PL172568B1 - Rotacyjny generator indukcyjny PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Rotacyjny generator indukcyjny zbudowany ze stojana z uzwojeniami trójfa- zowymi i wirnika z uzwojeniami trójfazowy- mi zamontowanego obrotowo w stojanie, w którym do trójfazowych uzwojen stojana, sta- nowiacych uzwojenia pierwotne, jest dopro- wadzana energia elektryczna zapewniajaca wirujace pole magnetyczne, zas trójfazo- we uzwojenia wirnika, stanowiace uzwojenia wtórne, sa umieszczone w polu magnetycz- nym, przy czym szeregowo z uzwojeniami wtórnymi sa wlaczone elementy rezystancyj- ne, znamienny tym, ze zawiera elementy rezystancyjno-reaktancyjne (23,24,26), które sa wlaczone szeregowo z uzwojeniami wtór- nymi i równolegle do elementów rezystancyj- nych (27). F l G . 2 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest rotacyjny generator indukcyjny przeznaczony zwłaszcza dla wytwarzania energii elektrycznej z energii wiatru lub fal.

W znanych generatorach indukcyjnych prądy w uzwojeniu wtórnym w wirniku są indukowane w wyniku występowania wirującego pola magnetycznego w uzwojeniu pierwotnym w stojanie, do którego jest doprowadzone napięcie linii elektroenergetycznej. Uzwojenia wirnika są zwykle dołączone do pierścieni ślizgowych. W przypadku, gdy wirnik jest napędzany z prędkością większą od prędkości synchronicznej, z obciążeniem dołączonym do pierścieni ślizgowych, urządzenie działa jako generator. Przy przeciążeniu generatora indukcyjnego z wirnikiem klatkowym, które w^rst:ępuje, gdy jego prędkość obrotowa przekracza prędkość ślizgową silnika, generator przestaje dostarczać energię i stanowi małą rezystancję dla źródła napędu. Występuje- to przy prędkościach obrotowych dość bliskich normalnej pracy. Przy nadmiernych prędkościach generator przestaje generować, zmniejszając obciążenie na źródle napędu i powodując często jego zniszczenie. Często też sterowanie prędkością obrotową nie reaguje wystarczająco szybko na zmiany prędkości źródła napędu, powodując uszkodzenie źródła napędu i generatora.

W znanych rozwiązaniach, przy napędzaniu generatora synchronicznego lub generatora indukcyjnego typu klatkowego przez źródła napędu różnych typów, prędkość genera-s tora elektrycznego była utrzymywana prawie stała przy wykorzystaniu metod mechanicznych sterowania prędkością źródła napędu. Te metody mechaniczne często nie są w stanie ograniczyć prędkości źródła napędu, gdy obciążenie zostało utracone.

172 568

W przypadku generatorów napędzanych energią wiatru, stosuje się w celu ograniczenia prędkości łopatki hamujące, sterowanie skokiem łopatki i hamulce mechaniczne.

Istotą rotacyjnego generatora indukcyjnego według wynalazku zbudowanego ze stojana z uzwojeniami trójfazowymi i wirnika z uzwojeniami trójfazowymi zamontowanego obrotowo w stojanie, w którym do trójfazowych uzwojeń stojana, stanowiących uzwojenia pierwotne, jest doprowadzana energia elektryczna zapewniająca wirujące pole magnetyczne, zaś trójfazowe uzwojenia wirnika, stanowiące uzwojenia wtórne, są umieszczone w polu magnetycznym, przy czym szeregowo z uzwojeniami wtórnymi są włączone elementy rezystancyjne, jest to, że zawiera elementy rezystancyjno-reaktancyjne, które są włączone szeregowo z uzwojeniami wtórnymi i równolegle do elementów rezystancyjnych.

Korzystne jest, gdy zgodnie z wynalazkiem uzwojenia stojana są dołączone do źródła energii, a wirnik jest dołączony do źródła napędu, przy czym źródło napędu stanowi energia wiatru lub energia fal.

Korzystne jest także, gdy zgodnie z wynalazkiem elementy rezystancyjno-reaktancyjne zawierają element indukcyjny i pojemnościowy połączone szeregowo z kolejnym elementem rezystancyjnym, przy czym elementy rezystancyno-reaktancyne są dołączone równolegle do elementów rezystancyjnych połączonych w gwiazdkę lub w trójkąt.

Zaletą rotacyjnego generatora indukcynego według wynalazku jest to, że przy uruchomieniu powyżej jego prędkości znamionowej, nadal dostarcza on energię i ciągle przedstawia obciążenie odbiorcze dla źródła napędu, skutkiem czego eliminuje się konieczność niepewnego mechanicznego sterowania prędkością przy wykorzystaniu źródła napędu o zmiennej prędkości.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogólny schemat układu przemiany energii, fig. 2 - schemat generatora indukcyjnego według wynalazku, zaś fig. 3 - schemat odmiany generatora indukcynego według wynalazku.

Przedstawiony na figurze 1 układ przemiany energii zawiera obrotowy element napędowy 11 dołączony do generatora indukcyjnego 12 z nawiniętym wirnikiem. Obrotowy element napędowy 11 może być zasilany z silnika wiatrowego lub z urządzenia do przemiany energii fal. Alternatywnie element napędowy 11 może być dowolnym innym źródłem napędu, takim jak silnik gazowy lub silnik wysokoprężny. W każdym przypadku prędkość obrotowa, przy której generator jest napędzany, zależy bezpośrednio od prędkości obrotowej źródła napędu. Do generatora indukcyjnego 12 dołączone są linie elektromagnetyczne, doprowadzające energię elektryczną dla wytworzenia wirującego pola magnetycznego przy rozruchu generatora indukcyjnego 12 i odprowadzające energię elektryczną z generatora indukcyjnego 12 w czasie jego normalnej pracy.

Na figurze 2 przedstawiono trójfazowy generator indukcyjny połączony w gwiazdę, z uzwojeniami 21 stojana przyłączonymi do trójfazowych linii elektroenergetycznych. Linie elektroenergetyczne służą do doprowadzenia prądu elektrycznego do wytwarzania wirujących magnetycznych pól, które wzbudzają prąd w uzwojeniach wtórnych 22 nawiniętych na wirniku. Uzwojenia wtórne 22 są dołączone do pierścieni ślizgowych (nie pokazanych na rysunku), które umożliwiają połączenie elementów takich, jak rezystory, kondensatory lub cewki indukcyjne w obwodzie uzwojenia wtórnego 22. Generator działa jak silnik, aż do czasu, gdy wirnik obraca się szybciej niż w prędkością synchroniczną, kiedy to działa on jako generator dostarczający energię elektryczną do linii elektromagnetycznych.

Na fig. 2 rezystory 23 i cewki indukcyjne 24 są dołączone szeregowo z każdym uzwojeniem wtórnym 22 do połączonych w trójkąt kondensatorów 26, co zapewnia w istocie szeregowe połączenie tych kondensatorów z rezystorami 23 i cewkami indukcyjnymi 24. Poza tym rezystory 27 są połączone szeregowo z każdym ze wspomnianych uzwojeń i są połączone ze sobą w układzie gwiazdy.

172 568

Rezystory 27 stanowią obciążenie na uzwojenia wtórne 22, przez co zwiększają prąd w tych uzwojeniach. Elementy rezystancyjno-reaktancyjne 23, 24, 26, dołączone do uzwojeń wtórnych 22, są stosowane w celu do poprawy wydajności generatora i do ograniczania mocy wyjściowej przy większych prędkościach.

Zwykły generator indukcyjny z wirnikiem klatkowym przy określonym przeciążeniu przerywa dostarczanie energii i odciąża źródło napędu. Niekorzystnie prędkość obrotowa, przy której to występuje, jest bliska prędkości obrotowej przy zwykłym użyciu generatora. Stan braku obciążenia powoduje często, że źródło napędu zasila generator, a generator zdąża do uszkodzenia.

Natomiast generator indukcyjny z nawiniętym wirnikiem, dodatkowymi elementami rezystancyjno-reaktancyjnymi 23, 24, 26 nadal dostarcza energię elektryczną na wyjście, gdy prędkość wzrasta. Taki generator z nawiniętym wirnikiem jest zatem zawsze poddawany sterowaniu elektrycznemu. Nigdy nie odczuwa się nagłego wystąpienia nagłego stanu bez obciążenia, gdy pracuje on z obciążeniem. Dodatkowe elementy rezystancyjno-reaktancyjne 23, 24, 26 ograniczają moc wyjściową, gdy szybkość staje się zbyt duża. Tak więc generator jest generatorem z samozabezpieczeniem, Ten efekt ograniczania mocy jest automatyczny, przy jednoczesnym braku styków czy przekaźników. Efekt ograniczania jest korzystny dla generatora i źródła napędu.

Figura 3 przedstawia zasadniczo taki sam generator indukcyjny, oprócz tego, że kondensatory są połączone w układzie gwiazdy. Jest oczywiste, że uzwojenie pierwotne 21 lub wtórne 22 silnika generatora z nawiniętym wirnikiem może być połączone albo w układzie trójkąta albo gwiazdy. Również uzwojenia wirnika lub stojana mogą być albo pierwotne albo wtórne, zakładając, że uzwojenia są prawidłowe dla napięcia pierwotnego, które ma być dostarczane, przy czym elementy rezystancyjno-reaktancyjne powinny być zawsze dopasowane do uzwojeń wtórnych.

Takie rozwiązanie ogranicza obciążenie w generatorach energii elektrycznej typu indukcyjnego, z nawiniętym wirnikiem. Ten generator można napędzać z różnymi prędkościami i utrzymać stałą częstotliwość napięcia w dołączonej do niego linii elektroenergetycznej. Prędkości można zmieniać w szerokim zakresie powyżej prędkości synchronicznej (podstawowej). Nadmierna moc na wyjściu jest sterowana przez obwód wykorzystujący pierwszy obwód trzech zespołów rezystorów, cewek indukcyjnych i kondensatorów połączonych szeregowo. Wówczas każdy zespół pierwszego obwodu jest dołączony do uzwojeń wtórnych, a końce trzech zespołów są połączone ze sobą w układzie gwiazdy. Wówczas każdy zespół jest połączony równolegle, każdy z oddzielnym zespołem rezystorów dołączonych również do uzwojeń wtórnych i połączonych ze sobą w układzie gwiazdy. Po osiągnięciu ustalonego ograniczenia wyjściowego mocy, elementy rezystancyjno-reaktancyjne (rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory w obu obwodach) pomagają w określaniu, przy jakiej prędkości to nastąpi, jak również maksymalną wartość mocy na wyjściu. Cewki indukcyne połączone szeregowo z kondensatorami działają początkowo jak zwykłe rezystory o bardzo małej rezystancji, skutkiem czego umożliwiają otrzymanie przez kondensatory dowolnego napięcia, które jest wytwarzane. Wówczas gdy prędkość generatora jest zwiększana, jak też częstotliwość napięcia na wy'ściu wtórnym, powoduje to wzrost rezystancji dławików i przeciwny efekt w kondensatorach, tj. reaktancja pojemnościowa zmniejsza się.

Prędkość synchroniczna, czyli prędkość podstawowa dowolnego urządzenia trójfazowego, jest określana przez wstawienie znanych wartości do wzoru:

Synchroniczna czyli podstawowa prędkość obrotowa =

120f liczba biegunów gdzie f jest częstotliwością w Hz (cyklach).

172 568

Reaktancję indukcyjną przy określonej częstotliwości można określić wzorem:

Xl (henry) - 2%fL, gdzie Xl jest reaktancją indukcyjną w omach, f jest częstotliwością w Hz i L jest indukcyjnością w henrach.

Reaktancję pojemnościową można opisać wzorem:

_v _ 10⁶

Xc(mikrofaradv) z

2^ gdzie Xc jest reaktancją pojemnościową w omach, f jest częstotliwością w Hz i C jest pojemnością w mikrofarach.

Mając znane wartości rezystancji (R), pojemności (C) i indukcyjności (L) połączonych szeregowo można obliczyć impedancję Z w omach:

l = 7λ²+(α;-χ,γ

Wartość graniczną mocy na wyjściu generatora określając następujące elementy:

1. Rezystancja uzwojenia wtórnego i rezystory dołączone do uzwojeń wtórnych,

2. Rezystory połączone szeregowo z cewkami indukcyjnymi i kondensatory dołączone do uzwojeń wtórnych,

3. Cewki dławikowe połączone szeregowo z rezystorami i kondensatory dołączone do uzwojeń wtórnych,

4. Kondensatory połączone szeregowo z rezystorami i cewkami dławikowymi dołączonymi do uzwojeń wtórnych.

Wartości elementów w każdy z powyższych punktów można regulować w celu oddziaływania na wyjściową prędkość obrotową, moc wyjściową i wydajność. Elementy te wpływają także na moc, przy której generator ograniczy moc wyjściową, jak również wartość mocy, do której generator zdąża, jeżeli zostanie przekroczona wartość graniczna mocy.

Dla przykładu w urządzeniu 3-kilowatowym (przy 1138 obrotach na minutę) górna wartość graniczna obciążenia może wynosić 3,5 kilowatów (lub więcej). Moment, w którym ta wartość zostaje osiągnięta (w tym przykładzie przy 1171 obrotach na minutę), moc wyjściowa zmniejszy się do około od 3 kilowatów do 1,5 kilowatów. Zwykle prąd maleje wraz ze zmniejszeniem mocy. Nieregulowany generator 10 kVA, stosowany w tym doświadczeniu jako źródło energii trójfazowej, natychmiast zdążą do znacznie większej prędkości (1287) przy zmniejszonym obciążeniu. To byłoby niemożliwe w użytkowej linii elektroenergetycznej dołączonej do uzwojeń pierwotnych. Prędkość obrotową należy zmniejszyć, aby wrócić do punktu, w którym generator zacznie zwiększać ponownie jego moc wyjściową. W tym szczególnym przypadku jest to około 1129 obrotów na minutę.

Pod działaniem energii wiatru lub fal, pojemność ograniczająca generatora przyjmie uderzenia wiatru lub duże fale bez uszkodzenia generatora, a jedynie przyjmie uderzenia wiatru lub duże fale, wytwarzając dodatkowe impulsy energii zamiast odrzucania tych stosunkowo dużych obciążeń. Generator zaczyna generować znacznie poza jego minimalną wartością graniczną prędkości. Dla przykładu przy podanym powyżej spadku od 3,5 kilowata (przy około 1171 obrotach na minutę), moc generatora zmniejszyła się do 3,0 kilowatów. Nadąża ona do ponad 1200 obrotów na minutę przy mniejszej mocy na wyjściu, przy której generator mógłby być napędzany do większej prędkości bez zwiększania jego mocy wyjściowej (lecz jego prąd wejściowy zmaleje). Generator powróci do generowania napięcia powyżej jego dolnej wartości granicznej, przy nieco powyżej 1129 obrotów na minutę, aby zmniejszyć moc na wyjściu.

172 568

Generator indukcyjny według wynalazku z nawiniętym wirnikiem, przystosowany do zasilania przez źródło napędu dla wytwarzania energii elektrycznej, zapewnia ograniczenie obciążenia generatora tak, że generator może być napędzany przy możliwych do zmiany prędkościach i utrzymywać stałą częstotliwość napięcia w dołączonej do niego linii elektromagnetycznej, przy czym można łatwo przystosować wynalazek do różnych zastosowań, bez pomijania cech i elementów, które stanowią o istocie wynalazku.

Claims (6)

1. Rotacyjny generator indukcyjny zbudowany ze stojana z uzwojeniami trójfazowymi i wirnika z uzwojeniami trójfazowymi zamontowanego obrotowo w stojanie, w którym do trójfazowych uzwojeń stojana, stanowiących uzwojenia pierwotne, jest doprowadzana energia elektryczna zapewniająca wirujące pole magnetyczne, zaś trójfazowe uzwojenia wirnika, stanowiące uzwojenia wtórne, są umieszczone w polu magnetycznym, przy czym szeregowo z uzwojeniami wtórnymi są włączone elementy rezystancyjne, znamienny tym, że zawiera elementy rezystancyjno-reaktancyjne (23, 24, 26), które są włączone szeregowo z uzwojeniami wtórnymi i równolegle do elementów rezystancyjnych (27).

2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenia (21) stojana są dołączone do źródła energii, a wirnik jest dołączony do źródła napędu.

3. Generator według zastrz. 2, znamienny tym, że źródło napędu stanowi energia wiatru.

4. Generator według zastrz. 2, znamienny tym, że źródło napędu stanowi energia fal.

5. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy rezystancyjno-reaktancyjne (23, 24, 26) zawierają element indukcyjny (24) i pojemnościowy (26) połączone szeregowo z kolejnym elementem rezystancyjnym (23), przy czym elementy rezystancyjno-reaktancyjne (23, 24, 26) są dołączone równolegle do elementów rezystancyjnych (27) połączonych w gwiazdę. ’

6. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy rezystancyjno-reaktancyjne (23, 24, 26) zawierają elementy indukcyjny (24) i pojemnościowy (26) połączone szeregowo z kolejnym elementem rezystancyjnym (23), przy czym elementy rezystancyjno-reaktancyjne (23, 24, 26) są dołączone równolegle do elementów rezystancyjnych (27) połączonych w trójkąt.