АВТОНОМНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНОЙ СТАТОРНОЙ ОБМОТКОЙ
AUTONOMOUS INDUCTION GENERATOR WITH QUADRIPOLE STATOR WINDING

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании автономных электростанций с приводом от двигателей внутреннего сгорания, ветро- и/или гидродвигателей.
Автономные асинхронные генераторы (ААГ) с конденсаторным самовозбуждением имеют все конструктивные признаки, характерные для асинхронных машин. Отличительной особенность ААГ является то, что их внешняя характеристика во многом зависит от параметров статорной обмотки. Положительные качества статорной обмотки, проявляющиеся в режиме асинхронного двигателя, не всегда способствуют хорошей работе асинхронного генератора. В этой связи актуальной задачей при проектировании ААГ является разработка специальных обмоток, способствующих улучшению внешних характеристик.
Известна четырехполюсная статорная обмотка асинхронного генератора из 12 катушечных групп с выводами от объединенных начал 1 и 12 катушечных групп, от объединенных начал 4 и 5 катушечных групп, от объединенных начал 8 и 9 катушечных групп, от объединенных концов 3 и 6 катушечных групп, от объединенных концов 7 и 10 катушечных групп, от объединенных концов 11 и 2 катушечных групп, при этом конец 1 катушечной группы соединен с началом 7, конец 7 - с концом 10, начало 10 - с концом 4, конец 5 - с началом 11, конец 11 - с концом 2, начало 2 с концом 8, конец 9 - с началом 3, конец 3 с концом 6, начало 6 - с концом 12 катушечной группы (патент RU 2252474, БИ №14, опубл. 20.05.2005).
Недостаток асинхронного генератора с известной обмоткой в том, что при включении нагрузки обмотка характеризуется высоким дифференциальным рассеянием, что снижает эксплуатационные характеристики генератора.
Известна четырехполюсная статорная обмотка асинхронного генератора из 12 катушечных групп с выводами от объединенных начала 3 и конца 4 катушечных групп, от объединенных начала 7 и конца 8 катушечных групп, от объединенных начала 11 и конца 12 катушечных групп, от объединенных начала 2 и конца 9 катушечных групп, от объединенных начала 6 и конца 1 катушечных групп, от объединенных начала 10 и конца 5 катушечных групп, при этом начало 1 катушечной группы соединено с концом 7, начало 5 - с концом 11, начало 9 - с концом 3, конец 2 с началом 8, конец 6 - с началом 12, конец 10 - с началом 4 катушечной группы (патент RU 2318287, БИ №6, 2008 - прототип).
Недостаток асинхронного генератора с известной обмотки в том, что при включении нагрузки к генератору обмотка характеризуется повышенным дифференциальным рассеянием, а для компенсации размагничивающего действия реактивных составляющих токов нагрузки требуется подключение дополнительных конденсаторов возбуждения.
Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности асинхронного генератора при работе под нагрузкой и улучшение эксплуатационных характеристик генератора за счет возможности подключения однофазной нагрузки.
Поставленная задача достигается тем, что в автономном асинхронном генераторе с четырехполюсной статорной обмоткой из 12 катушечных групп (1-12) и конденсаторов возбуждения согласно изобретению обмотка ААГ образована из катушечных групп 1, 3, 5, 7, 9, 11 в виде первой двухлучевой «звезды» с выводами 13, 14, 15, 19, к которым присоединены конденсаторы возбуждения, и второй двухлучевой «звезды» с выводами 13, 16, 17, 18, которые образованы соединением катушечных групп 2, 4, 6, 8, 10, 12, причем вывод 13 взят от объединенных концов 1, 3, 5, 7, 9, 11, соединенных с началами 2, 4, 6, 8, 10, 12 катушечных групп, вывод 14 взят от объединенных начал 1 и 7 катушечных групп, вывод 15 взят от объединенных начал 3 и 9 катушечных групп, вывод 16 взят от объединенных концов 4 и 10 катушечных групп, вывод 17 взят от объединенных концов 6 и 12 катушечных групп, вывод 18 взят от объединенных концов 2 и 8 катушечных групп, вывод 19 взят от объединенных начал 5 и 11 катушечных групп, дополнительно выводы 14, 15, 19 с одной стороны и выводы 16, 17, 18 с другой стороны соединены между собой парами последовательно соединенных компенсационных конденсаторов, а общие точки соединения этих конденсаторов имеют выводы для подключения нагрузки к асинхронному генератору.
Новизна заявляемого технического решения достигается за счет того, что в автономном асинхронном генераторе с четырехполюсной статорной обмоткой из 12 катушечных групп (1-12) и конденсаторов возбуждения в каждой фазе согласно изобретению обмотка ААГ образована из катушечных групп 1, 3, 5, 7, 9, 11 в виде первой двухлучевой «звезды» с выводами 13, 14, 15, 19, к которым присоединены конденсаторы возбуждения, и второй двухлучевой «звезды» с выводами 13, 16, 17, 18, которые образованы соединением катушечных групп 2, 4, 6, 8, 10, 12, причем вывод 13 взят от объединенных концов 1, 3, 5, 7, 9, 11, соединенных с началами 2, 4, 6, 8, 10, 12 катушечных групп, вывод 14 взят от объединенных начал 1 и 7 катушечных групп, вывод 15 взят от объединенных начал 3 и 9 катушечных групп, вывод 16 взят от объединенных концов 4 и 10 катушечных групп, вывод 17 взят от объединенных концов 6 и 12 катушечных групп, вывод 18 взят от объединенных концов 2 и 8 катушечных групп, вывод 19 взят от объединенных начал 5 и 11 катушечных групп, дополнительно выводы 14, 15, 19 с одной стороны и выводы 16, 17, 18 с другой стороны соединены между собой парами последовательно соединенных компенсационных конденсаторов, а общие точки соединения этих конденсаторов имеют выводы для подключения нагрузки к асинхронному генератору.
По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, поскольку оно работоспособно, и предлагается его использование в промышленности.
На фигуре 1 приведена схема обмотки; на фигуре 2 - схема включения конденсаторов; на фигурах 3-4 - направление токов в катушках части обмотки; на фигурах 5-6 - направление токов в катушках при холостом ходе и нагрузке и диаграммы Гергеса для этих режимов работы.
Согласно фигуре 1 автономный асинхронный генератор с четырехполюсной статорной обмоткой содержит 12 катушечных групп (1…12) с выводом 13 от объединенных концов 1, 3, 5, 7, 9, 11 и начал 2, 4, 6, 8, 10, 12 катушечных групп, с выводом 14 от объединенных начал 1 и 7 катушечных групп, с выводом 15 от объединенных начал 3 и 9 катушечных групп, с выводом 16 от объединенных концов 4 и 10 катушечных групп, с выводом 17 от объединенных концов 6 и 12 катушечных групп, с выводом 18 от объединенных концов 2 и 8 катушечных групп, с выводом 19 от объединенных начал 5 и 11 катушечных групп.
Согласно фигуре 2 обмотка асинхронного генератора в каждой фазе образована из катушечных групп 1, 3, 5, 7, 9, 11 в виде первой двухлучевой «звезды» с выводами 13, 14, 15, 19, к которым присоединены конденсаторы возбуждения 23, 24, 25, и второй двухлучевой «звезды» с выводами 13, 16, 17, 18, которые образованы соединением катушечных групп 2, 4, 6, 8, 10, 12.
Выводы 14, 16; 15, 17; 18, 19 соединены между собой парами последовательно соединенных компенсационных конденсаторов 26-27, 28-29, 30-31, а общие точки соединения этих конденсаторов имеют выводы 20, 21, 22 для подключения нагрузки к асинхронному генератору.
Согласно фигурам 3 и 4 каждая часть обмотки характеризуется одинаковым распределением катушек диаметрального шага, что эквивалентно однослойной обмотке максимального распределения (стороны катушек фазы А обозначены квадратами, фазы В - треугольниками и фазы С - кругами). Такое распределение катушек определяет минимальное значение коэффициента дифференциального рассеяния статорной обмотки. При диаметральном шаге двухслойная обмотка эквивалентна однослойной обмотке.
p
∂
об
Согласно фигуре 5 полярный радиус R основной гармоники МДС, момент инерции пазовых точек диаграммы Гергеса
и значение коэффициента дифференциального рассеяния τ от тока возбуждения (обмоточный коэффициент k=0,9598):
об
Согласно фигуре 6 при симметричной нагрузке, например, с φ=30° и током нагрузки, равным току возбуждения (ток нагрузки отображен в нижнем условном ряду сторон катушек эквивалентной обмотки), радиус основной гармоники МДС при условных 72 сторонах катушек, полярный момент инерции пазовых точек диаграммы Гергеса и значение коэффициента дифференциального рассеяния от токов возбуждения и нагрузки (обмоточный коэффициент для токов возбуждения и нагрузки k=0,4799):
Автономный асинхронный генератор с четырехполюсной статорной обмоткой работает следующим образом. При вращении ротора асинхронного генератора со скоростью, выше скорости вращения магнитного поля, за счет остаточного намагничивания и конденсаторов возбуждения 23, 24, 25 происходит процесс самовозбуждения асинхронного генератора.
При холостом ходе генератора через последовательно соединенные конденсаторы 26-27, 28-29, 30-31 токи не протекают, поскольку конденсаторы подключены к выводам равного потенциала. При включении трехфазной нагрузки к выводам 20, 21, 22 токи нагрузки под действием ЭДС протекают и через конденсаторы 26-27, 28-29, 30-31 в каждой фазе. Реактивная мощность конденсаторов 26-27, 28-29, 30-31 способствует компенсации размагничивающего действия реактивных составляющих токов нагрузки. При включении однофазной нагрузки, например, к выводу 13 и 20 ток нагрузки под действием ЭДС в части каждой «звезды» протекает через конденсаторы 26 и 27. И в этом случае реактивная мощность конденсаторов 26 и 27 способствует компенсации размагничивающего действия реактивной составляющей тока нагрузки в данной фазе.