ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ВЕТРЯНЫХ УСТАНОВОК

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в генераторах ветряных установок.
Уровень техники
Известен синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой [патент РФ на изобретение №2711238], содержащий ротор в виде кольца, разделенный на две кольцевые части, внешний и внутренний ротор, ферромагнитные пластины, постоянные магниты, вал ротора, прямоугольные магнитные полюса. Ротор в виде кольца дополнительно разделен на третью кольцевую часть, промежуточный ротор, при этом на внешнем и внутреннем роторах закреплены ферромагнитные пластины, прямоугольные магнитные полюса и постоянные магниты, а в промежуточном роторе постоянные магниты установлены в полости между внутренним и внешним роторами, при этом между внутренним и промежуточным и промежуточным и внешним расположены обмотки статора, также при этом внешний, промежуточный и внутренний роторы соединены валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора.
К недостатку такого решения можно отнести сложность конструкции и технологии ее сборки, что ведет к росту себестоимости.
Также известен генератор синхронный трехфазный [патент РФ на полезную модель №199279], содержащий ротор, а также статор с обмоткой возбуждения и двумя статорными трехфазными обмотками, соединенными соответственно с двумя и тремя клеммами коробки выводов, причем первые концы фазных обмоток первой статорной обмотки соединены между собой, и их общая точка соединена с одной из клемм коробки выводов. Коробка выводов дополнительно содержит шесть дополнительных клемм, к трем из которых подключены первые концы фазных обмоток второй статорной обмотки, а к трем другим вторые концы второй статорной обмотки.
К недостаткам такого решения можно отнести повышенный расход витков вторичной обмотки, что ведет к увеличению массы и габаритов.
Также из уровня техники известен бесконтактный синхронный генератор [патент на изобретение Японии №JPH05268800], представляющий собой электрическую машину, где подвозбудитель представляет собой генератор с возбуждением магнитами на роторе и катушкой на статоре,  в основном возбудителе (вторая машина) на роторе располагается основная обмотка, а на статоре располагается обмотка возбуждения, которая питается от катушки первой машины. Третья машина имеет обмотку возбуждения на роторе, а выходная обмотка (“armature winding”) располагается на статоре.
Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.
К недостаткам такого решения можно отнести отсутствие стабилизации частоты выходного напряжения, которая будет прямо пропорциональна к скорости вращения ротора.
Раскрытие полезной модели
Из уровня техники известны различные виды синхронных генераторов, которых имеют общие черты – это наличие полюсов возбуждения на роторе, а также наличие обмотки на статоре (как правило, трехфазной). Трехфазные обмотки на статоре выполняют по схеме звезда (чаще всего), путем соединения катушечных групп фаз обмотки в общую нейтраль [1, 2]. Для генераторов переменного тока необращенной считают именно машину с полюсами возбуждения на роторе, и трехфазной обмоткой на статоре, питающей нагрузку. Однако, возможно исполнение и в обратном порядке – размещение полюсов на статоре, и трехфазной обмотки на роторе [2]. Такие обмотки применяют в некоторых случаях – например, в составных электромашинных установка, как в основном прототипе.
Отметим, что трехфазные обмотки также создают магнитный поток при протекании через них трехфазного тока, такое магнитное поле постоянно во времени и не пульсирует – разница с обычными полюсами возбуждения во вращении магнитного поля в зависимости от частоты питающего напряжения и чем выше будет частота питающего напряжения, тем быстрее оно будет вращаться [1, 2, 3]. Таким образом, возможно использование трехфазной обмотки в качестве обмотки возбуждения машины переменного тока. Оно наведет в выходной обмотке напряжение с частотой, которая будет суммой скорости вращения ротора (механической) и магнитного поля, создаваемого обмоткой. Упомянутое магнитное поле трехфазной обмотки может как суммироваться со скоростью вращения ротора, так и вычитаться из нее – в зависимости от направления вращения магнитного поля трехфазной обмотки возбуждения. В предлагаемом решении обеспечивается регулирование скорости вращения магнитного поля возбуждения при отклонении скорости механического вращения вала генератора. Это может быть актуально при использовании в валогенераторах, ветрогенераторах или дизель-генераторах, где возможны провалы скорости вращения первичного механического движителя или ветряной турбины. Наибольшая актуальность предлагаемого решения достигается для области ветрогенераторов.
На фигуре 1 показана упрощенная структурная схема предлагаемого решения, где видно его устройство. В основе предлагаемого решения лежит три электрические машины, расположенные на одном валу – первичный возбудитель, вторичный возбудитель, и основной генератор. Их роторы вращаются синхронного друг с другом, поскольку располагаются на одном валу. Первичный возбудитель выполняется в виде обычной, не обращенной, машины переменного тока с полюсами на роторе, выполненными на которых располагаются постоянные магниты, создающие поток возбуждения. На его статоре наводится переменная ЭДС, частота и напряжение которой будут зависеть от скорости вращения ротора. При работе генератора он выступает источником энергии для всей системы возбуждения.
При начале работы и раскручивании общей линии вала, например от ветряной турбины, начнет наводиться переменная ЭДС в обмотке статора первичного возбудителя. Поскольку процесс набора оборотов идет с нулевой скорости вращения, в предлагаемом решении используется шестифазная обмотка на статоре первичного возбудителя, подключенная к шестифазному выпрямителю для получения 12 пульсаций питающего напряжения. Это дает снижение размаха пульсаций напряжения на выходе выпрямителя, особенно при низкой скорости вращения. Выбор шестифазного выпрямителя — также отличительная черта предлагаемого решения.
Далее (фигура 1, фигура 2), выпрямитель питает вход автономного инвертора напряжения, осуществляющего преобразование постоянного тока в переменный с заданной частотой. Вход автономного инвертора, известно, питается от двух шин положительной и отрицательной полярности [3], при питании от выхода выпрямителя. Размах пульсаций напряжения будет мал в широком диапазоне частот вращения общей линии вала.
Автономный инвертор управляется от системы управления, которая выдает сигналы на открытие и закрытие полупроводниковых ключей, таким образом реализуя преобразование (инвертирование) в переменный ток. При колебаниях частоты на выходе первичного возбудителя (его обмотка статора) частота будет пропорциональна скорости вращения линии вала [2], то есть обмотка статора первичного возбудителя будет не только питать вход блока питания, входящего в состав системы управления, но и обеспечивать вход по частоте системы управления сигналом обратной связи. Таким образом, при колебаниях скорости вращения общей линии вала система управления будет отрабатывать возникающие колебания в соответствии с заложенным в нее программным алгоритмом [3]. Выход автономного инвертора подключен к входу трехфазной обмотки статора вторичного возбудителя, выполненного в виде обращенной машины переменного тока [2], для которой возбуждение создается обмоткой, расположенной на статоре, а выходной обмоткой будет трехфазная обмотка на роторе.
При питании трехфазной обмотки статора вторичного возбудителя от автономного инвертора, создается вращающееся магнитное поле, которое будет вращаться относительно скорости вращения вала, и вычитаться из него в зависимости от разности частот. Скорость вращения поля будет полностью определяться программой управления, и частотой на выходе автономного инвертора. При увеличении скорости вращения поля возбуждения на статоре вторичного возбудителя, оно будет наводить переменную ЭДС на обмотке ротора, выполненной также трехфазной. В ней будет наводиться переменная ЭДС, частота которой будет определяться не только скоростью вращения общей линии вала, но и частотой на выходе автономного инвертора. Кроме того, за счет применения алгоритмов ШИМ-модуляции система управления может регулировать одновременно и уровень напряжения, то есть и ток в обмотке возбуждения на статоре вторичного возбудителя. Это обеспечивает стабилизацию и регулирование не только частоты, но и напряжения.
Наведенная в трехфазной обмотке ротора вторичного возбудителя ЭДС с регулируемой частой и напряжением, подключена к входу трехфазной обмотки на роторе основного генератора, и создает поток возбуждения его ротора, который наводит в трехфазной обмотке статора основного генератора переменную ЭДС с регулируемой частотой и напряжением, задаваемыми по сигналам системы управления.
Направление вращения поля возбуждения для вторичного возбудителя и основного генератора можно увидеть наглядно на фигуре 3 и фигуре 4. В таком случае в зависимости от частоты автономного инвертора напряжения, будет меняться скорость поля возбуждения относительно скорости общего вала и соответственно, будет увеличиваться или падать частота на обмотке статора основного генератора. Несмотря на наличие японского патента на бесконтактную машину переменного тока, именно в таком варианте данное решение является оригинальным и не использовалось ранее во всей полноте своих отличительных признаков. В частности, в бесконтактной машине из уровня техники, полюса возбуждения питаются постоянным током.
Использование трехфазных обмоток для создания поля возбуждения и дало возможность плавной регулировки и стабилизации параметров выхода основного генератора. При номинальных оборотах линии вала, и близких к номинальным, частота на выходе автономного инвертора будет ниже, что снижает потребление мощности от системы возбуждения.
Обратная связь по частоте и напряжению для системы управления реализована от обмотки статора первичного возбудителя, как это показано, в том числе, на фигуре 5. Из принципиальной схемы видно, что шестифазная обмотка статора подключена к входам по питанию и обратной связи системы управления. Это позволяет как обеспечить качество питания системы, за счет большего количества пульсаций, так и обеспечить более точное определение скорости вращения программными алгоритмами, что реализуется часто по нескольким каналам датчиков или от нескольких фаз генератора сразу [3].
В качестве системы управления могут использоваться типовые блоки промышленных контроллеров, которые могут обеспечивать необходимые функции и мощность. В состав таких блоков входит и блок питания, который может работать в широком диапазоне частот и напряжений. При разработке новой системы управления реализация шестифазного входа блока питания позволяет уменьшить емкость и габариты сглаживающих конденсаторов и фильтров на их основе. Само программное управления в настоящее время легко реализуется разными путями через использование микроконтроллеров и микропроцессоров. Конструкция системы управления может быть типовой. Первичный возбудитель на магнитах дает автономность запуска и работы генератора, обеспечивая питание всей системы возбуждения.
При отклонении частоты на выходе основного генератора, обратная связь корректирует частоту и напряжение, противодействуя отклонениям.
Известны из теории электрических машин и трехфазные обмотки [2], и они могут быть изготовлены по технологии обычных электрических машин. Все это говорит о реализуемости решения. Принцип устройства прост, однако во всей полноте не был известен ранее.
Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой генератор переменного тока.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
первый из генераторов является первичным возбудителем с постоянными магнитами на роторе и шестифазной обмоткой на статоре, второй генератор является вторичным возбудителем и выполняется обращенным с обмоткой возбуждения на его статоре, основной генератор выполняется необращенным с выходной обмоткой на его статоре;
обмотки основного генератора и вторичного возбудителя выполняются трехфазными, включая обмотки для создания поля возбуждения;
шестифазная обмотка на статоре первичного возбудителя подключена к шестифазному выпрямительному мосту, выход которого подключен к входу автономного инвертора, выход автономного инвертора подключен к входу трехфазной обмотки возбуждения вторичного возбудителя;
выход трехфазной обмотки на роторе вторичного возбудителя подключен к входу трехфазной обмотки возбуждения на роторе основного генератора, при согласном чередовании фаз;
фазы трехфазных обмоток на роторе вторичного возбудителя и роторе основного генератора выполняются с чередованием фаз по направлению вращения общей линии вала;
система управления входом питания подключена к шестифазной обмотке первичного возбудителя, выход системы управления подключен к управляющему входу автономного инвертора, вход обратной связи по частоте системы управления подключается к выходу шестифазной обмотки первичного возбудителя.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату – стабилизации частоты и напряжения при колебаниях скорости вращения.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображена упрощенная структурная схема предлагаемого решения. Здесь 1 – первичный возбудитель, 2 – вторичный возбудитель, 3 – основной генератор, 4 – выпрямитель, 5 – автономный инвертор, 6 – система управления, 7 – внешняя нагрузка. На фигуре 2 изображена функциональная схема предлагаемого решения. Здесь 8 – ротор первичного возбудителя, 9 – ротор вторичного возбудителя, 10 – ротор основного генератора, 4 – выпрямитель, 5 – автономный инвертор, 6 – система управления, 7 – внешняя нагрузка, 11 – обмотка статора первичного возбудителя, 12 – обмотка статора вторичного возбудителя, 13 – обмотка статора основного генератора. На фигуре 3 изображено взаимное направление вращения поля статора вторичного возбудителя и общей линии вала. На фигуре 4 изображено взаимное направление вращения поля ротора основного генератора и общей линии вала. На фигуре 5 изображена принципиальная схема соединений предлагаемого решения. Здесь 1 – первичный возбудитель, 2 – вторичный возбудитель, 3 – основной генератор, 4 – выпрямитель, 5 – автономный инвертор, 6 – система управления, 7 – внешняя нагрузка.
Список использованной литературы
1. Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники: учебное пособие для техникумов. М.: Высшая школа, 1982, 407 с.
2. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Юрайт, 2014, 767 с.
3. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. – Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. – 556 с.