КАСКАДНЫЙ СИНХРОННО-АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2012 года по МПК H02K47/26 H02K47/00 

Изобретение относится к электрическим машинам, конкретно к электрическим гидро- и ветрогенераторам, т.е. к генераторам с малым числом оборотов ротора в минуту.

На практике применяется гидрогенератор зонтичной конструкции с вертикальной осью вращения и большим количеством пар полюсов. [см. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 2002 г.].

Недостатком этого генератора является громоздкость конструкции, в частности необходимость спиц, соединяющих магнитную часть ротора с валом, контактных колец для питания обмоток возбуждения и возбудителя - машины постоянного тока, генерирующей ток возбуждения.

Известен синхронный тихоходный генератор с большим количеством пар полюсов, отличающихся тем, что каждая пара полюсов образует отдельную ступень многоступенчатого каскада, расположенного на одном валу, причем первая ступень является обращенным трехфазным синхронным генератором, а все последующие - асинхронными трехфазными преобразователями, работающими в режиме тормоза, т.е. такими, первичные и вторичные обмотки которых соединены попарно поочередно с изменением порядка чередования фаз [свидетельство на полезную модель Российской федерации №17363, приоритет от 17.07.2000 г., кл. 7601 В 13/00, бюл. №9 от 27.03.2001 г.]. Примем данное устройство за прототип.

У прототипа нет недостатков предыдущего аналога, однако у него значительно больше расход активных материалов - обмоточного провода и электротехнической стали для магнитопровода, чем у быстроходных электрических машин на ту же мощность (например, у турбогенераторов).

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является электрический генератор с малой частотой вращения ротора, обладающий меньшим расходом активных материалов, чем существующие той же номинальной мощности и числом оборотов в минуту.

Поставленная задача решается тем, что в каскадном синхронно-асинхронном генераторе с несколькими ступенями, первая из которых представляет собой обращенный синхронный генератор, а все остальные - асинхронные преобразователи, работающие в режиме тормоза, в отличие от прототипа, промежуточные статоры выполнены с возможностью вращения в сторону, противоположную вращению роторов, Статор последней ступени неподвижный. Его статорная обмотка подключена к выходным клеммам генератора, а число ступеней выполнено четным.

На фиг.1 приведена конструкция данного генератора. Его первая ступень состоит из обращенного синхронного генератора 1, обмотки возбуждения которого w_в вместе с полюсами находятся на статоре и питаются постоянным напряжением u_в. Трехфазная якорная обмотка w_p1 располагается на роторе, который приводится во вращение с частотой n₁ от гидротурбины, соединенной с валом, на котором располагаются роторы всех ступеней каскадного генератора.

Частота эдс, генерируемых в обмотках w_p1, равна

где p - число пар полюсов генератора 1 (принимаем, что число пар полюсов всех ступеней каскада одинаково).

Обмотки w_p1 соединены с роторными обмотками w_p2 трехфазной асинхронного преобразователя - ступени 2 каскада. При этом чередование фаз изменено у обмоток w_p2 на противоположное по сравнению с таковым у обмоток w_p1. Благодаря этому магнитное поле в зазоре ступени 2 вращается в ту же сторону, что и ротор, т.е. с удвоенной частотой

Статор преобразователя 2 вращается в сторону, противоположную вращению ротора, с частотой n₂ (об/мин). Поэтому магнитное поле ротора этой ступени вращается относительно трехфазной обмоток статора w_c2 со скоростью

Поэтому в обмотках w_c2 генерируется эдс с частотой

Эти эдс вызывают ток в обмотках w_c3 следующей ступени 3 каскада. Чередование фаз у обмоток w_c3 снова выполнено противоположным по сравнению с обмотками w_c2. Потому частота эдс в роторных обмотках этой ступени w_p3 равна

Далее подобный характер соединения статорных и роторных обмоток повторяется, а статоры всех ступеней вращаются в сторону, противоположную вращению ротора, с частотой n₂. Поэтому частота тока в статорных обмотках к-той ступени составляет

А в роторных обмотках

где знак «плюс» соответствует четной ступени, а «минус» - нечетной. Статор последней ступени (номер «m») неподвижный, поэтому частота эдс статорных обмоток w_cm равна

Напряжения между фазами А, В, С обмоток w_cm и являются выходными напряжениями генератора. Поэтому частота f_m, определяемая формулой (7), является его номинальной частотой. Согласно формуле (7) число ступеней каскада равно

Нетрудно видеть, что вращение статоров промежуточных ступеней каскада приводит к уменьшению их числа. Действительно, если бы все статоры были неподвижны, как в прототипе (n₂=0), то число m₀ равнялось бы

т.е. было больше, чем m согласно формуле (8). В частности, если n₁=n₂, т.е. частоты вращения статоров и роторов промежуточных ступеней генератора были бы одинаковы, то число равнялось бы

Согласно [3] выходная мощность k-той ступени генератора равна

где P_l - мощность первой ступени синхронного генератора.

Нетрудно видеть, что машинная постоянная C_A, пропорциональная отношению P_k/f_k [3], одинакова для всех ступеней генератора

Поскольку масса активных материалов, потери, габаритный объем определяются однозначно C_A, следовательно, чем меньше ступеней, тем экономичнее каскадный генератор.

На фиг.2 изображен вариант коробки передач, позволяющей создать встречное роторной оси вращение статоров. Коробка состоит из неподвижного корпуса 1, шестерни с внутренним расположением зубьев 2, шестерни 3, ось которой жестко связана с осью роторов и имеет ту же самую частоту вращения n_p, и промежуточной шестерни 4, передающей вращение от шестерни 3 шестерне 2. Частота вращения шестерни 2 связана с частотой вращения шестерни 3 соотношением

где D₁ и D₂ - диаметры шестерен 3 и 2. Вал шестерни 2 связан со статорами промежуточных ступеней каскада. Поэтому они вращаются с той же частотой n_c в сторону, противоположную вращению роторов. Действительно, как видно из фиг.2, если угловая скорость n_p шестерни 3 направлена против часовой стрелки, то скорость n_п промежуточной шестерни 4, а вместе с ней и шестерни 2 - n_c, направлены по часовой стрелке.

Таким образом, разработана экономичная конструкция каскадного синхронно-асинхронного электрического генератора с двумя вращающимися в противоположные стороны частями, не имеющего скользящих контактов.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к таким электрическим машинам, как электрические гидро- и ветрогенераторы, то есть к генераторам с малым числом оборотов ротора в минуту. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в снижении расхода активных материалов для каскадного электрического генератора с малой частотой вращения ротора при одновременном сохранении номинальной мощности данного генератора и числа оборотов в минуту. Указанный технический результат достигается тем, что в каскадном синхронно-асинхронном генераторе с несколькими ступенями, первая из которых представляет собой обращенный синхронный генератор, а все остальные - асинхронные преобразователи, работающие в режиме тормоза, согласно данному изобретению промежуточные статоры всех ступеней, кроме последней, выполнены с возможностью вращения в сторону, противоположную вращению роторов, а статор последней ступени - неподвижным и его статорная обмотка подключена к выходным клеммам генератора, а число ступеней выполнено четным. 2 ил.

Каскадный синхронно-асинхронный генератор с несколькими ступенями, первая из которых представляет собой обращенный синхронный генератор, а все остальные - асинхронные преобразователи, работающие в режиме тормоза, отличающийся тем, что промежуточные статоры всех ступеней, кроме последней, выполнены с возможностью вращения в сторону, противоположную вращению роторов, статор последней ступени неподвижный, и его статорная обмотка подключена к выходным клеммам генератора, а число ступеней выполнено четным.