СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ДВУХ РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТ В ТУРБОГЕНЕРАТОРЕ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
METHOD OF GENERATION OF AC VOLTAGES OF TWO DIFFERENT FREQUENCIES IN THREE-PHASE CURRENT TURBO-GENERATOR

1.1. Область техники.
Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим синхронным генераторам переменного трехфазного тока с электромагнитным возбуждением и с дополнительными обмотками на статоре и на роторе для генерации напряжений двух различных частот.
1.2. Уровень техники.
Известен способ генерации переменного напряжения, используемый в синхронном турбогенераторе с электромагнитным возбуждением, состоящем из шихтованного магнитопровода (статора) с цилиндрической расточкой и пазами на внутренней ее поверхности, в которых размещена распределенная обмотка переменного трехфазного тока, и ферромагнитного ротора, расположенного внутри расточки статора и насаженного на вал, опирающийся своими концами на подшипники, один из концов которого соединен с приводным двигателем (турбиной) [1].
В пазах ферромагнитного ротора неявнополюсной конструкции размещена обмотка возбуждения постоянного тока, которая в свою очередь электрически соединена с вращающимся выпрямителем устройства бесщеточного возбуждения [2], жестко закрепленного на конце вала. Питание обмотки возбуждения постоянного тока осуществляется электроэнергией устройства бесщеточного возбуждения при вращении ротора от приводного двигателя.
В указанном турбогенераторе при вращении ротора в результате взаимодействия магнитного поля вращающейся обмотки возбуждения постоянного тока с обмоткой статора в ней индуктируется переменная трехфазная электродвижущая сила (э.д.с), которая в дальнейшем при подключении к внешней сети должна синхронизироваться по величине, частоте и фазе с напряжением внешней сети.
1
Величину первой (основной) гармоники э.д.с Е и ее частоту в общем случае определяют по формулам:
где:
- W - число витков в фазе обмотки статора;
1
- Ф - первая гармоника потокосцепления фазы обмотки статора, Вб;
об.1
- k - обмоточный коэффициент;
c.1
- k - коэффициент скоса пазов;
-  - частота переменной э.д.с, Гц;
1
- p - число пар полюсов обмотки статора и ротора;
1
- n - частота вращения ротора, об/мин.
1
1
1
В соответствии с формулой (2) для получения переменного трехфазного напряжения промышленной частоты 50 Гц максимально возможная частота вращения ротора n синхронного турбогенератора при р=1 составляет n=3000 об/мин [1].
Известно, что паровые (газовые) турбины, являющиеся приводными двигателями для турбогенератора, имеют наилучшие технико-экономические показатели (к.п.д., удельная мощность и др.) при более высоких частотах вращения n≥6000 об/мин [3].
Недостатком данного технического решения турбогенератора переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц является то, что для его привода используют промежуточный механический редуктор [3], что приводит к увеличению массы, габаритов и стоимости всего турбоагрегата в целом.
Известен способ генерации переменных напряжений, реализуемый техническим решением, описанным в [4], согласно которому генерацию электроэнергии трехфазного тока повышенной частоты (200 Гц и более) осуществляют главным турбогенератором в составе судовой электроэнергетической системы (ЭЭС), вращение которого выполняют непосредственно от турбины при частоте вращения n≥6000 об/мин (аналог).
Недостатком указанного технического решения главного турбогенератора повышенной частоты является то, что для питания общесудовых потребителей в составе ЭЭС [4] трехфазным током промышленной частоты 50 Гц используют необходимые в этом случае преобразующие устройства мощностью, равной сумме полных мощностей упомянутых потребителей с учетом их возможных перегрузок.
Другим близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, используемый в электромашинном преобразователе частоты с фазным ротором [1], в котором при вращении ротора от приводного двигателя, в т.ч. при более высокой частоте вращения, и при подаче со стороны ротора трехфазного напряжения одной частоты можно получать со стороны статора трехфазное напряжение другой частоты, в т.ч. промышленной частоты 50 Гц.
Наиболее близким по технической сущности является способ управления автономным асинхронным генератором [5] (прототип), в цепи трехфазной обмотки ротора которого используют регулируемый преобразователь частоты. При изменяющейся, например, при увеличении частоты вращения приводного двигателя неизменность частоты и амплитуды индуктируемой э.д.с. в трехфазной обмотке статора поддерживают путем соответствующего регулирования частоты и амплитуды трехфазного тока на выходе упомянутого преобразователя частоты.
Однако в указанном прототипе отсутствует возможность генерации переменных напряжений двух различных частот.
Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей турбогенератора трехфазного тока.
1
Технический результат заявляемого технического решения состоит в том, что при использовании предложенного способа в турбогенераторе трехфазного тока при более высокой частоте вращения n=6000 об/мин наряду с генерацией электроэнергии трехфазного тока повышенной частоты 200 Гц, одновременно осуществляют генерацию электроэнергии трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц.
1
2
1
2
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе генерации переменных напряжений двух различных частот в турбогенераторе трехфазного тока, содержащем ферромагнитный шихтованный статор с цилиндрический расточкой, на внутренней поверхности которой в пазах размещены две распределенные трехфазные обмотки - основная и дополнительная - с числом пар полюсов соответственно p и р, и вращающийся ферромагнитный ротор (основная часть) цилиндрической неявнополюсной конструкции, расположенный внутри расточки статора, на наружной поверхности которого в пазах размещена обмотка возбуждения постоянного тока с числом пар полюсов р, подключенная к выходу устройства бесщеточного возбуждения, предусмотрены следующие отличия - что в неявнополюсную конструкцию ферромагнитного ротора вводят дополнительную часть с размещенной в ее пазах трехфазной обмоткой возбуждения с числом пар полюсов р, подключенной через контактные кольца и щетки к трехфазному выходу обратимого преобразователя частоты, причем числа пар полюсов обеих обмоток, размещенных как на статоре, так и на роторе, выбирают с соблюдением условия p>p, а также, угловую частоту вращения  основной волны намагничивающей силы трехфазной обмотки возбуждения, размещенной в пазах дополнительной части ротора, поддерживают в противоположном направлении всегда ниже угловой частоты вращения  ротора, что позволяет при более высокой частоте вращения расширить функциональные возможности турбогенератора трехфазного тока.
1.3. Краткое описание чертежей.
Предложенный способ поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема (фиг. 1) построения турбогенератора трехфазного тока, реализующего предложенный способ генерации переменных напряжений двух различных частот.
В представленной блок-схеме (фиг. 1) используют следующие обозначения:
1 - статор;
1.1 - основная трехфазная обмотка;
1.2 - дополнительная трехфазная обмотка;
2 - трансформатор;
3 - выключатель;
4 - обратимый преобразователь частоты;
4.1 - трехфазный вход;
4.2 - трехфазный выход;
5 - выключатель;
6 - внешняя сеть повышенной частоты;
7 - выключатель
8 - внешняя сеть промышленной частоты;
9 - основная часть ротора;
10 - дополнительная часть ротора;
11 - приводной двигатель (турбина);
12 - обмотка возбуждения;
13 - трехфазная обмотка возбуждения;
14 - устройство бесщеточного возбуждения.
1.4. Раскрытие изобретения.
Предлагаемый способ заключается в том, что в неявнополюсную конструкцию ферромагнитного ротора, расположенного внутри расточки статора, введена дополнительная часть с размещенной в ее пазах трехфазной обмоткой возбуждения, а также введена дополнительная трехфазная обмотка на статоре, число пар полюсов которой отличается от числа пар полюсов основных обмоток, расположенной на статоре и на основной части ротора. Причем в цепь трехфазной обмотки, размещенной на дополнительной части ротора, подключается обратимый преобразователь частоты (ОПЧ).
Турбогенератор трехфазного тока, имеет ферромагнитный шихтованный статор 1 с цилиндрической расточкой и пазами на внутренней ее поверхности, в которых наряду с основной трехфазной обмоткой 1.1 напряжения повышенной частоты размещают дополнительную трехфазную обмотку 1.2 напряжения промышленной частоты, распределенную в общих пазах (фиг. 1).
1
Основную обмотку 1.1, предназначенную для генерации переменного трехфазного напряжения, в т.ч. высоковольтного, повышенной частоты  и имеющую число пар полюсов р=2, соединяют через согласующий трансформатор 2 и выключатель 3 с трехфазным входом 4.1 обратимого преобразователя частоты 4, а также через выключатель 5 соединяют с внешней сетью 6 повышенной частоты.
2
Дополнительную трехфазную обмотку 1.2, предназначенную для генерации переменного трехфазного напряжения промышленной частоты  и имеющую число пар полюсов р=1, соединяют через выключатель 7 с внешней сетью 8 промышленной частоты 50 Гц.
Внутри расточки статора 1 располагают цилиндрический ротор из ферромагнитного материала, состоящий из основной 9 и дополнительной 10 частей ротора неявнополюсной конструкции, насаженных на общий вал, опирающийся своими концами на подшипники (на рис. не показано), один из концов которого соединяют непосредственно с приводным двигателем (турбиной) 11.
1
2
На наружной поверхности каждой части ротора имеются пазы. В пазах основной части ротора 9 неявнополюсной конструкции размещают распределенную обмотку возбуждения 12 постоянного тока с числом пар полюсов p=2, а в пазах дополнительной части ротора 10 (шихтованного) неявнополюсной конструкции размещают распределенную трехфазную обмотку возбуждения 13 с числом пар полюсов р=1.
Обмотку возбуждения 12 постоянного тока электрически соединяют с выходом устройства бесщеточного возбуждения 14, расположенного на одном из концов вала. Трехфазную обмотку возбуждения 13 электрически соединяют с тремя контактными кольцами, расположенными и жестко закрепленными на другом конце вала (на рис. не показано).
Контактные кольца посредством трех неподвижных электрических щеток (на рис. не показано) пофазно соединяют с трехфазным выходом 4.2 обратимого преобразователя частоты 4, обладающего возможностью регулирования амплитуды и частоты  выходного тока.
Турбогенератор трехфазного тока по предложенному способу генерации переменных напряжений двух различных частот работает следующим образом.
Предварительно приводным двигателем (турбиной) 11 производят пуск и разгон турбогенератора до частоты вращения  и осуществляют подключение цепи электропитания обмотки возбуждения 12 постоянного тока к устройству бесщеточного возбуждения 14.
В результате взаимодействия магнитного поля вращающейся обмотки возбуждения 12 постоянного тока с основной обмоткой 1.1 статора 1 в последней возникает переменное трехфазное напряжение повышенной частоты  которое через согласующий трансформатор 2 и выключатель 3 поступает на трехфазный вход 4.1 обратимого преобразователя частоты 4.
Обратимый преобразователь частоты 4 преобразует переменное трехфазное напряжение повышенной частоты  в трехфазное напряжение промышленной частоты  которое при плавном увеличении его амплитуды и частоты от нуля до номинального значения  через трехфазный выход 4.2, электрические щетки и контактные кольца поступает в трехфазную обмотку возбуждения 13 дополнительной части ротора 10.
Далее намагничивающие токи, возникающие в трехфазной обмотке возбуждения 13, создают пространственную основную волну (гармонику) намагничивающих сил на поверхности дополнительной части ротора 10. При этом порядок чередования фаз в трехфазной обмотке возбуждения 13 выбирают таким же, как и в способе прототипа, т.е. таким, при котором угловая частота вращения  основной волны намагничивающих сил направлена в противоположную сторону относительно направления вращения ротора  по формуле (2).
Причем в заявляемом техническом решении в отличие от прототипа, используют асинхронный режим турбогенератора с отрицательной частотой  скольжения, при котором угловую частоту вращения  основной волны намагничивающих сил трехфазной обмотки возбуждения 13 поддерживают всегда ниже угловой частоты вращения  ротора.
1
2
С целью исключения взаимного электромагнитного влияния, обусловленного действием в общем ферромагнитном статоре 1 основных волн намагничивающих сил обеих обмоток 1.1; 1.2, расположенных как на статоре, так и на обеих частях ротора 12; 13, выбирают их числа пар полюсов с соблюдением условия p>p. Тем самым результирующие индуктируемые трехфазные э.д.с. взаимной индукции в каждой из обмоток от действия трехфазных токов другой обмотки, расположенной либо на общем ферромагнитном статоре 1, либо на основной 9 или дополнительной 10 части ротора, равны нулю.
В результате взаимодействия суммарного магнитного поля от двух вращающихся обмоток возбуждения 12 и 13 с основной 1.1 и дополнительной 1.2 обмотками статора 1 в них индуктируются переменные трехфазные э.д.с. вращения:
- с частотой  - в основной обмотке 1.1;
- с частотой скольжения  - в дополнительной обмотке 1.2 (знак - минус характеризует передачу энергии в сеть).
Затем генерируемая электроэнергия в упомянутых обмотках 1.1; 1.2 статора 1 в виде трехфазных токов двух различных частот  через выключатели 5; 7 после их синхронизации по частоте и напряжению поступает во внешние сети 6; 8 переменного напряжения соответствующей частоты.
1
Кроме того, в период пуска и разгона турбогенератора до угловой частоты вращения ω и после перевода его в асинхронный режим с отрицательной частотой  скольжения в трехфазной обмотке возбуждения 13, расположенной на дополнительной части ротора 10, индуктируется переменная противо-э.д.с. с частотой  Под действием этой противо-э.д.с. электроэнергия трехфазных токов через контактные кольца и щетки поступает на трехфазный выход 4.2 обратимого преобразователя частоты 4.
Указанная электроэнергия после обратного преобразования в трехфазный ток с частотой  поступает на трехфазный вход 4.1 ОПЧ 4 и через выключатель 3, согласующий трансформатор 2 и выключатель 5 после синхронизации по частоте и напряжению передается во внешнюю сеть 6 повышенной частоты
1
Таким образом, предложенный способ генерации переменных напряжений двух различных частот в турбогенераторе трехфазного тока обеспечивает при частоте вращения ротора n=6000 об/мин заявленный технический результат, а именно: генерацию трехфазных напряжений повышенной частоты  - в основной обмотке статора и генерацию трехфазных напряжений промышленной частоты  - в дополнительной обмотке статора.
Литература.
1. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Энергия, 1978, - с. с. 366; 375; 593; 430; 619.
2. Яковлев Г.С. Судовые электроэнергетические системы. Л.: Судостроение, 1987, - с. 61.
3. Турбогенераторы блочные типа ТГ. Продукция ОАО «Калужский турбинный завод»; интернет: www.oaoktz.ru.
4. Судовая электроэнергетическая система переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты. Александров В.П., Скворцов Б.А., Хомяк В.А. Патент РФ № RU 2510781 С2, кл. H02J 3/34 от 17.07.2012.
5. Способ управления автономным асинхронным генератором. Мещеряков В.Н., Иванов А.Б., Куликов А.И. Патент РФ 2213409, кл. Н02Р 9/00 от 26.04.2001.