Электромашинные преобразователи частоты с использованием синхронного генератора

Преобразователь состоит из агрегата постоянной скорости (М1,G1), предназначенного для преобразования переменного тока сетевого напряжения и неизменной частоты в регулируемое постоянное напряжение, которое зависит от тока возбуждения генератора постоянного тока G1. Двигатель постоянного тока М2 агрегата переменной скорости получает питание от генератора G1. При изменении напряжения на выводах генератора G1 (с помощью резистора R1) плавно регулируется угловая скорость двигателя М2 и одновременно угловая скорость синхронного генератора G2, что позволяет регулировать частоту выходного тока G2. Напряжение на выходе G2 можно регулировать током возбуждения синхронного генератора с помощью R3.

От синхронного генератора G2, являющегося источником напряжения с переменной частотой и амплитудой, питается один или группа асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором МЗ — М5. Меняя направление тока возбуждения генератора постоянного тока G1, можно изменять направление вращения асинхронных двигателей. При неизменном токе возбуждения синхронного генератора G2 и двигателя постоянного тока М2, меняя его угловую скорость, можно автоматически регулировать выходное напряжение по закону U2/f2=const. В данном случае, со снижением частоты снижается перегрузочная способность асинхронных двигателей и поэтому диапазон регулирования при постоянном моменте нагрузки заметно уменьшается. Больший диапазон регулирования с обеспечением необходимой перегрузочной способности (по отношению к статическому моменту нагрузки) может быть получен при вентиляторной нагрузке.

Независимо от частоты (угловой скорости) синхронного генератора G2 амплитуда напряжения на его выходе может регулироваться только вниз от номинального значения.

Если мощность, потребляемая асинхронными двигателями от источника регулируемой частоты, равна Рном, то при пренебрежении потерями в машинах общая установленная мощность преобразователи частоты составит .

С учетом потерь энергии в машинах преобразователя частоты его установленная мощность будет превышать четырехкратное значение установленной мощности нагрузки, что является недостатком электромашинного преобразователя частоты. Другим его недостатком является низкий КПД, определяемый произведением КПД отдельных машин. Если, например, КПД каждой машины при полной нагрузке принять равным 0,9, то номинальный КПД преобразователя составит 0,94 = 0,66. С уменьшением нагрузки и при регулировании угловой скорости двигателей МЗ — М5 вниз от основной КПД становится еще меньше.

Регулирование частоты связано с преодолением значительной механической и электромагнитной инерционности, которой обладает электромашинный преобразователь.

Расщепитель фаз.

Для использования во вспомогательных машинах электровоза асинхронных двигателей (АД) необходимо преобразовать однофазный переменный ток в трёхфазный. В качестве такого преобразователя используют асинхронный расщепитель фаз (РФ), представляющий собой асинхронную машину с несимметричной обмоткой статора.

Принцип действия расщепителя фаз.

Принцип преобразования однофазного напряжения в трёхфазное с помощью расщепителя фаз основан на свойстве вращающегося магнитного поля индуцировать в трёхфазной статорной обмотке ЭДС, которая то же будет трёхфазной.

Обмотка статора РФ представляет собой несимметричную звезду с неодинаковым числом пазов на полюс и фазу и с разным числом витков в катушечных группах. Две обмотки принадлежат одновременно двигателю и генератору, а третья – только генератору.

Двигательная обмотка подключена к обмотке собственных нужд тягового трансформатора и предназначена для приведения во вращение ротора. Генераторная обмотка создаёт только третью фазу и подключена к двигательной обмотке, но не в нулевой точке, а в точке, обеспечивающей наилучшую симметрию напряжений.

Для разгона расщепителя фаз до номинальной частоты вращения применяется специальный конденсатор Сп или добавочное сопротивление, включенное с помощью контакта П между генераторной фазой и одним из концов двигательной фазы (асинхронный пуск). Так как пуск происходит на холостом ходу, то высокого пускового момента не требуется.

По двигательной обмотке протекает однофазный переменный ток, и в его рабочем зазоре образуется не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Для получения сдвига фаз между токами генераторной и двигательной обмоток в цепь генераторной обмотки включается активное сопротивление. Ток генераторной обмотки оказывается сдвинутым по фазе на некоторый угол по отношению к току двигательной обмотки. Этого сдвига достаточно для пуска и разгона двигателя без нагрузки. Когда частота вращения ротора достигает 1430 об/мин, расщепитель фаз переходит в режим работы как однофазный асинхронный электродвигатель.

Вращающееся магнитное поле, созданное токами двигательной обмотки и ротора, пересекает витки генераторной обмотки, наводя в ней ЭДС. Так как Генераторная часть обмотки сдвинута в пространстве относительно двигательных обмоток на угол 120⁰, то её ЭДС будет сдвинута на тот же угол. Чтобы обеспечить симметрию трёхфазного напряжения при несимметричных падениях напряжения в отдельных фазах, обмотку статора выполняют несимметричной с разным количеством витков.

Устройство расщепителя фаз НБ – 455А.

Расщепители фаз устанавливаются по одному в каждой секции электровоза и работают раздельно. Расщепители фаз НБ – 455 и НБ – 455А выполнены на базе расщепителя фаз НБ – 453А и предназначены для преобразования однофазного напряжения обмотки собственных нужд тягового трансформатора в трёхфазную систему с линейным напряжением 380 В. Нормальная работа РФ обеспечивается при колебаниях напряжения питающей цепи в диапазоне 280…460 В, исполнение – защищённое с самовентиляцией, горизонтальное.

Статор РФ отлит из серого чугуна СЧ 12-28. По конструкции он аналогичен статору электродвигателей АП и АС. Подшипниковые щиты стальные сварные. Сердечник статора набран из листов электротехнической стали 1213 толщиной 0,5 мм, покрытых с обеих сторон лаком и спрессованных с усилием 120…210 кН. Пазы статора полузакрытого типа и для улучшения пусковых свойств имеют скос на одно зубцовое деление.

Обмотка статора двухслойная, трёхфазная, несимметричная, состоит из мягких катушек, имеющих несколько вариантов исполнения.

Катушечные группы соединены скруткой и прикреплены к выводным проводам хомутиками из мягкой листовой меди толщиной 1,5 мм. Предварительно соединения обматывают тонкой медной проволокой и припаивают припоем ПОС – 40. После этого их изолируют двумя слоями стеклолакоткани ЛСЭ – 19 толщиной 0,2 мм и одним слоем вполнахлёста тафтяной ленты толщиной 0,25 мм. Выводы обмотки статора присоединены к зажимам клеммной коробки типа КЗ. Обмотка в пазах закреплена клиньями высотой 7 мм и дважды пропитана лаком МГМ8. Каждая катушка подвязана к изолированному бандажному кольцу. Статор с обмотками дважды пропитывается лаком МГМ8.

Сердечник ротора набран из нелакированных листов электротехнической стали 1211. Его короткозамкнутая обмотка залита алюминием А1. Подшипниковые щиты и крышки отлиты из серого чугуна СЧ 12 -28. В нижней части щитов имеются люки, через которые поступает воздух. В качестве подшипников качения использованы шариковые подшипники типа 317.

Расщепитель фаз в холодном состоянии допускает протекание тока короткого замыкания при неподвижном роторе не более 20 с при напряжении 260 В и 6 с принапряжении 460 В. Повторное включение при токе короткого замыкания недопустимо и в крайнем случае может быть произведено не ранее, чем через 10 мин.