RU204405U1

RU204405U1 - Синхронный генератор

Info

Publication number: RU204405U1
Application number: RU2020143083U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Коптяев
Original assignee: Евгений Николаевич Коптяев
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-05-24

Abstract

Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в разного рода синхронных генераторах, предназначенных для питания промышленных потребителей и распределительных сетей.Из уровня техники известны различные виды синхронных генераторов, которых имеют общие черты - это наличие полюсов возбуждения, а также наличие обмотки на статоре (как правило, трехфазной). Трехфазные обмотки на статоре выполняют по схеме звезда, путем соединения катушечных групп отдельных фаз обмотки в общую нейтраль. Именно по этой схеме выполнено большинство синхронных генераторов. Однако соединение по схеме звезда хотя и дает в 1,4 раза большее напряжение, однако удвоения не происходит. Это вызвано тем, что часть напряжения расходуется на фазовый сдвиг на выходе обмотки по схеме звезда. То есть имеет место потеря эффективности использования витков обмотки статора синхронного генератора. Однако во всех известных из уровня техники синхронных генераторах используется трехфазная обмотка с катушечными группами, распределенными по статору в соответствии с чередованием фаз. Такие обмотки имеют, как правило, два слоя и выполняются петлевыми.В предлагаемом решении используется обмотка, аналогичная якорным обмоткам машин постоянного тока. С учетом количества полюсов на роторе, упомянутая обмотка делится на количество секций, равных числу полюсов возбуждения ротора, а секции включаются последовательно-встречно. Для получения трех фаз используются три обмотки на статоре, выводы которых включаются по схеме звезда. Это исключает смешивание напряжения разных фаз и потерю части напряжения, расходуемой на фазовый сдвиг.Результатом использования предлагаемого решения является снижение потерь напряжения в обмотке статора и обеспечение большего выходного напряжения на выходе синхронного генератора при том же числе витков, или уменьшение числа витков при том же выходном напряжении.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в синхронных генераторах.

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.

К недостатку такого решения можно отнести сложность конструкции и технологии ее сборки, что ведет к росту себестоимости.

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.

К недостаткам такого решения можно отнести повышенный расход витков вторичной обмотки, что ведет к увеличению массы и габаритов.

Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.

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, путем соединения катушечных групп отдельных фаз обмотки в общую нейтраль [1, 2].

Именно по этой схеме сделано большинство синхронных генераторов. Однако соединение по схеме звезда хотя и дает в 1,4 раза большее фазное напряжение, однако удвоения все же не происходит. Это вызвано тем, что часть напряжения расходуется на фазовый сдвиг на выходе обмотки по схеме звезда. То есть имеет место потеря эффективности использования витков обмотки статора синхронного генератора - достаточно значительное их число расходуется, не образуя на выходе обмотки по схеме звезда большего напряжения.

Причина этого известна - и хорошо видна на векторных диаграммах в литературе [1], где очевидно, что суммарный вектор линейного напряжения не имеет удвоенного значения, образуя гипотенузу между направлениями векторов фазных напряжений. Фазовый сдвиг вектора суммы будет иметь угол, отличный от фазового сдвига исходных векторов. Именно из-за этого угла сдвига вектора суммы напряжений двух фаз, происходит потеря части напряжения. В конечном счете, это ведет к росту числа витков обмоток, для получения необходимого значения напряжения.

Как известно [2] из уровня техники, в синхронных генераторах для получения переменного напряжения используется вращающийся ротор, на котором расположены катушки полюсов возбуждения. Для подвода на них питания, используются установленные на роторе кольца, через щетки на них подается ток возбуждения от внешнего по отношению к ротору источника. Таким образом, создается магнитный поток возбуждения полюсов ротора. Его перемещение в пространстве (вращение) создает изменение магнитного потока через катушки вторичной обмотки, и наводит в них ЭДС переменного тока. Этот процесс носит циклический характер, а любой такой генератор имеет свойство симметрии магнитной системы и обмоток.

Также из уровня техники [1, 2] известны машины постоянного тока, с ротором, на котором располагается якорная обмотка. Она представляет собой кольцевую замкнутую обмотку, где катушки объединяются в замкнутый контур. Такая обмотка является полностью симметричной, благодаря чему в ней нет токов короткого замыкания. Если разомкнуть обмотку якоря машины постоянного тока в любом месте, на выводах в разрыве не будет сколь-либо существенной ЭДС и ток протекать не будет. Напряжение снимается с отводов обмотки при помощи коллектора и щеток, которые при вращении коммутируют отводы обмотки, как это показано в обобщенном виде на фигуре 1. Здесь мы видим две щетки, которые снимают напряжение с диагоналей. Соответственно, в схеме протекает две ветви тока - они показаны стрелками, соответствуя пути протекания токов нагрузки.

Такая обмотка в ее известном из уровня техники виде - уже известна, и применяется в машинах постоянного тока [2]. Вместе с щеточным аппаратом она обеспечивает выпрямление переменного напряжения в обмотке якоря.

Кроме показанной на фиг. 1 конфигурации с 2 щетками, которые соответствуют двум магнитным полюсам на статоре машины постоянного тока, также существуют машины с 4 полюсами (2 пары полюсов), вплоть до 8 полюсов (4 пары полюсов) [2]. Соответственно количеству полюсов и число щеток, обеспечивающих коммутацию отводов. Однако явным образом такие якорные обмотки не разделяются на отдельные секции, представляя собой симметричную монотонную кольцевую обмотку. Отсутствие уравнительных токов короткого замыкания в ней обеспечивается симметрией как магнитной системы, так и электрических цепей, причем сумма ЭДС всех катушек равна нулю. Это относится и к вариантам с числом полюсов, большим двух, однако в этом случае обмотка делится на количество частей разной полярности, для которых выполняется условие равенства ЭДС по модулю.

На фиг. 2 показана схема включения катушечных групп трехфазной обмотки статора синхронного генератора [2], которая состоит из 2 групп, включенных встречно и последовательно. В качестве типа обмотки чаще всего встречается петлевая обмотка, а показанные на фиг. 2 катушечные группы выполняются для каждой из 3 фаз, чередуясь последовательно при укладке. Катушечные группы 3 фаз включаются по схеме звезда, причем их физическое размещение в пазах последовательно друг за другом [2]. Такие обмотки имеют повышенное напряжение в 1,4 раза по сравнению с фазным, однако порядка трети от всей наведенной в отдельных витках ЭДС тратится на формирование фазового сдвига - который не является необходимым, так как сдвиг между группами катушек разных фаз обеспечивается чередованием их в пазах статора. То есть ЭДС в катушках каждой фазы обмотки статора уже имеет фазовый сдвиг - достигаемый при этом только частью магнитного потока, создаваемого полюсами возбуждения статора, что говорит о малой его эффективности (меньше возможного при всем магнитном потоке).

В предлагаемом решении, обмотка якорей машин постоянного тока предлагается использовать для питания цепей переменного тока. С учетом количества полюсов на роторе, упомянутая обмотка делится на количество секций, равных числу полюсов возбуждения ротора, а секции включаются последовательно-встречно. Для получения трех фаз, достаточно три обмотки на статоре, смещенных в пространстве для образования сдвига 120 градусов между их ЭДС. Выводы обмоток включаются по схеме треугольник, что дает получение трехфазной цепи без потери части ЭДС на формирование сдвига фаз - как в схеме звезда. Таким образом, линейные и фазные напряжения в таком генераторе будут равны, а вся наведенная в обмотках фаз ЭДС идет на питание потребителей (нагрузки). Таким образом, возможно снизить число витков в обмотках в 1,4 (квадратный корень из двух) число витков, чем в уже известных из уровня техники синхронных генераторах. Следует отметить, что включение групп катушек известных трехфазных статорных обмоток [2] не дает того же самого эффекта, поскольку, чередуясь группы катушек фаз не обеспечивают использование всего магнитного потока полюсов возбуждения и это также снижает их эффективность.

На фиг. 3 показана упрощенная схема предлагаемого решения при числе полюсов возбуждения ротора равном двум (т.е. одна пара полюсов). При вращении ротора происходит перемещение магнитного потока полюсов возбуждения, которые наводят ЭДС в обмотках статора. При этом следует обратить внимание, что на фиг. 3 показан вариант с двумя полюсами, ему соответствует вариант с двумя секциями обмотки на статоре (показана одна обмотка, соответствующая одной фазе). Как видно из упрощенной схемы, части обмотки включены встречно и последовательно - ЭДС суммируются, обеспечивая максимально возможную амплитуду. Стрелками отображены полюса на роторе и направление магнитного потока, который при вращении ротора наводит в изображенной обмотке ЭДС переменного тока, амплитуда полуволн которой будет удвоенной благодаря суммированию двух равных половин обмоток встречно-последовательно.

На фиг. 4 показана схема включения секций обмотки одной из фаз предлагаемого решения. Из схемы видно, что две секции обмотки включены последовательно и навстречу друг другу. Поскольку ЭДС в них наводятся встречно (показано на фиг. 1 стрелками протекающего тока) они образуют две ветви, ЭДС в которых направлены встречно. Переключение секций на встречное включение позволяет получить согласное суммирование ЭДС, в соответствии со схемой на фиг. 4.

На фиг. 5 показана схема соединений для трех обмоток на статоре предлагаемого решения. Из схемы видно, что отдельные катушки в обмотках набираются таким образом, чтобы образовать пространственный сдвиг на 120 градусов между тремя обмотками взаимно, что обеспечивает наведение в них ЭДС с необходимым фазовым сдвигом, соответствующим трехфазной системе. Поскольку в целом обмотка одной фазы представляет собой кольцо с последовательно включенными катушками (витками), то все обмотки могут быть уложены однотипно, на фиг. 5 условно показано их переключение и пространственный сдвиг секций в каждой из трех обмоток, который дает их взаимное смещение на 120 градусов в пространстве - что приводит к сдвигу ЭДС на 120 градусов. Фиг. 5 соответствует двум полюсам возбуждения.

На фиг. 6 показана схема соединений выводов обмоток всех трех фаз между собой, с образованием схемы треугольник. Выводы соединяются от обмотки к обмотке, от конца одной обмотки к началу следующей. Результат соответствует векторной диаграмме на фиг. 7.

Такой синхронный генератор будет обладать максимально возможной эффективностью по использованию витков его выходной обмотки - а значит и минимальными массой, габаритами и стоимость. По мнению авторов, это будет иметь наибольший эффект для генераторов малой и средней мощности - например, в ветрогенераторных установках. В таких генераторах обычно приходится использовать много витков в выходной обмотке чтобы получить необходимый размах ЭДС на выходе [1], и эффект от предлагаемого решения будет наибольшим. Реализация трех обмоток также не представляет собой технической проблемы, поскольку уже известны [2] не только многослойные обмотки статора - но и электрические машины переменного тока, на статоре которых располагаются несколько обмоток (например, многоскоростные электродвигатели и т.п.). То есть технологически не представляет проблемы изготовить обмотку, схема которой представлена на фигуре 6.

Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой синхронный генератор переменного тока.

Предлагаемое техническое решение является новым и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:

в пазах статора уложены три обмотки по типу якорных обмоток машин постоянного тока;

каждая из обмоток разделена на количество секций, равное количеству магнитных полюсов ротора;

секции каждой обмотки соединены последовательно и встречно;

обмотки смещены по окружности статора между собой, так что их напряжения имеют сдвиг 120 электрических градусов;

обмотки включены по схеме треугольник.

Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - снижению массы и габаритов путем уменьшения числа витков на статоре.

Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображена схема ветвей обмотки якоря машины постоянного тока при числе полюсов равном двум. На фиг. 2 изображена схема включения групп катушек одной фазы трехфазной обмотки статора. На фиг. 3 изображена упрощенная схема предлагаемого решения при числе полюсов ротора равном двум. На фиг. 4 изображена схема включения секций одной обмотки статора предлагаемого решения при числе полюсов равном двум. На фиг. 5 изображена схема соединений секций в трех обмотках статора предлагаемого решения при числе полюсов равном двум. На фиг. 6 изображена схема соединений трех обмоток статора предлагаемого решения по схеме треугольник при числе полюсов равном двум. На фиг. 7 изображена векторная диаграмма включения обмоток по схеме треугольник.

Список использованной литературы.

1. Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники: учебное пособие для техникумов. М.: Высшая школа, 1982, 407 с.

2. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Юрайт, 2014, 767 с.

Claims

Синхронный генератор, содержащий ротор с полюсами возбуждения на нем, подключенными к кольцам с щеточным аппаратом, статор с обмотками, и отличающийся тем, что в пазах статора уложены три обмотки по типу якорных обмоток машин постоянного тока, обмотка одной фазы содержит последовательно включенные катушки в виде кольца, каждая из которых разделена на количество секций, равное количеству магнитных полюсов ротора, причем секции каждой обмотки соединены последовательно и встречно, обмотки смещены по окружности между собой, так что фазовый сдвиг напряжений в них образует трехфазную систему, обмотки включены по схеме треугольник.