АСИНХРОННО-СИНХРОННЫЙ ДВУХЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2007 года по МПК H02K47/26 H02K47/24 

Изобретение относится к электрическим машинам (электромеханике), а более конкретно к автономным генераторам переменного тока.

Современная промышленность выпускает электрифицированный инструмент и электроприборы на различную частоту тока. На фермерских подворьях, удаленных пастбищах и в других условиях одновременно могут быть востребованы электроинструменты и приборы на частоту 50 и 200 Гц. Типовым решением задачи электрификации в таких условиях является применение электрического генератора на частоту тока 50 Гц и преобразователя частоты с 50 на 200 Гц. При этом известны другие варианты решения задачи.

Известен двухчастотный генератор [а.с. 413582 (СССР), Н02k 19/06, Н02k 19/34, Н02k 19/22. Синхронный двухчастотный бесконтактный генератор. / Л.М.Паластин, Л.Б.Серебряник. Опубл. БИ 1974, №4], достоинством которого является генерирование электрической энергии одновременно в виде двух систем переменного тока различной частоты. Недостатком такого генератора является сложность конструкции, вызванная совмещением в одном корпусе двух электрических машин нетрадиционной конструкции с двумя различными числами полюсов, и невозможность использования при изготовлении такого генератора наиболее распространенных, недорогих и надежных асинхронных короткозамкнутых машин.

В качестве генераторов трехфазного тока в автономных электроустановках малой мощности находят применение асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением (Радин В.И., Винокуров В.А, Аскерко B.C. Применение асинхронных генераторов как автономных источников переменного тока. - Электротехника, 1967, №8, с.17-20). Их недостатком является генерирование электроэнергии только одной частоты и нестабильное напряжение генератора при изменяющейся нагрузке. При необходимости изменения частоты тока необходимо изменить число полюсов трехфазной обмотки генератора или частоту вращения генератора; но и при изменившейся частоте тока генератор производит электроэнергию только одной частоты тока. При необходимости одновременного питания электроинструментов разных частот тока требуются дополнительные преобразователи частоты.

Наиболее близким по техническому решению к заявленному устройству является асинхронно-синхронный одномашинный преобразователь частоты, описанный в кн. (Попов В.И. Электромашинные совмещенные преобразователи частоты. - М.: Энергия, 1980. - 176 с., с.24, рис.1-8). Преобразователь разработан и исследован в Уральском политехническом институте (техническом университете) [Павлиний В.М. Асинхронно-синхронный преобразователь частоты: Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук / УПИ - Свердловск, 1959]. Этот преобразователь принят нами за прототип заявленного устройства.

Преобразователь изготовлен на базе асинхронного двигателя с фазным ротором и представляет собой совмещенные в общем магнитопроводе две машины: 2p₁ - полюсный асинхронный двигатель и 2р₂ - полюсный синхронный генератор, трехфазные статорные обмотки которых расположены в общих пазах сердечника статора. Ротор - фазный, традиционной конструкции, общий для двигателя и генератора. Двигатель имеет трехфазные обмотки на статоре и на роторе, а генератор - якорную обмотку на статоре и обмотку возбуждения на роторе. Между разнополюсными обмотками взаимная индуктивная связь отсутствует. При подключении обмотки статора к трехфазному источнику частоты f₁ в якорной обмотке наводится ЭДС частоты f₂=p₁f₁(1-s)/p₂, где s - скольжение двигателя.

Совмещение в общем магнитопроводе взаимно неиндуктивных обмоток широко известно и является предметом специального раздела электромеханики «Совмещенные электрические машины». В указанном литературном источнике (кн. Попова В.И., с.24) содержатся сведения о номинальных данных образца асинхронно-синхронного одномашинного преобразователя частоты с частотами f₁=50 Гц (p₁=1) и f₂=200 Гц (p₂=4), синхронной частотой вращения 3000 об/мин, выполненного на базе серийного двигателя типа МР-53-4.

Достоинством машины является то, что в ней применяются токи двух разных частот f₁ и f₂, соотносящихся как f₁:f₂=p₁:p₂, к электрическим цепям этой машины могут быть подключены соответствующие электроприемники.

Недостатками машины являются:

- преобразователь частоты нуждается в источнике электроэнергии первичной частоты (50 Гц), что в автономных электроустановках требует применения соответствующего генератора. Наличие такого генератора усложняет электроустановку;

- преобразование энергии осуществляется при низком КПД, поскольку предполагает многократное преобразование: из механической в электрическую в первичном генераторе; из электрической в механическую в двигателе преобразователя частоты; из механической в электрическую в генераторе преобразователя частоты.

Технической задачей является упрощение источника электроэнергии в автономных электроустановках с двумя частотами тока и снижение потерь энергии в таком источнике.

Решение задачи достигается тем, что асинхронно-синхронная двухчастотная электрическая машина с двумя совмещенными в общем сердечнике статора трехфазными обмотками с числами пар полюсов p₁ и р₂, в которых наводятся ЭДС частотой f₁ и f₂ соответственно, имеющими клеммы для присоединения внешних электрических цепей, включая электроприемники, и совмещенными на роторе трехфазной закороченной обмоткой с числом пар полюсов p₁ и обмоткой возбуждения с числом пар полюсов р₂, присоединяемой к источнику тока возбуждения через контактные кольца и щетки, имеет двигатель как источник механической мощности, приводящий во вращение вал машины, и дополнительный трехфазный конденсатор возбуждения, подключенный параллельно статорной обмотке с числом пар полюсов p₁.

Техническая новизна предложенной электрической машины заключается в изменении цикла преобразования энергии в электроустановке при сокращении числа ступеней преобразований энергии. В машине осуществляется процесс преобразования механической энергии в электрическую с двумя частотами. При этом в сравнении с прототипом электроустановка упрощается за счет исключения отдельного генератора на первичную частоту тока; при этом возрастает КПД преобразования энергии.

Сущность предложенного генератора поясняется чертежом.

На статоре 1 генератора в общих пазах расположены обмотки 2 с числом пар полюсов p₁ и 3 с числом пар полюсов p₂, подключенные к выходным клеммам 4 и 5, к которым подключаются электроприемники (не показаны). На роторе 6 размещены трехфазная закороченная обмотка 7 с числом пар полюсов p₁ и обмотка возбуждения 8 с числом пар полюсов р₂, присоединенная к контактным кольцам 9, напряжение на эту обмотку подается через трущиеся щетки 10. Ротор 6 приводится во вращение первичным двигателем 11, валы первичного двигателя 11 и генератора соединены муфтой 12. Первичный двигатель 11 является источником механической мощности; им может быть двигатель внутреннего сгорания, ветроколесо, гидротурбина и другие известные источники механической мощности. Параллельно обмотке 2 подключен трехфазный конденсатор 13 самовозбуждения машины на частоте f₁.

При вращении ротора генератора 6 первичным двигателем 11 и подаче тока возбуждения в обмотку 8 в обмотке статора 3 под действием поля возбуждения, наводимого обмоткой ротора 8, наводится ЭДС частотой f₂. В обмотке статора 2 наводится малая ЭДС под действием остаточного поля ротора с числом пар полюсов p₁. Далее происходит процесс конденсаторного самовозбуждения при участии конденсатора 13, аналогичный самовозбуждению обычного асинхронного генератора, и в обмотке 2 наводится ЭДС частотой f₁. Частота ЭДС в обмотках 2 и 3 определяется их числами пар полюсов этих обмоток p₁ и р₂ [f₁=p₁n(1-s), где n [c^-1] - частота вращения ротора; f₂=p₂n]. Вследствие того, что ротор совмещенных машин общий, а числа пар полюсов p₁ и р₂ обмоток 2 и 3 различны, различна и частота в этих обмотках.

Упрощение источника электроэнергии автономной электроустановки и увеличение КПД позволяет улучшить эксплуатационные характеристики, в частности сократить расход топлива, расходы на обслуживание, повысить надежность, что позволяет расширить область применения таких установок в различных областях деятельности, включая сельскохозяйственное производство.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автономных электроустановках. Техническим результатом является упрощение источника электроэнергии и снижение потерь энергии. Асинхронно-синхронная двухчастотная электрическая машина с двумя совмещенными в общем сердечнике статора трехфазными обмотками с числами пар полюсов p₁ и р₂ и совмещенными на роторе трехфазной короткозамкнутой обмоткой с числом пар полюсов p₁ и обмоткой возбуждения с числом пар полюсов р₂, присоединяемой к источнику тока возбуждения через контактные кольца и щетки, имеет двигатель как источник механической мощности, приводящий во вращение вал машины, и дополнительный трехфазный конденсатор возбуждения, присоединенный параллельно обмотке статора с числом пар полюсов p₁. 1 ил.

Асинхронно-синхронная двухчастотная электрическая машина с двумя совмещенными в общем сердечнике статора трехфазными обмотками с числами пар полюсов p₁ и p₂, в которых наводятся ЭДС частотой f₁ и f₂ соответственно, имеющие клеммы для присоединения внешних электрических цепей, включая электроприемники, и совмещенными на роторе трехфазной короткозамкнутой обмоткой с числом пар полюсов p₁ и обмоткой возбуждения с числом пар полюсов p₂, присоединяемой к источнику тока возбуждения через контактные кольца и щетки, отличающаяся тем, что имеет двигатель как источник механической мощности, приводящий во вращение вал машины, и дополнительный трехфазный конденсатор возбуждения, присоединенный параллельно обмотке с числом пар полюсов p₁.