ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ГЕНЕРАТОР НА БАЗЕ ДВУХПОЛЮСНОЙ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ РОТОРОМ И КОНДЕНСАТОРНЫМ САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
HIGH-SPEED GENERATOR BASED ON DOUBLE-POLE MACHINE WITH DUAL VOLTAGE SYSTEM, INTERMEDIATE ROTOR AND CAPACITOR-TYPE SELF-EXCITATION

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бензоэлектрических агрегатах и автономных электротехнических комплексах.
1
Известны конструкции генераторов переменного тока на базе синхронных и асинхронных машин [1, 2]. Их массогабаритные и энергетические показатели пропорциональны частоте вращения ротора. Однако, максимальная частота вращения ротора при стандартной частоте ЭДС (f=50 Гц) у двухполюсного синхронного генератора составляет 3000 об/мин, а двухполюсного асинхронного генератора, в зависимости от номинального скольжения, лежит в диапазоне от 3150 до 3300 об/мин. Такое конструктивное ограничение частоты вращения ротора является их существенным недостатком, поскольку при увеличении частоты вращения улучшаются энергетические и массогабаритные показатели электрических генераторов и двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а, следовательно, и всего бензоэлектрического агрегата.
1
1
обм1
2
обм2
Существует высокоскоростной генератор, у которого частота вращения ротора при f=50 Гц равна 6000 об/мин [3, 4]. Этот генератор выполнен на базе двухполюсной машины двойного питания с конденсаторным самовозбуждением. При равенстве произведения числа витков и обмоточного коэффициента обмотки статора аналогичному произведению обмотки ротора, т.е. Wk=Wk, эти обмотки можно соединить параллельно или последовательно. При этом ток нагрузки протекает как в обмотке статора, так и в обмотке ротора. Это приводит к существенному улучшению массогабаритных и энергетических показателей, поскольку двукратное увеличение скорости вращения ротора приводит к двукратному увеличению генерируемой мощности по сравнению с обычным асинхронным генератором, нагрузка которого подключается только к обмотке статора, а замкнутый накоротко фазный ротор вращается с частотой 3000 об/мин.
1
1
Следует отметить что, частота ЭДС f в этом высокоскоростном генераторе не зависит от нагрузки и определяется только частотой вращения ротора n и числом пар полюсов p, т.е. f=n·p/(2·60).
Наряду со скользящими контактами к недостаткам генератора на базе двухполюсной машины двойного питания следует отнести искажение кривых напряжения при подключении несимметричной нагрузки, что существенно снижает качество электроснабжения по сравнению с асинхронным или синхронным генераторами с демпферной обмоткой.
Прототипом предлагаемого изобретения является высокоскоростной генератор на базе двухполюсной машины двойного питания с промежуточным массивным ротором [5]. Эта машина, после подключения к сети, может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Круговое вращающееся магнитное поле, которое возникает в зазоре между статором и промежуточным ротором, наводит в обмотке последнего ЭДС. Возникают токи, которые взаимодействуя с полем, создают вращающийся момент. Промежуточный ротор разгоняется относительно статора до подсинхронной скорости, т.е. близкой 3000 об/мин. С другой стороны, в зазоре между промежуточным и фазным роторами возникает еще одно круговое поле и вращающий момент. Под действием этого момента фазный ротор разгоняется относительно промежуточного ротора до скорости близкой к 3000 об/мин, причем направления вращения промежуточного и фазного роторов совпадают, т.е. относительно статора скорость фазного ротора будет близка 6000 об/мин. При небольшом тормозном моменте скольжение полей в воздушных зазорах относительно промежуточного ротора будет минимальным, что приведет к взаимодействию вращающихся полей и их синхронизации. Таким образом, в прототипе промежуточный ротор приводит к синхронизации машины двойного питания, а при выпадении из синхронизма - к устойчивой работе в асинхронном режиме.
В отличие от стандартной машины двойного питания существенным недостатком прототипа является то, что при работе в автономном режиме он не возбуждается при подключении конденсаторов. Это связано с тем, что при вращении фазного ротора приводным двигателем промежуточный ротор неподвижен или вращается с небольшой частотой под действием сил трения. В этом случае происходит экранирование силовых линий основной гармоники поля, которые должны охватывать обмотку статора и обмотку фазного ротора и наводить в них возрастающую ЭДС частотой 50 Гц.
Следует подчеркнуть, что возбудить прототип можно при наличии сети. Для этого необходимо соединить обмотку статора и обмотку фазного ротора параллельно или последовательно, присоединить к ним конденсаторы возбуждения и подключить к сети. После синхронизации отключить машину с конденсаторами от сети. Машина будет работать в генераторном режиме с конденсаторным самовозбуждением. Однако, такой вариант самовозбуждения не приемлем для автономного электротехнического комплекса или бензоэлектрического агрегата.
Другим недостатком прототипа является то, что промежуточный массивный ротор предназначен для создания вращающего момента, а не для снижения искажений напряжения при работе в режиме генератора. Массивный ротор имеет большое активное сопротивление [6], что делает его малоэффективным для подавления искажений.
Технический результат, который обеспечивает заявленное изобретение, заключается в создании условий для конденсаторного самовозбуждения при работе в автономном режиме и снижении искажений напряжения при подключении несимметричной нагрузки.
Указанный технический результат достигают тем, что высокоскоростной генератор на базе двухполюсной машины двойного питания с промежуточным массивным ротором, обмотка статора и обмотка фазного ротора которого соединены последовательно или параллельно, причем к обмоткам статора и фазного ротора подключены конденсаторы возбуждения, нагрузка и статический компенсатор реактивной мощности, ротор выполнен с двумя короткозамкнутыми обмотками, стержни обмоток уложены в пазы, форма которых обеспечивает наименьшее сопротивление рассеяния, и замкнуты по торцам ротора двумя общими короткозамыкающими кольцами, валы фазного и промежуточного роторов связаны зубчатой передачей с передаточным числом равным двум, одна шестерня, закрепленная на валу фазного ротора, сцеплена с зубчатым колесом, расположенным на оси передачи, на другом конце оси закреплена шестерня, сцепленная с зубчатым колесом, закрепленном на промежуточном роторе, ось передачи имеет возможность ручного или автоматического осевого смещения и разрыва механической связи между валами роторов после достижения установившегося режима с конденсаторным самовозбуждением.
Чертеж высокоскоростного двухполюсного генератора на базе машины двойного питания с промежуточным ротором и конденсаторным самовозбуждением представлен на фиг.1. На фиг.2 показан процесс конденсаторного самовозбуждения генератора при вращении фазного ротора с частотой 6000 об/мин и промежуточного ротора с частотой 3000 об/мин. На фиг.3 представлены кривые линейного напряжения аналога, прототипа и предлагаемого решения при подключении активной нагрузки к двум фазам. Соответствующие результаты расчета гармонического состава напряжений приведены в таблице 1.
Генератор имеет статор 1 с трехфазной двухполюсной обмоткой, промежуточный массивный или шихтованный ротор 2 и фазный ротор 3 с двухполюсной трехфазной обмоткой, выводы которой подключены к контактным кольцам 4 (фиг.1).
На валу фазного ротора расположена шестерня 5, которая сцепляется с зубчатым колесом 6, закрепленным на оси зубчатой передачи 7. На конце этой оси расположена другая шестерня 8, которая сцепляется с зубчатым колесом 9, закрепленным на торце промежуточного ротора 2. Передаточное число зубчатой передачи равно двум, т.е. при вращении фазного ротора 3 со скоростью 6000 об/мин промежуточный ротор 2 вращается с частотой 3000 об/мин. Для снижения механических потерь и износа зубцов, ось 7 закреплена на подшипниках скольжения и имеет возможность осевого перемещения. Положение оси 7, колеса 6 и зубца 8 после смещения показано пунктиром. После завершения процесса конденсаторного самовозбуждения и работы в установившемся режиме ось 7 смещается влево и разрывает механическую связь между фазным и промежуточным роторами. Перемещение осуществляется в ручном или автоматическом режимах. В последнем случае можно использовать электрическую цепь стартера ДВС агрегата 10. Следует отметить, что после разрыва механической связи промежуточный ротор, ввиду наличия механических потерь, начинает вращаться с очень маленьким скольжением относительно синхронного вращающегося поля.
Высокоскоростной двухполюсный генератор с конденсаторным самовозбуждением представляет собой автоколебательную систему с положительной обратной связью. При вращении фазного ротора 3 приводным двигателем 10 с частотой 6000 об/мин промежуточный ротор за счет зубчатой передачи вращается с частотой 3000 об/мин. После подключения конденсаторов возбуждения 11 в генераторе возникает процесс синхронного конденсаторного самовозбуждения, при котором происходит лавинообразное увеличение тока и напряжения, которое ограничивается насыщением (нелинейностью) магнитной системы генератора. После этого генератор начинает работать в установившемся режиме с конденсаторным самовозбуждением, и к нему подключают нагрузку 12. Если нагрузка имеет переменный характер, то для стабилизации напряжения необходимо использовать статический компенсатор реактивной мощности 13.
Следует отметить, что массивный промежуточный ротор 2, во-первых, оказывает благоприятное влияние на самовозбуждение, т.к. он имеет значительную, по сравнению с электротехнической сталью, остаточную индукцию, которая будет создавать начальную синхронную ЭДС в обмотке статора 1 и фазного ротора 3. Во-вторых, позволяет снизить магнитные потери, которые зависят от частоты перемагничивания и величины индукции. В массивном промежуточном роторе, который вращается с очень маленьким скольжением, будет маленькой и частота перемагничивания. Следовательно, магнитные потери в этом роторе будут пренебрежимо малы. В остальной части магнитной системы частота перемагничивания равна частоте ЭДС, т.е. будут иметь место магнитные потери. Величину потерь можно уменьшить, если при проектировании генератора увеличить магнитную индукцию в промежуточном роторе и уменьшить в остальных частях магнитной системы.
При использовании шихтованного промежуточного ротора для улучшения процесса самовозбуждения на нем можно закрепить постоянный магнит, как это делают в случае с классическим синхронным генератором бензоэлектрического агрегата [7].
При подключении несимметричной нагрузки, наряду с активным сопротивлением, важную роль в подавлении искажений напряжений играет реактивное сопротивление рассеяния обмотки промежуточного ротора. С целью его уменьшения на роторе расположены две беличьи клетки, стержни которых 14, 15 замкнуты общими короткозамыкающими кольцами 16, а в пазах ротора имеются шлицы 17.
Следует подчеркнуть, что конденсаторное самовозбуждение высокоскоростного двухполюсного генератора происходит на синхронной частоте. Процесс изменения кривой линейного напряжения при конденсаторном самовозбуждении представлен на фиг.2.
При подключении активного сопротивления к двум фазам (несимметричная нагрузка) наилучшую форму кривой напряжения имеет предлагаемый генератор (фиг.3). Этот вывод подтверждают расчетные значения амплитуд и фаз высших гармоник напряжения аналога, прототипа и высокоскоростного двухполюсного генератора (таблица 1).
Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о том, что предложенный высокоскоростной генератор может работать в режиме конденсаторного самовозбуждения. При несимметричной нагрузке в нем меньше искажается напряжение, т.е. предложенный генератор обеспечивает заявленный технический результат.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Копылов И.П. Электрические машины, - М.: Высшая школа, 2006.
2. Беспалов В.Я., Котеленец Н.Ф. Электрические машины, - М.: Издательский центр «Академия», 2006.
3. Capacitor self-excited double-armature synchronous generator for enhanced power output. / Kundu P., Tandon A.K. // 29 th Intersoc. Energy Conver. Eng., Conf., Monterey, Calif., Aug. 7-11, 1994: Collect. Techn. Pap. Pt.3. - Washigton (D.C), 1994. - С.1343-1348.
4. Джендубаев А.-З.Р. Исследование автономного асинхронного генератора с конденсаторным самовозбуждением и параллельным соединением обмоток статора и фазного ротора. // Электричество. - 2005, №12. - С.44-49.
5. DE №482568.
6. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств, - М.: Высш. Шк., 1988.
7. Справочник по электрическим машинам. Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
Таблица 1
Номер гармоники
1
3
5
7
9
U<sub>max</sub>, B
φ, град
U<sub>max</sub>, B
φ, град
U<sub>max</sub>, B
φ, град
U<sub>max</sub>, B
φ, град
U<sub>max</sub>, B
φ, град
Аналог
316
25,93
94,12
-170,4
24,47
-21,14
2,509
-7,156
0,1014
2,556
Прототип
306
22,82
61,11
-126,2
11,07
36,64
1,421
67,91
0,04153
69,82
Генератор
308,7
21,54
33,61
-88,77
5,116
86,45
0,6054
124,7
0,01278
119,8