RU203289U1

RU203289U1 - GENERATOR WITH FEEDBACK

Info

Publication number: RU203289U1
Application number: RU2020142805U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Коптяев
Original assignee: Евгений Николаевич Коптяев
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2021-03-30

Abstract

Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в разного рода генераторах, в том числе в валогенераторах и ветрогенераторах.Из уровня техники известны различные виды синхронных генераторов, которые имеют общие черты - это наличие полюсов возбуждения, а также наличие обмотки на статоре (как правило, трехфазной). Существуют также обращенные синхронные генераторы, в которых обмотка возбуждения или постоянные магниты, создающие поток возбуждения, размещены на статоре, а трехфазная выходная обмотка размещена на роторе. Такие машины иногда используют в составе различных электромашинных преобразователей. Для таких генераторов существует прямая зависимость между вращением вала и выходной частотой - чем выше скорость вращения ротора генератора, тем выше частота напряжения на его выходе. При этом многие механические двигатели не обеспечивают стабильность скорости вращения вала, что ведет к колебаниям и провалам частоты на выходе генераторов. Особенно сильна эта зависимость для ветрогенераторов, где скорость вращения вала может изменяться в очень широком диапазоне, что делает необходимым двойное преобразование электроэнергии - выпрямление, далее инвертирование.Из уровня техники также известны синхронные генераторы без щеток и возможностью регулирования уровня возбуждения на статоре, что позволило за счет применения трех машин на одном валу исключить применение щеток и колец на роторе. Недостатком таких решений является нестабильность их частоты при колебаниях скорости вращения.В предлагаемом решении, используются трехфазные обмотки на роторе и статоре и возбудителя, и основного генератора - что является главной его особенностью, и позволило создать обратную связь по частоте и напряжению с помощью инвертора, включенного в контур статор основного генератора - статор возбудителя. Такая конструкция исключает необходимость в щетках и кольцах, обеспечивая стабилизацию частоты и напряжения.Результатом использования предлагаемого решения является наличие стабилизации выходного напряжения и по частоте и по уровню напряжения при колебаниях скорости вращения вала и ротора в широких пределах. Это расширяет область применения предлагаемого решения и дает возможность компенсировать провалы или забросы скорости вращения вала относительно номинальной. Кроме того, возможность плавного регулирования частоты вне зависимости от скорости вращения вала открывает возможность повышения точности ее поддержания при малых отклонениях.The utility model relates to electrical machines and can be used in all kinds of generators, including shaft generators and wind generators. The prior art knows various types of synchronous generators that have common features - the presence of field poles, as well as the presence of a winding on the stator (as usually three-phase). There are also inverted synchronous generators in which the field winding or permanent magnets that create the field flux are located on the stator, and the three-phase output winding is located on the rotor. Such machines are sometimes used as part of various electrical machine converters. For such generators, there is a direct relationship between the rotation of the shaft and the output frequency - the higher the rotation speed of the generator rotor, the higher the frequency of the voltage at its output. At the same time, many mechanical motors do not provide stability of the shaft rotation speed, which leads to oscillations and dips in the frequency at the output of the generators. This dependence is especially strong for wind generators, where the shaft rotation speed can vary in a very wide range, which makes it necessary to double conversion of electricity - rectification, then inversion. The prior art also knows synchronous generators without brushes and the ability to regulate the excitation level on the stator, which made it possible for by using three machines on one shaft, eliminate the use of brushes and rings on the rotor. The disadvantage of such solutions is the instability of their frequency with fluctuations in the rotation speed. In the proposed solution, three-phase windings are used on the rotor and stator of both the exciter and the main generator - which is its main feature, and made it possible to create feedback on frequency and voltage using an inverter turned on into the circuit, the stator of the main generator - the stator of the exciter. This design eliminates the need for brushes and rings, providing stabilization of frequency and voltage. The result of using the proposed solution is the presence of stabilization of the output voltage both in frequency and in voltage level with fluctuations in the speed of rotation of the shaft and rotor within wide limits. This expands the scope of the proposed solution and makes it possible to compensate for dips or overshoots of the shaft rotation speed relative to the nominal. In addition, the possibility of smooth regulation of the frequency, regardless of the speed of rotation of the shaft, opens up the possibility of increasing the accuracy of its maintenance at small deviations.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в валогенераторах и ветрогенераторах.The technical field to which the utility model belongs. The utility model relates to electric machines and can be used in shaft generators and wind generators.

Уровень техники. Известен синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой [патент РФ на изобретение №2711238], содержащий ротор в виде кольца, разделенный на две кольцевые части, внешний и внутренний ротор, ферромагнитные пластины, постоянные магниты, вал ротора, прямоугольные магнитные полюса. Ротор в виде кольца дополнительно разделен на третью кольцевую часть, промежуточный ротор, при этом на внешнем и внутреннем роторах закреплены ферромагнитные пластины, прямоугольные магнитные полюса и постоянные магниты, а в промежуточном роторе постоянные магниты установлены в полости между внутренним и внешним роторами, при этом между внутренним и промежуточным и промежуточным и внешним расположены обмотки статора, также при этом внешний, промежуточный и внутренний роторы соединены валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора.State of the art. Known synchronous generator with a three-circuit magnetic system [RF patent for invention No. 2711238], containing a rotor in the form of a ring, divided into two annular parts, an outer and an inner rotor, ferromagnetic plates, permanent magnets, rotor shaft, rectangular magnetic poles. The rotor in the form of a ring is additionally divided into a third annular part, an intermediate rotor, while ferromagnetic plates, rectangular magnetic poles and permanent magnets are fixed on the outer and inner rotors, and in the intermediate rotor, permanent magnets are installed in the cavity between the inner and outer rotors, while between internal and intermediate and intermediate and external are the stator windings, while the external, intermediate and internal rotors are connected by the rotor shaft, fixed with bearings in the housing of the synchronous generator.

К недостатку такого решения можно отнести сложность конструкции и технологии ее сборки, что ведет к росту себестоимости. The disadvantage of such a solution can be attributed to the complexity of the design and technology of its assembly, which leads to an increase in cost.

Также известен генератор синхронный трехфазный [патент РФ на полезную модель №199279], содержащий ротор, а также статор с обмоткой возбуждения и двумя статорными трехфазными обмотками, соединенными соответственно с двумя и тремя клеммами коробки выводов, причем первые концы фазных обмоток первой статорной обмотки соединены между собой, и их общая точка соединена с одной из клемм коробки выводов. Коробка выводов дополнительно содержит шесть дополнительных клемм, к трем из которых подключены первые концы фазных обмоток второй статорной обмотки, а к трем другим вторые концы второй статорной обмотки.Also known is a synchronous three-phase generator [RF patent for utility model No. 1999279], containing a rotor, as well as a stator with an excitation winding and two stator three-phase windings connected respectively to two and three terminals of the terminal box, and the first ends of the phase windings of the first stator winding are connected between themselves, and their common point is connected to one of the terminals of the terminal box. The terminal box additionally contains six additional terminals, to three of which the first ends of the phase windings of the second stator winding are connected, and to the other three the second ends of the second stator winding.

К недостаткам такого решения можно отнести повышенный расход витков вторичной обмотки, что ведет к увеличению массы и габаритов. The disadvantages of this solution include the increased consumption of turns of the secondary winding, which leads to an increase in weight and dimensions.

Также из уровня техники известен бесконтактный синхронный генератор [патент на изобретение Японии №JPH05268800], представляющий собой электрическую машину, где подвозбудитель представляет собой генератор с возбуждением магнитами на роторе и катушкой на статоре, в основном возбудителе (вторая машина) на роторе располагается основная обмотка, а на статоре располагается обмотка возбуждения, которая питается от катушки первой машины. Третья машина имеет обмотку возбуждения на роторе, а выходная обмотка (“armature winding”) располагается на статореAlso known from the prior art is a contactless synchronous generator [Japanese invention patent No. JPH05268800], which is an electric machine, where the exciter is a generator with magnet excitation on the rotor and a coil on the stator, in the main exciter (second machine) the main winding is located on the rotor, and the field winding is located on the stator, which is powered from the coil of the first machine. The third machine has an excitation winding on the rotor, and the output winding (“armature winding”) is located on the stator

Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.This solution is the closest prototype in technical essence to the claimed solution.

К недостаткам такого решения можно отнести отсутствие стабилизации частоты выходного напряжения, которая будет прямо пропорциональна к скорости вращения ротора. The disadvantages of this solution include the lack of stabilization of the output voltage frequency, which will be directly proportional to the rotor speed.

Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные виды синхронных генераторов, которых имеют общие черты - это наличие полюсов возбуждения на роторе, а также наличие обмотки на статоре (как правило, трехфазной). Трехфазные обмотки на статоре выполняют по схеме звезда (чаще всего), путем соединения катушечных групп фаз обмотки в общую нейтраль [1, 2]. Для генераторов переменного тока необращенной считают именно машину с полюсами возбуждения на роторе, и трехфазной обмоткой на статоре, питающей нагрузку. Однако, возможно исполнение и в обратном порядке - размещение полюсов на статоре, и трехфазной обмотки на роторе [2]. Такие обмотки применяют в некоторых случаях -– например, в составных электромашинных установка, как в основном прототипе.Disclosure of the utility model. From the prior art, various types of synchronous generators are known, which have common features - the presence of field poles on the rotor, as well as the presence of a winding on the stator (usually three-phase). Three-phase windings on the stator are performed according to the star scheme (most often), by connecting the coil groups of the winding phases to a common neutral [1, 2]. For alternators, it is a machine with excitation poles on the rotor and a three-phase winding on the stator that supplies the load. However, it is possible to perform in the reverse order - placing the poles on the stator, and a three-phase winding on the rotor [2]. Such windings are used in some cases - for example, in composite electrical machine installations, as in the main prototype.

Отметим, что трехфазные обмотки также создают магнитный поток при протекании через них трехфазного тока, такое магнитное поле постоянно во времени и не пульсирует - разница с обычными полюсами возбуждения во вращении магнитного поля в зависимости от частоты питающего напряжения и чем выше будет частота питающего напряжения, тем быстрее оно будет вращаться [1]. Таким образом, возможно использование трехфазной обмотки в качестве обмотки возбуждения машины переменного тока. Оно наведет в выходной обмотке напряжения с частотой, которая будет суммой скорости вращения ротора (механической) и магнитного поля, создаваемого обмоткой. Упомянутое магнитное поле трехфазной обмотки может как суммироваться со скоростью вращения ротора, так и вычитаться из нее - в зависимости от направления вращения магнитного поля трехфазной обмотки возбуждения. В предлагаемом решении обеспечивается регулирование скорости вращения магнитного поля возбуждения при колебаниях механического вращения вала генератора. Это может быть актуально при использовании в валогенераторах, ветрогенераторах или дизель-генераторах, где возможны провалы скорости вращения первичного механического движителя.Note that three-phase windings also create a magnetic flux when a three-phase current flows through them, such a magnetic field is constant in time and does not pulsate - the difference with ordinary excitation poles in the rotation of the magnetic field, depending on the frequency of the supply voltage and the higher the frequency of the supply voltage, the it will rotate faster [1]. Thus, it is possible to use a three-phase winding as the excitation winding of an AC machine. It will induce voltage in the output winding with a frequency that will be the sum of the rotor speed (mechanical) and the magnetic field created by the winding. The mentioned magnetic field of the three-phase winding can both be summed up with the rotor speed, and subtracted from it - depending on the direction of rotation of the magnetic field of the three-phase excitation winding. The proposed solution provides regulation of the speed of rotation of the magnetic field of excitation during oscillations of the mechanical rotation of the generator shaft. This can be relevant when used in shaft generators, wind generators or diesel generators, where dips in the rotation speed of the primary mechanical propulsion device are possible.

На фигуре 1 показана блок-схема предлагаемого решения, где видно, что обмотка ротора возбудителя подключена к входу обмотки ротора основного генератора, и таким образом питает его. Поскольку возбудитель выполнен в виде обращенной машины, это означается что ток возбуждения подается на его обмотку статора, а выходное напряжение снимается на его обмотке ротора. Основной генератор выполнен необращенным, это значит, что получаемое от ротора возбудителя питание создает магнитное поле на роторе, в свою очередь оно наводит ЭДС в обмотке статора основного генератора. Следует отметить отличительную особенность предлагаемого решения - все обмотки выполнены трехфазными, это относится и к роторам, и к статорам обеих машин. Это необходимо не только для питания нагрузки, но и для создания равномерно вращающегося поля возбуждения [1].Figure 1 shows a block diagram of the proposed solution, where it can be seen that the rotor winding of the exciter is connected to the input of the rotor winding of the main generator, and thus supplies it. Since the exciter is designed as an inverted machine, this means that the excitation current is applied to its stator winding, and the output voltage is removed at its rotor winding. The main generator is made non-reversed, which means that the power received from the exciter rotor creates a magnetic field on the rotor, in turn it induces an EMF in the stator winding of the main generator. It should be noted that a distinctive feature of the proposed solution is that all windings are made three-phase, this applies to both the rotors and stators of both machines. This is necessary not only to power the load, but also to create a uniformly rotating field of excitation [1].

С выхода обмотки статора основного генератора, как это показано на фигуре 1, выходная ЭДС подается на вход трехфазного выпрямителя, и на вход системы управления - которая содержит в своем составе блок питания, на ее входе. Трехфазный выпрямитель осуществляет выпрямление трех фаз, с его выхода постоянное напряжение подключено ко входу трехфазного автономного инвертора, осуществляющего инвертирование напряжения в трехфазное выходное переменной частоты. Выход системы управления подключен к соответствующему входу трехфазного автономного инвертора и управляет частотой его выходного напряжения. From the output of the stator winding of the main generator, as shown in figure 1, the output EMF is fed to the input of a three-phase rectifier, and to the input of the control system, which contains a power supply, at its input. A three-phase rectifier rectifies three phases, from its output a constant voltage is connected to the input of a three-phase autonomous inverter, which inverts the voltage into a three-phase output variable frequency. The output of the control system is connected to the corresponding input of the three-phase autonomous inverter and controls the frequency of its output voltage.

Основной трехфазного автономного инвертора является трехфазный мост с полупроводниковыми ключами (транзисторами), хорошо известный из уровня техники [3]. Промышленностью выпускаются как транзисторы, так и сборки с шестью транзисторами, образующими трехфазный мост. Кроме того, выпускаются и другие компоненты: промышленные системы управления, в которых есть встроенные входы и выходы, обеспечивающие построение системы управления любым промышленным устройством - в том числе, такие блоки имеют аналого-цифровые входы и встроенные блоки питания. Следовательно, описанная система выпрямитель-инвертора-система управления может быть реализована как в виде специально разработанной, так и выбранной из числа уже выпускаемых промышленностью.The main three-phase autonomous inverter is a three-phase bridge with semiconductor switches (transistors), well known from the prior art [3]. The industry produces both transistors and assemblies with six transistors forming a three-phase bridge. In addition, other components are produced: industrial control systems, in which there are built-in inputs and outputs, which ensure the construction of a control system for any industrial device - including, such blocks have analog-digital inputs and built-in power supplies. Consequently, the described rectifier-inverter-control system can be implemented both as a specially designed one and selected from among those already produced by the industry.

Система управления обеспечивает обратную связь по частоте ЭДС на выходе обмотки статора основного генератора, обеспечивая поддержание ее стабильности при колебаниях скорости вращения ротора. Это обеспечивает возможность питания ответственной промышленной нагрузки от генератора предлагаемой конструкции в разного рода ветрогенераторных установках и валогенераторах судов - где возможны существенные отклонения скорости вращения приводного вала. Кроме того, это дает возможность работы на сеть электропитания, содержащую другие источники (генераторы) переменного тока промышленной частоты. Также это исключает двойное преобразование (по типу выпрямление-инвертирование) в основной силовой цепи.The control system provides feedback on the EMF frequency at the output of the stator winding of the main generator, ensuring its stability is maintained with fluctuations in the rotor speed. This provides the possibility of supplying a critical industrial load from the generator of the proposed design in various types of wind turbines and shaft generators of ships - where significant deviations in the speed of rotation of the drive shaft are possible. In addition, it makes it possible to operate on a power supply network containing other sources (generators) of industrial frequency alternating current. It also eliminates double conversion (rectification-inverting) in the main power circuit.

Последнее упомянутое выше следует обговорить особо. В генераторах, имеющих привод от нестабильных механических движителей, и имеющих в своей основе синхронную электрическую машину обычной конструкции, есть прямая зависимость скорости вращения и частоты на выходе, таким образом, в ветрогенераторах и валогенераторах, будут значительные броски и провалы частоты выходного напряжения при отклонении вращения от номинальной скорости. Поэтому в них всегда применяют преобразование параметров электроэнергии - выпрямление и инвертирование, для получения стабильной частоты выходного напряжения. Такое преобразование будет иметь номинальную мощность всей установки - если ветрогенератор имеет номинальную мощность 1 МВт, то и инвертор должен иметь такую мощность на выходе. Это ведет не только к потерям на преобразование, но и требует больших габаритов выпрямителя и инвертора, а также их охлаждения. Для предлагаемого решения не требуется преобразовывать выходное напряжение, что исключает преобразование частоты на выходе и исключает связанные с этим потери и нагрев. Используемый инвертор и выпрямитель будут иметь сниженные габариты и меньшую мощность, по отношению к мощности всей установки в целом - поскольку используются для регулирования частоты питания обмотки возбуждения возбудителя, расположенной на его статоре. Это означает значительно меньшую мощность, требуемую от инвертора, и соответственно - потери мощности, зависящие от степени компенсации колебаний частоты вращения вала. Чем меньше будет отклонение скорости механического вращения вала ротора, тем меньше нужна будет мощность от инвертора, питающего возбуждение. В случае равенства скорости вращения номинальной, практически вся энергия на выходе предлагаемого генератора будет вырабатываться за счет преобразования механического вращения вала ротора в электрическую энергию. При увеличении отклонения скорости вала ротора от номинальной, будет требоваться большая “трансформаторная” мощность, потребляемая от возбудителя. В целом, это вопрос рационального проектирования с учетом реальных условий работы генератора.The last mentioned above should be discussed separately. In generators driven by unstable mechanical propellers and based on a synchronous electric machine of a conventional design, there is a direct relationship between the rotational speed and the output frequency, thus, in wind generators and shaft generators, there will be significant surges and dips in the output voltage frequency during rotation deviation from the rated speed. Therefore, they always use the transformation of electricity parameters - rectification and inversion, to obtain a stable output voltage frequency. Such a conversion will have the nominal power of the entire installation - if the wind generator has a nominal power of 1 MW, then the inverter must also have this power at the output. This leads not only to conversion losses, but also requires large dimensions of the rectifier and inverter, as well as their cooling. The proposed solution does not need to convert the output voltage, which eliminates frequency conversion at the output and eliminates the associated losses and heating. The used inverter and rectifier will have reduced dimensions and lower power, in relation to the power of the entire installation as a whole - since they are used to regulate the frequency of power supply of the exciter field winding located on its stator. This means significantly less power required from the inverter, and accordingly - power losses, depending on the degree of compensation for fluctuations in the frequency of rotation of the shaft. The smaller the deviation of the speed of the mechanical rotation of the rotor shaft, the less power will be needed from the inverter supplying the excitation. In the case of equality of the nominal rotation speed, almost all the energy at the output of the proposed generator will be generated by converting the mechanical rotation of the rotor shaft into electrical energy. With an increase in the deviation of the rotor shaft speed from the nominal, a large “transformer” power will be required, consumed from the exciter. In general, this is a matter of rational design taking into account the real operating conditions of the generator.

На фигуре 2 показано продольное сечение предлагаемого решения, где видно его устройство. Два генератора, входящих в состав предлагаемого решения объединены общим валом, и расположены в общем корпусе, а также имеют одинаковое устройство обмоток - и ротор, и статор имеют трехфазные обмотки. Блоками на рисунке показано расположение на корпусе в коробке выводов блоков инвертора, выпрямителя, и инвертора. Их мощность может быть достаточно небольшой, в зависимости от мощности всего генератора и диапазона регулирования по частоте. Также на фигуре 2 показано сечение обмоток, расположенных на магнитопроводе статора и на роторе генераторов и выполненных трехфазными. В общем случае, ротор и статор предлагаемого решения могут иметь одинаковое число пазов/зубцов статора и ротора.Figure 2 shows a longitudinal section of the proposed solution, where you can see its structure. The two generators included in the proposed solution are united by a common shaft, and are located in a common housing, and also have the same winding arrangement - both the rotor and the stator have three-phase windings. The blocks in the figure show the location on the case in the terminal box of the inverter, rectifier, and inverter blocks. Their power can be quite small, depending on the power of the entire generator and the frequency control range. Also, figure 2 shows a cross-section of the windings located on the stator magnetic circuit and on the rotor of the generators and made three-phase. In general, the rotor and stator of the proposed solution can have the same number of slots / teeth of the stator and rotor.

На фигуре 3 показано поперечное сечение возбудителя, где видны пазы на роторе и статоре генератора, в которых расположены катушки трехфазных обмоток статора и ротора. Figure 3 shows a cross-section of the exciter, where the grooves on the rotor and stator of the generator are visible, in which the coils of the three-phase stator and rotor windings are located.

На фигуре 4 показано поперечное сечение основного генератора, где видны пазы на роторе и статоре генератора, в которых расположены катушки трехфазных обмоток статора и ротора.Figure 4 shows a cross-section of the main generator, where the grooves on the rotor and stator of the generator are visible, in which the coils of the three-phase stator and rotor windings are located.

На фигуре 5 показана принципиальная схема предлагаемого решения, где схематично показаны блоки систем управления, инвертора, выпрямителя и трехфазные обмотки ротора и статора возбудителя и основного генератора. Из схемы видно, что выход возбудителя подключен к трехфазной обмотке ротора основного генератора, которая создает вращающееся относительно линии вала магнитное поле. Поле возбуждение будет складываться или вычитаться от скорости вращения вала (и роторов, соответственно) и таким образом, можно регулировать наведенную в статоре основного генератора ЭДС по частоте - как в большую, так и меньшую скорости. Если чередование фаз питания обмотки возбуждения на роторе основного генератора будет иметь обратный порядок - поле возбуждения будет вращаться в обратную к направлению вращения вала роторов сторону, и замедляться в суммарной частоте возбуждения.Figure 5 shows a schematic diagram of the proposed solution, which schematically shows the blocks of control systems, inverter, rectifier and three-phase windings of the rotor and stator of the exciter and the main generator. It can be seen from the diagram that the output of the exciter is connected to the three-phase winding of the rotor of the main generator, which creates a magnetic field rotating relative to the shaft line. The excitation field will be added or subtracted from the speed of rotation of the shaft (and rotors, respectively), and thus, it is possible to regulate the EMF induced in the stator of the main generator in frequency - both in higher and lower speeds. If the alternation of the phases of the power supply of the excitation winding on the rotor of the main generator will be in the opposite order, the excitation field will rotate in the direction opposite to the direction of rotation of the rotor shaft and slow down in the total excitation frequency.

Если поле возбуждения будет вращаться согласно с направлением вала и ротора генератора, произойдет суммирование частот, и на трехфазной обмотке статора основного генератора наведется более высокая ЭДС.If the excitation field rotates in accordance with the direction of the shaft and rotor of the generator, the frequencies will be summed up, and a higher EMF will be induced on the three-phase stator winding of the main generator.

Таким образом можно как компенсировать большие колебания, так и повысить точность слабых отклонений частоты. Использование системы управления и автономного инвертора обеспечивает гибкость регулирования по частоте, которая может достигать высокой точности. In this way, large fluctuations can be compensated for and the accuracy of small frequency deviations can be improved. The use of a control system and a stand-alone inverter provides frequency control flexibility that can achieve high accuracy.

Предлагаемое решение не имеет щеток и контактных колец, то есть не требует периодического обслуживания в процессе эксплуатации, а ШИМ модуляция в автономном инверторе может обеспечивать стабилизацию не только по частоте, но и по уровню напряжения путем регулирования уровня действующего значения переменного напряжения на выходе и изменения уровня тока в обмотке возбуждения ротора основного генератора по цепочке: инвертор->обмотка возбуждения на статоре возбудителя->выходная обмотка на роторе возбудителя-> обмотка возбуждения основного генератора (ротор). Такой генератор будет обеспечивать длительную эксплуатацию без работ по замене щеток, и допускает оперативную замену элементов, поскольку они расположены на корпусе генератора. Блоки выпрямителя, инвертора, а также системы управления могут располагаться как внутри коробки выводов на корпусе генератора, так и в собственных корпусах снаружи - это не входит в объем отличительной части предлагаемого решения.The proposed solution does not have brushes and slip rings, that is, it does not require periodic maintenance during operation, and PWM modulation in an autonomous inverter can provide stabilization not only in frequency, but also in voltage level by regulating the level of the effective value of the alternating voltage at the output and changing the level current in the excitation winding of the rotor of the main generator along the chain: inverter -> excitation winding on the exciter stator -> output winding on the exciter rotor -> excitation winding of the main generator (rotor). Such a generator will provide long-term operation without replacement of brushes, and allows for quick replacement of elements, since they are located on the generator body. The rectifier, inverter, and control units can be located both inside the terminal box on the generator housing, and in their own housings outside - this is not included in the scope of the distinctive part of the proposed solution.

Все использованные в предлагаемом решении элементы выпускаются в промышленных масштабах с широкой номенклатурой - система управления, инвертор (на основе трехфазного транзисторного моста), выпрямитель, и могут быть реализованы по новому проекту или выбраны из существующих. В процессе работы предлагаемого решения, система управления не только получает питание от обмотки статора основного генератора, но и получает от его фаз информацию о частоте выходного напряжения. Это необходимо для получения обратной связи по частоте - однако, не требует дополнительных мер, поскольку реализуется программным обеспечением.All elements used in the proposed solution are produced on an industrial scale with a wide range - control system, inverter (based on a three-phase transistor bridge), rectifier, and can be implemented according to a new project or selected from existing ones. During the operation of the proposed solution, the control system not only receives power from the stator winding of the main generator, but also receives information about the frequency of the output voltage from its phases. This is necessary to obtain frequency feedback - however, it does not require additional measures, since it is implemented by software.

При отклонении частоты на выходе основного генератора, система управления осуществляет коррекцию по частоте на выходе трехфазного инвертора, которым она управляет. Снижению частоты основного генератора будет соответствовать повышение частоты на выходе инвертора.When the frequency deviates at the output of the main generator, the control system performs frequency correction at the output of the three-phase inverter that it controls. A decrease in the frequency of the main generator will correspond to an increase in the frequency at the output of the inverter.

Известны из теории электрических машин и трехфазные обмотки на роторах и статоре [2], и могут быть изготовлены по технологии обычных электрических машин. Все это говорит о реализуемости решения. Принцип работы прост, однако во всей полноте не был известен ранее.Known from the theory of electrical machines and three-phase windings on the rotors and stator [2], and can be manufactured using the technology of conventional electrical machines. All this speaks about the feasibility of the solution. The principle of operation is simple, but it was not fully known before.

Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой генератор переменного тока. The claimed solution is simple and industrially applicable, representing an alternator.

Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:The proposed technical solution is new, and has the following fundamental differences from the prototype:

- один из генераторов является возбудителем и выполняется обращенным, а его выход подключен к обмотке ротора основного генератора; - one of the generators is the exciter and is performed reversed, and its output is connected to the rotor winding of the main generator;

- обмотки статора и ротора возбудителя и основного генератора выполняются трехфазными;- the stator and rotor windings of the exciter and the main generator are three-phase;

- выход обмотки статора основного генератора подключен к входу трехфазного выпрямителя, а его выход подключен к входу трехфазного автономного инвертора;- the output of the stator winding of the main generator is connected to the input of a three-phase rectifier, and its output is connected to the input of a three-phase autonomous inverter;

- трехфазный автономный инвертор получает импульсы от выхода системы управления, вход которой подключен к выходу обмотки статора основного генератора, система управления содержит блок питания на ее входе;- a three-phase autonomous inverter receives pulses from the output of the control system, the input of which is connected to the output of the stator winding of the main generator, the control system contains a power supply unit at its input;

- блоки управления, трехфазного выпрямителя и автономного инвертора располагаются на корпусе генератора;- control units, three-phase rectifier and autonomous inverter are located on the generator body;

- порядок чередования фаз возбуждения основного генератора совпадает с направлением вращения вала.- the order of alternation of the excitation phases of the main generator coincides with the direction of rotation of the shaft.

Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - стабилизации частоты и выходного напряжения при колебаниях скорости.Thus, the entire set of essential features of a utility model was previously unknown and leads to a new technical result - frequency and output voltage stabilization during speed fluctuations.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена функциональная блок-схема предлагаемого решения. Здесь 1 - обмотка ротора возбудителя, 2 - обмотка ротора основного генератора, 3 - обмотка статора возбудителя, 4 - обмотка статора основного генератора, 5 - трехфазный выпрямитель, 6 - трехфазный автономный инвертор, 7 - система управления. На фигуре 2 изображено продольное сечение предлагаемого решения. Здесь 1 - обмотка ротора возбудителя, 2 - обмотка ротора основного генератора, 3 - обмотка статора возбудителя, 4 - обмотка статора основного генератора, 5 - трехфазный выпрямитель, 6 - трехфазный автономный инвертор, 7 - система управления, 8 - магнитопровод статора, 9 - корпус. На фигуре 3 изображено поперечное сечение возбудителя. На фигуре 4 изображено поперечное сечение основного генератора. На фигуре 5 изображена принципиальная схема предлагаемого решения.Brief description of the drawings. Figure 1 shows a functional block diagram of the proposed solution. Here 1 is the rotor winding of the exciter, 2 is the rotor winding of the main generator, 3 is the stator winding of the exciter, 4 is the stator winding of the main generator, 5 is a three-phase rectifier, 6 is a three-phase autonomous inverter, 7 is a control system. Figure 2 shows a longitudinal section of the proposed solution. Here 1 is the rotor winding of the exciter, 2 is the rotor winding of the main generator, 3 is the stator winding of the exciter, 4 is the stator winding of the main generator, 5 is a three-phase rectifier, 6 is a three-phase autonomous inverter, 7 is a control system, 8 is a stator magnetic circuit, 9 is body. Figure 3 shows a cross-section of the pathogen. Figure 4 is a cross-sectional view of the main generator. Figure 5 shows a schematic diagram of the proposed solution.

Список использованной литературы. List of used literature.

1. Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники: учебное пособие для техникумов. М.: Высшая школа, 1982, 407 с.1. Frumkin A.M. Theoretical foundations of electrical engineering: a textbook for technical schools. M .: Higher school, 1982, 407 p.

2. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Юрайт, 2014, 767 с.2. Kopylov I.P. Design of electrical machines. M .: Yurayt, 2014, 767 p.

3. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.3. Dmitriev B.F., Ryabenky V.M., Cherevko A.I., Music M.M. Marine semiconductor converters: textbook. - Arkhangelsk: Publishing house of NArFU, 2015 .-- 556 p.

Claims

An alternator containing two generators with a stator, a rotor and windings on them, characterized in that one of the generators is an exciter and is performed reversed, and its output is connected to the rotor winding of the main generator, the stator and rotor windings of the exciter and the main generator are three-phase, the output of the stator winding of the main generator is connected to the input of a three-phase rectifier, and its output is connected to the input of a three-phase autonomous inverter that receives pulses from the output of the control system, the input of which is connected to the output of the stator winding of the main generator, the control system contains a power supply at its input, both generators are located on a common shaft, and the control system, a three-phase rectifier and a three-phase autonomous inverter are located on the body of the alternator, the phase order on the rotor of the main generator coincides with the direction of rotation of the rotor shaft of the exciter and the main generator.