС в случае превышения ею порогового напряжения стабилитронов (рис. 3.5, в). Дополнительный тиристор ТЗ при этом отключает ВВ от ОВ по сигналу от блока управления возбуждения БУВ, реагирующего на частоту Е_ас. Важно, чтобы все схемы защиты ВВ обеспечивали симметричную проводимость цепи ОВ для предотвращения появления постоянной составляющей асинхронного тока в ОВ.

Регулирование БЭМ с ВВ. Следует подчеркнуть, что рассматриваемая БСМ с ВВ является органическим объединением трех взаимодействующих каскадов преобразования механической энергии в электрическую, т. е. системой трех взаимосвязанных БЭМ. Взаимодействие между ними осуществляется не только путем взаимной передачи энергии, но и по цепям регулирования.

Рассмотрим взаимодействие между элементами бесщеточного генератора на примере системы с автоматическим регулятором возбуждения (АРВ), выполненным на базе магнитного усилителя с самоподмагничиванием (МУС). Последний (рис. 3.6) содержит обмотки переменного тока w ^ и обмотки постоянного тока — управления w_v и компаундирования до_к. В общем случае МУС также содержит стабилизирующую обмотку и обмотку для выравнивания реактивных мощностей при параллельной работе генераторов. Обмотки включены в диагонали выпрямительного моста В1, питаемого переменным током от обмотки ОЯП (в данном случае однофазной) и питающего постоянным током ОВВ.

Обмотка ш_у подключена к измерительному элементу ИЭ, представляющему собой нелинейный мост с тремя активными сопротивлениями (одно из них регулируемое) и стабилитроном Ст, питаемый от выпрямителя ВЗ, который, в свою очередь, через трансформатор Тр подключен к ОЯ. Такая схема ИЭ обеспечивает линейную зависимость выпрямленного напряжения на обмотке управления ш_у от рабочего напряжения ОЯ. Обмотка w_K подключена к выпрямителю В2, питаемому от трансформаторов тока ТТ, так что напряжение и ток обмотки w_K пропорциональны рабочему току ОЯ. Обмотки ш_у и wк имеют встречно направленные МДС.

При обесточенных обмотках ш_у и w_K токи в насыщают сердечники МУС, что обеспечивает малые индуктивные сопротивления обмоток wи большой ток в ОВВ. Токи в обмотках w_y и wк создают суммарную размагничивающую МДС в сердечнике МУС: Fp = F_y—F_K. Действие F_p таково, что сердечник становится ненасыщенным, индуктивное сопротивление обмоток w~ возрас-

АРВ и УВ. В некоторых случаях, наоборот, вместо УВ используется неуправляемый выпрямитель, а быстродействующее регулирование обеспечивается через ВТ и управляемый ВВ.

Рис. 3.8. Схема регулятора возбуждения с управляемыми вентилями

Анализ процессов в БСМ с вращающимся выпрямителем проводится на основе математической модели, построенной с помощью системы уравнений, которая обычно включает в себя уравнения Парка — Горева типа (1.16) и (1.18) для каждого каскада преобразования энергии (подвозбудителя, возбудителя, основной машины). Эти уравнения должны учитывать также внутренние связи между каскадами, наличие нелинейных звеньев типа ВВ и насыщающихся магкитопроводов, действие регуляторов и т. п.

Запишем в качестве примера уравнения электромагнитных процессов в координатах й и ^ для бесщеточного генератора, состоящего из двух каскадов: возбудителя с 2р_в полюсами на статоре и основного генератора с 2р полюсами на роторе, снабженном демпферными обмотками. Для роторных и статорных обмоток основного генератора в осях ^ и I/, связанных с ротором, согласно (1.16), (1.18) имеем:

—^в^*в4+-^в _а[(Н;    (3.1)

0=/?дЛ *+</чГд*/Л;    (3.2)

0=/?дЛ    (3.3)

-и_а=ц_а1_л+а    (3.4)

—и_ч '=/?Л+(з*⁵)

117