ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 1999 года по МПК H02K47/20 H02K1/24 H02K19/10 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к получению и преобразованию электрической энергии, и может быть использовано при создании стационарных или мобильных источников электрической энергии, не нуждающихся в подводе посторонней энергии любых видов.

Известно устройство, содержащее электрический генератор и приводной электрический двигатель [1,2], которое (по мнению его авторов) способно поддерживать вращение ротора генератора и одновременно отдавать некоторую электрическую мощность внешним потребителям. Недостатком устройства является то, что предложенное применение обычного электромеханического оборудования не позволяет достичь общего КПД устройства, большего единицы, что делает невозможным даже непрерывное поддержание вращения ротора генератора. Кроме того, авторами не даны теоретические обоснования реальности получения КПД > 1 по электрическим мощностям. Нижеследующее описание делает попытку преодолеть отмеченные недостатки.

Целью заявляемого изобретения является достижение многократного повышения общего КПД устройства. Это позволит лишь малую долю электрической мощности, вырабатываемой генератором, использовать для непрерывного поддержания вращения ротора генератора, так что остающаяся электрическая мощность может быть использована для питания внешних потребителей электрической энергии.

Электромашинный умножитель электрической мощности представляет собой двигатель - генераторный агрегат. Генератор, вырабатывающий трехфазный ток промышленной частоты, имеет вал, являющийся продолжением вала приводной синхронной электрической машины. Приводная синхронная машина имеет несколько роторов на своем валу и соответствующее число статоров, подробно устройству [3] . Каждая пара статор-ротор образует синхронный реактивный двигатель с трехфазным питанием трех обмоток статора и массивным магнитопроводящим ротором с явно выраженными двумя полюсами (см. например, [4]. Обмотки всех статоров каждой фазы соединены согласно последовательно. При питании приводной синхронной машины трехфазным током промышленной частоты скорость вращения вала электромашинного умножителя электрической мощности равна n=3000 об. /мин. Для уменьшения аэродинамических потерь при вращении роторов синхронной машины им придана цилиндрическая (вдоль вала) форма за счет воздушных из диэлектрического материала подобно устройству [5].

Использование магнитопроводящего (но не магнитоактивного) ротора с явно выраженными полюсами обеспечивает его увеличение вращающимся магнитным полем статора и позволяет избежать воздействия магнитных потоков ротора на первичные магнитные потоки статора. Можно напомнить, что работа асинхронных двигателей (а также трансформаторов) основана, наоборот, на образовании вторичных магнитных потоков и их воздействии на первичные магнитные потоки. Подобные явления должны быть исключены, чтобы выполнить зависимости, представленные в нижеследующем тексте. Этой же цели служит выполнение воздушных обтекателей ротора из диэлектрика, т.к. это препятствует возможному образованию короткозамкнутого витка на роторе и появлению вторичного магнитного потока ротора.

По мнению автора предлагаемого изобретения общепринятая формула для величины работы А силы F (F=F•L, где L-перемещение) является наиболее распространенным в технике частным случаем более общего физического закона: A= F•t, где t - время. Доказательства этого могут быть предоставлены авторам по требованию. Новые энергетические соотношения существенно изменяют трактовку многих явлений природы. В частности, применительно к электротехнике должно быть отмечено следующее.

Для электромагнита с якорем и малым воздушным зазором между ними общепринято, что подъемная сила F электромагнита пропорциональна произведениям:
F ~ B² • S ~ 1²• S,
где B - индукция магнитного поля, пропорциональная току I в обмотке электромагнита;
S - площадь наконечника электромагнита.

Из новых энергетических соотношений вытекает иная зависимость:
F ~ B • S = Ф ~ I • S,
где Ф - магнитный поток.

Экспериментальные исследования, проведенные автором предлагаемого изобретения, подтвердили правильность зависимости (2) при питании обмотки электромагнита как постоянным, так и переменным током. Дополнительные сведения могут быть предоставлены автором по требованию.

Действие синхронного реактивного трехфазного двигателя с массивным магнитопроводящим ротором с явно выраженными двумя полюсами в квазистатике совпадает с удержанием электромагнитом якоря посредством действия силы F. В таком синхронном двигателе будет выполняться зависимость (2), которую можно переписать так:
I • S ~ F ~ M,
где M - крутящий может на валу двигателя.

На фиг. 1 изображена схема подвода питания к обмотке статора одной из фаз единичного синхронного двигателя 1; на фиг. 2 - то же для двух синхронных двигателей 2 и 3 с общим валом и последовательным соединением обмоток статоров. Источник питания двигателей поддерживает постоянное действующее значение напряжений U_o.

При работе двигателя 1 на нагрузку с моментом M_o наблюдается квазистатическое относительное смещение d_o полюсов статора и ротора, чему соответствует определенное комплексное электрическое сопротивление обмоток статора двигателя. Пусть это сопротивление таково, что через каждую из обмоток статора двигателя 1 течет ток I_o. Т.е. обмотка статора любой фазы двигателя потребляет из сети электрическую мощность P_o = U_o • I_o, см. фиг. 1.

Известно, что увеличение момента сопротивления на валу двигателя 1 по сравнению с M_o приводит к увеличению смещения (d > d_o) и, наоборот, причем одновременно изменяются магнитно-электрические характеристики двигателя. С другой стороны, заданное смещение полюсов d_o может наблюдаться при другом значении момента сопротивления (M' < M_o) в случае, когда электромагнитные силы в двигателе создают крутящий момент, равный M'.

Выясним связь величины M' с магнитно-электрическими характеристиками двигателя 1 при постоянном значении d_o. Из постоянства d_o следует неизменность в квазистатике магнитной цепи двигателя и, соответственно, постоянство комплексного электрического сопротивления каждой обмотки статора двигателя 1. При питании обмотки напряжением U' =U_o/2 по обмотке будет течь ток I'= I_o/2. Т. е. обмотка статора любой фазы двигателя 1 будет потреблять из сети мощность P'=U'•I'=0,5 U_o• 0,5 I_o=P_o/4.

Для неизменной магнитной цепи двигателя 1 справедлива зависимость (3), из которой следует:
I_o • S_o ~ M_o,
I' • S_o ~ M'
0,5 I_o•S_o ~ 0,5 M_o= M'.

Т.е. уменьшение тока в обмотке статора в 2 раза приводит к уменьшению во столько же раз (в 2 раза) крутящего момента на валу двигателя и сопровождается квадратичным ( 2²= 4 раза) уменьшением потребляемой электрической мощности.

Нетрудно видеть, что отдельно для двигателя 2 и отдельно для двигателя 3 (см. фиг. 2) справедливо все сказанное относительно двигателя 1, питаемого половинным напряжением при сохранении величины полюсов d_o. В сумме на общем валу синхронных двигателей 2 и 3 развивается крутящий момент M_o, такой же, как на валу синхронного двигателя 1, но потребляемая ими электрическая мощность в 2 раза меньше мощности, потребляемой синхронным двигателем 1. Увеличение числа синхронных двигателей на фиг. 2 с двух до N позволяет в N раз уменьшить потребляемую мощность при сохранении нужного крутящего момента на общем валу. Таким образом, нужная механическая работа может совершаться с минимальными затратами электрической мощности первичного источника.

Подготовка электромашинного умножителя электрической мощности к работе производится следующим образом. На первом этапе создается один синхронный двигатель с магнитопроводящим ротором с максимально возможным КПД (например, k_д= 0,9). Вал синхронного двигателя соединяться с валом электрического генератора такой же номинальной мощности, что и синхронный двигатель. При КПД генератора K_г= 0,9 общий КПД устройства будет равен: k=k_д • k_г=0,8. Это означает, например, что при потребляемой двигателем мощности 100 кВт он развивает некоторый крутящий момент M_o, и генератор отдает в нагрузку не более 80 кВт, а 20 кВт составляют главным образом потери при преобразовании электрической энергии в механическую и обратно.

На втором этапе к первому синхронному двигателю подключается точно такой же второй синхронный двигатель, см. фиг. 2. Общий вал двигателей будет передавать крутящий момент M_o, необходимый для выработки генератором электрической мощности 80 кВт. При этом, как было показано ранее, суммарное потребление электрической мощности двигателями составит: 10 кВт/2 = 50 кВт. Т. е. электромашинный умножитель электрической мощности отдает в нагрузку на 30 кВт электрической мощности больше, чем потребляет из сети, и имеет КПД: k = 80 кВт/50 кВт = 1,6.

На третьем этапе продолжается наращивание числа N синхронных двигателей. Например, при N=5 приводная синхронная машина будет потреблять: 100 кВт/5 = 20 кВт, а общий КПД устройства составит
k=80 кВт/20 кВт / 4.

Однако, по ряду причин величину ( 100 кВт/N) не удастся уменьшать беспредельно с целью увеличения КПД электромашинного умножителя электрической мощности. Поэтому наряду с учетом массо-габаритных показателей может быть определено оптимальное число N синхронных двигателей. В качестве примера остановимся на оптимальном числе N=5.

Работа электромашинного умножителя электрической мощности наиболее четко проявляется именно в режиме подвода к приводной синхронной машине некоторой электрической мощности от постороннего источника (сети трехфазного тока). При этом на выходе устройства наблюдается значительно большая электрическая мощность, потребляемая внешней нагрузкой. В режиме подвода электрической мощности от сети к устройству оно многократно умножает эту мощность, что отражено в названии изобретения. Указанное применение электромашинного умножителя электрической мощности характеризуется простотой анализа подводимой и отдаваемой мощностей, т.е. простотой определения общего КПД данного устройства.

Пример использования электромашинного умножителя электрической мощности. Высокий КПД умножителя позволяет создать самоподдерживаемый автономный источник электрической энергии. Для этого остаточно оснастить умножитель выходным оборудованием управления, которое должно часть вырабатываемой генератором электрической мощности направлять на питание приводной синхронной машины (в рассматриваемом примере с учетом потерь в схемах управления эта мощность может составить 25 кВт). Остальная часть электрической мощности:
80 кВт = 25 кВт - 55 кВт
направляется оборудованием управления для использования внешними потребителями электрической энергии.

Применяемые в умножителе синхронные двигатели при запуске после подачи на их обмотки трехфазного напряжения не могут сами увеличивать число оборотов до n=3000 об./мин. Поэтому во время запуска вал умножителя должен разгоняться до этой частоты вращения отдельным пусковым двигателем любого типа. Кроме того, пусковой двигатель вводит в действие генератор умножителя. Вырабатываемая генератором электрическая энергия посредством оборудования управления подается на приводную синхронную машину умножителя. По окончании процесса запуска умножителя пусковой двигатель удаляется. Дальнейшая непрерывная работа автономного источника электрической энергии при меняющейся нагрузке потребителей обеспечивается выходным оборудованием управления.

Автономные источники электрической энергии на базе электромашинного умножителя электрической мощности могут использоваться на стационарных электростанциях большой мощности и на крупных транспортных средствах в качестве неисчерпаемого, экологически чистого и недорогого источника энергии, не зависящего от основных природных факторов среды обитания человека.

Изобретение относится к электротехнике и представляет собой электротехническое устройство, которое может быть использовано в качестве главного элемента в автономных источниках электрической энергии, поскольку в нем достигается КПД, превышающий в несколько раз значение данного параметра, известных устройств. Предлагаемый умножитель электрической мощности содержит электрический генератор и приводную синхронную электрическую машину, состоящую из нескольких трехфазных синхронных двигателей с фазными обмотками статоров. Ротор каждого трехфазного синхронного двигателя представляет собой массивный магнитопровод с явно выраженными полюсами. Обмотки статоров всех синхронных двигателей для каждой фазы соединены последовательно. Благодаря такой конструкции приводная синхронная машина потребляет электрической мощности в несколько раз меньше, чем единичный электрический двигатель, а крутящий момент на валу данной синхронной машины не уменьшается по сравнению с единичным двигателем. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электромашинный умножитель электрической мощности, содержащий электрический генератор и приводную синхронную электрическую машину, отличающийся тем, что приводная синхронная электрическая машина состоит из нескольких трехфазных синхронных двигателей на общем валу, обмотки статоров которых для каждой фазы соединены последовательно, а ротор каждого синхронного двигателя представляет собой массивный магнитопровод с явно выраженными полюсами. 2. Умножитель по п. 1, отличающийся тем, что явно выраженные полюса магнитопровода каждого ротора снабжены воздушными обтекателями из диэлектрического материала, придающими ротору цилиндрическую форму.