PL235130B1 - Prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym - Google Patents

Abstract

Prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym, wielobiegunowa o liczbie par biegunów p ma na wirniku pPM par biegunów z magnesami trwałym i pEL par biegunów ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, a uzwojenie twornika ma p = (pPM + pEl) par biegunów. Korzystne jest równomierne i symetryczne rozłożenie biegunów 2pEL ze wzbudzeniem elektromagnetycznym na obwodzie wirnika. Korzystne jest, aby uzwojenie twornika nie miało grup równoległych. Korzystne jest aby uzwojenie twornika było sześciofazowe, przy czym jedno uzwojenie jest trójfazowe połączone w gwiazdę, a drugie uzwojenie trójfazowe jest połączone w trójkąt, przy czym końcówki wyjściowe uzwojeń gwiazdowego (A1, B1, C1) i trójkątnego (A2, B2, C2) są odpowiednio połączone (A1A2, B1B2, C1C2) i na wyjściu prądnicy tworzą układ trójfazowy. Korzystne jest aby uzwojenie twornika było sześciofazowe utworzone przez dwa układy uzwojeń trójfazowych połączonych w gwiazdy bądź w trójkąty z przesunięciem fazowym między napięciami dwóch sąsiednich faz kolejno o kąty: 90°, 30°, 90°, 30°, 90°, 30°. Uzwojenie wzbudzenia o liczbie par biegunów pEL korzystnie jest połączone ze wzbudnicą wirującą, a jeśli nie ma wzbudnicy wirującej, to uzwojenia wzbudzenia o liczbie par biegunów (pEL) jest połączone z pierścieniami ślizgowymi umieszczonymi na wale.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym, wielobiegunowa. Prądnica przeznaczona jest do zainstalowania w odnawialnych źródłach energii, w szczególności w: elektrowniach wiatrowych i elektrowniach wodnych.

Znane są rozwiązania prądnic ze wzbudzeniem hybrydowym, to znaczy połączenie wzbudzenia magnesami trwałymi ze wzbudzeniem elektromagnetycznym. Znane są obwody magnetyczne maszyn w których siła magnetomotoryczna magnesów trwałych i siła magnetomotoryczna uzwojenia wzbudzenia działają szeregowo bądź równolegle. Rozwiązanie szeregowe wzbudzenia nie jest ekonomiczne, gdyż przenikalność względna magnesów trwałych wynosi w przybliżeniu 1,06 i magnes trwały o grubości kilku milimetrów dla wzbudzenia elektromagnetycznego ma dużą reluktancję i aby efektywnie do wzbudzać obwód magnetyczny lub go od wzbudzać konieczna jest duża siła magnetomotoryczna.

Znany jest z polskiego opisu patentowego 207551 generator elektryczny synchroniczny ze wzbudzeniem hybrydowym równoległym w którym wirnik jest podzielony wzdłużne na dwie części: część dłuższą z zabudowanymi magnesami trwałymi i część krótszą wzbudzaną elektromagnetycznie. Zaletą takiego rozwiązania jest prosta technologia, obydwie części wirnika wykonuje się niezależnie, a następnie montuje się na wspólnym wale. Rozwiązanie to jest korzystne w maszynach dwubiegunowych.

W literaturze spotyka się także propozycje szeregowo-równoległego wzbudzenia hybrydowego. Jednym z nich jest maszyna synchroniczna jawnobiegunowa o parzystej liczbie par biegunów, w której magnesy trwałe umieszcza się na co drugim biegunie i są jednakowo zorientowane względem szczeliny, a uzwojenie wzbudzenia jest cewką okrągłą umieszczono koncentrycznie na wale bądź dwoma takimi cewkami umieszczonymi z dwóch stron wału. Siła magnetomotoryczna wzbudzenia elektromagnetycznego działa unipolarnie w obwodzie magnetycznym maszyny. Rozwiązanie to nie jest korzystne, gdyż magnesuje wał i jarzmo stojana stałym strumieniem magnetycznym oraz wzbudza niesymetryczny rozkład pola magnetycznego pod biegunami N i S. Jak dotychczas nie wzbudziło ono zainteresowania producentów maszyn elektrycznych. Drugim wariantem rozwiązania szeregowo-równoległego jest, gdy magnesy trwałe są umieszczone na części każdego z biegunów wirnika, a uzwojenie wzbudzenia obejmuje cały biegun. W rozwiązaniu tym uzwojenie wzbudzenia ma objętość i masę taką jak w maszynie synchronicznej bez magnesów trwałych, a strumień magnetyczny generowany przez to uzwojenie jest proporcjonalny do powierzchni nabiegunnika nie objętego działaniem magnesu trwałego. W uzwojeniu wzbudzenia wydzielają się większe straty mocy i istnieją problemy cieplno-wentylacyjne maszyny.

Celem wynalazku jest opracowanie rozwiązania konstrukcyjnego prądnicy synchronicznej jawnobiegunowej, o liczbie par biegunów p > 2, ze wzbudzeniem hybrydowym równoległym.

Według wynalazku prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym wielobiegunowa o liczbie par biegunów p ma na wirniku (p_PM) par biegunów z magnesami trwałymi i (pe) par biegunów ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, a uzwojenie twornika ma p = (Ppm + Pb) par biegunów. Rozłożenie biegunów (2pe) ze wzbudzeniem elektromagnetycznym na obwodzie wirnika korzystnie jest równomierne i symetryczne. Uzwojenie twornika korzystnie jest sześciofazowe bez grup równoległych, przy czym jedno uzwojenie A1B1C1 jest trójfazowe połączone w gwiazdę, a drugie uzwojenie A2B2C2 jest trójfazowe połączone w trójkąt, przy czym końcówki wyjściowe uzwojeń gwiazdowego A1B1C1 i trójkątnego A2B2C2 są odpowiednio połączone A1A2, B1B2, C1C2 i na wyjściu prądnicy tworzą układ trójfazowy. Uzwojenie twornika może być także sześciofazowe jednorodne, utworzone, przez dwa układy uzwojeń trójfazowych połączonych w gwiazdy bądź w trójkąty. W tym rozwiązaniu przesunięcia fazowe między napięciami dwóch sąsiednich faz mają kąty:

6 2' 6 2 6

Uzwojenie wzbudzenia o liczbie par biegunów (pe) korzystnie jest połączone ze wzbudnicą wirującą, a jeśli nie ma wzbudnicy wirującej, to uzwojenia wzbudzenia o liczbie par biegunów (pe) jest połączone z pierścieniami ślizgowymi umieszczonymi na wale.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie rozwiązania i zilustrowany na rysunkach na których przedstawiono: fig. 1 - przekrój poprzeczy wirnika o liczbie par biegunów p = 6, fig. 2 - schemat elektryczny uzwojenia twornika o liczbie faz 2 x 3 przy czym uzwojenie A1 B1 C1 jest połączone w gwiazdę, a uzwojenie A2B2C2 jest połączone w trójkąt, fig. 3 - wykres wskazowy napięć indukowanych w uzwojeniach połączonych w gwiazdę i w trójkąt, fig. 4 - schemat połączenia uzwojenia 2x3

PL235 130 Β1 fazowego twornika w układ dwóch gwiazd połączonych z uzwojeniami transformatora trójuzwojeniowego Yy0d11 i fig. 5 - wykres wskazowy napięć międzyprzewodowych indukowanych w uzwojeniu 2x3 fazowym twornika połączonym w dwie gwiazdy.

Prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym wielobiegunowa o liczbie par biegunów p ma na wirniku ppu par biegunów wzbudzanych magnesami trwałym i Pei par biegunów ze wzbudzeniem elektromagnetycznym. Na rysunku fig. 1 przedstawiono wirnik w przekroju poprzecznym do osi wału o liczbie par biegunów p = 6, w tym Ppm = 4 i ps = 2. Rozłożenie biegunów ze wzbudzeniem elektromagnetycznym 2pei na obwodzie wirnika 1 korzystnie jest równomierne i symetryczne. Bieguny wzbudzane elektromagnetycznie składają się z pieńków 3 i nabiegunnika 5. Na pieńkach 3 biegunów jest umieszczone uzwojenie 7 wzbudzenia. Bieguny wzbudzane magnesami trwałymi 6 składają się także z pieńków 2 i nabiegunników 4. Na nabiegunnikach są umieszczone magnesy trwałe 6. Przy liczbie par biegunów Pei = 2 kąt między osiami biegunów 3 wzbudzanych elektromagnetycznie wynosi 90°. Uzwojenie twornika A1B1C1, A2B2C2 prądnicy G ma p = Ppm + Pei par biegunów równą liczbie par biegunów wirnika, w prezentowanym przykładzie p = 6. Uzwojenie twornika A1B1C1, A2B2C2 korzystne jest sześciofazowe, przy czym jedno uzwojenie A1B1C1 jest trójfazowe połączone w gwiazdę, a drugie uzwojenie A2B2C2 trójfazowe jest połączone w trójkąt. Uzwojenie twornika prądnicy G korzystnie nie ma grup równoległych, gdyż przy regulacji strumienia magnetycznego uzwojeniem wzbudzenia, strumień magnetyczny w szczelinie pod biegunami 5 wzbudzanymi elektromagnetycznie i magnesami trwałymi 6 może mieć różną wartość. Końcówki wyjściowe uzwojeń gwiazdowego A1B1C1 i trójkątnego A2B2C2 są odpowiednio połączone A1A2, B1B2, C1C2 i na wyjściu prądnicy tworzą układ trójfazowy. Takie połączenie uzwojeń można zrealizować tylko wówczas, gdy osie uzwojenia połączonego w gwiazdę A1B1C1 tworzą z osiami uzwojenia połączonego w trójkąt A2B2C2 kąt elektryczny 30°, pokazano to na schemacie uzwojenia fig. 2. Przy kącie elektrycznym 30°, przesunięcia między osiami uzwojeń A1B1C1 i A2B2C2, napięcia międzyfazowe uzwojenia połączonego wgwiazdę: E_aibi⁼ Εαι-Ϊ-Εβι, Erk2⁼ Ebi+ECi, Eciai ⁼ Eci+EAi i uzwojenia połączonego w trójkąt Ea2, Eb2, Ec2 są dokładnie w fazie, jak to pokazano na wykresie wskazowym na rysunku fig.

3. Te dwa uzwojenia Al BICI i A2B2C2 można zatem połączyć równolegle, jak na rysunku fig. 2. Efektem tego jest zmniejszenie współczynnika rozłożenia uzwojenia w żłobkach o 3,4% w stosunku do uzwojenia jednorodnego trójfazowego w układzie gwiazdy lub trójkąta. Ponadto w układzie tym harmoniczne v= 5 i v= 7 w napięciach fazowych kompensują się i nie występują w napięciu międzyfazowym. Drugim wariantem rozwiązania uzwojenia twornika prądnicy G jest uzwojenie sześciofazowe jednorodne. Na rysunku fig. 4 uzwojenie sześciofazowe prądnicy G składa się z dwóch uzwojeń trójfazowych połączonych w gwiazdy. Uzwojenie może być także połączone w układy dwóch trójkątów. Kćjty przesunięcia fazowego między napięciami dwóch sąsiednich faz są równe kolejno:

Wykres wskazowy napięć indukowanych w uzwojeniu prądnicy G jest przedstawiony na rysunku fig. 5. Napięcie sześciofazowe korzystnie jest zamieniane na napięcie trójfazowe przez transformator Tr trójuzwojeniowy Yy0d11, który ma dwa uzwojenia pierwotne y i d oraz jedno uzwojenie wtórne Y, jest to uzwojenie wyjściowe dlatego oznaczone jest dużą literą. Uzwojenia pierwotne transformatora Tr, z którymi są połączone uzwojenia prądnicy G, jedno jest połączone w gwiazdę y, a drugie w trójkąt d. Kąt godzinowy między napięciami na wymienionych uzwojeniach y i d transformatora Tr powinien być równy jednej godzinie, to jest 30°. Uzwojenie Y transformatora Tr może być połączone w gwiazdę bądź w trójkąt, na rysunku fig. 4 uzwojenie Y jest połączone w gwiazdę. Schemat połączenia uzwojeń prądnicy G z uzwojeniami transformatora Tr jest przedstawiony na rysunku fig. 4. W układzie tym są korzystnie eliminowane, w napięciu wyjściowym transformatora Tr, harmoniczne i = 5 i i = 7. tym samym uzyskuje się sinusoidalny przebieg napięcia wyjściowego. Uzwojenie sześciofazowe ma o 3,4% większy współczynnik rozłożenia w stosunku do uzwojeniu trójfazowego, Uzwojenie wzbudzenia o liczbie par biegunów pei jest uzwojeniem wirującym i może być zasilane ze wzbudnicy wirującej umieszczonej, na wale prądnicy bądź poprzez pierścienie ślizgowe i szczotki ze wzbudnicy statycznej. Zasilanie uzwojenia wzbudzenia 7, o liczbie par biegunów Pei, z przetwornicy wirującej jest korzystne gdyż nie ma pierścieni ślizgowych i szczotek. Mniejsze są koszty związane z wymianą szczotek i zwiększa jest niezawodność pracy prądnicy.

Prądnica ze wzbudzeniem hybrydowym przy pracy samotnej ma możliwość płynnej stabilizacji napięcia przy zmianach mocy obciążenia. Prądnica przy pracy na sieć elektroenergetyczną może być synchronizowana z siecią jak każda maszyna ze w zbudzeniem elektromagnetycznym, a w czasie pracy ustalonej umożliwia regulację, w sposób ciągły, mocy biernej przekazywanej do sieci. Moc czynną reguluje się turbiną: parową, wodną lub wiatrową. Uzwojenie wzbudzenia 7 ma małą masę miedzi, tym samym straty mocy w uzwojeniu wzbudzenia 7 są małe.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowe

1. Prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym, wielobiegunowa o liczbie par biegunów p, znamienna tym, że na wirniku jest umieszczonych (p_PM) par biegunów (4) z magnesami trwałymi (6) i (pa) par biegunów (5) ze wzbudzeniem elektromagnetycznym (7), a uzwojenie twornika A1B1C1 i A2B2C2 ma p = (Ppm + Pb) par biegunów.

2. Prądnica według zastrz. 1, znamienna tym, że rozłożenie biegunów (5) ze wzbudzeniem elektromagnetycznym (7) na obwodzie wirnika korzystnie jest równomierne i symetryczne.

3. Prądnica według zastrz. 1 i 2, znamienna tym, że uzwojenie twornika korzystnie jest sześciofazowe bez grup równoległych, przy czym jedno uzwojenie A1B1C1 jest trójfazowe połączone w gwiazdę, a drugie uzwojenie A2B2C2 trójfazowe jest połączone w trójkąt, przy czym końcówki wyjściowe uzwojeń gwiazdowego A1B1C1 i trójkątnego A2B2C2 są odpowiednio połączone Α1A2, Β1B2, C1C2 i na wyjściu prądnicy tworzą układ trójfazowy.

4. Prądnica według zastrz. 1 i 2, znamienna tym, że uzwojenie twornika jest sześciofazowe utworzone przez dwa układy uzwojeń A1B1C1 i A2B2C2 trójfazowych połączonych w gwiazdy bądź w trójkąty zjarzesunięciem fazowym między napięciami dwóch sąsiednich faz kolejno o kąty: ~~ -·

5. Prądnica według zastrz. 1 i 2, znamienna tym, że uzwojenie wzbudzenia (7) o liczbie par biegunów (pe) korzystnie jest połączone że wzbudnicą wirującą.

6. Prądnica według zastrz. 1 i 2, znamienna tym, że uzwojenia wzbudzenia (7) o liczbie par biegunów (pe) jest połączone z pierścieniami ślizgowymi umieszczonymi na wale.