генератор с большим порядком фаз

Формула изобретения

1. Устройство для получения электрической мощности на основе механической, содержащее генератор (1) с ротором и статором для преобразования механической мощности в многофазный переменный ток (6), при этом

статор содержит сердечник с цилиндрическим отверстием, стержень статора имеет множество разнесенных между собой параллельных пазов, расположенных по оси вдоль стержня статора и открытых со стороны отверстия, причем в пазы статора заведено множество обмоточных стержней статора,

обмотки статора, образующие фазы многофазного переменного тока (6), соединены треугольником,

многофазный переменный ток (6) содержит более трех фаз, отличающееся тем, что оно также содержит статический частотный конвертер для преобразования многофазного переменного тока (6) в требуемый выходной переменный ток (7), выполненный в виде матричного конвертера (3), и что статор выполнен в виде многоугольного статора, в котором наружные выводы обмоток шунтированы, а входы матричного конвертера (3) соединены с концевыми выводами стержней, причем при наличии «к» пазов статора и многофазного выхода с m фаз каждый к/m-й концевой вывод обмоточных стержней или эвольвент соединен с образованием фазы многофазного выхода статора.

2. Устройство по п.1, в котором требуемый выходной переменный ток (7) имеет 3 или 6 (n) фаз, а многофазный переменный ток (6) имеет более 8 (m) фаз.

3. Устройство по п.2, в котором число (m) фаз многофазного переменного тока (6) является кратным трем.

4. Устройство по п.1, в котором многофазный переменный ток (6) содержит 9, 12, 18, 21 или 24 (m) фазы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каждом пазу статора расположен один или два обмоточных стержня статора.

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что в матричном конвертере (3) m фазы многофазного переменного тока (6) генератора (1) преобразуются в выходной переменный ток (7) с n (n<m) фазами (L1, L3) нагрузки посредством множества расположенных в (m×n) матрице, управляемых двунаправленных переключателей (4), в результате чего каждая из m фаз многофазного переменного тока (6) соединена с каждой из n фаз выходного переменного тока через, по меньшей мере, один двунаправленный переключатель (4).

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что двунаправленные переключатели (4) управляются контрольной системой, соединяющей соответствующим образом m входы с n выходами, причем первые средства для определения знака токов на входах и вторые средства для определения знаков напряжений расположены между входами, при этом первые и вторые средства находятся в активном соединении с контрольной системой.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что двунаправленные переключатели (4) соединены с контрольной системой через сигнальную линию, по которой информация о коммутационном состоянии переключателей поступает в контрольную систему.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что двунаправленные переключатели содержат подключенные встречно-параллельно тиристоры или соответственно расположенные IGBT, IGCT или GТО.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что матричный конвертер (3) встроен, по меньшей мере, частично в статор генератора.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что часть матричного конвертера (3), расположенного в статоре, находится в потоке используемого для охлаждения генератора хладагента.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число (m) фаз многофазного переменного тока (6) соответствует числу пазов статора.

13. Способ эксплуатации устройства по любому из предыдущих пунктов, содержащего матричный конвертер (3), в котором m фазы многофазного переменного тока (6) генератора (1) преобразуют в выходной переменный ток с n (n<m) фазами (L1, L3) нагрузки в результате поочередного соединения этих фаз через множество управляемых двунаправленных переключателей (4), расположенных в (m×n) матрице, при этом n фазы генератора (1) постоянно соединены с нагрузкой, причем (m-n) фазы генератора (1) с нагрузкой не соединены, отличающийся тем, что подключение выбранной соединенной фазы (G_k) к выбранной не соединенной фазе (G₁) генератора (1) производят при соблюдении условия:

I_k(V_k-V_l).K _ijkl<0,

где I_k и V_k - ток и напряжение выбранных соединенных фаз (G_k), V ₁ - напряжение выбранной, не соединенной фазы (G₁ ), K_ijkl - характеристическая постоянная взаимной индуктивности между фазами (G₁, G_m) генератора (1) и индуктивностью нагрузки.

14. Способ модификации соединенного в звезду статора, отличающийся тем, что статор содержит сердечник с выполненным в нем цилиндрическим отверстием, что сердечник статора содержит множество разнесенных параллельных пазов, расположенных по оси вдоль сердечника статора и открытых со стороны отверстия, причем в пазы статора заведено множество обмоточных стержней статора, включающий в себя следующие операции:

шунтирование наружных выводов обмоток статора,

применение концевых выводов обмоточных стержней в качестве многофазного выхода статора.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что статический частотный конвертер, предпочтительно матричный конвертер, непосредственно соединяют с концевыми выводами обмоточных стержней, предпочтительно в результате того, что комплекты двунаправленных переключателей непосредственно соединяют с концевыми выводами обмоточных стержней с образованием матричного конвертера.

16. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что статор содержит «к» пазов, что многофазный выход содержит m фаз, и что каждый к/m-й концевой вывод обмоточных стержней или эвольвент соединяют с образованием фазы многофазного выхода статора.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что удаляют кольца, охватывающие катушки и соединяющие их с соединительными клеммами, и что концы стержней, которые ранее были соединены с охватывающими кольцами, сваривают между собой.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к оборудованию для генераторов с большим порядком фаз. В частности, оно касается получения мощности с помощью синхронного генератора, вырабатывающего мощность через статический частотный конвертер и образующего отличную от сетевой частоту.

В частности, настоящее изобретение относится к устройству получения электрической мощности на основе механической, содержащему генератор для преобразования механической мощности в многофазный переменный ток и матричный конвертер для преобразования многофазного переменного тока в требуемый выходной переменный ток. Кроме того, изобретение относится к способу эксплуатации такого устройства.

В области генерации электроэнергии заданная исходная мощность определяется увеличением скорости вращения турбины в сочетании со снижением как ее размеров, так и стоимости. Кроме того, может быть повышена эффективность. Уже имеются генераторные турбины для выработки тока мощностью до 700 МВт, которые связаны с генераторами с помощью редукторных устройств для обеспечения эксплуатации при повышенных скоростях вращения турбины. Если исходная мощность увеличивается, то по причинам надежности возрастает сложность применения редукторных устройств. В таких случаях турбину эксплуатируют при синхронной скорости.

Альтернативу представляет собой применение статических частотных конвертеров (силовой полупроводниковой техники). В числе прочего при этом возможны следующие преимущества: снижение стоимости генератора в соответствии с постоянным произведением объема на скорость вращения, стандартизированные генераторы как с частотой 50 Гц, так и 60 Гц, регулируемая скорость, позволяющая восстанавливать эффективность неполной нагрузки на турбину, существенное снижение уровня шумов, аккуратное (свободное от масла) охлаждение и пр.

Применительно как к производству энергии, так и к приводам, снижение потерь в статических частотных конвертерах обеспечило бы существенное снижение затрат. Уменьшение потерь повлияло бы, прежде всего, на капитальные затраты, так как обычно затраты на охлаждение образуют существенную часть общей стоимости конвертера.

Существующие статические частотные конвертеры обеспечивают как преобразование «переменный ток/постоянный ток/переменный ток», так и непосредственное преобразование «переменный ток/переменный ток».

Косвенное преобразование (переменный ток/постоянный ток/переменный ток) осуществляется генерацией выпрямленного постоянного тока или выпрямленного постоянного напряжения трехфазного источника (это: сеть в случае применения двигателей и генератор в случае производства электроэнергии). Затем постоянный ток или постоянное напряжение снова преобразуют в переменный ток с применением инвертора. Индуктивное сопротивление (трансформатор тока) или конденсаторный банк (трансформатор напряжения) соединены с промежуточной электрической цепью для снижения пульсирующих составляющих тока (ripples) или пиков (spikes).

В настоящее время в крупных конвертерах используются тиристоры. Если возможна естественная коммутация тиристоров, то потери в конвертерах снижаются. В конвертерах напряжения применяются GТО с присущими им большими коммутационными потерями, а также IGBT или IGCT. Проектная мощность отдельных компонентов составляет менее проектной мощности тиристоров и соответственно для удельного напряжения и удельного тока требуется большее число компонентов. Применение устройств импульсной модуляции в конвертерах напряжения может оказаться эффективным, так как они улучшают форму кривых напряжения и уменьшают гармонические составляющие. Чем выше частота переключения, тем лучше эффект несмотря на потери и диэлектрическую усталость. Электрический ток может генерироваться по существу синусоидально, благодаря чему можно предупредить снижение нагрузки на мощность электрической машины.

Прямое преобразование (переменный ток/переменный ток) возможно, например, при использовании так называемых циклических конвертеров. Прямое преобразование, с точки зрения электрических машин, обеспечивает существенные преимущества, так как ток представляет собой скорее синусоидальную волну, чем прерывистый постоянный ток. Это снижает потери, дополнительно образующиеся в электрической машине, а также препятствует пульсирующим закручиваниям.

Однако применение циклических конвертеров с тремя фазами ограничивается возможным диапазоном частот от 0 до 1/3 от входной частоты. Трехфазный циклический конвертер состоит из трех циклических конвертеров с отдельными фазами, причем при уравновешенном режиме работы каждый такой конвертер преобразует одну треть мощности. Превышение предельной одной трети в соотношении частот вызывает сильное нарушение уравновешенного режима работы. В этом случае каждый циклический конвертер с отдельными фазами необходимо рассчитывать более чем на 1/3 полной мощности. Расчет параметров с запасом может достигать коэффициента 3 при проектировании мощности. Другая возможность прямого преобразования обеспечивается так называемым матричным конвертером, в котором каждая фаза многофазного источника (генератора или сети) соединена или может быть соединена с каждой фазой многофазной нагрузки (сети, пассивной нагрузки, двигателя и пр.) через двунаправленный переключатель. Переключатели состоят из соответствующего количества тиристоров, что необходимо для противодействия дифференциальным напряжениям между фазами и фазными токами и для обеспечения перемены направления тока. Они могут рассматриваться как действительно двунаправленные компоненты, позволяющие предусмотреть одновременно дополнительные кабельные соединения такие, как монтажные элементы (snubbers), или питание током для ведущих импульсов для встречно-параллельных компонентов.

Переключатели расположены в (m×n) матрице при m фаз в источнике и n фаз в нагрузке. Это обеспечивает возможность выбора при установлении любого требуемого соединения между входными и выходными фазами. Однако одновременно с этим присутствует и недостаток, заключающийся в том, что некоторые коммутационные состояния матрицы являются нежелательными, так как в противном случае может произойти, например, короткое замыкание. Кроме того, желательно, чтобы переключение с одной фазы на другую сопровождалось по возможности минимальными коммутационными потерями.

В US A 5594636 описаны матричный конвертер и способ его применения, при котором переключение между фазами проводится частично в виде естественного переключения и в виде искусственного переключения в том случае, когда естественное не представляется возможным. И хотя при таком выборе коммутационные потери снижаются при естественном переключении, тем не менее, коммутационные потери, вызываемые искусственным переключением, сохраняются. Кроме того, возможное искусственное переключение в любом положении матрицы делает необходимым наличие компонентов, которые способны отключаться. Это существенно повышает коммутационные затраты.

Тем не менее, возможно эксплуатировать матричный конвертер таким образом, чтобы применялись только естественные коммутации. Это может быть достигнуто за счет того, что переключение с одной выбранной присоединенной фазы генератора на другую выбранную, не присоединенную фазу генератора разрешается только в том случае, когда соблюдены определенные условия. Такой матричный конвертер и его режим работы раскрыты в DE 10051222 А1 и в соответствующей европейской заявке ЕР-А-1199794. И хотя такая концепция матричного конвертера и его режима работы характеризуется высокой эффективностью и универсальностью, однако в некоторых случаях применения она имеет недостатки, проявляющиеся в гармоническом искажении и возможных соотношениях частот.

В основу настоящего изобретения положена задача создания усовершенствованного устройства получения электрической мощности на основе механической, содержащего генератор с ротором и статором для преобразования механической мощности в многофазный переменный ток, предпочтительно содержащего статический частотный конвертер, такой, например, как матричный конвертер, для преобразования многофазного переменного тока в требуемый выходной переменный ток, а также усовершенствование режима работы такого устройства.

Указанная задача решается изобретением в результате того, что предложена компоновка генератора, в которой статор содержит сердечник с выполненным в нем цилиндрическим отверстием, при этом этот сердечник статора содержит множество параллельных, разнесенных между собой пазов, расположенных по оси вдоль сердечника статора и являющихся открытыми со стороны отверстия статора, причем в пазах статора размещено множество обмоточных стержней. В таком статоре обмотки соединены таким образом, что фазы многофазного переменного тока соединены треугольником и многофазный переменный ток имеет более трех фаз.

Отличительный признак изобретения состоит в том, что благодаря применению так называемого генератора с большим порядком фаз и благодаря большому количеству фаз многофазного переменного тока гармонические искажения могут быть существенно уменьшены. Поскольку обмотки выполнены из стержней, то компоновка получается простой и надежной, так как точки соединения исходных фаз статора могут выбираться на концевых выводах обмоточных стержней на обеих сторонах статора. Основными аргументами, которые следует принимать во внимание при оптимизации количества фаз многофазного выходного тока, являются:

- предпочтительно количество фаз составляет кратное трем, в противном случае токи и напряжения будут постоянно не уравновешенными,

- большое количество фаз многофазного переменного тока ведет к большой частоте коммутаций,

- большая частота коммутаций снижает гармоническое искажение,

- вследствие длительности коммутаций их частота остается ограниченной,

- общее количество переключателей пропорционально количеству фаз. От этого зависит общая стоимость конвертера,

- большое количество фаз означает очень низкий рабочий цикл источника «m» фаз. В этом случае эффективность генератора является довольно низкой, а его стоимость довольно высокой.

В соответствии с этим известное из уровня техники применение 6 фаз многофазного переменного тока (но при условии соединения в звезду), который может быть легко получен (трансформатором с двойной обмоткой, 6-фазным генератором), часто является удовлетворительным. Если же требуется уменьшить гармонические искажения, то очевидно эффективным является повышенное количество фаз. Описываемое здесь решение предусматривает ответвление стержневых обмоток от соединенных в треугольник фаз и ставит своей целью обеспечить эффективность за счет того, что повышается количество фаз, например, до 18, 24, 36 и более. В действительности решение является приемлемым при любом количестве фаз, соответствующих количеству пазов или даже количеству стержней.

Обычно генераторы переменного тока соединены в звезду. Однако для генераторов с большим порядком фаз и состоящей из стержней обмоткой оказывается эффективным применение соединения обмоток статора в треугольник. Соединенный треугольником статор автоматически предполагает наличие так называемой многоугольной обмотки статора. При многоугольной обмотке статора отдельные обмотки соединены соответствующим образом последовательно, при этом последовательно расположенные точки соединения стержней образуют m вершины или эвольвенты, причем теоретически может задаваться обмотка с m фазами, подключенная к входу предпочтительно матричного конвертера. В соответствии с этим становится возможной модификация стандартных статоров генераторов для обеспечения эксплуатации согласно изобретению. Это может быть достигнуто в результате того, что производится шунтирование наружных выводов обмоток, а входы матричного конвертера соединяют с концевыми выводами стержней. Для переоборудования трехфазного, соединенного в звезду статора в многофазный, соединенный треугольником или многоугольный статор необходимо удалить охватывающие кольца, соединяющие обмотки с соединительными клеммами, и сварить между собой концы стержней, которые были соединены с охватывающими кольцами. Обмотка статора становится полностью симметричной и образует единую замкнутую катушку.

При генерации мощности требуемый выход переменного тока на выходе конвертера имеет обычно 1, 2, 3 или 6 фаз. Согласно изобретению многофазный статор генератора имеет предпочтительно более 8 фаз, причем число фаз многофазного статора является предпочтительно кратным трем. Предпочтительно, чтобы многофазный статор содержал 9, 12, 15, 18, 21 или 24 фазы. Однако возможно также большее число фаз, например 36, 54 или 108, которые хотя и увеличивают количество необходимых коммутирующих элементов в матричном конвертере, зато снижают гармонические искажения и повышают универсальность в отношении соотношения частот. В принципе число фаз многофазного статора может даже быть равным числу пазов статора.

Согласно другому варианту выполнения в матричном конвертере m фазы многофазного переменного тока генератора преобразуются в выходной переменный ток с n (n<m) фазами сети или нагрузки с помощью большого количества управляемых двунаправленных переключателей, расположенных в (m×n) матрице, в результате чего каждая из m фаз многофазного переменного тока соединяется с каждой из n фаз выходного переменного тока, по меньшей мере, через один двунаправленный переключатель. В таком случае двунаправленные переключатели управляются обычно контрольной системой, причем эта система соединяет соответствующим способом m входы с n выходами, при этом первые средства для определения знака токов на входах и вторые средства для определения знака напряжений располагаются между входами, причем первые и вторые средства активно соединены с контрольной системой. Двунаправленные переключатели соединены с контрольной системой, как обычно, через сигнальную линию, посредством которой в контрольную систему передается информация о коммутационном состоянии переключателей. Двунаправленные переключатели могут содержать подключенные встречно-параллельно тиристоры.

В частности, в случае большого количества фаз многофазного переменного тока генератора оказывается целесообразным встраивание силовой полупроводниковой техники в статор. В соответствии с этим в статор генератора может быть встроен, по меньшей мере, частично матричный конвертер или же установлен непосредственно возле генератора. Предпочтительно, чтобы встроенная в статор часть матричного конвертера даже находилась в потоке используемого для охлаждения генератора хладагента.

Также изобретение относится к способу эксплуатации описанного выше устройства, т.е. генератора с m фазами, питающего сеть/нагрузку с n фазами. Устройство содержит матричный конвертер, в котором m фазы многофазного переменного тока генератора в результате их альтернативного подключения через множество управляемых двунаправленных, расположенных в (m×n) матрице переключателей преобразуются в переменный ток с n (n<m) фазами и проводится эксплуатация, при которой n фазы генератора постоянно соединены с нагрузкой, при этом (m-n) фазы генератора с нагрузкой не соединены. Устройство отличается тем, что переключение с одной выбранной соединенной фазы генератора на его другую выбранную, не соединенную фазу производится только в том случае, когда соблюдаются условия, приведенные в документе DE 10051222 А1 и в соответствующей европейской заявке ЕР-А-1199794.

Что касается режима работы матричного конвертера, входящего в состав устройства согласно изобретению, то содержащееся в этих обоих документах его описание специально включено в данный текст.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу модификации соединенного в звезду статора с малым порядком фаз. Способ отличается тем, что соединенный в звезду статор модифицируют с использованием следующих приемов:

- соединение наружных выводов обмотки статора,

- использование отдельных или всех стержневых выводов в качестве соединительных клемм многофазного статора,

причем этот статор содержит сердечник с цилиндрическим отверстием, а сам сердечник выполнен с множеством разнесенных между собой параллельных пазов, расположенных по оси вдоль сердечника статора и являющихся открытыми со стороны указанного отверстия, при этом в пазы статора заведено множество обмоточных стержней статора.

Предпочтительно, чтобы комплект переключателей, образующих матричный конвертер, был непосредственно соединен с выбранными выводами стержней. Если статор содержит «к» пазов статора, а многофазный статор - m фаз, то предпочтительно подключать каждую k/m-ую эвольвенту с образованием фазы соединительных клемм многофазного статора. Охватывающие кольца, соединяющие обмотки с соединительными клеммами, могут просто удаляться, а концы стержней, связанных с охватывающими кольцами, свариваться друг с другом.

Другие варианты выполнения настоящего изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

На чертежах представлены предпочтительные примеры выполнения изобретения, при этом изображено на:

фиг.1 - в схематическом виде генератор с матричным конвертером, известным из уровня техники;

фиг.2 - а) в схематическом виде генератор с большим порядком фаз, содержащий матричный конвертер согласно изобретению, и

b) тот же порядок установления соединений, но в другом изображении, представляющий многоугольный вариант;

фиг.3 а) схематически порядок установления соединений трехфазного статора с соединенными в звезду обмотками согласно уровню техники с 54 пазами; b) схематически порядок установления соединений статора с соединенными треугольником обмотками, включая комплект двунаправленных переключателей, непосредственно соединенных с эвольвентами; с) схематически вид в перспективе на концевой участок статора с двумя обмоточными стержнями в каждом пазу статора;

фиг.4 - расчетный спектр частот выходного переменного тока матричного конвертера 6-фазного генератора, т.е. многофазного переменного тока с 6 фазами (а) и 18-фазного генератора, т.е. многофазного переменного тока с 18 фазами (b).

На фиг.1 чертежей, предназначенных для иллюстрации приводимых примеров выполнения и отнюдь не для ограничения изобретения, показана компоновка генератора, в которой генератор 1 с шестью соединенными с помощью стержней (позиция 2) фазами G1-G6 соединен с матричным конвертером 3. Многофазный переменный ток 6 с шестью фазами (m=6) образует соответственно вход матричного конвертера 3. Каждая из этих фаз отдельно соединена через двунаправленный переключатель 4 с любой из трех фаз выходного переменного тока 7 (n=3). Такое расположение двунаправленных переключателей 4 создает 6×3 матрицу из переключателей или - в более общей формулировке - при m фаз многофазного переменного тока 6 и n фаз выходного переменного тока 7 матричный конвертер содержит матрицу m×n двунаправленных переключателей 4. Следовательно, в случае применения соответствующих средств управления становится возможным соединять в зависимости от требуемого исходного образца исходного переменного тока 7 в любой момент любую входную фазу с любой выходной фазой. Выходной переменный ток 7, как обычно, подается в сеть (фазы L1, L3) через трансформатор 5.

Показанный на фиг.1 матричный конвертер и предпочтительный режим работы такого матричного конвертера описаны в DE 10051222 A1 и соответствующей европейской заявке ЕР-А-1199794.

Для выполнения многочисленных требований, касающихся, например, гармонических искажений или соотношения частот, предпочтительно, чтобы применялось много фаз, т.е. значительно более 6. Однако большое число фаз может привести к плохому использованию как обмоток статора, так и силовых переключателей.

Имеется способ обхода проблемы такого плохого использования, состоящий в том, что в этом случае применяют многоугольный статор. При этом может быть просто получена многоугольная обмотка, наружные выводы которой соединяют между собой (коротко замыкают). Это возможно единственно на основании того, что применяется конструкция статора, в которой обмотки являются стержневыми, а эвольвенты, которые характерны для такой конструкции, служат для подключения переключателей. В этом случае эвольвенты принимают, например, вид, описанный в DE-A-3123800 или DE 2630171 или показанный на фиг.1b в US 5789840. В данном случае переключатели могут быть просто соединены с наружными участками эвольвент. В принципе число фаз может быть столь же велико, что и число пазов статора (т.е. несколько десятков). Если, например, в каждом из пазов статора расположено по два обмоточных стержня, то в принципе даже возможно иметь фазы в количестве, превышающем в два раза число пазов статора.

Однако при этом следует заметить, что возможно также применение и многофазного трансформатора, который при генерации мощности посредством генератора с большим порядком фаз соединяет, например, 6-фазный выход матричного конвертера с 3-фазной сетью или нагрузкой.

В нормальном случае применения 3-фазной сети, нагрузки или распределительной сети матричный конвертер мог бы содержать либо m×3 фазы, либо m×6 фазы. В случае применения 3-фазного соединения, т.е. матричного конвертера mx3, эффективная электромоторная сила снижается (обмоточный коэффициент уменьшается). Удельная выходная мощность легко уменьшается и генератор должен быть рассчитан на несколько большую мощность (около 15%).

Если применяется 6-фазный выход, то выходная мощность точно соответствует мощности при оригинальной обмотке. Недостатком обладают в этом случае сборные шины и главный трансформатор. Специальное проектирование сборных шин существенно снизит дополнительные расходы. Дополнительные расходы на повышающий трансформатор с двойной обмоткой являются не существенными. 6-фазный выход очень эффективен в том случае, когда линейный ток является большим и превышает характеристику тиристора.

На фиг.2 показана возможная компоновка с применением генератора 1 с большим порядком фаз, составляющим 12 фаз. Описанный здесь пример выполнения предназначен для отыскания эффективного решения в том случае, когда число фаз является большим, т.е. 24, 36 или более. В действительности такое решение может применяться при любом числе фаз. Ниже описывается пример выполнения в случае применения генератора с m фазами и 3-фазной сетью (n=3), соединенного с матричным конвертером. Указанная конфигурация генератора для 12 фаз многофазного переменного тока 6 и для 3 фаз необходимого выходного переменного тока очень схожа с конфигурацией стандартного синхронного генератора переменного тока, известного из уровня техники. Разница заключается лишь в концевых выводах стержневой обмотки статора, которые належит видоизменить.

Прежде всего удаляются охватывающие кольца, соединяющие катушки с соединительными клеммами. Концы стержней, которые были соединены с охватывающими кольцами, а также каждый, образующий катушку стержень, свариваются.

В результате обмотка статора становится полностью симметричной и образует одну замкнутую катушку. Между фазами отсутствуют какие-либо соединительные элементы. Кроме того, отсутствует необходимость в особом выполнении первых и последних стержней обмоток.

Кроме того, с двунаправленным переключателем 4 соединены некоторые или же все сварные выводы. Получаемое кажущееся количество m фаз многофазного переменного тока может составлять от 3, 4, 5, 6 до числа, соответствующего количеству стержней, т.е. в два раза больше количества пазов в том случае, когда приводной и не приводной концы оснащаются переключателями.

В принципе каждый стандартный генератор может быть модифицирован для применения с новой конфигурацией.

Обычно генераторы переменного тока имеют соединение в звезду, однако в данном случае генератор соединен треугольником. Конфигурация статора имеет некоторое сходство с обмоткой ротора двигателя постоянного тока.

Основополагающий рабочий принцип при такой компоновке сохраняется и применяется для большого числа фаз.

Настоящая концепция особенно пригодна для модификации статора. Это можно видеть на фиг.3. На фиг.3а) показан стандартный порядок установления соединений для соединенного в звезду статора с его 54 пазами с образованием 6 фаз многофазного переменного тока 6. Эти фазы показаны на фиг.3 и обозначены как U1, V1, W1 и U2, V2 W2. В каждом пазу статора расположено по два стержня.

Как показано посредством порядка установления соединений на фиг.3 а), такой статор может быть переоборудован в соединенный треугольником статор согласно изобретению, при этом там, где раньше были соединены фазы многофазного переменного тока 6, теперь соединены смежные выходы. Другими словами, эти соединения на указанных на фиг.3 а) местах шунтированы, а именно там, где две черные точки расположены в непосредственной близости друг от друга. Затем соединяют эвольвенты раздельно с комплектом двунаправленных переключателей. Если при этом требуется выход с 54 фазами, то с переключателем соединяют каждую эвольвенту. На фиг.3b) с комплектом двунаправленных переключателей соединена только каждая третья эвольвента, что приводит к образованию многофазного переменного выхода с 18 фазами. Эти 18 фаз соединены с помощью комплекта двунаправленных переключателей с линиями выходного переменного тока. Сборные шины между многофазным статором и матричным конвертером обладают довольно низким рабочим циклом, который обратно пропорционален количеству фаз, и соответственно число сборных шин может быть уменьшено. Вместо стержневых сборных шин могут применяться стандартные кабели среднего напряжения, что существенно снизит затраты.

На фиг.3 с) схематически показано, как выглядит концевой участок статора со стержневыми обмотками, на котором выходные фазы отводятся от наружных участков эвольвент. С этой целью для отдельных эвольвент символически показаны комплекты двунаправленных переключателей. На фиг.3 с) также можно видеть, что модифицированный согласно изобретению статор является полностью симметричным.

Из-за большого количества фаз кажущаяся частота коммутации является высокой. Образованные гармоники напряжения появляются при повышенной частоте и характеризуются пониженной амплитудой. Соответствующий гармонический ток дополнительно уменьшается из-за фазовой индуктивности генератора.

Представленные на фиг.4 графики показывают теоретический спектр генератора с 6 фазами (а) и 18 фазами (b) (например, такой, как схематически показано на фиг.3b). На фиг.4 а) можно видеть, что для 6 фаз многофазного переменного тока при гармониках первого порядка получают гармоники с амплитудой 14% и при гармониках второго порядка с амплитудой 20%.

Заметно более высокие характеристики получают при 18 фазах многофазного переменного тока (b) при менее чем 10% при гармониках пятого и шестого порядков.

Число коммутаций в единицу времени возрастает пропорционально числу фаз, т.е. время между коммутациями уменьшается пропорционально числу фаз. Одновременно в одинаковом соотношении будет сокращаться и продолжительность коммутации, так как сопровождающая процесс коммутации индуктивность или энергия являются значительно меньшими. В конечном итоге общее время коммутаций будет одинаковым независимо от числа фактически применяемых фаз.

Фактическое число фаз может динамически изменяться во время работы. Рассмотрим генератор с 54 пазами, оснащенный 3×54 двунаправленными переключателями 4. При этом для симметричной операции может применяться генератор с 4, 6, 9, 12, 18, 27, 36 или 54 фазами. При выходе из строя одного из переключателей может быть использовано промежуточное число фаз при ограниченном влиянии на производительность во время работы. Смена числа фаз обеспечивается управляющей программой матричного конвертера. При выходе из строя одного переключателя система остается, тем не менее, работоспособной, пока устраняется дефектный переключатель.

При наличии предложенной схемы обмотки ток в стержне статора в течение большей части времени имеет фактически вид синусоидальной волны. Рабочий цикл обмотки статора является большим. Коммутации приводят к очень узкой модификации узора магнитного поля. Соответственно и эффект якоря очень сильно приближается к эффекту якоря синхронного генератора.

Если генератор 1 приводится в действие через статический частотный конвертер, то демпферная обмотка ротора обычно подвержена большой нагрузке, превышающей нормальную отрицательную последовательность, оговоренную в предписаниях, таких, как IEC 34. Предлагаемая конфигурация этого не допускает и, следовательно, достаточной является стандартная демпфирующая обмотка ротора.

«Вентили», т.е. переключатели (тиристоры, IGBT, IGCT, GТО ), являются многочисленными. Новая концепция обеспечивает большую гибкость при оптимизации индивидуального выполнения и стоимости «вентилей». Несомненно, что при импульсном режиме работы «вентили» постоянно будут находиться в работе.

Импульсный режим работы позволяет получить довольно большие токи, но при низком рабочем цикле, что полностью соответствует запланированному применению.

Перечень позиций

1 генератор

2 нейтраль, соединение в звезду

3 матричный конвертер

4 двунаправленный переключатель

5 трансформатор

6 многофазный переменный ток

7 выходной переменный ток

G1-G6 фаза генератора

L1-L3 фаза нагрузки (сеть)

m количество фаз многофазного переменного тока

n количество фаз переменного тока, подаваемого в сеть, под нагрузку или в питающую линию.