Винахід відноситься до області електротехніки, а саме до спеціальних електричних машин, і стосується конструкцій асинхронних генераторів (АГ) з самозбудженням, використовуваних в установках автономного електропостачання. Технічний результат від використання даного винаходу - забезпечення надійної роботи АГ в екстремальних умовах навколишнього середовища, а також зниження масогабаритних показників АГ, які працюють в герметичних об'єктах енергогенеруючих установок. Суть винаходу полягає в наступному. В асинхронному генераторі, що містить ротор з короткозамкненою обмоткою і статор, виконаний у вигляді сердечника з Z зубцями з розміщеною в пазах обмоткою, а також конденсатори збудження, відповідно до винаходу обмотка статора виконана у вигляді Z стрижнів, замкнутих з одного боку короткозамикающего кільцем. При цьому генератор містить додатковий муздрамтеатр з пазами, в яких розміщені трифазна обмотка і електропровідні стрижні, з'єднані з одного боку з Z стрижнями обмотки статора, а з іншого - замкнуті другим короткозамикающего кільцем, утворюючи Z-фазну обмотку. 4 з.п. ф-ли, 3 мул.
Винахід відноситься до області спеціальних електричних машин, а саме до конструкції асинхронних генераторів (АГ) з самозбудженням, використовуваних в установках автономного електропостачання.
Відомий АГ з самозбудженням, що містить ротор з короткозамкненою обмоткою і розташований через робочий зазор статор, виконаний у вигляді сердечника з Z зубцями з розміщеною в пазах обмотки статора, до якої підключена навантаження, а також конденсатори збудження [1, с.590-592].
Відомі конструкції АГ мають загальновідомими і незаперечними перевагами: простотою і високою надійністю, невисокою вартістю, малою чутливістю до короткого замикання і т.д. В силу цього АГ знаходять все більш широке застосування в якості генеруючих пристроїв для поновлюваних джерел електроенергії, для живлення бортових мереж мобільних об'єктів та ін. Сучасна тенденція розвитку електроенергетики передбачає, що в цих сферах для живлення автономних електроприймачів потужністю до 400 кВт найдоцільніше застосування АГ замість синхронних генераторів.
Однак традиційні АГ мають недоліками, що обмежують їх застосування. До них відносяться: статистичний характер порушення АГ, що залежить від випадкових факторів, збудження АГ переважно при швидкостях, рівних або перевищують синхронну, необхідність мати стороннього джерела реактивної потужності (зазвичай батарея конденсаторів), необхідний для створення реактивних струмів для намагнічування машини, а також покриває потреби в реактивної потужності з боку навантаження, якщо остання носить активно-індуктивний характер. При цьому потужність конденсаторів в схемі AГ з самозбудженням повинна бути досить великою (приблизно рівною активної потужності AГ) [1]. Ще одним недоліком відомих конструкцій АГ є їх недостатня надійність в умовах роботи генераторних установок з екстремальними умовами навколишнього середовища, наприклад, з високою вологістю (або просто водне середовище) і температурою (понад 120 ° С), які характерні для енергогенеруючих установок автономних об'єктів малої потужності , наприклад, мікроГЕС, бензоелектростанціі і ін.
Також відомий асинхронний генератор з самозбудженням, що містить ротор з короткозамкненою обмоткою і розташований через робочий зазор статор, виконаний у вигляді сердечника з Z зубцями з розміщеною в пазах обмотки статора, забезпечений постійними магнітами, розташованими в магнітному колі генератора, а також конденсатори збудження, описаний в [2] і прийнятий як прототип. Цей АГ, названий його авторами як асинхронний генератор з гарантованим самозбудженням (АГГС) [3], усуває статистичний характер порушення, характерний для звичайного АГ, а також забезпечує гарантоване збудження при низьких швидкостях обертання ротора і має відносно меншу реактивну потужність конденсаторів в порівнянні з традиційними конструкціями АГ. Однак, як і звичайні асинхронні генератори [1], АГГС [2] також має недостатньо високу надійність при роботі з вищеназваними екстремальними умовами навколишнього середовища. Це пояснюється присутністю в АГ і АГГС провідникової ізоляції обмотки статора, яка не розрахована на роботу в цих умовах. Досить високе значення міжфазного напруги обмотки статора (лінійна напруга 380 В), під яке потрапляють провідники різних фаз, розміщених в одному пазу або в одному місці лобовій частині обмотки, може також призвести до відмови в роботі АГ і АГГС в цих умовах. Посилення ізоляції в машинах, що працюють в цих умовах, або прийняття інших спеціальних заходів призводить до значного зменшення коефіцієнта заповнення провідниками пазів статора і тим самим до суттєвого зменшення питомої потужності цих машин. Цей фактор вступає в протиріччя з вимогою зменшення маси і габаритів і збільшення питомої потужності генераторів, що працюють в автономних об'єктах з екстремальними умовами навколишнього середовища.
Завданням запропонованого винаходу є розширення області застосування і підвищення енергетичних характеристик і надійності асинхронних генераторів, що працюють в енергогенеруючих установках автономних об'єктів з екстремальними умовами навколишнього середовища,
Технічним результатом, на досягнення якого спрямована винахід, є надійна робота АГ в хімічно агресивних, радіаційних і вибухонебезпечних газоподібних і рідких середовищах при високих тисках (до 100 МПа) і температурі (до 600 ° С), а також істотне збільшення питомої потужності АГ і, отже, зниження масогабаритних показників цих машин, що працюють в автономних об'єктах енергогенеруючих установок.
Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в асинхронному генераторі, як і в АГГС [2], що містить ротор з короткозамкненою обмоткою і розташований через робочий зазор статор, виконаний у вигляді сердечника з Z зубцями з розміщеною в пазах обмотки статора, а також конденсатори збудження , на відміну від прототипу обмотка статора виконана у вигляді Z стрижнів, замкнутих з одного боку короткозамикающего (КЗ) кільцем, генератор містить додатковий муздрамтеатр з пазами, в яких розміщені ізольовані провідники трифазної обмотки і електропровідні стрижні, з'єднані з одного боку з Z стрижнями обмотки статора, а з іншого замкнуті другим кз-кільцем, утворюючи Z-фазну обмотку АГ.
При цьому додатковий муздрамтеатр виконаний з коаксіально розташованих циліндричних зубчастих сердечників, що примикають зубцями один до одного, з пазами, в одних з яких розташовані електропровідні стрижні, а в інших - провідники трифазної обмотки. Ротор асинхронного генератора забезпечений постійними магнітами, які розміщені рівномірно по зубців ротора врівень з його поверхнею, утворюючи чергуються полюса, причому число зубців ротора кратно числу постійних магнітів. Статор і ротор асинхронного генератора можуть бути розташовані всередині герметичного об'єкта і відокремлені від додаткового муздрамтеатру герметичною перегородкою, причому стрижні обмотки статора і електропровідні стержні, розміщені в додатковому муздрамтеатрі, що утворюють Z-фазну обмотку, електрично з'єднані через гермовводи, розташовані в герметичній перегородці. Нарешті конденсатори збудження, як і трифазна навантаження, підключені до фаз трифазної обмотки, розміщеної в додатковому муздрамтеатрі.
Виконання АГ відповідно до вищезгаданими основними ознаками розширює можливі сфери застосування, а також підвищує енергетичні характеристики і надійність заявляється конструкції за рахунок відсутності провідникової та пазової ізоляції не тільки в роторі, а й в статорі АГ.
Ознаки, що стосуються того, що:
- додатковий муздрамтеатр виконаний з коаксіально розташованих циліндричних зубчастих сердечників, що примикають зубцями один до одного, з пазами, в одних з яких розташовані електропровідні стрижні, а в інших - провідники трифазної обмотки;
- постійні магніти, які розміщені рівномірно по зубців ротора врівень з його поверхнею, утворюючи чергуються полюса, причому число зубців ротора кратно числу постійних магнітів;
- в асинхронному генераторі ротор і статор можуть бути розташовані всередині герметичного об'єкта і відокремлені від додаткового муздрамтеатру герметичною перегородкою, причому стрижні обмотки статора і електропровідні стержні, розміщені в додатковому муздрамтеатрі, що утворюють Z-фазну обмотку, електрично з'єднані через гермовводи, розташовані в герметичній перегородці;
- конденсатори збудження включені в фази трифазної обмотки, розміщеної в додатковому муздрамтеатрі - розвивають загальні ознаки і тому є приватними.
Суть винаходу ілюструється кресленнями. На фіг.1 зображено поздовжній розріз асинхронного генератора. На фіг.2 представлена схема включення АГ. На Фіг.3 показаний варіант конструкції асинхронного генератора в складі з мікроГЕС.
Асинхронний генератор (фіг.1) містить власне генераторну частина 1, яка може бути розташована безпосередньо в герметичному об'єкті з екстремальними умовами навколишнього середовища (на фіг.1 сам герметичний об'єкт не показаний), і додатковий муздрамтеатр 2 з обмотками, розміщений в звичайному середовищі. АГ містить статор 3, в Z пазах якого розташовані стрижні 4, замкнуті в торцевій частині з боку вихідного вала 5 АГ короткозамикающего кз-кільцем 6, утворюючи Z-фазну стрижневу обмотку статора. Ротор 7 АГ містить кз-обмотку 8 і зубчастий сердечник 9, в зубцях якого розміщені постійні магніти 10, наприклад, у формі паралелепіпеда. Постійні магніти 10 розміщені рівномірно по зубців сердечника 9 врівень з робочою поверхнею ротора 7, утворюючи чергуються полюса, причому число зубців ротора кратно числу постійних магнітів. Додатковий муздрамтеатр 2 може бути виконаний з коаксіально розташованих циліндричних зубчастих сердечників 11 і 12, що примикають зубцями один до одного, з Z пазами, в одних з яких відповідно розташовані електропровідні стрижні 13, а в інших - провідники трифазної обмотки 14. Електропровідні стрижні 13 в торцевій частини замкнуті кз-кільцем 15, а інші кінці стрижнів електрично з'єднані через електричні гермовводи 16 зі стрижнями 4 обмотки статора, утворюючи Z-фазну обмотку АГ. Гермовводи 16 розташовані рівномірно по колу і проходять через герметичну перегородку 17, що розділяє власне генераторну частина 1 і додатковий муздрамтеатр 2 з обмотками.
Зі схеми на фіг.2 видно, що конденсатори збудження 18 підключені за схемою "зірка" до трьох фаз обмотки 14 додаткового муздрамтеатру 2. Ротор АГ обертається від приводного двигуна 19. Трифазна навантаження 20 отримує харчування від трифазної обмотки 14 AT через трьохполюсний вимикач 21.
На Фіг.3 представлений один з варіантів конструкцій пропонованого АГ в складі мікроГЕС. З Фіг.3 видно, що власне генераторная частина 1, що входить в АГ, отримує обертання ротора від робочого пропелерного колеса турбіни 22 під дією потоку води, що проходить через вхідний 23 та випускний 24 патрубки мікроГЕС. При цьому генераторная частина АГ знаходиться в корпусі 25 мікроГЕС, тобто у водному середовищі, а додатковий муздрамтеатр 2 з обмотками, відокремлений від АГ герметичній фланцем-перегородкою 17, розташований у звичайному повітряному середовищі.
Перегородка 17 може бути частиною корпусу самого герметичного об'єкта (фіг.1) або може бути частиною фланця корпусу генераторної частини АГ, герметично закриває люк в корпусі герметичного об'єкта (Фіг.3).
АГ працює наступним чином. При обертанні ротора 7 АГ від приводного двигуна його постійні магніти 10, утворюючи чергуються полюса з числом, що дорівнює кількості полюсів статора 3, наводять в стрижнях 4 Z-фазної обмотки статора Z-фазну симетричну систему ЕРС. Ці ЕРС викликають протікання Z-фазних симетричних струмів, які проходять через з'єднані зі стрижнями 4 обмотки статора електропровідні стрижні 13, розташовані в додатковому муздрамтеатрі 2 і замкнуті короткозамикающего кільцем 15. При цьому в додатковому муздрамтеатрі 2 утворюється круговий обертове магнітне поле з тим же числом полюсів , що і в обмотці статора АГ. Це поле індукує у вторинній трифазної обмотці 14 симетричну трифазну ЕРС і викликає появу струмів як в самій обмотці 14, так і реактивних струмів конденсаторів 18, підключених до вторинної обмотці 14 (фіг.2). Реактивні струми конденсаторів служать джерелом додаткової реактивної потужності, яка, складаючись з реактивною потужністю від обертового магнітного поля постійних магнітів, забезпечує самозбудження магнітного поля в АГ. Тим самим забезпечується збудження АГ і віддача активної потужності трифазного навантаження 20, підключеної до вторинної трифазної обмотці 14.
Наявність постійних магнітів 10 в роторі заявляється АГ, як і в прототипі [2], забезпечує компенсування частини реактивної потужності, необхідної для збудження АГ, і, отже, зменшення необхідної ємності конденсаторів збудження в порівнянні зі звичайним AГ [1]. Однак як звичайний АГ, так і АГГС [2], має провідникову і пазів ізоляцію обмотки статора і, отже, обмежений у використанні в вищеназваних екстремальних умовах навколишнього середовища, для роботи в яких і призначена пропонована конструкція АГ.
Вищеописана конструкція АГ по суті являє агрегат з двох електричних машин, який можна назвати Генераторно-трансформаторних агрегатом (ГТА) (різновид машинно-трансформаторних агрегатів, розглянутих в [4]), з'єднаних своїми неізольованими стрижневими Z-фазними обмотками 4 і 13 через електричні гермовводи 16. Одна електрична машина (в правій частині від перегородки 17 на фіг.1) являє собою власне генераторну частина 1 ГТА з короткозамкненим ротором 7, забезпеченим постійними магнітами 10 і статором 3 з ви шеупомянутой Z-фазною обмоткою 4. Друга електрична машина ГТА - додатковий муздрамтеатр 2 з обмотками (в лівій частині від перегородки 17 на фіг.1) - є по суті трансформатором-перетворювачем напруги і числа фаз (ТНФ) з обертовим магнітним полем. При обертанні ротора і самозбудженні ГТА в його генераторної частини 1 відбувається виникнення симетричною системи Z-фазних ЕРС в обмотці статора 4, які передаються на Z-фазну стрижневу обмотку 13, що є первинною обмоткою ТНФ. ЕРС первинної Z-фазної обмотки ТНФ має досить низьку величину (порядку декількох вольт) і трансформуються в симетричні ЕРС трифазного вторинної обмотки ТНФ до свого номінального значення (220/380 В). Таким чином, в ТНФ відбувається трансформація напруги (в бік збільшення) і числа фаз (в сторону зменшення з Z до 3-х).
Слід зазначити, що розглянута конструкція АГ, як і АГГС [2] (на відміну від звичайного АГ [1]), за рахунок постійних магнітів з чергується полярністю на роторі утворює вихідну напругу на вторинній обмотці ТНФ і генерує активну потужність при будь-, навіть дуже малій швидкості обертання ротора. При цьому частота напруги і струму при порушенні АГ задається швидкістю обертання ротора, як це має місце для синхронних генераторів. У той же час у формуванні напруги і частоти АГ беруть участь параметри роторно-обмотки ланцюга АГ і ланцюги ТНФ: тобто активно-індуктивні параметри їх обмоток і ємність збуджуючих конденсаторів. Таким чином, даний АГ отримує комбіноване збудження від постійних магнітів і конденсаторів. Для зменшення ємності конденсаторів останні підключаються до вторинної трифазної обмотці ТНФ. При цьому забезпечується безумовне самозбудження АГ в широкому діапазоні швидкостей його обертання, тобто повністю виключається статистичний характер порушення на відміну від звичайного АГ [1] з самозбудженням. У розглянутій конструкції відносна потужність збудження може варіюватися в межах від кілька відсотків від потужності АГ до оптимальної величини, значення якої, залежне від ряду конструктивних чинників, визначено розрахунково-експериментальним шляхом і є ноу-хау запропонованого винаходу.
У пропонованому АГ в силу особливостей його конструкції, що базується на конструкціях активних частин традиційних електричних машин, забезпечується максимальна уніфікація деталей і складальних одиниць, а також можливість компоновки АГ з знімних і взаємозамінних машин і створення відрізка серії АГ на базі серійно випускаються асинхронних двигунів серій 4А, АІР, 5К і ін. Це дозволяє знизити трудомісткість виготовлення подібних АГ до рівня серійних машин і підвищити ремонтопридатність таких агрегатів.
Пропонована конструкція АГ в зоне превращение механічної ЕНЕРГІЇ в електричних, тобто у власне генераторної частини, не має провідникової
і пазової ізоляції обмоток. Ця обставина дає можливість розміщувати генераторну частина АГ в об'єктах з екстремальними параметрами навколишнього середовища (високі температура, тиск, вологість, вибухонебезпечні середовища, іонізуючі випромінювання). В цьому випадку трансформаторна частина АГ, тобто ТНФ, розташована в звичайному середовищі, відокремлена від генераторної частини герметичною перегородкою 17 з гермовводами 16, що з'єднують стрижневу обмотку 4 статора 3 АГ і первинну стрижневу обмотку 13 ТНФ.
Оскільки генераторная частина 1 АГ не має провідникової та пазової ізоляції обмотки статора, а сама обмотка виконує не всипною, а стрижневою, то це дозволяє довести коефіцієнт заповнення пазів статора провідникові матеріалом до 1 і тим самим підняти ККД і суттєво збільшити питому потужність генераторної частини, розташованої в герметичному об'єкті. Остання обставина часто буває визначальним при конструюванні генеруючих установок, що працюють в автономних об'єктах з екстремальними умовами навколишнього середовища.
Вищеназвані особливості конструкції АГ можуть забезпечити часто виникає необхідність розміщення в області об'єктів з екстремальними параметрами рухомих середовищ (парогазових, газоплазмове, термальних і ін.), Високонадійних генеруючих пристроїв з мінімально можливими габаритами і масою.
Таким чином, нова конструкція асинхронного генератора підвищує надійність роботи і розширює сфери застосування генеруючих установок з можливістю його використання в перерахованих вище сферах.
Джерела інформації
1. Вольдек А.І. Електричні машини. Л .: Енергія, 1974.
2. Алієв І.І., Беспалов В.Я., Клоков Ю.Б. Асинхронний генератор. Свідоцтво РФ на корисну модель №1742. // Опубл. 16.07.96. Бюл. №7.
3. Алієв І.І. Беспалов В.Я., Клоков Ю.Б. Асинхронний генератор з гарантованим самозбудженням // Електрика. 1997. №7.
4. Свечарнік Д.В., Забора І.Г. Машинно-трансформаторний агрегат // Електротехніка. 1998 №9.
ФОРМУЛА винаходи
1. Асинхронний генератор, що містить ротор з короткозамкненою обмоткою і розташований через робочий зазор статор, виконаний у вигляді сердечника з Z зубцями, з розміщеною в пазах обмотки статора, а також конденсатора збудження, що відрізняється тим, що обмотка статора виконана у вигляді Z стрижнів, замкнутих з одного боку короткозамикающего кільцем, генератор містить додатковий муздрамтеатр з пазами, в яких розміщені ізольовані провідники трифазної обмотки і електропровідні стрижні, з'єднані з одного боку з Z стержнів і обмотки статора, а з іншого замкнуті другим кільцем, утворюючи Z-фазну обмотку.
2. Асинхронний генератор по п.1, що відрізняється тим, що додатковий муздрамтеатр виконаний з коаксіально розташованих циліндричних зубчастих сердечників, що примикають зубцями один до одного, з пазами, в одних з яких розташовані електропровідні стрижні, а в інших - провідники трифазної обмотки.
3. Асинхронний генератор по п.1 або 2, який відрізняється тим, що ротор забезпечений постійними магнітами, які розміщені рівномірно по зубців ротора врівень з його поверхнею, утворюючи чергуються полюса, причому число зубців ротора кратно числу постійних магнітів.
4. Асинхронний генератор за допомогою одного з пп.1-3, що відрізняється тим, що ротор і статор відокремлені від додаткового муздрамтеатру герметичною перегородкою, причому стрижні обмотки статора і електропровідні стержні, розміщені в додатковому муздрамтеатрі, що утворюють Z-фазну обмотку, електрично з'єднані через гермовводи , розташовані в герметичній перегородці.
5. Генератор за допомогою одного з пп.1-4, що відрізняється тим, що конденсатори збудження включені в фази трифазної обмотки.