СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ
SYNCHRONOUS GENERATOR WITH VOLTAGE REGULATOR

Изобретение относится к области «Производство, преобразование и распределение электрической энергии», а именно, к синхронным генераторам переменного тока микро и малой мощности, и найдет применение для проектирования синхронных генераторов для автономных микроэлектростанций.
Известно техническое решение, «Электрический генератор переменного тока». [Авторское Свидетельство СССР 752646 (S1) Мкл3, НO2К], который содержит многофазную якорную обмотку на статоре и подвозбудительное звено с многофазной подвозбудительной обмоткой, подключенной пофазно к якорной обмотке через регулятор, на роторе имеются постоянные магниты и магнитомягкие элементы, на статоре - плоская подвозбудительная обмотка примыкает через воздушный зазор к одному из торцов ротора с тангенциально намагниченными постоянными магнитами, с магнитомягкими секторными полюсами между ними, пофазное соединение якоря и подвозбудительной обмотки регулируется статическим фазорегулятором.
Недостатком такого электрического генератора переменного тока является узкий диапазон регулирования выходного напряжения генератора с невозможностью гашения магнитного поля возбуждения в переходных режимах работы генератора.
Также известна «Синхронная электрическая машина» [Патент RU 2529182 С2], содержащая статор, сердечник с многофазной якорной обмоткой, подвозбудительное звено с многофазной подвозбудительной обмоткой. Причем, подвозбудительная обмотка на части активной длины сердечника якоря совмещена с якорной обмоткой и составляет часть активной длины ее витка. Укороченный основной магнитопровод ротора с постоянными магнитами содержит дополнительный кольцевой магнитопровод когтеобразного типа, закрепленным на роторе, с внутренней кольцевой полостью. Внутри этой полости установлен другой магнитопровод статора с тороидальной обмоткой возбуждения, соединенной с системой управления и регулирования.
Недостатками такой синхронной электрической машины являются: сложность конструкции кольцевого магнитопровода с тороидальной обмоткой возбуждения; низкая чувствительность; быстрое действие при регулировании выходного напряжения синхронной электрической машины, узкий диапазон регулирования; отсутствие возможности гашения магнитного поля ротора при переходных режимах.
Известен «Автономный бесконтактный синхронный генератор» [Патент RU 2332773 С1], конструкция которого используется в синхронных бесконтактных генераторах промышленной и повышенной частоты. Служит для расширения функциональных возможностей источника за счет подключения дополнительной нагрузки, соизмеримой с мощностью генератора. Содержит молекулярный накопитель энергии и инвертор напряжения. Имеет магнитный совмещенный возбудитель, индуктор с обмоткой возбуждения возбудителя, основной и дополнительной обмоткой. Основная обмотка индуктора соединена с выходными зажимами и входом импульсного регулятора тока возбуждения с силовым элементом. Дополнительная обмотка индуктора через трехфазный выпрямитель соединена с молекулярным накопителем энергии, который соединен со входом инвертора напряжения, а его выход соединен с выходными зажимами основной обмотки индуктора.
Недостатками автономного бесконтактного синхронного генератора являются: сложность изготовления дополнительных устройств для надежного возбуждения возбудителя; дополнительная обмотка статора, имеет небольшую ЭДС, недостаточную для надежного самовозбуждения генератора. При подключении нагрузки соизмеримой мощности имеют место провалы напряжения. Не в полной мере стабилизируется выходное напряжение за счет энергии, накопленной в молекулярном накопителе энергии.
В устройстве «Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами» [Патент RU 2303849 С1] предлагается безколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами, состоящий из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор с круговым магнитопроводом, с четным количеством постоянных магнитов с одинаковым шагом расположения. Статор с четным числом подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно-встречным направлением обмотки. Имеется устройство для выпрямления электрического тока. Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора.
Недостатками такой конструкции бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами являются: сложность конструкции генератора; отсутствие блока регулирования напряжения; сложность монтажа обмотки ротора.
Наиболее близким к заявленному патенту является «Синхронный генератор», [Патент RU 2107378], содержащий: основную и дополнительную обмотки статора, смещенные одна относительно другой на 90 эл. градусов; основную и дополнительную обмотки возбуждения ротора; первый и второй трехфазные мостовые выпрямители; дискретную схему управления с регулирующим элементом; делитель напряжения с накопителем энергии; выпрямитель обратной связи; основная обмотка выполнена на напряжение, превышающее напряжение на дополнительной обмотке статора.
Недостатком такого синхронного генератора является сложность изготовления статора со смещенными обмотками относительно друг друга. Сложная система подключения и работы мостовых выпрямителей и других дополнительных устройств затрудняет самовозбуждение синхронного генератора. Слабое повышение ЭДС и его нестабильность происходит за счет колебания магнитного потока.
Предложен «Синхронный генератор с регулятором напряжения» с целью решения технической проблемы повышения эффективности и надежности работы синхронного генератора для регулирования напряжения на выходе генератора.
Это достигается тем, что «Синхронный генератор с регулятором напряжения» содержит трехфазную статорную обмотку, генератор возбуждения постоянного тока, регуляторы сопротивления. Согласно изобретению: установлен автоматический регулятор напряжения, состоящий из угольного реостата, набранного из отдельных угольных шайб; электромагнит с рычагом и шарниром посередине, демпферной пружиной; полупроводниковый выпрямитель; стабилизирующий трансформатор.
Предложенное техническое решение позволяет: проводить автоматическую регулировку напряжения на выходе синхронного генератора за счет применения угольного реостата, набранного из отдельных угольных шайб, тяги угольного реостата; электромагнита; рычагом с шарниром посередине; демпферной пружиной; полупроводниковым выпрямителем; стабилизирующим трансформатором.
Существенными отличиями предложенного решения являются признаки: автоматический регулятор напряжения, состоящий из угольного реостата, набранного из отдельных угольных шайб; электромагнита, воздействующего на тягу угольного реостата через рычаг с шарниром посередине; полупроводниковым выпрямителем для подпитки электромагнита; стабилизирующим трансформатором, сглаживающим толчки тока и напряжения в момент регулировки синхронного генератора.
Сущность изобретения поясняется графически. На чертеже показана схема включения автоматического регулятора напряжения синхронного генератора: 1 - угольный реостат; 2 - тяга угольного реостата; 3 - электромагнит; 4 - рычаг с шарниром посередине; 5 - демпферная пружина; 6 - трансформатор тока; 7 - полупроводниковый выпрямитель; 8 - стабилизирующий трансформатор; 9 - генератор возбуждения синхронного генератора; 10 - обмотка возбуждения ротора синхронного генератора; 11 - статорная обмотка синхронного генератора.
Предложенный синхронный генератор с регулятором напряжения содержит электросиловое оборудование, предназначенное для автоматического регулирования напряжения на выходе синхронного генератора посредством регулятора напряжения (РН), включающего в себя: набранного из отдельных угольных шайб угольного реостата 1; тяги угольного реостата 2; электромагнита 3; рычага с шарниром посередине 4; демпферной пружины 5. При параллельной работе синхронного генератора с сетью для повышения его устойчивости в схеме включения угольного реостата возбуждения предусмотрено устройство, предупреждающее возрастание реактивной мощности при изменении возбуждения. Этой цели служит трансформатор тока (ТА) 6, включенный в фазу В. Вектор напряжения в этой фазе сдвинут на угол 90° по отношению к вектору между фазами С и А. Если ток нагрузки будет сдвинут по отношению к напряжению на 90°, во вторичной цепи трансформатора тока появится ток, совпадающий по направлению с напряжением, питающим выпрямитель и угольный реостат возбуждения воспримет это увеличение реактивной мощности как повышение напряжения генератора. Угольный реостат сработает на снижение возбуждения, а, следовательно, и уменьшение реактивной мощности. Для подпитки электромагнита в схеме включения угольного реостата применен полупроводниковый выпрямитель 7. Для сглаживания толчков тока и напряжения в период регулирования генератора возбуждения применен стабилизирующий трансформатор (TS) 8. Регулировка выходного направления выполняется за счет тока возбуждения, вырабатываемого генератором-возбудителем (ГВ) 9. Ток возбуждения проходя по обмотке возбуждения ротора синхронного генератора 10 создает постоянное магнитное поле, пронизывающее витки трехфазной статорной обмотки, что индуктирует ЭДС и токи в фазах статора. Переменный ток поступает в полупроводниковый выпрямитель, где выпрямляется с переменного тока на постоянный, поступая на обмотку генератора-возбудителя осуществляет самовозбуждение синхронного генератора (СГ) 11.
Синхронный генератор с регулятором напряжения снабжен автоматическим угольным регулятором напряжения. Угольный регулятор напряжения состоит из угольного реостата 1, тяги угольного реостата 2, электромагнита 3, рычага с шарниром посередине 4 и демпферной пружины 5. Угольный реостат служит исполнительным органом регулятора напряжения, включен в цепь возбуждения генератора и представляет собой регулируемый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного давления. Угольные столбики реостата набраны из отдельных угольных шайб. Сопротивление этих столбиков зависит от степени сжатия угольных шайб. Чем больше давление на столбики, тем меньше сопротивление реостата и наоборот. Давление на угольные столбики создается рычагом с шарниром посередине и демпфирующей пружиной. Если электромагнит включен, то рычаг притягивается к якорю электромагнита, пружина 5 натягивается, а тяга угольного реостата, поднимаясь, уменьшает степень сжатия угольных шайб, возрастает сопротивление в угольном реостате, снижается ток в цепи возбуждения возбудителя, а напряжение на зажимах синхронного генератора уменьшается до номинального. Если нагрузка на синхронный генератор возрастает, то напряжение его уменьшается, сила притяжения электромагнита уменьшается, пружина увеличивает сжатие угольных шайб в реостате и сопротивление реостата уменьшается, а это усиливает ток в цепи возбуждения возбудителя и напряжение на зажимах синхронного генератора возрастает до номинального. Для повышения устойчивости работы агрегатов в схеме включения угольного реостата возбуждения предусмотрен трансформатор тока 6 реактивной мощности, предупреждающий возрастание активной нагрузки при изменении возбуждения. Трансформатор тока включается в фазу В. Вектор напряжения в этой фазе сдвинут на угол 90° по отношению к вектору напряжения между фазами С и А. Во вторичной цепи трансформатора появится ток, совпадающий по направлению с напряжением, питающим полупроводниковый выпрямитель 7; угольный реостат возбуждения воспримет это увеличение реактивной мощности как повышение напряжения генератора. При этом, реостат сработает на снижение возбуждения, а, следовательно, и на уменьшение реактивной мощности. Стабилизирующий трансформатор 8 предназначен для сглаживания толчков тока и напряжения в момент регулирования напряжения синхронного генератора, т.е. выполняет роль демпфирующего устройства в период регулирования генератора.
Синхронный генератор с регулятором напряжения работает следующим образом: на катушку электромагнита подается напряжение генератора. Измерительным органом угольного регулятора напряжения является тяга угольного реостата. С помощью механической связи - рычаг с шарниром посередине воздействует на угольный столб реостата. Усилие демпферной пружины определяет заданное напряжение. Если напряжение превышает заданное, то электромагнит поворачивает рычаг против часовой стрелки, что приводит к уменьшению давления на угольный столб. При этом, сопротивление угольного столба увеличивается, ток возбуждения уменьшается и напряжение на зажимах генератора снижается до заданного значения. Наоборот, если напряжение на зажимах генератора становится ниже заданного, то давление на угольный столб возрастает, уменьшается сопротивление угольного столба и напряжение на зажимах генератора повышается до заданного значения. Сопротивление угольного столба складывается из сопротивления самих колец и переходного сопротивления в местах электрического контакта между отдельными кольцами. В результате имеющихся неровностей на поверхности колец, соприкосновение происходит не по плоскости, а в отдельных точках. Если угольный столб сжимать, то площадь соприкосновения увеличивается, а величина переходного сопротивления уменьшается. Следовательно, при изменении силы нажатия на угольный столб в пределах упругих деформаций, плавно изменяется его сопротивление от долей омов до сотен омов.
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство синхронного электрического генератора отличается от прототипа устройством автоматического регулятора напряжения, регулирующего напряжение на выходе синхронного генератора, воздействуя непосредственно на ток возбуждения возбудителя, посредством угольного реостата, набранного из отдельных угольных шайб, в совокупности с электромагнитом, полупроводниковым выпрямителем и стабилизирующим трансформатором.
Технико-экономическим преимуществом синхронного генератора с регулятором напряжения является повышение эффективности и эксплуатационной надежности работы, уменьшение себестоимости за счет применения более простой схемы автоматического регулирования выходного напряжения синхронного генератора, включающего угольный реостат для регулирования напряжения, электромагнит, полупроводниковый выпрямитель, стабилизирующий трансформатор, предназначенный для сглаживания толчков тока и напряжения в момент пуска и регулирования напряжения синхронного генератора.