ITUB20159886A1

ITUB20159886A1 - Synchronous alternator with polyphase winding rotor.

Info

Publication number: ITUB20159886A1
Application number: ITUB2015A009886A
Authority: IT
Inventors: Cristofaro Alberto De; Giorgio Peri
Original assignee: Cristofaro Alberto De
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-06-23

Description

Turboalternatore sincrono con rotore ad avvolgimento polifase Synchronous turbo alternator with polyphase winding rotor

Un sistema, stazionario oppure mobile, adatto a produrre energia elettrica trifase, che partendo da un motore primo, quale turbina a gas, turbina a vapore à ciclo Rankine organico (o ad altro fluido), oppure turbina idraulica o a ventò (pala eolica) o anche motore alternativo a combustione a benzina, diesel, oppure a gas o qualsiasi altro tipo di turbina oppure motore, secondo la tecnica nota può essere costituito dai seguenti componenti: un motore primo (1 7). un alternatore trifase di potenza (1.1), un generatore ausiliario (1 .2) per alimentare l'eccitazione dell’alternatore di potenza e un generatore di partenza (1.3) per alimentare l'eccitazione del generatore ausiliario (il generatore di partenza può anche non essere presente, sostituito da un’alimentazione derivata dalla rete elettrica). A stationary or mobile system suitable for producing three-phase electricity, which starting from a prime mover, such as a gas turbine, organic Rankine cycle steam turbine (or other fluid), or a hydraulic or wind turbine (wind blade) or also alternative combustion engine with petrol, diesel, or gas or any other type of turbine or engine, according to the known art, can be constituted by the following components: a prime mover (17). a three-phase power alternator (1.1), an auxiliary generator (1 .2) to feed the excitation of the power alternator and a starting generator (1.3) to feed the excitation of the auxiliary generator (the starting generator can also not be present, replaced by a power supply derived from the electrical network).

Tra il motore primo (1.7) e l'alternatore (1.1) esiste un riduttore (o moltiplicatore) meccanico di velocità (1.6) con la funzione di adattare la velocità di rotazione del motore primo (1,7) alla velocità, richiesta all'alternatore (1 .1 ), essendo questa velocità necessaria per generare la corrente alternata trifase avente la frequenza esatta. Il generatore ausiliario (1.2) è alimentato dal generatore dì partenza (1.3) tramite un regolatore di tensione (1.8) detto Automatic Voltage Regulator (AVR); l'alternatore trifase di potenza (1.1) ha il rotore monofase (1 4) alimentato dal generatore ausiliario (1 .2) tramite un raddrizzatore di corrente (1 .9) monofase rotante con l’albero. Between the prime mover (1.7) and the alternator (1.1) there is a mechanical speed reducer (or multiplier) (1.6) with the function of adapting the rotation speed of the prime mover (1.7) to the speed required by the alternator (1 .1), this speed being necessary to generate the three-phase alternating current having the exact frequency. The auxiliary generator (1.2) is powered by the starting generator (1.3) by means of a voltage regulator (1.8) called Automatic Voltage Regulator (AVR); the three-phase power alternator (1.1) has a single-phase rotor (1 4) powered by the auxiliary generator (1 .2) through a single-phase current rectifier (1.9) rotating with the shaft.

In alcuni casi il motore primo è costituito da una presa di moto su un macchina di potenza più grande di quella che si vuole generare, come ad esempio nel caso dei generatori di bordo delle turbine per propulsione aeronautica o navale. Tra la presa di moto e il generatore è in questo caso installato un complesso meccanismo idromeccanico, detto Constant Speed Drive, atto a mantenere costante la frequenza di generazione. In some cases, the prime mover consists of a power take-off on a machine with a power greater than that to be generated, such as in the case of on-board generators for aeronautical or naval propulsion turbines. In this case, a complex hydromechanical mechanism, called Constant Speed Drive, is installed between the drive and the generator, designed to keep the generation frequency constant.

E' nota anche la tecnica presentata nei seguenti 3 punti: The technique presented in the following 3 points is also known:

A) un campo magnetico (2.1) monofase, generato da un sistema elettrico monofase in corrente continua, ruota rispetto a un osservatore solamente se le spire (2.2) ohe lo hanno generato ruotano attorno al loro asse (2.3); A) a single-phase magnetic field (2.1), generated by a single-phase direct current electrical system, rotates with respect to an observer only if the coils (2.2) that generated it rotate around their axis (2.3);

B) un campo magnetico generato da un sistema elettrico trifase in corrente alternata con frequenza, f, ruota rispetto a un osservatore con velocità di rotazione W - (f x 60) rotazioni per minuto primo (rpm) anche se le spire che lo hanno generato sono meccanicamente statiche. Un risultato analogo si produce con un sistema elettrico a N fasi, con N maggiore o uguale a 2, per esempio un sistema a 2 fasi di correnti sfasate a 90 gradi. B) a magnetic field generated by a three-phase electric system in alternating current with frequency, f, rotates with respect to an observer with a rotation speed W - (f x 60) rotations per minute (rpm) even if the turns that generated it are mechanically static. A similar result is produced with an electrical system with N phases, with N greater than or equal to 2, for example a 2-phase system of 90 degrees phase-shifted currents.

C) se le spire di un sistema elettrico polifase che genera un campo magnetico rotante, come presentato net punto B), a loro volta ruotano meccanicamente attorno al loro asse con velocità di rotazione V rispetto a un osservatore, allora i! medesimo osservatore vede questo campo magnetico ruotare alla velocità corrispondente alla somma algebrica: C) if the coils of a polyphase electrical system that generates a rotating magnetic field, as presented in point B), in turn rotate mechanically around their axis with a rotation speed V with respect to an observer, then i! the same observer sees this magnetic field rotating at the speed corresponding to the algebraic sum:

V W V W

L'oggetto della presente invenzione consiste (fig 3) in un sistema adatto a produrre energia elettrica trifase, partendo da un motore primo (3.10), il quale non richiede l'utilizzo del riduttore meccanico di velocità (1 6), ma, sfruttando la tecnica nota presentata più sopra al punto C), richiede che il turboalternatore {3 11 ) abbia un rotore (3.14) dotato di un avvolgimento elettrico di tipo polifase, cioè, nel caso particolare in cui esso fosse trifase, realizzato, secondo la tecnica nota, come quello dell'indotto o rotore di un motore elettrico trifase asincrono avente rotore avvolto e avente la possibilità di inserimento delle resistenze addizionali durante l'avviamento (2.4). Lo scopo è quello di avere un sistema meccanicamente più semplice e di avere la possibilità di risparmiare l'energia assorbita e dispersa dal riduttore (1 .6) o dal Constant Speed Drive, poiché nei grandi generatori questa energia è di valore elevato anche se percentualmente è soltanto circa 1,5% dell'energia prodotta dal motore primo (1 7) Di seguito vengono descritti esempi esplicativi, ma non limitativi, riguardanti il sistema oggetto della presente invenzione. The object of the present invention consists (fig 3) in a system suitable for producing three-phase electrical energy, starting from a prime mover (3.10), which does not require the use of the mechanical speed reducer (1 6), but, by exploiting the known technique presented above at point C), requires that the turbo-alternator {3 11) have a rotor (3.14) equipped with a polyphase-type electric winding, that is, in the particular case in which it is three-phase, made according to the known, such as that of the armature or rotor of an asynchronous three-phase electric motor having a wound rotor and having the possibility of inserting additional resistances during starting (2.4). The aim is to have a mechanically simpler system and to have the possibility of saving the energy absorbed and dispersed by the gearbox (1 .6) or by the Constant Speed Drive, since in large generators this energy is of high value even if in percentage. it is only about 1.5% of the energy produced by the prime mover (1 7). Explanatory, but not limiting, examples of the system object of the present invention are described below.

Una soluzione (fig. 3) per il sistema innovativo è costituito da un generatore di partenza (3 13) il quale alimenta il generatore, o alternatore ausiliario (3.12) tramite un inverter (3.16) a frequenza fissa, cioè uguale a quella della rete che si vuole alimentare, e a tensione variabile; il rotore trifase (3 15) del generatore ausiliario (3,12) alimenta direttamente il rotore (3.14), dotato di un avvolgimento elettrico di tipo trifase, il quale costituisce l'induttore del turboalternatore (3.11). Per descrivere il funzionamento di questo sistema si suppone che il motore primo ruoti per esempio a 5100 rpm e la frequenza di rete sia 50 Hz. Se non c'è il riduttore meccanico della velocità (come 1 6) allora anche il rotore (3.14) dell'alternatore di potenza (3.11) ruota a 5100 rpm Ma, se alimentassimo questo rotore (3.14) trifase con un sistema trifase di correnti e se il risultante campo magnetico rotante ruotasse in senso opposto e a 2100 rpm rispetto l'albero (3.17) dell'Induttore dell'alternatore di potenza, allora si avrebbe un campo magnetico generato dal rotore (3,14) dell'alternatore (3.11) di potenza ruotante a: 5100-2100 = 3000 rpm rispetto al suo indotto (o statore) (3.18), quindi la corrente generata dall'alternatore di potenza sarebbe a 50Hz. Un campo magnetico rotante a 2100 rpm è generato da una frequenza di 35 Hz. Questa frequenza in questo caso è generata dall’indotto (rotore 3,15) trifase dell'alternatore ausiliario (3.12) il quale è eccitato dal suo induttore trifase alimentato con frequenza 50 Hz e tensione regolabile dal inverter (3.16), con questa alimentazione l'induttore dell'alternatore ausiliario (3.12) genera un campo magnetico rotante a 3000 rpm nel mnedesimo senso dell'albero (3.17) del generatore ausiliario (3,12) ottenendo il risultato necessario. Un'altra soluzione (fig 4) per il sistema innovativo è costituita da un generatore di partenza (4.13) il quale alimenta il generatore ausiliario (4,12) tramite un regolatore di tensione in corrente continua (4.8); il rotore trifase (4.15) del generatore ausiliario (4.12) alimenta tramite un inverter trifase (4 16) il rotore (4 14), dotato di un avvolgimento elettrico di tipo trifase, il quale costituisce l'induttore del turboalternatore (4.11). Per descrivere il funzionamento di questo sistema sì suppone che il motore primo ruoti per esempio a 5100 rpm e la frequenza di rete sia 50 Hz. Se non c’è il riduttore meccanico della velocità (come 1.16) allora anche il rotore (4,14) dell'alternatore dì potenza (4.11) ruota a 5100 rpm. Ma, se alimentassimo questo rotore (4.14) trifase con un sistema trifase di correnti e se il risultante campo magnetico rotante ruotasse in senso opposto e a 2100 rpm rispetto l'albero dell'induttore dell'alternatore di potenza, allora si avrebbe un campo magnetico generato dal rotore (4.14) dell'alternatore (4.1 1) di potenza ruotante a: 5100-2100 = 3000 rpm rispetto al suo indotto (statore) e quindi la corrente generata dall'alternatore dì potenza sarebbe a 50Hz. Un campo magnetico rotante a 2100 rpm è generato da una frequenza ds 35 Hz. Questa frequenza in questo caso sarà generata dall'inverter trifase (4.16) , Se la turbina o il motore primo ruota ad una velocità di rotazione corrispondente à una frequenza inferiore a quella di rete, allora la velocità di rotazione del campo rotante generato dal rotore trifase del generatore di potenza dovrà sommarsi alla velocità di rotazione del rotore stesso. La somma o la sottrazione delle velocità di rotazione si ottengono con appropriate sequenze delle fasi del sistema trifase, secondo la tecnica nota. A solution (fig. 3) for the innovative system consists of a starting generator (3 13) which powers the generator, or auxiliary alternator (3.12) by means of an inverter (3.16) with a fixed frequency, i.e. equal to that of the grid. that you want to power, and with variable voltage; the three-phase rotor (3 15) of the auxiliary generator (3.12) directly feeds the rotor (3.14), equipped with a three-phase electric winding, which forms the inductor of the turbo-alternator (3.11). To describe the operation of this system it is assumed that the prime mover rotates for example at 5100 rpm and the mains frequency is 50 Hz. If there is no mechanical speed reducer (such as 1 6) then also the rotor (3.14) of the power alternator (3.11) rotates at 5100 rpm But, if we fed this three-phase rotor (3.14) with a three-phase system of currents and if the resulting rotating magnetic field rotates in the opposite direction and at 2100 rpm with respect to the shaft (3.17) of the 'Inductor of the power alternator, then there would be a magnetic field generated by the rotor (3.14) of the alternator (3.11) of rotating power at: 5100-2100 = 3000 rpm with respect to its armature (or stator) (3.18) , so the current generated by the power alternator would be at 50Hz. A rotating magnetic field at 2100 rpm is generated by a frequency of 35 Hz. This frequency in this case is generated by the three-phase armature (rotor 3.15) of the auxiliary alternator (3.12) which is excited by its three-phase inductor powered with frequency 50 Hz and voltage adjustable by the inverter (3.16), with this power supply the inductor of the auxiliary alternator (3.12) generates a rotating magnetic field at 3000 rpm in the same direction of the shaft (3.17) of the auxiliary generator (3.12) obtaining the necessary result. Another solution (fig 4) for the innovative system consists of a starting generator (4.13) which feeds the auxiliary generator (4.12) through a direct current voltage regulator (4.8); the three-phase rotor (4.15) of the auxiliary generator (4.12) powers the rotor (4 14) by means of a three-phase inverter (4 16), equipped with a three-phase electric winding, which constitutes the inductor of the turbo-alternator (4.11). To describe the operation of this system it is assumed that the prime mover rotates for example at 5100 rpm and the mains frequency is 50 Hz. If there is no mechanical speed reducer (such as 1.16) then also the rotor (4.14 ) of the power alternator (4.11) rotates at 5100 rpm. But, if we fed this three-phase rotor (4.14) with a three-phase system of currents and if the resulting rotating magnetic field rotated in the opposite direction and at 2100 rpm with respect to the inductor shaft of the power alternator, then we would have a magnetic field generated. from the rotor (4.14) of the alternator (4.1 1) of rotating power at: 5100-2100 = 3000 rpm with respect to its armature (stator) and therefore the current generated by the power alternator would be at 50Hz. A rotating magnetic field at 2100 rpm is generated by a frequency ds 35 Hz. This frequency in this case will be generated by the three-phase inverter (4.16). If the turbine or prime mover rotates at a rotation speed corresponding to a frequency lower than that of the mains, then the speed of rotation of the rotating field generated by the three-phase rotor of the power generator must be added to the speed of rotation of the rotor itself. The addition or subtraction of the rotation speeds are obtained with appropriate sequences of the phases of the three-phase system, according to the known art.

Generatori di energia elettrica realizzati con induttore trifase sono già utilizzati e sono noti come generatori asincroni trifase Essi sono caratterizzati dal fatto che nella configurazione tipica e normalmente utilizzata l'induttore è statico e il campo magnetico rotante trifase di questo induttore ruota a velocità di rotazione inferiore alla velocità di rotazione del rotore, trattandosi di macchina asincrona. Nel caso del presente brevetto, invece, la realizzazione tipica del generatore ha una configurazione nella quale l'induttore é rotante e il suo campo magnetico rotante ruota comunque sincrono alla velocità di rotazione del campo dell'indotto, essendo quest'ultimo tipicamente statico. Electricity generators made with three-phase inductor are already used and are known as three-phase asynchronous generators They are characterized by the fact that in the typical and normally used configuration the inductor is static and the three-phase rotating magnetic field of this inductor rotates at a lower rotation speed at the speed of rotation of the rotor, since it is an asynchronous machine. In the case of the present patent, on the other hand, the typical embodiment of the generator has a configuration in which the inductor is rotating and its rotating magnetic field rotates in any case synchronous to the rotation speed of the armature field, the latter being typically static.

Piu precisamente, i generatori asincroni trifase sono caratterizzati dal fatto che nella configurazione tipica e normalmente utilizzata, nel rotore è presente un sistema dì correnti con frequenza diversa da quella della rete e questo sistema di correnti è indotto dallo statore della medesima macchina More precisely, three-phase asynchronous generators are characterized by the fact that in the typical and normally used configuration, in the rotor there is a system of currents with a frequency different from that of the network and this system of currents is induced by the stator of the same machine.

Nel caso del presente brevetto, nel rotore è presente un sistema di correnti con frequenza diversa da quella dello statore, ma questo sistema di correnti è generato da un'altra macchina, facente sempre parte dello stesso sistema. In the case of the present patent, in the rotor there is a system of currents with a frequency different from that of the stator, but this system of currents is generated by another machine, which is always part of the same system.

Claims

CLAIMS 1. System suitable for generating three-phase electricity and consisting of a prime mover, such as gas turbine, steam turbine, organic Rankine cycle (or other fluid), or hydraulic or wind turbine (wind blade) or even an alternative engine combustion with petrol, diesel, or gas or any other type of turbine or engine or even a generic power take-off (3.10 or 4.10), from a three-phase power alternator (3, 11 or 4.11) from an auxiliary generator (4 , 12 or 3.12) to power the excitation of the power alternator and from a starting generator (4.13 or 3.13) to power the excitation of the auxiliary generator (the starting generator may also not be present, replaced by a power supply derived from the mains), the system being characterized by! the fact that between the turbine (3.10 or 4.10) and the alternator (3.11 or 4.11) there is no mechanical speed reducer and that said alternator (3.11 or 4.11) is excited by an inductor or rotor (3.14 or 4 14) of a wound type with an electric winding which the known art defines as polyphase, that is, with N phases, with N greater than or equal to 2, since said winding is powered by a system of alternating currents with N phases. This winding creates a rotating magnetic flux, which rotates at a rotation speed different from the rotation speed of the power generator rotor (3.14 or 4.14), since the rotation speed of the magnetic flux is equal to the algebraic sum of the rotation of said flow with respect to the rotating reference (rotor) and of the mechanical rotation speed of the latter. The rotor of the power generator (3.14 or 4.14) receives its excitation from the auxiliary generator (3.12 or 4.12), which in turn is excited by a polyphase (or, specifically, three-phase) winding stator, which can receive its power supply from! starting generator and an inverter controlled to produce a current system at the grid frequency, or directly from the grid at the grid frequency (in the event that the starting generator is not installed on the rotating shaft).

2. Horny system! point 1., characterized by the fact that, when it is made with a prime mover (3,10) rotating at a speed that is not perfectly constant and higher or lower than that required by the frequency of the current that the alternator (3 11) must produce, then the auxiliary generator (3.12) can be made in such a way that its armature (3.15) and the inductor are both of the wound type with electric windings not necessarily having the same number of phases and that the known technique defines polytase, that is, with N phases, with N greater than or equal to 2.

3. System as in point 2., characterized by the fact that the starting generator (3.13) supplies the stator of the auxiliary generator (3.12) through a system known in the art as a 2 or more phase inverter (3.16), which produces a current with a frequency exactly equal to that required by the alternator (3.1 1). This constant frequency determines the constancy of the frequency for the current generated by the alternator (3.1 1).

4. System as in point 1 characterized by! fact that, when it is realized with a prime mover (4.10) rotating at a practically constant speed and higher or lower than that required by the frequency of the current that the alternator (4.11) must produce, then the auxiliary generator (4.12) can be realized so that the armature (4.15) or rotor is of the wound type with an N-phase electric winding, with N greater than or equal to 2, and the inductor or stator is of the wound type with single-phase electric winding. In this case the rotor of the power alternator (4.11) is powered by the armature (4.15) of the auxiliary generator (4.12) through an inverter (4.16), which produces a polyphase system of currents (with N phases, being N greater 0 equal to 2) having a constant frequency and equal to the difference between the frequency required by the alternator (4.11) and that corresponding to the rotation speed of the prime mover (4.10),

5. System as in points 1, and 2., characterized by the fact that the starting generator (3.13) and the inverter (3.16) are replaced by a device known in the known art as a multi-phase voltage variator which, powered by the three-phase electrical energy, sends a polyphase system of currents to the inductor of the auxiliary generator (3.12). With this configuration, the rotor (3.14) of the power alternator (3.11) receives the excitation from the rotor (3.15) of the auxiliary generator (3.12) at a frequency which is automatically equal to the difference between the real frequency of the network, at which the power alternator must generate and that corresponding to the rotational speed of the prime mover. In this way the power alternator will generate at a frequency equal to the grid frequency.