ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА И СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ ТАКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2015 года по МПК H02K7/20 H02K3/28 H02P9/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к электрической машине и способу приведения в действие такой электрической машины.

Например, упомянутая электрическая машина представляет собой вращающуюся электрическую машину, такую как синхронный генератор, выполненный с возможностью соединения с газовой или паровой турбиной (турбогенератором), или генератор, выполненный с возможностью соединения с гидротурбиной (гидрогенератором), или асинхронный генератор или синхронный или асинхронный электродвигатель или также другие типы электрических машин. В дальнейшем делается конкретная ссылка на электрические генераторы.

Предшествующий уровень техники

Электрические машины, такие как электрические генераторы (обычно электрические генераторы представляют собой синхронные машины, в дальнейшем такой генератор упоминается как основная электрическая машина), содержат ротор с роторной обмоткой, которая снабжается электроэнергией, и статор со статорной обмоткой для приема электроэнергии, которая должна подаваться в питающую электросеть.

Для подачи электроэнергии в роторную обмотку могут быть предусмотрены разные системы возбуждения.

Первая система возбуждения представляет собой так называемую статическую систему возбуждения. Она включает в себя статический выпрямитель, подсоединенный с одной стороны к питающей электросети для приема электроэнергии переменного тока, а с другой стороны - к токосъемным контактным кольцам для передачи электроэнергии постоянного тока в роторные обмотки.

Недостаток статических систем возбуждения заключается в том, что во время работы токосъемные контактные кольца и соединенные с ними щетки изнашиваются, что вызывает образование угольной пыли.

Другая система возбуждения представляет собой так называемую бесщеточную систему возбуждения. Бесщеточные системы возбуждения включают в себя ротор возбуждения с трехфазной или многофазной роторной обмоткой возбуждения и статор возбуждения со статорной обмоткой возбуждения постоянного тока.

Во время работы в роторной обмотке возбуждения посредством статорной обмотки возбуждения наводится напряжение переменного тока, которое затем выпрямляется (для подачи в ротор основной электрической машины) посредством диодов, которые вращаются вместе с ротором.

В ЕР 1289118 А1 раскрыта бесщеточная система возбуждения; в частности, в нем раскрыта система возбуждения с роторной обмоткой возбуждения переменного тока, соединенной с вращающимся выпрямителем (который, в свою очередь, соединен с ротором основной электрической машины), и статором возбуждения со статорной обмоткой возбуждения постоянного тока.

Недостаток таких машин заключается в том, что они не способны обеспечить возбуждение при запуске (т.е. когда ротор возбуждения находится в неподвижном состоянии). Соответственно торможение не может быть применено при малой скорости.

Краткое изложение сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание электрической машины, которая устраняет недостатки известных машин.

Другой задачей настоящего изобретения является создание электрической машины, которая не использует токосъемные контактные кольца.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание способа приведения в действие такой машины.

Эта и другие цели достигаются посредством электрической машины и способа по пунктам 1 и 7 формулы изобретения.

Упомянутая электрическая машина содержит первый ротор с первой роторной обмоткой и первый статор с первой статорной обмоткой и устройство возбуждения для подачи тока в первую роторную обмотку. Упомянутое устройство возбуждения содержит второй ротор со второй роторной обмоткой, причем упомянутый второй ротор соединен с упомянутым первым ротором зафиксированным образом с возможностью вращения, и второй статор - со второй статорной обмоткой.

Упомянутая электрическая машина отличается тем, что вторая роторная обмотка и вторая статорная обмотка представляют собой многофазные обмотки, и первая и вторая роторные обмотки соединены друг с другом.

В соответствии с первым усовершенствованием, все фазы первой и второй роторных обмоток соединены друг с другом посредством проводников, соединяющих фазы.

В соответствии с другим усовершенствованием, первая и вторая роторные обмотки размещены на общем валу ротора.

В соответствии с дополнительным усовершенствованием, упомянутые проводники, соединяющие фазы, проходят внутри упомянутого вала ротора.

В соответствии с дополнительным усовершенствованием, упомянутое устройство возбуждения определяет асинхронную электрическую машину.

В соответствии с другим усовершенствованием, первая роторная обмотка представляет собой многофазную обмотку, и первая и вторая роторные обмотки непосредственно соединены друг с другом (т.е. без других промежуточных элементов, таких как выпрямители).

В соответствии с упомянутым способом приведения в действие электрической машины, для управления/регулирования машины, на основе токов статора во второй статорной обмотке устройства возбуждения, определяют токи ротора в первой роторной обмотке.

В соответствии с первым усовершенствованием упомянутого способа, измеряют скорость ротора и, на основании измеренной скорости и эквивалентной электрической схемы устройства возбуждения, определяют токи ротора в первой роторной обмотке.

В соответствии с другим усовершенствованием, для определения токов ротора в первой роторной обмотке используют машинную модель устройства возбуждения так, что на основе измеренных токов устройства возбуждения вычисляют токи ротора в первой роторной обмотке.

В соответствии с другим усовершенствованием, осуществляют определение токов ротора в первой роторной обмотке посредством многоступенчатого каскадного управления, при этом управляют намагниченностью и крутящим моментом машины посредством токов статора в первой статорной обмотке, которыми, со своей стороны, управляют посредством токов ротора в первой роторной обмотке, которыми, в свою очередь, управляют посредством наведения токов на стороне статора во второй статорной обмотке устройства возбуждения.

Краткое описание чертежей

Изобретение более подробно описано ниже со ссылкой на примерные варианты осуществления в соответствии с чертежами, на которых:

фиг. 1 показывает, в очень упрощенном виде, асинхронную машину, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения;

фиг. 2 показывает электрическую машину, соединенную с питающей электросетью; и

фиг. 3 показывает другую электрическую машину в другом варианте осуществления изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Со ссылкой на фиг. 1 показана основная электрическая машина 10. Основная электрическая машина 10 представляет собой, например, асинхронную электрическую машину, такую как электрический генератор для выработки энергии с переменной скоростью в гидроаккумулирующих и/или ветроэнергетических установках.

Основная электрическая машина 10 содержит ротор 12, содержащий вал 12а ротора, который вращается вокруг оси 11 машины.

Ротор 12 содержит первый сердечник 13 ротора (который может быть слоистым или неслоистым) с соответствующей первой роторной обмоткой 14.

Сердечник 13 ротора концентрично окружен статором 15, содержащим первый слоистый сердечник 16 статора с первой статорной обмоткой 17; причем упомянутая статорная обмотка 17 соединена с питающей электросетью 28.

Данная основная электрическая машина 10 связана с устройством 18 возбуждения, которое снабжает током первую роторную обмотку 14.

Устройство 18 возбуждения содержит второй сердечник 19 ротора (слоистый или неслоистый сердечник), содержащий соответствующую вторую роторную обмотку 20, которая концентрично окружена вторым слоистым сердечником 21 статора, который содержит вторую статорную обмотку 22.

Второй сердечник 19 ротора соединен с первым сердечником 13 ротора зафиксированным образом с возможностью вращения, например, второй сердечник 19 ротора расположен на валу 12а ротора (другие решения также возможны).

Первая и вторая роторные обмотки 14 и 20 представляют собой многофазные обмотки и непосредственно соединены друг с другом посредством проводников 29, соединяющих фазы. Предпочтительно обе обмотки 14, 20 представляют собой трехфазные обмотки, которые могут состоять из одного или нескольких параллельных контуров.

В данном варианте осуществления (основная электрическая машина представляет собой асинхронную электрическую машину) не требуется никаких диодов для выпрямления между обмотками 14 и 20.

Все фазы, которые способны проводить относительно большие токи, соединены вместе. Поскольку между упомянутой основной машиной и устройством 18 возбуждения обычно расположен подшипник, данное соединение (проводники 29, соединяющие фазы) предпочтительно размещено в валу 12а ротора (см. стрелки на фиг. 1). Данное решение отличается обязательной безопасностью (в отношении электрических перенапряжений) и относительной простотой вращающейся части машины.

При использовании решения в соответствии с изобретением непосредственное электрическое и механическое соединение двух обмоток 14 и 20 приводит к образованию замкнутой цепи, которая не может быть разомкнута. Вследствие этого возникновение опасных напряжений в роторе 12, по существу, невозможно. Кроме того, роторная обмотка 14 основной машины уже непосредственно не подвергается очень быстрым изменениям напряжения, которые могут возникать на выходе возможного преобразователя (ШИМ устройства). Тогда как в прежних статических системах возбуждения с токосъемными контактными кольцами, если цепь ротора асинхронной машины с токосъемными контактными кольцами оказывается по какой-то причине разомкнутой, что может происходить, например, в случае повреждения устройства токосъемного контактного кольца, это приводит к возможным опасным перенапряжениям в роторной обмотке.

Управление основной электрической машиной осуществляется посредством управления током, наводимым во втором сердечнике 19 ротора устройства 18 возбуждения.

В устройстве 18 возбуждения настоящего изобретения, когда вторая статорная обмотка 22 снабжается током Is, ток Ir, наводимый во второй роторной обмотке 20 (т.е. ток, который подается в первую роторную обмотку 14), определяется как:

Ir=Is·f(w)

где Ir - ток, наводимый во второй роторной обмотке 20,

Is - ток, протекающий во второй статорной обмотке 22,

w - относительная скорость между вторым сердечником 21 статора и вторым сердечником 19 ротора,

f(w) - известная функция от w и конструкции машины.

Другими словами, устройство 18 возбуждения может рассматриваться как вращающийся трансформатор, в котором коэффициент трансформации зависит от скорости.

Когда скорость второго сердечника 19 ротора изменяется (например, при запуске или останове основной электрической машины 10), током, подаваемым во вторую статорную обмотку 22, необходимо управлять таким образом, чтобы получить требуемый ток во второй роторной обмотке 20.

Если скорость и эквивалентная электрическая схема устройства 18 возбуждения известны, то токи ротора могут быть определены посредством вычислений исходя из токов статора в статорной обмотке 22 устройства 18 возбуждения.

Например, это может быть осуществлено посредством многоступенчатого каскадного управления.

В соответствии с фиг. 1, для этой цели предусмотрен контроллер/регулятор 23, который принимает информацию, относящуюся к токам статора в статорной обмотке 17, через датчик 26 тока. Кроме того, контроллер/регулятор 23 принимает от датчика 27 скорости вращения, размещенного на валу 12а ротора, скорость машины в данный момент; в качестве альтернативы любая или вся данная информация (но предпочтительно токи статора в статорной обмотке 17) может быть получена из модели машины.

Посредством контроллера/регулятора 23 осуществляется управление блоком 25 питания (например, преобразователем) статорной обмотки 22 устройства 18 возбуждения.

Если не предусмотрено измерение данных токов, то качество управления токами ротора может быть повышено посредством использования математической модели 24 машины (наблюдателя). Такая модель 24 машины обеспечивает контроллер/регулятор 23 необходимыми соотношениями для определения токов ротора в роторной обмотке 14 основной машины.

Приведение в действие электрической машины осуществляется, по существу, следующим образом.

На фиг. 2 показан пример основной электрической машины 10, соединенной с питающей электросетью 28.

Питающая электросеть 28 через трансформатор 30 соединена с блоком 25 питания, который соединен с регулятором 23 мощности.

Блок 25 питания, в свою очередь, соединен со второй обмоткой 22 второго сердечника 21 статора, которая способна наводить ток во второй обмотке 20 второго сердечника 19 ротора.

Вторая обмотка 20 соединена с первой обмоткой 14 первого сердечника 13 ротора, которая, в свою очередь, генерирует электроэнергию в первой обмотке 17 первого сердечника 16 статора. Первая обмотка 17 соединена с питающей электросетью 28 через трансформатор 31.

Во время работы вторая обмотка 22 снабжается током, который определяется на основе требуемого тока Ir во второй обмотке 20 (Ir соответствует току, который подается в первую обмотку 14) и скорости второго сердечника ротора. Упомянутый ток представляет собой переменный ток, такой как трехфазный ток. Очевидно, что возможно любое количество фаз для данного тока. Данный ток возбуждает ток Ir в роторной обмотке 19.

Ток Ir через проводники 29, соединяющие фазы, передается в первую роторную обмотку 14. Из первой роторной обмотки 14 ток Ir генерирует электроэнергию в первой статорной обмотке 17.

Когда скорость ротора 12 изменяется, ток Is изменяется соответственно таким образом, чтобы получить требуемый Ir; это может осуществляться во время запуска, останова или во время регулирования, например, ветровой турбины или гидротурбины.

В случае если в первом сердечнике 13 ротора требуется электроэнергия постоянного тока (например, если основная электрическая машина определяет синхронную машину), ротор может быть также снабжен вращающимся выпрямителем 33.

Предпочтительно устройство возбуждения настоящего изобретения может быть использовано вместе с первым ротором и статором, которые определяют асинхронную машину, синхронную машину или асинхронные машины двойного питания (такие как машины, используемые для выработки энергии с переменной скоростью в гидроаккумулирующих электростанциях, а также используемые в ветроэнергетических установках). Кроме того, устройство возбуждения настоящего изобретения может быть использовано с быстро вращающимися синхронными машинами (турбогенераторами, гидрогенераторами с малым количеством полюсов и подобными машинами) и низкооборотными машинами (в этом случае устройство возбуждения служит для передачи электроэнергии из статора в ротор только бесконтактными средствами и поэтому соответственно может быть сделано меньшим).

Предпочтительно упомянутое устройство возбуждения также пригодно для возбуждения синхронной машины в неподвижном состоянии, что невозможно при использовании обычных бесщеточных устройств возбуждения. Это важно особенно при запуске синхронных машин в режиме электродвигателя.

Перечень ссылочных позиций

10 Основная электрическая машина

11 Ось машины

12 Ротор

12а Вал ротора

13 Слоистый сердечник ротора

14 Роторная обмотка

15 Статор

16 Слоистый сердечник статора

17 Статорная обмотка

18 Асинхронная машина возбуждения

19 Слоистый сердечник ротора

20 Роторная обмотка

21 Слоистый сердечник статора

22 Статорная обмотка

23 Контроллер/регулятор

24 Модель машины

25 Блок питания

26 Датчик тока

27 Датчик скорости вращения

28 Питающая электросеть

29 Проводник, соединяющий фазы

30 Трансформатор

31 Трансформатор

33 Вращающийся выпрямитель

Настоящее изобретение относится к электрической машине, в частности, электрическая машина представляет собой синхронный генератор, выполненный с возможностью соединения с газовой или гидротурбиной. Технический результат заключается в создании электрической машины, не использующей токосъемные контактные кольца и способной обеспечить возбуждение при запуске. Электрическая машина содержит первый сердечник ротора с первой роторной обмоткой, первый сердечник статора с первой статорной обмоткой, устройство возбуждения для подачи тока в первую роторную обмотку. Упомянутое устройство возбуждения содержит второй сердечник ротора со второй роторной обмоткой. Второй сердечник ротора соединен с первым сердечником ротора с возможностью вращения. Электрическая машина содержит также второй сердечник статора со второй статорной обмоткой. Вторая роторная обмотка и вторая статорная обмотка представляют собой многофазные обмотки. Первая и вторая роторные обмотки соединены друг с другом. Устройство возбуждения представляет собой асинхронную электрическую машину. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая машина (10), содержащая:
первый сердечник (13) ротора с первой роторной обмоткой (14),
первый сердечник (16) статора с первой статорной обмоткой (17),
устройство (18) возбуждения для подачи тока в первую роторную обмотку (14),
причем упомянутое устройство возбуждения содержит:
второй сердечник (19) ротора со второй роторной обмоткой (20), причем упомянутый второй сердечник (19) ротора соединен с первым сердечником (13) ротора с возможностью совместного вращения,
второй сердечник (21) статора со второй статорной обмоткой (22),
отличающаяся тем, что
вторая роторная обмотка (20) и вторая статорная обмотка (22) представляют собой многофазные обмотки, и
первая и вторая роторные обмотки (14, 20) соединены друг с другом, при этом
устройство (18) возбуждения представляет собой асинхронную электрическую машину, при этом
для управления/регулирования машины определяют токи ротора в первой роторной обмотке (14) на основе токов статора во второй статорной обмотке (22) устройства (18) возбуждения,
измеряют скорость ротора (12) и определяют токи ротора в первой роторной обмотке (14), исходя из измеренной скорости и эквивалентной электрической схемы устройства (18) возбуждения.

2. Электрическая машина (10) по п.1, отличающаяся тем, что все фазы первой и второй роторных обмоток (14, 20) соединены друг с другом посредством проводников (29), соединяющих фазы.

3. Электрическая машина (10) по п.1, отличающаяся тем, что первая и вторая роторные обмотки (14, 20) расположены на общем валу (12а) ротора.

4. Электрическая машина (10) по пп.2 или 3, отличающаяся тем, что упомянутые проводники (29), соединяющие фазы, проходят внутри вала (12а) ротора.

5. Электрическая машина (10) по п.1, отличающаяся тем, что первая роторная обмотка (14) представляет собой многофазную обмотку, и первая и вторая роторные обмотки (14, 20) непосредственно соединены друг с другом.

6. Способ приведения в действие электрической машины (10) по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для определения токов ротора в первой роторной обмотке (14) используют компьютерную модель (24) устройства (18) возбуждения.

7. Способ по п.7, отличающийся тем, что определение токов ротора в первой роторной обмотке (14) осуществляют посредством многоступенчатого каскадного управления, при этом управляют намагниченностью и крутящим моментом машины посредством токов статора в первой статорной обмотке (17), которыми, со своей стороны, управляют посредством токов ротора в первой роторной обмотке (14), которыми, в свою очередь, управляют посредством наведения токов на стороне статора во второй статорной обмотке (22) устройства (18) возбуждения.