ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРАНСФОРМАТОР
ROTATING TRANSFORMER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к передаче электроэнергии на, для и(или) с морских оснований, более точно, настоящее изобретение относится к передаче электроэнергии, например, на меняющей ориентацию плавучей системе для добычи, хранения и отгрузки нефти (ПСДХО) или ветровой турбине с использованием трехфазного вращающегося трансформатора.
Уровень техники
Вопросы климата и глобального потепления являются в настоящее время предметом горячих обсуждений. В одном из докладов правительства Норвегии рассмотрены особенности электрификации новых и существующих установок на континентальном шельфе Норвегии за счет энергии, подаваемой с материка, что снизило бы выбросы парниковых газов в нефтяной отрасли. Одним из типов морских нефтегазодобывающих установок, требующих электрификации, является так называемая плавучая система добычи, хранения и отгрузки нефти (ПСДХО или FPSO, от английского - Floating Production Storage and Offloading). Системы ПСДХО можно разделить на две основные группы, исходя из их мореходных качеств:
судовые ПСДХО с турелью, позволяющей менять ориентацию независимо от постановки на якорь,
не меняющие ориентацию ПСДХО с постоянной ориентацией в зависимости от постановки на якорь.
Меняющая ориентацию ПСДХО представляет собой морское основание, имеющее корпус и стационарную турель. Современная турель часто имеет внутренние системы токосъемных колец для передачи электроэнергии. Эти токосъемные контактные кольца обычно имеют воздушную или масляную изоляцию. Один из наиболее крупных известных действующих вертлюгов с токосъемными кольцами имеет максимальную мощность порядка 40 мегавольт-ампер, но недостатком всех таких устройств является подверженность трению, износу, прерывистый контакт, а также ограничения по уровням тока и напряжения, которые могут быть компенсированы путем выбора между доступностью пространства и риском электрического или механического повреждения.
В настоящее время существует технология вертлюгов, которая рассчитана на низкие уровни напряжения и относительно небольшие расстояния, например, 10-30 км. Известно, что возможности обмена электрической энергией для меняющей ориентацию судовой ПСДХО, рассчитанной на комбинированное производство тепла и электроэнергии в открытом море, обычно ограничены интервалом от 30 кВ до 30 МВт, который часто слишком низок для ряда современных морских установок. Именно по причине некоторых из этих ограничений затруднено обеспечение электрификации ПСДХО.
Современные меняющие ориентацию ПСДХО (обычно судовые) рассчитаны на питание с берега или от "следующего" соседнего сопряжения с источником питания через турель посредством системы вертлюгов. Согласно уровню развития технологии на 2007 год это возможно для конструкций, рассчитанных на экспорт/импорт энергии до 30 МВт и более. Если уровень импорта энергии на протяжении большей части предполагаемого проектного срока службы системы составляет около 10-20 МВт, ее эксплуатация может осуществляться на достаточно больших расстояниях, т.е. производство энергии на месте в открытом море обеспечивает потребности в технологическом тепле в открытом море. При комбинированном производстве тепла и электроэнергии на месте, т.е. полной электрификации с питанием от дистанционного источника 36 кВ, не создается нестабильность напряжения.
При передаче энергии мощностью свыше 30 МВт существуют некоторые ограничения, которые могут быть определены как технологические цензы, по большей части связанные с конструкцией систем электроприводных вертлюгов с питанием переменного тока и дальнейшим совершенствованием технологии для мощностей свыше 18/30 (36) кВ согласно стандарту МЭК. В этих целях предпочтительной выглядит конструкция электроприводного вертлюга на основе ЕЕхр или аналогичного решения.
Ограничения по уровням мощности и напряжения у электроприводного вертлюга турели могут быть преодолены путем установки на турели вращающегося трансформатора. Вращающийся трансформатор является хорошо известным в течение многих лет устройством, которое имеет множество различных применений. Как известно специалистам в данной области техники, вращающийся трансформатор используется для установления связи посредством электрических сигналов между двумя частями, которые вращаются относительно друг друга. Некоторыми примерами применения вращающихся трансформаторов служат системы воздушных подушек безопасности в автомобилях, кассетные видеомагнитофоны (VCR), электрические машины различных типов, космические летательные аппараты и т.д.
Так же обстоит дело с ветровыми турбинами, способными поворачиваться по направлению к ветру и, следовательно, вращаться относительно вертикальной оси. Ветровые турбины могут располагаться на берегу или в море. Выбор местоположения зависит от нескольких параметров, при этом удачным является местоположение с широким открытым обзором и небольшим числом препятствий. Хотя большинство ветровых турбин размещено на берегу, размещение в море становится все более привлекательным. Поскольку ветер в море обычно является не таким турбулентным, как на суше, расположенные в море ветровые турбины предположительно имеют более длительный срок службы, чем сухопутные ветровые турбины. С ростом населения земли возникает вопрос недостатка места для размещения ветровых турбин. Следовательно, расположение в море становится все более предпочтительным. Одним из примеров парка морских ветровых турбин является ветровая ферма Horns Rev в 14 км от западного побережья датской части Ютландии, на которой ветровые турбины установлены на морском дне. Эта ветровая ферма оснащена ветровыми турбинами типа V80-2,0 МВт датской компании Vestas по производству ветровых турбин. Vestas также предлагает более мощную ветровую турбину V90-3,0 МВт, которая была внедрена в 2002 году. Тем не менее, из-за растущего потребления энергии в будущем потребуются еще более мощные ветровые турбины.
Ветровые турбины существующих типов, такие как, например, ветровая турбина Vestas V80-2,0 МВт имеют высоковольтный трансформатор в задней части обтекателя, что может приводить к неустойчивости из-за большого веса трансформатора, размещающегося наверху относительно высокой мачты. Даже с учетом значительного уменьшения веса ветровых турбин за последнее время, например, за счет применения новых облегченных материалов, по-прежнему существует потребность в снижении веса, например, обтекателя. Парки морских ветровых турбин могут размещаться на морском дне или плавучих конструкциях. Плавучие ветровые турбины обладают рядом преимуществ в том, что касается, например, использования энергии ветра, по сравнению с неплавучими ветровыми турбинами.
Для преобразования энергии и сигналов, поступающих от вращающихся лопастей ветровой турбины, в современных ветровых турбинах используется поворотный рабочий орган. Такой системой преобразования энергии может являться система токосъемных колец. Специалистам в данной области техники известно, что система токосъемных колец представляет собой электромагнитное устройство для преобразования стационарной энергии во вращательную или наоборот. Токосъемными кольцами одного из типов, используемыми в ветровых турбинах, являются, например, токосъемные кольца на основе волоконно-щеточной технологии. Недостатками токосъемных колец являются подверженность трению, износу, прерывистый контакт, а также ограничения по уровням тока и напряжения, которые могут быть компенсированы путем выбора между доступностью пространства и риском электрического или механического повреждения. Таким образом, современная технология ветровых турбин не способна обеспечивать растущий спрос на энергию.
Ограничения по уровням тока и напряжения у современных ветровых турбин могут быть преодолены путем установки на них трехфазного вращающегося трансформатора вместо, например, системы токосъемных колец. Вращающийся трансформатор является хорошо известным в течение многих лет устройством, которое имеет множество различных применений. Как известно специалистам в данной области техники, вращающийся трансформатор используется для установления связи посредством электрических сигналов между двумя частями, которые вращаются относительно друг друга. Некоторыми примерами применения вращающихся трансформаторов служат системы воздушных подушек безопасности в автомобилях, кассетные видеомагнитофоны (VCR), электрические машины различных типов, космические летательные аппараты и т.д.
В EP 1742235 A2 описан электрогенератор, такой как ветровая турбина, содержащий вращающийся трансформатор. Вращающийся трансформатор передает энергию вращающегося корпуса генератора его неподвижному корпусу. В многофазной энергосистеме предусмотрен один вращающийся трансформатор для каждой стадии. Трансформаторы последовательно расположены на одной оси и образуют единый агрегат. Поскольку каждый трансформатор имеет две стойки, трехфазная система из трех вращающихся трансформаторов имеет шесть стоек. Сердечник трансформатора состоит из мягкого железа. Как известно специалистам в данной области техники, сердечники из мягкого железа обычно используют для высокочастотных трансформаторов, а не для преобразования энергии, в частности, из-за больших потерь и высокой температуры при высоких мощностях.
В патенте NO 165220 описан вращающийся трансформатор на основе сложной системы с использованием зависящего от нагрузки крутящего момента, который не применим в системах передачи энергии большой мощности.
Таким образом, существует потребность в создании технологии, которая обеспечивала бы возможность сокращения выбросов парниковых газов за счет использования альтернативных источников энергии и одновременно удовлетворяла бы растущий мировой спрос на электроэнергию и ее потребление. В новой технологии должны быть устранены существующие недостатки современных ветровых турбин в том, что касается диапазона мощности и напряжения, а также не должны использоваться токосъемные кольца. С увеличением размеров ветровых турбин, номинальная мощность которых все растет, вес компонентов, размещаемых все выше над уровнем земли, становится критическим. При создании более крупных ветровых турбин решающее значение имеют решения, которые позволяют надежно уменьшать вес ветровой турбины.
Раскрытие изобретения
Соответственно, в основу настоящего изобретения положена задача анализа применимости подачи энергии с берега на меняющую ориентации ПСДХО или в качестве альтернативы обмена электроэнергией с другими установками, такими как ветроэнергетические установки, включая морские ветровые турбины. Другой задачей изобретения является создание решения, которое способствовало бы сокращению выбросов парниковых газов на морских нефтегазодобывающих установках. Одной из задач настоящего изобретения также является усовершенствование современной технологии и устранение ее недостатков с целью электрификации установок ПСДХО, что позволит использовать их в будущем на новых удаленных месторождениях за счет подаваемой с берега энергии или комбинированного производства тепла и электроэнергии и обмена энергией со "следующей" соседней установкой, а также передачи энергии, вырабатываемой вращающимися ветровыми турбинами.
Решение этих задач достигается посредством признаков, приведенных в формуле настоящего изобретения.
Согласно первой особенности настоящего изобретения изложенные выше задачи достигаются за счет системы передачи энергии большой мощности на плавучее основание, имеющее турель и окружающий ее корпус, которые вращаются относительно друг друга, или ветровую турбину, вращающуюся под напором ветра. Система дополнительно содержит вращающийся трехфазный трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки. Турель снабжена одной из упомянутых обмоток, включающих первичную и вторичную обмотки, а корпус снабжен другой из упомянутых обмоток, включающих первичную и вторичную обмотки. Упомянутые первичная и вторичная обмотки расположены напротив друг друга. Между первичной и вторичной обмотками и соответствующими им частями сердечников трансформатора предусмотрен воздушный зазор. При надлежащей конструкции соответствующих сердечников трансформатора тем самым обеспечивается высокая передаваемая мощность, рассчитанная на обеспечение будущей эксплуатации новых удаленных нефтяных и газовых месторождений.
В одном из альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы плавучим основанием является меняющее ориентацию морское плавучее основание.
В еще одном из альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы меняющим ориентацию плавучим основанием является плавучая установка для нефтедобычи, хранения и выгрузки.
В еще одном из альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы установкой является ветровая турбина, способная ориентироваться по ветру, в частности, крупная морская ветровая турбина.
В еще одном из альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы первичные обмотки и соответствующие части сердечника(-ов) трансформатора установлены на палубе турели или на вращающемся корпусе, а вторичные обмотки и соответствующие части сердечника(-ов) трансформатора установлены на палубе на корпусе или на турели напротив первичных обмоток.
В одном из дополнительных альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы вращающимся трансформатором является трансформатор из литьевой смолы или изготовленный другим методом сухой намотки кабеля. Эта технология является более безопасной по сравнению с маслонаполненными трансформаторами в том, что касается взрывоопасности и утечек масла.
В еще одном из альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы на турели или на вращающемся корпусе установлены третичные обмотки вращающегося трехфазного трансформатора. В еще одном из альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы третичные обмотки установлены на палубе турели или на вращающемся корпусе.
В одном из альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы трехфазный вращающийся трансформатор образован тремя однофазными трансформаторами с вертикальными воздушными зазорами.
В одном из дополнительных альтернативных вариантов осуществления предложенной в настоящем изобретении системы трехфазный вращающийся трансформатор образован тремя однофазными трансформаторами с горизонтальными воздушными зазорами.
Передача электроэнергии на, для и с меняющих ориентацию установок часто происходит с относительно медленным смещением относительно компасного румба. Следовательно, трансформатором, который обычно связан с региональной энергетической системой, может являться стандартный трансформатор в сочетании с системой токосъемных контактных колец для обеспечения свободного изменения ориентации. С другой стороны, недостатки системы токосъемных колец можно устранить за счет использования вращающегося трансформатора, способного обеспечить более надежную систему, требующую меньшего обслуживания.
Вращающиеся трансформаторы обычно используют при передаче электроэнергии на, для и(или) с морских оснований, более точно, настоящее изобретение относится к передаче электроэнергии на меняющем ориентацию морском основании с использованием вращающегося трансформатора.
Требования к меняющему ориентацию ветровому турбинному генератору в том, что касается внешних сопряжений для передачи электроэнергии, сходны с требованиями к меняющему ориентацию судовому основанию. Если ветровая турбина с меняющим ориентацию приводом расположена в море или в другом труднодоступном месте, вращающийся трансформатор может быть предпочтительным с учетом присущей ему низкой потребности в техобслуживании.
Типичные расчетные требования к конструкции морского ветрового турбинного генератора в отношении экспорта электроэнергии в настоящее время чаще всего находятся в пределах около 5-15 мегавольт-ампер.
Типичные расчетные требования к конструкции меняющего ориентацию судового морского основания в отношении импорта или экспорта электроэнергии в настоящее время чаще всего находятся в пределах 10-100 мегавольт-ампер.
Поскольку с точки зрения объема импорта или экспорта электроэнергии относительно расстояния выгодны более высокие уровни напряжения, чем обеспечивает существующая современная хорошо отработанная технология токосъемных колец, возникает потребность в других решениях.
Медленное вращение поворотного стола обтекателя в сборе ветровой турбины или сходное перемещение конструкции турели на меняющем ориентацию судовом морском основании могли бы способствовать применению технологии вращающихся трансформаторов.
Вращающийся трансформатор с вертикальным воздушным зазором был бы предпочтителен для стандартной трехфазной системы электропитания с точки зрения конструктивной симметрии железных сердечников и обмоток.
В корпусе ветровой турбины с ориентацией, меняющейся свободно или путем активного управления, может быть установлен вращающийся трансформатор с вертикальным воздушным зазором, расположенный достаточно глубоко внутри установки, но при этом взаимодействующий с корпусом ветровой турбины с меняющейся ориентацией. Это расположение применимо для маслонаполненного трансформатора вращающегося типа, рассчитанного на уровни напряжения в пределах примерно до 132 кВ.
Для меняющего ориентацию судового морского основания с типичными конструкциями турели и вертлюга предпочтителен сухой вращающийся трансформатор. Обмотки "кабельного типа" способны обеспечивать уровни напряжения в пределах примерно до 132 кВ, применимые для импорта и экспорта энергии высоких мощностей на большие расстояния.
В случае меняющего ориентацию судового морского основания типа ПСДХО с учетом размера турели, включая эксплуатационные вертлюги, и предпочтительных уровней мощности и напряжения требуется конструкция с секциями тороидной формы, установленная на вращающемся трансформаторе, чтобы обеспечить замену неисправных деталей в соответствии с нормальными принципами материально-технического обслуживания в открытом море.
В ПСДХО также могут применяться однофазные или двухфазные вращающиеся трансформаторы для сопряжения с системами прямого электронагрева напорных трубопроводов при добыче нефти и газа.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - морское основание типа ПСДХО,
на фиг.2 - трехфазный вращающийся трансформатор с вертикальным воздушным зазором,
на фиг.3 - трехфазный вращающийся трансформатор с горизонтальным воздушным зазором,
на фиг.4 - однофазный осевой вращающийся трансформатор с вертикальным воздушным зазором.
на фиг.5 - однофазный Т-образный вращающийся трансформатор с вертикальным воздушным зазором.
на фиг.6 - однофазный вращающийся трансформатор с броневым сердечником и горизонтальным воздушным зазором,
на фиг.7 - турель с вращающимся трансформатором с вертикальным воздушным зазором,
на фиг.8 - турель с вращающимся трансформатором с горизонтальным воздушным зазором,
на фиг.9 - альтернативная конструкция трехфазного вращающегося трансформатора с горизонтальным воздушным зазором,
на фиг.10 - альтернативная конструкция трехфазного вращающегося трансформатора с вертикальным воздушным зазором,
на фиг.11 - секция тороидной формы трехфазного вращающегося трансформатора с горизонтальным воздушным зазором.
Подробное описание осуществления изобретения
Как показано на фиг.1, меняющая ориентацию ПСДХО содержит турель 2, окруженную корпусом 1. Турель 2 обычно имеет отверстие посередине для размещения стояков, оттяжек и т.д. Хотя меняющая ориентацию ПСДХО естественным образом перемещается под действием ветра, океанских течений, волн и т.д., стояки и оттяжки должны быть относительно неподвижными во избежание спутывания. Так, турель 2 является неподвижной, а корпус 1 ПСДХО вращается вокруг турели 2. Существуют турели 2 различных типов, и одним из примеров турели является турель Tentech, показанная на фиг.1.
Как упомянуто выше, чтобы преодолеть ограничения по уровням мощности и напряжения существующей технологии на основе вертлюга с электроприводом, установленным на турели 2, вместо этого на турели 2 ПСДХО может быть установлен трехфазный вращающий трансформатор, предпочтительно трансформатор с обмотками, изготовленный из литьевой смолы или другим методом сухой намотки кабеля, без необходимости охлаждения масла и изоляции трансформатора, рассчитанного на напряжение до 150 кВ включительно. За счет использования метода сухой намотки кабеля устраняется опасность утечки масла или взрывов масляного тумана, как в случае маслонаполненных трансформаторов или систем маслонаполненных вертлюгов с токосъемными кольцами.
Трансформатор может иметь несколько обмоток с гальванической развязкой или набор обмоток на общем железном сердечнике, при этом вращающийся трансформатор имеет минимум две обмотки (однофазный) или два набора обмоток (трехфазный) на общем железном сердечнике. Вращающимся трансформатором 14, установленным на ПСДХО, предпочтительно является трехфазный вращающийся трансформатор с вертикальным или горизонтальным воздушным зазором 6. На фиг.2 проиллюстрирован один из примеров вращающегося трансформатора с вертикальным воздушным зазором 6, а на фиг.3 - один из примеров вращающегося трансформатора с горизонтальным воздушным зазором 6. На фиг.2 и 3 показано, что трехфазный вращающийся трансформатор имеет статор 5, который является частью трансформатора, соединенной с турелью 2, и ротор 4, который является частью трансформатора, соединенной с корпусом 1 ПСДХО. Ротор 4 свободно вращается относительно статора 5. Между статором 5 и ротором 4 предусмотрен вертикальный или горизонтальный воздушный зазор 6, не создающий крутящий момент. Размер вертикального или горизонтального воздушного зазора 6 может меняться и, например, составлять от 1 мм до 1 см. Площадь и длина вертикального или горизонтального воздушного зазора 6 определяет эффективность передачи энергии. Статор 5 имеет три первичных обмотки U1, VI, W1, а ротор имеет три вторичных обмотки U2, V2, W2. Вращение ротора 4 относительно статора 5 не влияет на магнитное поле, которое обозначено окружностью со стрелкой. Утечка магнитного поля является очень небольшой, поскольку железный сердечник полностью окружает обмотки. За счет этого ограничивается или предотвращаются нежелательные магнитные поля где-либо еще на морском основании, как, например, нежелательный нагрев корпуса 1. Сердечник вращающегося трансформатора должен иметь такие размеры и быть ориентирован таким образом, чтобы магнитное поле было способно обеспечивать обмен мощностью между двумя вращающимися частями 4, 5 вращающегося трансформатора без значительных потерь в воздушном зазоре 6. С функциональной точки зрения не важно, расположены ли первичные или вторичные обмотки на турели 2 или на корпусе 1, при этом по желанию на турели 2 и(или) корпусе 1 вращающегося трансформатора может быть размещен один или несколько наборов третичных обмоток U3, V3, W3.
Трехфазный вращающийся трансформатор в принципе образован тремя однофазными вращающимися трансформаторами, но трехфазная конструкция традиционно позволяет уменьшить вес и размеры. Существуют однофазные вращающиеся трансформаторы нескольких различных типов, а на фиг.4-6 показаны три возможных примера однофазных вращающихся трансформаторов. Выбор типа однофазного вращающегося трансформатора является по большей части вопросом необходимости в доступе к трансформатору и его демонтаже. Т-образный вращающийся трансформатор, показанный на фиг.5, имеет Т-образную форму, что позволяет извлекать трансформатор легче, чем осевой вращающийся трансформатор, показанный на фиг.4. Трансформаторы, показанные на фиг.4 и 5, имеют вертикальный воздушный зазор 6, а трансформатор, показанный на фиг.6, имеет горизонтальный воздушный зазор 6. Вращающийся трансформатор с типичной конструкцией также может состоять из нескольких соединенных друг с другом однофазных трансформаторов или только из одного однофазного блока. Как упомянуто ранее, число обмоток/наборов обмоток может быть увеличено, например, до трех или более обмоток/наборов обмоток на общем железном сердечнике (т.е. трансформатор может иметь три обмотки/набора обмоток или более). В конструкцию турели могут входить различные вращающиеся трансформаторы различных назначений, не ограниченные следующими примерами:
трансформатор для экспорта или импорта электроэнергии, обычно трехфазный трансформатор, работающий на частоте 50 или 60 Гц,
специализированный трансформатор для прямого электронагрева напорных трубопроводов, обычно однофазный,
специализированный трансформатор для подачи электроэнергии от надводного преобразователя на подводный частотно-регулируемый электропривод,
специализированный трансформатор для подачи электроэнергии от надводного положения на подводный привод прямого пуска от сети,
трансформатор для подачи электроэнергии с целью подводного распределения, обычно трехфазный трансформатор, работающий на частоте 50 или 60 Гц,
путем установки параллельных блоков может быть достигнуто резервирование, обычно 2×50 или 70%.
Как упомянуто выше, согласно предпочтительному варианту осуществления трехфазный вращающийся трансформатор 14 может иметь вертикальный или горизонтальный воздушный зазор 6. На фиг.2 и 10 проиллюстрирован один из примеров трехфазного вращающегося трансформатора 14 с вертикальным воздушным зазором 5, а на фиг.3 и 9 проиллюстрирован один из примеров трехфазного вращающегося трансформатора 14 с горизонтальным воздушным зазором 6. Трехфазный вращающийся трансформатор 14 может иметь первичные обмотки U1, VI, W1 и вторичные обмотки U2, V2, W2, а также, возможно, третичные обмотки U3, V3, W3. Первичные обмотки U1, VI, W1 и соответствующие им части сердечников трансформатора соединены с вращающимся (меняющим ориентацию) валом 16 или краем обтекателя 12 в зависимости от положения трехфазного вращающегося трансформатора 14. Вторичные обмотки U2, V2, W2 и соответствующие им части сердечников трансформатора соединены с неподвижной мачтой 11 ветровой турбины. Первичные обмотки U1, VI, W1 свободно вращаются относительно вторичных обмоток U2, V2, W2. Первичные обмотки U1, VI, W1 вторичные обмотки U2, V2, W2 расположены напротив друг друга и образуют магнитное соединение друг с другом. На фиг.2, 3, 9 и 10 представлены более подробные иллюстрации трехфазного вращающегося трансформатора 14. Поток энергии в трехфазном вращающемся трансформаторе 14 проходит от вращающейся части в направлении неподвижной части. Так, мощность может передаваться далее электрораспределительной сети или ее эквиваленту. Как известно специалистам в данной области техники, первичные обмотки принято называть стороной трансформатора, с которой подводится мощность. Исходя из этого определения, мощность подводится на первичные обмотки U1, VI, W1 и выводится с вторичных обмоток U2, V2, W2. Например, поскольку на силовой установке напряжение повышается, первичные обмотки U1, VI, W1 будут находиться на генераторной стороне трансформатора, т.е. вращающегося элемента, способного вращаться вместе с обтекателем 2 (валом или краем). Если назначением трансформатора является понижение напряжения до уровня потребляемого напряжения с целью подачи энергии потребителю, первичные обмотки U1, VI, W1 будут находиться на сетевой стороне трансформатора, а вторичные обмотки U2, V2, W2 будут находиться на пользовательской стороне трансформатора.
Как показано на фиг.2, 3, 9 и 10, между первичными обмотками U1, VI, W1, вторичными обмотками U2, V2, W2 и третичными обмотками U3, V3, W3 предусмотрен вертикальный или горизонтальный воздушный зазор 6.
Вращение первичных обмоток U1, VI, W1 относительно вторичных обмоток U2, V2, W2 не влияет на магнитное поле, которое обозначено окружностью со стрелкой. Утечка магнитного поля является очень небольшой, поскольку железный сердечник полностью окружен обмотками. За счет этого ограничивается или предотвращаются нежелательные магнитные поля где-либо еще на ветровой турбине, как, например, нежелательный нагрев мачты 11. Сердечник трехфазного вращающегося трансформатора 14 должен иметь такие размеры и быть ориентирован таким образом, чтобы магнитное поле было способно обеспечивать обмен мощностью между двумя вращающимися частями трехфазного вращающегося трансформатора 14 без значительных потерь в воздушном зазоре 6.
Ветровая турбина содержит четыре основных компонента, которые можно видеть на фиг. 7: фундамент (не показан), мачту 11, обтекатель 12 (также называемый корпусом турбины) и ротор 13. Мачта 11, на которой установлен обтекатель 12 и ротор 13, является неподвижной частью, соединяющей ветровую турбину с фундаментом. Фундамент может быть установлен, например, на земле или в море. Мачта 11 также служит направляющей для кабелей, ведущих от обтекателя 12 вниз до электрораспределительной сети. Обтекатель 12 расположен наверху мачты 11, а ротор 13 расположен спереди обтекателя 12. Обтекатель 12 меняет ориентацию посредством активного управления и содержит несколько компонентов, как, например, ось, коробка передач, генератор, система управления и т.д. Ротор 13 имеет ступицу и по меньшей мере одну лопасть, которая соединена со ступицей. По меньшей мере одна лопасть ротора вращается под напором ветра. В настоящее время на ветровых турбинах чаще всего используются роторы 13 с тремя лопастями, но также существуют однолопастные и двулопастные ветровые турбины. По соображениям устойчивости предпочтительными являются роторы 13 с нечетным числом лопастей. Мачта 11 может иметь различную высоту, например, от 60 до 105 метров. Ротор 13 может иметь диаметр, например, 80-90 метров. Выбор высоты мачты 11 и диаметра ротора 13 зависит от различных параметров.
Как показано на фиг.7, на ветровой турбине установлен трехфазный вращающийся трансформатор 14. Следует отметить, что трехфазный вращающийся трансформатор 14 изображен не в масштабе. Трансформатор может иметь несколько обмоток с гальванической развязкой или набор обмоток на общем железном сердечнике, при этом вращающийся трансформатор имеет минимум две обмотки (однофазный) или два набора обмоток (трехфазный) на общем железном сердечнике. Общий железный сердечник представляет собой штабель из многослойных жестяных пластин для ограничения вихревых токов. Как упомянуто выше, в качестве альтернативы, в конструкции железных сердечников может применяться мягкое железо, но обычно мягкое железо используется в случае токов высокой частоты и рассчитано на диапазон мощности, измеряемой киловаттами. При высокой мощности температура мягкого железа повышается, и оно может в некоторых случаях плавиться или сгорать. Мягкое железо имеет относительно высокий коэффициент потерь и не вполне применимо для преобразования энергии, например, в промышленных целях. Тем не менее, общий железный сердечник в виде штабеля из многослойных жестяных пластин не создает сложностей в том, что касается потерь, и также может применяться в измеряемом мегаваттами диапазоне мощности без каких-либо сложностей, связанных с температурой или плавлением материала. Общий железный сердечник в виде штабеля из многослойных жестяных пластин является более сложным для изготовления, чем сердечник из мягкого железа. Вращающимся трансформатором, установленным на ветровой турбине, предпочтительно является трехфазный вращающийся трансформатор 14 с вертикальным или горизонтальным воздушным зазором 6.
Как показано на чертежах, в частности на фиг.9-11, трехфазный вращающийся трансформатор 4 с общим железным сердечником может иметь четыре или пять стоек. Эта конструкция значительно меньше и легче, чем, например, конструкция из трех последовательно расположенных на одной оси однофазных трансформаторов с отдельными железными сердечниками, которая в общей сложности имеет шесть стоек.
Трехфазный вращающийся трансформатор 14 может быть размещен в различных положениях внутри мачты 11, но независимо от положения одна часть трехфазного вращающегося трансформатора 14 должна быть установлена на вращающемся элементе, а другая часть на неподвижном элементе. Разумеется, что неподвижным элементом является мачта 11, а вращающимся элементом может являться, например, вал или прижимной край обтекателя 12. Выбор положения зависит от множества параметров, но трансформатор может быть, в принципе, расположен в любом положении на мачте 11. Одним из параметров является обслуживание трехфазного вращающегося трансформатора 14. При необходимости частого облуживания трехфазного вращающегося трансформатора 14 он должен быть расположен с возможностью легкого доступа к нему. Применимым положением с учетом простоты обслуживания является, например, нижняя часть мачты 11. Поскольку вращающийся трансформатор является относительно стабильным устройством с относительно низкой частотой появления ошибок, потребность в обслуживании является относительно небольшой. Другим параметром является наличие доступного пространства в мачте 11. Верхняя часть мачты 11 вблизи обтекателя 12 имеет меньший диаметр, чем нижняя часть мачты 11. В связи с этим верхняя часть мачты 11 также может быть слишком тонкой для размещения в ней трехфазного вращающегося трансформатора 14. Нижняя часть мачты 11 имеет больший диаметр и, следовательно, обеспечивает больше доступного пространства. Кроме того, поскольку трехфазный вращающийся трансформатор 14 может быть относительно тяжелым и весить, например, 10 тонн, подъем 10-тонного трехфазного вращающегося трансформатора 14 наверх мачты 11, которая может иметь высоту, например, 80-105 метров, является сложной операцией. Помимо этого, поскольку одной из проблем высоких ветровых турбин является устойчивость, при размещении тяжелого трехфазного вращающегося трансформатора 14 в нижней части мачты 11 устойчивость не будет иметь такого решающего значения. Это может быть в особенности важным для морских ветровых турбин.
Разумеется, что вращающийся трансформатор, показанный на фиг.7, может быть размещен в различных положениях на турели 2, как, например, это показано на фиг.1. Выбор положения зависит от различных параметров. Одним из параметров является обслуживание вращающегося трансформатора. При необходимости частого облуживания вращающегося трансформатора он должен быть расположен с возможностью легкого доступа к нему, например, на верхней палубе турели 2. Вместе с тем, верхняя палуба турели 2 не является полностью свободным пространством, поскольку на этой палубе уже установлено несколько устройств и приборов. Другим параметром является наличие доступного пространства на ПСДХО. Пространство между турелью 2 и корпусом 1 (ниже палубы ПСДХО) обычно является довольно "пустым", следовательно, оно применимо для размещения на нем вращающегося трансформатора, будучи "пустым", неиспользуемым пространством. Тем не менее, при этом не обеспечивается такой же хороший доступ к вращающемуся трансформатору для обслуживания, как при его размещении на верхней палубе турели. Вращающийся трансформатор является относительно стабильным устройством с относительно низкой частотой появления ошибок.
На фиг.8 показан вращающийся трансформатор с горизонтальным воздушным зазором 6, который установлен на турели 2, но также может использоваться на ветровых турбинах. Вращающийся трансформатор имеет три набора обмоток: первичные обмотки U1, VI, W2, вторичные обмотки U2, V2, W2 и третичные обмотки U3, V3, W3. Обмотки расположены по окружности в горизонтальной плоскости вокруг центра турели 2. Как упомянуто выше со ссылкой на фиг.7, размер трансформатора на чертежах не соответствует его истинному соотношению с размерами турели 2. Показанный на фиг.8 вращающийся трансформатор обычно рассчитан на мощность 50-150 мегавольт-ампер.
Диаметр вращающегося трансформатора составляет такой же порядок величины, как и отверстие в турели, и также зависит от типа турели 2. Если турелью 2 является небольшая турель APL, диаметр вращающегося трансформатора может составлять, например, от 2 до 4 метров, а в случае большой турели Tentech диаметр может составлять, например, до 20 и более метров.
Турель 2 и корпус 1 имеют палубы для установки ни них ротора 4 и статора 5 вращающегося трансформатора.
Вращающийся трансформатор обычно может иметь мощность в пределах 50-150 мегавольт-ампер, что является диапазоном, на который рассчитано большинство ожидаемых областей применения. Этот диапазон также может быть расширен до 25-250 мегавольт-ампер или в расчете на заказные конструкции меньшего размера.
На фиг.9 и 10 показаны другие возможные конструкции трехфазного вращающегося трансформатора 14 с улучшенным управлением магнитными потоками, чем в конструкциях, описанных выше со ссылкой на фиг.2 и 3. На фиг.9 показан трехфазный вращающийся трансформатор 14 с горизонтальным воздушным зазором 6, а на фиг.10 показан трехфазный вращающийся трансформатор 14 с вертикальным воздушным зазором 6. Обмотки вокруг железных сердечников обозначены как V2.1-LEG, V2.2-LEG и т.д. В этой конструкции трехфазного вращающегося трансформатора 14 предотвращается взаимное уничтожение магнитных потоков, образующихся на различных стадиях, при этом первая и пятая стойка трансформатора обеспечивают надлежащее управление магнитным потоком в зависимости от окружающей среды. Обмотки V2.1, V2.2, …, V2.8 могут быть соединены последовательно или параллельно. В первичных обмотках U1, VI, W1, вторичных обмотках U2, V2, W2 и третичных обмотках U3, V3, W3 полного трехфазного вращающегося трансформатора 14 должны использоваться одинаковые соединения. Согласно аналогичным принципам могут быть сконструированы другие многофазные вращающиеся трансформаторы. Трансформаторы, имеющие конструкции этого типа, могут отличаться большей гибкостью с точки зрения материально-технического обслуживания, чем конструкции, описанные ранее со ссылкой на фиг.2 и 3. Гибкость материально-технического обслуживания объясняется их конструкцией, т.е. железный сердечник и фазные обмотки могут быть разбиты на секции тороидной формы. Поскольку материально-техническое обслуживание становится еще важнее с учетом номинальной электрической мощности и требуемого диаметра внутреннего отверстия, варианты осуществления конструкции трансформатора, показанные на фиг.9-10, являются предпочтительными.
На фиг.11 проиллюстрирована секция 14а тороидной формы с нижней стороны трехфазного вращающегося трансформатора 14 с пятью стойками и горизонтальным воздушным зазором 6. Одна или несколько секций трансформатора могут быть извлечены для обслуживания и т.д. без необходимости демонтажа всей системы. Аналогичное решение также применимо в трансформаторе с вертикальным воздушным зазором.
Таким образом, в настоящем изобретении предложена система передачи энергии большой мощности на установке, имеющей первую часть 1, 11 и вторую часть 2, 12, вращающиеся относительно друг друга. Частями могут являться корпус и турель заякоренной морской платформы, способные вращаться относительно друг друга, или обтекатель ветровой турбины, в частности, морской ветровой турбины, который расположен наверху мачты ветровой турбины и вращается относительно мачты. Могут быть также предусмотрены другие сходные области применения, в которых требуется передача энергии больших мощностей между вращающимися частями.
Предложена система, дополнительно содержащая вращающийся трехфазный трансформатор, имеющий первичные обмотки U1, VI, W1 и вторичные обмотки U2, V2, W2, при этом на первой части установлено одно из следующего: упомянутые первичные обмотки U1, VI, W1 или вторичные обмотки U2, V2, W2, на второй части установлены остающиеся обмотки из упомянутых первичных обмоток U1, VI, W1 или вторичных обмоток U2, V2, W2, упомянутые первичные обмотки U1, VI, W1 и вторичные обмотки U2, V2, W2 расположены напротив друг друга, а между первичными обмотками U1, VI, W1 и вторичные обмотками U2, V2, W2 и соответствующими им частями сердечников трансформатора предусмотрен воздушный зазор 6. Воздушный зазор 6 обычно является горизонтальным или вертикальным в зависимости от применения, при этом также могут быть предусмотрены другие возможности. Так, первичные обмотки могут быть, например, связаны с корпусом 1 судна или валом 16 обтекателя 12 ветровой турбины, а вторичные обмотки могут быть связаны с турелью 2, вокруг которой движется судно, или с мачтой 11, на которой установлен обтекатель 12. Положение для передачи энергии путем соединения двух частей и трансформатора 14 зависит от требуемой стабильности системы. Так, обмотки могут быть расположены на конце вала 16, достигающего нижней части мачты 11 морской ветровой турбины.