RU2624772C2 - Turbogenerator unit of three-phase currents of two different frequencies - Google Patents

Turbogenerator unit of three-phase currents of two different frequencies Download PDF

Info

Publication number
RU2624772C2
RU2624772C2 RU2015151316A RU2015151316A RU2624772C2 RU 2624772 C2 RU2624772 C2 RU 2624772C2 RU 2015151316 A RU2015151316 A RU 2015151316A RU 2015151316 A RU2015151316 A RU 2015151316A RU 2624772 C2 RU2624772 C2 RU 2624772C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phase
frequency
rotor
winding
pairs
Prior art date
Application number
RU2015151316A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015151316A (en
Inventor
Борис Алексеевич Скворцов
Валентин Алексеевич Хомяк
Original Assignee
Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации filed Critical Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации
Priority to RU2015151316A priority Critical patent/RU2624772C2/en
Publication of RU2015151316A publication Critical patent/RU2015151316A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2624772C2 publication Critical patent/RU2624772C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/26Rotor cores with slots for windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/26Synchronous generators characterised by the arrangement of exciting windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/36Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches

Landscapes

  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Brushless Motors (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: proposed turbo generator contains a ferromagnetic stranded stator comprising two distributed three-phase windings of a three-phase alternating current of increased frequency F1 And power frequency FS=50 Hz with the number of pairs of poles p1 and p2. And p1>p2, and a rotating ferromagnetic rotor. The rotor consists of two parts, on the external surfaces of which there are two distributed excitation windings in the slots. DC excitation winding with pole pairs number p1 is connected to the output of the brushless excitation device. Three-phase winding of excitation of an alternating current with the number of pairs of poles p2 is connected through contact rings and brushes to a three-phase output of a reversible frequency converter.
EFFECT: reduction of the estimated total power of the converting devices, their total mass and dimensions.
1 dwg

Description

1.1. Область техники1.1. Technical field

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим синхронным турбогенераторам переменного трехфазного тока с электромагнитным возбуждением и с дополнительными обмотками как на статоре, так и на роторе для генерации напряжений двух различных частот.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to synchronous electric three-phase alternating current turbogenerators with electromagnetic excitation and with additional windings both on the stator and on the rotor for generating voltages of two different frequencies.

1.2. Уровень техники1.2. State of the art

Известен турбогенератор трехфазного тока с электромагнитным возбуждением, состоящий из шихтованного магнитопровода (статора) с цилиндрической расточкой и пазами на внутренней ее поверхности, в которых размещена распределенная обмотка переменного трехфазного тока и из ферромагнитного ротора, насаженного на вал, опирающийся своими концами на подшипники, один из концов которого соединен с приводным двигателем (турбиной) [1].A known three-phase current generator with electromagnetic excitation, consisting of a charged magnetic core (stator) with a cylindrical bore and grooves on its inner surface, in which there is a distributed winding of an alternating three-phase current and from a ferromagnetic rotor mounted on a shaft, resting its ends on bearings, one of the ends of which are connected to a drive motor (turbine) [1].

В пазах ферромагнитного ротора неявнополюсной конструкции уложена обмотка возбуждения постоянного тока, которая электрически соединена с вращающимся выпрямителем устройства бесщеточного возбуждения, жестко закрепленного на конце вала [2]. Питание обмотки возбуждения постоянного тока осуществляется электроэнергией устройства бесщеточного возбуждения при вращении ротора от приводного двигателя.In the grooves of the ferromagnetic rotor of an implicit pole design, a DC excitation winding is laid, which is electrically connected to a rotating rectifier of a brushless excitation device rigidly fixed to the shaft end [2]. The DC excitation winding is powered by the electric power of the brushless excitation device when the rotor rotates from the drive motor.

В указанном турбогенераторе при вращении ротора в результате взаимодействия магнитного поля вращающейся обмотки возбуждения постоянного тока с обмоткой статора в ней индуктируется переменная трехфазная электродвижущая сила (э.д.с), которая в дальнейшем при подключении к внешней сети должна синхронизироваться по величине, частоте и фазе с напряжением внешней сети.In the indicated turbogenerator, when the rotor rotates as a result of the interaction of the magnetic field of the rotating direct current excitation winding with the stator winding, an alternating three-phase electromotive force (emf) is induced in it, which should later be synchronized in magnitude, frequency and phase when connected to an external network with external voltage.

Величину первой (основной) гармоники э.д.с. Е1 и ее частоту в общем случае определяют по формулам [1]:The magnitude of the first (main) harmonic emf E 1 and its frequency in the General case is determined by the formulas [1]:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где:Where:

- W - число витков в фазе обмотки статора;- W is the number of turns in the phase of the stator winding;

- Ф1 - первая гармоника потокосцепления фазы обмотки статора, Вб;- F 1 - the first harmonic flux linkage phase of the stator winding, WB;

- kоб.1 _ обмоточный коэффициент;- k about 1 _ winding coefficient;

- kс.1 - коэффициент скоса пазов;- k p. 1 - bevel coefficient of grooves;

-

Figure 00000003
- частота переменной э.д.с, Гц;-
Figure 00000003
- frequency of the variable emf, Hz;

- p1 - число пар полюсов обмотки статора и ротора;- p 1 - the number of pairs of poles of the stator winding and rotor;

- n1 - частота вращения ротора, об/мин.- n 1 - rotor speed, rpm

В соответствии с формулой (2) трехфазное напряжение промышленной частоты 50 Гц на выходе синхронного турбогенератора при p1=1 индуктируется при максимально возможной частота вращения ротора n1=3000 об/мин.In accordance with formula (2), a three-phase voltage of an industrial frequency of 50 Hz at the output of a synchronous turbogenerator with p 1 = 1 is inducted at the maximum possible rotor speed n 1 = 3000 rpm.

Известно, что паровые (газовые) турбины, являющиеся приводными двигателями для турбогенератора, имеют наилучшие технико-экономические показатели (удельный расход топлива, к.п.д., удельная мощность и др.) при более высоких частотах вращения n≥6000 об/мин [3].It is known that steam (gas) turbines, which are the driving engines for the turbogenerator, have the best technical and economic indicators (specific fuel consumption, efficiency, specific power, etc.) at higher rotational speeds n≥6000 rpm [3].

Недостатком данного технического решения турбогенератора переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц является то, что для его привода используют промежуточный механический редуктор [3], что приводит к увеличению массы, габаритов и стоимости всего турбоагрегата в целом.The disadvantage of this technical solution of a turbogenerator of alternating voltage of an industrial frequency of 50 Hz is that an intermediate mechanical gearbox is used for its drive [3], which leads to an increase in the mass, dimensions and cost of the entire turbine unit as a whole.

Другим близким по технической сущности к заявляемому устройству является техническое решение, используемое в электромашинном преобразователе частоты с фазным ротором [1], в котором при вращении ротора от приводного двигателя, в т.ч. при более высокой частоте вращения, и при подаче со стороны ротора трехфазного напряжения одной частоты можно получать со стороны статора трехфазное напряжение другой частоты, в т.ч. промышленной частоты 50 Гц.Another close in technical essence to the claimed device is a technical solution used in an electric machine frequency converter with a phase rotor [1], in which when the rotor rotates from a drive motor, incl. at a higher rotational speed, and when a three-phase voltage of one frequency is applied from the rotor side, a three-phase voltage of another frequency can be obtained from the stator side, incl. industrial frequency 50 Hz.

Указанное техническое решение [1] нашло реализацию в способе и устройстве управления автономным асинхронным генератором [4] (аналог), в цепи трехфазной обмотки ротора которого используют регулируемый преобразователь частоты. При изменяющейся, например, при увеличении частоты вращения приводного двигателя неизменность частоты и амплитуды индуктируемой э.д.с. в трехфазной обмотке статора поддерживают путем соответствующего регулирования в сторону уменьшения частоты и амплитуды трехфазного тока на выходе упомянутого преобразователя частоты.The indicated technical solution [1] found implementation in the method and control device of an autonomous asynchronous generator [4] (analog), in the circuit of the three-phase winding of the rotor of which an adjustable frequency converter is used. When changing, for example, with an increase in the speed of the drive motor, the frequency and amplitude of the induced emf remain constant in a three-phase stator winding support by appropriate regulation in the direction of decreasing the frequency and amplitude of the three-phase current at the output of said frequency converter.

Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности генерации переменных трехфазных напряжений двух различных частот.The disadvantage of this technical solution is the inability to generate alternating three-phase voltages of two different frequencies.

Наиболее близким по технической реализации к заявляемому устройству является техническое решение главного турбогенератора повышенной частоты (200 Гц и более) в составе судовой единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС) [5], вращение которого осуществляют непосредственно от турбины при частоте вращения n≥6000 об/мин (прототип).The closest in technical implementation to the claimed device is the technical solution of the main turbogenerator of increased frequency (200 Hz or more) as part of the ship's unified electric power system (EEES) [5], the rotation of which is carried out directly from the turbine at a speed of n≥6000 rpm ( prototype).

Однако в указанном прототипе отсутствует возможность генерации переменного трехфазного напряжения промышленной частоты 50 Гц, необходимого для питания общесудовых потребителей. Для питания общесудовых потребителей трехфазным током промышленной частоты 50 Гц в составе судовой ЕЭЭС [5] используют преобразующие устройства, а именно каскадные матричные преобразователи частоты (КМПЧ) с параллельным соединением каскадов в составе централизованной системы отбора мощности (СОМ), которая в свою очередь питается от главных турбогенераторов повышенной частоты. Причем полная мощность указанных КМПЧ должна быть не менее суммы полных мощностей упомянутых потребителей с учетом их возможных перегрузок, что является причиной увеличения массы, габаритов и стоимости всей ЕЭЭС в целом, несмотря на использование повышенной частоты.However, in this prototype there is no possibility of generating an alternating three-phase voltage of an industrial frequency of 50 Hz, which is necessary for supplying general ship consumers. To supply general ship consumers with a three-phase current of an industrial frequency of 50 Hz as part of the ship's EEES [5], converter devices are used, namely cascade matrix frequency converters (KMPCH) with parallel connection of cascades as part of a centralized power take-off system (COM), which in turn is powered by main turbogenerators of increased frequency. Moreover, the total capacity of these KMPCH should be at least the sum of the total capacities of the said consumers, taking into account their possible overloads, which is the reason for the increase in mass, dimensions and cost of the whole EAEU as a whole, despite the use of increased frequency.

Задачей предложенного технического решения является обеспечение существенного снижения расчетной полной мощности необходимых преобразующих устройств, их общей массы и габаритов в составе судовой ЕЭЭС.The objective of the proposed technical solution is to significantly reduce the estimated apparent power of the necessary converting devices, their total weight and dimensions as part of the ship EEEC.

Технический результат предложенного устройства турбогенератора трехфазных токов двух различных частот состоит в том, что при использовании способа [6], наряду с генерацией электроэнергии двух различных частот - повышенной частоты 200 Гц и промышленной частоты 50 Гц - одновременно обеспечивают снижение расчетной полной мощности необходимых преобразующих устройств ориентировочно на 50% от суммы полных мощностей всех общесудовых потребителей промышленной частоты с учетом их возможных перегрузок.The technical result of the proposed device for a three-phase current turbogenerator of two different frequencies is that when using the method [6], along with the generation of electricity of two different frequencies — an increased frequency of 200 Hz and an industrial frequency of 50 Hz — at the same time they reduce the estimated apparent power of the necessary converting devices approximately 50% of the total capacity of all general ship consumers of industrial frequency, taking into account their possible overloads.

Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном устройстве турбогенератора трехфазных токов двух различных частот (повышенной

Figure 00000004
и промышленной
Figure 00000005
), содержащем ферромагнитный шихтованный статор с цилиндрический расточкой, на внутренней поверхности которой в общих пазах размещены две распределенные трехфазные обмотки переменного трехфазного тока повышенной частоты f1 и промышленной частоты fs=50 Гц - основная и дополнительная - с числом пар полюсов соответственно p1 и p2 при соблюдении условия p1>p2, и вращающийся ферромагнитный ротор неявнополюсной конструкции, состоящий из двух частей, насаженных на общий вал и расположенных внутри расточки статора, на наружных поверхностях которых в пазах размещены две распределенные обмотки возбуждения, причем на основной части ротора размещена обмотка возбуждения постоянного тока с числом пар полюсов p1, подключенная к выходу устройства бесщеточного возбуждения, предусмотрены следующие отличия:The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed device of the turbogenerator of three-phase currents of two different frequencies (increased
Figure 00000004
and industrial
Figure 00000005
), containing a ferromagnetic charged stator with a cylindrical bore, on the inner surface of which in the common grooves are two distributed three-phase windings of an alternating three-phase current of increased frequency f1 and industrial frequency fs = 50 Hz - the main and additional - with the number of pole pairs, respectively, p 1 and p 2 subject to the condition p 1> p 2, and a rotating ferromagnetic rotor neyavnopolyusnoy structure consisting of two parts, fitted on a common shaft and disposed inside the stator bore, on the outer surface of which in two grooves arranged distributed field winding, wherein the primary part of the rotor field winding is placed dc number of pairs of poles p 1, connected to the output device of the brushless excitation provides for the following differences:

1. В пазы неявнополюсной конструкции второй дополнительной части ротора (шихтованного) вводят трехфазную обмотку возбуждения переменного тока с числом пар полюсов p2, размещенную на дополнительной части ротора (шихтованного) и подключенную через контактные кольца и щетки к трехфазному выходу обратимого преобразователя частоты. Угловую частоту вращения

Figure 00000006
основной волны намагничивающей силы трехфазной обмотки возбуждения, размещенной в пазах дополнительной части ротора, поддерживают всегда ниже и в противоположном направлении угловой частоты вращения
Figure 00000007
ротора, т.е. поддерживают асинхронный режим с отрицательной частотой скольжения
Figure 00000008
. Указанный режим позволяет по сравнению с КМПЧ в составе централизованной СОМ прототипа [5] существенно уменьшить расчетную полную мощность обратимого преобразователя частоты, следовательно, его общую массу и габариты.1. A three-phase alternating current winding with the number of pole pairs p 2 placed on the additional part of the rotor (charged) and connected through contact rings and brushes to the three-phase output of the reversible frequency converter is introduced into the grooves of the implicit pole design of the second additional part of the rotor (charge). Rotational speed
Figure 00000006
the main wave of the magnetizing force of the three-phase field winding, located in the grooves of the additional part of the rotor, always support lower and in the opposite direction of the angular frequency of rotation
Figure 00000007
rotor, i.e. support asynchronous mode with negative slip rate
Figure 00000008
. This mode allows, in comparison with the CMPC in the centralized COM prototype [5], to significantly reduce the estimated apparent power of a reversible frequency converter, therefore, its total weight and dimensions.

2. Для реализации в турбогенераторе асинхронного режима с отрицательной частотой

Figure 00000008
скольжения в качестве обратимого преобразователя частоты используют каскадный матричный преобразователь частоты, входные клеммы каждого каскада которого соединяют через выключатели и согласующий трансформатор с внешней сетью повышенной частоты
Figure 00000009
аналогично КМПЧ в составе централизованной СОМ прототипа [5].2. For the implementation in the turbine generator of asynchronous mode with a negative frequency
Figure 00000008
Slides as a reversible frequency converter use a cascade matrix frequency converter, the input terminals of each stage of which are connected via switches and a matching transformer to an external high-frequency network
Figure 00000009
similarly KMPCH as part of a centralized COM prototype [5].

1.3. Краткое описание чертежей1.3. Brief Description of the Drawings

Предложенное устройство поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема (фиг. 1) построения турбогенератора трехфазных токов двух различных частот, реализующего способ генерации переменных напряжений [6].The proposed device is illustrated by a drawing, which shows a block diagram (Fig. 1) of the construction of a turbogenerator of three-phase currents of two different frequencies, which implements a method of generating alternating voltages [6].

В представленной блок-схеме (фиг. 1) используют следующие обозначения:In the presented block diagram (Fig. 1), the following notation is used:

1 - статор;1 - stator;

1.1 - основная трехфазная обмотка;1.1 - the main three-phase winding;

1.2 - дополнительная трехфазная обмотка;1.2 - additional three-phase winding;

2 - трансформатор;2 - transformer;

3 - выключатели;3 - switches;

4 - обратимый каскадный матричный преобразователь частоты (КМПЧ);4 - reversible cascade matrix frequency converter (KMPCH);

4.1 - трехфазные входы;4.1 - three-phase inputs;

4.2 - трехфазный выход;4.2 - three-phase output;

5 - выключатель;5 - switch;

6 - внешняя сеть повышенной частоты;6 - external network of increased frequency;

7 - выключатель;7 - switch;

8 - внешняя сеть промышленной частоты;8 - external network of industrial frequency;

9 - основная часть ротора;9 - the main part of the rotor;

10 - дополнительная часть ротора;10 - an additional part of the rotor;

11 - приводной двигатель (турбина);11 - drive engine (turbine);

12 - обмотка возбуждения постоянного тока;12 - a direct current excitation winding;

13 - трехфазная обмотка возбуждения;13 - three-phase field winding;

14 - устройство бесщеточного возбуждения.14 - brushless excitation device.

1.4. Раскрытие изобретения1.4. Disclosure of invention

Предложенное техническое решение заключается в том, что в конструкцию ферромагнитного ротора, расположенного внутри расточки статора, введена дополнительная часть с размещенной в ее пазах трехфазной обмоткой возбуждения, а также введена дополнительная трехфазная обмотка на статоре, число пар полюсов которой отличается от числа пар полюсов основных обмоток, расположенных на статоре и на основной части ротора. Причем в цепь трехфазной обмотки возбуждения, размещенной на дополнительной части ротора, подключается обратимый КМПЧ, расчетная полная мощность которого существенно меньше (ориентировочно на 50%) КМПЧ в составе централизованной СОМ, используемой в прототипе [5].The proposed technical solution consists in the fact that an additional part with a three-phase field winding located in its grooves is introduced into the design of the ferromagnetic rotor located inside the stator bore, and an additional three-phase winding on the stator is introduced, the number of pole pairs of which differs from the number of pole pairs of the main windings located on the stator and on the main part of the rotor. Moreover, in the circuit of a three-phase field winding, located on the additional part of the rotor, a reversible KMPCH is connected, the calculated apparent power of which is significantly less (approximately 50%) of the KMPCH in the centralized COM used in the prototype [5].

Турбогенератор трехфазных токов двух различных частот имеет ферромагнитный шихтованный статор 1 с цилиндрической расточкой и пазами на внутренней ее поверхности, в которых наряду с основной трехфазной обмоткой 1.1 напряжения повышенной частоты размещают дополнительную трехфазную обмотку 1.2 напряжения промышленной частоты, распределенную в общих пазах (фиг. 1).The turbogenerator of three-phase currents of two different frequencies has a ferromagnetic charge stator 1 with a cylindrical bore and grooves on its inner surface, in which, along with the main three-phase winding 1.1 of increased frequency voltage, an additional three-phase winding 1.2 of industrial frequency voltage is distributed in the common grooves (Fig. 1) .

Основную обмотку 1.1, предназначенную для генерации переменного трехфазного напряжения, в т.ч. высоковольтного, повышенной частоты

Figure 00000010
и имеющую число пар полюсов p1=2, соединяют через согласующий трансформатор 2 и выключатели 3 с трехфазными входами 4.1 каждого каскада обратимого КМПЧ 4, а также через выключатель 5 соединяют с внешней сетью 6 повышенной частоты.The main winding 1.1, designed to generate an alternating three-phase voltage, including high voltage, high frequency
Figure 00000010
and having the number of pole pairs p 1 = 2, connect through a matching transformer 2 and switches 3 with three-phase inputs 4.1 of each stage of the reversible KMPCH 4, as well as through a switch 5 connect to an external network 6 of high frequency.

Дополнительную трехфазную обмотку 1.2, предназначенную для генерации переменного трехфазного напряжения промышленной частоты

Figure 00000011
и имеющую число пар полюсов p2=1, соединяют через выключатель 7 с внешней сетью 8 промышленной частоты 50 Гц.An additional three-phase winding 1.2, designed to generate an alternating three-phase voltage of industrial frequency
Figure 00000011
and having the number of pole pairs p 2 = 1, connect through a switch 7 to an external network 8 of industrial frequency 50 Hz.

Внутри расточки статора 1 располагают цилиндрический ротор из ферромагнитного материала, состоящий из основной 9 и дополнительной 10 частей неявнополюсной конструкции, насаженных на общий вал, опирающийся своими концами на подшипники (на рис. не показано), один из концов которого соединяют непосредственно с приводным двигателем (турбиной) 11.Inside the stator bore 1, there is a cylindrical rotor made of ferromagnetic material, consisting of a main 9 and an additional 10 parts of an implicit pole, mounted on a common shaft, resting its ends on bearings (not shown in the figure), one of the ends of which is connected directly to the drive motor ( turbine) 11.

На наружной поверхности каждой части ротора имеются пазы. В пазах основной части ротора 9 размещают распределенную обмотку возбуждения постоянного тока 12 с числом пар полюсов p1=2, а в пазах дополнительной части ротора 10 (шихтованного) размещают распределенную трехфазную обмотку возбуждения 13 с числом пар полюсов p2=1.On the outer surface of each part of the rotor there are grooves. In the grooves of the main part of the rotor 9, a distributed DC excitation winding 12 with the number of pole pairs p 1 = 2 is placed, and in the grooves of the additional part of the rotor 10 (lined), a distributed three-phase excitation winding 13 with the number of pole pairs p 2 = 1 is placed.

Обмотку возбуждения постоянного тока 12 электрически соединяют с выходом устройства бесщеточного возбуждения 14, расположенного на одном из концов вала. Трехфазную обмотку возбуждения 13 электрически соединяют с тремя контактными кольцами, расположенными и жестко закрепленными на другом конце вала (на рис. не показано).The DC excitation winding 12 is electrically connected to the output of the brushless excitation device 14 located at one end of the shaft. The three-phase field winding 13 is electrically connected to three contact rings located and rigidly fixed at the other end of the shaft (not shown in the figure).

Контактные кольца посредством трех неподвижных электрических щеток (на рис. не показано) пофазно соединяют с трехфазным выходом 4.2 обратимого каскадного матричного преобразователя частоты (КМПЧ) 4, обладающего возможностью регулирования амплитуды и частоты

Figure 00000012
выходного тока.The contact rings by means of three fixed electric brushes (not shown in the figure) are phase-connected to the three-phase output 4.2 of a reversible cascade matrix frequency converter (KMPCH) 4, with the ability to control the amplitude and frequency
Figure 00000012
output current.

Устройство турбогенератора трехфазных токов двух различных частот по предложенному техническому решению работает следующим образом.The device turbogenerator of three-phase currents of two different frequencies according to the proposed technical solution works as follows.

Предварительно приводным двигателем (турбиной) 11 производят пуск и разгон турбогенератора до частоты вращения

Figure 00000013
и осуществляют подключение цепи электропитания обмотки возбуждения постоянного тока 12 к устройству бесщеточного возбуждения 14.Pre-driven engine (turbine) 11 start and accelerate the turbogenerator to a speed
Figure 00000013
and connect the power supply circuit of the DC winding 12 to the brushless excitation device 14.

В результате взаимодействия магнитного поля вращающейся обмотки возбуждения постоянного тока 12 с основной трехфазной обмоткой 1.1 статора 1 в последней возникает переменное трехфазное напряжение повышенной частоты

Figure 00000010
, которое через согласующий трансформатор 2 и выключатели 3 поступает на трехфазные входы 4.1 каждого каскада обратимого КМПЧ 4.As a result of the interaction of the magnetic field of the rotating DC winding 12 with the main three-phase winding 1.1 of the stator 1, the latter produces an alternating three-phase voltage of increased frequency
Figure 00000010
which, through the matching transformer 2 and switches 3, enters the three-phase inputs 4.1 of each stage of the reversible KMPCH 4.

Обратимый КМПЧ 4 преобразует переменное трехфазное напряжение повышенной частоты

Figure 00000014
в трехфазное напряжение промышленной частоты
Figure 00000015
, которое при плавном увеличении его амплитуды и частоты от нуля до номинального значения
Figure 00000016
через трехфазный выход 4.2, электрические щетки и контактные кольца поступает в трехфазную обмотку возбуждения 13 дополнительной части ротора 10.Reversible KMPCH 4 converts an alternating three-phase voltage of high frequency
Figure 00000014
into three-phase voltage of industrial frequency
Figure 00000015
which, with a smooth increase in its amplitude and frequency from zero to a nominal value
Figure 00000016
through a three-phase output 4.2, electric brushes and slip rings enters the three-phase field winding 13 of the additional part of the rotor 10.

Далее намагничивающие токи, возникающие в трехфазной обмотке возбуждения 13, создают пространственную основную волну (гармонику) намагничивающей силы [1] на дополнительной части ротора 10, угловая частота вращения

Figure 00000017
которой направлена в противоположную сторону относительно направления вращения обеих частей ротора 9 и 10.Further, the magnetizing currents arising in the three-phase field winding 13 create a spatial main wave (harmonic) of the magnetizing force [1] on the additional part of the rotor 10, the angular frequency of rotation
Figure 00000017
which is directed in the opposite direction relative to the direction of rotation of both parts of the rotor 9 and 10.

Причем в предложенном устройстве турбогенератора трехфазных токов двух различных частот используют асинхронный режим с отрицательной частотой

Figure 00000018
скольжения по способу [6], в соответствии с которым угловую частоту вращения
Figure 00000019
основной волны намагничивающей силы трехфазной обмотки возбуждения 13 поддерживают всегда ниже угловой частоты вращения
Figure 00000020
обеих частей ротора 9 и 10.Moreover, in the proposed device of a turbogenerator of three-phase currents of two different frequencies, an asynchronous mode with a negative frequency is used
Figure 00000018
slip according to the method [6], in accordance with which the angular frequency of rotation
Figure 00000019
the main wave of the magnetizing force of the three-phase field winding 13 is always kept below the angular frequency of rotation
Figure 00000020
both parts of the rotor 9 and 10.

С целью исключения взаимного электромагнитного влияния обеих обмоток, расположенных как в общих пазах статора 1.1; 1.2, так и на обеих частях ротора 12; 13, их числа пар полюсов должны в соответствии со способом [6] удовлетворять условию p1>p2.In order to exclude mutual electromagnetic influence of both windings located as in the common grooves of the stator 1.1; 1.2, and on both parts of the rotor 12; 13, their number of pole pairs must, in accordance with method [6], satisfy the condition p 1 > p 2 .

В результате взаимодействия суммарного магнитного поля от двух вращающихся обмоток возбуждения 12 и 13 с основной 1.1 и дополнительной 1.2 обмотками статора 1 в них индуктируются переменные трехфазные э.д.с. вращения:As a result of the interaction of the total magnetic field from two rotating field windings 12 and 13 with the main 1.1 and additional 1.2 stator windings 1, three-phase variable emfs are induced in them rotation:

- с частотой

Figure 00000021
- в основной обмотке 1.1;- with frequency
Figure 00000021
- in the main winding 1.1;

- с частотой скольжения

Figure 00000022
- в дополнительной обмотке 1.2 (знак - «минус» характеризует передачу электроэнергии в сеть).- with slip frequency
Figure 00000022
- in an additional winding 1.2 (a minus sign indicates the transmission of electricity to the network).

Затем генерируемая электроэнергия в упомянутых обмотках 1.1; 1.2 статора 1 в виде трехфазных токов двух различных частот

Figure 00000014
;
Figure 00000008
через выключатели 5; 7 после их синхронизации по частоте и напряжению поступает во внешние сети 6; 8 переменного напряжения соответствующей частоты.Then, the generated electricity in said windings 1.1; 1.2 stator 1 in the form of three-phase currents of two different frequencies
Figure 00000014
;
Figure 00000008
through switches 5; 7 after their synchronization in frequency and voltage enters the external network 6; 8 AC voltage of the corresponding frequency.

Кроме того, в период пуска и разгона турбогенератора до угловой частоты вращения ω1 и после перевода его в асинхронный режим с отрицательной частотой

Figure 00000008
скольжения в трехфазной обмотке возбуждения 13, расположенной на дополнительной части ротора 10, индуктируется переменная противо-э.д.с. с частотой
Figure 00000023
. Под действием этой противо-э.д.с. электроэнергия трехфазных токов через контактные кольца и щетки поступает на трехфазный выход 4.2 обратимого КМПЧ 4.In addition, during the start-up and acceleration of the turbogenerator to the angular frequency of rotation ω 1 and after putting it into asynchronous mode with a negative frequency
Figure 00000008
slip in the three-phase field winding 13, located on the additional part of the rotor 10, a variable counter-emf is induced. with frequency
Figure 00000023
. Under the influence of this counter-emf. the electric power of three-phase currents through the contact rings and brushes is supplied to the three-phase output 4.2 of the reversible KMPCH 4.

Указанная электроэнергия после обратного преобразования в трехфазный ток с частотой

Figure 00000010
поступает на трехфазные входы 4.1 каждого каскада обратимого КМПЧ 4 и через выключатели 3, согласующий трансформатор 2 и выключатель 5 после синхронизации по частоте и напряжению передается во внешнюю сеть 6 повышенной частоты
Figure 00000010
.The specified electricity after the reverse conversion into a three-phase current with a frequency
Figure 00000010
arrives at the three-phase inputs 4.1 of each stage of the reversible KMPCH 4 and through the switches 3, the matching transformer 2 and the switch 5 after synchronization in frequency and voltage is transmitted to an external network 6 of increased frequency
Figure 00000010
.

Расчетная полная мощность предложенного устройства турбогенератора определяется как сумма полных мощностей, потребляемых внешними сетями как от основной (Росн) обмотки 1.1 статора 1, так и от дополнительной (Pдоп) обмотки 1.2. Причем последняя Рдоп обычно определяется как сумма полных мощностей всех общесудовых потребителей во внешней сети промышленной частоты 8 с учетом их возможных перегрузок.The estimated apparent power of the proposed turbogenerator device is determined as the sum of the total capacities consumed by external networks from both the main (P main ) winding 1.1 of stator 1 and the additional (P extra ) winding 1.2. Moreover, the last P add is usually defined as the sum of the total capacities of all general ship consumers in an external network of industrial frequency 8, taking into account their possible overloads.

Расчетная полная мощность Р2 трехфазной обмотки возбуждения 13 дополнительной части ротора 10, а также равная ей расчетная полная мощность обратимого КМПЧ 4 определяется в соответствии с [1] по формуле:The calculated apparent power P 2 of the three-phase field winding 13 of the additional part of the rotor 10, as well as the equal calculated apparent power of the reversible KMPCH 4, is determined in accordance with [1] by the formula:

Figure 00000024
,
Figure 00000024
,

где:

Figure 00000025
- скольжение дополнительной части ротора 10 в относительных единицах (знак - «минус» характеризует передачу электроэнергии в сеть).Where:
Figure 00000025
- sliding of the additional part of the rotor 10 in relative units (the minus sign indicates the transmission of electricity to the network).

Таким образом, предложенное техническое решение устройства турбогенератора трехфазных токов двух различных частот имеет необходимое обоснование и наряду с расширением функциональных возможностей прототипа по способу [6] обеспечивает при частоте вращения ротора n1=6000 об/мин заявленный технический результат, т.е. существенное снижение (на ~50%) расчетной полной мощности, следовательно, общей массы и габаритов необходимых преобразующих устройств (обратимого КМПЧ) в составе судовой ЕЭЭС.Thus, the proposed technical solution for the device of a turbogenerator of three-phase currents of two different frequencies has the necessary justification and, along with the expansion of the functionality of the prototype by the method [6], provides the claimed technical result at a rotor speed of n 1 = 6000 rpm, i.e. a significant decrease (by ~ 50%) of the estimated apparent power, therefore, the total mass and dimensions of the necessary converting devices (reversible KMPCH) as part of the ship EEES.

ЛитератураLiterature

1. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Энергия, 1978. - С. 366; 375; 593.1. Voldek A.I. Electric cars. M .: Energy, 1978. - S. 366; 375; 593.

2. Яковлев Г.С. Судовые электроэнергетические системы. Л.: Судостроение, 1987. - С. 61.2. Yakovlev G.S. Ship electric power systems. L .: Shipbuilding, 1987.- S. 61.

3. Турбогенераторы блочные типа ТГ. Продукция ОАО «Калужский турбинный завод»; интернет: www.oaoktz.ru.3. Block turbogenerators of the TG type. Products of OJSC Kaluga Turbine Plant; internet: www.oaoktz.ru.

4. Способ управления автономным асинхронным генератором. Мещеряков В.Н., Иванов А.Б., Куликов А.И. Патент РФ 2213409, кл. H02P 9/00 от 26.04.2001.4. A method for controlling an autonomous asynchronous generator. Meshcheryakov V.N., Ivanov A.B., Kulikov A.I. RF patent 2213409, cl. H02P 9/00 of 04/26/2001.

5. Судовая электроэнергетическая система переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты. Александров В.П., Скворцов Б.А., Хомяк В.А. Патент РФ № RU 2510781 С2, кл. H02J 3/34 от 17.07.2012.5. Ship electric power system of alternating voltage of increased frequency with an electric propulsion system and matrix frequency converters. Aleksandrov V.P., Skvortsov B.A., Hamster V.A. RF patent No. RU 2510781 C2, class. H02J 3/34 dated July 17, 2012.

6. Способ генерации переменных напряжений двух различных частот в турбогенераторе трехфазного тока. Скворцов Б.А. Заявка на изобретение №2015132456 кл. H02P 9/00 от 04.08.2015 г.6. A method of generating alternating voltages of two different frequencies in a three-phase current turbogenerator. Skvortsov B.A. Application for invention No. 201532456 cl. H02P 9/00 from 08/04/2015

Claims (1)

Устройство турбогенератора трехфазных токов двух различных частот, содержащее ферромагнитный шихтованный статор с цилиндрический расточкой, на внутренней поверхности которой в общих пазах размещены две распределенных трехфазные обмотки переменного трехфазного тока повышенной частоты f 1 и промышленной частоты f s=50 Гц с числом пар полюсов соответственно p1 и p2 при соблюдении условия p1>p2, и вращающийся ферромагнитный ротор неявнополюсной конструкции, состоящий из двух частей, насаженных на общий вал и расположенных внутри расточки статора, на наружных поверхностях которых в пазах размещены две распределенные обмотки возбуждения, причем на основной части ротора размещена обмотка возбуждения постоянного тока с числом пар полюсов p1, подключенная к выходу устройства бесщеточного возбуждения, отличающееся тем, что введена трехфазная обмотка возбуждения переменного тока с числом пар полюсов р2, размещенная на дополнительной части ротора (шихтованного), подключенная через контактные кольца и щетки к трехфазному выходу обратимого преобразователя частоты, а также в качестве обратимого преобразователя частоты введен каскадный матричный преобразователь частоты, входные клеммы каждого каскада которого соединяют через выключатели и согласующий трансформатор с внешней сетью повышенной частоты f 1.A device for a three-phase current turbogenerator of two different frequencies, containing a ferromagnetic charged stator with a cylindrical bore, on the inner surface of which are two distributed three-phase windings of an alternating three-phase current of increased frequency f 1 and industrial frequency f s = 50 Hz with the number of pole pairs, respectively, p 1 and p 2 subject to the condition p 1> p 2, and a rotating ferromagnetic rotor neyavnopolyusnoy structure consisting of two parts, fitted on a common shaft and disposed within a bore Ator, the outer surfaces of which two distributed field winding placed in slots, wherein the main part of the rotor is placed DC field winding with the number of pairs of poles p 1, connected to the output device of the brushless excitation, characterized in that the introduced three-phase alternating current excitation winding with a number of pairs of poles p 2 located on the additional part of the rotor (laden), connected through contact rings and brushes to the three-phase output of a reversible frequency converter, as well as In addition to a reversible frequency converter, a cascade matrix frequency converter is introduced, the input terminals of each stage of which are connected via switches and a matching transformer to an external high frequency network f 1 .
RU2015151316A 2015-11-30 2015-11-30 Turbogenerator unit of three-phase currents of two different frequencies RU2624772C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151316A RU2624772C2 (en) 2015-11-30 2015-11-30 Turbogenerator unit of three-phase currents of two different frequencies

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151316A RU2624772C2 (en) 2015-11-30 2015-11-30 Turbogenerator unit of three-phase currents of two different frequencies

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015151316A RU2015151316A (en) 2017-06-05
RU2624772C2 true RU2624772C2 (en) 2017-07-06

Family

ID=59031484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015151316A RU2624772C2 (en) 2015-11-30 2015-11-30 Turbogenerator unit of three-phase currents of two different frequencies

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624772C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU385377A1 (en) * 1971-03-01 1973-05-29 SYNCHRONOUS MACHINE
SU868937A1 (en) * 1980-01-24 1981-09-30 Предприятие П/Я А-7376 Self-exciting two-frequency oscillator
US6628005B2 (en) * 2001-09-27 2003-09-30 Siemens Westinghouse Power Corporation Single speed turbine generator for different power system output frequencies in power generation systems and associated methods
RU2249900C1 (en) * 2003-09-01 2005-04-10 Кубанский государственный аграрный университет Stator winding of dual-speed induction generator
RU2313889C1 (en) * 2006-07-24 2007-12-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" Asynchronously-synchronous two-frequency generator
GB2488129A (en) * 2011-02-16 2012-08-22 Rolls Royce Plc Modulated field electromagnetic machine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU385377A1 (en) * 1971-03-01 1973-05-29 SYNCHRONOUS MACHINE
SU868937A1 (en) * 1980-01-24 1981-09-30 Предприятие П/Я А-7376 Self-exciting two-frequency oscillator
US6628005B2 (en) * 2001-09-27 2003-09-30 Siemens Westinghouse Power Corporation Single speed turbine generator for different power system output frequencies in power generation systems and associated methods
RU2249900C1 (en) * 2003-09-01 2005-04-10 Кубанский государственный аграрный университет Stator winding of dual-speed induction generator
RU2313889C1 (en) * 2006-07-24 2007-12-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" Asynchronously-synchronous two-frequency generator
GB2488129A (en) * 2011-02-16 2012-08-22 Rolls Royce Plc Modulated field electromagnetic machine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015151316A (en) 2017-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gieras et al. Axial flux permanent magnet brushless machines
Xiong et al. Design and performance analysis of a brushless doubly-fed machine for stand-alone ship shaft generator systems
EP2122805A1 (en) Brushless high-frequency alternator and excitation method for three-phase ac power-frequency generation
CN106899159B (en) A kind of double △ winding alternating current generators
CN107317457B (en) Permanent magnet coupling speed regulating motor
CN108880363A (en) Three-level formula brushless synchronous machine asynchronous starting control method and system
Grachev et al. New stator construction and simulation of high-efficiency wind turbine generators
TWM589390U (en) Power generator set
RU2437201C1 (en) Non-contact electric machine with axial excitation
RU2390086C1 (en) Contactless reductor electric machine with combined excitation
RU2302692C1 (en) Electromechanical converter
Beik et al. High voltage generator for wind turbines
KR102053719B1 (en) Complex Generator
RU2624772C2 (en) Turbogenerator unit of three-phase currents of two different frequencies
CN103904856B (en) A kind of brushless Harmonic Wave Excited Generator with initial self-excitation ability
RU2636053C2 (en) Method of generation of ac voltages of two different frequencies in three-phase current turbo-generator
EP3032716B1 (en) Dual-output generators
Chakraborty et al. A new series of brushless and permanent magnetless synchronous machines
US20210099054A1 (en) Kinetic Power Generation Unit
RU2416858C1 (en) Electric reduction machine with salient-pole armature
CN103701260A (en) Electrical machine and method for operating such an electrical machine
RU2661902C1 (en) Ship variable voltage ac electric power system with two different frequencies turbo generators
RU2645866C2 (en) Electromechanic system of actuation and/or generation comprising electrical insulation between electric voltage source and load
RU2279173C2 (en) Inductor engine (variants)
RU2436221C1 (en) Contactless magnetoelectric machine with axial excitation