CZ22295A3 - Rotary induction generator for generation of electric power adapted for drive by a driving machine and process for producing thereof - Google Patents

Description

Vynález se týká obecně rotačních indukčních generátorů s vinutým rotorem a zejména pak indukčních generátorů s vinutým rotorem pro výrobu elektrické energie.

Dosavadní stav techniky

V indukčních generátorech s vinutými rotorem se proudy vytvářejí v sekundárním vinutí (tj. obvykle v rotoru) pouze indukcí. Tyto elektrické proudy vznikají v důsledku napětí, indukovaných v sekundárních vinutích při rotování magnetických polí v primárních vinutích uplatněním napěťových čar. Rotorová vinutí jsou obvykle připojena ke sběracím kroužkům. Je-li rotor poháněn nadsynchronní rychlostí, ať již zkratován, nebo s příslušným zařízením k němu přiřazeným jako zátěž a připojeným ke sběracím kroužkům, stroj pracuje jako generátor v širokém rozmezí.

Obecně platí, že u indukčního generátoru, s kotvou nakrátko, v případě, že je přetížen, se uplatní tzv. efekt zavřených dveří. Při přetížení, jenž nastane, když rychlost převýší rychlost synchronní o hodnotu slabě nad skluzovou rychlost motoru, generátor přeruší dodávku energie a vykazuje malý odpor hnacímu stroji. Toto nastane při rotační rychlosti zcela blízké normální činnosti. Když zatížení pomine, hnací stroj a indukční generátor rychle spějí k vzájemnému poškození.

V minulých více než třiceti letech, kdy při pohonu

synchronního generátoru nebo indukčního generátoru s kotvou nakrátko s různými typy poháněčích strojů, byla rychlost elektrických generátorů držena téměř konstantní a to použitím mechanických metod pro řízení rychlosti hnacího stroje. Tyto mechanické metody často selhaly při omezování rychlosti hnacího stroje, když zatížení pominulo.

Pro rychlosti rychlosti generátory, poháněné silou větru, jsou k omezení spoilery, řídí se kolísání používají se různé mechanické nevýhody, např. velmi krátkou používaný ruzne pomocí lopatek a brzdy. Tyto metody však mají životnost zařízení a.drahou údržbu.

Frekvence v sekundárním vinutí generátoru je přímo úměrná otáčkám za minutu nad základní rychlostí. Tak například frekvenci frekvence osmipólový točivý stroj,

Hz, 900 ot/min, má v sekundářů při 900 ot/min rovnou nule. Vzestup je 60 Hz pro každých otáčky. Tak je to např. 3 0 Hz při nebo 60 Hz v sekundárním vinutí ot/min. Toto je důležité. Znamená to, že generátor je poháněn ve stejném směru, že by běžel jako motor. Tudíž zde není žádná nutnost reverzovat jakékoliv propojení, aby generátor byl užit jako motor, pro podpoření generátoru dosáhnout základní rychlosti a to nikoliv prostřednictvím hnacího stroje s proměnnou rychlostí, nebo pomocí zdroje hnací síly včetně větru či energie vln.

900 ot/min nad základní 1350 ot/min (900 + 450) tohoto stroje při 1800

Podstata vynálezu

Účelem předloženého vynálezu je poskytnout indukční generátor s vinutým rotorem, který i když pracuje nad svůj

rychlostní rozsah, ještě dodává výkon a pokračuje tak, aby skýtal přijatelné zatížení pro hnací stroj, čímž odstraňuje nutnost nejistého mechanického řízení rychlosti založeného na změnách rychlosti hnacího stroje.

Dalším účelem předložného vynálezu je poskytnout indukční generátor vhodný pro aplikace, které využívají energie větru či vln.

Předložený vynález rovněž poskytuje indukční generátor, který může být účinně provozován v širokém rozsahu rychlostí rotoru,při konstantní výstupní frekvenci.

Cílem při výrobě elektrické energie je dosáhnout maximálního výstupního výkonu. Generátor podle předmětného vynálezu je schopen dodávat výkon v mnohem širším rozsahu než známé generátory. Generátor drží své zatížení v širokém rozsahu rychlosti ( otáčky za min. ) včetně rychlostí, při nichž indukční generátory s kotvou nakrátko obvykle zastaví dodávku výkonu a běžný indukční generátor představuje malý odpor pro hnací stroj, což často způsobuje, že dojde ke vzájemnému poškození hnacího stroje a generátoru.

Výše uvedené a další účely indukčním generátorem, který je uloženým ve statoru vynálezu jsou dosaženy opatřen rotorem otočně tři rotorová vinutí, a majícím rotor, přičemž vinutí třífázového statoru je upraveno tak, aby mohlo být připojeno ke zdroji výkonu a sloužit jako primární vinutí, vytvářející magnetické pole indukující proudy v sekundárním vinutí. Generátor má dále reaktační prostředky a sériové odporové prostředky, připojené k sekundárním vinutím, aby zvýšily účinnost vytvářející třífázový

generátoru a omezily výstupní výkon při vyšších rychlostech. Odporové prostředky jsou spojeny do série s uvedeným vinutím, aby umožnily průchod proudu sekundářem a vznik potřebných magnetických polí pro generování výkonu.

Tyto a další účely vynálezu budou jasnější z následujícího podrobného popisu ve spojení s výkresy.

Přehled obrázků na výkrese

Obrázek 1 představuje základní schéma systému pro přeměnu energie podle předloženého vynálezu; obrázek 2 znázorňuje základní schéma indukčního generátoru s vinutým rotorem pro použití v systému pro přeměnu energie podle tohoto vynálezu. Na obr. 3 je základní schéma dalšího indukčního generátoru s vinutým rotorem podle předmětného vynálezu.

Příklady provedeni vynálezu

Na obr. 1 jsou zobrazeny prostředky pro pohon rotoru ll spojené s indukčním generátorem 12 s vinutým rotorem. Prostředky pro pohon rotoru 11 mohou být poháněny větrnou turbínou nebo zařízením pro konverzi energie vln. Prostředky pro pohon rotoru 11 mohou být však tvořeny i jinými stroji, např.benzinovýmnebo dieslovým motorem. V obou případech rotační rychlost (ot/min.), při které je indukční generátor poháněn, bude přímo záviset na rychlosti (ot/min. ) hnacího stroje. Jak je popsáno výše, pro udržení optimální rotační rychlosti připojeného hnacího stroje, jsou užívány běžné mechanické systémy. Takto jsou obecné poháněny indukční generátory s kotvou nakrátko a to v podstatě při konstantní

rychlosti rotoru. Při zvýšených rychlostech generátor přestává dodávat energii, snižuje zatížení hnacího stroje, což často vede k jeho poškození. Často zařízení pro řízení rychlosti nereaguje dostatečně rychle na změny rychlosti hnacího motoru, což vede k poškození hnacího stroje a indukčního generátoru.

Bylo zjištěno, že přidáním odporově-reaktančního zatížení do série se sekundárními vinutími a dalším paralelním odporovým obvodem, také zapojeným do série, se sekundárními vinutími, může být omezen maximální výkon, bez nebezpečí pro generátorová vinutí a může být vyloučen pokles výstupního výkonu při činnosti generátoru se zvýšenou rychlostí.

Na obr. statorovými silnoproudého je znázorněn třífázový generátor se vinutími 21 spojenými do třífázového vedení. Toto silnoproudé vedení slouží pro vyvolání točivých magnetických polí, která vybudí proudy v sekundárních vinutích 22, obvykle navinutých na rotoru. Sekundární vinutí 22 jsou vyvedena na sběrací kroužky ( nejsou znázorněny) , které umožní připojení prvků jako jsou odpory, kondenzátory, nebo induktorů do obvodu sekundárního vinutí. Jak již bylo zmíněno dříve, indukční generátor působí jako motor, pokud se rotor neotáčí s nadsynchronní rychlostí. Otáčí-li se nadsynchronní rychlostí, působí jako generátor dodávající výkon do silnoproudých vedení.

Na obr. 2 jsou odpory 23 a induktory 24 zapojeny do série s každým sekundárním vinutím 22 a připojeny ke kondenzátorům zapojeným do trojúhelníku, který v podstatě zařazuje kapacitu do série s odpory 23 a induktory 24. Navíc

jsou do série s každým ze všech vinutí 22 zapojeny odpory 27 a propojeny tak, aby vytvořily vrchol hvězdy.

Odpory 27 působí jako zátěž sekundářů, čímž zvyšují proud v sekundárním vinutí. Tento proud vytváří potřebné magnetické pole, umožňující dalším složkám, spojeným se jejich činnost. Tyto odporové-reaktační složky spojené se sekundárními vinutími, jsou používány sekundářem, 23, 24, 26, pro plnění dvou účelů:

( 1) zlepšit účinnost generátoru a (2) omezit výstupní výkon při vyšších rychlostech.

Když je přetížen běžný indukční generátor s kotvou nakrátko, tak se zde uplatní efekt tzv. uzavřených dveří. Při určitém přetížení generátor zastaví dodávku výkonu a odlehčí hnací stroj. Je nevýhodné, že otáčky, při kterých toto nastane, jsou zcela blízko otáčkám, při kterých je generátor normálně provozován. Podmínky, kdy je hnací stroj odlehčen, často způsobí, že dojde k poškození hnacího stroje a generátoru.

Indukční generátor s vinutým rotorem, s příslušnými složkami 23, 24, 26 v sekundárním, při zvýšené rychlosti pokračuje v dodávce výstupního výkonu.

Toto je rotorem a s elektricky, k náhlému odlehčení v sekundářů omezují rychlost je příliš umožněno tím, že indukční generátor, s vinutým příslušnými složkami v sekundářů, je řízen

Když pracuje se zatížením, nikdy nedojde Jak již bylo zmíněno dříve, prvky výstupní výkon v případě, že rotační vysoká. Tzn. , že tato jednotka se sama

Ί zabezpečuje při provozu. Přitom omezení výstupního výkonu je automaticky zabezpečeno bez použití jakýchkoliv kontaktů nebo relé. Tento omezující účinek je prospěšný jak indukčnímu generátoru, tak hnacímu stroji.

Obrázek 3 ukazuje v podstatě stejný obvod až na to, že kondenzátory jsou spojeny do hvězdy. Je však patrné, že pro dosažení účelů podle předloženého vynálezu, mohou být primár nebo sekundář motoru s vinutým rotorem /generátoru/ s vinutým rotorem zapojený buď do trojúhelníka nebo do hvězdy. Je také možné, aby rotor nebo stator byl buď primářem nebo sekundářem, opatřeným odpovídajícím vinutím pro použité primární napětí.

V předmětném vynálezu je popsána metoda pro omezení zatížení u elektrických výkonových generátorů indukčního typu s vinutým rotorem. Tento generátor může být poháněn při proměnných rychlostech a zachovávat přitom konstantní frekvenci ve vedení k němu připojeném. Rychlosti se mohou měnit v širokém rozmezí nad synchronní (základní) rychlostí. Nárůst výstupního výkonu je řízen obvodem, využívajícím prvního obvodu ze tří sad odporů, induktorů a v sériích. Každá sada prvního obvodu je sekundárními vinutími, přičemž konce těchto spojeny dohromady, aby tvořily vrchol hvězdy.

kondenzátorů spojena se j sou tří sad

Dále je každá tato sada spojena paralelně se samostatnou sadou odporů, připojených k sekundárnímu vinutí a spojených do vrcholu hvězdy. V případě, že je dosažena předem stanovená výstupní hranice výkonu, složky v sekundářů (odpory, induktory a kondenzátory) umožní stanovit, při jaké rychlosti toto nastane a rovněž stanoví maximální hranici výstupního ·Λ··ν·ν »· výkonu, nebo počet kilowat na výstupu. Induktory v sérii s kondenzátory začnou působit jako běžné odpory s velmi nízkým ohmickým odporem, čímž umožní, aby se na kondenzátory dostalo jakékoliv vytvářené napětí. Vzhledem k tomu, že rychlost generátoru je zvýšena, je zvýšena také frekvence na výstupu sekundářů, výsledkem čehož je pak vysoký odpor tlumivek a naopak opačný účinek u kondenzátorů, tj. reaktance je snížena.

Synchronní, resp. základní rychlost jakékoliv točivého, třífázového stroje, se stanoví dosazením známých hodnot do vztahu:

120 f

Synchronní nebo základní rychlost ( ot/min. ) = počet pólů kde f je frekvence v Hz

Je známo, že induktivní reaktance při určité frekvenci může být určena ze vztahu

X , = 2 ]/ f. L

L ( Henry) kde X je induktivní reaktance v ohmech, L

f. je frekvence v Hz a L je indukce v H;

kapacitní . reaktance je dána vztahem 6

X = c

2#fC hde X^ je kapacitní reaktance v , f je frekvence v Hz a C představuje kapacitu v F.

Výsledná impedance v při odporu ( R) , kapacitě ( C) a indukčnosti (L) zapojených do série je !-----—_Λ ll 2 2

Z = ' R + ( X - X ) ' L C

Z tohoto vyplývají čtyři účinky, které určují omezení výstupního výkonu generátoru.

1. Odpory sekundárního vinutí a odpory v sekundářů, připojené k vinutím

2. Odpory spojené do série s tlumivkami a kondenzátory, připojené k sekundárním vinutím

3. Tlumivky spojené do série s odpory a kondenzátory, připojené k sekundárním vinutím

4. Kondenzátory v sérii s odpory a tlumivkami, připojené k sekundárním vinutím.

Každá z uvedených kombinací zapojení může být volena tak, aby působila na výstupní ot/min. , výstupní výkon a výstupní účinnost. Rovněž může stanovit výkon, po jehož dosažení generátor ϊ omezí svůj výstupní výkon a rovněž může určit výkon, který může generátor až dosáhnout, jestliže byla překročena stanovená hranice výkonu.

J R odpory 23 působí tak, aby přiblížily hodnoty limitního výkonu a výkonu nad touto hranicí blíže k sobě. Poslední záležitost je velmi důležitá a není snadno ověřitelná.

Například pro 3 kw stroj (1138 ot/min.), může být stanovena horní hranice zatížení 3, 5 kW ( nebo více). V okamžiku, kdy je této hodnoty dosaženo ( při 1171 ot/min. v výstupní výkon poklesne někde ze 3 kW na 1,5 tomto příkladě) , kW.

Obecně, proudy se s poklesem výkonu sníží.

( Desetikilowatový, neregulovaný generátor, použitý jako zdroj třífázového výkonu v tomto pokusu, okamžitě po odlehčení naběhl na daleko vyšší rychlost (1287). Toto by nebylo možné, pokud by silnoproudé odběrové vedení bylo připojeno k primárním vinutím).

Rychlost rotoru musí být snížena zpět do stavu, kde generátor začne opět zvyšovat svůj výstupní výkon. V tomto uvedeném případě se toto jeví být okolo 112 9 ot/min.

Při pohonu generátoru větrnou energií nebo energií vln, bude generátor s omezenou výkonností reagovat na poryvy větru nebo vln bez poškození. Energii poryvů větru nebo velkých vln využije k výrobě energie, navíc, místo toho, aby tato, relativně větší výkonová zatížení, nevyužil.

Generátor začíná dodávat dostatečný výkon až při otáčkách, které jsou nad minimální hraničí rychlosti. Tak například, jak bylo zmíněno v dříve uvedeném příkladu, generátor poklesne ze 3, 5 kw ( asi při 1171 ot/min) na 3 kW.

Generátor přeběhl k více než 1200 ot/min při nižším výstupním výkonu, kde mohl být poháněn k vyšší rychlosti a to bez zvýšení výstupního výkonu (ale jeho vstupní ampéry se zvýší) generátor se vrátí zpět, aby začal vyrábět energii nad jeho nižší hranici, tj. na asi 1129 ot/min, odkud s otáčkami poklesl, aby snížil svůj výstupní výkon.

Omezující body mohou být stanoveny ze znalosti odporu fáze rotoru a odporů vnějších resistorú připadajících na fázi. Aproimace může být provedena užitím vztahů pro impedanci indukčností a kondenzátoru (které jsou v protikladu). Pro malé změny potom může být využit tak, jak je požadováno, R/l 23.

Předložený vynález předkládá indukční generátor s vinutým rotorem pro generování elektrické energie, upravený pro pohon hnacím strojem, přičemž tato úprava spočívá v omezování zatížení generátoru, tak, že generátor může být provozován při proměnných rychlostech, přičemž frekvence v silnoproudém vedení zůstává konstantní. Je zřejmé, že předmětný vynález může být snadno upraven pro různé aplikace beze ztráty vlastností a prvků, které zcela vytvářejí podstatné charakteristiky všeobecných nebo specifických aspektů vynálezu, . a proto takového úpravy budou chápány jako úpravy nevybočující ve smyslu a rozsahu ekvivalence následujících nároků.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY (I

   1. Rotační indukční generátor pro výrobu elektrické energie, upravený pro pohon hnacím strojem, vyznačující se tím, že jeho stator má navinuta vinutí vytvářející třífázový stator, uvnitř kterého je otočně uložen třífázový rotor s třemi vinutími, přičemž vinutí třífázového statoru jsou napojena ke zdroji energie jako primární vinutí, které při průtoku proudu vytváří točivé magnetické pole, zatímco k dalšímu třífázovému vinutí, sloužícímu jako vinutí sekundární, ve kterém se magnetickým polem indukují proudy, jsou připojeny jednak odporově - reaktivní prostředky pro zvýšení účinnosti generátoru a omezení výstupního výkonu, vzhledem na výkonnst generátoru, v širokém rozmezí rychlostí a jednak odporové prostředky, spojené do série se sekundárními vinutími, pro poskytnutí magnetizačních proudů v sekundářů.

   i?
2. 2. Rotační indukční generátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že statorová vinutí jsou spojena se zdrojem energie a rotor je spojen s hnacím strojem.
3. 3. Rotační indukční generátor podle nároku 2, vyznačující se tím, že energie hnacího stroje je představována větrnou energií.
4. 4. Rotační indukční generátor podle nároku 2, vyznačující se tím, že energie hnacího stroje je představována energií vodních vln.
5. 5. Rotační indukční generátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že odporově-reaktivní prostředky obsahují indukční !

   a kapacitní prostředky v sérii s odporovými prostředky a tato

   ÍJM Ί’ '•.V A‘ sériová sada je paralelně spojena s odpory spojenými do hvězdy.
6. 6. Rotační indukční generátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že odporově-reaktivni prostředky obsahují indukční a kapacitní prostředky v sérii s odporovými prostředky a tato sériová sada je připojena paralelně k samostatné sadě odporů spojených do trojúhelníka.
7. 7. Způsob výroby elektrické energie, vyznačující se tím, že rotační indukční generátor má třífázový stator s třemi vinutími, uvnitř kterého je otočně uložen třífázový rotor s třemi vinutími, přičemž třífázová statorová vinutí jsou napojena na zdroj energie a slouží jako primární vinutí, čímž dodaná energie vyvolá průchod proudu třífázovými vinutími a tím i vznik rotačního magnetického pole, kterým se v třífázových sekundárních vinutím indukují proudy, přičemž k těmto sekundárním vinutím jsou připojeny jednak odporově-reaktivni prostředky, za účelem zvýšení účinnosti indukčního generátoru a udržování výstupního výkonu na úrovni výkonosti indukčního generátoru a to v širokém rozsahu rychlostí a jednak odporové prostředky, zapojené v sérii se sekundárními vinutími, pro poskytnutí magnetizačních proudů v těchto vinutích.
8. 8. Způsob pro omezení zatížení při výrobě elektrické energie rotačním indukčním generátorem, vyznačující se tím, že indukční generátor může být provozován při proměnných rychlostech, při zachování frekvence v silnoproudém vedení k němu připojeném a to v širokém rozsahu rychlostí hnacího stroje, přičemž zvyšování výstupního výkonu se omezuje obvodem využívajícím první obvod složený ze tří sad •AS.

   odporových, indukčních a kapacitních prostředků, zapojených do série, které tvoří ramena hvězdy nebo trojúhelníka, přičemž každá z uvedených sad je spojena paralelné s jednotlivými řadami odporů, vytvářejíce tak obvod, kterým se řídí maximální hodnota výstupního výkonu.
9. 12. Způsob pro výrobu maximálního množství výstupní elektrické energie v širokém rozsahu rychlostí rotoru a při velké výkonnosti, použitím jednak indukčního generátoru, opatřeného rotorem s třemi vinutími a tvořícími tak třífázový rotor, uloženým otočně ve statoru s třemi vinutími, upravenými pro připojení ke zdroji energie, a jednak hnacího stroje, přičemž v sekundárních vinutích rotoru prqstřednictvím magnetického pole, se indukují proudy a k těmto sekundárním vinutím jsou připojeny indukční prostředky a v sérii odporové prostředky, aby poskytly proudy pro sekundární vinutí a tím generovaly potřebná magnetická pole pro výrobu elektrické energie.