ЭЛЕКТРОМАШИННАЯ УСТАНОВКА ГАРАНТИРОВАННОГО ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве трехмашинного агрегата систем электроснабжения узлов связи, аппаратура которых предъявляет повышенные требования к бесперебойности электроснабжения при высокой надежности и уменьшенных массогабаритных показателях.
Известная электромашинная установка гарантированного питания, содержащая двигатель постоянного тока, на валу которого установлен синхронный генератор и устройство коммутации нагрузки [1]. Данное устройство нашло широкое применение из-за высокого качества электрической энергии, однако оно включается только при падении напряжения в промышленной сети, при этом допускаются перерывы в электроснабжении потребителей.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является электромашинная установка гарантированного питания, содержащая общий вал на котором установлен двигатель постоянного тока, трехфазный асинхронный двигатель и синхронный генератор, причем двигатель постоянного тока содержит индуктор с обмоткой возбуждения и якорь с обмоткой, трехфазный асинхронный двигатель содержит статор с трехфазной обмоткой и ротор с короткозамкнутой обмоткой, а синхронный генератор содержит статор с трехфазной обмоткой и ротор с обмоткой возбуждения [2]. Данное устройство работает в двух режимах: в режиме сети и в режиме отсутствия сети, при этом в первом из указанных режимов общий вал вращает трехфазный асинхронный двигатель, при этом двигатель постоянного тока работает в режиме холостого хода, а синхронный генератор обеспечивает трехфазных потребителей электроэнергией высокого качества. Во втором режиме общий вал вращает двигатель постоянного тока, подключенный к аккумуляторной батарее, при этом в режиме холостого хода работает трехфазный асинхронный двигатель, а синхронный генератор продолжает обеспечивать электроэнергией тех же потребителей. Устройство получило широкое распространение в системах гарантированного питания ответственных потребителей, что предопределило их выпуск на различные мощности от единиц киловатт до сотен киловатт. Однако рассматриваемое устройство имеет и недостатки среди которых наиболее значительными являются: сравнительно низкая надежность, большие масса и габариты, что ограничивает применение подобных устройств на подвижных объектах, где полезная площадь объекта ограничена.
Требуемый технический результат заключается в повышении надежности и улучшении массогабаритных показателей устройства за счет совмещения его электрических машин переменного тока.
Данный технический результат достигается тем, что в электромашинной установке гарантированного питания, содержащей зажимы входа сети, зажимы аккумуляторной батареи, зажимы постороннего источника, зажимы потребителей переменного тока, объединенные общим валом двигатель постоянного тока, трехфазный асинхронный двигатель и трехфазный синхронный генератор, причем указанный трехфазный асинхронный двигатель содержит магнитопровод статора с обмоткой статора и магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой. А упомянутый трехфазный синхронный генератор содержит магнитопровод якоря с якорной обмоткой и магнитопровод ротора с обмоткой возбуждения, при этом выводы питания двигателя постоянного тока подключены к зажимам аккумуляторной батареи, обмотка статора трехфазного асинхронного двигателя подключена к зажимам входа сети, якорная обмотка указанного генератора подключена к зажимам потребителей переменного тока, а обмотка возбуждения упомянутого генератора соединена с зажимами постороннего источника, магнитопровод статора трехфазного асинхронного двигателя и магнитопровод якоря трехфазного синхронного генератора выполнены на втором общем сердечнике расположенном на общем валу, при этом указанные общие сердечники выполнены соосными, обмотка статора трехфазного асинхронного двигателя и якоря трехфазного синхронного генератора размещены на первом общем сердечнике, а короткозамкнутая обмотка ротора трехфазного асинхронного двигателя и обмотка возбуждения трехфазного генератора уложены на втором общем сердечнике.
На фиг.1 представлена структурная схема электромашиной установки гарантированного питания. На фиг.2 показана схема размещения обмоток электромашинной установки на общих сердечниках.
Электромашинная установка содержит (фиг.1) зажимы 1 входа сети, зажимы 2 аккумуляторной батареи, зажимы 3 постороннего источника, зажимы 4 потребителей переменного тока, общий вал 5, двигатель постоянного тока 6, первый общий сердечник 7 с обмоткой трехфазного асинхронного двигателя (не показана) и якорной обмоткой трехфазного синхронного генератора (не показана) и второй общий сердечник 8 с короткозамкнутой обмоткой ротора трехфазного асинхронного двигателя (не показана) и обмоткой возбуждения трехфазного синхронного генератора (не показана) при этом выводы питания двигателя постоянного тока 6 подключены к зажимам 2 аккумуляторной батареи, обмотка 7 статора двигателя (не показана) первого общего сердечника подключена к зажимам 1 входа сети, якорная обмотка генератора (не показана) того же сердечника подключена к зажимам 4 потребителей переменного тока, обмотка возбуждения генератора (не показана) второго общего сердечника 8 подключена к зажимам 3 постороннего источника, а якорь двигателя постоянного тока 6 механически соединены общим валом 5 с валом второго общего сердечника 8. Обмотка 9 статора двигателя (фиг.2) размещена в пазах первого общего сердечника 7, причем в этих же пазах уложена и якорная обмотка 9 генератора, при этом пазы первого
общего сердечника выполнены с увеличенной глубиной. Между первым 7 и вторым общим сердечником выполнен воздушный зазор 11, величина которого выбрана по технологическим соображениям. На втором общем сердечнике 8 размещены короткозамкнутая обмотка 12 ротора двигателя, лучи которой сходятся в узле 13 и обмотка возбуждения 14 генератора. Ввиду того, что общие сердечники 7 и 8 являются соосными, то первый общий сердечник 7 можно назвать общим статором, а второй сердечник 8 - общим ротором электрической машины переменного тока, являющейся одновременно двигателем и генератором. Посторонний источник является источником постоянного тока.
Электромашинная установка гарантированного питания работает следующим образом. При наличии напряжения на зажимах входа сети начинает работать асинхронный двигатель, образованный обмоткой статора двигателя, расположенной на первом общем сердечнике 7 и короткозамкнутой обмоткой 12 ротора 9, расположенной в пазах второго общего сердечника 8, при этом общий вал 5 приходит во вращение. Ввиду того, что обмотка возбуждения 14 генератора, расположенная на втором общем сердечнике 8, находится под напряжением постороннего источника постоянного тока, то образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки якорной обмотки 7 генератора, размещенной на первом общем сердечнике и в ней появляется ЭДС, используемая с помощью зажимов 4 потребителей переменного тока для питания нагрузки. При отсутствии напряжения на зажимах входа сети обмотка 9 статора двигателя, расположенная на первом общем сердечнике 7 обесточена и в короткозамкнутой обмотке 12 ротора двигателя, выполненной на втором общем сердечнике 8 ток отсутствует, поэтому общий вал 5 не вращается, что приводит к перерыву в электроснабжении потребителей. Для уменьшения времени перерыва при любом исчезновении напряжения на зажимах 7 входа сети, подается напряжение на двигатель постоянного тока 6 от аккумуляторной батареи через зажимы 2 и последний начинает вращаться, а вращение общего вала 5 приводит по ранее описанной схеме к обеспечению потребителей переменного тока электроэнергией высокого качества от синхронного генератора, образованного якорной обмоткой 10 размещенной на первом общем сердечнике 7 и обмоткой возбуждения 14 генератора, выполненной на втором общем сердечнике 8. Таким образом в любом режиме (при наличии напряжения сети и при отсутствии напряжения сети) потребители переменного тока постоянно получают электроэнергию заданного качества.
Введение общих первого 7 и второго 8 сердечников позволяет повысить надежность электромашинной установки, что подтверждается простым расчетом. Пусть вероятность безотказной работы любой из электрических машин трехмашинного агрегата 0,9, тогда надежность агрегата
А
ДПТ
ТАД
СГ
3
Р=Р·Р·Р=0,9=0,792,            (1)
А
ДПТ
ТАД
СГ
где Р - надежность трехмашинного агрегата известной системы гарантированного питания; Р - надежность двигателя постоянного тока; Р- надежность трехфазного асинхронного двигателя; P - надежность трехфазного синхронного генератора. Учитывая, что наиболее слабым звеном при расчете надежности электрической машины являются подшипники, то уменьшение числа подшипников предопределяет повышение надежности установки; т.е.
У
ДПТ
СМ
2
Р=Р·Р=0,9=0,81,                   (2)
У
СМ
Где Р - надежность предложенной установки; Р - надежность описанной совмещенной машины. Если взять отношение величин по уравнениям (1) и (2), то можно получить величину выигрыша по надежности, составляющую более 10%. По аналогии можно показать, что КПД предложенной установки также превосходит КПД трехмашинного агрегата известной системы. Пусть
А
ДПТ
ТАД
СГ
3
η=η·η·η=0,8=0,512,               (3)
А
ДПТ
ТАД
СГ
η - КПД трехмашинного агрегата; η - КПД двигателя постоянного тока; η - КПД трехфазного асинхронного двигателя; η - КПД синхронного генератора.
Тогда
У
ДПТ
СМ
2
η=η·η=0,8=0,64,               (4)
У
СМ
где η - КПД предложенной установки; η - КПД совмещенной электрической машины.
Отношение величин равенств (3) и (4) показывает, что КПД установки выше КПД агрегата почти на 120%. Ввиду того, что повышение КПД сопровождается уменьшением массы и габаритов прямо пропорционально, то можно считать, что масса и объем оборудования предложенной установки будут меньше аналогичных параметров агрегата, что и доказывает целесообразность введения общих сердечников.
Источники принятые во внимание
1. Инженерно-технический справочник по электросвязи. - Под ред. И.А.Казаринова М., Связь, 1976, стр.327, рис.9.10
2. Энергетические системы. Каталог продукции Вяземского электротехнического завода. Вязьма., ВЭЗ, 2003, стр.15
3. Электромеханические устройства связи. Под ред. О.А.Доморацкого. М., Радио и связь, 1981, стр.242, рис.8.7
4. Вольдек А.И. Электрические машины Л., Энергия., 1974, 840 с.