Статор ветроэлектрогенератора сегментного типа

Размещено на http://allbest.ru/

СТАТОР ВЕТРОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА СЕГМЕНТНОГО ТИПА

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат заключается в уменьшении массы и габаритов генератора при минимизации его стоимости. Статор ветроэлектрогенератора сегментного типа содержит полюсные наконечники, магнитопровод с рабочими катушками и крепежные элементы. Полюсные наконечники статора выполнены в виде набора Г-образных пластин, причем одни внутренние Г-образные пластины контактируют с внутренней поверхностью магнитопровода с катушками, а другие внешние Г-образные пластины - с внешней поверхностью магнитопровода с катушками, а крепежные элементы выполнены в виде немагнитного кольца, установленного параллельно магнитопроводу с катушками, и немагнитных болтов, стягивающих горизонтальные участки внутренних и внешних Г-образных пластин.

Известны ветроэлектрогенераторы [1, 2] со статорами традиционного типа.

Из всех известных аналогов наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является статор ветроэлектрогенератора [3] сегментного типа, который выполняется на основе магнитной системы машины постоянного тока или универсальной, то есть имеет полюсные наконечники, магнитопровод с рабочими катушками и крепежные элементы.

Недостатком данного статора является то, что он приспособлен к работе только с предварительно разрезанным по диаметру индуктором, что усложняет технологию изготовления, увеличивает массу.

Изобретение направлено на уменьшение массы и габаритов генератора при минимизации его стоимости..

Это достигается тем, что полюсные наконечники статора выполнены в виде набора Г-образных пластин, причем одни - внутренние - Г-образные пластины контактируют с внутренней поверхностью магнитопровода с катушками, а другие - внешние - Г-образные пластины контактируют с внешней поверхностью магнитопровода с катушками, а крепежные элементы выполнены в виде немагнитного кольца, установленного параллельно магнитопроводу с катушками, и немагнитных болтов, стягивающих горизонтальные участки внутренних и внешних Г-образных пластин.

Достижение технического результата обусловлено тем, что в качестве базового элемента выбраны Г-образные магнитопроводы, которые широко распространены, обладают большой номенклатурой типоразмеров, а также легко могут быть изготовлены из П-образных путем отсечения одной из стоек.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показан общий вид спереди ветроэлектрогенератора, на фиг.2 - вид сверху. В более крупном масштабе статор генератора показан на фиг.3 - вид сбоку, на фиг.4 - вид спереди.

Ветроэлектрогенератор сегментного исполнения состоит из башни 1, ветроколес, имеющих обод 2 с ферромагнитными постоянно намагниченными роторными сегментными элементами 3. Ветроколеса велосипедного типа, имеют спицы-лопасти 4, ветроколеса связаны гибким элементом 5 (например, цепью или зубчатым ремнем), который охватывает шкивы 6, укрепленные на ступице. В центре, между вертикально установленными ветроколесами и одновременно между горизонтально установленными ветроколесами, установлен статор 7. На башне установлено вращающееся основание 8, а гибкий элемент снабжен натяжным устройством - роликом 9 с подпружиненным рычагом 10. Вращающееся основание снабжено хвостом 11, поперечной траверсой 12, на концах которой установлены подшипниковые узлы 13.

Статор (см. на фиг.3 и 4) содержит набор из следующих Г-образных пластин: длинных внутренних 14, длинных внешних 15, коротких внешних 16, коротких внутренних 17. Крепление организовано с помощью немагнитного кольца 18, которое установлено параллельно основному магнитопроводу, немагнитных болтов 19, которые проходят через отверстия, выполненные в горизонтальных участках 20 Г-образных пластин. Основной магнитопровод 21 с рабочими катушками 22, соединенными проводами 23, представляет собой стандартный статор от автомобильного генератора синхронного типа. Роторные элементы 3 намагничены на оси агрегата, т.е. полюсы находятся спереди и сзади генератора (см. фиг.1), и элементы перемыкают внутренний и внешний магнитопроводы при работе устройства.

Работа устройства. Под воздействием ветрового потока на лопасти 4, ветроколеса, а следовательно, и ободы 2 приходят во вращение. Роторные элементы 3 поочередно вступают в магнитное взаимодействие с полюсными наконечниками, и в соответствие с принципом работы индукторного генератора, коммутируют магнитный поток.

В результате в катушках 22 наводится э.д.с., которая предается на блок регулирования и далее в нагрузку. Фактическое выполнение Г-образных пластин в виде двух - длинного и короткого - наборов связано с тем, что на один статор работают четыре ветроколеса и их необходимо разнести в осевом направлении для более компактной компоновки и уменьшения длины вертикальных участков Г-образных магнитопроводов, при этом незначительно увеличивается длина горизонтальных участков, что практически мало влияет на массогабаритные показатели.

Технико-экономическим преимуществом данного статора является его высокая технологичность, основанная на модульной структуре Г-образных магнитопроводов. Это приводит к уменьшению массы, габаритов, при этом стоимость является минимально возможной, что важно для объектов ветроэнергетики.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Статор ветроэлектрогенератора сегментного типа, содержащий полюсные наконечники, магнитопровод с рабочими катушками и крепежные элементы, отличающийся тем, что полюсные наконечники статора выполнены в виде набора Г-образных пластин, причем одни внутренние Г-образные пластины контактируют с внутренней поверхностью магнитопровода с катушками, а другие внешние Г-образные пластины - с внешней поверхностью магнитопровода с катушками, а крепежные элементы выполнены в виде немагнитного кольца, установленного параллельно магнитопроводу с катушками, и немагнитных болтов, стягивающих горизонтальные участки внутренних и внешних Г-образных пластин.

энергия сегментный электропровод полюсный

Элементы электропривода

Общие принципы электромеханического преобразования энергии

Электрические машины служат для преобразования электрической энергии в механическую энергию (двигатели) и механической в электрическую (генераторы). В соответствии с этим определением их также называют электромеханическими преобразователями энергии. Принцип действия большинства современных электромеханических преобразователей энергии основан на одном из двух физических явлений. Первое - на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила. Под действием этой силы реализуются перемещения подвижных частей у большинства типов электрических машин. Второе - на материал со специфическим свойством (с высокой магнитной проницаемостью), помещенный в магнитное поле, действует сила, стремящаяся переместить его в зону с максимальной интенсивностью поля.

Необходимо отметить, что создание полезной силы за счет второго явления в электрических машинах массового применения до недавнего времени встречалось относительно редко. В основном оно было характерно для различных электрических аппаратов (реле, контакторов и т.п.). Однако в последние годы все большее распространение получает новый тип электрических машин, так называемые вентильно-индукторные машины, в основе работы которых лежит именно это явление.

Преобразование энергии в обоих случаях основано на явлении электромагнитной индукции и связано с электродвижущими силами, индуцируемыми в проводниках при их помещении в периодически изменяющемся магнитном поле. Электрические машины, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции, называют индуктивными. Существуют также другие виды электромеханических преобразователей энергии, основанные, например, на явлении электростатической индукции, пьезоэффекте и т.д., но область их применения ограничена, главным образом, из-за низких массогабаритных показателей и высокой стоимости.

Наибольшее распространение получили электрические машины вращательного типа. Они состоят из двух основных частей - статора и ротора, разделенных воздушным зазором. Ротор вращается, статор неподвижен. Обычно и статор и ротор изготовлены из листов электротехнической стали с высоким удельным сопротивлением (например, из кремнистой стали). Обмотка называется статорной или роторной в зависимости от того, где она находится.

Можно выделить четыре основных закона электромеханики, лежащих в основе процесса преобразования энергии в индуктивных электрических машинах.

1. Преобразование энергии связано с вращающимися магнитными полями.

Вращающиеся поля присутствуют во всех электрических машинах вращательного типа. Относительно неподвижного наблюдателя вращающееся поле может быть создано как вращающейся относительно него обмоткой, как и неподвижной. Для объяснения принципа образования вращающегося магнитного поля неподвижными в пространстве обмотками обратимся к рис. 1, на котором показаны два электрически не связанных витка (катушки) а и b, расположенных под углом 900.

При протекании по витку а переменного тока

ia=Imsinw0t

магнитодвижущая сила (МДС), созданная этим током

Fa =Fm sinw0t

(ее направление определяется по правилу правоходового винта или буравчика), пульсирует вдоль оси, перпендикулярной плоскости витка. Соответственно, при протекании переменного тока

ib=Imcoswt

по витку b, МДС, созданная им

Fb =Fm coswt,

пульсирует вдоль оси, перпендикулярной плоскости этого витка. При этом амплитуды Fa и Fb изменяются во времени по синусоидальному закону. Однако амплитуда вектора результирующей МДС остается постоянной, а его положение в пространстве, определяемое углом g, изменяется с течением времени (на рис. 1 положение векторов Fa, Fb и FS соответствует некоторому моменту времени t1).

Таким образом, для получения вращающегося магнитного поля необходимо минимум две обмотки, сдвинутых в пространстве на угол 900, по которым протекают переменные токи, сдвинутые во времени на 900. Каждая из этих обмоток образует фазу электрической машины. В реальных машинах число фазных обмоток, как правило, больше двух (чаще всего три). Однако, общий принцип образования вращающегося магнитного поля - многофазная обмотка, каждая фаза которой имеет соответствующее пространственное смещение относительно других фаз, питаемая многофазной системой токов с взаимными временными сдвигами, справедлив при любом числе фаз.

Нужно особо отметить главную особенность таких обмоток - вращение поля относительно создающей его обмотки. Поэтому в частном случае (например, в коллекторных машинах постоянного тока) они могут создавать и неподвижное в пространстве поле, если обмотка расположена на роторе и скорости вращения ротора и поля равны и противоположно направлены. Однако в принципе вращающееся с некоторой произвольной угловой скоростью w магнитное поле может быть создано вращающейся с такой же скоростью обмоткой, но при протекании по ней уже постоянного тока. В этом случае поле неподвижно относительно создающей его обмотки.

В идеале, при конструировании любой электрической машины стремятся обеспечить круговое вращающееся магнитное поле, когда годографом конца вектора суммарной МДС является окружность. Однако реально из-за конструктивных особенностей машины (наличия пазов, в которые укладываются фазные обмотки, непостоянства воздушного зазора, например, в машинах с явно выраженными полюсами), изменения свойств магнитных материалов и т.п.), технологических погрешностей изготовления, а также условий питания (например, импульсных помех на выходе источника питания) его форма в той или иной степени отличается от окружности. Это ведет к появлению дополнительных пульсирующих моментов и снижению эффективности электромеханического преобразования энергии и, кроме того, провоцирует вибрации, шум и т.д.

2. Для обеспечения непрерывного преобразования энергии необходимо, чтобы поле по крайней мере одной из обмоток периодически изменялось бы в пространстве.

Перемещение ротора относительно статора в электрической машине любого типа обязательно должно приводить к периодическому пространственному изменению поля хотя бы одной обмотки при протекании по ней тока. В реальных машинах закон изменения поля таких обмоток, как правило, близок к синусоидальному закону. Эти обмотки обладают важным и специфическим для электрических машин свойством - в них наводится ЭДС- движения. Для пояснения этого рассмотрим схему замещения такой обмотки (например, обмотки фазы а, как показано на рис. 2,а).

Первое слагаемое в (4) определяет составляющую ЭДС, обусловленную изменением тока ia. Она характерна для всех электромагнитных устройств, питаемых переменным током, например, для трансформаторов, поэтому её иногда называют трансформаторной ЭДС. Вторая же составляющая ЭДС, представленная в (4) в наиболее общем виде, пропорциональна скорости вращения ротора. Она присуща только электрическим машинам и получила название ЭДС движения. Именно благодаря этой ЭДС и току осуществляется обмен энергией между электрической машиной и электрической сетью.

Ввиду важности понятия ЭДС - движения, остановимся на нем несколько подробнее. В общем случае в многофазных электрических машинах обмотки в магнитном отношении связаны, т.е. потокосцепление любой обмотки определяется токами всех взаимодействующих фаз.

Далее обратим внимание на то, что математически ЭДС - движения определена в (4) дифференцированием потокосцепления Ya по угловому перемещению Q при неизменном токе. Отсюда следует, что для того, чтобы ЭДС - движения была бы отлична от нуля (т.е. чтобы имело место электромеханическое преобразование энергии), нужно, чтобы либо собственная La,а либо взаимная индуктивность La,j какой-либо обмотки с другими обмотками (либо и то и другое) в электрической машине изменялись бы в пространстве.

Обмотку, в которой наводится ЭДС - движения, называют якорной обмоткой. Еще раз подчеркнем, что поток, создаваемый обмоткой якоря, всегда перемещается относительно создающей его обмотки. Если же поле неподвижно относительно обмотки, в ней не наводится ЭДС движения. Такие обмотки называют обмотками возбуждения. Обмотки возбуждения питаются постоянным током и служат для создания основного магнитного потока в воздушном зазоре электрической машины. Как частный случай обмотка возбуждения может быть неподвижной в пространстве. Тогда и поле, созданное ею, также неподвижно в пространстве.

Таким образом, теоретически каждая из обмоток (якоря или возбуждения) может находиться на роторе или на статоре, важно лишь то, что они перемещаются друг относительно друга. Здесь нужно однако заметить, что существуют электрические машины и с взаимно неподвижными обмотками якоря и возбуждения. Это, в частности, характерно для машин индукторного типа с независимым электромагнитным возбуждением. Для практического удобства синхронные и асинхронные машины переменного тока чаще имеют неподвижный якорь, так как в нем легче выполнить прочную обмотку, способную выдерживать значительные электромагнитные силы.

Если роль якоря выполняет ротор, он должен соединяться с сетью через контактные кольца. Обычно мощность, потребляемая обмоткой возбуждения значительно меньше мощности, потребляемой обмоткой якоря, поэтому скользящий контакт удобнее использовать для питания обмотки возбуждения. Таким образом, сказанное выше позволяет также различить обмотки электрических машин по их функциональному назначению - на обмотки возбуждения и обмотки якоря.

3. Однонаправленный момент создают только взаимно неподвижные поля.

Этот закон позволяет с общих позиций легко объяснить принцип действия и различия основных типов электрических машин. Для этого предположим, что на статоре электрической машины расположена неподвижная в пространстве многофазная (в простейшем случае двухфазная) обмотка, создающая вращающееся со скоростью w0 относительно неподвижного наблюдателя магнитное поле.

Вариант 1. Ротор вращается со скоростью вращения поля статора w0. В этом случае поля статора и ротора могут быть неподвижны только если поле ротора неподвижно относительно ротора. Такое поле, как уже отмечалось, может быть создано при протекании по обмотке ротора постоянного тока. При этом нет необходимости обмотку ротора выполнять многофазной и распределенной в пространстве.

В целях упрощения конструкции ротора обмотку выполняют обычно в виде сосредоточенной катушки - соленоида. Питание к ней подводится с помощью скользящего контакта. В машинах относительно небольшой мощности (до единиц киловатт) сосредоточенная обмотка (обмотка возбуждения) может заменяться постоянным магнитом (рис. 3). И то, и другое характерно для электрических машин синхронного типа.

Частным случаем машин этого типа являются машины, в которых скорость вращения поля переменна, но однозначно определяется скоростью вращения ротора. Статорные обмотки получают питание от специального многофазного преобразователя частоты (на рис. 4 ПЧа и ПЧb), питаемого от сети постоянного тока напряжением U и обеспечивающего изменение частоты выходного тока в функции скорости вращения ротора w. Это характерно для электрических машин постоянного тока.

Еще раз подчеркнем, что в машинах постоянного тока скорость вращения поля якоря и скорость вращения ротора в общем случае не остаются постоянными, но всегда равны между собой, поэтому они с точки зрения особенностей электромеханического преобразования энергии могут быть отнесены к машинам синхронного типа. Причем преобразователь частоты может быть механическим (коллекторные машины) или полупроводниковым (бесконтактные машины постоянного тока или БДПТ). При этом, следует еще раз обратить внимание на то, что свое название машины постоянного тока получили в соответствии с характером изменения тока, потребляемого из источника питания. В фазных же обмотках этих машин протекают переменные токи.

В реальных коллекторных машинах постоянного тока многофазная якорная обмотка располагается обычно на роторе, а обмотка возбуждения, обтекаемая постоянным током, или постоянные магниты располагаются на статоре. Наоборот, в БДПТ якорная обмотка чаще располагается на статоре, а поток возбуждения создается постоянными магнитами или специальной обмоткой, расположенными на роторе.

В принципе преобразователь частоты может получать питание и от источника переменного тока (например, от промышленной сети). В этом случае он преобразует переменное напряжение неизменной частоты в переменное напряжение регулируемой частоты. Такие машины также находят иногда применение. Их называют коллекторными машинами переменного тока.

Вариант 2. Скорость вращения ротора w не равна, например, меньше скорости вращения поля статора w0. В этом случае для того, чтобы поля статора и ротора были взаимно неподвижны, поле ротора должно вращаться относительно ротора в ту же сторону, что и ротор так, чтобы сумма скоростей ротора относительно статора и поля ротора относительно ротора равнялась бы скорости вращения поля статора.

Возможны и другие комбинации направлений вращения ротора и полей статора и ротора, например, вращение ротора в противоположную сторону по отношению к направлению вращения поля статора. Тогда, соответственно, направление вращения ротора и поля, созданного им, противоположны, но поля статора и ротора, тем не менее, вращаются и в этом случае в одном направлении с одинаковой скоростью.

Ротор, как и статор, в такой машине должен иметь распределенную в пространстве многофазную обмотку, питаемую многофазным переменным током. При этом, поскольку поле статора перемещается относительно ротора, электрическая энергия в ротор может передаваться электромагнитным путем (как в трансформаторе) и ротор не получает питания извне. При этом, как только ротор и поле статора начинают вращаться с одинаковой скоростью в одном направлении, энергия в ротор не передается и, соответственно, электромеханического преобразования энергии не происходит. Это характерно для обычных электрических машин асинхронного типа.

Как видно, скольжение - относительная величина, определяемая как скорость вращения ротора относительно скорости вращения поля статора в долях скорости вращения поля статора. Заметим, что в асинхронных машинах в обычных режимах работы поля статора и ротора перемещаются относительно создающих их обмоток, поэтому и статорная и роторная обмотки в них являются якорными. В частном случае с целью дополнительного расширения функциональных возможностей машины ее роторные обмотки могут получать питание от отдельного регулируемого многофазного источника переменного тока (преобразователя частоты). Такие электрические машины получили название машины двойного питания.

4. Процесс электромеханического преобразования энергии в любой электрической машине обратим.

Любая электрическая машина может работать как двигателем, так и генератором. Это основополагающее положение всей электромеханики. В двигательном режиме работы механическая мощность, вырабатываемая машиной, всегда меньше электрической мощности на величину потерь DPпот, поэтому энергетическая диаграмма для этого режима может быть представлена.

В современном электроприводе генераторные режимы работы электрических машин используют, как правило, не столько для сколько-нибудь длительной выработки электрической энергии и питания ею потребителей, сколько с целью преобразования излишков механической энергии в электрическую энергию для увеличения темпа снижения скорости или торможения электрических машин и приводимых в движение механизмов. В общем случае различают три тормозных режима работы, отличающихся направлениями потоков мощности: рекуперативный, когда механическая мощность Pмех преобразуется в электрическую и за вычетом потерь DPпот возвращается в сеть; противовключения, в котором машина потребляет энергию с вала Pмех и из сети Pэл и преобразует их в потери DPпот динамического торможения, когда машина не получает энергию из сети, а в потери DPпот преобразуется только энергия, поступающая с вала Pмех. Некоторые машины могут работать во всех выделенных режимах, для других некоторые режимы физически не реализуемы.

Еще раз обратим внимание на то, что преобразование энергии в электрических машинах любого типа всегда сопровождается потерями (электрическими, магнитными, механическими и т.п.), поэтому их КПД в любом режиме работы всегда меньше единицы. Кроме того, важно подчеркнуть, что рассмотренные с принципиальных позиций возможные типы электрических машин в настоящее время имеют не одинаковое распространение в промышленности. Предпочтение в каждом конкретном случае определяется технологичностью их реальных конструкций, стоимостью, надежностью, материалоемкостью, а также регулировочными возможностями и т.п.

В настоящее время в силу ряда как объективных, так и субъективных причин наибольшее распространение имеют асинхронные машины. Сектор, занимаемый долгое время традиционными коллекторными машинами постоянного тока, считавшимися непревзойденными по регулировочным свойствам, постепенно сужается. При этом они вытесняются не только асинхронными машинами, но также и бесконтактными машинами постоянного тока на базе синхронных машин. Однако, во-первых, традиционные машины постоянного тока все еще остаются предпочтительными во многих применениях (транспорт, робототехника, прокатное производство, подьемно-трансторные машины, спецтехника и т.д.) и это сохранится, по-видимому, еще достаточно долго, а во-вторых, их изучение чрезвычайно важно с методологической точки зрения. При построении современных регулируемых электроприводов на базе машин других типов (в том числе асинхронных) их алгоритмы управления стремятся построить таким образом, чтобы процессы в них были бы максимально приближены к процессам в машине постоянного тока.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.с. СССР № 732572 /В.К.Александров и др. - Ветроагрегат, Б.И. № 17, 1980 г., F 03 D 1/30.

2. А.с. СССР № 861716 /И.П.Копылов и др. - Безредукторный ветроагрегат, Б.И. № 11, 1981 г., F 03 D 1/00.

3. Патент РФ № 2204734 /А.М.Литвиненко - Статор ветроэлектрогенератора, опубл. Б.И. № 14, от 20.05.2003, з-ка № 2001129417/06 от 31.10.2001, МКИ7 F 03 D 9/00.

Размещено на Allbest.ru