УЛУЧШЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к электрическим машинам, и может быть использована в валогенераторах и ветрогенераторах.
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]. Таким образом, возможно использование трехфазной обмотки в качестве обмотки возбуждения машины переменного тока. Оно наведет в выходной обмотке напряжения 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 колебаниях механического вращения вала генератора. Это может быть актуально при использовании в валогенераторах, ветрогенераторах или дизель-генераторах, где возможны провалы скорости вращения первичного механического движителя.
На фигуре 1 показана блок-схема предлагаемого решения, где видно, что обмотка ротора возбудителя подключена к входу обмотки ротора основного генератора, и таким образом питает его. С выхода обмотки статора основного генератора напряжение поступает в петлю обратной связи - вход обмотки статора возбудителя, который как уже упоминалось выполняется на базе обращенной машины, то есть обмотка статора создает магнитное поле полюсов возбуждения. Полюса возбуждения при частоте, близкой к 0 будут практически неподвижными, тогда в обмотке ротора возбудителя будет ЭДС пропорциональная скорости вращения общего вала роторов возбудителя и основного генератора. Сами роторы обеих машин - возбудителя и основного генератора располагаются на одном валу и вращаются вместе.
При частоте питающего обмотку статора возбудителя, превышающей 0 будет создаваться вращающееся магнитное поле статора возбудителя, оно будет вращаться по направлению вращения ротора возбудителя и вычитаться из его скорости вращения, замедляя ее, и наводя напряжение пониженной частоты на роторе. Направление вращения поля в трехфазной обмотке может быть задано очередностью фаз в ней, а смена местами питания любых двух фаз дает смену направления вращения поля [1]. При этом указанный эффект может быть достигнут сменой местами чередования любых двух фаз между собой, при питании от трехфазного источника. Кроме того, имеет значение полярность фаз самой трехфазной обмотки статора. Именно по этой причине в формуле предлагаемого решения используется отсылка на направление вращения, а не на очередность чередования фаз в явном виде.
С выхода обмотки ротора возбудителя его напряжение, которое будет иметь частоту тем ниже, чем выше частота на выходе основного генератора, подается на вход обмотки ротора основного генератора, которая является его обмоткой возбуждения, и создает вращающееся поле возбуждения. Скорость вращения поля будет определяться суммой частот питания обмотки ротора и скорости вращения вала, то есть чем выше частота на обмотке возбуждения ротора основного генератора - тем выше частота напряжения на его обмотке статора. Таким образом, возникает обратная отрицательная связь, известная из теории автоматического управления, работающая следующим образом: чем выше скорость вращения общего вала, тем выше частота на статоре основного генератора, которая подается на обмотку возбуждения на статоре возбудителя, где она вычитается из скорости вращения вала - чем частота будет выше, тем ниже будет частота ЭДС наводимой в роторе возбудителя. Это вызвано тем, что поле возбуждения обмотки статора возбудителя будет вращаться согласно вслед за вращением вала, и относительно обмотки ротора возбудителя скорость изменения (перемещения) поля возбуждения снизится. Далее выход обмотки ротора возбудителя питает обмотку ротора основного генератора, поле которой вращается по направлению вращения вала.
Таким образом, частота питания обмотки ротора основного генератора увеличивает скорость вращения вала, а при уменьшении частоты на выходе обмотки ротора возбудителя - поле, создаваемое обмоткой ротора основного генератора, замедлится, и замедлится суммарная скорость вращения вала и поля обмотки ротора основного генератора. Следовательно, упадет и частота на выходе обмотки статора основного генератора, то есть будет действовать обратная связь по частоте, подавляющая ее отклонения.
Поскольку возбудитель выполнен в виде обращенной машины, это означается что ток возбуждения подается на его обмотку статора, а выходное напряжение снимается на его обмотке ротора. Основной генератор выполнен необращенным, это значит, что получаемое от ротора возбудителя питание создает магнитное поле на роторе, в свою очередь оно наводит ЭДС в обмотке статора основного генератора. Следует отметить отличительную особенность предлагаемого решения - все обмотки выполнены трехфазными, это относится и к роторам, и к статорам обеих машин. Это необходимо не только для питания нагрузки, но и для создания равномерно вращающегося поля возбуждения как на роторе основного генератора, так и на статоре возбудителя [1].
На фигуре 2 показано продольное сечение предлагаемого решения, где видно его устройство. Два генератора, входящих в состав предлагаемого решения объединены общим валом, и расположены в общем корпусе, а также имеют одинаковое устройство обмоток - и ротор, и статор имеют трехфазные обмотки. Также на фигуре 2 показано сечение обмоток, расположенных на магнитопроводах статора и на роторе генераторов. В общем случае, ротор и статор предлагаемого решения могут иметь одинаковое число пазов/зубцов статора и ротора.
На фигуре 3 показано поперечное сечение возбудителя, где видны пазы на роторе и статоре генератора, в которых расположены катушки обмоток. На фигуре 4 показано поперечное сечение основного генератора, где также видны пазы на роторе и статоре генератора.
На фигуре 5 показана принципиальная схема предлагаемого решения, где показаны трехфазные обмотки ротора и статора возбудителя и основного генератора. Из схемы видно, что выход возбудителя подключен к трехфазной обмотке ротора основного генератора, а его обмотка статора подключена к клеммам для внешней нагрузки и обмотке статора возбудителя.
При отклонении частоты на выходе основного генератора, обратная связь осуществляет коррекцию частоты, противодействуя отклонениям.
Известны из теории электрических машин и трехфазные обмотки на роторах и статоре [2], и 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:
- один из генераторов является возбудителем и выполняется обращенным, а его выход подключен к обмотке ротора основного генератора;
- обмотки статора и ротора возбудителя и основного генератора выполняются трехфазными;
- выход обмотки статора основного генератора подключен к входу обмотки статора возбудителя, при чередовании фаз, обеспечивающем вращение поля статора возбудителя в направлении, совпадающем с направлением вращения общего вала роторов возбудителя и основного генератора;
- выход обмотки ротора возбудителя подключен к входу обмотки ротора основного генератора при чередовании фаз, обеспечивающем вращение поля обмотки ротора основного генератора в направлении, совпадающим с вращением вала, на котором они расположены.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - стабилизации частоты выходного напряжения при колебаниях скорости.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображена функциональная блок-схема предлагаемого решения. Здесь 1 - обмотка ротора возбудителя, 2 - обмотка ротора основного генератора, 3 - обмотка статора возбудителя, 4 - обмотка статора основного генератора, 5 - внешняя по отношению к предлагаемому решению нагрузка. На фигуре 2 изображено продольное сечение предлагаемого решения. Здесь 1 - обмотка ротора возбудителя, 2 - обмотка ротора основного генератора, 3 - обмотка статора возбудителя, 4 - обмотка статора основного генератора, 8 - магнитопровод статора, 9 - корпус. На фигуре 3 изображено поперечное сечение возбудителя предлагаемого решения. На фигуре 4 изображено поперечное сечение основного генератора предлагаемого решения. На фигуре 5 изображена принципиальная схема предлагаемого решения. На фигуре 6 изображено взаимное направление вращения поля статора возбудителя и вала. На фигуре 7 изображено взаимное направление вращения поля ротора основного генератора и вала.
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. - 556с.