ВЕНТИЛЬНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
ASYNCHRONOUS ALTERNATOR FOR STAND-ALONE POWER PLANT

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании автономных электростанций для питания нагрузки на постоянном и переменном токе с приводом от двигателей внутреннего сгорания, ветро - и/или гидродвигателей.
Известен двухполюсный асинхронный генератор автономной электростанции с подключением к выводам стандартной трехфазной статорной обмотки трех конденсаторов по схеме треугольника или звезды (рисунок 2.42 на странице 37 книги Богатырева Н.И., Ванурина В.Н., Вронского О.В. «Схемы статорных обмоток, параметры и характеристики электрических машин переменного тока», Краснодар, 2007, 301 с.).
Недостаток известного двухполюсного асинхронного генератора в большом количестве конденсаторов и в ограниченности вариантов подключения нагрузки при его работе в качестве вентильного генератора автономной электростанции.
Известен асинхронный генератор с двухполюсной обмоткой статора, у которого обмотка статора состоит из двенадцати катушечных групп и конденсаторов возбуждения, при этом конец первой катушечной группы соединен с концом седьмой катушечной группы, начало второй - с началом восьмой, конец третьей катушечной группы - с концом девятой катушечной группы, начало четвертой катушечной группы - с началом десятой катушечной группы, конец одиннадцатой катушечной группы - с концом пятой катушечной группы, начало двенадцатой катушечной группы - с началом шестой катушечной группы, первый вывод обмотки взят от объединенных конца десятой и начала первой катушечных групп, второй вывод обмотки взят от объединенных начала седьмой и конца восьмой катушечных групп, третий вывод обмотки взят от объединенных конца второй и начала пятой катушечных групп, четвертый вывод обмотки взят от объединенных начала одиннадцатой и конца двенадцатой катушечных групп, пятый вывод обмотки взят от объединенных конца шестой и начала девятой катушечных групп, шестой вывод обмотки взят от объединенных начала третьей и конца четвертой катушечных групп, при этом первый, второй и третий конденсаторы возбуждения присоединены к первому, третьему и пятому выводам обмотки (патент 2475927, опубликовано 20.02.2013. Бюл. №5 - прототип).
Недостаток известного асинхронного генератора с двухполюсной обмоткой статора в большом количестве конденсаторов, в сложности выполнения известной двухполюсной обмотки и в ограниченности вариантов подключения нагрузки при его работе в качестве вентильного асинхронного генератора для автономной электростанции.
Техническим результатом изобретения является снижение числа конденсаторов возбуждения, упрощение выполнения обмотки статора и расширение функциональных возможностей вентильного асинхронного генератора за счет двух вариантов подключения нагрузки на постоянном и переменном токе.
Технический результат изобретения достигается тем, что вентильный асинхронный генератор для автономной электростанции, содержащий двухполюсную обмотку статора и конденсаторы возбуждения, согласно изобретению имеет два управляемых выпрямителя с выходами постоянного тока, однополюсный и двухполюсный выключатель, а обмотка статора выполнена из четырех катушечных групп, при этом конец первой катушечной группы обмотки соединен с началом второй катушечной группы, конец второй катушечной группы - с началом третьей катушечной группы, конец третьей катушечной группы - с началом четвертой катушечной группы, конец четвертой катушечной группы - с началом первой катушечной группы, с первого по четвертый силовые выводы от начал катушечных групп обмотки - с подключением к поперечно диаметрально расположенным парам этих силовых выводов двух конденсаторов возбуждения и первого управляемого выпрямителя с первым выходом постоянного тока, второго управляемого выпрямителя со вторым выходом постоянного тока с возможностью объединения выходов постоянного тока параллельно друг другу посредством двухполюсного выключателя или объединения этих выходов постоянного тока последовательно посредством однополюсного выключателя.
Новизна заявляемого предложения заключается в том, что за счет конструктивных особенностей обмотки статора в виде четырех катушечных групп их соединение между собой по определенному алгоритму, с конденсаторами возбуждения и управляемыми выпрямителями обеспечивают совместно с двумя выключателями подключение нагрузки на два уровня постоянного напряжения.
По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Опытный образец вентильного асинхронного генератора для автономной электростанции изготовлен и испытан в лаборатории кафедры ЭМ и ЭП КубГАУ.
На фигуре 1 показана развернутая схема соединения катушечных групп двухполюсной обмотки статора вентильного асинхронного генератора; на фигуре 2 - силовые выводы обмотки с конденсаторами возбуждения, векторные диаграммы фазных токов возбуждения по условной окружности статора и схема включения управляемых выпрямителей для питания нагрузки постоянным током.
Согласно фигуре 1 обмотка статора вентильного асинхронного генератора содержит четыре катушечные группы (1, 2, 3, 4), при этом конец первой катушечной группы обмотки соединен с началом второй катушечной группы, конец второй катушечной группы - с началом третьей катушечной группы, конец третьей катушечной группы - с началом четвертой катушечной группы, конец четвертой катушечной группы - с началом первой катушечной группы, силовые выводы 5, 6, 7, 8 (с первого по четвертый) взяты от начал катушечных групп.
Согласно фигуре 2 поперечно диаметральное расположение пар силовых выводов 5 и 7, 6 и 8 определяет пространственное смещение двух частей обмотки на 90°, а подключение к этим силовым выводам двух конденсаторов возбуждения 9 и 10 обеспечивает фазовое смещение в частях обмотки токов возбуждения на 90°, что в свою очередь, способствует образованию в вентильном асинхронном генераторе вращающегося магнитного поля. Стрелки векторных диаграмм 11 по условной окружности статора указывают направление токов возбуждения от конденсаторов 9 и 10 двух частей обмотки. Геометрическая сумма фазных токов возбуждения на четырех участках обмотки представлена в виде результирующих векторов 12.
К силовым выводам 5 и 7 присоединен первый управляемый выпрямитель 13 с первым выходом постоянного тока 17 и 18, а к выводам 6 и 8 присоединен второй управляемый выпрямитель 14 со вторым выходом постоянного тока 19 и 20. Последовательное соединение управляемых выпрямителей 13 и 14 посредством однополюсного выключателя 15 повышает выходное напряжение на выходе 21 и 22 в два раза. Параллельное соединение управляемых выпрямителей 13 и 14 посредством двухполюсного выключателя 16, то есть объединение выводов 17 и 18 с выводами 19 и 20, обеспечивает удвоение выходного тока и симметричное распределение нагрузки на части обмоток и на обмотку в целом.
Вентильный асинхронный генератор (ВАГ) для автономной электростанции работает следующим образом. При вращении ротора ВАГ он самовозбуждается от конденсаторов возбуждения 9 и 10. На силовых выводах 5 и 7, 6 и 8 появляется симметричное выходное напряжение заданной величины и частоты тока. К этому напряжению подключается однофазная нагрузка. Это же напряжение поступает на управляемые выпрямители 13 и 14. После выпрямления поступает на первый выход постоянного тока 17 и 18 (U1) и второй выход постоянного тока 19 и 20 (U2). При одинаковом угле управления тиристоров управляемых выпрямителей на выходах 17 и 18, 19 и 20 будет одинаковое выходное напряжения U1=U2. К этому выходному напряжению могут подключаться аккумуляторы для зарядки, нагрузка постоянного тока или преобразователь частоты.
При замыкании однополюсного выключателя 15 два выходных напряжения U1 и U2 суммируются и поступают на выход 21 и 22.
При замыкании двухполюсного выключателя 16 выходы постоянного тока 17 и 18, 19 и 20 объединяются, что обеспечивает удвоение выходного тока и симметричное распределение нагрузки на части обмоток и на обмотку в целом.
Вентильный асинхронный генератор для автономной электростанции имеет следующие положительные качества.
1. Имеются два независимых напряжения переменного и постоянного тока, что позволяет питать две независимые друг от друга нагрузки.
2. Просто решается вопрос регулирования напряжения на каждой обмотке путем изменения величины емкости 9 и 10.