УПРАВЛЯЕМАЯ ДВУХМЕРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2008 года по МПК H02K47/26 H02K49/08 H02K51/00 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока.

Известен электромашинный усилитель постоянного тока (Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.332-333), осуществляющий усиление электрической энергии постоянного тока за счет подводимой механической энергии.

Однако такая машина, являясь по принципу усилителем электрической энергии постоянного тока за счет механической энергии, принципиально не может работать как генератор переменного тока, преобразующий одновременно два разнородных источника энергии, в силу своего назначения, так как является, по сути, электромеханическим преобразователем энергии постоянного тока.

Прототипом данного изобретения является двухвходовая электрическая машина (Патент РФ №2091967). Двухвходовая электрическая машина содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, помещенными концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных машин (например, с короткозамкнутым или фазным ротором), впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря. В пазах якоря также уложена дополнительно трехфазная обмотка переменного тока, связанная с сетью потребителей электроэнергии посредством щеток и контактных колец.

Однако при работе у такой машины невозможно регулировать выходную скорость вращения якоря, что резко ограничивает область применения данной машины. Так, например, в ветроэнергетике, когда ветроколесо вращает ротор со скоростью вращения ω_р, в силу непрерывного изменения скорости и силы ветра эта скорость непрерывно меняется, т.е. ω_p=var, скорость вращения ω_а также непрерывно меняется по сложному закону, следовательно, также будет изменятся и частота выходного напряжения.

Так как ω_a=f(ω_p)=var, то машина не имеет возможности управления (стабилизации выходной скорости вращения), что зачастую бывает необходимо в практике.

Данное изобретение решает задачу управления выходной скорости вращения двухмерной электрической машины, а следовательно, и частотой генерируемого ею напряжения при непрерывно и недетерминированно изменяющихся входных сигналах.

Это достигается тем, что обмотка ротора выполнена по типу роторных обмоток асинхронных машин с фазным ротором, в цепь которой включен трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель, выход которого включен последовательно с цепью якоря посредством ключей блока коммутации, имеющего возможность осуществлять либо последовательно-согласное, либо последовательно-встречное включение с цепью якоря в зависимости от знака направления изменения частоты вращения якоря.

На фиг.1 изображен общий вид (в разрезе) предлагаемой управляемой двухмерной электрической машины. На фиг.2 представлена электрическая схема этой машины.

Управляемая двухмерная электрическая машина содержит якорь 1 машины постоянного тока общепринятой конструкции с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4 с щетками 5, к которым подключены провода 6. Также в пазах 3 дополнительно уложена трехфазная генераторная обмотка переменного тока 21, выход которой 23 с помощью трех контактных колец 22 и трех щеток 24 соединен с сетью потребителей переменного тока. Щетки 24 посредством проводов 25 связывают обмотку переменного тока 21 с сетью потребителей переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям. В корпус 7 впрессован шихтованный магнитопровод ротора 8, в пазах которого уложена обмотка 9 по типу роторных обмоток асинхронных двигателей с фазным ротором. Обмотка 9 подключена проводами 10 к кольцам 11, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 12, а щетки 13 связаны с трехфазным двухполупериодным регулировочным тиристорным блоком-выпрямителем 19 проводами 14. Подшипниковые щиты 15 с подшипниками 16, 17 и валом 18 обеспечивают концентрическое расположение якоря 1 и ротора 8 и возможность их одновременного вращения. Трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель 19 соединен с блоком коммутации 20.

Управляемая двухмерная электрическая машина работает следующим образом. При подаче постоянного тока (например, от фотоэлектрических преобразователей) на зажимы 6 через щетки 5 и коллектор 4 обмотка 2 якоря 1 обтекается током. При этом создается магнитный поток реакции якоря Ф_а. Если при этом вал 18 вместе с ротором 8 и обмоткой 9 придет во вращение под действием некоторого приложенного извне момента (например, ветротурбины), то под действием магнитного потока Ф_а в обмотке 9, как в обычной обмотке асинхронного двигателя, индуцируется ЭДС и протекает электрический ток, создающий в роторе свое магнитное поле Ф_р. При взаимодействии потоков Ф_а и Ф_р якорь машины придет во вращение с частотой n_а.

В тоже время суммарный магнитный поток машины индуцирует в трехфазной обмотке якоря 21 переменную трехфазную ЭДС, которая снимается при помощи контактных колец 22 и щеток 24 и посредством проводов 25 может быть передана потребителям трехфазного переменного тока.

Частота генерируемого трехфазного переменного тока будет пропорциональна угловой скорости вращения якоря ω_а.

Так как якорь двухмерной машины выполнен по типу якоря машины постоянного тока и работает в неподвижном магнитном поле, создаваемым ротором, то частота вращения якоря двухвходовой электрической машины при неизменной частоте вращения ротора будет определяться такой же зависимостью, как и у машины постоянного тока.

Частота вращения якоря машины постоянного тока определяется зависимостью:

где U_a - напряжение, приложенное к якорю; R_a - сопротивление обмотки якоря; I_а - ток якоря; Ф_δ - магнитный поток машины; c_е - постоянная.

Управлять выходной скоростью ω_а при постоянно изменяющейся входной скорости вращения ω_р можно изменяя напряжение, подаваемое на якорь машины.

Из (1) видно, что изменение напряжения U_a приводит к соответствующему изменению частоты вращения якоря, т.е. при повышении напряжения U_a частота вращения растет и, наоборот, при уменьшении - падает.

Поэтому для управления выходной частотой вращения двухмерной электрической машины при всевозможных изменениях входной необходимо изменять уровень подаваемого напряжения на вход двухмерной электрической машины.

С этой целью выход обмотки 9 ротора 8 (см. фиг.1 и 2) с помощью соединительных проводов 10 и 14, трех контактных колец 11 и трех щеток 13 включен на вход трехфазного двухполупериодного регулировочного тиристорного блока-выпрямителя 19. Регулирование трехфазного двухполупериодного регулировочного тиристорного блока-выпрямителя 19 может быть автоматизировано в функции скорости или любого другого параметра (например, напряжения снимаемого с тахогенератора). Выпрямленное напряжение с трехфазного двухполупериодного регулировочного тиристорного блока-выпрямителя 19 включается в цепь якоря последовательно с источником электроэнергии (например, с фотоэлекрическим преобразователем). Регулирование трехфазного двухполупериодного регулировочного тиристорного блока-выпрямителя 19 производится так, что изменение добавочной ЭДС будет отслеживать изменение скорости вращения ротора. В зависимости от знака возмущающего воздействия, т.е. направления изменения частоты вращения якоря, трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель 19 включается либо последовательно-согласно с цепью якоря, для увеличения n_р, включением ключей 2'-4' блока коммутации 20, либо для уменьшения n_р - последовательно-встречно, включением ключей 1'-3' блока 20. Если необходимость в регулировании машины отпадает, тогда трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель 19 выключается из работы замыканием ключей 2'-3' блока коммутации 20. При необходимости автоматической стабилизации частоты вращения якоря машины n_а управление трехфазным двухполупериодным регулировочным тиристорным блоком-выпрямителем может быть осуществлено специально разработанной системой автоматического управления, реализуемой при помощи известных типовых решений, которая в данной заявке не рассматривается, как не имеющая отношения к существу изобретения.

Авторами были изготовлены и испытаны два опытных образца управляемой двухмерной электрической машины, которые полностью подтвердили работоспособность и перспективность данной конструкции. Испытания показали: погрешность управления не превышает ±3% (при диапазоне изменения входной скорости ω_р 1:5), что резко расширяет область применения управляемой двухмерной электрической машины, имея в виду ее использование в нетрадиционной энергетике, требующей стабилизации частоты генерируемого напряжения при непрерывных и глубоких изменениях возмущающих воздействий.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в обеспечении управления выходной скорости вращения двухмерной электрической машины, а следовательно, и частотой генерируемого ею напряжения при непрерывно и недетерменированно изменяющихся входных сигналах. Это достигается тем, что обмотка ротора выполнена по типу роторных обмоток асинхронных машин с фазным ротором, в цепь которой включен трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель, выход которого включен последовательно с цепью якоря посредством ключей блока коммутации, имеющего возможность осуществлять либо последовательно-согласное, либо последовательно-встречное включение с цепью якоря в зависимости от знака направления изменения частоты вращения якоря. 2 ил.

Управляемая двухмерная электрическая машина, содержащая якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, помещенные концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора, впрессованного в корпус, и имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря, отличающаяся тем, что обмотка ротора выполнена по типу роторных обмоток асинхронных машин с фазным ротором, в цепь которой включен трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель, выход которого включен последовательно с цепью якоря посредством ключей блока коммутации, имеющего возможность осуществлять либо последовательно-согласное, либо последовательно-встречное включение с цепью якоря.