АСИНХРОНИЗИРОВАННЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для энергоснабжения объектов стабильной сетью переменного тока при переменной скорости вращения первичного двигателя. Изобретение может быть использовано при разработке генераторов для гидроэлектростанций, дизель-электрических станций, ветроэнергетических установок.
К генераторам, как источникам электрической энергии, предъявляются жесткие требования по надежности, ресурсу и качеству вырабатываемой энергии. Для повышения надежности и ресурса в генераторах применяют токоподвод без скользящих контактов. Для повышения качества электроэнергии используют электронные устройства, реализующие регулирование по якорной цепи или по цепи возбуждения.
Известен бесконтактный синхронный генератор [1], обмотка возбуждения которого питается от дополнительного генератора (возбудителя), расположенного на одном валу с основным генератором, при этом якорь возбудителя и выпрямитель расположены на вращающейся части. В этом устройстве амплитуда выходного напряжения основного генератора регулируется по его цепи возбуждения через регулирование возбуждения возбудителя. Достоинством этого генератора является бесконтактный токоподвод к цепи возбуждения и возможность регулирования одного из параметров сети, а именно, амплитуды выходного напряжения. Недостатком этого генератора является невозможность регулирования частоты и фазы выходного напряжения при переменной скорости вращения основного двигателя, что является неприемлемым для потребителей, требующих стабильную по всем параметрами (амплитуде, фазе и частоте) сеть переменного тока.
Наиболее близким по техническому решению является генератор [2] со стабильной частотой и амплитудой выходного напряжения при переменной частоте приводного двигателя, включающий в себя якорь с многофазной обмоткой, индуктор с многофазной обмоткой, электронное устройство, включающее в себя опорный генератор с заданной частотой и амплитудой, многофазный вентильный преобразователь, питающий обмотку индуктора напряжением, частота и амплитуда которого формируется по сигналу
рассогласования частоты и амплитуды напряжения опорного генератора, источник питания электронного устройства, состоящий из аккумуляторной батареи и выпрямителя. Достоинством этого устройства является возможность стабилизации выходного напряжения основного генератора по всем трем параметрам (амплитуде, фазе и частоте) при переменной частоте вращения приводного двигателя. Основным недостатком известного устройства является невозможность выполнить его без скользящего токоподвода к цепи возбуждения, что сокращает его надежность и срок службы. Кроме того, параметры напряжения этого генератора определяются параметрами напряжения встроенного опорного генератора, что позволяет ему работать только в автономном режиме и исключает возможность работать на внешнюю сеть. В известном устройстве функцию регулирования выходного напряжения берет на себя многофазный вентильный преобразователь, что приводит к существенному его усложнению. Кроме того, вентильный преобразователь можно упростить, если обмотку индуктора синхронного генератора и сам вентильный преобразователь выполнить двухфазными.
В известном устройстве электрическая мощность основного генератора складывается из мощности приводного двигателя и мощности источника питания вентильного преобразователя за вычетом потерь. Применение известного устройства для тихоходных приводов, какими являются гидроэлектростанции и ветроэнергетические установки, приведет к необходимости увеличить число полюсов основного генератора для уменьшения мощности возбудителя, что существенным образом увеличивает габариты и массу всего устройства.
Основным техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение надежности и срока службы генератора, расширение его функциональных возможностей за счет работы, как в автономном режиме, так и в режиме работы на внешнюю сеть, упрощение многофазного вентильного преобразователя, уменьшение габаритов и массы всего устройства.
Это достигается тем, в асинхронизированном синхронном генераторе со стабильной частотой и амплитудой выходного напряжения при переменной частоте приводного двигателя, включающим в себя якорь с многофазной обмоткой, индуктор с многофазной обмоткой, электронное устройство, включающее в себя, опорный генератор с заданной частотой и амплитудой и
многофазный вентильный преобразователь, питающий обмотку индуктора напряжением, частота и амплитуда которого формируется по сигналу рассогласования частоты и амплитуды напряжения опорного генератора, источник питания электронного устройства, сам источник питания электронного устройства выполнен в виде бесконтактного генератора, состоящего из якоря, индуктора, выпрямителя и регулятора напряжения, причем индуктор синхронного генератора, электронное устройство, якорь бесконтактного генератора с выпрямителем размещены на вращающейся части.
При работе синхронного генератора на внешнюю сеть параметры эталонного напряжения берутся не от опорного генератора а от напряжения внешней сети. При этом электронное устройство согласует фазу, амплитуду и частоту выходного напряжения синхронного генератора с фазой амплитудой и частотой напряжения внешней сети по сигналам рассогласования параметров напряжения синхронного генератора с параметрами напряжения внешней сети.
С целью упрощения многофазного вентильного преобразователя функция регулирования амплитуды выходного напряжения передается регулятору возбудителя. При этом амплитуда выходного напряжения синхронного генератора определяется регулятором бесконтактного генератора по сигналу рассогласования с опорным напряжением при работе синхронного генератора в автономном режиме или по сигналу рассогласования с напряжением сети при работе синхронного генератора на внешнюю сеть.
Для упрощения вентильного преобразователя обмотка индуктора синхронного генератора и вентильный преобразователь выполнены двухфазными.
Введение в устройство возбудителя привело к тому, что электрическая мощность основного генератора определяется мощностью приводного двигателя вне зависимости от его частоты вращения. При этом появилась возможность оптимизировать число полюсов основного генератора и выбрать его из условия минимальных габаритов и массы всего устройства.
Новизна технического решения обусловлена тем, что введение в известное устройство возбудителя позволяет при сохранении его положительных качеств по регулированию выходного напряжения, добавить еще одно существенное качество такое как, бесконтактность токоподвода в цепи возбуждения, что
позволило увеличить его надежность и срок службы. При этом появились дополнительные возможности
- по использованию генератора при работе не только в автономном режиме, но и работе на внешнюю сеть;
- по упрощению вентильного преобразователя;
- по уменьшению габаритов и массы всего устройства за счет оптимизации числа полюсов основного генератора.
По данным научно-исследовательской и патентной литературы авторам не известна 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.
Сущность изобретения поясняется рисунком, где представлен один из вариантов исполнения асинхронизированного синхронного генератора, например для ветроэнергетической установки.
На фиг.1 изображен поперечный разрез генератора.
Генератор устроен следующим образом. Якорь (1) с многофазной обмоткой расположен на неподвижной части внутри индуктора с многофазной обмоткой (2), который расположен на внешней вращающейся части. Внутри якоря (1) на неподвижной части расположен индуктор возбудителя (5) и регулятор возбудителя (7). Якорь возбудителя (4) расположен консольно внутри индуктора возбудителя (5) на вращающейся части. На вращающейся части расположен выпрямитель (6) возбудителя и многофазный вентильный преобразователь (3). Многофазный вентильный преобразователь (3) содержит в себе электронный генератор опорного напряжения.
Генератор работает следующим образом. При разгоне ротора от приводного двигателя в якоре возбудителя (4) за счет остаточного магнитного потока наводится ЭДС, которая после выпрямителя (6) подается на многофазный вентильный преобразователь (3). Напряжение от вентильного преобразователя (3) подается на многофазную обмотку индуктора (2) основного генератора. Основной генератор возбуждается и формирует выходное напряжение, от которого питается обмотка индуктора (5) возбудителя. Процесс повторяется до
достижения установившегося напряжения для заданной частоты вращения приводного двигателя.
При стабилизации частоты выходного напряжения при переменной частоте приводного двигателя генератор работает следующим образом. Если на ротор такой машины подать постоянное напряжение, то при скорости его вращения (ω), соответствующей номинальной синхронной скорости вращения поля статора
н
где f - номинальная частота напряжения двигателя (генератора),
p - число пар полюсов двигателя,
н
на обмотке статора, согласно (1) будет индуцироваться напряжение номинальной частоты. Если скорость вращения ротора отличается от номинальной синхронной, то для того, чтобы на обмотке индуцировалось напряжение с частотой f, необходимо подать на ротор напряжение с частотой
Причем, если скорость вращения ротора двигателя меньше номинальной необходимо, чтобы обеспечивалось вращение поля ротора относительно самого ротора по направлению вращения. Это приводит к тому, что результирующая скорость вращения поля ротора относительно статора оказывается равной синхронной. Действительно, с учетом приведенных выше уравнений имеем
Если скорость вращения ротора больше номинальной, необходимо, чтобы поле ротора вращалось относительно него в сторону обратную вращению. Таким образом, регулируя частоту и порядок чередования фаз напряжения питания ротора синхронного генератора, мы обеспечиваем стабилизацию частоты его выходного напряжения. При этом теоретически не существует ограничений диапазона регулирования.
Для регулирования выходного напряжения генератора необходимо изменять амплитуду напряжения питания роторной обмотки, изменяя ток возбуждения
генератора. В данном устройстве эта функция осуществляется через регулирование тока возбуждения возбудителя.
Энергетическая эффективность предлагаемой системы определяется, прежде всего, соотношением полезной мощности и мощности, затрачиваемой на возбуждение, которое влияет на ее КПД и стоимость. Мощность возбудителя для питания обмотки ротора определяется выражением
min
ω - минимальная возможная скорость вращения ротора в рабочем режиме установки.
В том случае, если скорость вращения ротора окажется выше синхронной, в правой части выражения (4) пред первым членом изменится знак. Это значит, что через возбудитель пойдет обратный поток энергии, которую можно рекуперировать в сеть.
Если выбрать число полюсов основного генератора минимальным, то возрастает мощность возбудителя за счет разницы между заданной частотой и частотой вращения приводного двигателя. Если выбрать число полюсов максимальным, то мощность возбудителя тоже возрастает за счет того, что необходимо обеспечить энергией большое число полюсов. Таким образом в данном устройстве есть возможность оптимального выбора числа полюсов с точки зрения мощности возбудителя, габаритов и массы всего устройства.
Достоинства предлагаемого синхронного генератора заключаются в следующем.
1. Выполнение токоподводов без скользящих контактов существенным образом повышает надежность и срок службы, что важно для гидрогенераторов и ветрогенераторов, которые, как правило находятся на удаленном расстоянии от центров по ремонту и обслуживанию.
2. По принципу работы для данного генератора нет различий при работе на автономного потребителя или внешнюю энергетическую сеть. При этом принцип работы генератора не меняется при проектирование энергетических установок малой средней и большой мощности. Это делает его универсальным.
3. В предлагаемом устройстве можно существенным образом упростить преобразователь частоты, сделав его двухфазным и оставив ему только функцию стабилизации частоты выходного напряжения.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. В лаборатории ООО НПП «Ветроэнергетические установки» был изготовлен опытный образец на базе асинхронного двигателя с фазным ротором на 4 кВт, который подтвердил правильность предлагаемой технической концепции.
Источники информации
1. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. Техн. учебн. заведений. - 3-е изд., перераб. - Л.: - Энергия, 1978, - страница 783.
2. Патент РФ 2213409. Способ управления автономным асинхронным генератором.