двухмерная электрическая машина-генератор

Формула изобретения

Двухмерная электрическая машина-генератор, содержащая якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, отличающаяся тем, что в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью переменного тока.

Описание изобретения к патенту

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.

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.

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.

Прототипом данного изобретения является двухвходовая электрическая машина (патент РФ №2091967, 1997 г. Бюл. №27, авторы Красавин В.В., Гайтова Т.Б., Гайтов Б.Х.).

Двухвходовая электрическая машина содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, помещенный концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных машин (например, с короткозамкнутым или фазным ротором) и впрессованный в корпус, имеющий возможность вращения вокруг шихтованного якоря.

Однако такая машина может работать только в двигательном режиме работы, являясь усилителем механической мощности либо как генератор постоянного тока, что резко ограничивает область применения данной машины.

В ряде случаев, например в нетрадиционной энергетике, когда необходимо комплексное использование двух возобновляемых источников энергии (ВИЭ), (например, Солнца и ветра с присущими им особенностями - неравномерный и стохастический характер поступления энергии), в рамках одной энергосистемы необходима конструкция электромеханического преобразователя энергии, который мог бы преобразовывать два разнородных вида энергии, выдавая на выходе суммарную электрическую энергию переменного тока. Необходимость в такого рода преобразователе происходит из современных требований, предъявляемых нетрадиционной энергетикой к электромеханическим преобразователям энергии. Так, в нетрадиционной энергетике на сегодняшний день сложилась практика применения традиционных (классических) преобразователей энергии - генераторов переменного и постоянного тока, которые преобразуют один какой-либо вид энергии (энергию Солнц, ветра и др.) в электрическую. Однако такой подход, как показала практика, малоэффективен в силу природных характеристик возобновляемых энергоисточников, а именно непредсказуемого характера поступления энергии и неравномерности ее поступления. На фиг.1 изображен график интенсивности энергии Солнца (С) и ветра (В) в функции времени, построенный по усредненным метеорологическим данным в течение суток.

Как видно из графика, поступление солнечной и ветровой энергии (С+В) в течение суток крайне неравномерно, причем интенсивность энергии Солнца и энергии ветра колеблются как бы в противофазе: в дневное время суток основным поставщиком энергии является Солнце, в вечернее, ночное и утреннее - ветер. Простое суммирование энергии Солнца и ветра (С _ср+В_ср) дает кривую, гораздо более сглаженную по сравнению с кривыми распределения каждого энергоисточника по отдельности (С+В)_ср. Из графика также видно, что суммарная средняя энергия Солнца и ветра гораздо больше, чем сумма средних энергий каждого энергоисточника в отдельности.

Примерно такая же картина наблюдается в течение года. На фиг.2 показан график распределения интенсивности солнечной и ветровой энергии в течение года. Из него видно, что наибольшая интенсивность солнечной энергии приходится на летний период, в то время как в это же время происходит спад интенсивности ветровой энергии. В зимний же период, наоборот, интенсивность солнечной энергии мала, а интенсивность ветровой достигает максимума.

Из фиг.2 видно, что суммирование энергии солнца и ветра в течение года дает еще более заметные результаты по сравнению с таким же суммированием в течение суток, т.е. суммарная кривая энергии в течение года имеет более сглаженный характер по сравнению с суточной, хотя колебания интенсивности энергии обоих источников по отдельности имеют также ярко выраженный характер.

Из вышеизложенного становится очевидным, что наиболее рациональным решением вопроса использования ВИЭ является параллельное освоение одновременно энергии Солнца и ветра в рамках электромеханического преобразователя энергии с целью получения большей (почти в два раза) энергии и выравнивания естественных колебаний ее поступления.

Таким образом можно добиться большей стабильности работы энергосистемы и меньших колебаний, поступающих на вход энергии. На сегодняшний день таких преобразователей нет.

Данное изобретение решает задачу суммирования и преобразования механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трех фазного (или более), переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.

Это достигается тем, что вокруг шихтованного якоря с обмоткой, и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока и ротора с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющих возможность свободно вращаться относительно друг друга, в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью потребителей переменного тока.

На фиг.3 изображен в разрезе общий вид предлагаемой двухмерной электрической машины - генератора (ДЭМ-Г). Двухмерной авторы назвали машину исходя из устоявшейся в литературе [1 и др.] терминологии: машина имеет две вращающиеся части и две степени свободы - такие машины в мировой практике принято называть двухмерными.

ДЭМ-Г 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 10, выход которой 17 с помощью трех контактных колец 16 и трех щеток 15 соединен с сетью потребителей переменного тока. Щетки 15 посредством проводов 14 связывают обмотку 10 с сетью переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям. В корпус 7 концентрически с якорем впрессован шихтованный магнитопровод ротора 8, в пазах которого уложена обмотка 9 по типу роторных обмоток асинхронных короткозамкнутых двигателей. Подшипниковые щиты 11 с подшипниками 12, 13 и валом 18 обеспечивают концентрическое расположение якоря 1 и ротора 8 и возможность их одновременного вращения.

Двухмерная электрическая машина - генератор - работает следующим образом. При подаче постоянного тока (например, от фотоэлектрических преобразователей) 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 возникает электромагнитный момент и якорь машины придет во вращение с частотой n _а.

Так как поле, создаваемое обмоткой ротора Ф _р, вращается в противоположную сторону направлению вращения ротора с той же скоростью, то в пространстве относительно щеток оно неподвижно, следовательно, в воздушном зазоре существует неподвижное поле Ф, являющееся результатом сложения полей реакции якоря Ф_а и ротора Ф_р . При наличии неподвижного в пространстве магнитного поля и вращающихся в нем частей конструкции его можно использовать для выработки электрической энергии переменного тока.

С этой целью в пазах якоря дополнительно уложена трехфазная (или более, в зависимости от требуемого количества фаз) генераторная обмотка переменного тока 10, выход которой (см. фиг.3) с помощью трех контактных колец 16 и трех щеток 15 соединен с сетью потребителей переменного тока посредством проводов 14.

В трехфазной обмотке 10, вращающейся в неподвижном магнитном поле, создаваемом потоками Ф_а и Ф_р по закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС, равная

где W_p - число витков обмотки ротора, _к - потокосцепление катушки обмотки 10. По-существу, обмотка ротора в данном случае является, возбудителем генератора, который преобразует механическую энергию, подведенную к ротору (например, от ветротурбины) в энергию магнитного поля.

В результате описанных процессов происходит суммирование механической и электрической энергии постоянного тока на входе, преобразование и выдача на выходе суммарной электрической энергии переменного тока.

Машина изготовлена и испытана. Проведенные экспериментальные исследования показали перспективность применения генераторов подобного типа в автономной системе электроснабжения, основанной на комплексном использовании возобновляемых источников энергии, например Солнца и ветра.