ТРЕХФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электрическим машинам, и может быть использована в синхронных генераторах.
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 известен синхронный генератор [патент РФ на полезную модель №204405], содержащий ротор с полюсами возбуждения, подключенными к кольцам с щеточным аппаратом, статор с обмотками, в пазах статора три обмотки по типу якорных обмоток машин постоянного тока, обмотка одной фазы содержит последовательно включенные катушки в виде кольца, каждая из которых разделена на количество секций, равное количеству магнитных полюсов ротора, причем секции каждой обмотки соединены последовательно и встречно, обмотки смещены по окружности между собой, так что фазовый сдвиг напряжений в них образует трехфазную систему, а обмотки включены по схеме треугольник.
К недостаткам такого решения можно отнести повышенный расход витков вторичной обмотки, что ведет к увеличению массы и габаритов.
Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.
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, путем соединения катушечных групп отдельных фаз обмотки в общую нейтраль [1, 2].
Именно по этой схеме сделано большинство синхронных генераторов. Как известно, соединение по схеме звезда дает в 1,4 раза большее линейное напряжение, и, хотя удвоения не происходит – для схемы звезда достаточно в 1,4 раза меньшее число витков [1]. При использовании обмотки треугольник требуется в 1,4 раза боле витков, чем в схеме звезда.
Причина этого известна – и хорошо видна на векторных диаграммах   в литературе [1], где очевидно, что вектор линейного напряжения образует гипотенузу между направлениями векторов фазных напряжений. Фазовый сдвиг их суммы будет иметь угол, отличный от сдвига исходных векторов. В генераторах чаще применяют схему соединений звезда, что объясняется отсутствием уравнительных токов при наличии не симметрии напряжений в фазах обмотки. Однако, такие уравнительные токи не всегда будут плохи, и в некоторых случаях позволяют улучшить качество выходного напряжения и компенсировать высшие гармоники, достигающие в некоторых синхронных генераторах 8% даже при наличии идеальной нагрузки или холостом ходу.
Как известно [2] из уровня техники, в синхронных генераторах для получения переменного напряжения используется вращающийся ротор, на котором расположены катушки полюсов возбуждения. Для подвода на них питания, используются установленные на роторе кольца, через щетки на них подается ток возбуждения от внешнего по отношению к ротору источника. Таким образом, создается магнитный поток возбуждения полюсов ротора. Его перемещение в пространстве (вращение) создает изменение магнитного потока через катушки вторичной обмотки, и наводит в них ЭДС переменного тока. Этот процесс носит циклический характер, а любой такой генератор имеет свойство симметрии магнитной системы и обмоток.
Также из уровня техники [1, 2] известны машины постоянного тока, с ротором, на котором располагается якорная обмотка. Она представляет собой кольцевую замкнутую обмотку, где катушки объединяются в замкнутый контур. Такая обмотка является полностью симметричной, благодаря чему в ней нет токов короткого замыкания. Если разомкнуть обмотку якоря машины постоянного тока в любом месте, на выводах в разрыве не будет сколь-либо существенной ЭДС и ток протекать не будет. Напряжение снимается с отводов обмотки при помощи коллектора и щеток, которые при вращении коммутируют отводы обмотки, как это показано в обобщенном виде на фигуре 1. Здесь мы видим две щетки, которые снимают напряжение с диагоналей. Соответственно, в схеме протекает две ветви тока – они показаны стрелками, соответствуя пути протекания токов нагрузки. Токи в обмотки в идеальном случае разделяются пополам, и через сечение провода обмотки течет половина ее рабочего тока.
Такая обмотка в самом общем виде из уровня техники уже известна, и применяется в машинах постоянного тока [2]. Вместе с щеточным аппаратом она обеспечивает выпрямление переменного напряжения в обмотке якоря.
Кроме показанной на фигуре 1 конфигурации с 2 щетками, которые соответствуют двум магнитным полюсам на статоре машины постоянного тока, также существуют машины с 4 полюсами (2 пары полюсов), вплоть до 8 полюсов (4 пары полюсов) [2]. Соответственно количеству полюсов и число щеток, обеспечивающих коммутацию отводов. Однако явным образом такие якорные обмотки не разделяются на отдельные секции, представляя собой симметричную монотонную кольцевую обмотку. Отсутствие уравнительных токов короткого замыкания в ней обеспечивается симметрией как магнитной системы, так и электрических цепей, причем сумма ЭДС всех катушек равна нулю. Это относится и к вариантам с числом полюсов, большим двух, однако в этом случае обмотка делится на количество частей разной полярности, для которых выполняется условие равенства ЭДС по модулю.
На фигуре 2 показана схема включения катушечных групп трехфазной обмотки статора синхронного генератора [2], которая состоит из 2 групп, включенных встречно и последовательно. В качестве типа обмотки чаще всего встречается петлевая обмотка, а показанные на фигуре 2 катушечные группы выполняются для каждой из 3 фаз, чередуясь последовательно при укладке. Катушечные группы 3 фаз включаются по схеме звезда, причем их физическое размещение в пазах последовательно друг за другом [2]. Такие обмотки имеют повышенное напряжение в 1,4 раза по сравнению с фазным, порядка трети от всей наведенной в витках ЭДС формирует фазовый сдвиг – который не является необходимым, так как сдвиг между группами катушек разных фаз обеспечивается чередованием их в пазах статора.
В основном прототипе, обмотка якорей машин постоянного тока предлагается использовать для питания цепей переменного тока. С учетом количества полюсов на роторе, упомянутая обмотка делится на количество секций, равных числу полюсов возбуждения ротора, а секции включаются последовательно встречно. Для получения трех фаз, достаточно три обмотки на статоре, смещенных в пространстве для образования сдвига 120 градусов между их ЭДС. Выводы обмоток включаются по схеме треугольник, что дает получение трехфазной цепи без потери части ЭДС на формирование сдвига фаз – как в схеме звезда. Следует отметить, что включение групп катушек известных трехфазных статорных обмоток [2] не дает того же эффекта, поскольку, чередуясь группы катушек фаз не обеспечивают использование всего магнитного потока полюсов возбуждения – и это также снижает их эффективность.
На фигуре 3 показана упрощенная схема основного прототипа при числе полюсов возбуждения ротора равном двум (т.е. одна пара полюсов). При вращении ротора происходит перемещение магнитного потока полюсов возбуждения, которые наводят ЭДС в обмотках статора. При этом на фигуре 3 показан вариант с двумя полюсами, ему соответствует вариант с двумя секциями обмотки на статоре (показана одна обмотка, соответствующая одной фазе).
На фигуре 4 показана схема включения секций обмотки одной из фаз основного прототипа. Из схемы видно, что две секции обмотки включены последовательно и навстречу друг другу. Поскольку ЭДС в них наводятся встречно (показано на фигуре 1 стрелками протекающего тока) они образуют две ветви, ЭДС в которых направлены встречно. Переключение секций на встречное включение позволяет получить согласное суммирование ЭДС, в соответствии со схемой на фигуре 4.
На фигуре 5 показана схема соединений для трех обмоток на статоре основного прототипа. Из схемы видно, что отдельные катушки в обмотках набираются таким образом, чтобы образовать пространственный сдвиг на 120 градусов между тремя обмотками взаимно, что обеспечивает наведение в них ЭДС с необходимым фазовым сдвигом, соответствующим трехфазной системе. Поскольку в целом обмотка одной фазы представляет собой кольцо с последовательно включенными катушками (витками), то все обмотки могут быть уложены однотипно, на фигуре 5 условно показано их переключение и пространственный сдвиг секций в каждой из трех обмоток, который дает их взаимное смещение на 120 градусов в пространстве – что приводит к сдвигу ЭДС на 120 градусов. Фигура 5 соответствует двум полюсам возбуждения.
На фигуре 6 показана схема соединений выводов обмоток всех трех фаз между собой, с образованием схемы треугольник в основном прототипе. Выводы соединяются от обмотки к обмотке, от конца одной обмотки к началу следующей. Результат на векторной диаграмме на фигуре 7.
Однако, что касается основного прототипа, следует отметить, что ток в таких обмотках будет протекать последовательно между группами катушек, что потребует удвоения сечения провода, что не всегда желательно, в том числе по технологическим причинам (в мощных генераторах). Может быть целесообразным использование предлагаемого решения, схема показана на фигуре 8. Как видно из схемы, предлагается использовать кольцевые обмотки якорного типа, при электрически замкнутых в контур всех трех обмоток по отдельности. Выводы замкнутых обмоток соединяются в схему звезда, что дает как разделение тока между ветвями обмоток, так и рост напряжения в 1,4 раза, что позволяет получить большее напряжение при том же числе витков. Для высших гармоник и прочих искажений синусоидальности кривой напряжения, все три обмотки будут выступать в качестве замкнутого контура и способствовать улучшению качества выходного напряжения [1]. В любом случае, токи высших гармоник будут делиться между тремя обмотками в равных долях, что снижает токовую нагрузку на обмоточный провода, а с учетом скин-эффекта высшие гармоники будут более эффективно гаситься в проводах (с ростом частоты гармоник наличие трех замкнутых контуров эффективнее, чем один большего сечения [1]).
Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой синхронный генератор переменного тока.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
в пазах статора уложены три обмотки по типу якорных обмоток машин постоянного тока, отводы от обмоток с пространственным сдвигом в 120 градусов между ними;
все три упомянутые обмотки включены своими отводами в схему звезда.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату – увеличению выходного напряжения генератора.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображена схема ветвей обмотки якоря машины постоянного тока при числе полюсов, равном двум. На фигуре 2 изображена схема включения групп катушек фазы трехфазной обмотки статора. На фигуре 3 изображена упрощенная схема для основного прототипа при числе полюсов ротора равном двум. На фигуре 4 изображена схема включения секций одной обмотки статора для основного прототипа при числе полюсов равном двум. На фигуре 5 изображена схема соединений секций в трех обмотках статора для основного прототипа при числе полюсов равном двум. На фигуре 6 изображена схема соединений трех обмоток статора для основного прототипа по схеме треугольник при числе полюсов равном двум. На фигуре 7 изображена векторная диаграмма включения обмоток по схеме треугольник. На фигуре 8 изображена принципиальная схема предлагаемого решения.
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.