СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
METHOD FOR ELECTRICAL POWER SUPPLY

Изобретение относится к области электроэнергетики, а точнее - к системам для генерации электроэнергии, и предназначено для повышения эффективности электроснабжения различных потребителей.
Известно, что чем больший ток создает генератор в нагрузке, тем труднее вращать ротор генератора, т.е. тем большую работу должно совершать рабочее тело, приводящее ротор в движение [Л.С. Жданов, В.А. Маранджян. Курс физики для средних специальных учебных заведений. Часть вторая. М., 1966 г., с. 292].
Известен электрический двигатель постоянного тока и однофазного переменного тока, который состоит из станины (1) с магнитными полюсами (2) и якоря (5) с коллектором (6) и щеточным механизмом (11) с последовательно включенными обмотками на станине (1) с обмотками якоря (5), который отличается тем, что якорная (роторная) обмотка на шихтованном барабанном якоре (5) выполняется прямой обмоткой, каждый виток которой изготовлен из медной шины (12), и заключается в пазах (10) вокруг каждого зуба (9) и каждый отдельный виток соединяется последовательно с соседним в единственную обмотку на смежных, замкнутых между собой пластинах (ламелях) коллектора (6), или вывернутой обмоткой, каждый виток (13) которой в каждом пазу (10) якоря (ротора) охватывает лишь по одной стороне два соседних зуба (9) и соединяется в единственную якорную (роторную) обмотку на пластинах (ламелях) коллектора (16), или одновременно в одних пазах (10) якоря (5) могут заключаться две развернутые на 180° или прямые, или вывернутые, или прямая и вывернутая обмотки, каждая со своим коллектором (6 и 16), расположенные на обеих сторонах якоря (ротора) и параллельно или последовательно соединенные между собой на коллекторах через щетки (7) или стержневой обмоткой, шины (21) которой коммутируются в витки и обмотку на двух расположенных на концах вала (4) коллекторах (6 и 16) на принципе развернутых на 180° прямой и вывернутой обмоток, а электромагниты на станине (1) являются системой электромагнитов взаимодействия, которые последовательно соединены с обмотками якоря (5), а сдвигом щеток (7) на коллекторах оси полюсов якоря (5) можно сдвигать относительно осей полюсов системы взаимодействия на станине (1) и тем же, не изменяя направление токов в якоре (5), изменять направление вращения якоря (5), а сами магнитные полюса взаимодействия (2) на станине (1) набираются шихтованными из изолированных листов электротехнической стали и выполняются явно выраженными с наконечниками или неявно выраженными с пазами (26), в какие уложены отдельные витки, которые соединяются непосредственно в прямую или вывернутую обмотки взаимодействия на торцах полюсов, а для коммутации магнитных полюсов на якоре (5), независимо от того, какая на нем выполнена обмотка (прямая или вывернутая, или две развернутые на 180° прямые или вывернутые обмотки, или прямая и вывернутая обмотки, или стержневая обмотка) на коллекторах между замкнутыми пластинами соединения витков в обмотки используются холостые (свободные) пластины (23) для того, чтобы каждая щетка (7) перекрывала при вращении якоря (5) большее число пластин. [UA 91304, H02K 23/00, H02K 17/00].
Технологическая суть известного электрического двигателя заключается в том, что для устранения тормозного электромагнитного момента на роторе, в двигателе вместо электромагнитного взаимодействия ротора и статора используется электростатическое. При этом роль взаимодействующих конденсаторных пластин выполняют обмотки. Из этой технологии вытекает и существенный недостаток известного двигателя - для увеличения крутящего момента ему требуется очень большой ток (чем ток больше, тем больше электрических зарядов в проводах обмотки, тем больше сила электростатического взаимодействия). По сравнению с обычными электродвигателями с одинаковой мощностью известный двигатель потребляет, как минимум, в несколько раз больший ток.
Известен электрогенератор, содержащий по крайней мере одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.
[RU 2303849, H02K 21/18, H02K 21/14].
В известном электрогенераторе тормозной электромагнитный момент снижают лишь частично - за счет использования импульсов противоэдс, возникающих в моменты, когда полюса электромагнитов статора устанавливаются напротив полюсов пары магнитов на роторе. При этом происходит отключение тока в этих электромагнитах.
Известен синхронный генератор-компенсатор, который представляет собой комбинированную электрическую машину, на одном валу которой последовательно размещены роторы приводного двигателя, синхронного генератора с тиристорной схемой самовозбуждения и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, цепь комбинированной электрической машины снабжена электронным преобразователем частоты мощностью, соответствующей мощности асинхронного двигателя, выход со статора синхронного генератора и вход на статор асинхронного двигателя соединены через электронный преобразователь частоты, питающий асинхронный двигатель от синхронного генератора током с дискретной синхронизацией частоты тока и частоты вращательного импульса асинхронного двигателя, цепь электронного преобразователя частоты снабжена одним или несколькими объемными конденсаторами, подключенными последовательно, при этом обеспечена механическая положительная обратная связь от ротора асинхронного двигателя к ротору синхронного генератора за счет единого вала их роторов, причем ротор асинхронного двигателя выполнен в виде маховика большого диаметра, радиус R и масса которого соотносятся с радиусом r и массой ротора синхронного генератора соответственно и рассчитаны по формуле механического резонанса, где соотношение R/r выбрано в соответствии с числовым рядом Фибоначчи, ротор асинхронного двигателя имеет отношение ширины к его радиусу в соответствии с числом ряда Фибоначчи, следующим за выбранным соотношением R/r, а диаметр статора асинхронного двигателя увеличен соответственно ротору с обеспечением зазора между статором и ротором от 1 до 3 мм.
Известен способ работы синхронного генератора-компенсатора, при котором предварительно разгоняют ротор синхронного генератора и асинхронного двигателя с помощью приводного двигателя, после выхода синхронного генератора-компенсатора на рабочий режим осуществляют съем активной мощности с синхронного генератора, подачу ее на электронный преобразователь частоты, который вырабатывает дополнительную реактивную составляющую тока и аккумулирует ее в объемном конденсаторе, при достижении синхронизации по частоте выходного тока синхронного генератора и входного тока асинхронного двигателя с обеспечением разности фаз этих токов в 180°, подают дополнительную реактивную мощность на статор асинхронного двигателя, осуществляют съем механической энергии с ротора асинхронного двигателя на ротор синхронного генератора и на приводной двигатель с получением электромеханического резонанса, обеспечивая при этом «управляемый разнос» ротора синхронного генератора за счет подачи дополнительно выработанного вращательного импульса на валу асинхронного двигателя, подаваемого на вал ротора синхронного генератора, рассчитываемого по формуле
2
2
2
2
ΔG=ω(M-m)R/r,
где ΔG - вращательный импульс на асинхронном двигателе и синхронном генераторе соответственно;
ω - частота тока на выходе синхронного генератора и частота вращательного импульса на выходе асинхронного двигателя;
R - радиус ротора асинхронного двигателя;
r - радиус ротора синхронного генератора;
М - масса статора асинхронного двигателя;
m - масса статора синхронного генератора [RU 2348097, H02K 51/00, Н02Р 9/02].
Главным недостатком известного синхронного генератора-компенсатора является сложность его устройства и настройки. Применен узел - электронный преобразователь частоты. Его выходная мощность должна быть не менее мощности асинхронного двигателя. К тому же, такой преобразователь по стоимости превосходит стоимость двигателя, для питания которого он предназначен.
Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективной системы электроснабжения для потребителей электроэнергии, а также - снижение затрат на ее осуществление.
Предлагаемое изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в том, что тормозной электромагнитного момента на роторе электрогенератора уравнивают (компенсируют) механическим моментом вспомогательного двигателя-генератора, который соединяют с ротором генератора, а электрически подключают к выходу электрогенератора, при этом генераторную обмотку последнего, рабочую обмотку вспомогательного двигателя-генератора и нагрузку соединяют в виде последовательной электрической цепи.
Технический результат достигается тем, что согласно предлагаемому изобретению создают систему электроснабжения, состоящую из электрогенератора, содержащего ротор, с возможностью вращения кинематически соединенный с двигателем привода для создания крутящего момента, генераторную обмотку с выводами для подключения нагрузки, при этом основную долю тормозного электромагнитного момента, возникающего на роторе электрогенератора при протекании тока нагрузки, преодолевают крутящим моментом вспомогательного двигателя-генератора, который добавляют в систему электроснабжения, содержащего ротор с возможностью вращения, рабочую обмотку с выводами для подключения к источнику электропитания, причем ротор этого двигателя-генератора кинематически связывают с ротором электрогенератора, а генераторную обмотку последнего, нагрузку и рабочую обмотку двигателя-генератора соединяют в виде последовательной электрической цепи, при этом рабочую обмотку двигателя-генератора включают в указанную цепь таким образом, чтобы рабочее вращение его ротора было направлено против тормозного электромагнитного момента, возникающего на роторе электрогенератора.
При этом в качестве электрогенератора и двигателя-генератора могут быть применены электромашины обратимого типа.
При этом в качестве электрогенератора и двигателя-генератора можно использовать пару идентичных электромашин обратимого типа. Это дает возможность простыми средствами осуществить компенсацию тормозного электромагнитного момента.
При этом в систему электроснабжения можно вводить регулятор скорости вращения двигателя привода. Это позволяет расширить диапазон использования изобретения.
При этом в качестве двигателя привода возможно применять электродвигатель.
При этом для питания электродвигателя привода можно использовать сторонний источник электроэнергии переменного или постоянного тока, или аккумулятор.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами: фиг. 1 - показано соосное соединение электромашин; фиг. 2 - показано соединение электромашин через редуктор с двигателем привода; фиг. 3 - показано соединение машин посредством ременной передачи; фиг. 4 - показана однофазная схема соединения электромашин и нагрузки в последовательную электрическую цепь; фиг. 5 - показана электрическая схема включения нагрузки в трехфазную цепь; фиг. 6 - показана схема подключения регулятора скорости вращения двигателя привода. Введены следующие обозначения: 1 - электрогенератор; 2 - генераторная обмотка; 3 - ротор электрогенератора; 4 - двигатель-генератор; 5 - ротор двигателя-генератора; 6 - рабочая обмотка двигателя-генератора; 7 - двигатель привода вращения роторов 3 и 5; 8, 9 и 10 - вал, соответственно, двигателя-генератора 4, генератора 1 и двигателя привода 7; 11 и 12 - соединительные муфты; 13 - основание; 14 - редуктор; 15 - ременная передача; 16, 17 и 18 - электрическая нагрузка; 19 - регулятор скорости вращения двигателя 7. Ак. - аккумулятор. Прямые стрелки указывают мгновенное направление тока в цепи, фигурная стрелка - показывает направление вращения роторов 3 и 5.
На фиг. 1 изображена система электроснабжения, скомпонованная из соосно расположенных агрегатов 1, 4 и 7 на основании 13. Все рабочие валы машин 8, 9 и 10 соединены муфтами 11 и 12. На фиг. 2 изображена компоновка системы электроснабжения, в которой двигатель привода 7 вращает генератор 1 и двигатель-генератор 4 через редуктор 14. Такой вариант может потребоваться, например, для увеличения (или уменьшения) рабочего момента от двигателя 7. На фиг. 3 изображена компоновка системы электроснабжения, в которой вращение рабочих валов агрегатов осуществляют ременной передачей. Это позволяет уменьшить шумы во время работы машин, а в необходимых случаях - увеличить расстояние между агрегатами. На фиг. 4 показан для большей наглядности вариант реализации предлагаемого изобретения с использованием двух синхронных однофазных генераторов обратимого типа с магнитными роторами. На фиг. 5 показан вариант реализации предлагаемого изобретения с использованием двух трехфазных синхронных генераторов. Во всех случаях, согласно изобретению, нагрузка включается только последовательно в цепь питания двигателя-генератора.
Работает система электропитания следующим образом (см. фиг. 4). Включается двигатель привода 7 и начинается вращение роторов 3 и 5. При этом в генераторной обмотке 2 индуцируется электрическое напряжение, которое вызывает ток в замкнутой цепи - генераторная обмотка 2, рабочая обмотка двигателя-генератора 6, нагрузка 16. В генераторе 1 создается тормозной электромагнитный момент, приложенный к ротору 3, который механически соединен с ротором 5 двигателя-генератора 4 и с рабочим валом 10 двигателя привода 7. При этом ток генераторной обмотки 2 возбуждает крутящий момент на роторе 5, который направлен встречно тормозному электромагнитному моменту и совпадает по направлению с моментом вращения двигателя привода 7 (предполагается, что электромашины 1 и 4 идентичны). В установившемся режиме работы двигатель привода 7 преодолевает только момент трения в опорах вращения и нескомпенсированный остаток тормозного электромагнитного момента.
Известно, что величина напряжения U, индуцированного при вращении проволочной рамки в магнитном поле с индукцией В, равна
где ΔФ - изменение магнитного потока за время Δt, ΔS - изменение проекции площади рамки перпендикулярно вектору индукции В [X. Кухлинг. Справочник по физике. Перевод с немецкого под ред. Е.М. Лейкина. Москва, «Мир», 1983, с. 344].
2
-2
-1
В формуле (1) не видно величин ускорения или силы. Размерность единицы напряжения: 1 вольт=м·кг·с·А, - см. [Н.И. Карякин, К.Н. Быстров, П.С. Киреев. Краткий справочник по физике. Издание второе. Изд-во: «Высшая школа». Москва - 1964, с. 520]*.
-7
2
2
2
2
В размерности напряжения только величина тока не имеет механической размерности. Чтобы ее найти, сначала приведем определение единицы силы тока в системе СИ: «Ампер есть сила неизменяющегося тока, который, будучи поддерживаем в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками взаимодействие силой, равной 2·10 ньютона на один метр длины» [*]. Таким образом, размерность 1 А = н/м = кг/с. С учетом последнего размерность напряжения в механических единицах будет: U=[м/с]. Как видим, в размерности напряжения нет ни размерности ускорения, ни размерности силы. Это указывает на то, что эффект генерации напряжения не является силовым. Раскрывая далее механические размерности остальных электромагнитных величин, можно найти физический смысл выражения (1), при этом размерность магнитного потока - площадь Ф=[м], а выражение для индуцирования напряжения принимает вид U=Ф/t=[м/с], смысл которого означает скорость изменения площади рамки с током относительно вектора индукции. Подробнее, см.: http://www.dlinevitch.narod.ru/dem.pdf.
На генерацию напряжения в электромеханическом генераторе ни сила, ни энергия не тратятся. Напряжение, индуцированное в генераторной обмотке, в замкнутой электрической цепи вызывает ток, который взаимодействует с магнитным полем в соответствии с третьим законом Ньютона, порождая тормозной электромагнитный момент на роторе. Поэтому попытки нейтрализовать его электрическими способами, как минимум, малоэффективны. В предлагаемом способе тормозной электромагнитный момент компенсируется только механическим способом.
Примеры реализации предлагаемого изобретения, приведенные выше, не охватывают все возможные варианты его использования. С целью сохранения «ноу-хау» не показаны варианты с применением других типов генераторов и двигателей: асинхронных; с подмагничиванием; бесколлекторных постоянного тока; различные комбинации из них и т.д.