Двухмерная электрическая машина-генератор

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.

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.

суммирование энергии солнца и ветра в течение года дает еще более заметные результаты по сравнению с таким же суммированием в течение суток

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.

Двухмерная электрическая машина-генератор

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, Ψ _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.

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.

Имя изобретателя: Гайтов Багаудин Хамидович (RU), Самородов Александр Валерьевич (RU), Гайтова Тамара Багаудиновна (RU), Копелевич Лев Ефимович (RU)
Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ")
Почтовый адрес для переписки: 350072, г.Краснодар, ул. Московская, 2, ГОУВПО "КубГТУ", отдел интеллектуальной и промышленной собственности, проректору по НиМД проф. В.С. Симанкову
Дата начала отсчета действия патента: 05.12.2006

Разместил статью: admin
Дата публикации:  27-08-2008, 16:06

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Фомин Дмитрий Владимирович  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!