Электромашинный ветро-солнечный преобразователь

Полезная модель относится к электромашиностроению и может быть использована для преобразования энергии возобновляемых источников, а именно механической энергии (энергии ветра), подаваемой на механический вход машины, и электрической энергии постоянного тока (энергии Солнца), подаваемой на электрический вход, в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы при помощи электромашинного преобразователя как отдельно от каждого источника, так и совместно.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым автором за прототип является электромашинный преобразователь (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с., с. 348, рис. 7.9б).
«Электромашинный преобразователь состоит из двух машин, соединенных механически. В этом агрегате одна машина работает двигателем, а другая - генератором». «С помощью двигателя постоянного тока и генератора переменного тока постоянный ток преобразуется в переменный (рис. 7.9б)». При этом на рис. 7.9б видно, что машина постоянного тока изображена с щетками и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока.
Положительным качеством данной конструкции является то, что двухмашинные агрегаты выпускаются в промышленных масштабах, а также то, что вырабатываемое переменное напряжение легко преобразовывать по величине, что позволит передавать электрическую мощность на значительное расстояние. Дополнительным положительным преимуществом электромашинных преобразователей состоит в том, что они создают меньше высших гармоник, чем альтернативные полупроводниковые, и обеспечивают электроснабжение при кратковременных перерывах в питании на стороне двигателя за счет кинетической энергии, накопленной во вращающихся частях: генератор может в течение некоторого времени отдавать энергию (Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с., с. 348).
Если электромашинный преобразователь привести в движение при помощи ветротурбины (используя энергию ветра), а на вход двигателя постоянного тока подать напряжение, поступающее от преобразователя энергии Солнца (например, фотоэлектрических преобразователей), предварительно согласовав направление создаваемых ими моментов, то произойдет преобразование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в электрическую энергию переменного тока.
Однако работа электромашинного преобразователя данной конструкции от ВИЭ будет иметь свои особенности, связанные с неравномерностью и несовпадением поступления энергии.
При наличии электрической энергии постоянного тока и отсутствии энергии ветра будет происходить преобразование энергии, поступающей от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи, в электрическую энергию переменного тока. При этом режиме работы будет происходить раскручивание лопастей ветротурбины в обратном направлении и затрачивание на это дополнительной энергии, что ведет к низкой эффективности использования энергии ветра в данном режиме работы.
При наличии энергии ветра и отсутствии электрической энергии постоянного тока ветротурбина передает энергию в виде вращающего момента генератору переменного тока для преобразования ее в электрическую энергию переменного тока. Так как генератор переменного тока и двигатель постоянного тока соединены механически, то они будут вращаться совместно и двигатель постоянного тока перейдет в генераторный режим работы. В этом случае в обмотке якоря индуктируется ЭДС, которая при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока ведет к появлению тока, совпадающего по направлению с направлением ЭДС, что приведет к увеличению тормозного момента, действующего на якорь. Так как якорь механически соединен с генератором переменного тока, то это приведет к увеличению тормозного момента на генераторе переменного тока и, соответственно, к уменьшению возможности подключения нагрузки в цепь переменного тока. Более того, переход двигателя постоянного тока в генераторный режим приведет к усилению поперечной реакции якоря (из-за того, что щетки щеточно-коллекторного аппарата машины уже сдвинуты относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали против направления вращения якоря и закреплены там для двигательного режима работы), ухудшению коммутации щеточно-коллекторного аппарата и соответственно к его усиленному износу и преждевременному выходу из строя.
При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока будет происходить преобразование энергии поступающей как от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи, так и от ветротурбины в виде вращающего момента, который передается генератору переменного тока для преобразования ее в электрическую энергию переменного тока. Недостатки работы электромашинного преобразователя в этом случае будут зависеть от того, какой вид энергии будет преобладать в конкретный момент времени.
Заявляемая полезная модель решает задачу расширения области применения электромашинного преобразователя.
Технический результат заключается в увеличении возможности получения энергии от возобновляемых источников, а именно механической энергии (энергии ветра), подаваемой на механический вход машины, и электрической энергии постоянного тока (энергии Солнца), подаваемой на электрический вход с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
Технический результат достигается тем, что в электромашинном ветро-солнечном преобразователе, содержащем двигатель постоянного тока и генератор переменного тока, соединенные механически, вал генератора переменного тока имеет два выхода, которые соединены с одной стороны через обгонную муфту с двигателем постоянного тока, а с другой через обгонную муфту - с ветротурбиной, причем обгонные муфты установлены таким образом, что имеют возможность передачи вращающего момента только к генератору переменного тока, при этом полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и двигателем постоянного тока, совпадали по направлению.
Возможность получения электрической мощности от ВИЭ при помощи электромашинного преобразователя ведет к расширению области его применения. Увеличение возможности получения энергии от возобновляемых источников осуществляется за счет того, что электромашинный ветро-солнечный преобразователь имеет возможность получать энергию как от одного возобновляемого источника энергии, например, только энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи, или только энергии ветра, отдельно и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
Это осуществляется за счет конструктивных особенностей электромашинного ветро-солнечного преобразователя, работа которого согласуется с работой ветротурбины и обгонными муфтами.
Особенность конструкции электромашинного ветро-солнечного преобразователя позволяет энергии поступать как совместно, так и раздельно с двух сторон: со стороны ветротурбины и/или со стороны источника постоянного тока в виде вращающего момента на вал генератора m-фазного переменного тока.
Согласование работы электромашинного ветро-солнечного преобразователя с работой ветротурбины происходит за счет того, что вал генератор m-фазного переменного тока имеет два выхода, которые соединены с одной стороны через обгонную муфту с двигателем постоянного тока, а с другой через обгонную муфту - с ветротурбиной, причем обгонные муфты установлены таким образом, что передают вращающий момент только к генератору m-фазного переменного тока, при этом полярность подключения источника постоянного тока такова, что вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и двигателем постоянного тока, совпадают по направлению. Обгонная муфта служит для передачи вращающего момента только в одном направлении и позволяет ведомому звену вращаться (например, по инерции) при остановленном ведущем звене (Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. - М.: Машиностроение, 1988. - 368 с., с. 281). Для обгонной муфты, установленной между ветротурбиной и генератором m-фазного переменного тока, ведущим звеном является ветротурбина, а ведомым звеном - генератор m-фазного переменного тока. Для обгонной муфты, установленной между генератором m-фазного переменного тока и двигателем постоянного тока, ведущим звеном является двигатель постоянного тока, а ведомым звеном - генератор m-фазного переменного тока.
При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта, установленная между ветротурбиной и генератором m-фазного переменного тока, соединяет ветротурбину с генератором m-фазного переменного тока и передает ему энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока. При этом обгонная муфта, установленная между генератором m-фазного переменного тока и двигателем постоянного тока разъединяет их и не дает вращаться двигателю постоянного тока, что позволит уменьшить тормозной момент, действующий на генератор m-фазного переменного тока в этом режиме работы и даст дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока.
При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта отсоединяет генератор m-фазного переменного тока от ветротурбины для того, чтобы не затрачивать дополнительную энергию на раскручивание лопастей ветротурбины в обратном направлении. Наличие электрической энергии постоянного тока на двигателе постоянного тока создает вращающий момент, который позволяет другой обгонной муфте передать его генератору m-фазного переменного тока для дальнейшего преобразования энергии постоянного тока в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока обгонные муфты соединяют ветротурбину и двигатель постоянного тока с генератором m-фазного переменного тока и передают вращающий момент для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
Важно отметить, что все основные детали и узлы предлагаемого электромашинного преобразователя серийно изготавливаются, что позволяет минимизировать затраты на его изготовление и ремонт, а также повышает перспективность применения преобразователей подобного типа в нетрадиционной энергетике.
Сущность устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен электромашинный ветро-солнечный преобразователь (ЭМВ-СП).
Фиг. 2 поясняет работу ЭМВ-СП при наличии электрической энергии постоянного тока.
Фиг. 3 поясняет работу ЭМВ-СП при наличии энергии ветра.
Фиг. 4 поясняет работу ЭМВ-СП при наличии как энергии ветра, так и электрической энергии постоянного тока.
Электромашинный ветро-солнечный преобразователь содержит генератор m-фазного переменного тока 1, который подключается при помощи проводов 2 к сети потребителей m-фазного переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям (фиг. 1). Вал 3 генератора m-фазного переменного тока 1 имеет два выхода, которые соединены с одной стороны через обгонную муфту 4 с двигателем постоянного тока 5, а с другой через обгонную муфту 6 - с ветротурбиной 7. Двигатель постоянного тока 5 подключается при помощи проводов 8 к источнику постоянного тока.
Вращающий момент от ветротурбины 7 передается через обгонную муфту 6 к одному концу вала 3 генератора m-фазного переменного тока 1. Вращающий момент от двигателя постоянного тока 5 передается через обгонную муфту 4 к другому концу вала 3 генератора m-фазного переменного тока 1.
При этом полярность подключения источника постоянного тока при помощи проводов 8 согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной 7 и двигателем постоянного тока 5, совпадали по направлению.
Электромашинный ветро-солнечный преобразователь работает следующим образом.
ДПТ
При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи через провода 8 подается на двигатель постоянного тока 5, в котором возникает вращающий момент М, который при помощи обгонной муфты 4 передается к генератору m-фазного переменного тока 1, где происходит дальнейшее преобразование энергии постоянного тока в электрическую энергию m-фазного переменного тока (фиг. 2). Если к проводам 2 подключить электрическую нагрузку, то электрическая цепь будет замкнута и возникнет m-фазный переменный ток. При этом обгонная муфта 6 разъединяет генератор m-фазного переменного тока 1 от ветротурбины 7 для того, чтобы не затрачивать дополнительную энергию на раскручивание лопастей ветротурбины 7 в обратном направлении.
В
При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока, обгонная муфта 6 соединяет ветротурбину 7 и генератор m-фазного переменного тока 1 и передает генератору m-фазного переменного тока 1 энергию в виде вращающего момента М для преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока (фиг. 3). Если к проводам 2 подключить электрическую нагрузку к генератору m-фазного переменного тока 1, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.
При этом обгонная муфта 4 разъединяет генератор m-фазного переменного тока 1 от двигателя постоянного тока 5 и не позволяет ему вращаться, что уменьшает тормозной момент, действующий на генератор m-фазного переменного тока 1 в этом режиме работы и дает дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока.
В
ДПТ
При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока обгонные муфты 4, 6 соединяют ветротурбину 7 и двигатель постоянного тока 5, с генератором m-фазного переменного тока 1 и передают ему вращающие моменты М и М для дальнейшего суммирования и преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока (фиг. 4). При этом полярность подключения источника постоянного тока при помощи проводов 8 согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной 7 и двигателем постоянного тока 5, совпадали по направлению.
Если к проводам 2 подключить электрическую нагрузку к генератору m-фазного переменного тока 1, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.