КАСКАДНЫЙ СИНХРОННО-АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
MULTISTAGE SYNCHRONOUSLY ASYNCHRONOUS GENERATOR

Изобретение относится к электрическим машинам, конкретно к электрическим гидро- и ветрогенераторам, т.е. к генераторам с малым числом оборотов ротора в минуту.
На практике применяется гидрогенератор зонтичной конструкции с вертикальной осью вращения и большим количеством пар полюсов. [см. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 2002 г.].
Недостатком этого генератора является громоздкость конструкции, в частности необходимость спиц, соединяющих магнитную часть ротора с валом, контактных колец для питания обмоток возбуждения и возбудителя - машины постоянного тока, генерирующей ток возбуждения.
Известен синхронный тихоходный генератор с большим количеством пар полюсов, отличающихся тем, что каждая пара полюсов образует отдельную ступень многоступенчатого каскада, расположенного на одном валу, причем первая ступень является обращенным трехфазным синхронным генератором, а все последующие - асинхронными трехфазными преобразователями, работающими в режиме тормоза, т.е. такими, первичные и вторичные обмотки которых соединены попарно поочередно с изменением порядка чередования фаз [свидетельство на полезную модель Российской федерации №17363, приоритет от 17.07.2000 г., кл. 7601 В 13/00, бюл. №9 от 27.03.2001 г.]. Примем данное устройство за прототип.
У прототипа нет недостатков предыдущего аналога, однако у него значительно больше расход активных материалов - обмоточного провода и электротехнической стали для магнитопровода, чем у быстроходных электрических машин на ту же мощность (например, у турбогенераторов).
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является электрический генератор с малой частотой вращения ротора, обладающий меньшим расходом активных материалов, чем существующие той же номинальной мощности и числом оборотов в минуту.
Поставленная задача решается тем, что в каскадном синхронно-асинхронном генераторе с несколькими ступенями, первая из которых представляет собой обращенный синхронный генератор, а все остальные - асинхронные преобразователи, работающие в режиме тормоза, в отличие от прототипа, промежуточные статоры выполнены с возможностью вращения в сторону, противоположную вращению роторов, Статор последней ступени неподвижный. Его статорная обмотка подключена к выходным клеммам генератора, а число ступеней выполнено четным.
в
в
p1
1
На фиг.1 приведена конструкция данного генератора. Его первая ступень состоит из обращенного синхронного генератора 1, обмотки возбуждения которого w вместе с полюсами находятся на статоре и питаются постоянным напряжением u. Трехфазная якорная обмотка w располагается на роторе, который приводится во вращение с частотой n от гидротурбины, соединенной с валом, на котором располагаются роторы всех ступеней каскадного генератора.
p1
Частота эдс, генерируемых в обмотках w, равна
где p - число пар полюсов генератора 1 (принимаем, что число пар полюсов всех ступеней каскада одинаково).
p1
p2
p2
p1
Обмотки w соединены с роторными обмотками w трехфазной асинхронного преобразователя - ступени 2 каскада. При этом чередование фаз изменено у обмоток w на противоположное по сравнению с таковым у обмоток w. Благодаря этому магнитное поле в зазоре ступени 2 вращается в ту же сторону, что и ротор, т.е. с удвоенной частотой
2
c2
Статор преобразователя 2 вращается в сторону, противоположную вращению ротора, с частотой n (об/мин). Поэтому магнитное поле ротора этой ступени вращается относительно трехфазной обмоток статора w со скоростью
c2
Поэтому в обмотках w генерируется эдс с частотой
c3
c3
c2
p3
Эти эдс вызывают ток в обмотках w следующей ступени 3 каскада. Чередование фаз у обмоток w снова выполнено противоположным по сравнению с обмотками w. Потому частота эдс в роторных обмотках этой ступени w равна
2
Далее подобный характер соединения статорных и роторных обмоток повторяется, а статоры всех ступеней вращаются в сторону, противоположную вращению ротора, с частотой n. Поэтому частота тока в статорных обмотках к-той ступени составляет
А в роторных обмотках
cm
где знак «плюс» соответствует четной ступени, а «минус» - нечетной. Статор последней ступени (номер «m») неподвижный, поэтому частота эдс статорных обмоток w равна
cm
m
Напряжения между фазами А, В, С обмоток w и являются выходными напряжениями генератора. Поэтому частота f, определяемая формулой (7), является его номинальной частотой. Согласно формуле (7) число ступеней каскада равно
2
0
Нетрудно видеть, что вращение статоров промежуточных ступеней каскада приводит к уменьшению их числа. Действительно, если бы все статоры были неподвижны, как в прототипе (n=0), то число m равнялось бы
1
2
т.е. было больше, чем m согласно формуле (8). В частности, если n=n, т.е. частоты вращения статоров и роторов промежуточных ступеней генератора были бы одинаковы, то число  равнялось бы
Согласно [3] выходная мощность k-той ступени генератора равна
l
где P - мощность первой ступени синхронного генератора.
A
k
k
Нетрудно видеть, что машинная постоянная C, пропорциональная отношению P/f [3], одинакова для всех ступеней генератора
A
Поскольку масса активных материалов, потери, габаритный объем определяются однозначно C, следовательно, чем меньше ступеней, тем экономичнее каскадный генератор.
p
На фиг.2 изображен вариант коробки передач, позволяющей создать встречное роторной оси вращение статоров. Коробка состоит из неподвижного корпуса 1, шестерни с внутренним расположением зубьев 2, шестерни 3, ось которой жестко связана с осью роторов и имеет ту же самую частоту вращения n, и промежуточной шестерни 4, передающей вращение от шестерни 3 шестерне 2. Частота вращения шестерни 2 связана с частотой вращения шестерни 3 соотношением
1
2
c
p
п
c
где D и D - диаметры шестерен 3 и 2. Вал шестерни 2 связан со статорами промежуточных ступеней каскада. Поэтому они вращаются с той же частотой n в сторону, противоположную вращению роторов. Действительно, как видно из фиг.2, если угловая скорость n шестерни 3 направлена против часовой стрелки, то скорость n промежуточной шестерни 4, а вместе с ней и шестерни 2 - n, направлены по часовой стрелке.
Таким образом, разработана экономичная конструкция каскадного синхронно-асинхронного электрического генератора с двумя вращающимися в противоположные стороны частями, не имеющего скользящих контактов.