ВРАЩАЮЩИЙСЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С УЗЛОМ ШИННОГО КАНАЛА Российский патент 2007 года по МПК H02K13/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение касается вращающегося преобразователя большой мощности, имеющего узел шинного канала, установленный внутри вращающегося вала преобразователя.

Предыдущий уровень техники

Вращающийся преобразователь большой мощности может использоваться для преобразования электрической мощности от одной энергосистемы, работающей при одной частоте, во вторую энергосистему, работающую при второй частоте. Патент США 5953225, выданный Ларсену 14 сентября 1999, описывает вращающийся преобразователь, включающий в себя систему восстановления (возврата) мощности, служащую для возврата и направления в получающую энергосистему перепада мощности, соответствующего механической мощности, направленной к вращающемуся валу вращающегося преобразователя.

Другое подобное устройство вращающегося преобразователя описано в патенте Канады № 2351895, выданном 30 декабря 2001 Мартину и Рендеру. Это устройство вращающегося преобразователя использует три фазы изолированного шинного канала, проходящего через центр вращающегося вала для соединения ротора вращающегося преобразователя с одной из двух упомянутых энергосистем, между которыми вращающийся преобразователь осуществляет преобразование электрической мощности от одной системы через статор к другой системе, работающей при несколько отличающейся частоте. Узел вала имеет первую верхнюю секцию или часть вала, содержащую радиальные отверстия вверху и внизу этого узла, через которые под углом 120 градусов друг к другу проходят концы выводов шинного канала. Выводы шинного канала проходят через выходные отверстия в верхней секции вала для соединения с коллекторными (токосъемными) кольцами, таким образом соединяя этот шинный канал с первой энергосистемой. Внизу упомянутой верхней секции вала расположены подобные выходные отверстия, через которые проходят нижние выводы шинного канала, соединяющиеся с обмоткой ротора вращающегося преобразователя. Оба набора выходных отверстий находятся в пределах первой верхней секции вала. Под первой верхней секцией вала расположена вторая нижняя секция вала. Обе секции вала соединены вместе посредством соединительного фланца. Ротор вращающегося преобразователя закреплен на нижней секции вала.

Система возврата мощности включает в себя приводной электродвигатель, соединенный с верхней секцией вала между двумя наборами выводов шинного канала. Для возврата мощности крутящий момент двигателя приложен к верхней части вала.

В то время как использование шинного канала, проходящего через верхнюю секцию вращающегося вала, имеет преимущества, связанные с магнитным экранированием, сопутствующим нагревом вала и предупреждением дугообразования, должно быть понятно, что такой узел шинного канала полностью расположен в пределах верхней секции вала между коллекторным кольцом и обмотками верхней части ротора. В результате полный расчетный крутящий момент приводного электродвигателя приложен к части первой верхней секции вала между двумя наборами радиально расположенных выходных отверстий шинного канала, прорубленных в стенке вала. Соединение приводного электродвигателя с валом расположено очень близко к нижнему набору выходных отверстий. Кроме того, этот нижний набор выходных отверстий расположен радиально в одной плоскости. Также должно быть понятно, что при применении большой мощности требуется диаметр шинного канала порядка 15 дюймов на каждую фазу, а диаметр вала должен быть приблизительно 54 дюйма. Это оставляет в стенке вала, в которой прорублены выходные отверстия, недостаточно материала для безопасной передачи крутящего момента от приводного электродвигателя к ротору вращающегося преобразователя. Эти отверстия создают огромную концентрацию напряжений в вале, на который приложен крутящий момент приводного электродвигателя, который должен быть скомпенсирован применением очень дорогих и экзотических сталей. Требуется стальной вал, имеющий относительно большую толщину для противостояния концентрации напряжений в вале и обеспечения прочности, необходимой для передачи крутящего момента. В некоторых отдельных случаях это может также привести к увеличению толщины стенки вала до 3 дюймов. Приведенные выше изменения верхней секции вала необходимы для корректировки вала, который может быть иначе поврежден, ослаблен или сломан в случае короткого замыкания в приводном электродвигателе или при других условиях короткого замыкания.

Краткое описание изобретения

Данное изобретение касается узла шинного канала для использования во вращающемся преобразователе, который не ослабляет значительно конструкцию вала вблизи от приводного электродвигателя вращающегося преобразователя, и таким образом устраняющего или снижающего потребность в применении экзотических сталей и стенок с относительно увеличенной толщиной.

Данное изобретение касается узла шинного канала, который может быть легко смонтирован внутри вала или любой закрытой конструкции, в которых соосно с ними проходит шинный канал.

Данное изобретение касается вращающегося преобразователя, имеющего вал и узел шинного канала, в котором шинный канал проходит через полый вал вращающегося преобразователя от токосъемных колец, размещенных выше приводного электродвигателя вращающегося преобразователя к концевым обмоткам ротора, размещенных наиболее далеко от приводного электродвигателя. За счет применения нижних выходных отверстий шинного канала, расположенных ниже ротора вращающегося преобразователя, прочность вала вблизи соединения с ним приводного электродвигателя не нарушается выходными отверстиями шинного канала.

Также в пределах области действия данного изобретения находится реализация узла шинного канала, сформированного из двух Г-образных секций, каждый из выводов которых соответственно установлен через соответствующий набор выходных отверстий в соответствующей части вала, причем более длинные стороны Г каждой секции проходят параллельно оси вала и соединены друг с другом. Применение соединяющегося шинного канала упрощает съем верхней секции вала во время проведения обслуживания обмотки возбуждения, потому что узел шинного канала разъединяется. Кроме того, использование внутри вала двух соединенных вместе секций шинного канала упрощает установку каждой секции шинного канала внутри соответствующей ей секции вала. Другое преимущество узла шинного канала согласно изобретению состоит в том, что нет необходимости разъединять гибкие соединения между шинным каналом и обмотками ротора вращающегося преобразователя перед съемом верхнего вала. Вместо этого электрическое соединение между шинным каналом и обмоткой ротора автоматически достигнуто разъединением секций шинного канала. Гибкие соединения и все соединения под ротором вращающегося преобразователя между шинным каналом и ротором могут остаться соединенными, когда снят верхний вал. Это является особенностью, существенно сокращающей время обслуживания обмотки возбуждения.

Предпочтительно муфта соединения валов и разъем шинного канала расположены в непосредственной близости друг от друга по оси вала для обеспечения визуального контроля во время производства и при осмотре на месте.

Один из вариантов данного изобретения касается системы вращающегося преобразователя для передачи мощности между первой энергосистемой и второй энергосистемой. Первая энергосистема работает на первой мощности и при первой частоте, а вторая энергосистема работает при второй частоте. Устройство содержит вращающийся вал, приводной электродвигатель, узел ротора, узел статора, узел контактного кольца и узел шинного канала. Приводной электродвигатель соединен с вращающимся валом для привода вала пропорционально компенсации мощности между первой и второй энергосистемами. Узел ротора имеет ротор, соединенный с вращающимся валом на первой стороне соединения приводного электродвигателя с вращающимся валом. Узел ротора имеет лобовые части обмотки ротора, проходящие по оси от противоположных концов ротора, причем первая лобовая часть обмотки ротора расположена по оси вблизи приводного электродвигателя, а вторая лобовая часть обмотки ротора расположена по оси в отдалении от приводного электродвигателя. Узел статора окружает ротор и имеет обмотки статора, электрически связанные со второй энергосистемой. Узел контактного кольца закреплен на вращающемся валу и электрически соединен с первой энергосистемой. Узел шинного канала установлен внутри вращающегося вала и проходит вдоль него между узлом контактного кольца и вторыми лобовыми частями обмотки ротора, размещенными в отдалении от приводного электродвигателя, для электрического соединения узла контактного кольца со вторыми лобовыми частями обмотки ротора, размещенными в отдалении от приводного электродвигателя.

В предпочтительном варианте данного изобретения система вращающегося преобразователя имеет поворотный вал, содержащий, по меньшей мере, первую и вторую расположенные по оси секции, соединенные вместе для образования вала. Узел контактного кольца соединен с первой секцией вала. Ротор соединен со второй секцией вала. Узел шинного канала включает в себя первую и вторую секции шинного канала, расположенные по оси в основном в пределах первой и второй секций вала. Каждая из первой и второй секций шинного канала соединены друг с другом внутри одной из секций вала.

Предпочтительно одна из первой и второй секций шинного канала выходит наружу из соответствующей ей секции вала в другую секцию вала так, что узел разъема расположен в одной из первой и второй секции вала. Первая и вторая секции шинного канала являются Г-образными секциями, соответствующие первый и второй концевые выводы которых соответственно установлены через соответствующий набор выходных отверстий в соответствующих первой или второй секциях вала. Соединительный фланец валов и соединение шинного канала расположены в непосредственной близости друг от друга по оси.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания сущности и объектов данного изобретения могут быть применены ссылки на сопровождающие схематические чертежи, на которых:

ФИГ. 1 - боковой разрез образца системы вращающегося преобразователя в соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения.

ФИГ. 2 - боковой разрез узла вала вращающейся системы преобразователя по Фиг. 1.

ФИГ. 3 - вид сверху в разрезе вращающейся системы преобразователя по Фиг. 1.

ФИГ. 4A - разрез части системы вращающегося преобразователя по Фиг. 1, показывающий проводник шины, и соответствующий ему трехфазный изолированный шинный канал.

ФИГ. 4B - сечение по линии 4B-4B по Фиг. 4A.

Подробное описание изобретения

Обратимся к Фиг. 1, на которой показан вращающийся преобразователь 20, который включает в себя узел 22 ротора и статор 24. Узел 22 ротора включает в себя сердечник 26 ротора, первую и вторую лобовые части обмоток 12, 14 ротора, контактные кольца или токосъемные кольца 40 и вращающийся вал 28. Узел 22 ротора имеет возможность вращаться вокруг вертикальной оси V своего вращающегося вала 28 как в направлении по часовой стрелке, так и в направлении против часовой стрелки. Вращение узла 22 ротора осуществляется приводным электродвигателем 30. Должно быть понятно, что, хотя в предпочтительном варианте выполнения показан вертикально расположенный вращающийся преобразователь, расположение вращающегося преобразователя может быть выполнено вдоль другой оси, такой, например, как горизонтальная ось.

Вращающийся преобразователь 20 является оборудованием, работающим в условиях высоких переменных напряжения и тока. Система вращающегося преобразователя 20 присоединена для передачи электрической мощности между первой электрической системой (например, первой электрической энергосистемой) и второй электрической системой (например, второй электрической энергосистемой). Первая электрическая энергосистема работает при первой мощности и с первой частотой, а вторая электрическая энергосистема работает со второй частотой.

В данном окружении узел 22 ротора соединен тремя фазными линиями с шинными каналами 27 первой электрической системы 29, а обмотки 25 статора соединены с шинными каналами 31 второй электрической системы 33. Для упрощения показано только одно соединение обмотки 25 статора с шинным каналом 31. Должно быть понятно, что первая и вторая электрические системы 29, 33 показаны как концевые участки соответствующих шинных каналов 27 и 31. В данном окружении вращающегося преобразователя 20 должно быть понятно, что электрические энергосистемы 29, 33 были бы продолжениями шинных каналов 27, 31 в пределах конструкции здания 54. Кроме того, в то время как шинный канал 31 показан разделенным вертикально, этот шинный канал 31 мог бы альтернативно быть разделен горизонтально.

Приводной электродвигатель 30 вращает узел 22 ротора в соответствии с сигналом возбуждения, выработанным не показанной здесь системой управления. Первая и вторая электрические системы 29, 33 могут иметь отличающиеся электрические характеристики, такие, как частота или фаза. Система управления работает в двух направлениях, обеспечивая вращение вращающегося преобразующего устройства с переменной скоростью для передачи мощности от первой электрической системы во вторую электрическую систему или наоборот.

На Фиг. 1 коллекторное устройство размещено в верхней части узла 22 ротора и содержит контактные кольца 40, изоляторы 42, на которых закреплены контактные кольца 40; и щеточный узел 44, в котором закреплены щетки. Коллекторное устройство имеет три контактных кольца 40, по одному для каждой фазы. Также имеются три соответствующих щеточных узла 44. Три вывода фазовых линий шинных каналов первой электрической системы 29 соединены с соответствующим одним из узлов 44 коллекторного устройства узла 22 ротора. Другие три фазовые линии 31 соединены с другой электрической системой 33 и с обмотками 25 статора. Изображенные контактные кольца 40 рассчитаны на 17 кВ.

Вращающийся преобразователь 20 заключен в теплоизолированный корпус 50. Корпус 50, в свою очередь, обычно располагается в здании 54. Центральная линия на Фиг. 1, которая соответствует оси V, отражает тот факт, что только правая часть устройства вращающегося преобразователя 20 показана на Фиг. 1. Должно быть понятно, что изображена только часть устройства и что зеркальное отображение показанных частей продолжается влево от оси V.

Контактные кольца 40 этих трех фазовых плоскостей электрически соединены с соответствующими обмотками узла 22 ротора проводящими шинами 80. Проводящие шины 80 проходят через соответствующие три фазовых изолированных шинных канала 82, сформированных внутри вращающегося вала 28. Из Фиг. 3 видно, что шинные каналы 82 имеют воздушный буфер 146, устроенный между ними (например, шинные каналы 82 не находятся в физическом контакте, а отделены друг от друга и разделены воздухом). В показанном примере варианта выполнения проводящие шины 80 имеют трубчатую форму, но могут использоваться и другие формы (например, коробчатая форма). Дисковый изолятор 83 (Фиг. 4B) расположен в нескольких дюймах внутри входного отверстия 160 каждого шинного канала 82, подогнанный вокруг соответствующей проводящей шины 80 для герметизации устройства шины так, чтобы, например, воздух не проходил внутрь устройства шины (см. фиг. 4B).

Как показано на Фиг. 4A и Фиг. 4B, внутренний канал 139 контактного кольца 40 имеет электропроводящую пластину 150, установленную для соединения контактного кольца 40. Электропроводящая пластина 150 имеет проводящее удлинение 152 цилиндрической формы, проходящее радиально внутрь от контактного кольца 40 к вращающемуся валу 28. Первый конец проводящей шины 80 для каждой фазовой плоскости закреплен гибким соединителем 154 к удлинению 152 и, следовательно, к проводящей пластине 150 и таким образом к контактному кольцу 40. Второй конец проводящей шины 80 для каждой фазовой плоскости соединен с обмоткой ротора для соответствующей фазы на узле ротора 22.

От соединения с гибким соединителем 154 каждая проводящая шина 80 продолжается радиально к вращающемуся валу 28, входя через входное отверстие 160 соответствующего трехфазного изолированного шинного канала 82. После ввода через входное отверстие 160 проводящая шина 80 проходит короткое расстояние радиально (относительно внутренней части вращающегося вала 28) через первый радиальный сегмент соответствующего шинного канала 82 и затем сгибается по существу на девяносто градусов для прохождения через осевой сегмент шинного канала 82. Как становится понятно при обращении к Фиг. 2, проводящая шина 80 затем снова сгибается во второй радиальный сегмент шинного канала 82, из которого проводящая шина 80 выходит через кольцо 162.

Как далее понятно из Фиг. 4A и Фиг. 4B, входное отверстие 160 и кольцо 162 каждого шинного канала 82 проходит через внешнюю накладку 164. Внешняя накладка 164 закреплена крепежами 166 через изолированные проставки 167 и удерживается немного выше над окружностью вращающегося вала 28, таким образом изолируя внешнюю накладку 164 от вращающегося вала 28.

Как понятно из вышесказанного, фазный проводник 80 каждой фазы находится в своем собственном заземленном металлическом корпусе, например, в шинном канале 82. Изолированная шина фазы обеспечивает, что любое короткое замыкание или электрическая авария или дуговой разряд изначально произойдут на заземление до возникновения межфазного замыкания. Поскольку большинство устройств имеют ограниченный ток заземления, повреждение сведено к минимуму.

Усовершенствования в данном изобретении лучше всего описаны со ссылкой на Фиг. 1 и 2 и в особенности на узел 100 шинного канала. На Фиг. 1 узел 22 ротора имеет ротор 26, соединенный с вращающимся валом 28 с первой стороны 102 соединения приводного электродвигателя 30 с вращающимся валом 28. Узел ротора имеет лобовые обмотки 12, 14 ротора, которые продолжаются вдоль оси от противоположных торцов ротора, причем первая лобовая обмотка 12 ротора расположена в осевом направлении вблизи от приводного электродвигателя 30, а вторая лобовая обмотка 14 ротора расположена в осевом направлении удаленно от приводного электродвигателя 30. Узел 40 контактного кольца установлен на вращающемся валу 28 со второй стороны 104 соединения электродвигателя 30 с валом 28, которая противоположна первой стороне 102.

Узел 100 шинного канала установлен внутри вращающегося вала 28, как описано выше, и проходит вдоль оси вала 28 между узлом 40 контактного кольца и второй лобовой обмоткой 14 ротора для электрического соединения узла 40 контактного кольца со второй лобовой обмоткой 14 ротора, расположенной в отдалении от приводного электродвигателя 30. Соединение шинного канала 80 с лобовой обмоткой 14 ротора осуществляется через опоры 180. Это соединение на обмотке 14 увеличивает расстояние, на котором продолжается шинный канал 80. Шинный канал 80 теперь проходит через верхнюю и нижнюю секции 128, 228 вала. Три выходных отверстия 160, прорубленные в валу 28 в той же плоскости, расположены вблизи от обмотки 14 ротора и удалены от соединения приводного электродвигателя 30 с валом 28. Должно быть понятно, что только один шинный канал 82 и отверстие 160 выхода показаны на Фиг. 1 и, как лучше всего видно на Фиг. 3, что на практике три выходных отверстия 160 расположены в одной и той же плоскости, проходя через вал 28 в радиальных направлениях предпочтительно под углами 120° между собой. Следовательно, эти три нижних выходных отверстия 180 не расположены в передающей крутящий момент части вала 28 вблизи от соединительного фланца 35 мотора. Другими словами, нижние выходные отверстия в вале 28 (Фиг. 1), сочетающиеся с входными отверстиями 160 (Фиг. 2), находятся в относительно свободной от напряжений зоне.

Улучшенное свободное от механических напряжений соединение шинного канала 80 через отверстия 160 с нижней лобовой обмоткой 14 ротора привело к увеличенной осевой длине шинного канала 80. Чтобы лучше приспособить вал 28 и шинный канал 80 увеличенной длины к требованиям изготовления и обслуживания обмотки возбуждения, вал 28 содержит узел соединения верхней секции 128 вала и нижней секции 228 вала. Верхний вал 128 соединен с нижним валом 228 в комбинации с фланцем 35, служащим для передачи крутящего момента от приводного электродвигателя 30. Также шинный канал 80 содержит узел 100 соединения двух соответствующих секций 110 и 120 (см. Фиг. 2). Секции 110 и 120 шинного канала по существу продолжаются в пределах соответствующих секций 128 и 228 вала. Секции 110 и 120 шинного канала соединены объединяющим узлом, обозначенным в целом позицией 400. Этот объединяющий узел может содержать любое соответствующее соединение типа разъема, включающее в себя контактные пластины, или ряд нагруженных пружиной штыревых контактов, расположенных вокруг внутреннего проводника 80 шинного канала 82, для соединения двух секций шинного канала. Для более подробного описания объединяющего узла 400 шинного канала можно обратиться к ссылке на соответствующее заявление Заявителя на получение патента Канады № 2377853 (Квитанция GECAN 3234), поданное одновременно с этим и назначенное тому же самому заявителю, что и данное заявление.

Следует понимать, что другие варианты выполнения данного изобретения могут быть совершенно очевидны для любого, имеющего соответствующую квалификацию в данной области техники, принимая во внимание вышеизложенное описание предпочтительного варианта выполнения данного изобретения. Соответственно, объем данного изобретения не должен быть ограничен изучением предпочтительных вариантов выполнения и должен быть ограничен объемом, охватываемым пунктами, следующими далее.

Изобретение относится к области конструктивного выполнения электрических машин, в частности к вращающимся преобразователям большой мощности. Вращающийся преобразователь имеет узел шинного канала, который проходит через полый вал вращающегося преобразователя от коллекторных или контактных колец, размещенных выше приводного электродвигателя вращающегося преобразователя к лобовым частям обмоток ротора, расположенных наиболее удаленно от приводного электродвигателя. За счет расположения выводов для соединения шинного канала с лобовыми частями обмоток ротора на наиболее удаленных от приводного двигателя лобовых частях обмоток ротора, прочность и надежность вала не снижена из-за крутящего момента, приложенного приводным электродвигателем. Кроме того, вал образован из двух соединенных секций вала, и узел шинного канала содержит две Г-образных секции, каждая из которых проходит в основном в пределах соответствующей секции вала. Секции шинного канала соединены для полной сборки узла шинного канала, обеспечивая более простой демонтаж первой или верхней секции вала от второй или нижней секции вала во время обслуживания обмотки возбуждения. Система вращающегося преобразователя для передачи мощности между первой и второй энергосистемами с разными потребляемыми мощностями и частотами содержит приводной электродвигатель, соединенный с вращающимся валом для привода вала. Техническим результатом является снижение потребности в применении экзотических сталей и стенок с относительно утолщенной толщиной. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вращающийся преобразователь, содержащий

вращающийся вал;

приводной электродвигатель, соединенный с вращающимся валом для привода вала;

узел ротора, имеющий ротор, соединенный с вращающимся валом с первой стороны соединения приводного электродвигателя с вращающимся валом, причем узел ротора имеет лобовые обмотки ротора, проходящие по оси от противоположных торцов ротора, из которых первые лобовые обмотки ротора размещены близко по оси от приводного электродвигателя, а вторые лобовые обмотки ротора размещены отдаленно по оси от приводного электродвигателя;

узел статора, окружающий ротор;

узел контактного кольца, установленный на вращающемся валу,

узел шинного канала, установленный внутри вращающегося вала и проходящий вдоль него между сборкой контактного кольца, и вторыми лобовыми обмотками ротора, расположенными отдаленно от приводного электродвигателя, для электрического соединения узла контактного кольца со вторыми лобовыми обмотками ротора, расположенными отдаленно от приводного электродвигателя.

узел контактного кольца соединен с первой секцией вала;

ротор соединен со второй секцией вала; и

узел шинного канала включает в себя первую и вторую секции шинного канала, продолжающиеся по оси в основном в пределах первой и второй секций вала, причем каждая из первой и второй секций шинного канала соединены друг с другом в пределах одной из секций вала.

сборка контактного кольца соединена с первой секцией вала;

ротор соединен со второй секцией вала; и

узел шинного канала включает в себя первую и вторую секции шинного канала, проходящие по оси в основном в пределах первой и второй секций вала, причем каждая из первой и второй секций шинного канала соединены между собой в пределах одной из секций вала.