ГЕНЕРАТОРНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2005 года по МПК H02J9/06 H02P9/00 

Изобретение относится к электромашиностроению и энергетике и может быть использовано в различных областях народного хозяйства как отдельное, самостоятельное устройство, генерирующее электрическую энергию.

Известна генераторная установка, содержащая электрический приводной двигатель, подключенный к энергосистеме А, и электрический генератор, выход которого подключен к энергосистеме В, а его вал и вал двигателя соединены друг с другом с помощью муфты (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1644314, МПК Н 02 К 47/00, публикация 23.04.1991 г.).

Недостатком известной генераторной установки является то, что она для генерирования электрической энергии требует постоянного использования внешнего источника электрической энергии, подключенного в энергосистему А, что снижает коэффициент полезного действия (КПД).

Известна генераторная установка, содержащая запитанный от внешнего источника электрической энергии приводной двигатель, вал вращения которого жестко соединен с валом вращения генератора, работающего на нагрузку (потребитель) (см. книгу “Электротехника”, под ред. С.Пантюхина, М-Л., Госэнергоиздат, 1960 г., с.485).

Недостатком этой известной генераторной установки является низкий коэффициент полезного действия (КПД), поскольку она только преобразует электрическую энергию в механическую и затем снова в электрическую, а излишки этой энергии в дальнейшем не используются для повышения КПД.

Известна генераторная установка, содержащая запитанный через переключатель от внешнего источника электрической энергии приводной двигатель, вал вращения которого соединен с валом вращения генератора, работающего на нагрузку (потребитель), дополнительный двигатель, вал вращения которого соединен с валом вращения генератора, конвертор и диод, причем переключатель обеспечивает отключение внешнего источника энергии (см. описание изобретения к патенту РФ №2109389, МПК Н 02 К 7/02, 51/00, Н 02 Р 9/02, публикация 20.04.1998 г.).

Недостатком известной генераторной установки, по сравнению с предлагаемым, является то, что установка работает с использованием внешнего источника электрической энергии.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание принципиально нового типа генераторных агрегатов переменного тока, работающих без использования в процессе работы каких-либо постоянно действующих внешних источников электрической энергии, а работающих только за счет энергии, вырабатываемой генераторами этих агрегатов.

Создание такого генераторного агрегата возможно только при условии, когда в агрегат вводится от генератора дополнительная автоматическая замкнутая система (цепь) управления (в дальнейшем АЗСУ) с обратной связью, которая одновременно выполняет и вторую свою основную функцию - является стабилизированным источником питания (энергии) для приводного электродвигателя и обмотки возбуждения самого генератора и представляет собой один из основных типов систем автоматического управления с обратной связью, в которых управляющие воздействия, через цепи АЗСУ (контуры передачи воздействия), вырабатываются в функции отклонения значения управляемой величины от требуемого закона ее изменения.

Единственной возможностью, при которой выполняется данное условие, является введение в типовой промышленный генератор переменного тока дополнительной трехфазной “приводной” обмотки, которая, являясь начальным элементом системы из трех цепей АЗСУ обратной связи, одновременно выполняет и свою вторую основную функцию стабилизированного источника питания.

Сущность изобретения заключается в том, что генераторный агрегат состоит из синхронного (асинхронного) генератора переменного тока, приводного электрического двигателя, переключателя режима работы (блока-коммутатора), трех стабилизаторов переменного напряжения, трех электронных регуляторов напряжения, трех выпрямительных блоков, двух конденсаторов (ионисторов) и четырехконтактного выключателя. К генераторному агрегату через выключатели и реостаты подключаются нагрузки (потребители) и, через выключатель, внешний источник электрической энергии (аккумулятор или электросеть).

Кроме того, “приводная” обмотка рассчитывается (в зависимости от типа промышленного генератора и используемого приводного электродвигателя) из достаточности величины тока (напряжения) для работы приводного электродвигателя в режиме, определенном его “паспортными” данными, плюс величина тока, используемого на подзарядку аккумулятора, питание обмотки возбуждения и компенсацию потерь (электромагнитное сопротивление, трение, потери в стабилизаторе, выпрямительном блоке и пр.). Тип “приводной” обмотки выбирается с учетом технико-экономических требований.

Кроме того, в генераторе переменного тока “приводная” трехфазная обмотка размещена в пазах статора.

Кроме того, в агрегат введен приводной электродвигатель постоянного тока с последовательным или параллельным возбуждением, который устанавливается в едином корпусе с генератором или жестко крепится по оси генератора на общем с ним основании. Передача вращательного движения с вала двигателя на вал генератора осуществляется через механический привод, выполненный с учетом установки приводного электродвигателя по отношению к генератору, а также с учетом скоростей и направления вращения роторов генератора и приводного электродвигателя.

Кроме того, в агрегат введен автоматический (электромагнитный, механический) универсальный (многоконтактный) переключатель режима работы (блок-коммутатор на герконах) для коммутации цепей “Аккумулятор - приводной электродвигатель - обмотка возбуждения” и “Приводная трехфазная обмотка генератора - приводной электродвигатель - обмотка возбуждения и аккумулятор”, имеющий время срабатывания не более 0,1-0,3 секунды.

Кроме того, в агрегат введены три электронных регулятора напряжения, которые поддерживают номинальное напряжение (ток) в обмотке возбуждения, на клеммах приводного двигателя и на аккумуляторе в заданных пределах. Все три регулятора напряжения входят в цепи АЗСУ обратной связи.

Кроме того, в агрегат введены три стабилизатора переменного напряжения для стабилизации напряжения на выходе “приводной” обмотки при подключении к ней нагрузок, а также при подключении нагрузок к “рабочей” обмотке генератора. Являются главными элементами в цепях АЗСУ обратной связи.

Кроме того, в агрегат введены три выпрямительных блока для преобразования переменного тока “приводной” обмотки в постоянный. Все три выпрямительных блока входят в цепи АЗСУ обратной связи.

Кроме того, в агрегат введены два конденсатора (ионистора) большой емкости, которые выполняют функции источников питания кратковременного действия (только в период срабатывания переключателя режима работы) обмотки возбуждения генератора и приводного электродвигателя. При этом первый конденсатор (ионистор) установлен параллельно обмотке возбуждения генератора (между обмоткой и переключателем режима работы), а второй установлен параллельно приводному электродвигателю (между электродвигателем и переключателем режима работы) и емкость этого конденсатора (ионистора) должна быть в среднем в 4-5 раз больше емкости первого конденсатора (ионистора), емкость которого равна 2-3 тысячам микрофарад.

Кроме того, в агрегат введен четырехконтактный выключатель на выходе трехфазной “рабочей” обмотки генератора для уменьшения электромагнитного тормозного момента генератора в момент переключения переключателя режима работы с последующим подключением рабочих нагрузок (потребителей).

Кроме того, внешний источник электрической энергии может быть выполнен в виде аккумулятора или электросети и служит для придания приводному электродвигателю первичного пускового момента и набора валом электродвигателя номинальной (расчетной) скорости вращения, а также для питания обмотки возбуждения и зарядки конденсаторов (ионисторов) - до момента переключения на питание от “приводной” обмотки генератора.

Конструктивные особенности, компановка и способы крепления в генераторном агрегате приводного электродвигателя, переключателя, стабилизаторов, регуляторов напряжения, выпрямительных блоков, конденсаторов (ионисторов) и выключателя зависят от их размеров, конструкции и удобства размещения с учетом механических и проводных (электрических) соединений и технико-экономических требований.

Данные особенности конструкции генераторного агрегата в целом и по составным частям позволяют изготовить новый тип генераторных агрегатов, главным преимуществом которых перед действующими промышленными генераторными установками является то, что данные агрегаты будут работать без постоянного использования внешних источников энергии.

Исходя из сравнения технических характеристик электрических машин переменного и постоянного тока, наиболее целесообразным следует считать разработку генераторных агрегатов переменного тока, в которых будут использоваться синхронные трехфазные генераторы переменного тока и двигатели постоянного тока в качестве приводных, которые, применительно к каждому конкретному типу генераторного агрегата, должны иметь достаточную мощность, чтобы обеспечить вращение ротора генератора на номинальных (расчетных) оборотах при максимальной нагрузке “рабочей” обмотки генератора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема генераторного агрегета переменного тока. Напряжение внешнего источника энергии - 12 В.

Генераторный агрегат 1 состоит: из генератора 2 (2А - “рабочая” обмотка, 2Б - обмотка возбуждения, 2В - “приводная” обмотка), переключателя режима работы 5; электронных регуляторов напряжения 12, 13, 14; выпрямительных блоков 9, 10, 11; стабилизаторов 6, 7, 8; конденсаторов (ионисторов) 15,16; выключателя 17 и приводного электродвигателя 3, вал вращения которого через механический привод 4 соединен с валом вращения генератора 2, “рабочая” обмотка 2А которого через выключатель 17, выключатели 20, 21, 22 и реостаты 23, 24, 25 подключена к нагрузкам (потребителям) 26, 27, 28. В генераторе 2 введена дополнительная трехфазная “приводная” обмотка 2В, которая через стабилизаторы 6, 7, 8, выпрямительные блоки 9, 10, 11 и регуляторы напряжения 12, 13, 14 подключена к переключателю режима работы 5.

Работоспособность генераторного агрегата обеспечивают три цепи АЗСУ обратной связи, являющиеся одновременно и цепями питания обмотки возбуждения 2Б генератора 2 (стабилизатор 6 - выпрямительный блок 9 - регулятор напряжения 12), приводного электродвигателя 3 (стабилизатор 8 - выпрямительный блок 11 - регулятор напряжения 14) и подзарядки аккумулятора 18 (стабилизатор 7 - выпрямительный блок 10 - регулятор напряжения 13), которые начинают выполнять свои функции с момента переключения переключателя режима работы 5 в положение “Генератор” из положения “Аккумулятор”.

В данном, конкретно взятом случае, внешний источник электрической энергии 18 выполнен в виде аккумулятора.

Выпускаемые в настоящее время электромашиностроительными заводами промышленные типы генераторных установок работают, преобразуя механическую энергию, получаемую от приводных двигателей (электродвигатели, ДВС, турбины и т.д.), в электрическую. В свою очередь приводные двигатели также используют какие-то постоянные внешние источники энергии.

Предлагаемый тип генераторного агрегата переменного тока также работает с использованием приводного электродвигателя. Коренное отличие заключается в том, что в этом, новом типе установок, приводной электродвигатель потребляет энергию, вырабатываемую самим генератором (от “приводной” обмотки), а энергия внешнего источника (аккумулятора, электросети) используется только на первичный пусковой момент и набор валом электродвигателя номинальной (расчетной) скорости вращения.

Описание работы генераторного агрегата, изображенного на фиг.1

Внешний источник энергии - аккумулятор 12 В. Номинальное напряжение приводного двигателя - 12 В. Номинальное напряжение на выходе выпрямительных блоков - 12-13 В. Номинальное напряжение на выходе “приводной” обмотки - 21,5 В. Верхний предел срабатывания регуляторов напряжения 12, 13, 14 - 14 В;

Стабилизаторы переменного напряжения с параметрами:

- максимальное входное напряжение - 21,8 В;

- минимальное входное напряжение - 14,6 В;

- стабилизированное выходное напряжение - 18,2 В±2-3%;

- стабилизация выходного напряжения -±2-3%.

При использовании стабилизаторов с нижним пределом входного напряжения в 30-40% от стабилизированного напряжения надежность генераторного агрегата повысится (в случае выхода из строя конденсатора (ионистора) 16 агрегат будет в работоспособном состоянии).

Перед включением генераторного агрегата:

- переключатель режима работы 5 находится в положении “Аккумулятор” ();

- выключатель 17 находится в положении “Выключено”;

- выключатель 19 находится в положении “Выключено”;

- выключатели 20, 21, 22 находятся в положении “Выключено”;

- реостаты 23, 24, 25 находятся в крайнем положении (максимальное сопротивление).

Принцип работы генераторного агрегата следующий:

- переводим выключатель 19 в положение “Включено”;

- ток от аккумулятора 18 через выключатель 19 и переключатель 5 поступает в обмотку возбуждения 2Б генератора 2 и на клеммы в приводного электродвигателя 3. Ротор двигателя 3 начинает вращаться. Конденсаторы (ионисторы) 15, 16 заряжаются до номинальной величины;

- через механический привод 4 вращательный момент с вала приводного двигателя 3 передается на вал генератора 2. В “рабочей” обмотке 2А и “приводной” обмотке 2В генератора 2 начинает индуцироваться ЭДС, резко, по мере увеличения скорости вращения ротора генератора 2, увеличивая свою величину;

- через 2-4 секунды после включения аккумулятора 18 вал приводного двигателя 3 и, соответственно, вал генератора 2 наберут номинальные (расчетные) обороты, т.е. ЭДС в “рабочей” обмотке 2А и в “приводной” обмотке 2В достигнут своей номинальной (расчетной) величины;

- по истечении этого времени переключатель 5 переводится в положение “Генератор” ().

С момента разрыва между подвижными и неподвижными контактами “А” переключателя режима работы 5 начинают выполнять свои функции источников питания кратковременного действия конденсаторы (ионисторы) 15, 16, получившие заряд большой (несколько тысяч микрофарад) емкости за время, когда был подключен аккумулятор.

Учитывая, что время срабатывания переключателя 5 (время, в течение которого происходит движение подвижных контактов переключателя 5 между неподвижными контактами “А” и “Г”) составляет 0,1-0,3 секунды, заряда конденсаторов (ионисторов) 15, 16 достаточно для поддержания номинального напряжения (тока) на обмотке возбуждения 2Б генератора 2 и на приводном электродвигателе 3, что означает, что:

- скорость вращения роторов приводного электродвигателя 3 и генератора 2 за время срабатывания переключателя 5 останется почти неизменной от номинальной (расчетной - например, порядка 3000 об/мин);

- ЭДС в “рабочей” обмотке 2А и в “приводной” обмотке 2В генератора 2 сохранят свою номинальную величину или уменьшится на незначительную величину от номинальной, которую легко компенсируют стабилизаторы напряжения 6, 7, 8;

- на выходе стабилизаторов напряжения 6, 7, 8 будет стабилизированное напряжение 18,2 В±2-3%.

- В момент соприкосновения подвижных и неподвижных контактов “Г” переключателя 5 все три цепи АЗСУ обратной связи запитываются стабилизированным напряжением питающей “приводной” обмотки 2В генератора 2.

Стабилизированное напряжение (ток) в 18,2 В на выходе стабилизаторов 6, 7, 8 выпрямляется в выпрямительных блоках 9, 10, 11 (номинальное напряжение на выходе блоков 12-13 В) и питает через регуляторы напряжения 12, 13, 14, которые поддерживают верхний предел напряжения не более 14 В, обмотку возбуждения 2Б генератора 2, в малой степени аккумулятор 18 и приводной двигатель 3, который, получая достаточное напряжение (ток), набирает номинальную скорость вращения ротора, соответственно раскручивая ротор генератора 2 также до номинальных оборотов. Заряжаются до номинальных величин конденсаторы (ионисторы) 15, 16.

Если 12 В (с учетом потребляемого тока), подаваемых с аккумулятора 18, достаточно чтобы раскрутить электродвигатель 3 и генератор 2 до номинальных оборотов несмотря на все, имеющие место, виды потерь, то почему может быть недостаточно тех же 12 В (у той же величины тока), подаваемых с “приводной” обмотки 2В генератора 2 для работы генераторного агрегата и преодоления тех же самых видов потерь?

- генераторный агрегат 1 приходит в стабильное состояние “холостого хода” и работает за счет энергии, вырабатываемой собственным генератором 2, т.е. на выходе “приводной” обмотки 2В генератора 2 устанавливается номинальное напряжение 21,5 В, на выходе стабилизаторов 6, 7, 8 устанавливается стабилизированное напряжение 18,2 В±2-3%, на выходе выпрямительных блоков 9, 10, 11 устанавливается номинальное напряжение 12-13 В±2-3%, регуляторы напряжения 12, 13, 14 поддерживают напряжение не выше 14 В, аккумулятор 18 подзаряжается, в обмотке возбуждения 2Б генератора 2 и на клеммах приводного двигателя 3 номинальное напряжение;

- для подключения нагрузок “рабочей” обмотки 2А генератора 2 необходимо:

- выключатель 17 перевести в положение “Включено”;

- исходя из необходимости перевести выключатели 20, 21, 22 в положение “Включено”;

- реостатами 23, 24, 25 регулировать мощности нагрузок 26, 27, 28.

Изменение общей величины нагрузки генераторного агрегата 1 будет отражаться на скорости вращения ротора генератора 2 и соответственно на роторе приводного электродвигателя 3, но с учетом времени срабатывания стабилизаторов 6, 7, 8 (в пределах 5-10 миллисекунд) колебания скорости вращения будут почти не ощутимы.

Генераторный агрегат 1 будет работать до тех пор, пока не будет выключен или пока что-то в нем не выйдет из строя.

Выключение генераторного агрегата.

- Реостаты 23, 24, 25 перевести в крайнее положение (максимальное сопротивление);

- Выключатели 20, 21, 22 перевести в положение “Выключено”;

- Выключателиь 17 перевести в положение “Выключено”;

- Выключатель 19 перевести в положение “Выключено”;

- Переключатель 5 перевести в положение “Аккумулятор”;

- Разрядниками (на схеме не показаны) разрядить конденсаторы (ионисторы) 15, 16.

Применение генераторных агрегатов данного типа может быть повсеместным, они могут применяться для любых промышленно-бытовых целей, т.к. они относительно дешевы и безопасны в эксплуатации, имеют высокий КПД и широкий диапазон мощности, не требуют внешних постоянно действующих источников энергии и могут неопределенно длительное время работать без остановки в любых климатических поясах.

Представленный генераторный агрегат имеет законченный, рабочий, промышленно применимый, соответствующий уровню новизны и изобретательскому уровню вид.

Возможны множественные модернизации и модификация.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных областях народного хозяйства как самостоятельное устройство, генерирующее электрическую энергию. Техническим результатом является создание генераторных агрегатов переменного тока, работающих без использования в процессе работы постоянно действующих внешних источников электрической энергии. Генераторный агрегат содержит генератор, переключатель режима работы, три стабилизатора, три выпрямительных блока, три электронных регулятора напряжения, два конденсатора (ионистора), выключатель и приводной электродвигатель, вал вращения которого через механический привод соединен с валом вращения генератора. В генераторном агрегате установлена дополнительная “приводная” обмотка, которая через стабилизаторы, выпрямительные блоки, регуляторы напряжения подключена к переключателю режима работы, питает приводной электродвигатель и обмотку возбуждения генератора и подзаряжает внешний источник энергии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генераторный агрегат, состоящий из генератора переменного тока, рабочая обмотка которого через выключатель подключена к нагрузке, а вал вращения через механический привод соединен с валом вращения приводного электродвигателя постоянного тока, выключателя, конденсаторов, которые выполняют функции кратковременных источников питания обмотки возбуждения генератора и приводного электродвигателя постоянного тока в период срабатывания переключателя режима работы, при этом первый конденсатор установлен параллельно обмотке возбуждения генератора между обмоткой возбуждения генератора и переключателем режима работы, второй конденсатор - параллельно приводному электродвигателю постоянного тока между ним и переключателем режима работы, внешнего источника электрической энергии для питания обмотки возбуждения и зарядки конденсаторов и обеспечения приводному электродвигателю постоянного тока первичного пускового момента и набора его валом номинальной скорости вращения, в генератор введена дополнительная приводная трехфазная обмотка, которая через стабилизаторы, выпрямительные блоки и регуляторы напряжения подключена к переключателю режима работы, образуя три цепи обратной связи, которые выполняют свои функции в моменты переключения переключателя режима работы в положение “генератор” из положения “аккумулятор”, переводом выключателя в положение “включено” ток от внешнего источника электрической энергии через выключатель и переключатель режима работы поступает в обмотку возбуждения генератора и на клеммы приводного электродвигателя постоянного тока.2. Генераторный агрегат по п.1, отличающийся тем, что в генераторе переменного тока приводная обмотка размещена в пазах статора вместе с рабочей обмоткой без сдвига по отношению к ней по фазе.