RU2332775C1

RU2332775C1 - Two-dimensional electrical machine-generator

Info

Publication number: RU2332775C1
Application number: RU2006143133/09A
Authority: RU
Inventors: Багаудин Хамидович Гайтов (RU); Багаудин Хамидович Гайтов; Александр Валерьевич Самородов (RU); Александр Валерьевич Самородов; Тамара Багаудиновна Гайтова (RU); Тамара Багаудиновна Гайтова; Лев Ефимович Копелевич (RU); Лев Ефимович Копелевич
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-08-27
Also published as: RU2006143133A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention can be used as electromechanical converter of mechanical energy delivered to one machine input (mechanical) and dc electric energy simultaneously delivered to its other input (electrical) into integrated dc electric energy. In electrical machine containing armature with winding and brush-collector unit of dc machine and rotor with short-circuited winding, over rotor winding of asynchronous motors that are able to rotate around each other, according to this invention a generator winding is additionally laid in armature slots. Output of this winding is connected by means of contact rings and brushes with net of alternating current consumers.

EFFECT: implementation of summing and converting of mechanical and dc electrical energy into electrical energy with simultaneous improvement of electrical energy parameters stability at output.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на другой ее вход (электрический) в суммарную электрическую энергию переменного тока.The invention relates to electrical engineering and can be used as an electromechanical converter of mechanical energy supplied to one (mechanical) input of the machine, and direct-current electric energy, simultaneously supplied to its other input (electric) to the total electrical energy of alternating current.

Известен электромашинный усилитель постоянного тока (Копылов И.П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.332-333), осуществляющий усиление электрической энергии постоянного тока за счет подводимой механической энергии.Known electric DC amplifier (Kopylov IP Electric machines. M: Energoatomizdat, 1986, S. 323-333), which amplifies DC electric energy due to the supplied mechanical energy.

Однако такая машина, являясь по принципу усилителем электрической энергии постоянного тока за счет механической энергии, принципиально не может работать как генератор переменного тока, преобразующий одновременно два разнородных источника энергии, в силу своего назначения, так как является по сути электромеханическим преобразователем энергии постоянного тока.However, such a machine, which, by principle, is an amplifier of direct current electric energy due to mechanical energy, cannot fundamentally operate as an alternating current generator that converts two dissimilar sources of energy at the same time, due to its purpose, since it is essentially an electromechanical converter of direct current energy.

Прототипом данного изобретения является двухвходовая электрическая машина (патент РФ №2091967, 1997 г. Бюл. №27, авторы Красавин В.В., Гайтова Т.Б., Гайтов Б.Х.).The prototype of this invention is a two-input electric machine (RF patent No. 2091967, 1997 Bull. No. 27, authors Krasavin VV, Gaytova TB, Gaytov B.Kh.).

Двухвходовая электрическая машина содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, помещенный концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных машин (например, с короткозамкнутым или фазным ротором) и впрессованный в корпус, имеющий возможность вращения вокруг шихтованного якоря.A two-input electric machine contains a lined armature with a winding and a brush-collector apparatus of a direct current machine, placed concentrically in a ring lined rotor magnetic circuit with a winding similar to rotor windings of asynchronous machines (for example, with a short-circuited or phase rotor) and pressed into the case, which can be rotated around laden anchor.

Однако такая машина может работать только в двигательном режиме работы, являясь усилителем механической мощности либо как генератор постоянного тока, что резко ограничивает область применения данной машины.However, such a machine can only work in a motor mode of operation, being an amplifier of mechanical power or as a direct current generator, which sharply limits the scope of this machine.

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.In some cases, for example, in alternative energy, when it is necessary to use two renewable energy sources (RES) in an integrated manner (for example, the Sun and wind with their inherent features - the uneven and stochastic nature of energy input), the design of an electromechanical energy converter is necessary within the framework of a single energy system, which could convert two dissimilar types of energy, outputting the total electrical energy of alternating current at the output. The need for this type of converter comes from the modern requirements of non-traditional energy for electromechanical energy converters. So, in non-traditional energy today there is a practice of using traditional (classical) energy converters - alternating and direct current generators, which convert one kind of energy (energy of the Sun, wind, etc.) into electrical energy. However, such an approach, as practice has shown, is ineffective due to the natural characteristics of renewable energy sources, namely, the unpredictable nature of energy supply and the unevenness of its supply. Figure 1 shows a graph of the intensity of the energy of the Sun (C) and wind (B) as a function of time, built on average meteorological data during the day.

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.As can be seen from the graph, the supply of solar and wind energy (C + B) during the day is extremely uneven, and the intensity of the solar energy and wind energy fluctuates as if in antiphase: in the daytime, the main energy supplier is the Sun, in the evening, night and morning - the wind. A simple summation of the energy of the Sun and the wind (C _cf + B _cf ) gives a curve much smoother than the distribution curves of each energy source individually (C + B) _cf. The graph also shows that the total average energy of the Sun and wind is much larger than the sum of the average energies of each energy source individually.

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.Approximately the same picture is observed during the year. Figure 2 shows a graph of the distribution of the intensity of solar and wind energy during the year. It can be seen from it that the highest intensity of solar energy occurs in the summer period, while at the same time there is a decrease in the intensity of wind energy. In winter, on the contrary, the intensity of solar energy is small, and the intensity of wind energy reaches a maximum.

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.Figure 2 shows that the summation of the energy of the sun and wind during the year gives even more noticeable results compared with the same summation during the day, i.e. the total energy curve during the year has a smoother character than the daily one, although the fluctuations in the energy intensity of both sources separately are also clearly pronounced.

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.From the foregoing, it becomes obvious that the most rational solution to the use of renewable energy is the simultaneous development of the energy of the Sun and wind in the framework of an electromechanical energy converter in order to obtain more (almost twice) energy and equalize the natural fluctuations of its receipt.

Таким образом можно добиться большей стабильности работы энергосистемы и меньших колебаний, поступающих на вход энергии. На сегодняшний день таких преобразователей нет.Thus, it is possible to achieve greater stability of the power system and less fluctuations entering the energy input. To date, there are no such converters.

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.This invention solves the problem of summing and converting mechanical energy (for example, wind energy) and direct current electric energy (for example, solar energy coming from photovoltaic converters) into electrical energy of three phase (or more) alternating current with more stable electric energy parameters output than with conventional electromechanical energy converters.

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.This is achieved by the fact that around the lined armature with a winding, and a brush-collector apparatus of a DC machine and a rotor with a short-circuited winding, as rotor windings of asynchronous motors, which can rotate freely relative to each other, an alternating current winding is laid in the armature slots, output which with the help of slip rings and brushes is connected to a network of AC consumers.

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.Figure 3 shows in section a General view of the proposed two-dimensional electric machine - generator (DEM-G). The authors called the two-dimensional machine based on the terminology established in the literature [1, etc.]: the machine has two rotating parts and two degrees of freedom - such machines are commonly called two-dimensional in world practice.

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.DEM-G contains an anchor 1 of a DC machine of generally accepted design with a winding 2 laid in grooves 3, a collector 4 with brushes 5, to which wires are connected 6. Also in the grooves 3 an additional three-phase alternating current winding 10 is laid, the output of which is 17 with three contact rings 16 and three brushes 15 connected to the network of consumers of alternating current. Brushes 15 through wires 14 connect the winding 10 to the AC network in order to transfer the generated electricity to consumers. A lined rotor 8 magnetic core is pressed concentrically with an anchor into the housing 7, in the slots of which a winding 9 is laid down like a rotor winding of asynchronous squirrel-cage motors. Bearing shields 11 with bearings 12, 13 and shaft 18 provide a concentric arrangement of the armature 1 and rotor 8 and the possibility of their simultaneous rotation.

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.Two-dimensional electric machine - generator - operates as follows. When applying direct current (for example, from photovoltaic converters) through the brushes 5 and the collector 4, the winding 2 of the armature 1 flows around the current. This creates a magnetic flux of the reaction of the armature Ф _а . If in this case the shaft 18 together with the rotor 8 and the winding 9 comes into rotation under the action of some externally applied moment (for example, a wind turbine), then under the influence of the magnetic flux Ф _a in the winding 9, as in a conventional winding of an induction motor, an EMF is induced and an electric leak current, creating in the rotor its magnetic field _{f p} . In the interaction of the flows F _a and F _p there is an electromagnetic moment and the armature of the machine will come into rotation with a frequency n _a .

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.Since the field produced by the winding of the rotor F _p, is rotated in the opposite direction of the rotor rotational direction at the same speed, in space with respect to the brushes is fixed, therefore, the air gap exists fixed field F, which is the result of addition of the armature reaction fields F _a and the rotor F _r . In the presence of a stationary magnetic field in space and rotating parts of the structure in it, it can be used to generate alternating current electric energy.

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.For this purpose, in the grooves of the armature an additional three-phase (or more, depending on the required number of phases) alternating current winding 10 is laid, the output of which (see Fig. 3) is connected to the network of alternating consumers using three contact rings 16 and three brushes 15 current through wires 14.

В трехфазной обмотке 10, вращающейся в неподвижном магнитном поле, создаваемом потоками Ф_а и Ф_р по закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС, равнаяIn the three-phase winding 10, rotating in a stationary magnetic field created by the fluxes F _a and F _p according to the law of electromagnetic induction, an EMF equal to

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.where W _p is the number of turns of the rotor winding, ψ _к is the flux linkage of the winding coil 10. In fact, the rotor winding in this case is the exciter of the generator, which converts the mechanical energy supplied to the rotor (for example, from a wind turbine) into magnetic field energy.

В результате описанных процессов происходит суммирование механической и электрической энергии постоянного тока на входе, преобразование и выдача на выходе суммарной электрической энергии переменного тока.As a result of the described processes, the mechanical and electrical energy of direct current at the input is summed up, and the total electrical energy of alternating current is converted and output at the output.

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.The machine is manufactured and tested. Experimental studies have shown the promise of using generators of this type in an autonomous power supply system based on the integrated use of renewable energy sources, such as the sun and wind.

Claims

A two-dimensional electric generator machine containing an armature with a winding and a brush-collector apparatus of a direct current machine and a rotor with a short-circuited type of rotor windings of asynchronous motors, which can rotate freely relative to each other, characterized in that the alternator winding is additionally laid in the grooves of the armature current, the output of which with the help of slip rings and brushes is connected to an AC network.