УПРАВЛЯЕМАЯ ДВУХМЕРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2009 года по МПК H02K23/44 H02P1/34 

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_а=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 скоростью 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 регулируемый реостат, имеющий возможность изменять ток в обмотке ротора с целью управления выходной скоростью вращения машины.

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 23, выход которой 21 с помощью трех контактных колец 20 и трех щеток 19 соединен с сетью потребителей переменного тока. Щетки 19 посредством проводов 18 связывают обмотку переменного тока 23 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 регулируемым реостатом 24 проводами 14. Подшипниковые щиты 15 с подшипниками 16, 17 и валом 22 обеспечивают концентрическое расположение якоря 1 и ротора 8 и возможность их одновременного вращения.

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 22 вместе с ротором 8 и обмоткой 9 придет во вращение под действием некоторого приложенного извне момента (например, ветро-турбины), 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 то же время суммарный магнитный поток машины индуцирует в трехфазной обмотке якоря 23 переменную трехфазную ЭДС, которая снимается при помощи контактных колец 20 и щеток 19 и посредством проводов 18 может быть передана потребителям трехфазного переменного тока.

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

Управлять выходной скоростью ω_а при постоянно изменяющейся входной скорости вращения ω_р можно при условии соответствующего изменения тока обмотки ротора, что приводит к изменению магнитного потока машины. Т.е. для изменения выходной скорости машины необходимо изменять ток в обмотке ротора.

С этой целью в цепь обмотки 9 ротора 8 (см. фиг.1 и 2) с помощью соединительных проводов 10, трех контактных колец 11, изолированных друг от друга и от корпуса 7 диэлектрическими прокладками 12, и трех щеток 13 включен трехфазный регулируемый реостат 24, который имеет возможность изменять ток в обмотке ротора машины. Регулирование реостата 24 может быть автоматизировано в функции скорости или любого другого параметра, так, что изменение сопротивления будет отслеживать любые изменения скорости вращения ротора. При необходимости автоматической стабилизации скорости вращения ω_а управление реостатом 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 заявки.

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 1:4), 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, на достижение которого направлено данное изобретение, состоит в обеспечении управления выходной скоростью 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 регулируемый реостат, имеющий возможность изменять ток в обмотке ротора с целью управления выходной скоростью вращения машины. 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 регулируемый реостат, имеющий возможность изменять ток в обмотке ротора.