RU2088030C1

RU2088030C1 - Synchronous generator

Info

Publication number: RU2088030C1
Application number: RU93019794A
Authority: RU
Inventors: И.Д. Кабанов; А.Г. Дорм; Н.Е. Епишков; И.Н. Ужва
Original assignee: Уральский филиал Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства
Priority date: 1993-04-15
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 1997-08-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; universal electrical machines. SUBSTANCE: synchronous generator has stator carrying three-phase winding and shaft-mounted rotor with field winding. Phase circuits of stator winding are provided with selector switch affording their series-parallel connection and changing over from star to delta connection and vice versa. Rotor field winding has two parallel circuits one of which can be connected to DC supply and other is connected to automatic field regulation system. Both circuits of rotor winding are connected to slip rings of brush gear and are interconnected. Coupling 10 used to connect generator shaft to drive motor 12 is provided with speed reduction gear 11. Novelty is that same generator can be used at 50 Hz and at other frequencies, such as 200 Hz, for supplying loads with electric power at these frequencies, as well as to feed rectified current to welding facilities. Such welding generator has dropping external characteristic in welding zone. EFFECT: provision for development of universal electrical machines having reduced mass and size characteristics comparable with synchronous and induction machines of standard design. 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам специального использования, в частности к универсальным синхронным генераторам, работающим в автономном режиме. The invention relates to the field of electrical engineering, namely to electric machines of special use, in particular to universal synchronous generators operating in stand-alone mode.

В настоящее время имеется острая потребность, особенно в условиях фермерского хозяйства, в электрической машине, способной осуществлять несколько функций, например, вырабатывать электрический ток промышленной частоты (50 Гц), работать в режиме генератора сварочного тока и др. Currently, there is an urgent need, especially in the conditions of farming, for an electric machine capable of performing several functions, for example, generating an electric current of industrial frequency (50 Hz), working in the mode of a welding current generator, etc.

Разработка такого технического решения и является целью настоящего изобретения. The development of such a technical solution is the aim of the present invention.

Известен неявнополюсный синхронный генератор, описанный в книге А.П.Вольдека "Электрические машины", М-Л. Энергия, 1966, с.355-357, рис.1-8б и с. 363-370. Known implicit pole synchronous generator described in the book by A.P. Voldek "Electric machines", ML. Energy, 1966, p. 355-357, fig. 1-8b and p. 363-370.

Это устройство является генератором электрического тока промышленной частоты (50 Гц) и приводится механическим двигателем, с которым связано соединительным устройством. This device is a generator of electric current of industrial frequency (50 Hz) and is driven by a mechanical motor with which a connecting device is connected.

Данный генератор содержит статор с трехфазной двухполюсной обмоткой. Ротор снабжен однослойной обмоткой с концентрическими катушками, размещенной на 2/3 части полюсного деления. Эта обмотка соединена с регулируемым источником постоянного тока и системой автоматического регулирования возбуждения, включающей трансформаторы тока с выпрямителем, включенным последовательно в цепь нагрузки. Обмотка возбуждения питается через контактные кольца и щетки от источника постоянного тока. This generator contains a stator with a three-phase bipolar winding. The rotor is equipped with a single layer winding with concentric coils located on 2/3 of the pole division. This winding is connected to an adjustable direct current source and an automatic field control system, including current transformers with a rectifier connected in series to the load circuit. The field winding is fed through slip rings and brushes from a DC source.

Обмотка ротора размещена в открытых пазах и закреплена в них немагнитными металлическими клиньями. The rotor winding is placed in open grooves and fixed in them by non-magnetic metal wedges.

Для получения жесткой линейной внешней характеристики генератора и максимального ослабления реакции якоря воздушный зазор между ротором и статором выполняют большим, достигающим, например, в промышленных турбогенераторах, 30 мм. To obtain a rigid linear external characteristic of the generator and the maximum attenuation of the armature reaction, the air gap between the rotor and stator is large, reaching, for example, in industrial turbogenerators, 30 mm.

Известное техническое решение не может быть реализовано в устройствах различной мощности, в том числе и в несколько киловатт. The known technical solution cannot be implemented in devices of various capacities, including several kilowatts.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, выражается в создании электрогенератора с новыми потребительскими свойствами. Эти свойства выражаются в том, что при реализации изобретения одна и та же единица оборудования может использоваться как источник электроснабжения с частотой 50 Гц и других частот, например, 200 Гц, и как источник выпрямленного тока дуговой сварки. При этом такой сварочный источник обладает крутопадающей внешней характеристикой в рабочей зоне, что обеспечивает сварочные свойства, сопоставимые с известным трехобмоточным коллекторным сварочным генератором постоянного тока. The technical result, the achievement of which the present invention is directed, is expressed in the creation of an electric generator with new consumer properties. These properties are expressed in the fact that during the implementation of the invention the same unit of equipment can be used as a power source with a frequency of 50 Hz and other frequencies, for example, 200 Hz, and as a source of rectified arc welding current. Moreover, such a welding source has a steeply dipping external characteristic in the working area, which provides welding properties comparable to the well-known three-winding collector welding DC generator.

Для решения поставленной технической задачи синхронный генератор, содержащий ротор с обмоткой возбуждения на валу, статор с трехфазной обмоткой, подключенной к коммутатору нагрузки, систему автоматического регулирования, включенную между обмоткой статора и обмоткой возбуждения, щеточно-контактный узел и устройство для соединения вала ротора с приводным двигателем, согласно изобретению, выполнен с уменьшенным воздушным зазором, каждая фаза обмотки статора выполнена из ветвей, число которых равно числу пар полюсов, обмотка возбуждения выполнена из двух параллельных ветвей, одна из которых имеет возможность подключения к источнику постоянного тока через щеточно-контактный узел, а другая подключена к системе автоматического регулирования возбуждения, при этом коммутатор нагрузки выполнен с возможностью последовательно-параллельного включения ветвей фаз обмотки статора и переключения их из "звезды" в "треугольник", а устройство для создания вала ротора с приводным двигателем снабжено редуктором скорости вращения. To solve the technical problem, a synchronous generator containing a rotor with an excitation winding on the shaft, a stator with a three-phase winding connected to the load switch, an automatic control system connected between the stator winding and the excitation winding, a brush-contact assembly and a device for connecting the rotor shaft to the drive the motor, according to the invention, is made with a reduced air gap, each phase of the stator winding is made of branches, the number of which is equal to the number of pole pairs, the excitation winding made of two parallel branches, one of which has the ability to connect to a direct current source through a brush-contact unit, and the other is connected to an automatic control system of excitation, while the load switch is made with the possibility of series-parallel connection of the phases of the stator winding phases and switching them from "stars" in the "triangle", and the device for creating a rotor shaft with a drive motor is equipped with a speed reducer.

Заявитель, изучив научно-техническую и патентную информацию, не обнаружил другого технического решения, содержащего совокупность признаков патентуемого изобретения, и пришел к выводу о соответствии заявляемого решения критерию охраноспособности "новизна". The applicant, having studied the scientific, technical and patent information, did not find another technical solution containing the totality of the features of the patented invention, and came to the conclusion that the proposed solution meets the eligibility criterion of "novelty."

По мнению заявителя, изобретение не следует явным образом из уровня техники, хотя отдельные его признаки известны на момент составления заявки. Однако предложенная совокупность признаков и их взаимосвязь, по мнению заявителя, является новой. According to the applicant, the invention does not follow explicitly from the prior art, although some of its features are known at the time of writing the application. However, the proposed combination of features and their relationship, according to the applicant, is new.

На фиг. 1 изображена схема патентуемого устройства; на фиг. 2 схема расположения полузакрытых пазов на статоре и роторе; на фиг. 3 схема пересоединения обмотки статора из последовательного в параллельное и ветвей из соединения по схеме "звезда" в соединение по схеме "треугольник";
на фиг. 4 схема переключения с шинами:
а) нижняя колодка с выводом обмотки статора;
б) верхняя съемная колодка с шинами для переключения в последовательное соединение ветвей обмотки статора по схеме "звезда";
в) вторая верхняя съемная колодка с шинами для переключения обмотки в параллельное соединение ветвей по схеме "треугольник";
на фиг. 5 изображена принципиальная электрическая схема статора, ротора, системы компаундирования;
на фиг. 6 представлены графические изображения внешних характеристик патентуемого синхронного генератора.In FIG. 1 shows a diagram of a patented device; in FIG. 2 arrangement of half-closed grooves on the stator and rotor; in FIG. 3 diagram of the stator winding reconnection from serial to parallel and branches from the star connection to the triangle connection;
in FIG. 4 switching scheme with tires:
a) the lower block with the output of the stator winding;
b) the upper removable block with tires for switching to the serial connection of the branches of the stator winding according to the "star"scheme;
c) the second upper removable block with tires for switching the winding into a parallel connection of branches according to the "triangle"scheme;
in FIG. 5 shows a circuit diagram of a stator, rotor, compounding system;
in FIG. 6 is a graphical representation of the external characteristics of a patented synchronous generator.

Пример конкретного осуществления изобретения. An example of a specific embodiment of the invention.

Синхронный генератор (фиг.1,2) представляет собой неявнополюсную электрическую машину 1, включающую статор 2, ротор 3, установленные с зазором 0,35 мм. Обмотки генератора уложены в полузакрытых пазах, которые равномерно распределены по окружности ротора 3 и статора 2. Эти обмотки связаны между собой системой токового компаундирования 4 (фиг.1). Кроме того, обмотка статора снабжена переключателем 5 и через выпрямитель сварочного тока 6 соединена с кабелями 7 сварочного устройства 8. Обмотка ротора 3 подключена к регулируемому источнику постоянного тока 9. The synchronous generator (Fig.1,2) is an implicit electric machine 1, including a stator 2, rotor 3, installed with a gap of 0.35 mm The generator windings are laid in half-closed grooves, which are evenly distributed around the circumference of the rotor 3 and stator 2. These windings are connected by a current compounding system 4 (Fig. 1). In addition, the stator winding is equipped with a switch 5 and through the welding current rectifier 6 is connected to the cables 7 of the welding device 8. The rotor winding 3 is connected to an adjustable constant current source 9.

Вал ротора 3 с помощью соединительных муфт 10 связан с редуктором скорости 11 и валом приводного двигателя 12. В качестве последнего используется, например, двигатель трактора МТЗ-80. The rotor shaft 3 with the help of couplings 10 is connected with the speed reducer 11 and the shaft of the drive motor 12. As the latter, for example, the tractor engine MTZ-80 is used.

Обмотка статора 2 (фиг.3) является трехфазной и выполнена шестиполюсной из обмоточного провода ⌀ 0,85 мм. Особенностью этой обмотки является возможность изменения числа параллельных ветвей каждой фазы и схемы их соединения со "звезды" в "треугольник". В режиме работы генератора 50 Гц с помощью специального переключателя 5 формируется одна ветвь каждой фазы обмотки (фиг. 3а) и фазы обмотки соединяются по схеме "звезда". Для этого используется первая съемная верхняя колодка (фиг. 4б) с расположением шин, позволяющим сделать такое переключение при соединении этой колодки (4б) с нижней колодкой (фиг. 4а), на которую выведены концы витков обмотки статора 2. The stator winding 2 (Fig.3) is three-phase and is made six-pole from a winding wire ⌀ 0.85 mm. A feature of this winding is the ability to change the number of parallel branches of each phase and the scheme of their connection from the "star" to the "triangle". In the operating mode of the 50 Hz generator, using a special switch 5, one branch of each phase of the winding is formed (Fig. 3a) and the phases of the winding are connected in a star pattern. To do this, use the first removable upper block (Fig. 4b) with the location of the tires, allowing you to make such a switch when connecting this block (4b) with the lower block (Fig. 4a), which leads to the ends of the turns of the stator winding 2.

Для настройки генератора для работы в режиме сварки или для выработки тока повышенной частоты используется третья колодка (фиг. 4в) переключателя 5. При ее использовании обмотка статора 2 имеет схему соединения, изображенную на фиг. 3б. To configure the generator for operation in welding mode or to generate an increased frequency current, the third block (Fig. 4c) of switch 5 is used. When using it, the stator winding 2 has a connection diagram shown in FIG. 3b.

В нашем примере формируется три ветви каждой фазы (по числу пар полюсов) и фазы обмотки статора 2 соединены по схеме "треугольник". In our example, three branches of each phase are formed (by the number of pole pairs) and the phases of the stator winding 2 are connected in a "triangle" pattern.

Обмотка ротора 3 также имеет особенность в исполнении. The rotor winding 3 also has a feature in execution.

Во-первых, она расщеплена на две параллельные ветви 13, которые выполнены однослойными из концентрических катушек. Для их изготовления использованы, как и для обмотки статора, провод o 0,85 мм. Firstly, it is split into two parallel branches 13, which are made single-layer from concentric coils. For their manufacture, a wire of 0.85 mm was used, as well as for the stator winding.

Во-вторых, ветви 13 размещены также в полузакрытых пазах, равномерно распределенных по поверхности ротора 3, который, в свою очередь, выполнен из стальных дисков толщиной 3 мм. Пазы ротора и статора закрыты немагнитопроводными клиньями. Secondly, the branches 13 are also placed in half-closed grooves evenly distributed over the surface of the rotor 3, which, in turn, is made of steel disks 3 mm thick. The grooves of the rotor and stator are closed by non-magnetic wedges.

В-третьих, обмотки ротора и статора имеют одинаковое число полюсов. Thirdly, the rotor and stator windings have the same number of poles.

Ветви 13 обмотки ротора 3 (фиг.5) включены в два контура. Первая ветвь включена в контур возбуждения по средством контактных колец 14, 15, щеточно-контактного узла, насажанных на вал ротора 3. В контур возбуждения включен также источник постоянного тока 9 (фиг. 1, на фиг. 5 не показан). The branches 13 of the winding of the rotor 3 (figure 5) are included in two circuits. The first branch is included in the excitation circuit by means of slip rings 14, 15, a brush-contact assembly mounted on the rotor shaft 3. A direct current source 9 is also included in the excitation circuit (Fig. 1, not shown in Fig. 5).

Контур токового компаундирования, кроме второй из ветвей 13 обмотки ротора и третьего контактного кольца, содержит трехстержневой шихтованный магнитопровод 17 с обмотками. Первичные обмотки магнитопровода 17 включены последовательно в цепь нагрузки генератора, а вторичные соединены в "звезду" и подсоединены к трехфазному выпрямителю 18, который, в свою очередь, с одной стороны подключен к регулятору компаундирования 19, а с другой к отрицательному полюсу ветвей 13 через контактное кольцо 15. Оба контура (возбуждения и компаундирования) имеют дополнительную связь между собой через полупроводниковый диод 20, соединяющий положительные полюса ветвей 13 обмотки ротора. The current compounding circuit, in addition to the second of the branches 13 of the rotor winding and the third contact ring, contains a three-core lined magnetic core 17 with windings. The primary windings of the magnetic circuit 17 are connected in series to the generator load circuit, and the secondary are connected in a “star” and connected to a three-phase rectifier 18, which, in turn, is connected to the compounding regulator 19 on the one hand and to the negative pole of the branches 13 through the contact on the other ring 15. Both circuits (excitation and compounding) have an additional connection between each other through a semiconductor diode 20 connecting the positive poles of the branches 13 of the rotor winding.

Для работы генератора в режиме выработки тока повышенных частот его ротор 3 соединен посредством одной из муфт 10 с выходным валом механического редуктора скоростей 11, первичный (входной) вал которого, в свою очередь, соединен посредством другой муфты 10 с валом отбора мощности двигателя трактора 12 (фиг.1). For the generator to work in the high-frequency current generation mode, its rotor 3 is connected via one of the couplings 10 to the output shaft of the mechanical speed reducer 11, the primary (input) shaft of which, in turn, is connected via the other coupling 10 to the power take-off shaft of the tractor engine 12 ( figure 1).

Патентуемое устройство используют следующим образом. A patented device is used as follows.

1. Режим работы синхронного генератора тока с частотой 50 Гц. 1. The operating mode of a synchronous current generator with a frequency of 50 Hz.

Для этого обмотку статора 2 приводят в вид, соответствующий фиг.3а, устанавливая на переключателе 5 колодку с расположением шин, изображенным на фиг.4б. В результате обмотка статора будет содержать по одной ветви в каждой фазе, а фазы соединены по схеме "звезда". Затем включают выпрямитель 6. При этом включается в работу система автоматического регулирования возбуждения, поддерживая заданную величину напряжения (220 В). Редуктор скоростей 11 устанавливают в положение, обеспечивающее номинальную частоту вращения ротора 3, определенную выражением

мин^-1. При этом ток возбуждения от независимого источника постоянного тока 9 соответствует номинальному напряжению обмотки статора в режиме холостого хода. С увеличением тока нагрузки ток возбуждения возрастает за счет системы токового компаундирования 4 (фиг. 1), что обеспечивает поддержание напряжения на уровне номинального. При этом внешняя характеристика генератора представлена кривой 1 на фиг.6. Вырабатываемый генератором ток с частотой 50 Гц подается к электроприемникам от выходных клемм генератора.For this, the stator winding 2 is brought into a view corresponding to FIG. 3a by installing a block on the switch 5 with the tire arrangement shown in FIG. 4b. As a result, the stator winding will contain one branch in each phase, and the phases are connected in a star pattern. Then turn on the rectifier 6. In this case, the system of automatic regulation of excitation is switched on, maintaining the set voltage value (220 V). The speed reducer 11 is installed in a position that provides a nominal frequency of rotation of the rotor 3, defined by the expression

min ^-1 . In this case, the excitation current from an independent DC source 9 corresponds to the rated voltage of the stator winding in idle mode. With increasing load current, the excitation current increases due to the current compounding system 4 (Fig. 1), which ensures that the voltage is maintained at the nominal level. In this case, the external characteristic of the generator is represented by curve 1 in Fig.6. The current generated by the generator with a frequency of 50 Hz is supplied to the electrical receivers from the output terminals of the generator.

2. Режим работы сварочного синхронного генератора. 2. The operating mode of the synchronous welding generator.

На переключателе 5 колодку б) заменяют колодкой в) (фиг.4). При этом обмотка статора будет собрана по схеме, приведенной на фиг.3б. Кроме того, эту обмотку подключают к выпрямителю сварочного тока 6. Ротор 3 приводят во вращение приводным двигателем с номинальной частотой, аналогичной режиму работы генератора с частотой 50 Гц. При появлении тока в цепи сварки система компаундирования дополнительно подпитывает обмотку возбуждения. При увеличении тока сварки выше определенного значения магнитная система генератора переходит в ненасыщенное состояние из-за действия реакции якоря, что обеспечивает крутопадающую внешнюю характеристику в зоне рабочего тока сварки (фиг.6, поз.2). Величина рабочего тока сварки устанавливается и изменяется с помощью регулятора 19. On the switch 5, the block b) is replaced by the block c) (Fig. 4). In this case, the stator winding will be assembled according to the circuit shown in figb. In addition, this winding is connected to the welding current rectifier 6. The rotor 3 is driven into rotation by a drive motor with a nominal frequency similar to that of a generator with a frequency of 50 Hz. When current appears in the welding circuit, the compounding system additionally energizes the field coil. When the welding current increases above a certain value, the magnetic system of the generator goes into an unsaturated state due to the action of the armature, which provides a steeply falling external characteristic in the area of the welding current (Fig. 6, item 2). The value of the operating current of the welding is set and changed using the regulator 19.

3. Режим работы синхронного генератора с повышенной частотой, например, f=200 Гц. 3. The operation mode of a synchronous generator with an increased frequency, for example, f = 200 Hz.

Схему обмотки статора 2 собирают такой же, как для работы в режиме сварочного генератора (фиг.3б), используя переключатель 5. Схему питания обмотки ротора 3 собирают так же, как и в случае использования генератора с частотой 50 Гц. The stator winding circuit 2 is assembled the same as for operation in the welding generator mode (Fig. 3b) using switch 5. The rotor 3 winding power circuit is assembled in the same way as in the case of using a generator with a frequency of 50 Hz.

Повышенная частота тока обеспечивается включением в схему привода ротора 3 генератора повышающего редуктора 11, который обеспечивает вращение ротора с частотой согласно формуле:

При этом достигается частота вращения генератора, равная 200 Гц, то есть в 4 раза большая, чем в режиме 50 Гц, и обеспечивается внешняя характеристика генератора, изображенная кривой 3 на фиг.6.The increased frequency of the current is ensured by the inclusion in the drive circuit of the rotor 3 of a generator of a step-up gearbox 11, which provides rotation of the rotor with a frequency according to the formula

In this case, a generator speed of 200 Hz is achieved, that is, 4 times greater than in the 50 Hz mode, and the external characteristic of the generator, shown by curve 3 in FIG. 6, is provided.

Изобретение позволяет создавать универсальные электроагрегаты с уменьшенными массогабаритными показателями, что облегчает их агрегатирование с трактором. Это особенно важно для фермерских хозяйств и других предприятий, которые находятся вдали от населенных пунктов и не подключены к централизованным электрическим сетям. The invention allows to create universal power generating units with reduced overall dimensions, which facilitates their aggregation with a tractor. This is especially important for farms and other enterprises that are far from settlements and are not connected to centralized power networks.

Claims

A synchronous generator comprising a rotor with an excitation winding on the shaft, a stator with a three-phase winding connected to a load switch, an automatic output voltage control system connected between the stator winding and the excitation winding, a brush-contact assembly and a device for connecting the rotor shaft to a drive motor, characterized the fact that the generator is made with a reduced air gap, each phase of the stator winding is made of branches, the number of which is equal to the number of pole pairs, the excitation winding is made of two parallel branches, one of which has the ability to connect to a direct current source through a brush-contact unit, and the other is connected to an automatic excitation control system, while the load switch is capable of series-parallel connection of the phases of the stator winding phases and switching them from the "star" "into a" triangle ", and the device for connecting the rotor shaft to the drive motor is equipped with a speed reducer.