RU2410827C1

RU2410827C1 - Electric machine frequency converter

Info

Publication number: RU2410827C1
Application number: RU2009123813/07A
Authority: RU
Inventors: Виталий Арсеньевич Обухов (RU); Виталий Арсеньевич Обухов; Николай Владимирович Крупенин (RU); Николай Владимирович Крупенин; Юрий Павлович Юрьев (RU); Юрий Павлович Юрьев
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-01-27

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: invention relates to the field of electric engineering and design of controlled electric machine frequency converters used in controlled electric drives with AC machines. Converter comprises two AC machines with magnetic conductors on stators and rotors, with windings of anchors and inductors, and also unit of control and adjustment. Machine rotors are placed onto common shaft. Converter includes additional magnetic conductors on stator and rotor arranged of separate charged circular packets. AC toroidal windings are arranged between adjacent packets. Anchor winding of the first machine is installed on rotor and is joined to winding of rotor of additional magnetic conductor. Windings of anchors and inductors of both machines are arranged for AC. Their rotor windings are connected to each other with reverse phase sequence and are connected to windings of rotor of additional magnetic conductor. Winding of inductor of the second machine is located on stator and is connected to angle of control and adjustment. Output terminals of converter are connected to stator winding of the first machine, and input terminals are installed on toroidal winding of stator of additional magnetic conductor. ^ EFFECT: simplified design by elimination of sliding contacts. ^ 3 dwg

Description

Изобретение относится к регулируемым электромашинным преобразователям частоты, применяемым в регулируемом электроприводе с машинами переменного тока. Известны синхронные преобразователи частоты, где плавное регулирование частоты и амплитуды напряжения достигается изменением частоты вращения синхронного генератора с приводом по системе Г-Д (генератор-двигатель постоянного тока). Недостатками системы являются большая установленная мощность, габариты и наличие щеточного коллектора. Известна конструкция одномашинных умножителей частоты с совмещенными магнитопроводами и обмотками переменного тока (Труды III-й Всесоюзной конференции по бесконтактным электрическим машинам. Рига: «Зинатне», 1966 г., кн.1, с.211-215, кн.II, с.150-156). Недостаток этой конструкции заключается в отсутствии регулирования частоты на выходе преобразователя. Известна конструкция электромашинного преобразователя частоты, состоящего из двух машин переменного тока и двух униполярных машин, служащих узлом регулирования управления (Патент SU 1794273 A3, H02K 47/20 от 10.12.90 г. - Бюллетень №5 от 07.02.93 г.). Это техническое решение принято за прототип. Электромашинный преобразователь частоты содержит первую и вторую машины переменного тока с магнитопроводами на статорах и роторах, с обмотками якорей и индукторов, с входными и выходными клеммами, узел регулирования и управления, выполненный на базе униполярных машин с жидкометаллическим контактом. Прототипу присущи следующие недостатки: наличие скользящих жидкометаллических контактов, сложность конструкции. Цель изобретения - исключение скользящих контактов, упрощение конструкции. Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа установлен общий вал с размещенными на нем роторами первой и второй машин переменного тока, снабжен дополнительными магнитопроводами на статоре и роторе, выполненными из отдельных шихтованных кольцевых пакетов с размещенными между смежными пакетами тороидальными обмотками переменного тока, соотносящимися по расточке статора магнитопровода через кольцевой воздушный зазор, противоположные цилиндрические стороны пакетов снабжены дополнительными замыкающими магнитопроводами, обмотка якоря первой машины установлена на роторе и соединена с обмоткой ротора дополнительного магнитопровода, обмотки якорей и индукторов первой и второй машин выполнены для переменного тока, при этом роторные обмотки первой и второй машин соединены между собой с обратным следованием фаз и подключены к обмотке ротора дополнительного магнитопровода, обмотка индуктора второй машины установлена на статоре и подключена к узлу управления и регулирования, статорная обмотка первой машины подключена к выходным клеммам, входные клеммы установлены на тороидальной обмотке статора дополнительного магнитопровода. Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: наличие общего вала с роторами двух машин, снабжение дополнительным магнитопроводом с обмотками на статоре и роторе, размещение входных клемм на статоре дополнительного магнитопровода.The invention relates to adjustable electric machine frequency converters used in a controlled electric drive with AC machines. Synchronous frequency converters are known, where smooth regulation of the frequency and amplitude of the voltage is achieved by changing the rotational speed of a synchronous generator with a drive according to the G-D system (generator-DC motor). The disadvantages of the system are the large installed capacity, dimensions and the presence of a brush collector. The design of single-machine frequency multipliers with combined magnetic circuits and AC windings is known (Proceedings of the 3rd All-Union Conference on Contactless Electric Machines. Riga: "Zinatne", 1966, book 1, pp. 211-215, book II, p. 150-156). The disadvantage of this design is the lack of frequency control at the output of the converter. A known design of an electric machine frequency converter, consisting of two AC machines and two unipolar machines serving as a control regulation unit (Patent SU 1794273 A3, H02K 47/20 from 12/10/90 - Bulletin No. 5 of 02/07/93). This technical solution is taken as a prototype. The electric machine frequency converter contains the first and second alternating current machines with magnetic circuits on the stators and rotors, with windings of anchors and inductors, with input and output terminals, a control and control unit, made on the basis of unipolar machines with liquid metal contact. The prototype has the following disadvantages: the presence of sliding liquid metal contacts, the complexity of the design. The purpose of the invention is the exclusion of sliding contacts, simplifying the design. This goal is achieved by the fact that, in contrast to the prototype, a common shaft is installed with the rotors of the first and second alternating current machines located on it, equipped with additional magnetic circuits on the stator and rotor, made of separate charged ring packets with alternating current toroidal windings between adjacent packets, corresponding along the stator bore of the magnetic circuit through an annular air gap, the opposite cylindrical sides of the packages are equipped with additional closing magnetic circuits , the armature winding of the first machine is mounted on the rotor and connected to the rotor winding of the additional magnetic circuit, the windings of the anchors and inductors of the first and second machines are made for alternating current, while the rotor windings of the first and second machines are interconnected with reverse phase sequence and connected to the rotor winding of the additional the magnetic circuit, the inductor winding of the second machine is installed on the stator and connected to the control and regulation unit, the stator winding of the first machine is connected to the output terminals, input terminals Credited on the toroidal winding of the stator magnetic circuit further. Distinctive features of the invention are: the presence of a common shaft with the rotors of two machines, the supply of an additional magnetic circuit with windings on the stator and rotor, the placement of input terminals on the stator of the additional magnetic circuit.

Предложение соответствует критерию «существенные отличия», так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.2 «Правила составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение»), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.The proposal meets the criterion of "significant differences", as from the well-known list of information established by the regulatory document (Clause 2, "Rules for Compiling, Filing and Considering an Application for the Issue of a Patent for an Invention"), technical solutions with signs similar to those declared were not found.

На Фиг.1 изображена конструктивная схема электромашинного преобразователя частоты, на Фиг.2 - сечение A-A, на Фиг.3 - сечение B-B (C-C).Figure 1 shows a structural diagram of an electric frequency converter, figure 2 - section A-A, figure 3 - section B-B (C-C).

Электромашинный преобразователь частоты включает: первую машину со статором 1 и обмоткой переменного тока 2, ротор 3 с обмоткой переменного тока 4, дополнительный магнитопровод статора 5 с отдельными кольцевыми пакетами 6, с тороидальными обмотками переменного тока 7 и замыкающими магнитопроводами 8, дополнительный магнитопровод ротора 9 с отдельными кольцевыми пакетами 10, с тороидальными обмотками переменного тока 11 и замыкающим магнитопроводом 12, кольцевой воздушный зазор 13 между дополнительными магнитопроводами статора и ротора, общий вал 14, вторую машину со статором 15 и обмоткой переменного тока 16, ротор 17 с обмоткой переменного тока 18, систему управления и регулирования 19, выходные клеммы 20, входные клеммы 21.The frequency converter includes: the first machine with a stator 1 and an alternating current winding 2, a rotor 3 with an alternating current winding 4, an additional stator magnetic circuit 5 with separate ring packets 6, with toroidal alternating current windings 7 and closing magnetic circuits 8, an additional rotor magnetic circuit 9 s individual ring packets 10, with toroidal windings of alternating current 11 and the closing magnetic circuit 12, the annular air gap 13 between the additional magnetic circuits of the stator and rotor, the common shaft 14, a second machine with a stator 15 and an alternating current winding 16, a rotor 17 with an alternating current winding 18, a control and regulation system 19, output terminals 20, input terminals 21.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на входные клеммы 21 по тороидальным обмоткам статора 7 протекает переменный ток в трех фазах статора, создающий пульсирующий магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу, образованному смежными кольцевыми пакетами статора 6 и ротора 10 и дополнительными замыкающими магнитопроводами 8 и 12. Этот магнитный поток наводит ЭДС в тороидальных обмотках 11 ротора частотой, равной частоте тока обмоток 7 статора, под действием которой по замкнутым контурам, образованным обмотками 11 и обмоткой переменного тока 4 первой машины, а также обмоткой 11 и обмоткой переменного тока 18 второй машины, протекают токи, создающие вращающиеся магнитные поля в зазорах первой и второй машин. Вращающееся магнитное поле первой машины наводит ЭДС в обмотке 2 статора 1, от которой получает питание, требуемой частоты тока, обмотка индуктора 16 второй машины посредством системы управления и регулирования 19. При взаимодействии полей, возбуждаемых обмоткой переменного тока 18 и обмоткой индуктора 16, вторая машина создает электромагнитный момент, приводящий во вращение вал 14 преобразователя частоты в направлении, противоположном вращению электромагнитного поля обмотки 18. Поскольку обмотки ротора 4 и 18 первой и второй машин соединены с встречным следованием фаз, то направление вращения электромагнитного поля, создаваемого обмоткой 4 ротора первой машины, будет совпадать с направлением вращения вала 14, а следовательно, частота тока индуктируемого в обмотке 2 статора первой машины будет определяться результирующим значением частоты вращения электромагнитного поля обмотки 4 относительно обмотки 2 статора (n_ст=n_o±n_p).The device operates as follows. When voltage is applied to the input terminals 21, an alternating current flows in the three phases of the stator through the toroidal windings of the stator 7, creating a pulsating magnetic flux that closes along the magnetic circuit formed by the adjacent ring packets of the stator 6 and rotor 10 and additional closing magnetic circuits 8 and 12. This magnetic flux induces EMF in the toroidal windings of the rotor 11 with a frequency equal to the frequency of the current of the stator windings 7, under the action of which along closed circuits formed by the windings 11 and the alternating current winding 4 of the first m bus, as well as winding 11 and the winding 18 of the second AC machine currents flow, creating a rotating magnetic field in the gaps of the first and second machines. The rotating magnetic field of the first machine induces an EMF in the winding 2 of the stator 1, from which it receives power, of the required current frequency, the winding of the inductor 16 of the second machine through a control and regulation system 19. When the fields excited by the AC winding 18 and the inductor winding 16 interact, the second machine creates an electromagnetic moment, which drives the shaft 14 of the frequency converter in a direction opposite to the rotation of the electromagnetic field of the winding 18. Since the windings of the rotor 4 and 18 of the first and second machines are connected to counter phase sequence, the direction of rotation of the electromagnetic field generated by the winding 4 of the rotor of the first machine will coincide with the direction of rotation of the shaft 14, and therefore, the frequency of the current inducted in the winding 2 of the stator of the first machine will be determined by the resulting value of the frequency of rotation of the electromagnetic field of the winding 4 relative to winding 2 stator (n _st = n _o ± n _p ).

;

где n_ст - частота вращения поля статора первой машины,where n _article - the rotation frequency of the stator field of the first machine,

n_o - частота вращения поля ротора первой машины,n _o is the frequency of rotation of the rotor field of the first machine,

n_p - частота вращения вала ротора преобразователя,n _p is the rotational speed of the rotor shaft of the Converter,

f_ст - частота тока на выходе статора,f _article - current frequency at the output of the stator,

f_o - частота тока питающей сети (на входе в преобразователь частоты),f _o - current frequency of the supply network (at the input to the frequency converter),

p₁, p₂ - числа пар полюсов первой и второй машины соответственно,p ₁ , p ₂ - the number of pairs of poles of the first and second machines, respectively,

f_упр - частота тока в системе управления и регулирования.f _control - the frequency of the current in the control and regulation system.

Требуемое значение частоты тока на выходе преобразователя частоты достигается за счет регулирования частоты вращения ротора (выбором требуемой частоты вращения вала ротора).The required value of the current frequency at the output of the frequency converter is achieved by controlling the rotor speed (by selecting the desired rotor shaft speed).

Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в исключении скользящих контактов, упрощении конструкции.The advantages of the proposed technical solution compared to the prototype are the exclusion of sliding contacts, simplifying the design.

Claims

An electric machine frequency converter containing the first and second alternating current machines with magnetic circuits on the stators and rotors, with windings of anchors and inductors with input and output terminals, and a regulation and control unit, characterized in that a common shaft is installed with the first and second rotors placed on it machines, is equipped with additional magnetic circuits on the stator and rotor, made of separate charged ring packets with toroidal AC windings placed between adjacent packets, correlating cored in the stator bore of the magnetic circuit through an annular air gap, the opposite cylindrical sides of the packages are provided with additional closing magnetic circuits, the windings of the anchors and inductors of the first and second machines are made for alternating current, while the rotor windings of the first and second machines are interconnected with the reverse phase sequence and connected to the rotor winding of the additional magnetic circuit, the inductor winding of the second machine is mounted on the stator and connected to the control and regulation unit, the stator winding ka first machine is connected to the output terminals, the input terminals are mounted on the stator winding of the toroidal magnetic circuit further.