2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА БСМ
К настоящему времени предложен и реализован ряд схем СМ, позволяющих осуществить их возбуждение без применения щеточно-контактного аппарата при удовлетворении всего ряда технических требований, предъявляемых к СМ. Функциональная структура БСМ, учитывающая практически все возможные схемы и связи, приведена на рис. 1.
Вращающаяся часть БСМ, включая смонтированные совместно с ОВ СМ элементы бесщеточной системы возбуждения (БСВ), может состоять из ПбВ, Вб, ПЗУ, УУВ, ИП. При этом возбудитель Вб является источником энергии переменного тока на вращающемся валу СМ, необходимой для возбуждения машины. Преобразование этой энергии в энергию постоянного тока осуществляется с помощью полупроводникового ПбВ. Пуско-защитное устройство ПЗУ предназначено для ограничения перенапряжений на ОВ. и ПбВ, индуктируемых в ОВ СМ при переходных режимах (пуске, синхронизации, ресинхронизации и т.д.), а также для формирования необходимых пусковых характеристик, что актуально для БСД. Устройство управления вращающееся УУВ производит управление элементами ПЗУ и ПбВ, если в них применяются управляемые вентили-тиристоры (ДУ). Источник питания ИП обеспечивает необходимую для возбуждения возбудителя Вб энергию и при необходимости питание и синхронизацию работы устройства УУС. При использовании для этих целей непосредственно энергии с вала БСМ отдельные элементы ИП могут входить в ВЧ БСМ.
Преобразователь ПбС выполняет функцию преобразования напряжения ИП по частоте и (или) амплитуде и подключается к зажимам статорной обмотки (обмоток) Вб.
Устройство УУС производит управление ПбС или (и) ИП, к выходу которого подключены статорные обмотки Вб, при пуске, остановке, синхронизации и ресинхронизации, а также автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) БСМ по заданному закону.
Устройство измерения тока УИТ обеспечивает бесконтактное измерение тока возбуждения СМ или тока фазы якоря синхронного возбудителя переменного тока.
Рис. 1. Функциональная структура БСМ
КА - контактная аппаратура; ВЧ — вращающаяся часть; ОВ — обмотка возбуждения СМ; ПбВ - преобразователь вращающийся; Вб - возбудитель переменного тока; ПЗУ - пуско-защитное устройство; УУВ - устройство управления вращающееся; ИП - источник питания; ПбС - преобразователь статический; УИТ - устройства измерения тока ротора; УЗВЧА - устройство защиты от повреждений во вращающейся части и выявления асинхронного режима БСМ; УУС - устройство управлений статическое; УПСУ - устройство передачи сигнала управления на ВЧ; ИА - измерительная аппаратура
Сигнал с его выхода может использоваться в УУС для создания цепей соответствующих корректирующих обратных связей и в УЗВЧА для выявления повреждений в ВЧ и асинхронного режима БСМ.
Данная функциональная структура является общей для всего класса БСМ. В состав конкретных структур (схем) БСМ могут входить различные комбинации элементов функциональной структуры. Кроме того, отдельные элементы могут быть схемно и (или) конструктивно объединены.
Ниже рассматриваются схемы отдельных элементов БСМ и дается оценка степени их разработанности с точки зрения применения в практических схемах БСМ.
2.1. Возбудители переменного тока
В качестве возбудителей (Вб) переменного тока БСМ могут применяться синхронные (ВбС), асинхронные (ВбА), гармонические (ВбГ), комбинированные (каскадные) (ВбК) возбудители и вращающиеся трансформаторы (ВбТ). Возбудители могут магнитно и (или) электрически совмещаться с основной СМ. Такие БСМ получили название совмещенных синхронных машин БСМС.
Синхронные возбудители ВбС в настоящее время наиболее часто используются в промышленных схемах БСМ и представляют собой обращенный синхронный генератор с вращающимся якорем и неподвижной обмоткой возбуждения (ОВВ) (рис. 2). Число фаз якоря ВбС обычно три. Обмотка якоря может быть из жестких секций или всыпной. Соединение обмоток якоря - звезда или треугольник. Для улучшения формы напряжения некоторые фирмы изготовляют возбудители со скосом пазов. С целью уменьшения угла коммутации ПбВ и лучшего использования ВбС последний может быть выполнен с мощной демпферной клеткой.
Рис. 2. Схема БСМ с ВбС
При значительных токах возбуждения якорная обмотка выполняется расщепленной, состоящей из ряда самостоятельных параллельных ветвей (рис. 3). Каждая ветвь подключена к отдельному вентилю и образована из витков, последовательно соединенных и равномерно распределенных по сердечнику якоря. Такая обмотка позволяет улучшить распределение тока по параллельным ветвям и уменьшить тепловую и магнитную несимметрию, вызванную пробоем вентиля ПбВ.
Рис. 3. БСМ с ВбС с расщепленной обмоткой якоря и генератором с постоянными магнитами (МЭГ)
Обычно ВбС выполняется в виде явнополюсной СМ. При этом, учитывая незначительное влияние ВбС на общие энергетические характеристики БСМ, к параметрам его не предъявляют жестких требований.
Реактивности возбудителя выбираются из условия обеспечения работы ПбВ с углом коммутации γ<60° эл., т.е. в первом режиме для мостовых схем ПбВ.
Для упрощения аппаратуры устройства УУС и схем АРВ на индукторе ВбС по оси "о" размещают две и более ОВВ, создающих результирующую м.д.с. индуктора ВбС (рис. 4, 5, 6). При наличии двух ОВВ одна из них обычно питается от системы компаундирования (СК) или канала напряжения (КН), а вторая - от АРВ, производящего коррекцию напряжения (режима) БСА1 (рис. 4, 5). Наличие трех обмоток ОВВ позволяет осуществить управление ВСМ по дифференциальному принципу и увеличить быстродействие ВбС.
Появление БСМ привело к необходимости широкого применения в практике "сквозных" регулировочных характеристик, представляющих собой зависимость тока возбуждения СМ от тока возбуждения индуктора ВбС. Такая характеристика позволяет оценить регулировочные свойства ВбС и устанавливать при эксплуатации необходимый режим БСМ. Однако сквозная регулировочная характеристика является нелинейной и неоднозначной из-за изменения теплового состояния СМ и ВбС при изменении режима работы БСМ. Семейство сквозных регулировочных характеристик одного типа БСД фирмы Marclli показано на рис. 7 [18].
Для обеспечения начального возбуждения БСМ в ряде разработок ВбС предусмотрены постоянные магниты в магнитопроводе индуктора [1 9-22].
Синхронные возбудители характеризуются высоким коэффициентом усиления по мощности 16+175. Это в значительной степени обусловило массовость их применения, так как позволило резко снизить габариты аппаратуры управления возбуждением СМ.
К достоинствам ВбС относится также возможность иметь зазор между якорем и индуктором, сопоставимый по величине с зазором СМ, что упрощает конструкцию и технологию производства БСМ. Недостатками ВбС являются значительные инерционность и увеличение габаритов при снижении частоты вращения.
Рис. 4. Схема БСГ фирмы Jeumont Schneider
Рис. 5. Схема БСМ с двумя ОВВ и ТОТ в цепи ОВВ1
Рис. 6. Схема БСМ с тремя ОВР по оси d
Рис. 7. Семейство сквозных регулировочных характеристик БСД фирмы Marelli
Рис. 8. Схема БСМ с ВбА
В [23-25] показано, что при частотах вращения менее 500 об/мин целесообразно применять возбудители других типов.
Асинхронный возбудитель (ВбА) позволяет получать экономичную бесщеточную систему возбуждения СМ для широкого диапазона частот вращения СМ и в первую очередь при частоте вращения ротора 500-600 об/мин. В общем случае (рис. 8) ВбА является асинхронной машиной с фазным ротором, работающей в режиме преобразователя частоты (электромагнитного тормоза) со скольжением S>1. Соединение обмоток ВбА - звезда или треугольник. Активная мощность статора ВбА
(1)
ротора возбудителя
(2)
где Р - составляющая активной мощности ротора, получаемая за счет использования механической мощности с вала БСМ.
Из (1) видно, что с ростом скольжения величина Р может быть уменьшена. Однако при этом возрастают габариты и усложняется конструкция ВбА. Изучение зависимости массо-габаритных показателей ВбА в зависимости от скольжения показало, что массо-габаритные показатели ВбА минимальны при S =1,34-2,5. В каждом конкретном случае при сопоставлении ВбА и ВбС нужно учитывать реальную схему регулирования в цепи статора ВбА, так как коэффициент усиления по мощности ВбА мал и находится в пределах К- 14-5. Кроме того, ВбА потребляет от ИП значительную реактивную мощность.
ВбА обеспечивает высокое быстродействие БСВ при набросах нагрузки (при диодном ПбВ), но имеет в 3-5 раз меньший воздушный зазор, что предъявляет особые требования к конструкции БСМ. Несмотря на этот недостаток, ВбА применяется в промышленных БСМ и ведется его дальнейшее совершенствование.
Схема БСМ с ВбА, регулируемым с помощью дроссель-трансформатора ДрТ, приведена на рис. 9. В данной БСМ может быть достигнуто эффективное АРВ, а также повышена устойчивость работы БСМ за счет внесения отрицательного сопротивления 0,1-0,5% в цепь статора. Последнее распространяется на низковольтные БСМ, что и определяет область применения схемы.
Для изучения СМ мощностью до 500 кВт и напряжением статора 400 В представляет интерес схема (рис. 10), где статор ВбА выполнен в виде трехобмоточного трансформатора. Для поддержания напряжения в узле нагрузки в обмотку статора ВбА включен дроссель и APB.
Рис. 9. Схема БСМ с ВбА и дроссель-трансформатором
Рис. 10. Схема БСМ с ВбА в виде трехобмоточного трансформатора
Рис. 11. Схема БСМ с ВбА, управляемых ПбС на симисторах или встречнопараллельно включенных тиристорах
Широкому диапазону мощностей БСМ удовлетворяет схема на рис. 11с ВбА, управляемым в цепи статора преобразователем ПбС на симисторах или встречно-параллельно включенных тиристоpax, управление которыми осуществляется с помощью импульсного устройства ИУ. При этом возможно выполнение ПбС как по симметричной, так и по несимметричной схеме.
Упрощение БСМ можно проиллюстрировать схемой (рис. 12), где одна из фаз статора ВбА закорочена, а две другие подключены к однофазной сети переменного тока. При этом результирующая ось обмоток фаз, соединенных с однофазной сетью, перпендикулярна магнитной оси короткозамкнутой обмотки. Данная схема предложена для СГ с переменной частотой вращения [35].
Улучшение использования элементов БСМ по мощности и улучшение формы кривой напряжения на ОВ СМ достигается в БСМ, схема которой приведена на рис. 13. БСМ содержит два отдельных возбудителя ВбД1 и В6А2, статорные обмотки которых присоединены в противоположных фазах к зажимам ИП переменного тока. Роторные обмотки ВбА подключены через последовательно соединенные ПбВ1 и П6В2 к зажимам ОВ СМ. Применение такой схемы целесообразно в БСМ значительной мощности [36J.
Каскадные возбудители ВбК являются сравнительно новым типом возбудителей БСМ и состоят из каскадносоединенных ВбА и (или) ВбС. Каскадное соединение ВбА и ВбС придает БСМ с ВбК новое свойство - регулирование тока возбуждения по рабочему углу θ СМ, что позволяет осуществить повышенную точность поддержания режима БСМ при изменении нагрузки в широком диапазоне [37, 38J. Обмотки статора (индуктора) ВбА обычно получают питание от системы фазового компаундирования (СФК) или трансформатора тока в цепи статора СМ, а обмотка возбуждения ВбС - от источника постоянного тока, например ПбС, переменная сторона которого подключена через согласующий трансформатор или дроссель Др к сетевым зажимам БСМ (рис. 14 и 15). При последовательном соединении якорей ВбС и ВбА условием каскадной работы их является равенство выходных частот, которое соблюдается при условии
(3)
где р - число пар полюсов ВбА, ВбС и СМ соответственно.
В зависимости от соотношения мощностей якорей ВбА и ВбС в СМ могут быть получены различные динамические свойства, причем с ростом мощности ВбА улучшаются динамические характеристики БСМ.
Для улучшения динамических и статических характеристик БСМ ВбС каскадного возбудителя выполняют с двумя взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения (рис. 16). При этом числа пар полюсов р связаны между собой соотношением
(4)
Рис. 13. Схема БСМ с двумя ВбА на валу
Рис. 15. Схема БСМ с каскадным соединением и магнитным совмещением ВбА и ВбС
Рис. 14. Схема БСМ с ВбА (якоря ВбА и ВбС соединены последовательно)
Рис. 12. Схема БСМ с ВбА для СГ с переменной частотой вращения
Положительный знак соответствует согласному направлению намагничивающих сил (н.с.) статора и ротора ВбА, а отрицательный - встречному. Различие чисел пар полюсов ВбА и ВбС возбудителя обеспечивает изменение взаимного положения векторов ЭДС холостого хода якорей машин и регулирование тока возбуждения по углу θ СМ в статических режимах. Встречное включение якорей ВбС и ВбА создает отрицательную обратную связь тока по напряжению. Благодаря тому что якорь ВбА выполняется более мощным по сравнению с якорем ВбС, БСМ имеет повышенные динамические свойства. При внезапном набросе нагрузки БСМ благодаря компаундирующему действию СФК (см. рис. 16) увеличивается ЭДС в якоре ВбА, а ЭДС якоря ВбС уменьшается из-за снижения напряжения на статоре СМ, что приводит к форсированию тока возбуждения. Необходимый ток в обмотках возбуждения ОВВ1 и ОВВ2 может устанавливаться с помощью реостатов Rl и R2 без применения АРВ [39].
Условия (3) и (4) являются необязательными при использовании одного из возбудителей ВбК в виде подвозбудителя, обеспечивающего БСВ положительную обратную связь по току возбуждения.
В схеме (рис. 17) индукторные обмотки ВбА подключены к якорным обмоткам ВбС, а якорные обмотки ВбА (подвозбудителя) через преобразователь ПбС обеспечивают питанием ОВВ ВбС [40].
В БСГ фирмы ASEA (Швеция) применено каскадное соединение двух ВбС (рис. 18), причем обмотка возбуждения подвозбудителя ВбС 2 включена между нулевым выводом основного возбудителя ВбС1 и общим выводом вентилей катодной группы ПбВ. Применение такого возбудителя и полууправляемого ПбВ позволило получить при набросе на БСГ нагрузки 125% по току с низким cos φ провал напряжения не более 15% и время восстановления напряжения 
[41, 42].
В каскадном возбудителе с двумя раздельными обмотками возбуждения на статоре и роторе не всегда удается спроектировать совмещенные обмотки на роторе при использовании стали серийно выпускаемых синхронных двигателей, что актуально при модернизации синхронных двигателей в условиях ремонтных служб. Данная задача решена в ВбК магнитным совмещением ВбА или ВбС, ротор которого выполнен однофазным. Данный ВбК получил название каскадного асинхронно-синхронного ВбКС с однофазным ротором (ВбКО). В пазах статора ВбКО расположена совмещенная по принципу нулевых точек обмотка с несколькими параллельными ветвями, выполняющая функцию ВбА со стороны переменного тока и функцию ВбС со стороны нулевых точек.
Рис. 16. Схема БСМ с ВбС с двумя взаимно перпендикулярными ОВВ
Рис. 17. Схема ЕСВ с ВбА (ВбА - подвозбудитель)
Рис. 18. Схема БСГ фирмы ASEA (Швеция)
Рис. 19. Схема БСМ с ВбК с однофазным ротором
Рис. 20. Схема БСМ с ВбГ и несинусоидально распределенной обмоткой якоря
Рис. 21. Схема БСМ с ВбГ с двумя ВбА
Рис. 22. Схема БСМ с ВбГ с ВбА и ВбС
ВБС
Рис. 23. Схема БСМ с ВбГ с ВВС с двумя ОВВ
Выводы переменного тока подключаются к сети переменного тока через согласующий СТр, а нулевые точки обмоток статора - к выходу ПбС, вход которого соединен с трансформатором СТр (рис. 19). Преимуществом данной обмотки статора является простота, технологичность, лучшее заполнение паза, а достатком - вынужденное укорочение шага обмотки по полюсному делению ВбА.
Суммарная установленная мощность системы БСВ с ВбК равна сумме мощностей составляющих ее элементов:
(5)
где
- мощность ВбА, ВбС и УУС соответственно.
Недостатками ВбК являются необходимость применения в БСМ двух возбудителей или конструктивного совмещения в одном Вб двух раздельных невзаимно индуктивных обмоток на статоре и роторе, а также повышенные требования к величине воздушного зазора,
Гармонические возбудители (ВбГ). В гармонических возбудителях ВбГ для возбуждения используют энергию пространственных высших гармоник. При этом возможно использование энергии гармоник тока якоря возбудителя энергии зубцовых гармоник (как СМ, так и Вб) и энергии обратновращающегося поля. ВбГ выполняются, как правило, самовозбуждающимися. В некоторых случаях в ВбГ для возбуждения дополнительно используют энергию обычных источников питания, например СФК, сеть собственных нужд (ССН).
При использовании энергии одной из высших пространственных гармоник н.с. распределенная обмотка якоря 1 (рис. 20) выполняется несинусоидально распределенной, а на роторе, кроме ОВ, размещается дополнительная обмотка (ДО), которая играет роль выявителя энергии, полученной посредством высшей пространственной гармоники реакции якоря. Возможные схемы ВбГ с двумя В6А1 и В6А2 с ВбА и ВбС, с ВбС с двумя ОВВ показаны на рис. 21-23 соответственно. Данные схемы не исчерпывают всех возможных вариантов выполнения ВбГ. Дополнительная обмотка (ДО) может размещаться на индукторе СМ или индукторе ВбГ. При Наличии у СМ возбудителя и подвозбудителя некоторые магнитопроводы и обмотки могут быть совмещены при соответствующем выборе соотношений между числами пар полюсов каскадов и шагом обмоток (45). Для повышения КПД ВбГ с ДО переменного тока (рис. 24), уложенной в пазах полюсных наконечников индуктора, ширина полюсного наконечника принимается из соотношения
(6)
где v - номер высшей пространственной гармоники н.с. обмотки якоря, используемой для возбуждения; т1 - полюсное деление индуктора,
ε =1 при ν -нечетному числу и ε - 2 при ν -четному числу.
Рис. 24. Схема БСМ с ВбГ с ДО в пазах полюсных наконечников
Исследования ВбГ, в которых для получения необходимой мощности возбуждения возбудителя используется энергия поля, созданного одной из гармоник н.с. якоря, показало, что наиболее рационально использовать гармоники низких порядков (вторая, третья), а обмотку якоря выполнять сосредоточенной с минимальным числом катушек на фазу.
На рис. 2 5 приведена схема БСМ с ВбГ, использующем для возбуждения энергию магнитных пульсаций, Возбудитель ВбГ имеет "множество" дополнительных намагничивающих полюсов. На конце каждого полюса индуктора ВбГ имеется два зубца и катушки 1. Между главными полюсами также расположены зубцы. Катушки 1 связаны с обмотками 2 и 3 через ПбВ, резистор R и АРВ. Зубцы индуктора находятся в соответствии с зубцами якоря возбудителя так, чтобы получить зубцовые гармоники и при помощи их обеспечить необходимую мощность возбуждения возбудителя.
Рис. 25. Схема БСМ с ВбГ, использующим для возбуждения энергию магнитных пульсаций
Использование энергии зубцовых гармоник достигается при размещении на роторе ДО переменного тока, которая через конденсатор и ПБВ соединяется с ОВ. Конденсатор служит для компенсации индуктивного сопротивления ДО. Шаг ДО соответствует полюсному делению зубцовой гармоники, а ее ось может быть расположена под произвольным углом по отношению к продольной оси СМ. Опытная БСМ по данной схеме выполнена с соответствием пазов статора и ротора 36:48 и числом полюсов, равным 2.
Вращающиеся трансформаторы (ВбТ) используются в качестве возбудителя и обеспечивают независимость габаритов последнего от скорости вращения. ВбТ в БСМ применяются и разрабатываются в США фирмами Allis Chalmers Manufacturing в БСД мощностью 300-14000 кВт (рис. 26) Siemens (ФРГ), "Раое Копсаг" (Югославия), а также в Японии (фирма Токуо Schibuга Electric СО) и Австралии. Конструктивно вращающийся трансформатор выполняется со сплошным или секторным магнитопроводом статора, собранным из шихтованного железа. Сердечник ротора изготовляется из U-образных пакетов, шихтованных, как и сердечник статора, в направлении вращения ротора, и yкрепляется нa роторе с помощью бандажных колец.
Рис. 26. Схема БСД фирмы Allis—Chalmers с однофазным вращающимся трансформатором
Рис. 27. Схема БСМ с однофазным компаундированным ВбТ
Для устранения стадии магнитной проводимости концы пакетов статора плотно прилегают друг к другу. С целью улучшения охлаждения сердечника ротора и его обмотки в бандажных кольцах предусматриваются отверстия, позволяющие воздуху втекать в продольные каналы, расположенные в сердечнике ВбТ. Это обеспечивает простоту конструкции и эксплуатации БСВ.
Схемы возбуждения БСМ с ВбТ выполняются как однофазными, так и трехфазными компаундированными (рис. 27, 28). При этом система компаундирования и статор ВбТ могут быть конструктивно объединены (рис. 28), что упрощает конструкцию БСВ, особенно для низковольтных CM. ВбТ применяется также как элемент каскадного возбудителя ВбК подвозбудителя, роторные обмотки которого подключены к якорю ВбС, а статорные - ко входу преобразователя ПбС. На выходе ПбС включена ОВВ ВбС [58].
Рис. 28. Схема БСМ с трехфазным компаундированным ВбТ, статор которого конструктивно объединен с СФК
Рис. 2 9. Схема БСМ фирмы General Electric с ВбТ в системе ВбК
Рис. 30. Схема БСМС с ВбС и сдвоенной звездой на статоре
Рис. 31. Схема БСМ с ВбА и ДрТ
В соответствии со схемой (рис. 2 9) ВбТ выполняет функцию. Совмещенные БСМ. В совмещенных бесщеточных синхронных машинах (БСМС) передача мощности возбуждения осуществляется на основном магнитопроводе СМ. При этом используется магнитное поле, полюсность которого отличается от полюсности обмотки якоря, обусловленной частотой питания сети переменного тока и частотой вращения ротора.
В БСМС с разделенными главной обмоткой и ОВВ последняя размещена на статоре СМ и образует поток возбуждения, который индуктирует переменный ток в якорных обмотках ВбС, намотанных на роторе БСМ [59].
Электрическое совмещение главной обмотки возбуждения БСМ и обмотки возбуждения синхронного возбудителя показано в схеме (рис. 30), где якорные обмотки БСМ выполнены в виде сдвоенной звезды, внешние выводы которой объединены. К внешним выводам якорных обмоток БСМ подсоединен согласующий трансформатор СТр. На выходе СТр включен ПбС, присоединенный на стороне постоянного тока между нулевыми точками якорных обмоток БСМ.
ПбС обеспечивает необходимую н.с. возбудителя. Обмотки переменного тока Вб размещены на роторе таким образом, что число их полюсов отличается от числа полюсов ОВ СМ, но равно числу полюсов якорных обмоток, созданных током, протекающим от ПбС между нулевыми точками последних [60]. В БСМС для создания н.с. возбуждения возбудителя применяются также обмотки с отпайками и специальные нагрузочные устройства [61].
В БСМ с двумя комплектами обмоток на статоре и роторе может выполняться совмещение СМ и ВбА (рис. 31). При этом на роторе размещаются трехфазные обмотки, одна из которых является якорной обмоткой ВбА. Для достижения магнитной и механической симметрии две фазы второй обмотки соединяются последовательно и подключаются к выходу ПбВ, образуя основную ОВ. Третья фаза второй обмотки закорачивается накоротко. Статорные обмотки совмещенного ВбА получают питание от главных зажимов БСМС через дроссель-трансформатор (ДрТ) [.62].
Оптимальная индукция в зазоре совмещенной СМ по полюсности возбуждения, полученная из условия минимума мощности управления, зависит от относительной мощности возбуждения Р^, синхронного сопротивления X , скольжения S и находится в пределах 10-15% от индукции рабочей полюсности.
