RU2332774C1

RU2332774C1 - Controlled two-dimensional electric machine

Info

Publication number: RU2332774C1
Application number: RU2007117116/09A
Authority: RU
Inventors: Багаудин Хамидович Гайтов (RU); Багаудин Хамидович Гайтов; Александр Валерьевич Самородов (RU); Александр Валерьевич Самородов; Тамара Багаудиновна Гайтова (RU); Тамара Багаудиновна Гайтова; Лев Ефимович Копелевич (RU); Лев Ефимович Копелевич
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-08-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: rotor winding is performed as rotor windings of asynchronous machines with phase rotor in the circuit of which three-phase full-wave regulating thyristor rectifier unit is included. At that, output of this rectifier unit is connected in series with armature circuit using keys of switch unit that is able to perform either serial-additive or serial-subtractive connection with armature circuit depending on sign of armature rotation frequency change direction.

EFFECT: providing control for output rotation speed of two-dimensional electric machine and for frequency of generated by it voltage when input signals are continuously and indeterminantly varying.

2 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока.The invention relates to electrical engineering and can be used as an electromechanical converter of mechanical energy supplied to one (mechanical) input of the machine, and direct-current electric energy, simultaneously supplied to its other input (electric), to the total electrical energy of alternating current.

Известен электромашинный усилитель постоянного тока (Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.332-333), осуществляющий усиление электрической энергии постоянного тока за счет подводимой механической энергии.Known electric DC amplifier (Kopylov IP Electric machines. - M .: Energoatomizdat, 1986, s.332-333), which amplifies DC electric energy due to the supplied mechanical energy.

Однако такая машина, являясь по принципу усилителем электрической энергии постоянного тока за счет механической энергии, принципиально не может работать как генератор переменного тока, преобразующий одновременно два разнородных источника энергии, в силу своего назначения, так как является, по сути, электромеханическим преобразователем энергии постоянного тока.However, such a machine, which, as a principle, is an amplifier of direct current electric energy due to mechanical energy, cannot fundamentally operate as an alternating current generator, converting simultaneously two dissimilar sources of energy, due to its purpose, since it is, in fact, an electromechanical converter of direct current energy .

Прототипом данного изобретения является двухвходовая электрическая машина (Патент РФ №2091967). Двухвходовая электрическая машина содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, помещенными концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных машин (например, с короткозамкнутым или фазным ротором), впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря. В пазах якоря также уложена дополнительно трехфазная обмотка переменного тока, связанная с сетью потребителей электроэнергии посредством щеток и контактных колец.The prototype of this invention is a two-input electric machine (RF Patent No. 2091967). A two-input electric machine contains a lined armature with a winding and a brush-collector apparatus of a direct current machine, placed concentrically in a ring lined rotor magnetic circuit with a winding similar to rotor windings of asynchronous machines (for example, with a squirrel-cage or phase rotor), pressed into a housing that can be rotated laden anchor. An additional three-phase AC winding connected to the network of electricity consumers through brushes and slip rings is also laid in the grooves of the armature.

Однако при работе у такой машины невозможно регулировать выходную скорость вращения якоря, что резко ограничивает область применения данной машины. Так, например, в ветроэнергетике, когда ветроколесо вращает ротор со скоростью вращения ω_р, в силу непрерывного изменения скорости и силы ветра эта скорость непрерывно меняется, т.е. ω_p=var, скорость вращения ω_а также непрерывно меняется по сложному закону, следовательно, также будет изменятся и частота выходного напряжения.However, when working with such a machine, it is impossible to adjust the output speed of rotation of the armature, which sharply limits the scope of this machine. So, for example, in wind energy, when a wind wheel rotates a rotor with a rotation speed ω _p , due to the continuous change in wind speed and force, this speed continuously changes, i.e. ω _p = var, the rotation speed ω _and also continuously changes according to a complex law, therefore, the frequency of the output voltage will also change.

Так как ω_a=f(ω_p)=var, то машина не имеет возможности управления (стабилизации выходной скорости вращения), что зачастую бывает необходимо в практике.Since ω _a = f (ω _p ) = var, the machine does not have the ability to control (stabilize the output rotation speed), which is often necessary in practice.

Данное изобретение решает задачу управления выходной скорости вращения двухмерной электрической машины, а следовательно, и частотой генерируемого ею напряжения при непрерывно и недетерминированно изменяющихся входных сигналах.This invention solves the problem of controlling the output rotation speed of a two-dimensional electric machine, and hence the frequency of the voltage generated by it with continuously and non-deterministically changing input signals.

Это достигается тем, что обмотка ротора выполнена по типу роторных обмоток асинхронных машин с фазным ротором, в цепь которой включен трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель, выход которого включен последовательно с цепью якоря посредством ключей блока коммутации, имеющего возможность осуществлять либо последовательно-согласное, либо последовательно-встречное включение с цепью якоря в зависимости от знака направления изменения частоты вращения якоря.This is achieved by the fact that the rotor winding is made like rotor windings of asynchronous machines with a phase rotor, the circuit of which includes a three-phase two-half-period regulating thyristor rectifier block, the output of which is connected in series with the armature circuit by means of switching unit keys, which can be either sequentially or series-counter switching with the armature chain depending on the sign of the direction of change of the rotation frequency of the armature.

На фиг.1 изображен общий вид (в разрезе) предлагаемой управляемой двухмерной электрической машины. На фиг.2 представлена электрическая схема этой машины.Figure 1 shows a General view (in section) of the proposed controlled two-dimensional electric machine. Figure 2 presents the electrical circuit of this machine.

Управляемая двухмерная электрическая машина содержит якорь 1 машины постоянного тока общепринятой конструкции с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4 с щетками 5, к которым подключены провода 6. Также в пазах 3 дополнительно уложена трехфазная генераторная обмотка переменного тока 21, выход которой 23 с помощью трех контактных колец 22 и трех щеток 24 соединен с сетью потребителей переменного тока. Щетки 24 посредством проводов 25 связывают обмотку переменного тока 21 с сетью потребителей переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям. В корпус 7 впрессован шихтованный магнитопровод ротора 8, в пазах которого уложена обмотка 9 по типу роторных обмоток асинхронных двигателей с фазным ротором. Обмотка 9 подключена проводами 10 к кольцам 11, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 12, а щетки 13 связаны с трехфазным двухполупериодным регулировочным тиристорным блоком-выпрямителем 19 проводами 14. Подшипниковые щиты 15 с подшипниками 16, 17 и валом 18 обеспечивают концентрическое расположение якоря 1 и ротора 8 и возможность их одновременного вращения. Трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель 19 соединен с блоком коммутации 20.The controlled two-dimensional electric machine contains an anchor 1 of a direct current machine of a generally accepted design with a winding 2 laid in grooves 3, a collector 4 with brushes 5 to which wires are connected 6. Also, in the grooves 3 an additional three-phase alternating current winding 21 is laid, the output of which is 23 s using three slip rings 22 and three brushes 24 connected to a network of AC consumers. Brushes 24 through wires 25 connect the AC winding 21 to the AC consumer network in order to transfer the generated electricity to consumers. A burnt magnetic core of the rotor 8 is pressed into the housing 7, in the grooves of which a winding 9 of the type of rotor windings of asynchronous motors with a phase rotor is laid. The winding 9 is connected by wires 10 to the rings 11, insulated from the housing by dielectric spacers 12, and the brushes 13 are connected to a three-phase two-half-time adjusting thyristor block rectifier 19 by wires 14. Bearing shields 15 with bearings 16, 17 and shaft 18 provide a concentric arrangement of the armature 1 and rotor 8 and the possibility of their simultaneous rotation. The three-phase two-half-wave adjustment thyristor block rectifier 19 is connected to the switching unit 20.

Управляемая двухмерная электрическая машина работает следующим образом. При подаче постоянного тока (например, от фотоэлектрических преобразователей) на зажимы 6 через щетки 5 и коллектор 4 обмотка 2 якоря 1 обтекается током. При этом создается магнитный поток реакции якоря Ф_а. Если при этом вал 18 вместе с ротором 8 и обмоткой 9 придет во вращение под действием некоторого приложенного извне момента (например, ветротурбины), то под действием магнитного потока Ф_а в обмотке 9, как в обычной обмотке асинхронного двигателя, индуцируется ЭДС и протекает электрический ток, создающий в роторе свое магнитное поле Ф_р. При взаимодействии потоков Ф_а и Ф_р якорь машины придет во вращение с частотой n_а.Managed two-dimensional electric machine operates as follows. When applying direct current (for example, from photovoltaic converters) to the terminals 6 through the brushes 5 and the collector 4, the winding 2 of the armature 1 flows around the current. This creates a magnetic flux of the reaction of the armature Ф _а . If in this case the shaft 18 together with the rotor 8 and the winding 9 comes into rotation under the action of some externally applied torque (for example, a wind turbine), then under the influence of the magnetic flux Ф _a in the winding 9, as in a conventional winding of an induction motor, an EMF is induced and an electric flow current, creating in the rotor its magnetic field _{f p} . With the interaction of the flows Ф _а and Ф _{p the} anchor of the machine will come into rotation with a frequency of n _a .

В тоже время суммарный магнитный поток машины индуцирует в трехфазной обмотке якоря 21 переменную трехфазную ЭДС, которая снимается при помощи контактных колец 22 и щеток 24 и посредством проводов 25 может быть передана потребителям трехфазного переменного тока.At the same time, the total magnetic flux of the machine induces an alternating three-phase EMF in the three-phase winding of the armature 21, which is removed by means of slip rings 22 and brushes 24 and through wires 25 can be transferred to consumers of three-phase alternating current.

Частота генерируемого трехфазного переменного тока будет пропорциональна угловой скорости вращения якоря ω_а.The frequency of the generated three-phase alternating current will be proportional to the angular velocity of rotation of the armature ω _a .

Так как якорь двухмерной машины выполнен по типу якоря машины постоянного тока и работает в неподвижном магнитном поле, создаваемым ротором, то частота вращения якоря двухвходовой электрической машины при неизменной частоте вращения ротора будет определяться такой же зависимостью, как и у машины постоянного тока.Since the anchor of a two-dimensional machine is designed as an anchor of a direct current machine and operates in a fixed magnetic field created by the rotor, the rotation speed of the armature of a two-input electric machine with a constant rotor speed will be determined by the same dependence as that of a direct current machine.

Частота вращения якоря машины постоянного тока определяется зависимостью:The frequency of rotation of the armature of a DC machine is determined by the dependence:

где U_a - напряжение, приложенное к якорю; R_a - сопротивление обмотки якоря; I_а - ток якоря; Ф_δ - магнитный поток машины; c_е - постоянная.where U _a is the voltage applied to the armature; R _a is the resistance of the armature winding; I _a - armature current; F _δ is the magnetic flux of the machine; c _e is a constant.

Управлять выходной скоростью ω_а при постоянно изменяющейся входной скорости вращения ω_р можно изменяя напряжение, подаваемое на якорь машины.It is possible to control the output speed ω _and with a constantly changing input rotation speed ω _p , by changing the voltage supplied to the anchor of the machine.

Из (1) видно, что изменение напряжения U_a приводит к соответствующему изменению частоты вращения якоря, т.е. при повышении напряжения U_a частота вращения растет и, наоборот, при уменьшении - падает.From (1) it is seen that a change in voltage U _a leads to a corresponding change in the frequency of rotation of the armature, i.e. with increasing voltage U _{a, the} rotation frequency increases and, conversely, with a decrease, it decreases.

Поэтому для управления выходной частотой вращения двухмерной электрической машины при всевозможных изменениях входной необходимо изменять уровень подаваемого напряжения на вход двухмерной электрической машины.Therefore, to control the output speed of a two-dimensional electric machine with all kinds of input changes, it is necessary to change the level of the applied voltage to the input of a two-dimensional electric machine.

С этой целью выход обмотки 9 ротора 8 (см. фиг.1 и 2) с помощью соединительных проводов 10 и 14, трех контактных колец 11 и трех щеток 13 включен на вход трехфазного двухполупериодного регулировочного тиристорного блока-выпрямителя 19. Регулирование трехфазного двухполупериодного регулировочного тиристорного блока-выпрямителя 19 может быть автоматизировано в функции скорости или любого другого параметра (например, напряжения снимаемого с тахогенератора). Выпрямленное напряжение с трехфазного двухполупериодного регулировочного тиристорного блока-выпрямителя 19 включается в цепь якоря последовательно с источником электроэнергии (например, с фотоэлекрическим преобразователем). Регулирование трехфазного двухполупериодного регулировочного тиристорного блока-выпрямителя 19 производится так, что изменение добавочной ЭДС будет отслеживать изменение скорости вращения ротора. В зависимости от знака возмущающего воздействия, т.е. направления изменения частоты вращения якоря, трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель 19 включается либо последовательно-согласно с цепью якоря, для увеличения n_р, включением ключей 2'-4' блока коммутации 20, либо для уменьшения n_р - последовательно-встречно, включением ключей 1'-3' блока 20. Если необходимость в регулировании машины отпадает, тогда трехфазный двухполупериодный регулировочный тиристорный блок-выпрямитель 19 выключается из работы замыканием ключей 2'-3' блока коммутации 20. При необходимости автоматической стабилизации частоты вращения якоря машины n_а управление трехфазным двухполупериодным регулировочным тиристорным блоком-выпрямителем может быть осуществлено специально разработанной системой автоматического управления, реализуемой при помощи известных типовых решений, которая в данной заявке не рассматривается, как не имеющая отношения к существу изобретения.To this end, the output of the winding 9 of the rotor 8 (see FIGS. 1 and 2) using the connecting wires 10 and 14, three contact rings 11 and three brushes 13 is connected to the input of a three-phase two-half-wave adjustment thyristor block rectifier 19. Regulation of a three-phase two-wave half-wave adjustment thyristor block rectifier 19 can be automated as a function of speed or any other parameter (for example, voltage removed from the tachogenerator). The rectified voltage from the three-phase two-half-wave adjustment thyristor block rectifier 19 is connected to the armature circuit in series with an electric power source (for example, with a photoelectric converter). The regulation of the three-phase two-half-wave adjustment thyristor block rectifier 19 is carried out so that a change in the additional EMF will track the change in rotor speed. Depending on the sign of the disturbing effect, i.e. the direction of change of the rotation speed of the armature, the three-phase two-half-time adjustment thyristor rectifier block 19 is switched on either sequentially in accordance with the armature circuit to increase n _{p, by} turning on the keys 2'-4 'of the switching unit 20, or to decrease n _p - counter-clockwise, by turning on of keys 1'-3 'of block 20. If there is no need to regulate the machine, then the three-phase two-half-time adjustment thyristor rectifier block 19 is switched off by closing the keys 2'-3' of switching unit 20. If necessary, matic stabilization armature speed machines n-phase full-wave control _and regulating unit thyristor rectifier can be effected specifically developed automatic control system, realized by means of known standard solutions, which in this application are not considered as having no relation to the essence of the invention.

Авторами были изготовлены и испытаны два опытных образца управляемой двухмерной электрической машины, которые полностью подтвердили работоспособность и перспективность данной конструкции. Испытания показали: погрешность управления не превышает ±3% (при диапазоне изменения входной скорости ω_р 1:5), что резко расширяет область применения управляемой двухмерной электрической машины, имея в виду ее использование в нетрадиционной энергетике, требующей стабилизации частоты генерируемого напряжения при непрерывных и глубоких изменениях возмущающих воздействий.The authors made and tested two prototypes of a controlled two-dimensional electric machine, which fully confirmed the efficiency and prospects of this design. Tests have shown that the control error does not exceed ± 3% (with a range of input speed ω _p 1: 5), which greatly expands the scope of the controlled two-dimensional electric machine, bearing in mind its use in alternative energy, which requires stabilization of the frequency of the generated voltage for continuous and deep changes of disturbing influences.

Claims

A controllable two-dimensional electric machine containing an armature with a winding and a brush-collector apparatus of a direct current machine, placed concentrically in an annular charged magnetic core of a rotor pressed into the housing and capable of rotation around a loaded armature, characterized in that the rotor winding is designed as an asynchronous rotor winding machines with a phase rotor, in the circuit of which is included a three-phase two-half-period adjustment thyristor block rectifier, the output of which is connected in series with the circuit y anchors through the keys of the switching unit, which has the ability to carry out either series-consonant or series-counter switching with the chain of the armature.