RO118350B1

RO118350B1 - Generator rotativ, cu inductie

Info

Publication number: RO118350B1
Application number: RO95-00159A
Authority: RO
Inventors: Samuel Heller
Original assignee: Heller Dejulio Corp
Priority date: 1992-08-03
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 2003-04-30
Also published as: EP0653118B1; CN1086640A; EP0653118A1; RU95107042A; FI950456A; DE69314494D1; CN1035646C; EP0653118A4; DE69314494T2; AU4784993A; FI950456A0; HU9500314D0; GR3025849T3; IL106550A0; JPH07509597A; NZ255119A; CA2140783A1; ATE159133T1; EG20135A; WO1994003970A1

Abstract

Inventia se refera la un generator rotativ, cu inductie, avand un stator cu niste infasurari statorice (21), care definesc un stator trifazic si un rotor montat pentru a se roti in el, care are bobinate pe el trei infasurari rotorice (22), ce definesc un rotor trifazic, si avand niste mijloace rezistiv - reactive (23, 24 si 26) legate la infasurarile secundare (22), mentionate, pentru cresterea randamentului generatorului si limitarea puterii de iesire la capacitatea generatorului intr-un interval larg de turatii. Se prezinta si o metoda de limitare a producerii de energie electrica, folosind generatoare rotative, cu inductie, la care generatorul poate functiona cu turatii variabile, mentinand frecventa liniei legate la el, intr-un interval larg de turatii al masinii de forta, unde excesul de putere, la iesire, este limitat de un circuit care foloseste o inductanta si o capacitate (23, 24 si 26), legate, in serie, de la fiecare picior al unei configuratii de montaj in stea sau in triunghi, si unde, fiecare din aceste seturi este legat, in paralel, cu un set separat de rezistori (27), pentru a completa circuitul, si ajuta la comanda punctului maxim de putere (kW).

Description

Invenția se referă, în general, la generatoare rotative cu inducție, de tipul cu rotor bobinat și, în special, la generatoare cu inducție și rotor pentru producerea de curent electric.

în generatoarele cu inducție și rotor bobinat, curenții din înfășurarea secundară (de regulă rotorul) sunt generați numai prin inducție. Acești curenți rezultă din tensiuni induse în înfășurările secundare de către câmpurile magnetice rotitoare din înfășurarea primară, care apar din aplicarea unor tensiuni de linie, în ea. înfășurările rotorului sunt, în general, conectate la niște inele de alunecare. Când rotorul este antrenat la o viteză dincolo de cea de sincronism, cu un echipament fie în scurtcircuit fie propriu, atașat la el, sub forma unei sarcini conectată la inelele de alunecare, mașina lucrează ca generator, în limite largi.

în general, un generator cu inducție, cu rotor în colivie de veveriță, prezintă un efect de ușă închisă” când este supraîncărcat. La suprasarcină, care apare când viteza depășește viteza de sincronism cu o valoare puțin peste viteza de alunecare a motorului, generatorul încetează să mai producă curent și opune o mică rezistență mașinii de forță. Aceasta apare la viteze de rotație foarte apropiate de funcționare normală. Când sarcina se pierde (dispare), mașina de forță și generatorul cu inducție se asamblează împreună până la distrugere.

în decursul ultimilor treizeci de ani sau mai mult, la acționarea unui generator sincron sau a unui generator cu inducție, de tipul cu rotor în colivie de veveriță, folosind diferite tipuri de mașini de forță, viteza generatorului electric era menținută aproape constantă, aplicând metode mecanice pentru reglarea vitezei mașinii de forță. Adesea, aceste metode mecanice nu reușeau să limiteze viteza mașinii de forță la pierderea sarcinii.

în cazul generatoarelor antrenate de puterea vântului, limitarea vitezei se realizează prin folosirea de frâne mecanice, reglarea pasului elicei. Aceste metode oferă o durată de serviciu foarte scurtă și sunt costisitoare la întreținere.

Frecvența din secundarul bobinat al generatorului este direct proporțională cu turația ce trece de turația de bază. Astfel, în cazul unei mașini cu turație de 900 rot/min, 8 poli și 60 Hz, frecvența din secundar, la 900 rot/min, este nulă. Creșterea frecvenței este de 60 Hz pentru fiecare 900 rot/min peste turația de bază. Astfel ea atinge valoarea de 30 Hz la 1350 rot/min (900+450=1350) și 60 Hz în secundarul acestei mașini la 1800 rot/min.

Acest fapt este important. Aceasta înseamnă că generatorul este acționat în același sens în care ar funcționa ca motor. în acest fel, nu este necesar să se inverseze nici o conexiune, pentru a folosi generatorul ca motor, în scopul de a ajuta generatorul să atingă viteza de bază, cu ajutorul oricărui tip de mașină de forță cu viteză variabilă sau sursă de putere inclusiv forța vântului sau valurilor.

Unul din obiectivele urmărite prin invenție constă în realizarea unui generator cu inducție, cu rotor bobinat, care să fie conceput astfel încât atunci când este exploatat dincolo de viteza de regim să debiteze încă curent (putere) și să continue a prezenta o sarcină receptivă mașinii de forță, eliminând prin aceasta necesitatea unor comenzi mecanice, nesigure, asupra mașinii de forță cu viteză variabilă.

Un alt obiectiv al invenției este acela de a realiza un generator rotativ, cu inducție, convenabil pentru aplicații legate de energia vântului și a valurilor. Se urmărește de asemenea să se realizeze în mod eficient, în limite largi de turații ale rotorului, o frecvență constantă la ieșire.

Un obiectiv urmărit la producerea curentului electric este acela de a realiza o putere de ieșire maximă. Generatorul conform prezentei invenții poate să furnizeze curent electric în limite mult mai largi și cu capacitate mai mare decât generatoarele cunoscute. Generatorul își menține sarcina într-un interval larg de viteze (rot/min), inclusiv la viteze la care generatoarele cu inducție, de tipul cu rotor în colivie de veveriță, încetează în mod normal, să mai furnizeze curent și când generatorul cu inducție, clasic, oferă o mică rezistență mașinii de forță, permițând adesea ca mașina de forță și generatorul să ajungă împreună la viteze periculoase.

R0118350 Β1

Obiectivele menționate și alte obiective ale invenției sunt atinse cu ajutorul unui generator cu inducție, care include un rotor montat pentru a se roti în statorul menționat și având bobinate pe el trei înfășurări rotorice care definesc un rotor trifazic. înfășurările de stator trifazic, menționate, sunt cuplate cu câmpul magnetic, menționat, făcând să se inducă 55 curenți în înfășurările secundare. Niște mijloace reactive (reactanțe) și niște mijloace rezistive (rezistențe) sunt legate în serie cu înfășurările secundarului pentru a spori randamentul generatorului și limita puterea de ieșire la viteze (turații) ridicate. Niște mijloace rezistive, legate în serie cu înfășurările menționate, asigură curent în secundar și generează câmpurile magnetice necesare pentru producerea curentului. 60 în continuare, se prezintă un exemplu de realizare a generatorului rotativ, cu inducție, conform invenției, în legătură și cu fig.1 la 3, care reprezintă:

- fig.1, schema de principiu a sistemului de conversie a energiei;

- fig.2, schema de principiu a generatorului cu inducție și rotor bobinat, destinat utilizării în sistemul de conversie a energiei; 65

- fig.3, schema de principiu a unui alt generator cu inducție și rotor bobinat.

în fig.1, se poate vedea un mijloc de antrenare în mișcare de rotație, pus în legătură cu un generator cu inducție cu rotor bobinat. Mijlocul de antrenare în mișcare de rotație 11 poate fi acționat de la o turbină eoliană sau de la un aparat de conversie a energiei valurilor. Ca alternativă, mijlocul de antrenare poate fi orice altă mașină de forță, cum ar fi un motor 70 cu gaz sau un motor Diesel.

în orice caz, turația (rot/min) cu care generatorul este antrenat, va depinde direct de turația (rot/min) mașinii de forță. După cum s-a descris mai sus, la sisteme clasice, se prevăd mijloace mecanice, care să mențină turația optimă a mașinii de forță aferente. în general, asemenea generatoare sunt generatoare cu inducție, de tipul cu rotor în colivie de veve- 75 riță, acționate la o turație, în principal constantă, a rotorului. La turații excesive, generatorul încetează să mai producă curent electric, reducând sarcina preluată de mașina de forță și permițând, frecvent, acestuia să capete turații care îl pot distruge. Adesea, reglarea turației nu răspunde suficient de rapid la modificările de turație ale mașinii de forță, conducând la deteriorarea mașinii de forță și a generatorului. 80

S-a constatat că, prin adăugarea unei sarcini rezistiv-reactive, în serie cu înfășurările secundare, și unui alt circuit rezistiv, paralel, de asemenea în serie cu înfășurările secundare, puterea maximă poate fi limitată fără deteriorarea înfășurărilor generatorului, iar pierderea la ieșire, în condițiile funcționării cu supraturație, poate fi eliminată.

în fig.2, se prezintă un generator trifazic în Y, având înfășurările 21 ale statorului le- 85 gate la linii trifazate de curent electric. Liniile de curent electric servesc pentru a genera câmpuri învârtitoare care exercită curent în înfășurările secundare 22 bobinate, de regulă, pe rotor. înfășurările secundare 22 sunt legate la niște inele de alunecare (nefigurate), care permit legarea unor componente ca rezistori, condensatoare sau bobine de inducție în circuitul înfășurării secundare. După cum s-a menționat mai sus, generatorul se comportă ca motor 90 până când rotorul atinge o turație având valoarea peste turația de sincronism, moment în care el se comportă ca generator, furnizând curent electric în liniile rețelei electrice.

în fig.2, rezistorii 23 și bobinele de inducție 24 sunt legate în serie cu fiecare înfășurare 22 până la un montaj delta (în triunghi) de condensatori 26 care, în esență, plasează capacitatea în serie cu rezistorii 23 și bobinele de inducție 24. în plus, niște rezistori 27 sunt 95 legați în serie cu fiecare din înfășurări și sunt legați pentru a forma un punct de legare în Y (în stea).

Rezistorii 27 acționează ca o sarcină asupra secundarului, sporind prin aceasta curentul din înfășurarea secundară. Acest curent produce magnetismul necesar pentru a permite celorlalte componente, legate la secundar, să funcționeze. Componentele rezistiv-reac- 100 tive 23, 24, 26, legate la înfășurările secundarului, sunt folosite în două scopuri:

- pentru a îmbunătăți randamentul generatorului și

- pentru a limita puterea la ieșire (kW), la turații mari.

RO 118350 Β1

Generatorul normal, cu inducție și rotor în colivie de veveriță, prezintă un efect de ușă închisă când este supraîncărcat. La o suprasarcină specifică, generatorul încetează să mai debiteze curent și descarcă mașina de forță. Din păcate, turația la care apare această situație este foarte apropiată de turația de folosire normală a generatorului. Această stare lipsită de sarcină face adesea ca mașina de forță să antreneze generatorul și generatorul să capete o turație periculoasă, până la distrugere.

Generatorul cu inducție și rotor bobinat, având componente adecvate în secundar 23,24,26, continuă să debiteze curent electric la ieșire când turația crește. De aceea, generatorul cu rotor bobinat, care are componente adecvate, se află întotdeauna sub comandă din punct de vedere electric. Acesta nu ajunge niciodată la starea instantanee, lipsită de sarcină, când lucrează cu sarcină. După cum s-a menționat mai sus, componentele secundarului limitează puterea de ieșire (kW) când turația capătă valori prea mari. în acest fel, agregatul se autoprotejează.

în fig.3, se prezintă, în principal, același circuit, cu excepția condensatorilor care sunt legați într-o configurație de stea. Desigur, este evident că, pentru a atinge obiectivele invenției, primarul sau secundarul motorului/generatorului cu rotor bobinat poate fi legat fie sub formă de triunghi (a), fie sub formă de stea (Y). De asemenea, rotorul sau statorul poate fi, ori primarul ori secundarul, cu condiția ca înfășurările să fie corecte pentru tensiunea din primar ce urmează să fie aplicată (componentele din secundar pot fi întotdeauna adaptate înfășurărilor secundarului).

Deci invenția de față prezintă o metodă de limitare a sarcinii în generatoarele de curent electric, de tipul cu inducție, folosind o mașină cu rotor bobinat. Acest generator poate fi acționat la turații variabile și menține o frecvență constantă a liniei legată la el. Turațiile pot varia în limite largi peste turația de sincronism. Excesul de putere la ieșire (kW) poate fi comandat cu ajutorul circuitului care folosește un prim circuit din trei seturi de rezistori, bobine de inducție și condensatori, legate în serie. Apoi, fiecare set al primului circuit menționat este legat la înfășurările secundarului, iar capetele acestor trei seturi sunt legate împreună pentru a forma un punct de legare în stea (Y).

Apoi, fiecare set este legat în paralel (fiecare) cu un set de rezistori, legați de asemenea la înfășurările secundarului și legați împreună pentru a obține un punct de legare în (Y) stea. Când limita de putere prestabilită (kW) este atinsă, componentele din secundar (rezistori, bobine de inducție și condensatori din ambele circuite) ajută la determinarea turației la care aceasta va avea loc, precum și a punctului sau numărului maxim de kW la ieșire. Inițial, bobinele de inducție și condensatorii se comportă ca rezistorii cu valoare foarte scăzută a rezistenței ohmice, permițând prin aceasta condensatorilor să preia orice tensiune ce se produce. Când turația generatorului este mărită, același lucru se întâmplă și cu frecvența la ieșirea secundarului, având ca rezultat o rezistență înaltă (reactanța inductivă) în elementele reactive (bobine) și un efort opus în condensatori, adică o scădere a reactanței capacitive.

Turația de sincronism sau de bază a oricărei mașini trifazice se determină prin substituirea unor valori cunoscute în următoarea formulă:

Turația de sincronism (rot/min) = 120f/numărul de poli.

în care f reprezintă frecvența în Hz.

Se constată că reactanța inductivă la o frecvență specifică, poate fi determinată cu formula:

^HHenty)^- ^TT FL în care X_L reprezintă reactanța inductivă în Ohmi; f este frecvența în Hz; și L este inducția în Henry.

Reactanța capacitivă poate fi calculată cu formula:

''CfAAcrofarazi) r_îrrff' în care X_c reprezintă reactanța capacitivă în Ohmi, f este frecvența, în Hz; și C este capacitatea în microfarazi.

RO 118350 Β1

160

Rezultatul calculului rezistenței (R), capacității (C) și inductanței (L) legate în serie este impedanța Z, în Ohmi:

Z^R².(X_l-X_c)²

Există patru efecte care determină limita puterii la ieșirea generatorului (kW):

1. Rezistența înfășurării secundare și rezistorii din secundar legați la înfășurări;

2. Rezistorii montați în serie cu elemente reactive (bobine) și condensatori, legați la înfășurările secundare;

3. Elementele reactive (bobine) montate în serie cu rezistorii și legate la înfășurările secundarului;

4. Condensatorii în serie cu rezistorii și elementele reactive (bobine) legați la înfășurările secundarului.

Fiecare element poate fi reglat pentru a influența turația la ieșire, puterea la ieșire (kW) și randamentul la ieșire.

Elementele respective influențează de asemenea limita de putere (kW) la ieșirea generatorului, precum și punctul (nivelul) puterii (kW) până la care generatorul va ajunge dacă se depășește limita de putere (kW). Rezistorii 23, de rezistență R, legați în a, acționează pentru a aduce limita de putere (kW) și puterea (kW) ce rezultă după limită cât mai aproape (împreună) una de alta. Ultimul element este foarte important și nu se verifică ușor. Saltul dintre limita de putere și descreșterea la care se localizează limita variază foarte mult, rezistorii 23 de rezistență R, legați în a, acționând ca o comandă de vernier.

De exemplu, în cazul unei mașini de 3 kW (la 1138 rot/min), limita superioară a sarcinii poate fi adusă la 3,5 kW (sau mai mult). în momentul atingerii acestei puteri (la 1171 oriunde de la 3 până la 1,5 kW). în general, intensitatea curentului (Amperi) se va reduce cu căderea puterii (kW). (Generatorul de 10 kVA, nereglat, folosit ca sursă de curent trifazic, în acest experiment, a ajuns imediat la o turație periculoasă mult mai înaltă -1287 rot/min, fiind încărcat cu o sarcină de iluminat. Acest lucru ar fi imposibil cu o linie de curent electric legată la înfășurările primare).

Turația rotorului trebuie să fie redusă pentru a ajunge înapoi la punctul unde generatorul va începe să crească din nou puterea la ieșire (kW). în acest caz specific, această turație pare a fi de circa 1129 rot/min.

în condiții de funcționare cu energie eoliană sau cu energia valurilor, capacitatea limită a generatorului va accepta rafale de vând sau valuri mari fără deteriorări la generator și va avea de suferit el însuși prin receptarea rafalelor sau valurilor mari care produc impulsuri exagerate de curent în loc să descarce aceste sarcini comparativ mari de putere (kW).

Generatorul începe să producă bine curent dincolo de limita sa minimă de turație. De exemplu, în căderea de la 3,5 kW (la circa 1171 rot/min), menționată mai sus, generatorul a căzut până la 3,0 kW. El s-a ambalat până la peste 1200 rot/min, cu o putere mai scăzută la ieșire, când generatorul ar putea fi antrenat la o turație mai înaltă fără creșterea puterii lui la ieșire (dar intensitatea curentului la intrarea lui va crește). Generatorul va reveni, începând producerea de curent deasupra limitei lui inferioare, ceva peste turația de 1129 rot/min, pentru a reduce puterea debitată la ieșirea lui (kW).

Punctele limită pot fi calculate prin cunoașterea rezistenței de fază a rotorului și valoarea rezistenței exterioare per fază. Folosind formulele, pentru impedanță, ale elementelor respective (bobine) și condensatori (care se opun unul altuia) se poate face o aproximație. Apoi rezistorul 23, de rezistență R, legat în a, poate fi folosit pentru ușoare modificări, cum s-a dorit.

Trebuie înțeles că prezenta invenție privește un generator cu inducție, cu rotor bobinat, adaptat pentru a fi antrenat de către o mașină de forță, în vederea producerii de curent electric, adaptare care va avea ca rezultat o limitare a sarcinii generatorului astfel încât el să poată funcționa la turații variabile și să mențină constantă frecvența liniei legate la el.

165

170

175

180

185

190

195

200

205

RO 118350 Β1

Invenția de față poate fi ușor adaptată pentru diverse aplicații, fără să se omită caracteristicile și elementele specifice ale invenției, adaptări care vor fi cuprinse în înțelesul și limitele de echivalență ale revendicărilor ce urmează.

Claims

Revendicări

1. Generator rotativ cu inducție cuprinzând un stator prevăzut cu înfășurări statorice (21), care definesc un stator trifazic, un rotor montat pentru a se roti în statorul menționat și prevăzut cu trei înfășurări rotorice (22) care definesc un rotor trifazic, în care înfășurările menționate (21) ale statorului trifazic sunt adaptate pentru a fi legate la o sursă de curent electric și servesc ca înfășurări ale primarului, unde curentul electric aplicat determină o circulație de curent în înfășurările trifazice, menționate, și asigură un câmp magnetic rotativ, celelalte trei înfășurări menționate (22) servesc ca înfășurări ale secundarului, cuplate cu câmpul magnetic menționat, în aceste înfășurări (22) ale secundarului, circulând curenți induși, caracterizat prin aceea că niște mijloace rezistiv-reactive (23, 24, 26) fiind legate la înfășurările (22) secundarului pentru a spori randamentul generatorului și a limita puterea de ieșire la capacitatea generatorului într-un interval larg de turații, iar niște mijloace rezistive (27) sunt legate în serie cu înfășurările (22) secundarului pentru a asigura curenți de magnetizare în secundar.
2. Generator rotativ cu inducție, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că înfășurările menționate (21) ale statorului sunt legate la o sursă de curent electric, iar rotorul este pus în legătură cu o mașină de forță.
3. Generator rotativ cu inducție, conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că mașina de forță folosește energia eoliană.
4. Generator rotativ cu inducție, conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că mașina de forță folosește energia valurilor.
5. Generator rotativ cu inducție, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că mijloacele rezistiv-reactive cuprind niște mijloace inductive (24) și capacitive (26) în serie cu niște mijloace rezistive (23), iar această serie este pusă în paralel cu un set separat de rezistori (27) legați, în principal, într-un montaj cu configurație de Y (în stea).
6. Generator rotativ cu inducție, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că mijloacele rezistiv-reactive cuprind niște mijloace inductive (24) și capacitive (26) în serie cu niște mijloace rezistive (23), iar această serie este pusă în paralel cu un set separat de rezistori (27) legați, în principal, într-un montaj cu configurație δ.