Асинхронизированный синхронный аксиально-радиальный ветрогенератор переменного тока Российский патент 2023 года по МПК H02K47/00 F03D9/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к ветроэлектрическим преобразователям энергии, и может быть использовано в качестве преобразователя кинетической энергии набегающего воздушного потока (например, энергии набегающего воздушного потока при использовании на подвижных локальных объектах, энергии ветра при использовании на неподвижных локальных объектах) в электрическую энергию переменного тока.

Известен многофазный ветрогенератор переменного тока (пат. РФ №2658316, авторы Кашин Я.М., Кашин А.Я., Князев А.С.), содержащий вал, внутренний статор и наружный ротор с постоянными магнитами и обтекателем, лопасти. Основание внутреннего статора выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, а боковая поверхность внутреннего статора образована наружной стороной выполненного в форме усеченного конуса магнитопровода якоря с пазами, в которые уложена многофазная обмотка якоря. Магнитопровод якоря одной торцевой стороной жестко закреплен на неподвижной платформе, на которой установлен регулятор напряжения, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода якоря установлен передний подшипник, во внутреннем кольце которого установлен диск, жестко связанный с валом. Наружный ротор также выполнен в форме усеченного конуса, содержит ступицу, на внутренней поверхности которой жестко закреплен выполненный в форме усеченного конуса магнитопровод индуктора с постоянными магнитами, выполненными в форме сегментов усеченного конуса, и жестко закреплен на валу, установленном в переднем и заднем подшипниках. Задний подшипник установлен в центре неподвижной платформы и закреплен от перемещения в осевом направлении упорной шайбой. В передней части ступицы установлен обтекатель, вокруг которого в ступице по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора выполнены вентиляционные отверстия. В боковой части ступицы выполнены отверстия, в которые установлены поворотные оси, жестко связанные с лопастями, закрепленными на внешней стороне ступицы. На диске со стороны неподвижной платформы жестко установлены кронштейны, в которых закреплены центробежные грузы, связанные с поворотными осями посредством тросов, пропущенных через ролики, установленные на внутренней поверхности ступицы, и ролики, жестко установленные на валу. Между поворотными осями и роликами установлены сжатые пружины, а между центробежными грузами и валом установлены растянутые пружины.

Однако, значение и частота напряжения на выходе такого ветрогенератора зависят от скорости вращения ротора с установленным на нем постоянными магнитами индуктора:

где U - значение напряжения на выходе ветрогенератора, С - конструктивный коэффициент, n - скорость вращения ротора, Ф - магнитный поток возбуждения.

где ƒ - частота переменного тока на выходе ветрогенератора, р - число пар полюсов (магнитов) индуктора, n - скорость вращения ротора.

В таком ветрогенераторе не удается выполнить стабилизацию частоты переменного напряжения (а, соответственно и переменного тока) на выходе ветрогенератора с достаточным быстродействием из-за того, что регулирование осуществляется механическим регулятором частоты вращения ротора - поворотными лопастями, которые осуществляют стабилизацию частоты вращения ротора и, соответственно зависящей от нее частоты переменного напряжения. Быстродействие стабилизации путем механического регулирования недостаточно велико.

Возможная установка привода постоянной частоты вращения ухудшает эксплуатационно-технические характеристики ветрогенератора, а именно: ухудшает массогабаритные показатели ветрогенератора и снижает надежность его работы.

Это ограничивает область применения известного многофазного ветрогенератора переменного тока: генератор с нестабильным по амплитуде и частоте напряжением не пригоден для питания напрямую (без дополнительных преобразователей электроэнергии) потребителей электроэнергии переменного тока, предъявляющих высокие требования к качеству напряжения питания.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятым авторами за прототип является стабилизированный вентильный аксиально-радиальный ветрогенератор постоянного тока (пат. РФ №2689211, авторы Кашин Я.М., Кашин А.Я. и др.), содержащий статор, основание которого выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, и ротор, внешняя боковая поверхность которого выполнена с лопатками изогнутой формы, а передняя часть ротора выполнена с обтекателем и входными вентиляционными отверстиями, расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора, при этом ротор закреплен на оси, а на неподвижной платформе жестко закреплен выходной трехфазный двухполупериодный выпрямитель. Ось принятого за прототип ветрогенератора выполнена неподвижной, с буртиком в средней части, и запрессована в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы, на которой жестко закреплен аксиальный магнитопровод якоря основного генератора с трехфазной обмоткой якоря основного генератора и регулятор напряжения, вход которого подключен к выходу выходного трехфазного двухполупериодного выпрямителя, при этом на оси, выполненной неподвижной, жестко закреплен радиальный магнитопровод индуктора возбудителя, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная к выходу регулятора напряжения согласно с трехфазной обмоткой якоря основного генератора, в передней части внутренней полости ротора жестко закреплен радиальный магнитопровод якоря возбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря возбудителя, а в задней части внутренней полости ротора жестко закреплен аксиальный магнитопровод индуктора основного генератора, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода якоря основного генератора уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, подключенная к выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя, при этом ротор установлен на оси, выполненной неподвижной, посредством диска, закрепленного во внутренней полости аксиального магнитопровода индуктора основного генератора, и выполненного с выходными вентиляционными отверстиями, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора в непосредственной близости с диодами многофазного двухполупериодного выпрямителя, и с расточкой в его центральной части, в которую уложено наружное кольцо заднего подшипника, внутреннее кольцо которого установлено с натягом в средней части неподвижной оси, при этом задний подшипник закреплен от перемещения в осевом направлении буртиком и втулкой, установленной на оси, выполненной неподвижной, между задним подшипником и радиальным магнитопроводом индуктора возбудителя, а задняя часть обтекателя выполнена с расточкой, в которую уложено наружное кольцо переднего подшипника, внутреннее кольцо которого закреплено с натягом в передней части оси, выполненной неподвижной.

Недостатком известного стабилизированного вентильного аксиально-радиального ветрогенератора постоянного тока является отсутствие возможности получения электроэнергии переменного тока стабильной частоты.

Кроме того, недостатком такого ветрогенератора является тяжелый тепловой режим работы его элементов, так как конструкция такого ветрогенератора не обеспечивает достаточного теплоотвода от греющихся элементов-обмоток возбудителя и основного генератора. Перегрев обмоток якоря возбудителя и основного генератора может привести к пробою их изоляции и как следствие к межвитковому короткому замыканию и замыканию на корпус.

Все вышеперечисленное приводит к снижению надежности принятого за прототип ветрогенератора.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование конструкции ветрогенератора с целью расширения области его применения.

Технический результат - улучшение эксплуатационно-технических характеристик ветрогенератора, а именно: повышение качества вырабатываемой электроэнергии переменного тока за счет минимизации отклонения выходного напряжения генератора от заданного по частоте и по амплитуде при изменении скорости набегающего воздушного потока, повышение надежности ветрогенератора путем уменьшения вероятности перегрева обмоток возбудителя и основного генератора за счет облегчения теплового режима работы элементов ветрогенератора.

Технический результат достигается тем, что в асинхронизированном синхронном аксиально-радиальном ветрогенераторе переменного тока, содержащем неподвижную платформу, жестко закрепленную на штанге-держателе, передний и задний подшипниковые узлы, внутренний статор с неподвижной осью, запрессованной в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы, и наружный ротор, содержащий ступицу с закрепленными на ее наружной поверхности лопастями, в передней части которой установлен обтекатель, при этом ветрогенератор выполнен двухкаскадным и содержит возбудитель и основной генератор, элементы магнитной системы которых закреплены на внутреннем статоре и наружном роторе, обтекатель выполняют с внутренними и внешними входными вентиляционными отверстиями, а ступицу наружного ротора выполняют содержащей передний диск с внутренними и внешними вентиляционными отверстиями и задний диск с внутренними и внешними выходными вентиляционными отверстиями, при этом ступицу наружного ротора устанавливают с возможностью вращения на неподвижной оси внутреннего статора посредством переднего и заднего подшипниковых узлов, внутренние кольца которых устанавливают с натягом на неподвижной оси внутреннего статора, наружное кольцо переднего подшипникового узла укладывают в посадочное отверстие в центральной части переднего диска, а наружное кольцо заднего подшипникового узла укладывают в посадочное отверстие в центральной части заднего диска, при этом возбудитель выполняют состоящим из аксиального магнитопровода индуктора возбудителя, в пазы которого укладывают трехфазную обмотку возбуждения возбудителя, установленного на жестко закрепленном на неподвижной оси внутреннего статора среднем диске внутреннего статора с расположенными по окружности с центром на оси симметрии неподвижной оси внутреннего статора вентиляционными отверстиями, и аксиального магнитопровода якоря возбудителя, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода индуктора возбудителя укладывают трехфазную обмотку якоря возбудителя, жестко закрепленного на переднем диске между его внутренними и внешними вентиляционными отверстиями, а основной генератор выполняют состоящим из жестко закрепленного на внутренней поверхности ступицы наружного ротора цилиндрического магнитопровода индуктора основного генератора, в пазы которого укладывают трехфазную обмотку возбуждения основного генератора, подключенную к трехфазной обмотке якоря возбудителя с обратным по отношению к ней порядком чередования фаз, и цилиндрического магнитопровода якоря основного генератора, в пазы которого укладывают трехфазную обмотку якоря основного генератора, жестко закрепленного на неподвижной оси внутреннего статора посредством тонкостенного цилиндра с внутренним диском 19, имеющим проходные вентиляционные отверстия, расположенные по окружности с центром на оси симметрии неподвижной оси внутреннего статора, при этом на внутренней поверхности тонкостенного цилиндра с внутренним диском в непосредственной близости с проходными вентиляционными отверстиями закрепляют управляемый инвертор, вход которого подключают к началам фаз трехфазной обмотки якоря основного генератора, а выход - к началам фаз трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, при этом центры внешних выходных вентиляционных отверстий заднего диска располагают по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора напротив середины воздушного зазора между цилиндрическими магнитопроводами индуктора и якоря основного генератора, центры внутренних вентиляционных отверстий переднего диска располагают по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора, диаметр которой меньше внутреннего диаметра аксиального магнитопровода якоря возбудителя на величину диаметра внутренних вентиляционных отверстий, центры внешних вентиляционных отверстий переднего диска располагают по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора, диаметр которой больше наружного диаметра аксиального магнитопровода якоря возбудителя на величину диаметра внешних вентиляционных отверстий, при этом внутренние входные вентиляционные отверстия обтекателя располагают напротив внутренних вентиляционных отверстий переднего диска, внешние входные вентиляционные отверстия обтекателя располагают напротив внешних вентиляционных отверстий переднего диска.

Управляемый инвертор асинхронизированного синхронного аксиально-радиального ветрогенератора переменного тока выполняют содержащим:

1) ШИМ-контроллер, состоящий из блока сравнения, имеющего первый, второй, третий и четвертый входы и первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы, формирователя пилообразного сигнала, выход которого подключают к первому входу блока сравнения, и первого, второго и третьего формирователей синусоидального сигнала, выходы которых подключают соответственно ко второму, третьему и четвертому входам блока сравнения,

2) первый, второй и третий датчики напряжения, входы которых подключают соответственно к началам фаз А, В и С трехфазной обмотки якоря основного генератора, а выходы - ко входам первого, второго и третьего формирователей синусоидального сигнала ШИМ-контроллера соответственно;

3) первый и второй конденсаторы, имеющие положительный и отрицательный выводы, при этом положительный вывод первого конденсатора подключают к плюсовой клемме источника постоянного напряжения, отрицательный вывод второго конденсатора подключают к минусовой клемме источника постоянного напряжения, а отрицательный вывод первого конденсатора и положительный вывод второго конденсатора соединяют между собой;

4) первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, к каждому из которых подключают защитный диод, проводящий ток в направлении от эмиттера к коллектору транзистора, к которому он подключен,

при этом базу первого транзистора подключают к первому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу второго транзистора подключают ко второму выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу третьего транзистора подключают к третьему выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу четвертого транзистора подключают к четвертому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу пятого транзистора подключают к пятому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу шестого транзистора подключают к шестому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, при этом коллекторы первого, третьего и пятого транзисторов подключают к плюсовой клемме источника постоянного напряжения, а эмиттеры второго, четвертого и шестого транзисторов подключают к минусовой клемме источника постоянного напряжения, эмиттер первого транзистора и коллектор второго транзистора имеют общую точку, к которой подключают начало фазы А'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, эмиттер третьего транзистора и коллектор четвертого транзистора имеют общую точку, к которой подключают начало фазы В'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, эмиттер пятого транзистора и коллектор шестого транзистора имеют общую точку, к которой подключают начало фазы С'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, а концы фаз А'', В'' и С'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя соединяют между собой, с отрицательным выводом первого конденсатора и положительным выводом второго конденсатора.

Расширение области применения генератора осуществляется за счет улучшения его эксплуатационно-технических характеристик.

Улучшение эксплуатационно-технических характеристик ветрогенератора заключается в повышении качества вырабатываемой электроэнергии переменного тока и повышении надежности ветрогенератора

Повышение качества вырабатываемой электроэнергии переменного тока обеспечивается минимизацией отклонения выходного напряжения ветрогенератора от заданного по частоте и по амплитуде при изменении скорости набегающего воздушного потока.

Минимизации отклонения выходного напряжения ветрогенератора по частоте при изменении скорости набегающего воздушного потока достигается тем, что трехфазную обмотку возбуждения основного генератора, уложенную в пазы цилиндрического магнитопровода индуктора основного генератора, подключают к трехфазной обмотке якоря возбудителя с обратным по отношению к ней порядком чередования фаз. Такое подключение обеспечивает частоту напряжения, индуцируемого в трехфазной обмотке якоря основного генератора, равной:

где ƒ_яог - частота ЭДС, индуцируемой в трехфазной обмотке якоря основного генератора, р_ог - число пар полюсов индуктора основного генератора, n_вмпОГ - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке возбуждения основного генератора, n_р - скорость вращения наружного ротора, меняющаяся при изменении набегающего воздушного потока, k - коэффициент пропорциональности, равный отношению числа пар полюсов индуктора основного генератора к числу пар полюсов индуктора возбудителя, n_вмпВ - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке возбуждения возбудителя, определяемая по формуле:

где ƒ_вв ^_ частота напряжения, подаваемого на трехфазную обмотку возбуждения возбудителя, р_в - число пар полюсов индуктора возбудителя.

Таким образом, частота ƒ_яог напряжения, индуцируемого в трехфазной обмотке якоря основного генератора, пропорциональна частоте ƒ_вв напряжения, подаваемого на трехфазную обмотку возбуждения возбудителя, которая задается управляемым инвертором, вход которого подключен к началам фаз трехфазной обмотки якоря основного генератора, а выход - к началам фаз трехфазной обмотки возбуждения возбудителя.

Минимизация отклонения выходного напряжения ветрогенератора от заданного по амплитуде при изменении скорости набегающего воздушного потока достигается тем, что на внутренней поверхности тонкостенного цилиндра закрепляют управляемый инвертор, вход которого подключают к началам фаз трехфазной обмотки якоря основного генератора, а выход - к началам фаз трехфазной обмотки возбуждения возбудителя. Для реализации функции минимизации отклонения амплитуды выходного напряжения ветрогенератора от заданного этот инвертор выполняют из следующих элементов:

1) ШИМ-контроллер, состоящий из блока сравнения CP, имеющего первый, второй, третий и четвертый входы и первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы, формирователя пилообразного сигнала ФПС, выход которого подключают к первому входу блока сравнения CP, и первого, второго и третьего формирователей синусоидального сигнала ФСС_А, ФСС_В, ФСС_С, выходы которых подключают соответственно ко второму, третьему и четвертому входам блока сравнения CP,

2) первый ДН_А, второй ДН_В и третий ДН_С датчики напряжения, входы которых подключают соответственно к началам фаз А, В и С трехфазной обмотки якоря основного генератора, а выходы - ко входам первого, второго и третьего формирователей синусоидального сигнала ШИМ-контроллера соответственно;

3) первый и второй конденсаторы С1 и С2, имеющие положительный и отрицательный выводы, при этом положительный вывод первого конденсатора С1 подключают к плюсовой клемме источника постоянного напряжения, отрицательный вывод второго конденсатора С2 подключают к минусовой клемме источника постоянного напряжения, при этом отрицательный вывод первого конденсатора С1 и положительный вывод второго конденсатора С2 соединяют между собой;

4) первый VT1, второй VT2, третий VT3, четвертый VT4, пятый VT5 и шестой VT6 транзисторы, к каждому из которых подключают защитный диод, проводящий ток в направлении от эмиттера к коллектору транзистора, к которому он подключен,

при этом базу первого транзистора VT1 подключают к первому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу второго транзистора VT2 подключают ко второму выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу третьего транзистора VT3 подключают к третьему выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу четвертого транзистора VT4 подключают к четвертому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, базу пятого транзистора VT5 подключают к пятому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, база шестого транзистора VT6 подключают к шестому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера,

при этом коллекторы первого, третьего и пятого транзисторов VT1, VT3 и VT5 подключают к плюсовой клемме источника постоянного напряжения, а эмиттеры второго, четвертого и шестого транзисторов VT2, VT4, VT6 подключают к минусовой клемме источника постоянного напряжения, эмиттер первого транзистора VT1 и коллектор второго транзистора VT2 имеют общую точку, к которой подключают начало фазы А'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, эмиттер третьего транзистора VT3 и коллектор четвертого транзистора VT4 имеют общую точку, к которой подключают начало фазы В'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, эмиттер пятого транзистора VT5 и коллектор шестого транзистора VT6 имеют общую точку, к которой подключают начало фазы С'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, а концы фаз А'', В'' и С'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя соединяют между собой, с отрицательным выводом первого конденсатора С1 и положительным выводом второго конденсатора С2.

Первый ДН_А 36, второй ДН_В 37 и третий ДН_С 38 датчики напряжения, входы которых подключают соответственно к началам фаз А, В и С трехфазной обмотки якоря основного генератора, измеряют величину отклонения фактической амплитуды фазных напряжений фаз А, В и С трехфазной обмотки якоря основного генератора, от заданной.

Первый, второй и третий формирователи синусоидального сигнала ФСС_А, ФСС_В, ФСС_С, входы которых подключают к выходам соответствующих датчиков напряжения, формируют синусоидальные сигналы, пропорциональные отклонениям фактической амплитуды фазных напряжений фаз А, В и С трехфазной обмотки якоря основного генератора от заданной.

Блок сравнения CP обеспечивает: сравнение значений синусоидальных сигналов, поступающих с выходов формирователей синусоидального сигнала ФСС_А, ФСС_В, ФСС_С на его второй, третий и четвертый входы, со значением пилообразного сигнала, формируемого формирователем пилообразного сигнала ФПС и поступающего на его первый вход, формирование и последующую подачу соответствующих последовательностей импульсов со своих выходов на базы первого VT1, второго VT2, третьего VT3, четвертого VT4, пятого VT5 и шестого VT6 транзисторов, к каждому из которых подключают защитный диод, проводящий ток в направлении от эмиттера к коллектору транзистора, к которому он подключен.

Описанное выше соединение коллекторов и эмиттеров первого VT1, второго VT2, третьего VT3, четвертого VT4, пятого VT5 и шестого VT6 транзисторов между собой, с соответствующими началами фаз трехфазной обмотки возбуждения возбудителя позволяет обеспечить управление величиной средних значений фазных токов в трехфазной обмотке возбуждения возбудителя на уровне, необходимом для компенсации отклонения амплитуды выходного напряжения от заданного.

Повышение надежности ветрогенератора обеспечивается путем уменьшения вероятности перегрева обмоток возбудителя и основного генератора за счет облегчения теплового режима работы элементов ветрогенератора.

Облегчение теплового режима работы обеспечивают:

- внутренние и внешние входные вентиляционные отверстия обтекателя,

- внутренние и внешние вентиляционные отверстия переднего диска, в посадочное отверстие центральной части которого укладывают наружное кольцо переднего подшипникового узла,

- внутренние и внешние выходные вентиляционные отверстия заднего диска, в посадочное отверстие центральной части которого укладывают наружное кольцо заднего подшипникового узла,

- вентиляционные отверстия среднего диска, который жестко закрепляют на неподвижной оси, запрессованной в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы,

- проходные вентиляционные отверстия внутреннего диска тонкостенного цилиндра.

При этом внутренние входные вентиляционные отверстия обтекателя располагают напротив внутренних вентиляционных отверстий переднего диска, внешние входные вентиляционные отверстия обтекателя располагают напротив внешних вентиляционных отверстий переднего диска.

Облегчение теплового режима работы управляемого инвертора и его элементов достигается закреплением его на внутренней поверхности тонкостенного цилиндра с внутренним диском в непосредственной близости с проходными вентиляционными отверстиями внутреннего диска тонкостенного цилиндра и с внутренними выходными вентиляционными отверстиями заднего диска.

Облегчение теплового режима трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, уложенной в пазы аксиального магнитопровода индуктора возбудителя, жестко закрепленного на среднем диске с вентиляционными отверстиями, и трехфазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы аксиального магнитопровода якоря возбудителя, жестко закрепленного на переднем диске достигается тем, что:

- центры внутренних вентиляционных отверстий переднего диска располагают по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора, диаметр которой меньше внутреннего диаметра аксиального магнитопровода якоря возбудителя на величину диаметра внутренних вентиляционных отверстий,

- центры внешних вентиляционных отверстий переднего диска располагают по окружности с центром на оси симметрии ротора, диаметр которой больше наружного диаметра аксиального магнитопровода якоря возбудителя на величину диаметра внешних вентиляционных отверстий переднего диска,

- аксиальный магнитопровод якоря возбудителя закрепляют между внутренними и внешними вентиляционными отверстиями переднего диска.

Такое расположение указанных выше элементов предлагаемого ветрогенератора позволяет обеспечить протекание части набегающего воздушного потока напрямую:

- через внешние входные вентиляционные отверстия обтекателя, внешние вентиляционные отверстия переднего диска и охлаждать тем самым лобовые части трехфазных обмоток якоря и возбуждения возбудителя с внешней стороны аксиальных магнитопроводов якоря и индуктора возбудителя соответственно;

- через внутренние входные вентиляционные отверстия обтекателя, внутренние вентиляционные отверстия переднего диска, вентиляционные отверстия среднего диска и охлаждать тем самым лобовые части трехфазных обмоток якоря и возбуждения возбудителя с внутренней стороны аксиальных магнитопроводов якоря и индуктора возбудителя соответственно.

Облегчение теплового режима трехфазной обмотки якоря основного генератора, уложенной в пазы цилиндрического магнитопровода якоря основного генератора, жестко закрепленного на неподвижной оси посредством тонкостенного цилиндра, и трехфазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы цилиндрического магнитопровода индуктора основного генератора, жестко закрепленного на внутренней поверхности ступицы наружного ротора достигается тем, что:

- внешние входные вентиляционные отверстия обтекателя располагают напротив внешних вентиляционных отверстий переднего диска,

- центры внешних выходных вентиляционных отверстий заднего диска располагают по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора напротив середины воздушного зазора между цилиндрическими магнитопроводами индуктора и якоря основного генератора.

Такое расположение указанных выше элементов предлагаемого ветрогенератора позволяет обеспечить протекание части набегающего воздушного потока напрямую через внешние входные вентиляционные отверстия обтекателя, внешние вентиляционные отверстия переднего диска, воздушный зазор между цилиндрическими магнитопроводами индуктора и якоря основного генератора и выходить через внешние выходные вентиляционные отверстия заднего диска в атмосферу. При этом охлаждаются лобовые части трехфазных обмоток якоря и возбуждения и цилиндрические магнитопроводы индуктора и якоря основного генератора.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого асинхронизированного синхронного аксиально-радиального ветрогенератора переменного тока, на фиг. 2 - его электрическая схема, на фиг. 3 - осциллограммы напряжений в различных элементах управляемого инвертора.

Асинхронизированный синхронный аксиально-радиальный ветрогенератор переменного тока содержит неподвижную платформу 22, жестко закрепленную на штанге-держателе 24, передний 10 и задний 23 подшипниковые узлы, внутренний статор с неподвижной осью 9, запрессованной в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы 22, и наружный ротор, содержащий ступицу 2 с закрепленными на ее наружной поверхности лопастями 1, в передней части которой установлен обтекатель 11.

Ветрогенератор выполнен двухкаскадным и содержит возбудитель и основной генератор, элементы магнитной системы которых закреплены на внутреннем статоре и наружном роторе.

Обтекатель 11 выполнен с внутренними 12 и внешними 15 входными вентиляционными отверстиями, а ступица 2 наружного ротора содержит передний диск 4 с внутренними 13 и внешними 16 вентиляционными отверстиями и задний диск 17 с внутренними 21 и внешними 18 выходными вентиляционными отверстиями.

Ступица 2 наружного ротора установлена с возможностью вращения на неподвижной оси 9 внутреннего статора посредством переднего 10 и заднего 23 подшипниковых узлов, внутренние кольца которых установлены с натягом на неподвижной оси 9 внутреннего статора, наружное кольцо переднего подшипникового узла 10 уложено в посадочное отверстие в центральной части переднего диска 4, а наружное кольцо заднего подшипникового узла 23 уложено в посадочное отверстие в центральной части заднего диска 17.

Возбудитель состоит из аксиального магнитопровода 5 индуктора возбудителя, в пазы которого уложена трехфазная обмотка 7 возбуждения возбудителя, установленного на жестко закрепленном на неподвижной оси 9 внутреннего статора среднем диске 3 внутреннего статора с расположенными по окружности с центром на оси симметрии неподвижной оси 9 внутреннего статора вентиляционными отверстиями 14, и аксиального магнитопровода 6 якоря возбудителя, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода 5 индуктора возбудителя уложена трехфазная обмотка 8 якоря возбудителя, жестко закрепленного на переднем диске 4 между его внутренними 13 и внешними 16 вентиляционными отверстиями.

Основной генератор состоит из жестко закрепленного на внутренней поверхности ступицы 2 наружного ротора цилиндрического магнитопровода 28 индуктора основного генератора, в пазы которого уложена трехфазная обмотка 29 возбуждения основного генератора, подключенная к трехфазной обмотке якоря возбудителя 8 с обратным по отношению к ней порядком чередования фаз, и цилиндрического магнитопровода 26 якоря основного генератора, в пазы которого уложена трехфазная обмотка 27 якоря основного генератора, жестко закрепленного на неподвижной оси 9 внутреннего статора посредством тонкостенного цилиндра 30 с внутренним диском 19, имеющим проходные вентиляционные отверстия 20, расположенные по окружности с центром на оси симметрии неподвижной оси 9 внутреннего статора.

На внутренней поверхности тонкостенного цилиндра 30 с внутренним диском 19 в непосредственной близости с проходными вентиляционными отверстиями 20 закреплен управляемый инвертор 25. Вход управляемого инвертора 25 подключен к началам фаз трехфазной обмотки 27 якоря основного генератора, а выход - к началам фаз трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя (фиг. 2).

Центры внешних выходных вентиляционных отверстий 18 заднего диска 17 расположены по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора напротив середины воздушного зазора между цилиндрическими магнитопроводами 28 индуктора и 26 якоря основного генератора. Центры внутренних вентиляционных отверстий 13 переднего диска 4 расположены по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора, диаметр которой меньше внутреннего диаметра аксиального магнитопровода 6 якоря возбудителя на величину диаметра внутренних вентиляционных отверстий 13.

Центры внешних вентиляционных отверстий 16 переднего диска 4 расположены по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора, диаметр которой больше наружного диаметра аксиального магнитопровода 6 якоря возбудителя на величину диаметра внешних вентиляционных отверстий 16.

Внутренние входные вентиляционные отверстия 12 обтекателя 11 расположены напротив внутренних вентиляционных отверстий 13 переднего диска 4, а внешние входные вентиляционные отверстия 15 обтекателя 11 расположены напротив внешних вентиляционных отверстий 16 переднего диска 4.

Управляемый инвертор 25 содержит (фиг. 2):

1) ШИМ-контроллер 47, состоящий из блока сравнения CP 32, имеющего первый, второй, третий и четвертый входы и первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы, формирователя пилообразного сигнала ФПС 31, выход которого подключен к первому входу блока сравнения CP 32, и первого ФСС_А 33, второго ФСС_В 34 и третьего ФСС_С 35 формирователей синусоидального сигнала, выходы которых подключены соответственно ко второму, третьему и четвертому входам блока сравнения CP 32,

2) Первый ДН_А 36, второй ДН_В 37 и третий ДН_С 38 датчики напряжения, входы которых подключены соответственно к началам фаз А, В и С трехфазной обмотки 27 якоря основного генератора, а выходы - ко входам первого ФСС_А 33, второго ФСС_В 34 и третьего ФСС_С 35 формирователей синусоидального сигнала ШИМ-контроллера 47 соответственно;

3) Первый С1 39 и второй С2 40 конденсаторы, имеющие положительный и отрицательный выводы. Положительный вывод первого конденсатора С1 39 подключен к плюсовой клемме источника постоянного напряжения, отрицательный вывод второго конденсатора С2 40 подключен к минусовой клемме источника постоянного напряжения. Отрицательный вывод первого конденсатора С1 39 и положительный вывод второго конденсатора С2 40 соединены между собой;

4) Первый VT1 41, второй VT2 42, третий VT3 43, четвертый VT4 44, пятый VT5 45 и шестой VT6 46 транзисторы, к каждому из которых подключен защитный диод, проводящий ток в направлении от эмиттера к коллектору транзистора, к которому он подключен.

База первого транзистора VT1 41 подключена к первому выходу блока сравнения CP 32 ШИМ-контроллера 47. База второго транзистора VT2 42 подключена ко второму выходу блока сравнения CP 32 ШИМ-контроллера 47. База третьего транзистора VT3 43 подключена к третьему выходу блока сравнения CP 32 ШИМ-контроллера 47. База четвертого транзистора VT4 44 подключена к четвертому выходу блока сравнения CP 32 ШИМ-контроллера 47. База пятого транзистора VT5 45 подключена к пятому выходу блока сравнения 32 ШИМ-контроллера 47. База шестого транзистора VT6 46 подключена к шестому выходу блока сравнения CP 32 ШИМ-контроллера 47.

Коллекторы первого VT1 41, третьего VT3 43 и пятого VT5 45 транзисторов, подключены к плюсовой клемме источника постоянного напряжения, а эмиттеры второго VT2 42, четвертого VT4 44 и шестого VT6 46 транзисторов, подключены к минусовой клемме источника постоянного напряжения.

Эмиттер первого транзистора VT1 41 и коллектор второго транзистора VT2 42 имеют общую точку, к которой подключено начало фазы А'' трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя.

Эмиттер третьего транзистора VT3 43 и коллектор четвертого транзистора VT4 44 имеют общую точку, к которой подключено начало фазы В'' трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя.

Эмиттер пятого транзистора VT5 45 и коллектор шестого транзистора VT6 46 имеют общую точку, к которой подключено начало фазы С'' трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя.

Концы фаз А'', В'' и С'' трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя соединены между собой, с отрицательным выводом первого конденсатора С1 39 и положительным выводом второго конденсатора С2 40.

Асинхронизированный синхронный аксиально-радиальный ветрогенератор переменного тока работает следующим образом.

При набегании воздушного потока (ветра или воздушного потока, возникающего при движении подвижного объекта, на котором установлен предлагаемый ветрогенератор, например, самолета, автомобиля) обтекатель 11 разделяет этот поток на три контура: первый, второй и третий.

Набегающий воздушный поток первого воздушного контура обтекает внешнюю поверхность обтекателя 11 и внешнюю сторону ступицы 2, воздействует на лопасти 1 и приводит во вращение наружный ротор (ступицу 2 с закрепленными на ее наружной поверхности лопастями 1, обтекатель 11, аксиальный магнитопровод 6 якоря возбудителя с трехфазной обмоткой 8 якоря возбудителя, жестко закрепленный на переднем диске 4, цилиндрический магнитопровод 28 индуктора основного генератора с трехфазной обмоткой 29 возбуждения основного генератора, жестко закрепленный на внутренней поверхности ступицы 2 наружного ротора), установленный посредством переднего 10 и заднего 23 подшипниковых узлов на неподвижной оси 9 внутреннего статора, запрессованной в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы 22, жестко закрепленной на штанге-держателе 24.

Воздушный поток второго воздушного контура, направленный обтекателем 11 через внешние входные вентиляционные отверстия 15 обтекателя 11 и внешние вентиляционные отверстия 16 переднего диска 4 во внутреннюю полость ветрогенератора, проходит мимо лобовых частей трехфазных обмоток 8 якоря и 7 возбуждения возбудителя с внешней стороны аксиальных магнитопроводов 6 якоря и 5 индуктора возбудителя и охлаждает их, отбирая от них тепло. Затем этот воздушный поток проходит через воздушный зазор между цилиндрическим магнитопроводом 28 индуктора основного генератора, в пазы которого уложена трехфазная обмотка 29 возбуждения основного генератора, и жестко закрепленным на неподвижной оси 9 внутреннего статора посредством тонкостенного цилиндра 30 с внутренним диском 19 цилиндрическим магнитопроводом 26 якоря основного генератора, в пазы которого уложена трехфазная обмотка 27 якоря основного генератора, охлаждает цилиндрические магнитопроводы 27 якоря и 28 индуктора и трехфазные обмотки 29 возбуждения и 28 якоря основного генератора, отбирая от них тепло, и выходит через внешние выходные вентиляционные отверстия 18 заднего диска 17 в атмосферу.

Воздушный поток третьего воздушного контура, направленный обтекателем 11 через внутренние входные вентиляционные отверстия 12 обтекателя 11 и внутренние вентиляционные отверстия 13 переднего диска 4 во внутреннюю полость ветрогенератора, проходит мимо лобовых частей трехфазных обмоток 8 якоря и 7 возбуждения возбудителя с внутренней стороны аксиальных магнитопроводов 6 якоря и 5 индуктора возбудителя, охлаждает их, отбирая от них тепло. Затем этот воздушный поток проходит через вентиляционные отверстия 14 среднего диска 3, проходные вентиляционные отверстия 20 внутреннего диска 19 тонкостенного цилиндра 30, отбирает тепло от управляемого инвертора 25, охлаждая его, и через внутренние выходные вентиляционные отверстия 21 заднего диска 17 выходит в атмосферу, рассеивая тепло, отведенное от внутренних элементов предлагаемого ветрогенератора.

Одновременно на трехфазную обмотку 7 возбуждения возбудителя (фиг.1, 2) с выхода управляемого инвертора 25 подается трехфазный ШИМ сигнал, имитирующий синусоидальное напряжение с заданными амплитудой и частотой

где ƒ₂₅ - заданная частота напряжения, генерируемого управляемым инвертором 25, ƒ₇ - частота напряжения, подаваемого на трехфазную обмотку 7 возбуждения возбудителя.

Под действием этого напряжения в фазах трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя протекает трехфазный ток, который создает в воздушном зазоре возбудителя вращающееся магнитное поле.

Это магнитное поле вращается со скоростью:

где ƒ₇ - частота напряжения, подаваемого на трехфазную обмотку 7 возбуждения возбудителя, р₇ - число пар полюсов индуктора возбудителя, n_вмп7 - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя, и индуцирует в трехфазной обмотке 8 якоря возбудителя трехфазную ЭДС, частота которой равна:

где ƒ₈ - частота ЭДС, индуцируемой в трехфазной обмотке 8 якоря возбудителя, р₇ - число пар полюсов индуктора возбудителя, n_вмп7 - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя.

При вращении наружного ротора с трехфазной обмоткой 8 якоря возбудителя и трехфазной обмоткой 29 возбуждения основного генератора частота ЭДС, индуцируемой в трехфазной обмотке 8 якоря возбудителя определяется суммой скорости вращения магнитного поля n_вмп7, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя, и скорости вращения наружного ротора n_р, меняющейся при изменении набегающего воздушного потока, и определяется по формуле:

где ƒ₈ - частота ЭДС, индуцируемой в трехфазной обмотке 8 якоря возбудителя, р₇ - число пар полюсов индуктора возбудителя, n_вмп7 - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя, n_р - скорость вращения наружного ротора, меняющаяся при изменении набегающего воздушного потока.

Трехфазная ЭДС с трехфазной обмотки 8 якоря возбудителя подается на трехфазную обмотку 29 возбуждения основного генератора. Под действием этой ЭДС в фазах трехфазной обмотки 29 возбуждения основного генератора протекает трехфазный электрический ток, который создает в воздушном зазоре основного генератора (фиг. 1, 2) вращающееся магнитное поле. В связи с тем, что трехфазная обмотка 29 возбуждения основного генератора подключена к трехфазной обмотке 8 якоря возбудителя с обратным по отношению к ней порядком чередования фаз, это вращающееся магнитное поле вращается со скоростью n_вмп29, равной по величине сумме скорости вращения магнитного поля n_вмп7, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя, и скорости вращения наружного ротора n_р, меняющейся при изменении набегающего воздушного потока, но в обратном направлении:

где n_вмп29 - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 29 возбуждения основного генератора, n_вмп7 - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя, n_р - скорость вращения наружного ротора, меняющаяся при изменении набегающего воздушного потока.

Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазным электрическим током, протекающим в фазах трехфазной обмотки 29 возбуждения основного генератора, индуцирует в трехфазной обмотке 27 якоря основного генератора трехфазную ЭДС, частота которой при вращении наружного ротора определяется разностью скорости вращения наружного ротора n_р, меняющейся при изменении набегающего воздушного потока, и скорости вращения магнитного поля n_вмп29, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 29 возбуждения основного генератора, и с учетом формулы (9) определяется по формуле:

где ƒ₂₇ - частота ЭДС, индуцируемой в трехфазной обмотке 27 якоря основного генератора, р₂₉ - число пар полюсов индуктора основного генератора, n_вмп29 - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 29 возбуждения основного генератора, n_вмп7 - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя, n_р - скорость вращения наружного ротора, меняющаяся при изменении набегающего воздушного потока.

С учетом формул (6) и (5) формула для определения частоты ЭДС в трехфазной обмотке 27 якоря основного генератора примет вид:

где ƒ₂₇ - частота ЭДС, индуцируемой в трехфазной обмотке 27 якоря основного генератора, р₂₉ - число пар полюсов индуктора основного генератора, n_вмп7 - скорость вращения магнитного поля, индуцируемого током, протекающим в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя, ƒ₇ - частота напряжения, подаваемого на трехфазную обмотку 7 возбуждения возбудителя, ƒ₂₅ - заданная частота напряжения, генерируемого управляемым инвертором 25, k - коэффициент пропорциональности, равный отношению числа пар полюсов индуктора основного генератора к числу пар полюсов индуктора возбудителя.

Таким образом, частота ƒ₂₇ трехфазной ЭДС, индуцируемой в трехфазной обмотке 27 якоря основного генератора зависит только от заданной частоты ƒ₂₅ напряжения, формируемого на выходе управляемого инвертора 25 и подаваемого на трехфазную обмотку 7 возбуждения возбудителя, а величина скорости n_р вращения наружного ротора не влияет на частоту ƒ₂₇ трехфазной ЭДС, индуцируемой в трехфазной обмотке 27 якоря основного генератора, то есть на частоту выходного напряжения предлагаемого ветрогенератора.

В связи с этим, при подаче от управляемого инвертора 25 напряжения стабильной частоты на трехфазную обмотку 7 возбуждения возбудителя частота напряжения на выходе предлагаемого ветрогенератора будет стабильной без принятия дополнительных мер и определятся по формуле (11).

Регулирование амплитуды выходного напряжения в трехфазной обмотке якоря 27 основного генератора осуществляется путем изменения скважности у импульсов при формировании ШИМ-сигнала, подаваемого на трехфазную обмотку 7 возбуждения возбудителя с выхода управляемого инвертора 25 - точек А'', В'' и С'' (фиг. 2, 3).

Это происходит следующим образом.

Фазные напряжения фаз А, В и С трехфазной обмотки 27 якоря основного генератора поступают на входы соответственно первого ДН_А 36, второго ДН_В 37 и третьего ДН_С 38 датчиков напряжения (фиг. 2), которые формируют сигналы, пропорциональные разности заданного и текущего значений фазных напряжений трехфазной обмотки 27 якоря основного генератора.

Эти сигналы с выходов первого ДН_А 36, второго ДН_В 37 и третьего ДН_С 38 датчиков напряжения поступают на входы первого ФСС_А 33, второго ФСС_В 34 и третьего ФСС_С 35 формирователей синусоидального сигнала ШИМ-контроллера 47 соответственно. Формирователи синусоидального сигнала ФСС_А 33, ФСС_В 34 и ФСС_С 35 формируют синусоидальные сигналы, соответствующие разности заданного и текущего амплитудных значений напряжения в соответствующих фазах, и подают эти сигналы на входы блока сравнения CP 32. При этом на второй вход блока сравнения CP 32 поступает сигнал с выхода первого формирователя синусоидального сигнала ФСС_А 33, на третий вход поступает сигнал с выхода второго формирователя синусоидального сигнала ФСС_В 34, на четвертый вход поступает сигнал с выхода третьего формирователя синусоидального сигнала ФСС_С 35. Одновременно на первый вход блока сравнения CP 32 поступает сигнал с выхода формирователя пилообразного сигнала ФПС 31.

В блоке сравнения CP 32 значение каждого из синусоидальных сигналов, поступающих с выходов первого ФСС_А 33, второго ФСС_В 34 и третьего ФСС_С 35 формирователей синусоидального сигнала, сравнивается в каждый момент времени со значением пилообразного сигнала, поступающего с выхода формирователя пилообразного сигнала ФПС 31 (фиг. 3 а).

Если напряжение U_ФПС, поступающее с выхода формирователя пилообразного сигнала ФПС 31, выше напряжения U_ФССА, поступающего с выхода первого формирователя синусоидального сигнала ФСС_А 33, то на первом выходе блока сравнения CP 32 формируется положительный импульс напряжения U_VT1>0 (фиг.3 б). Этот импульс подается на базу первого транзистора VT1 41 и открывает его. Одновременно на втором выходе блока сравнения CP 32 формируется пауза (напряжение отсутствует). Второй транзистор VT2 42 находится в закрытом состоянии.

Отношение периода пилообразного сигнала ко времени открытого состояния соответствующего транзистора определяет величину скважности у импульса, снимаемого с коллектора соответствующего транзистора и подаваемого на соответствующую фазу трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя.

Если напряжение U_ФПС, поступающее с выхода формирователя пилообразного сигнала ФПС 31, ниже напряжения U_ФCCA, поступающего с выхода первого формирователя синусоидального сигнала ФСС_А 33, то на первом выходе блока сравнения CP 32 формируется пауза (напряжение отсутствует) U_VT1<0 (фиг.3 б). Первый транзистор VT1 41 находится в закрытом состоянии. Одновременно на втором выходе блока сравнения CP 32 формируется положительный импульс напряжения. Этот импульс подается на базу второго транзистора VT2 42 и открывает его.

Таким образом, когда первый транзистор VT1 41 открыт, второй транзистор VT2 42 закрыт, и наоборот.

Аналогичным образом в блоке сравнения CP 32 производится сравнение напряжения U_ФПС, поступающего с выхода формирователя пилообразного сигнала ФПС 31, с напряжениями U_ФССВ и U_ФССС, поступающих соответственно с выходов второго ФСС_В 34 и третьего ФСС_С 35 формирователей синусоидального сигнала (фиг. 2, 3). В результате этого сравнения формируются положительные импульсы и паузы для управления открытием и закрытием третьего VT3 43, четвертого VT4 44, пятого VT5 45 и шестого VT6 46 транзисторов. При этом, когда третий транзистор VT3 43 открыт, четвертый транзистор VT4 44 закрыт, и наоборот; когда пятый транзистор VT5 45 открыт, шестой транзистор VT6 46 закрыт, и наоборот (фиг. 3 б).

В момент, когда первый транзистор VT1 41 открыт, а второй транзистор VT2 42 закрыт, точка А'' подключается к положительному выводу первого конденсатора С1 39 и плюсовой клемме источника постоянного напряжения. В момент, когда первый транзистор VT1 41 закрыт, а второй транзистор VT42 42 открыт, точка А'' подключается к отрицательному выводу второго конденсатора С2 40 и к минусовой клемме источника постоянного напряжения.

Первый С1 39 и второй С2 40 конденсаторы (фиг. 2) образуют делитель напряжения. На отрицательном выводе конденсатора С1 39 и положительном выводе конденсатора С2 40, соединенными между собой и подключенными к точке О'' в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя, напряжение равно половине напряжения питания U_ПИТ, что позволяет получать в каждой из фаз трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя импульсы с амплитудой U_ПИТ/2 положительного (+U_ПИТ/2) и отрицательного (-U_ПИТ/2) напряжения по отношению к потенциалу точки О'' при работе от источника питания с напряжением U_ПИТ (фиг. 3 г).

При формировании сигналов в соответствии с приведенным выше описанием линейное напряжение между точками А'' и В'' (фиг. 2, 3) имеет вид, представленный на фиг. 3 в. Аналогичный вид имеют линейные напряжения между точками В'' и С'', А'' и С'' (фиг. 2, 3).

Фазное напряжение фазы А'' управляемого инвертора представлено на фиг.3 д. На фиг.3 д видно, что фазный ток в фазе А'' имеет вид, близкий к синусоидальному.

При уменьшении значения выходного напряжения в фазе А трехфазной обмотки 27 якоря основного генератора ниже заданного уровня амплитуда синусоидального сигнала, формируемого на выходе первого формирователя синусоидального сигнала ФСС_А 33, также уменьшается (в соответствии с алгоритмами процесса регулирования напряжения). При этом блок сравнения CP 32 сравнивает значение пилообразного сигнала в каждый момент времени со значением положительной полуволны синусоидального сигнала, формируемого первым формирователем синусоидального сигнала ФСС_А 33, уменьшая при этом скважность у импульсов, управляющих работой первого транзистора VT1 41, которая определяется по формуле:

где Т - период следования импульсов, τ - длительность импульса.

Одновременно блок сравнения CP 32 сравнивает значение пилообразного сигнала в каждый момент времени со значением отрицательной полуволны синусоидального сигнала, формируемого первым формирователем синусоидального сигнала ФСС_А 33, увеличивая при этом скважность у импульсов, управляющих работой второго транзистора VT2 42.

Вследствие этого среднее значение положительного потенциала в точке А'' (фиг. 2) возрастает, фазный ток в фазе А'' трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя возрастает.

Аналогичным образом измеряется величина напряжения в фазах В и С трехфазной обмотки 27 якоря основного генератора и регулируется скважность у импульсов, управляющих работой третьего VT3 43 и четвертого VT4 44 транзисторов, регулирующих потенциал точки В'', а следовательно - амплитуду фазного напряжения и тока фазы В трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя, и пятого VT5 45 и шестого VT6 46 транзисторов, регулирующих потенциал точки С'', а следовательно - амплитуду фазного напряжения и тока фазы С'' трехфазной обмотки 7 возбуждения возбудителя.

При увеличении фазных токов в трехфазной обмотке 7 возбуждения возбудителя увеличивается магнитный поток, создаваемый этой обмоткой. В результате этого увеличивается величина ЭДС, создаваемой в трехфазной обмотке 8 якоря возбудителя при вращении ротора ветрогенератора. При этом увеличивается величина тока в трехфазной обмотке 29 возбуждения основного генератора. Вследствие этого увеличивается магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, что вызывает увеличение значения ЭДС, создаваемой в трехфазной обмотке 27 якоря основного генератора при вращении ротора ветрогенератора. Таким образом амплитудное значение выходного напряжения увеличивается до заданного.

При увеличении значения выходного напряжения в фазах трехфазной обмотки 27 якоря основного генератора выше заданного уровня процесс регулирования осуществляется аналогично путем увеличения скважности у импульсов, управляющих работой первого VT1 41, третьего VT3 43 и пятого VT5 45 транзисторов, и уменьшения скважности у импульсов, управляющих работой второго VT2 42, четвертого VT4 44 и шестого VT6 46 транзисторов.

Таким образом, совокупность представленных признаков позволяет расширить область применения асинхронизированного синхронного аксиально-радиального ветрогенератора переменного тока за счет улучшения его эксплуатационно-технических характеристик, а именно: за счет повышения качества вырабатываемой электроэнергии переменного тока путем минимизации отклонения выходного напряжения генератора от заданного по частоте и по амплитуде при изменении скорости набегающего воздушного потока, повышения надежности ветрогенератора путем уменьшения вероятности перегрева обмоток возбудителя и основного генератора посредством облегчения теплового режима работы элементов ветрогенератора.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к ветроэлектрическим преобразователям энергии, и может быть использовано в качестве преобразователя кинетической энергии набегающего воздушного потока (например, энергии набегающего воздушного потока при использовании на подвижных локальных объектах, энергии ветра при использовании на неподвижных локальных объектах) в электрическую энергию переменного тока. Технический результат - улучшение эксплуатационно-технических характеристик ветрогенератора, а именно: повышение качества вырабатываемой электроэнергии переменного тока за счет минимизации отклонения выходного напряжения генератора от заданного по частоте и по амплитуде при изменении скорости набегающего воздушного потока, повышение надежности ветрогенератора путем уменьшения вероятности перегрева обмоток возбудителя и основного генератора за счет облегчения теплового режима работы элементов ветрогенератора. Технический результат достигается тем, что в асинхронизированном синхронном аксиально-радиальном ветрогенераторе переменного тока, содержащем неподвижную платформу, жестко закрепленную на штанге-держателе, передний и задний подшипниковые узлы, внутренний статор с неподвижной осью, запрессованной в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы, и наружный ротор, содержащий ступицу с закрепленными на ее наружной поверхности лопастями, в передней части которой установлен обтекатель. Ветрогенератор выполнен двухкаскадным и содержит возбудитель и основной генератор, элементы магнитной системы которых закреплены на внутреннем статоре и наружном роторе. Возбудитель состоит из аксиального магнитопровода индуктора возбудителя, в пазы которого уложена трехфазная обмотка возбуждения возбудителя и аксиального магнитопровода якоря возбудителя. Также ветрогенератор содержит инвертор, вход которого подключен к началам фаз трехфазной обмотки якоря основного генератора, а выход - к началам фаз трехфазной обмотки возбуждения возбудителя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Асинхронизированный синхронный аксиально-радиальный ветрогенератор переменного тока, содержащий неподвижную платформу, жестко закрепленную на штанге-держателе, передний и задний подшипниковые узлы, внутренний статор с неподвижной осью, запрессованной в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы, и наружный ротор, содержащий ступицу с закрепленными на ее наружной поверхности лопастями, в передней части которой установлен обтекатель, при этом ветрогенератор выполнен двухкаскадным и содержит возбудитель и основной генератор, элементы магнитной системы которых закреплены на внутреннем статоре и наружном роторе, отличающийся тем, что обтекатель выполнен с внутренними и внешними входными вентиляционными отверстиями, а ступица наружного ротора содержит передний диск с внутренними и внешними вентиляционными отверстиями и задний диск с внутренними и внешними выходными вентиляционными отверстиями, при этом ступица наружного ротора установлена с возможностью вращения на неподвижной оси внутреннего статора посредством переднего и заднего подшипниковых узлов, внутренние кольца которых установлены с натягом на неподвижной оси внутреннего статора, наружное кольцо переднего подшипникового узла уложено в посадочное отверстие в центральной части переднего диска, а наружное кольцо заднего подшипникового узла уложено в посадочное отверстие в центральной части заднего диска, при этом возбудитель состоит из аксиального магнитопровода индуктора возбудителя, в пазы которого уложена трехфазная обмотка возбуждения возбудителя, установленного на жестко закрепленном на неподвижной оси внутреннего статора среднем диске внутреннего статора с расположенными по окружности с центром на оси симметрии неподвижной оси внутреннего статора вентиляционными отверстиями, и аксиального магнитопровода якоря возбудителя, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода индуктора возбудителя уложена трехфазная обмотка якоря возбудителя, жестко закрепленного на переднем диске между его внутренними и внешними вентиляционными отверстиями, а основной генератор состоит из жестко закрепленного на внутренней поверхности ступицы наружного ротора цилиндрического магнитопровода индуктора основного генератора, в пазы которого уложена трехфазная обмотка возбуждения основного генератора, подключенная к трехфазной обмотке якоря возбудителя с обратным по отношению к ней порядком чередования фаз, и цилиндрического магнитопровода якоря основного генератора, в пазы которого уложена трехфазная обмотка якоря основного генератора, жестко закрепленного на неподвижной оси внутреннего статора посредством тонкостенного цилиндра с внутренним диском, имеющим проходные вентиляционные отверстия, расположенные по окружности с центром на оси симметрии неподвижной оси внутреннего статора, при этом на внутренней поверхности тонкостенного цилиндра с внутренним диском в непосредственной близости с проходными вентиляционными отверстиями закреплен управляемый инвертор, вход которого подключен к началам фаз трехфазной обмотки якоря основного генератора, а выход - к началам фаз трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, при этом центры внешних выходных вентиляционных отверстий заднего диска расположены по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора напротив середины воздушного зазора между цилиндрическими магнитопроводами индуктора и якоря основного генератора, центры внутренних вентиляционных отверстий переднего диска расположены по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора, диаметр которой меньше внутреннего диаметра аксиального магнитопровода якоря возбудителя на величину диаметра внутренних вентиляционных отверстий, центры внешних вентиляционных отверстий переднего диска расположены по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора, диаметр которой больше наружного диаметра аксиального магнитопровода якоря возбудителя на величину диаметра внешних вентиляционных отверстий, при этом внутренние входные вентиляционные отверстия обтекателя расположены напротив внутренних вентиляционных отверстий переднего диска, внешние входные вентиляционные отверстия обтекателя расположены напротив внешних вентиляционных отверстий переднего диска.

2. Асинхронизированный синхронный аксиально-радиальный ветрогенератор переменного тока по п. 1, отличающийся тем, что управляемый инвертор содержит:

- ШИМ-контроллер, состоящий из блока сравнения, имеющего первый, второй, третий и четвертый входы и первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы, формирователя пилообразного сигнала, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, и первого, второго и третьего формирователей синусоидального сигнала, выходы которых подключены соответственно ко второму, третьему и четвертому входам блока сравнения,

- первый, второй и третий датчики напряжения, входы которых подключены соответственно к началам фаз А, В и С трехфазной обмотки якоря основного генератора, а выходы - ко входам первого, второго и третьего формирователей синусоидального сигнала ШИМ-контроллера соответственно;

- первый и второй конденсаторы, имеющие положительный и отрицательный выводы, при этом положительный вывод первого конденсатора подключен к плюсовой клемме источника постоянного напряжения, отрицательный вывод второго конденсатора подключен к минусовой клемме источника постоянного напряжения, а отрицательный вывод первого конденсатора и положительный вывод второго конденсатора соединены между собой;

- первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, к каждому из которых подключен защитный диод, проводящий ток в направлении от эмиттера к коллектору транзистора, к которому он подключен, при этом база первого транзистора подключена к первому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, база второго транзистора подключена ко второму выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, база третьего транзистора подключена к третьему выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, база четвертого транзистора подключена к четвертому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, база пятого транзистора подключена к пятому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, база шестого транзистора подключена к шестому выходу блока сравнения ШИМ-контроллера, при этом коллекторы первого, третьего и пятого транзисторов подключены к плюсовой клемме источника постоянного напряжения, а эмиттеры второго, четвертого и шестого транзисторов подключены к минусовой клемме источника постоянного напряжения, при этом эмиттер первого транзистора и коллектор второго транзистора имеют общую точку, к которой подключено начало фазы А'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, эмиттер третьего транзистора и коллектор четвертого транзистора имеют общую точку, к которой подключено начало фазы В'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, эмиттер пятого транзистора и коллектор шестого транзистора имеют общую точку, к которой подключено начало фазы С'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя, а концы фаз А'', В'' и С'' трехфазной обмотки возбуждения возбудителя соединены между собой, с отрицательным выводом первого конденсатора и положительным выводом второго конденсатора.