ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

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 №JPH05268800], 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 обмотка ротора возбудителя подключена к входу обмотки ротора основного генератора, и таким образом питает его. Поскольку возбудитель выполнен в виде обращенной машины, это означается что ток возбуждения подается на его обмотку статора, а выходное напряжение снимается на его обмотке ротора. Основной генератор выполнен необращенным, это значит, что получаемое от ротора возбудителя питание создает магнитное поле на роторе, в свою очередь оно наводит ЭДС в обмотке статора основного генератора. Следует отметить отличительную особенность предлагаемого решения - все обмотки выполнены трехфазными, это относится и к роторам, и к статорам обеих машин. Это необходимо не только для питания нагрузки, но и для создания равномерно вращающегося поля возбуждения [1].
С выхода обмотки статора основного генератора, как это показано на фигуре 1, выходная ЭДС подается на вход трехфазного выпрямителя, и на вход системы управления - которая содержит в своем составе блок питания, на ее входе. Трехфазный выпрямитель осуществляет выпрямление трех фаз, с его выхода постоянное напряжение подключено ко входу трехфазного автономного инвертора, осуществляющего инвертирование напряжения в трехфазное выходное переменной частоты. Выход системы управления подключен к соответствующему входу трехфазного автономного инвертора и управляет частотой его выходного напряжения.
Основной трехфазного автономного инвертора является трехфазный мост с полупроводниковыми ключами (транзисторами), хорошо известный из уровня техники [3]. Промышленностью выпускаются как транзисторы, так и сборки с шестью транзисторами, образующими трехфазный мост. Кроме того, выпускаются и другие компоненты: промышленные системы управления, в которых есть встроенные входы и выходы, обеспечивающие построение системы управления любым промышленным устройством - в том числе, такие блоки имеют аналого-цифровые входы и встроенные блоки питания. Следовательно, описанная система выпрямитель-инвертора-система управления может быть реализована как в виде специально разработанной, так и выбранной из числа уже выпускаемых промышленностью.
Система управления обеспечивает обратную связь по частоте ЭДС на выходе обмотки статора основного генератора, обеспечивая поддержание ее стабильности при колебаниях скорости вращения ротора. Это обеспечивает возможность питания ответственной промышленной нагрузки от генератора предлагаемой конструкции в разного рода ветрогенераторных установках и валогенераторах судов - где возможны существенные отклонения скорости вращения приводного вала. Кроме того, это дает возможность работы на сеть электропитания, содержащую другие источники (генераторы) переменного тока промышленной частоты. Также это исключает двойное преобразование (по типу выпрямление-инвертирование) в основной силовой цепи.
Последнее упомянутое выше следует обговорить особо. В генераторах, имеющих привод от нестабильных механических движителей, и имеющих в своей основе синхронную электрическую машину обычной конструкции, есть прямая зависимость скорости вращения и частоты на выходе, таким образом, в ветрогенераторах и валогенераторах, будут значительные броски и провалы частоты выходного напряжения при отклонении вращения от номинальной скорости. Поэтому в них всегда применяют преобразование параметров электроэнергии - выпрямление и инвертирование, для получения стабильной частоты выходного напряжения. Такое преобразование будет иметь номинальную мощность всей установки - если ветрогенератор имеет номинальную мощность 1 МВт, то и инвертор должен иметь такую мощность на выходе. Это ведет не только к потерям на преобразование, но и требует больших габаритов выпрямителя и инвертора, а также их охлаждения. Для предлагаемого решения не требуется преобразовывать выходное напряжение, что исключает преобразование частоты на выходе и исключает связанные с этим потери и нагрев. Используемый инвертор и выпрямитель будут иметь сниженные габариты и меньшую мощность, по отношению к мощности всей установки в целом - поскольку используются для регулирования частоты питания обмотки возбуждения возбудителя, расположенной на его статоре. Это означает значительно меньшую мощность, требуемую от инвертора, и соответственно - потери мощности, зависящие от степени компенсации колебаний частоты вращения вала. Чем меньше будет отклонение скорости механического вращения вала ротора, тем меньше нужна будет мощность от инвертора, питающего возбуждение. В случае равенства скорости вращения номинальной, практически вся энергия на выходе предлагаемого генератора будет вырабатываться за счет преобразования механического вращения вала ротора в электрическую энергию. При увеличении отклонения скорости вала ротора от номинальной, будет требоваться большая “трансформаторная” мощность, потребляемая от возбудителя. В целом, это вопрос рационального проектирования с учетом реальных условий работы генератора.
На фигуре 2 показано продольное сечение предлагаемого решения, где видно его устройство. Два генератора, входящих в состав предлагаемого решения объединены общим валом, и расположены в общем корпусе, а также имеют одинаковое устройство обмоток - и ротор, и статор имеют трехфазные обмотки. Блоками на рисунке показано расположение на корпусе в коробке выводов блоков инвертора, выпрямителя, и инвертора. Их мощность может быть достаточно небольшой, в зависимости от мощности всего генератора и диапазона регулирования по частоте. Также на фигуре 2 показано сечение обмоток, расположенных на магнитопроводе статора и на роторе генераторов и выполненных трехфазными. В общем случае, ротор и статор предлагаемого решения могут иметь одинаковое число пазов/зубцов статора и ротора.
На фигуре 3 показано поперечное сечение возбудителя, где видны пазы на роторе и статоре генератора, в которых расположены катушки трехфазных обмоток статора и ротора.
На фигуре 4 показано поперечное сечение основного генератора, где видны пазы на роторе и статоре генератора, в которых расположены катушки трехфазных обмоток статора и ротора.
На фигуре 5 показана принципиальная схема предлагаемого решения, где схематично показаны блоки систем управления, инвертора, выпрямителя и трехфазные обмотки ротора и статора возбудителя и основного генератора. Из схемы видно, что выход возбудителя подключен к трехфазной обмотке ротора основного генератора, которая создает вращающееся относительно линии вала магнитное поле. Поле возбуждение будет складываться или вычитаться от скорости вращения вала (и роторов, соответственно) и таким образом, можно регулировать наведенную в статоре основного генератора ЭДС по частоте - как в большую, так и меньшую скорости. Если чередование фаз питания обмотки возбуждения на роторе основного генератора будет иметь обратный порядок - поле возбуждения будет вращаться в обратную к направлению вращения вала роторов сторону, и замедляться в суммарной частоте возбуждения.
Если поле возбуждения будет вращаться согласно с направлением вала и ротора генератора, произойдет суммирование частот, и на трехфазной обмотке статора основного генератора наведется более высокая ЭДС.
Таким образом можно как компенсировать большие колебания, так и повысить точность слабых отклонений частоты. Использование системы управления и автономного инвертора обеспечивает гибкость регулирования по частоте, которая может достигать высокой точности.
Предлагаемое решение не имеет щеток и контактных колец, то есть не требует периодического обслуживания в процессе эксплуатации,  а ШИМ модуляция в автономном инверторе может обеспечивать стабилизацию не только по частоте, но и по уровню напряжения путем регулирования уровня действующего значения переменного напряжения на выходе и изменения уровня тока в обмотке возбуждения ротора основного генератора по цепочке: инвертор->обмотка возбуждения на статоре возбудителя->выходная обмотка на роторе возбудителя-> обмотка возбуждения основного генератора (ротор). Такой генератор будет обеспечивать длительную эксплуатацию без работ по замене щеток, и допускает оперативную замену элементов, поскольку они расположены на корпусе генератора. Блоки выпрямителя, инвертора, а также системы управления могут располагаться как внутри коробки выводов на корпусе генератора, так и в собственных корпусах снаружи - это не входит в объем отличительной части предлагаемого решения.
Все использованные в предлагаемом решении элементы выпускаются в промышленных масштабах с широкой номенклатурой - система управления, инвертор (на основе трехфазного транзисторного моста), выпрямитель, и могут быть реализованы по новому проекту или выбраны из существующих. В процессе работы предлагаемого решения, система управления не только получает питание от обмотки статора основного генератора, но и получает от его фаз информацию о частоте выходного напряжения. Это необходимо для получения обратной связи по частоте - однако, не требует дополнительных мер, поскольку реализуется программным обеспечением.
При отклонении частоты на выходе основного генератора, система управления осуществляет коррекцию по частоте на выходе трехфазного инвертора, которым она управляет. Снижению частоты основного генератора будет соответствовать повышение частоты на выходе инвертора.
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 из генераторов является возбудителем и выполняется обращенным, а его выход подключен к обмотке ротора основного генератора;
- обмотки статора и ротора возбудителя и основного генератора выполняются трехфазными;
- выход обмотки статора основного генератора подключен к входу трехфазного выпрямителя, а его выход подключен к входу трехфазного автономного инвертора;
- трехфазный автономный инвертор получает импульсы от выхода системы управления, вход которой подключен к выходу обмотки статора основного генератора, система управления содержит блок питания на ее входе;
- блоки управления, трехфазного выпрямителя и автономного инвертора располагаются на корпусе генератора;
- порядок чередования фаз возбуждения основного генератора совпадает с направлением вращения вала.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - стабилизации частоты и выходного напряжения при колебаниях скорости.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена функциональная блок-схема предлагаемого решения. Здесь 1 - обмотка ротора возбудителя, 2 - обмотка ротора основного генератора, 3 - обмотка статора возбудителя, 4 - обмотка статора основного генератора, 5 - трехфазный выпрямитель, 6 - трехфазный автономный инвертор, 7 - система управления. На фигуре 2 изображено продольное сечение предлагаемого решения. Здесь 1 - обмотка ротора возбудителя, 2 - обмотка ротора основного генератора, 3 - обмотка статора возбудителя, 4 - обмотка статора основного генератора, 5 - трехфазный выпрямитель, 6 - трехфазный автономный инвертор, 7 - система управления, 8 - магнитопровод статора, 9 - корпус. На фигуре 3 изображено поперечное сечение возбудителя. На фигуре 4 изображено поперечное сечение основного генератора. На фигуре 5 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.
3. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.