асинхронный двухчастотный генератор

Формула изобретения

Асинхронная двухчастотная электрическая машина с короткозамкнутым ротором и двумя совмещенными в общем сердечнике статора трехфазными обмотками с числами пар полюсов p₁ и р ₂, в которых наводятся ЭДС частотой f₁ и f₂ соответственно, имеющие клеммы для присоединения внешних электрических цепей, включая электроприемники, при этом параллельно обмотке с числом пар полюсов p ₂ присоединен трехфазный конденсатор возбуждения, отличающаяся тем, что имеет двигатель как источник механической мощности, приводящий во вращение вал машины, и дополнительный трехфазный конденсатор возбуждения, присоединенный параллельно обмотке с числом пар полюсов p₁.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрическим машинам (электромеханике), а более конкретно к автономным асинхронным генераторам.

Современная промышленность выпускает электрифицированный инструмент и электроприборы на различную частоту тока. На фермерских подворьях, удаленных пастбищах и в других условиях одновременно могут быть востребованы электроинструменты и приборы на частоту 50 и 200 Гц. Типовым решением задачи электрификации в таких условиях является применение электрического генератора на частоту тока 50 Гц и преобразователя частоты с 50 на 200 Гц. При этом известны другие варианты решения задачи.

Известен двухчастотный генератор [а.с. 413582 (СССР), Н02k 19/06, Н02k 19/34, Н02k 19/22. Синхронный двухчастотный бесконтактный генератор / Л.М.Паластин, Л.Б.Серебряник. Опубл. Б.И. 1974, №4], достоинством которого является генерирование электрической энергии одновременно в виде двух систем переменного тока различной частоты. Недостатком такого генератора является сложность конструкции, вызванная совмещением в одном корпусе двух электрических машин с двумя различными числами полюсов нетрадиционной конструкции и невозможность использования при изготовлении такого генератора наиболее распространенных, недорогих и надежных асинхронных короткозамкнутых машин.

В качестве генераторов трехфазного тока в автономных электроустановках малой мощности находят применение асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением (Радин В.И., Винокуров В.А, Аскерко B.C. Применение асинхронных генераторов как автономных источников переменного тока. - Электротехника, 1967, №8, с.17-20). Их недостатком является генерирование электроэнергии только одной частоты и нестабильное напряжение генератора при изменяющейся нагрузке. При необходимости изменения частоты тока необходимо изменить число полюсов трехфазной обмотки генератора или частоту вращения генератора, но и при изменившейся частоте тока генератор производит электроэнергию только одной частоты тока. При необходимости одновременного питания электроинструментов разных частот тока требуются преобразователи частоты.

Что касается нестабильности напряжения асинхронного генератора, то известны устройства (RU 2262182 С1, 7 Н02Р 9/46. Устройство для стабилизации напряжения асинхронного генератора / Григораш О.В. и др., 09.08.2004), решающие эту задачу за счет применения регулируемого устройства конденсаторного возбуждения, что дополнительно усложняет асинхронный генератор и в целом устройство электропитания.

Наиболее близким по техническому решению к заявленному устройству является бесконтактный асинхронный одномашинный преобразователь частоты с конденсаторным самовозбуждением, описанный в кн. (Попов В.И. Электромашинные совмещенные преобразователи частоты. - М.: Энергия, 1980. - 176 с., с.34, рис.1-17). Преобразователь предложен в США и исследован в России [Шагинян Г.А. Одномашинные бесконтактные преобразователи частоты с конденсаторным самовозбуждением: Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук / ГПИ - Горький, 1967]. Этот преобразователь принят нами за прототип заявленного устройства.

Преобразователь изготовлен на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя и представляет собой совмещенные в общем магнитопроводе две асинхронные машины: 2p ₁ - полюсный двигатель и 2р₂ - полюсный генератор с конденсаторным самовозбуждением, трехфазные статорные обмотки которых расположены в общих пазах сердечника статора. Ротор - короткозамкнутый, традиционной конструкции, типа беличья клетка, общий для двигателя и генератора. Параллельно выходной статорной обмотке генератора с числом полюсов 2р ₂ подключается трехфазный конденсатор возбуждения.

Работа электрической машины с двумя совмещенными на статоре обмотками возможна, если выполняются условия совмещения, одним из которых является отсутствие взаимной индуктивности между совмещаемыми обмотками. Такие обмотки известны из литературы по совмещенным электрическим машинам. В указанном литературном источнике (кн. Попова В.И., с.35) содержатся сведения о номинальных данных образца бесконтактного одномашинного преобразователя частоты с частотами f₁=50 Гц (p₁=1) и f₂=200 Гц (р₂=4), синхронной частотой вращения 3000 об/мин.

Достоинством машины является то, что в ней применяются токи двух разных частот f₁ и f₂, соотносящихся как f₁:f₂=p ₁:p₂, к электрическим цепям этой машины могут быть подключены соответствующие электроприемники.

Недостатками машины являются:

- преобразователь частоты нуждается в источнике электроэнергии первичной частоты (50 Гц), что в автономных электроустановках требует применения соответствующего генератора. Наличие такого генератора усложняет электроустановку;

- преобразование энергии осуществляется при низком КПД, поскольку предполагает многократное ее преобразование: из механической в электрическую в первичном генераторе; из электрической в механическую в двигателе преобразователя частоты; из механической в электрическую в генераторе преобразователя частоты.

Технической задачей является упрощение источника электроэнергии в автономных электроустановках с двумя частотами тока и снижение потерь энергии в таком источнике.

Решение задачи достигается тем, что асинхронная двухчастотная электрическая машина с короткозамкнутым ротором и двумя совмещенными в общем сердечнике статора трехфазными обмотками с числами пар полюсов p₁ и р₂, в которых наводятся ЭДС частотой f₁ и f ₂ соответственно, имеющие клеммы для присоединения внешних электрических цепей, включая электроприемники, при этом параллельно обмотке с числом пар полюсов р₂ присоединен трехфазный конденсатор возбуждения, имеет двигатель как источник механической мощности, приводящий во вращение вал машины, и дополнительный трехфазный конденсатор возбуждения, присоединенный параллельно обмотке с числом пар полюсов p₁.

Техническая новизна предложенной электрической машины заключается в изменении цикла преобразования энергии в электроустановке при сокращении числа ступеней преобразований энергии. В машине осуществляется процесс преобразования механической энергии в электрическую с двумя частотами. При этом в сравнении с прототипом электроустановка упрощается за счет исключения отдельного генератора на первичную частоту тока и возрастает КПД преобразования энергии.

Сущность предложенного генератора поясняется чертежом.

На статоре генератора в общих пазах расположены обмотки 1 с числом полюсов p₁ и 2, с числом полюсов p ₂, к выходным клеммам 3 и 4 подключены конденсаторы 5 и 6, а также электроприемники (не показаны). Ротор 7 короткозамкнутый, типа беличья клетка, приводится во вращение первичным двигателем 8, валы которых соединены муфтой 9. Первичный двигатель 8 является источником механической мощности; им может быть двигатель внутреннего сгорания, ветроколесо, гидротурбина и другие известные источники механической мощности.

При вращении ротора генератора 7 первичным двигателем 8 в обмотках статора 1 и 2 под действием остаточного поля ротора 7 наводится небольшая ЭДС. При соответствующем подборе конденсаторов 5 и 6 происходит процесс конденсаторного самовозбуждения, аналогичный самовозбуждению обычного асинхронного генератора, и в обмотках 1 и 2 наводится ЭДС. При этом частота ЭДС в обмотке 1 определяется ее числом пар полюсов p ₁ (f₁=p₁n, где n [c^-1] - частота вращения магнитного поля, близкая к частоте вращения ротора), а частота ЭДС в обмотке 2 определяется величиной р₂. Вследствие того что ротор общий, а числа пар полюсов p₁ и р₂ обмоток 1 и 2 различны, различна и частота в этих обмотках.

Упрощение источника электроэнергии автономной электроустановки и увеличение КПД позволяет улучшить эксплуатационные характеристики, в частности сократить расход топлива, расходы на обслуживание, повысить надежность, что позволяет расширить область применения таких установок в различных областях деятельности, включая сельскохозяйственное производство.