Асинхронный генератор

Изобретение относится к области электротехники, а именно к специальным электрическим машинам, и касается конструкций асинхронных генераторов (АГ) с самовозбуждением, используемых в установках автономного электроснабжения. Технический результат от использования данного изобретения - обеспечение надежной работы АГ в экстремальных условиях окружающей среды, а также снижение массогабаритных показателей АГ, работающих в герметичных объектах энергогенерирующих установок. Сущность изобретения состоит в следующем. В асинхронном генераторе, содержащем ротор с короткозамкнутой обмоткой и статор, выполненный в виде сердечника с Z зубцами с размещенной в пазах обмоткой, а также конденсаторы возбуждения, согласно изобретению обмотка статора выполнена в виде Z стержней, замкнутых с одной стороны короткозамыкающим кольцом. При этом генератор содержит дополнительный магнитопровод с пазами, в которых размещены трехфазная обмотка и электропроводные стержни, соединенные с одной стороны с Z стержнями обмотки статора, а с другой - замкнуты вторым короткозамыкающим кольцом, образуя Z-фазную обмотку. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области специальных электрических машин, а именно к конструкции асинхронных генераторов (АГ) с самовозбуждением, используемых в установках автономного электроснабжения.

Известен АГ с самовозбуждением, содержащий ротор с короткозамкнутой обмоткой и расположенный через рабочий зазор статор, выполненный в виде сердечника с Z зубцами с размещенной в пазах обмоткой статора, к которой подключена нагрузка, а также конденсаторы возбуждения [1, с.590-592].

Известные конструкции АГ обладают общеизвестными и несомненными достоинствами: простотой и высокой надежностью, невысокой стоимостью, малой чувствительностью к короткому замыканию и т.д. В силу этого АГ находят все более широкое применение в качестве генерирующих устройств для возобновляемых источников электроэнергии, для питания бортовых сетей мобильных объектов и др. Современная тенденция развития электроэнергетики предполагает, что в этих сферах для питания автономных электроприемников мощностью до 400 кВт наиболее целесообразно применение АГ вместо синхронных генераторов.

Однако традиционные АГ обладают недостатками, ограничивающими их применение. К ним относятся: статистический характер возбуждения АГ, зависящий от случайных факторов, возбуждение АГ преимущественно при скоростях, равных или превышающих синхронную, необходимость иметь посторонний источник реактивной мощности (обычно батарея конденсаторов), необходимый для создания реактивных токов для намагничивания машины, а также покрывающий потребности в реактивной мощности со стороны нагрузки, если последняя носит активно-индуктивный характер. При этом мощность конденсаторов в схеме AГ с самовозбуждением должна быть достаточно большой (примерно равной активной мощности AГ) [1]. Еще одним недостатком известных конструкций АГ является их недостаточная надежность в условиях работы генераторных установок с экстремальными условиями окружающей среды, например, с высокой влажностью (или просто водная среда) и температурой (свыше 120°С), которые характерны для энергогенерирующих установок автономных объектов малой мощности, например, микроГЭС, бензоэлектростанции и др.

Также известен асинхронный генератор с самовозбуждением, содержащий ротор с короткозамкнутой обмоткой и расположенный через рабочий зазор статор, выполненный в виде сердечника с Z зубцами с размещенной в пазах обмоткой статора, снабженный постоянными магнитами, расположенными в магнитной цепи генератора, а также конденсаторы возбуждения, описанный в [2] и принятый в качестве прототипа. Этот АГ, названный его авторами как асинхронный генератор с гарантированным самовозбуждением (АГГС) [3], устраняет статистический характер возбуждения, характерный для обычного АГ, а также обеспечивает гарантированное возбуждение при низких скоростях вращения ротора и имеет относительно меньшую реактивную мощность конденсаторов по сравнению с традиционными конструкциями АГ. Однако, как и обычные асинхронные генераторы [1], АГГС [2] также имеет недостаточно высокую надежность при работе с вышеназванными экстремальными условиями окружающей среды. Это объясняется присутствием в АГ и АГГС проводниковой изоляции обмотки статора, которая не рассчитана на работу в этих условиях. Достаточно высокое значение межфазного напряжения обмотки статора (линейное напряжение 380 В), под которое попадают проводники разных фаз, размещенных в одном пазу или в одном месте лобовой части обмотки, может также привести к отказу в работе АГ и АГГС в этих условиях. Усиление изоляции в машинах, работающих в этих условиях, или принятие других специальных мер приводит к значительному уменьшению коэффициента заполнения проводниками пазов статора и тем самым к существенному уменьшению удельной мощности этих машин. Этот фактор вступает в противоречие с требованием уменьшения массы и габаритов и увеличения удельной мощности генераторов, работающих в автономных объектах с экстремальными условиями окружающей среды.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения и повышение энергетических характеристик и надежности асинхронных генераторов, работающих в энергогенерирующих установках автономных объектов с экстремальными условиями окружающей среды,

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является надежная работа АГ в химически агрессивных, радиационных и взрывоопасных газообразных и жидких средах при высоких давлениях (до 100 МПа) и температуре (до 600°С), а также существенное увеличение удельной мощности АГ и, следовательно, снижение массогабаритных показателей этих машин, работающих в автономных объектах энергогенерирующих установок.

Поставленная задача решается за счет того, что в асинхронном генераторе, как и в АГГС [2], содержащем ротор с короткозамкнутой обмоткой и расположенный через рабочий зазор статор, выполненный в виде сердечника с Z зубцами с размещенной в пазах обмоткой статора, а также конденсаторы возбуждения, в отличие от прототипа обмотка статора выполнена в виде Z стержней, замкнутых с одной стороны короткозамыкающим (КЗ) кольцом, генератор содержит дополнительный магнитопровод с пазами, в которых размещены изолированные проводники трехфазной обмотки и электропроводные стержни, соединенные с одной стороны с Z стержнями обмотки статора, а с другой замкнуты вторым кз-кольцом, образуя Z-фазную обмотку АГ.

При этом дополнительный магнитопровод выполнен из коаксиально расположенных цилиндрических зубчатых сердечников, примыкающих зубцами друг к другу, с пазами, в одних из которых расположены электропроводные стержни, а в других - проводники трехфазной обмотки. Ротор асинхронного генератора снабжен постоянными магнитами, которые размещены равномерно по зубцам ротора заподлицо с его поверхностью, образуя чередующиеся полюса, причем число зубцов ротора кратно числу постоянных магнитов. Статор и ротор асинхронного генератора могут быть расположены внутри герметичного объекта и отделены от дополнительного магнитопровода герметичной перегородкой, причем стержни обмотки статора и электропроводные стержни, расположенные в дополнительном магнитопроводе, образующие Z-фазную обмотку, электрически соединены через гермовводы, расположенные в герметичной перегородке. Наконец конденсаторы возбуждения, как и трехфазная нагрузка, подключены к фазам трехфазной обмотки, размещенной в дополнительном магнитопроводе.

Выполнение АГ в соответствии с вышеназванными основными признаками расширяет возможные области применения, а также повышает энергетические характеристики и надежность заявляемой конструкции за счет отсутствия проводниковой и пазовой изоляции не только в роторе, но и в статоре АГ.

Признаки, касающиеся того, что:

- дополнительный магнитопровод выполнен из коаксиально расположенных цилиндрических зубчатых сердечников, примыкающих зубцами друг к другу, с пазами, в одних из которых расположены электропроводные стержни, а в других - проводники трехфазной обмотки;

- постоянные магниты, которые размещены равномерно по зубцам ротора заподлицо с его поверхностью, образуя чередующиеся полюса, причем число зубцов ротора кратно числу постоянных магнитов;

- в асинхронном генераторе ротор и статор могут быть расположены внутри герметичного объекта и отделены от дополнительного магнитопровода герметичной перегородкой, причем стержни обмотки статора и электропроводные стержни, расположенные в дополнительном магнитопроводе, образующие Z-фазную обмотку, электрически соединены через гермовводы, расположенные в герметичной перегородке;

- конденсаторы возбуждения включены в фазы трехфазной обмотки, размещенной в дополнительном магнитопроводе - развивают общие признаки и поэтому являются частными.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез асинхронного генератора. На фиг.2 представлена схема включения АГ. На фиг.3 показан вариант конструкции асинхронного генератора в составе с микроГЭС.

Асинхронный генератор (фиг.1) содержит собственно генераторную часть 1, которая может быть расположена непосредственно в герметичном объекте с экстремальными условиями окружающей среды (на фиг.1 сам герметичный объект не показан), и дополнительный магнитопровод 2 с обмотками, размещенный в обычной среде. АГ содержит статор 3, в Z пазах которого расположены стержни 4, замкнутые в торцевой части со стороны выходного вала 5 АГ короткозамыкающим кз-кольцом 6, образуя Z-фазную стержневую обмотку статора. Ротор 7 АГ содержит кз-обмотку 8 и зубчатый сердечник 9, в зубцах которого размещены постоянные магниты 10, например, в форме параллелепипеда. Постоянные магниты 10 размещены равномерно по зубцам сердечника 9 заподлицо с рабочей поверхностью ротора 7, образуя чередующиеся полюса, причем число зубцов ротора кратно числу постоянных магнитов. Дополнительный магнитопровод 2 может быть выполнен из коаксиально расположенных цилиндрических зубчатых сердечников 11 и 12, примыкающих зубцами друг к другу, с Z пазами, в одних из которых соответственно расположены электропроводные стержни 13, а в других - проводники трехфазной обмотки 14. Электропроводные стержни 13 в торцевой части замкнуты кз-кольцом 15, а другие концы стержней электрически соединены через электрические гермовводы 16 со стержнями 4 обмотки статора, образуя Z-фазную обмотку АГ. Гермовводы 16 расположены равномерно по окружности и проходят через герметичную перегородку 17, разделяющую собственно генераторную часть 1 и дополнительный магнитопровод 2 с обмотками.

Из схемы на фиг.2 видно, что конденсаторы возбуждения 18 подключены по схеме “звезда” к трем фазам обмотки 14 дополнительного магнитопровода 2. Ротор АГ вращается от приводного двигателя 19. Трехфазная нагрузка 20 получает питание от трехфазной обмотки 14 AT через трехполюсный выключатель 21.

На фиг.3 представлен один из вариантов конструкций предлагаемого АГ в составе микроГЭС. Из фиг.3 видно, что собственно генераторная часть 1, входящая в АГ, получает вращение ротора от рабочего пропеллерного колеса турбины 22 под действием потока воды, проходящей через входной 23 и выпускной 24 патрубки микроГЭС. При этом генераторная часть АГ находится в корпусе 25 микроГЭС, т.е. в водной среде, а дополнительный магнитопровод 2 с обмотками, отделенный от АГ герметичной фланцем-перегородкой 17, расположен в обычной воздушной среде.

Перегородка 17 может быть частью корпуса самого герметичного объекта (фиг.1) либо может быть частью фланца корпуса генераторной части АГ, герметично закрывающего люк в корпусе герметичного объекта (фиг.3).

АГ работает следующим образом. При вращении ротора 7 АГ от приводного двигателя его постоянные магниты 10, образуя чередующиеся полюса с числом, равным числу полюсов статора 3, наводят в стержнях 4 Z-фазной обмотки статора Z-фазную симметричную систему ЭДС. Эти ЭДС вызывают протекание Z-фазных симметричных токов, которые проходят через соединенные со стержнями 4 обмотки статора электропроводные стержни 13, расположенные в дополнительном магнитопроводе 2 и замкнутые короткозамыкающим кольцом 15. При этом в дополнительном магнитопроводе 2 образуется круговое вращающееся магнитное поле с тем же числом полюсов, что и в обмотке статора АГ. Это поле индуктирует во вторичной трехфазной обмотке 14 симметричную трехфазную ЭДС и вызывает появление токов как в самой обмотке 14, так и реактивных токов конденсаторов 18, подключенных к вторичной обмотке 14 (фиг.2). Реактивные токи конденсаторов служат источником дополнительной реактивной мощности, которая, складываясь с реактивной мощностью от вращающегося магнитного поля постоянных магнитов, обеспечивает самовозбуждение магнитного поля в АГ. Тем самым обеспечивается возбуждение АГ и отдача активной мощности трехфазной нагрузке 20, подключенной к вторичной трехфазной обмотке 14.

Наличие постоянных магнитов 10 в роторе заявляемого АГ, как и в прототипе [2], обеспечивает компенсирование части реактивной мощности, необходимой для возбуждения АГ, и, следовательно, уменьшение требуемой емкости конденсаторов возбуждения по сравнению с обычным AГ [1]. Однако как обычный АГ, так и АГГС [2], имеет проводниковую и пазовую изоляцию обмотки статора и, следовательно, ограничен в использовании в вышеназванных экстремальных условиях окружающей среды, для работы в которых и предназначена предлагаемая конструкция АГ.

Вышеописанная конструкция АГ по существу представляет агрегат из двух электрических машин, который можно назвать генераторно-трансформаторным агрегатом (ГТА) (разновидность машинно-трансформаторных агрегатов, рассмотренных в [4]), соединенных своими неизолированными стержневыми Z-фазными обмотками 4 и 13 через электрические гермовводы 16. Одна электрическая машина (в правой части от перегородки 17 на фиг.1) представляет собой собственно генераторную часть 1 ГТА с короткозамкнутым ротором 7, снабженным постоянными магнитами 10 и статором 3 с вышеупомянутой Z-фазной обмоткой 4. Вторая электрическая машина ГТА - дополнительный магнитопровод 2 с обмотками (в левой части от перегородки 17 на фиг.1) - является по сути трансформатором-преобразователем напряжения и числа фаз (ТНФ) с вращающимся магнитным полем. При вращении ротора и самовозбуждении ГТА в его генераторной части 1 происходит возникновение симметричной системы Z-фазных ЭДС в обмотке статора 4, которые передаются на Z-фазную стержневую обмотку 13, являющуюся первичной обмоткой ТНФ. ЭДС первичной Z-фазной обмотки ТНФ имеет достаточно низкую величину (порядка нескольких вольт) и трансформируются в симметричные ЭДС трехфазной вторичной обмотки ТНФ до своего номинального значения (220/380 В). Таким образом, в ТНФ происходит трансформация напряжения (в сторону увеличения) и числа фаз (в сторону уменьшения с Z до 3-х).

Следует отметить, что рассматриваемая конструкция АГ, как и АГГС [2] (в отличие от обычного АГ [1]), за счет постоянных магнитов с чередующейся полярностью на вращающемся роторе образует выходное напряжение на вторичной обмотке ТНФ и генерирует активную мощность при любой, даже очень малой скорости вращения ротора. При этом частота напряжения и тока при возбуждении АГ задается скоростью вращения ротора, как это имеет место для синхронных генераторов. В то же время в формировании напряжения и частоты АГ участвуют параметры роторно-статорной цепи АГ и цепи ТНФ: т.е. активно-индуктивные параметры их обмоток и емкость возбуждающих конденсаторов. Таким образом, данный АГ получает комбинированное возбуждение от постоянных магнитов и конденсаторов. Для уменьшения емкости конденсаторов последние подключаются к вторичной трехфазной обмотке ТНФ. При этом обеспечивается безусловное самовозбуждение АГ в широком диапазоне скоростей его вращения, т.е. полностью исключается статистический характер возбуждения в отличие от обычного АГ [1] с самовозбуждением. В рассматриваемой конструкции относительная мощность возбуждения может варьироваться в пределах от несколько процентов от мощности АГ до оптимальной величины, значение которой, зависящее от ряда конструктивных факторов, определено расчетно-экспериментальным путем и является ноу-хау предлагаемого изобретения.

В предлагаемом АГ в силу особенностей его конструкции, базирующейся на конструкциях активных частей традиционных электрических машин, обеспечивается максимальная унификация деталей и сборочных единиц, а также возможность компоновки АГ из съемных и взаимозаменяемых машин и создания отрезка серии АГ на базе серийно выпускаемых асинхронных двигателей серий 4А, АИР, 5Р и др. Это позволяет снизить трудоемкость изготовления подобных АГ до уровня серийных машин и повысить ремонтопригодность таких агрегатов.

Предлагаемая конструкция АГ в зоне преобразования механической энергии в электрическую, т.е. в собственно генераторной части, не имеет проводниковой

и пазовой изоляции обмоток. Это обстоятельство дает возможность размещать генераторную часть АГ в объектах с экстремальными параметрами окружающей среды (высокие температура, давление, влажность, взрывоопасные среды, ионизирующие излучения). В этом случае трансформаторная часть АГ, т.е. ТНФ, расположенная в обычной среде, отделена от генераторной части герметичной перегородкой 17 с гермовводами 16, соединяющими стержневую обмотку 4 статора 3 АГ и первичную стержневую обмотку 13 ТНФ.

Поскольку генераторная часть 1 АГ не имеет проводниковой и пазовой изоляции статорной обмотки, а сама обмотка выполняется не всыпной, а стержневой, то это позволяет довести коэффициент заполнения пазов статора проводниковым материалом до 1 и тем самым поднять КПД и существенно увеличить удельную мощность генераторной части, расположенной в герметичном объекте. Последнее обстоятельство часто бывает определяющим при конструировании генерирующих установок, работающих в автономных объектах с экстремальными условиями окружающей среды.

Вышеназванные особенности конструкции АГ могут обеспечить часто возникающую необходимость размещения в области объектов с экстремальными параметрами движущихся сред (парогазовых, газоплазменных, термальных и др.), высоконадежных генерирующих устройств с минимально возможными габаритами и массой.

Таким образом, новая конструкция асинхронного генератора повышает надежность работы и расширяет области применения генерирующих установок с возможностью его использования в перечисленных выше сферах.

Источники информации

1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974.

2. Алиев И.И., Беспалов В.Я., Клоков Ю.Б. Асинхронный генератор. Свидетельство РФ на полезную модель №1742. // Опубл. 16.07.96. Бюл. №7.

3. Алиев И.И. Беспалов В.Я., Клоков Ю.Б. Асинхронный генератор с гарантированным самовозбуждением // Электричество. 1997. №7.

4. Свечарник Д.В., Забора И.Г. Машинно-трансформаторный агрегат // Электротехника. 1998, №9.

1. Асинхронный генератор, содержащий ротор с короткозамкнутой обмоткой и расположенный через рабочий зазор статор, выполненный в виде сердечника с Z зубцами, с размещенной в пазах обмоткой статора, а также конденсатора возбуждения, отличающийся тем, что обмотка статора выполнена в виде Z стержней, замкнутых с одной стороны короткозамыкающим кольцом, генератор содержит дополнительный магнитопровод с пазами, в которых размещены изолированные проводники трехфазной обмотки и электропроводные стержни, соединенные с одной стороны с Z стержнями обмотки статора, а с другой замкнуты вторым кольцом, образуя Z-фазную обмотку.

2. Асинхронный генератор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный магнитопровод выполнен из коаксиально расположенных цилиндрических зубчатых сердечников, примыкающих зубцами друг к другу, с пазами, в одних из которых расположены электропроводные стержни, а в других - проводники трехфазной обмотки.

3. Асинхронный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что ротор снабжен постоянными магнитами, которые размещены равномерно по зубцам ротора заподлицо с его поверхностью, образуя чередующиеся полюса, причем число зубцов ротора кратно числу постоянных магнитов.

4. Асинхронный генератор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что ротор и статор отделены от дополнительного магнитопровода герметичной перегородкой, причем стержни обмотки статора и электропроводные стержни, расположенные в дополнительном магнитопроводе, образующие Z-фазную обмотку, электрически соединены через гермовводы, расположенные в герметичной перегородке.

5. Генератор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что конденсаторы возбуждения включены в фазы трехфазной обмотки.