ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

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 № JPH 05268800], 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 первичный генератор (возбудитель) питает выпрямитель, который может быть диодным, после чего постоянное напряжение поступает на инвертор, где происходит преобразование в переменное напряжение нужной частоты - по командам системы управления. В качестве обратной связи используется датчик оборотов - осуществляющий преобразование частоты в напряжение, ей пропорциональное. Существует большое количество подобных устройств, известных из уровня техники и литературы по электронике и автоматизации. Система управления также может быть типовой, либо по крайней мере она легко реализуется при современном уровне развития техники. Оптимально в настоящее время выполнение системы управления на микропроцессоре, вход которого оцифровывает сигнал обратной связи через типовой аналоговый вход, которые входят в состав любого микроконтроллера или процессора.
Поскольку фаза выходного напряжения в данном случае не имеет для работы большого значения - наличие обратной связи для синхронизации с выходным напряжением возбудителя необязательно. Инвертор может начать работу с любого фазового сдвига первоначально - далее важно поддержание только частоты, поле трехфазной обмотки ротора будет вращаться в сумме или разности со скоростью вращения ротора.
Соответственно, на обмотке статора основного генератора наведется ЭДС, которая будет определяться совместно работой инвертора и скоростью вращения ротора. За счет обратной связи по частоте (а частота напряжения на обмотках возбудителя будет пропорциональна скорости вращения ротора) будет обеспечиваться стабильность поддержания выходной частоты всего генератора переменного тока в целом. Понижая или повышая частоту на выходе инвертора, система управления может компенсировать колебания частоты всего генератора в целом.
На фигуре 2 показано продольное сечение предлагаемого решения по оси вращения ротора. Из рисунка видно, что генератор содержит две машины на одном общем валу. На возбудителе обращенной конструкции возбуждение обеспечивают постоянные магниты на статоре, а на роторе располагается трехфазная обмотка, на которой наводится ЭДС при вращении ротора. Также на валу ротора располагаются выпрямитель, инвертор, датчик оборотов и система управления. Условно, они показаны на сечении симметрично по оси вращения, поскольку могут располагаться вокруг линии вала для сохранения балансировки ротора в целом. Например, транзисторы инвертора в числе 6 штук могут быть распределены по всей окружности вала симметрично. И части выпрямителя и системы управления также могут быть размещены к оси вращения ротора симметрично. Также из рисунка на фигуре 2 видно, что в основном генераторе используется две трехфазные обмотки - на роторе, и на статоре. Обмотка ротора питается от выхода инвертора, а обмотка статора является выходной и питает нагрузку предлагаемого решения.
На фигуре 3 показано поперечное сечение возбудителя. Из рисунка видно, что постоянные магниты используются в качестве полюсов и создают магнитный поток, который с наружи их замыкается через магнитопровод, а с внутренней проходит через ротор, наводя в его трехфазной обмотке ЭДС, которая служит для питания выпрямителя и инвертора, а также и системы управления.
На фигуре 4 показано поперечное сечение основного генератора. Как видно из рисунка, на роторе и статоре располагаются уложенные в их пазы трехфазные обмотки, причем обмотка ротора, подключенная к инвертору создает вращающееся магнитное поле, которое совместно с вращением вала ротора наводит в трехфазной обмотке статора основного генератора ЭДС.
Конструкция машины возбудителя является обращенной, конструкция основного генератора является модифицированной конструкцией обычного синхронного генератора, в котором появилась возможность скольжения поля возбуждения относительно механического вращения самого ротора.
На фигуре 5 блок-схема обычной ветрогенераторной установки, где видно, что турбина создает вращающий момент, который трансформируется (чаще всего, в сторону повышения оборотов) во вращение вала генератора, выход которого имеет изменяющуюся при порывах ветра частоту. На его выходе преобразователь частоты осуществляет двойное преобразование тока - сначала выпрямление, потом инвертирование с заданными параметрами по частоте на выходе. Недостатком такой системы является необходимость осуществления преобразователя частоты на полную мощность, которая может составлять 1 МВт и более.
В предлагаемом решении реализована стабилизация частоты на выходе генератора переменного тока без использования полной мощности на выходе и без преобразования выходного напряжения статора генератора. Таким образом, может быть осуществлено снижение габаритов (поскольку не нужно делать преобразователь частоты на полную мощность) и снижение потерь на преобразовании электроэнергии.
Все использованные в предлагаемом решении элементы выпускаются в промышленных масштабах с широкой номенклатурой - система управления, датчик оборотов, инвертор (т.е. трехфазный транзисторный мост) могут быть легко реализованы по новому проекту или выбраны из существующих.
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 работы 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 генератор переменного тока выполняется обращенным с постоянными магнитами на статоре и служит возбудителем, другой генератор переменного тока является основным и питает нагрузку;
- выходная обмотка возбудителя выполнена трехфазной и подключена к размещенному на валу выпрямителю, выход которого питает инвертор;
- выход инвертора выполняется трехфазным и подключен к обмотке возбуждения на роторе генератора переменного тока, питающего нагрузку;
- на валу также располагается датчик оборотов, который получает сигнал от одной из фаз выходной обмотки возбудителя, а выход его подключен к входу системы управления, расположенной на валу;
- выход системы управления подключен к входам управления полупроводниковых ключей инвертора;
- оба генератора переменного тока расположены на общем валу.
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 блок-схема предлагаемого решения. Здесь 1 - возбудитель, 2 - выпрямитель, 3 - инвертор, 4 - основной генератор, 5 - датчик оборотов, 6 - система управления. На фигуре 2 изображено продольное сечение предлагаемого решения. Здесь 7 - магнитопровод статора, 8 - постоянный магнит, 9 - трехфазная обмотка статора основного генератора, 10 - трехфазная обмотка ротора основного генератора, 11 - трехфазная обмотка ротора возбудителя, 12 - выпрямитель, 13 - датчик оборотов, 14 - система управления, 15 - инвертор, 16 - корпус. На фигуре 3 изображено поперечное сечение возбудителя. Здесь 8 - постоянный магнит, 7 - магнитопровод статора, 16 - корпус. На фигуре 4 изображено поперечное сечение основного генератора. На фигуре 5 изображена функциональная блок-схема ветрогенераторной установки. Здесь 17 - редуктор, 18 - генератор, 19 - преобразователь частоты.
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.