СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР


RU (11) 2088030 (13) C1

(51) 6 H02K19/36 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 93019794/07 
(22) Дата подачи заявки: 1993.04.15 
(45) Опубликовано: 1997.08.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Вольдек А.П. Электрические машины. - М.-Л.: Энергия, 1966, с. 355-357, 363-370, рис. 1-8б. 
(71) Заявитель(и): Уральский филиал Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства 
(72) Автор(ы): Кабанов И.Д.; Дорм А.Г.; Епишков Н.Е.; Ужва И.Н. 
(73) Патентообладатель(и): Уральский филиал Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства 

(54) СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к универсальным электрическим машинам. Сущность изобретения состоит в том, что синхронный генератор содержит статор с трехфазной обмоткой и ротор с обмоткой возбуждения на валу. Ветки фаз обмотки статора с помощью переключателя имеют возможность их последовательно-параллельного включения и переключения их из "звезды" в "треугольник". Обмотка возбуждения на роторе выполнена из двух параллельных ветвей, одна из которых имеет возможность подключения к источнику постоянного тока, а друга подключена к системе автоматического регулирования возбуждения. Обе ветви обмотки ротора связаны с контактными кольцами щеточно-контактного узла и соединены между собой. Муфта 10, предназначенная для соединения вала с приводным двигателем 12, снабжена редуктором скорости вращения 11. Особенностью данного синхронного генератора является то, что одна и та же единица оборудования может использоваться как генератор с частотой 50 Гц, а также и других частот, например, 200 Гц, для электроснабжения потребителей, и как генератор выпрямленного тока для сварочных работ. Такой сварочный генератор обладает крутопадающей внешней характеристикой в рабочей зоне. Изобретение позволяет также создать универсальные электрические машины с уменьшенными массогабаритными показателями, сопоставимыми с асинхронными и синхронными машинами нормального исполнения. 6 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам специального использования, в частности к универсальным синхронным генераторам, работающим в автономном режиме.

В настоящее время имеется острая потребность, особенно в условиях фермерского хозяйства, в электрической машине, способной осуществлять несколько функций, например, вырабатывать электрический ток промышленной частоты (50 Гц), работать в режиме генератора сварочного тока и др.

Разработка такого технического решения и является целью настоящего изобретения.

Известен неявнополюсный синхронный генератор, описанный в книге А.П.Вольдека "Электрические машины", М-Л. Энергия, 1966, с.355-357, рис.1-8б и с. 363-370.

Это устройство является генератором электрического тока промышленной частоты (50 Гц) и приводится механическим двигателем, с которым связано соединительным устройством.

Данный генератор содержит статор с трехфазной двухполюсной обмоткой. Ротор снабжен однослойной обмоткой с концентрическими катушками, размещенной на 2/3 части полюсного деления. Эта обмотка соединена с регулируемым источником постоянного тока и системой автоматического регулирования возбуждения, включающей трансформаторы тока с выпрямителем, включенным последовательно в цепь нагрузки. Обмотка возбуждения питается через контактные кольца и щетки от источника постоянного тока.

Обмотка ротора размещена в открытых пазах и закреплена в них немагнитными металлическими клиньями.

Для получения жесткой линейной внешней характеристики генератора и максимального ослабления реакции якоря воздушный зазор между ротором и статором выполняют большим, достигающим, например, в промышленных турбогенераторах, 30 мм.

Известное техническое решение не может быть реализовано в устройствах различной мощности, в том числе и в несколько киловатт.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, выражается в создании электрогенератора с новыми потребительскими свойствами. Эти свойства выражаются в том, что при реализации изобретения одна и та же единица оборудования может использоваться как источник электроснабжения с частотой 50 Гц и других частот, например, 200 Гц, и как источник выпрямленного тока дуговой сварки. При этом такой сварочный источник обладает крутопадающей внешней характеристикой в рабочей зоне, что обеспечивает сварочные свойства, сопоставимые с известным трехобмоточным коллекторным сварочным генератором постоянного тока.

Для решения поставленной технической задачи синхронный генератор, содержащий ротор с обмоткой возбуждения на валу, статор с трехфазной обмоткой, подключенной к коммутатору нагрузки, систему автоматического регулирования, включенную между обмоткой статора и обмоткой возбуждения, щеточно-контактный узел и устройство для соединения вала ротора с приводным двигателем, согласно изобретению, выполнен с уменьшенным воздушным зазором, каждая фаза обмотки статора выполнена из ветвей, число которых равно числу пар полюсов, обмотка возбуждения выполнена из двух параллельных ветвей, одна из которых имеет возможность подключения к источнику постоянного тока через щеточно-контактный узел, а другая подключена к системе автоматического регулирования возбуждения, при этом коммутатор нагрузки выполнен с возможностью последовательно-параллельного включения ветвей фаз обмотки статора и переключения их из "звезды" в "треугольник", а устройство для создания вала ротора с приводным двигателем снабжено редуктором скорости вращения.

Заявитель, изучив научно-техническую и патентную информацию, не обнаружил другого технического решения, содержащего совокупность признаков патентуемого изобретения, и пришел к выводу о соответствии заявляемого решения критерию охраноспособности "новизна".

По мнению заявителя, изобретение не следует явным образом из уровня техники, хотя отдельные его признаки известны на момент составления заявки. Однако предложенная совокупность признаков и их взаимосвязь, по мнению заявителя, является новой.

На фиг. 1 изображена схема патентуемого устройства; на фиг. 2 схема расположения полузакрытых пазов на статоре и роторе; на фиг. 3 схема пересоединения обмотки статора из последовательного в параллельное и ветвей из соединения по схеме "звезда" в соединение по схеме "треугольник";

на фиг. 4 схема переключения с шинами:

а) нижняя колодка с выводом обмотки статора;

б) верхняя съемная колодка с шинами для переключения в последовательное соединение ветвей обмотки статора по схеме "звезда";

в) вторая верхняя съемная колодка с шинами для переключения обмотки в параллельное соединение ветвей по схеме "треугольник";

на фиг. 5 изображена принципиальная электрическая схема статора, ротора, системы компаундирования;

на фиг. 6 представлены графические изображения внешних характеристик патентуемого синхронного генератора.

Пример конкретного осуществления изобретения.

Синхронный генератор (фиг.1,2) представляет собой неявнополюсную электрическую машину 1, включающую статор 2, ротор 3, установленные с зазором 0,35 мм. Обмотки генератора уложены в полузакрытых пазах, которые равномерно распределены по окружности ротора 3 и статора 2. Эти обмотки связаны между собой системой токового компаундирования 4 (фиг.1). Кроме того, обмотка статора снабжена переключателем 5 и через выпрямитель сварочного тока 6 соединена с кабелями 7 сварочного устройства 8. Обмотка ротора 3 подключена к регулируемому источнику постоянного тока 9.

Вал ротора 3 с помощью соединительных муфт 10 связан с редуктором скорости 11 и валом приводного двигателя 12. В качестве последнего используется, например, двигатель трактора МТЗ-80.

Обмотка статора 2 (фиг.3) является трехфазной и выполнена шестиполюсной из обмоточного провода 0,85 мм. Особенностью этой обмотки является возможность изменения числа параллельных ветвей каждой фазы и схемы их соединения со "звезды" в "треугольник". В режиме работы генератора 50 Гц с помощью специального переключателя 5 формируется одна ветвь каждой фазы обмотки (фиг. 3а) и фазы обмотки соединяются по схеме "звезда". Для этого используется первая съемная верхняя колодка (фиг. 4б) с расположением шин, позволяющим сделать такое переключение при соединении этой колодки (4б) с нижней колодкой (фиг. 4а), на которую выведены концы витков обмотки статора 2.

Для настройки генератора для работы в режиме сварки или для выработки тока повышенной частоты используется третья колодка (фиг. 4в) переключателя 5. При ее использовании обмотка статора 2 имеет схему соединения, изображенную на фиг. 3б.

В нашем примере формируется три ветви каждой фазы (по числу пар полюсов) и фазы обмотки статора 2 соединены по схеме "треугольник".

Обмотка ротора 3 также имеет особенность в исполнении.

Во-первых, она расщеплена на две параллельные ветви 13, которые выполнены однослойными из концентрических катушек. Для их изготовления использованы, как и для обмотки статора, провод o 0,85 мм.

Во-вторых, ветви 13 размещены также в полузакрытых пазах, равномерно распределенных по поверхности ротора 3, который, в свою очередь, выполнен из стальных дисков толщиной 3 мм. Пазы ротора и статора закрыты немагнитопроводными клиньями.

В-третьих, обмотки ротора и статора имеют одинаковое число полюсов.

Ветви 13 обмотки ротора 3 (фиг.5) включены в два контура. Первая ветвь включена в контур возбуждения по средством контактных колец 14, 15, щеточно-контактного узла, насажанных на вал ротора 3. В контур возбуждения включен также источник постоянного тока 9 (фиг. 1, на фиг. 5 не показан).

Контур токового компаундирования, кроме второй из ветвей 13 обмотки ротора и третьего контактного кольца, содержит трехстержневой шихтованный магнитопровод 17 с обмотками. Первичные обмотки магнитопровода 17 включены последовательно в цепь нагрузки генератора, а вторичные соединены в "звезду" и подсоединены к трехфазному выпрямителю 18, который, в свою очередь, с одной стороны подключен к регулятору компаундирования 19, а с другой к отрицательному полюсу ветвей 13 через контактное кольцо 15. Оба контура (возбуждения и компаундирования) имеют дополнительную связь между собой через полупроводниковый диод 20, соединяющий положительные полюса ветвей 13 обмотки ротора.

Для работы генератора в режиме выработки тока повышенных частот его ротор 3 соединен посредством одной из муфт 10 с выходным валом механического редуктора скоростей 11, первичный (входной) вал которого, в свою очередь, соединен посредством другой муфты 10 с валом отбора мощности двигателя трактора 12 (фиг.1).

Патентуемое устройство используют следующим образом.

1. Режим работы синхронного генератора тока с частотой 50 Гц.

Для этого обмотку статора 2 приводят в вид, соответствующий фиг.3а, устанавливая на переключателе 5 колодку с расположением шин, изображенным на фиг.4б. В результате обмотка статора будет содержать по одной ветви в каждой фазе, а фазы соединены по схеме "звезда". Затем включают выпрямитель 6. При этом включается в работу система автоматического регулирования возбуждения, поддерживая заданную величину напряжения (220 В). Редуктор скоростей 11 устанавливают в положение, обеспечивающее номинальную частоту вращения ротора 3, определенную выражением мин-1. При этом ток возбуждения от независимого источника постоянного тока 9 соответствует номинальному напряжению обмотки статора в режиме холостого хода. С увеличением тока нагрузки ток возбуждения возрастает за счет системы токового компаундирования 4 (фиг. 1), что обеспечивает поддержание напряжения на уровне номинального. При этом внешняя характеристика генератора представлена кривой 1 на фиг.6. Вырабатываемый генератором ток с частотой 50 Гц подается к электроприемникам от выходных клемм генератора.

2. Режим работы сварочного синхронного генератора.

На переключателе 5 колодку б) заменяют колодкой в) (фиг.4). При этом обмотка статора будет собрана по схеме, приведенной на фиг.3б. Кроме того, эту обмотку подключают к выпрямителю сварочного тока 6. Ротор 3 приводят во вращение приводным двигателем с номинальной частотой, аналогичной режиму работы генератора с частотой 50 Гц. При появлении тока в цепи сварки система компаундирования дополнительно подпитывает обмотку возбуждения. При увеличении тока сварки выше определенного значения магнитная система генератора переходит в ненасыщенное состояние из-за действия реакции якоря, что обеспечивает крутопадающую внешнюю характеристику в зоне рабочего тока сварки (фиг.6, поз.2). Величина рабочего тока сварки устанавливается и изменяется с помощью регулятора 19.

3. Режим работы синхронного генератора с повышенной частотой, например, f=200 Гц.

Схему обмотки статора 2 собирают такой же, как для работы в режиме сварочного генератора (фиг.3б), используя переключатель 5. Схему питания обмотки ротора 3 собирают так же, как и в случае использования генератора с частотой 50 Гц.

Повышенная частота тока обеспечивается включением в схему привода ротора 3 генератора повышающего редуктора 11, который обеспечивает вращение ротора с частотой согласно формуле:



При этом достигается частота вращения генератора, равная 200 Гц, то есть в 4 раза большая, чем в режиме 50 Гц, и обеспечивается внешняя характеристика генератора, изображенная кривой 3 на фиг.6.

Изобретение позволяет создавать универсальные электроагрегаты с уменьшенными массогабаритными показателями, что облегчает их агрегатирование с трактором. Это особенно важно для фермерских хозяйств и других предприятий, которые находятся вдали от населенных пунктов и не подключены к централизованным электрическим сетям. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Синхронный генератор, содержащий ротор с обмоткой возбуждения на валу, статор с трехфазной обмоткой, подключенной к коммутатору нагрузки, систему автоматического регулирования выходного напряжения, включенную между обмоткой статора и обмоткой возбуждения, щеточно-контактный узел и устройство для соединения вала ротора с приводным двигателем, отличающийся тем, что генератор выполнен с уменьшенным воздушным зазором, каждая фаза обмотки статора выполнена из ветвей, число которых равно числу пар полюсов, обмотка возбуждения выполнена из двух параллельных ветвей, одна из которых имеет возможность подключения к источнику постоянного тока через щеточно-контактный узел, а другая подключена к системе автоматического регулирования возбуждения, при этом коммутатор нагрузки выполнен с возможностью последовательно-параллельного включения ветвей фаз обмотки статора и переключения их из "звезды" в "треугольник", а устройство для соединения вала ротора с приводным двигателем снабжено редуктором скорости вращения.