Синхронный генератор-компенсатор и способ его работы

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в параметрических машинах в электроэнергетике в качестве электрогенераторов и электродвигателей, например, на электростанциях. Техническим результатом является увеличение за счет увеличения момента инерции на валу системы, экономии топлива в приводном двигателе. Синхронный генератор-компенсатор представляет собой комбинированную электрическую машину, цепь которой снабжена электронным преобразователем частоты мощностью, соответствующей асинхронному двигателю. На одном валу синхронного генератора-компенсатора последовательно размещены роторы приводного двигателя, синхронного генератора с тиристорной схемой самовозбуждения и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Ротор асинхронного двигателя выполнен в виде маховика большого диаметра, радиус R и масса которого соотносится с радиусом r и массой ротора синхронного генератора соответственно, рассчитанными по формуле механического резонанса. Соотношение R/r выбрано в соответствии с числовым рядом Фибоначчи. Выход статора синхронного генератора и вход на статор асинхронного двигателя соединены через преобразователь частоты питающего асинхронный двигатель током с дискретной синхронизацией частоты тока от синхронного генератора и частоты вращательного импульса асинхронного двигателя. Цепь преобразователя частоты снабжена объемными конденсаторами с обеспечением механической положительной обратной связи от ротора асинхронного двигателя к ротору синхронного генератора за счет единого вала роторов асинхронного двигателя и синхронного генератора. Ротор асинхронного двигателя имеет отношение ширины к его радиусу в соответствии с числом ряда Фибоначчи, следующим за выбранным соотношением R/r, а диаметр статора асинхронного двигателя увеличен соответственно ротору с обеспечением зазора между статором и ротором от 1 до 3 мм. Способ работы указанного синхронного генератора-компенсатора осуществляется в соответствии с тем, как он представлен в материалах заявки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предложенная группа изобретений может быть использована в параметрических электрических машинах в электроэнергетике, где они могут использоваться в качестве электрогенераторов и электродвигателей, например, на электростанциях. Относится к электрическим машинам и может быть применено для преобразования механической энергии двигателей и устройств.

Известно изобретение «Космический накопитель энергии», патент RU 2147090, опубл. 2000.03.27, МПК F16H 33/02, F03G 3/08, содержащий маховик и электроагрегат, способный работать в режиме двигателя. Агрегат позволяет создать группу маховиков, способных выдавать накопленную энергию механическим путем отбора мощности и с преобразованием в электроэнергию, однако предложено усложненное решение с двумя осями и тормозными устройствами и одиночный маховик. Изобретение не решает задачу увеличения КПД системы за счет увеличения момента инерции на валу системы.

Известно изобретение «Асинхронная компенсированная электрическая машина», заявка RU 96109621, опубл. 1998.08.10, МПК 6 Н02К 17/28, содержащая ротор, статор и конденсатор для компенсирования намагничивающегося поля. Изобретение позволяет компенсировать реактивную мощность асинхронного двигателя, однако компенсация осуществляется за счет дополнительной обмотки, что уменьшает КПД электрической машины.

Известно изобретение «Управляемый каскадный электрический привод», патент RU 2173927, опубл. 2001.09.20, МПК Н02К 17/34, содержит два соединенных соосных электродвигателя, их магнитные системы выполнены аксиальными и расположены на общем валу, и оба содержат массы в виде двух колец малого и большого диаметров. Изобретение решает задачу обеспечения возможности регулирования скорости и момента при постоянной механической мощности, снимаемой с вала. Однако не позволяет увеличить КПД синхронного генератора за счет дополнительно выработанной электроэнергии.

Известно изобретение «Асинхронная компенсированная электрическая машина», патент RU 2112307, опубл. 1998.05.27, МПК Н02К 17/28, содержащая ротор, статор и конденсатор. Изобретение позволяет снизить потери электрической энергии в сетях низкого напряжения и осуществить компенсацию намагничивающего тока, что ведет к увеличению энергии электрического поля конденсатора, а также способствует преобразованию электрической энергии в механическую посредством асинхронных двигателей. Однако имеет высокое значение потерь реактивной ЭДС при коммутации, высокий пусковой ток и сложности изготовления.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является изобретение «Электроэнергетическая установка», заявка RU 2001101724, опубл. 2002.12.20, МПК Н02К 17/34, содержащая электрические машины, валы которых жестко соединены, причем статор одной выполнен в качестве электроэнергетической установки. Изобретение позволяет увеличить выходную нагрузку на валу, однако не решает задачи увеличения КПД системы за счет увеличения момента инерции на валу системы и повышения КПД синхронного генератора за счет дополнительно выработанной электроэнергии, если он работает в режиме обеспечения потребителя электроэнергией.

Иными словами, все усовершенствования относятся к изменениям в электротехнической части конструкции.

Требуется увеличить КПД системы, т.е. увеличение общей электродинамической мощности.

Поскольку увеличение КПД системы можно осуществить, в частности, за счет увеличения момента инерции на валу системы, то задача сводится к компенсации затраченной энергии на валу электрической машины благодаря получению дополнительной реактивной мощности в ее электрической цепи, т.е. дополнительному преобразованию магнитной составляющей тока, которая передается на статор асинхронного двигателя (АД) и, в дальнейшем, организации ее потребления через механику при передаче дополнительного момента инерции, использующего инерционную массу маховика ротора АД, которая передается на вал синхронного генератора (СГ), т.е. за счет организации положительной обратной связи.

Таким образом, требуется организовать положительную обратную связь с помощью использования как механического синхронного компенсатора, так и электронного синхронного компенсатора.

Техническим результатом является увеличение КПД системы электрических машин за счет увеличения момента инерции на валу системы, в том числе экономии топлива в приводном двигателе, который в дальнейшем (после режима разгона) может осуществлять работу у потребителя, а также повышение КПД синхронного генератора за счет дополнительно выработанной электроэнергии, если он работает в режиме обеспечения потребителя электроэнергией.

Технический результат достигается за счет синхронного генератора-компенсатора, который представляет собой комбинированную электрическую машину, на одном валу которой последовательно размещены роторы приводного двигателя, синхронного генератора с тиристорной схемой самовозбуждения и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, цепь комбинированной электрической машины снабжена электронным преобразователем частоты мощностью, соответствующей мощности асинхронного двигателя, выход со статора синхронного генератора и вход на статор асинхронного двигателя соединены через электронный преобразователь частоты, питающий асинхронный двигатель от синхронного генератора током с дискретной синхронизацией частоты тока и частоты вращательного импульса асинхронного двигателя, цепь электронного преобразователя частоты снабжена одним или несколькими объемными конденсаторами, подключенными последовательно, при этом обеспечена механическая положительная обратная связь от ротора асинхронного двигателя к ротору синхронного генератора за счет единого вала их роторов, причем ротор асинхронного двигателя выполнен в виде маховика большого диаметра, радиус R и масса которого соотносится с радиусом r и массой ротора синхронного генератора соответственно и рассчитаны по формуле механического резонанса, где соотношение R/r выбрано в соответствии с числовым рядом Фибоначчи, ротор асинхронного двигателя имеет отношение ширины к его радиусу в соответствии с числом ряда Фибоначчи, следующим за выбранным соотношением R/r, а диаметр статора асинхронного двигателя увеличен соответственно ротору с обеспечением зазора между статором и ротором от 1 до 3 мм. СГК представляет комбинированную электрическую машину, цепь которой снабжена электронным преобразователем частоты мощностью, соответствующей мощности асинхронного двигателя (АД), ротор АД выполнен в виде маховика большого диаметра, радиус и масса которого соотносится с радиусом и массой ротора синхронного генератора (СГ). Причем ротор АД имеет отношение радиуса к ширине ротора АД кратное длине механической продольной упругой волны в жестком валу, а диаметр статора АД увеличен соответственно ротору с обеспечением зазора между статором и ротором.

В частном исполнении радиус и масса ротора АД соотносится с радиусом и массой ротора СГ соответственно, рассчитанными по формуле механического резонанса, где соотношение R/r равно 3 к 1, а ротор АД имеет ширину в отношении к радиусу 1 к 4.

Чертежи иллюстрируют один из наилучших вариантов реализации устройства.

На Фиг.1 - показана общая схема синхронного генератора-компенсатора.

На Фиг.2 - показана функциональная схема генератора-компенсатора.

На Фиг.3 - показана кинематическая схема генератора-компенсатора.

Устройство состоит из приводного двигателя (ПД) (1), синхронного генератора (СГ) с тиристорной схемой самовозбуждения (2), преобразователя частоты (ПЧ) (3) и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) (4). Валы (5) ротора (6) ПД, ротора (7) СГ и ротора (8) АД представляют собой единый вал (5). Единый вал (5) может быть для удобства сборки собран из жестко соединенных частей, связанных между собой муфтами (9), которые обеспечивают единую жесткую конструкцию вала (5). За счет единого вала крутящий момент с ротора (8) АД передается на ротор (7) СГ и ротор (6) ПД. При этом единый вал (5) при передаче крутящего момента работает на скручивание в зоне упругих деформаций материала, из которого он сделан. Ротор (8) АД выполнен в виде маховика большого диаметра, радиус R и масса М которого соотносится с радиусом r и массой m ротора (7) СГ соответственно, рассчитанными по формуле механического резонанса. Радиус ротора (6) ПД может быть взят исходя из требуемой мощности ПД, которую он должен развить на выходном валу при начале работы системы в режиме разгона системы, и зависит от прикладываемой к нему нагрузки.

Формула механического резонанса рассчитана при условии механического резонанса во вращающемся твердом теле, которым является ротор (8) АД, выполненный в виде маховика с большой массой и радиусом, а поэтому он может быть принят за твердое тело. Механический резонанс возникает тогда, когда радиус вращения твердого тела кратен целому числу длин продольных (вдоль оси вала) упругих деформационных механических волн. Поскольку вращательное движение твердого тела - это аналог горизонтально-вертикального колебательного процесса, то при горизонтальных колебаниях проявляется эффект вибрации, т.е. стоячих волн (фигуры Хладни), а при вертикальных колебаниях - эффект превращения в каждый отдельный момент времени окружности в эллипс в результате действия центробежной растягивающей силы на тело маховика (см. Механика, акустика и теплотехника. Поль Р.В., изд. Наука, М., 1971, с.54-58). Т.е. при колебательном движении тела и наличии резонанса образуются фигуры Хладни (Melde F.E., Chladni's Leben und Wirken, nebst einem chronologischen Verzeichnis seiner literarischen Arbeiten, 2 Aufl., Marburg, 1888; E.F.F.Chladni (1756-1827), «Nature», 1956, v.178, №4543).

Таким образом, геометрически, из «треугольника импульсов» по теореме Пифагора, с учетом процесса вращения распространения продольных импульсов видно, что соотношение R/r может быть выбрано в соответствии с числовым рядом Фибоначчи, например 3 к 1, а соотношение ширины маховика АД к его радиусу может быть выбрано 1 к 4, что является величиной, к которой асимптотически приближается соотношение длины механической упругой продольной волны к радиусу R маховика ротора (8) АД. Асинхронный двигатель выполнен нестандартной конструкции. Геометрия конструкции АД (4) состоит в том, что по отношению к стандартному асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором ротор (8) исполнен в виде маховика малой ширины (узкий) с увеличенным радиусом R и массой М с целью увеличения махового момента и вращательного импульса при минимальном потреблении выработанной ПЧ (3) реактивной мощности. Соответственно конструкции ротора (8) увеличен по диаметру и статор (10) АД. А зазор между ротором (8) и статором (10) может быть выбран от 1 мм до 3 мм.

Электрический выход («А») со статора (9) СГ и электрический вход («Б») на статор (10) АД соединены через преобразователь частоты (ПЧ) (3) питающего АД тока с дискретной синхронизацией частоты тока от СГ и частоты вращательного импульса АД (см. Фиг.2). Электрическая цепь (11) ПЧ (3) снабжена одним или несколькими объемными конденсаторами (12), подключенными последовательно с обеспечением механической положительной обратной связи («Г») от ротора (8) АД к ротору (7) СГ за счет единого вала (5) роторов АД (3) и СГ (2). Единый вал (5) соединяет также ротор (13) ПР (1) с роторами (7 и 8) СГ (2) и АД (3) (см. Фиг.3). В предлагаемом энергоагрегате СГК цепь (11) с конденсаторами (12) и частотным преобразователем (3) является электронной схемой больших мощностей. ПЧ может быть взят из известных приборов типа FR - Е500, изготовитель Mitsubishi Electric или ПЧ фирмы Danfoss.

Устройство работает следующим образом.

В начальный период работы системы следует преодолеть ее электромагнитное сопротивление, а затем при условии синхронизации тока по частоте в СГ и АД, с помощью преобразователя частот, снабженного конденсатором, система начинает дополняться дополнительной энергией, полученной через обратную положительную связь за счет подачи реактивной энергии на вал асинхронного двигателя (АД).

Сначала осуществляется запуск приводного двигателя (1), который в режиме запуска осуществляет вывод синхронного генератора (2) в рабочий режим, а через общий вал (5) осуществляет и раскрутку ротора-маховика (8) асинхронного двигателя (4), при этом напряжение на статор (10) АД не подается. Далее подключают преобразователь по частоте (3), который включает и выключает АД (4), достигая тем самым синхронизации частоты вращательного импульса, который создается при вращении ротора (9) СГ (2) и ротора-маховика (8) АД (4). Поскольку единый вал (5) не является абсолютно жестким телом и при передаче вращательного импульса подвергается скручиванию, характеризуемому модулем упругости материала, из которого он изготовлен, то от ротора (8) (т.е. с маховика) АД (1) к ротору (7) СГ передаются горизонтально-вертикальные колебания маховика (8), распространяющиеся по валу в виде синусоидальных кинематических колебаний, что обеспечивает обратную положительную связь с ротором (7) СГ (2), в результате чего накопленный момент инерции маховика (8) в виде вращательных импульсов передают на ротор (7) СГ, а он, в свою очередь, вырабатывает с той же частотой дополнительную мощность, реактивная составляющая которой накапливается в объемном конденсаторе (12), и с помощью преобразователя частот (3) передают на статор (10) АД.

При этом в промежутках времени, когда АД (4) выключен, осуществляется передача энергии с выхода «А» СГ (2) на ротор-маховик (8) АД (4), раскручивая его до резонанса, а когда включается АД (4), с вращающегося маховика ротора (8) передают через положительную обратную связь «Г» дополнительную мощность на ротор (9) СГ (2), который, в свою очередь, осуществляет накопление дополнительно выработанной электрической энергии в объемном конденсаторе (12), и через ПЧ (3) осуществляется подпитка по мощности АД (4) за счет реактивной составляющей, полученной за счет дополнительной инерции вращения ротора-маховика (8) АД (4).

Поскольку изменение во времени магнитного поля в цепи (11) получают из-за электрических колебаний в системе на выходе «А» СГ (2), т.е. получают переменный ток, то такой эффект в радиотехнике называют работой колебательного контура. В рассматриваемом случае обмотки статоров (9 и 10) СГ и АД, подключенные к конденсаторам (12) являются также колебательными контурами низкой промышленной частоты, равной 50 Гц.

Таким образом, преобразователь частоты (3) функционально является синхронным компенсатором, т.е. из-за наличия в его конструкции конденсаторов (12) он способен вырабатывать дополнительную реактивную мощность, которая далее потребляется асинхронным двигателем (4) в виде вращающегося магнитного поля на статоре двигателя.

В кинематической схеме СГК учтено правило рычагов Архимеда, ряд чисел Фибоначчи и соотношение золотого сечения. Т.о, в предложенном устройстве используют сочетание законов механики в приложении к электродинамике.

Для СГК справедлива формула MVR≠mvr, где дополнительная реактивная энергия, подаваемая от ПЧ (3) на вход «Б» АД (4), эффективно используется в виде механической энергии на общем валу (5) с помощью АД (4) с большим маховым моментом на роторе (8) (т.е. при вращении он функционально является одновременно и тяжелым маховиком, который аккумулирует момент инерции). В то же время, при наличии уже вращающегося маховика (8) короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя, справедлива формула Q=MR², где Q - вращательный импульс ротора АД, М - масса ротора АД (маховика), R - радиус ротора АД (плечо), которая показывает линейную зависимость по массе и квадратичную зависимость по радиусу (см. Механика, акустика и учение о теплоте. Поль Р.В., под ред. Суворова Н.П., изд. Наука, М., 1971 г., с.96-97 и с.101). При выборе соотношения радиусов и масс роторов СГ и АД, равной соотношению, выбранному в соответствии с рядом Фибоначчи, а отношение ширины ротора АД к его радиусу - в соответствии с отношением золотого сечения, получают управляемый резонанс или управляемый «разнос» системы. Эти оба эффекта проявляются при синхронизации электрических и магнитных колебаний в системе СГК, а следовательно, происходит увеличение выработки механической и соответственно электрической составляющей выработанной энергии, т.е. увеличивается КПД системы (см. Учение об электричестве. Поль Р.В., Физматгиз, 1962, с.185-187).

Способ работы системы может быть использован также в системах, которые работают в тяжелых условиях, с большой нагрузкой на выходном валу или в стационарных электрогенераторных станциях.

Известны способы работы асинхронных двигателей, объединенных в систему вместе с генераторами и/или конденсаторами, однако они играют роль дополнительного источника реактивной мощности за счет получения ее извне системы, что не дает увеличения КПД.

Например, известно изобретение «Способ повышения коэффициента (cos ϕ), передачи мощности параметрических электрических машин», патент RU 2076432, опубл. 1997.03.27, МПК Н02K 19/00, Н02K 17/08, включающий изменение индуктивности и электрической емкости с одинаковой частотой и в фазе, которая обеспечивается размещением деталей ротора индуктивного элемента и роторных пластин емкостного элемента на одном валу. Изобретение решает задачу размещением деталей ротора индуктивного элемента и роторных пластин емкостного элемента на одном валу, что расширяет область использования параметрических электрических машин в электроэнергетике, где они могут использоваться в качестве электрогенераторов и электродвигателей на электростанциях. Однако задачу решают путем увеличения глубины модуляции периодически изменяющейся индуктивности одновременно с периодическим изменением электрической емкости, но не используют повышение КПД синхронного генератора за счет дополнительно выработанной электроэнергии и не увеличивают КПД системы за счет увеличения момента инерции на валу системы.

Наиболее близким к предлагаемому способу является изобретение «Способ усиления мощности на валу электродвигателя», патент RU 2114497, опубл. 1998.06.27, МПК Н02K 7/02, F03G 3/08, H02J 3/30, заключающийся в том, что маховик жестко закреплен на свободном валу, механически связанном с валом электродвигателя, а коммутацию осуществляют дискретно. Изобретение позволяет усилить мощность на валу электродвигателя за счет перехода потенциальной энергии от верхней мертвой точки положения маховика-эксцентрика до нижней мертвой точки в кинетическую энергию вращения, однако не позволяет увеличить КПД системы за счет увеличения момента инерции на валу системы и повысить КПД синхронного генератора за счет дополнительно выработанной электроэнергии, если он работает в режиме обеспечения потребителя электроэнергией. Кроме того, система будет плохо работать, поскольку трудно осуществить синхронизацию в горизонтальном направлении вала, на котором закреплен маховик-эксцентрик, или горизонтального положения вала электродвигателя, ротор которого выполнен в виде маховика-эксцентрика с периодом коммутации.

Для увеличения КПД всей системы СГК требуется достичь механического резонанса маховика, съема с него дополнительно полученного вращательного импульса и за счет него получить дополнительную выработку электроэнергии, часть которой расходуется на генерирование реактивной мощности для подпитки асинхронного двигателя, что, в свою очередь, вызывает электромеханический резонанс в синхронном генераторе, т.е. управляемый «разнос» системы. Иными словами следует организовать колебательный электромеханический контур, работающий в заданном циклическом режиме с требуемой частотой и использующий накопленную инерцию массы - в одной своей фазе и накопленную инерцию электромагнитного поля - в другой своей фазе, т.е. увеличения махового момента и вращательного импульса при минимальном потреблении выработанной ПЧ реактивной мощности.

В результате выполнения поставленной задачи, а также при использовании соотношения масс и их плеч достигают увеличения КПД всей системы.

Технический результат достигается за счет способа работы СГК, при котором предварительно разгоняют ротор синхронного генератора и асинхронного двигателя с помощью приводного двигателя, после выхода синхронного генератора-компенсатора на рабочий режим осуществляют съем активной мощности с синхронного генератора, подачу ее на электронный преобразователь частоты, который вырабатывает дополнительную реактивную составляющую тока и аккумулирует ее в объемном конденсаторе, при достижении синхронизации по частоте выходного тока синхронного генератора и входного тока асинхронного двигателя с обеспечением разности фаз этих токов в 180° подают дополнительную реактивную мощность на статор асинхронного двигателя, осуществляют съем механической энергии с ротора асинхронного двигателя на ротор синхронного генератора и на приводной двигатель с получением электромеханического резонанса, обеспечивая при этом «управляемый разнос» ротора синхронного генератора за счет подачи дополнительно выработанного вращательного импульса на валу асинхронного двигателя, подаваемого на вал ротора синхронного генератора.

При этом обеспечивают переход кинетической энергии от ротора АД к ротору СГ через вал. Достигают «управляемого разноса» СГ путем осуществления предварительного разгона роторов СГ и АД с помощью приводного двигателя (ПД), применения электронного преобразователя частоты с включенным в него объемным конденсатором, подачи дополнительной реактивной мощности на статор АД, съема механической энергии с ротора АД на ротор СГ и ПД с получением электромеханического резонанса, обеспечивая при этом «управляемый разнос» ротора СГ за счет дискретной подачи дополнительно выработанного вращательного импульса на валу АД, подаваемого на вал ротора СГ, рассчитываемого по формуле:

ΔG² _СГ-АД=ω²(М-m)R²/r²,

где

G - вращательный импульс на АД и СГ соответственно,

ω - частота тока на выходе СГ и частота вращательного импульса на выходе АД,

R - радиус ротора АД,

r - радиус ротора СГ,

М - масса ротора АД,

m - масса ротора СГ.

Приводной двигатель (1) раскручивает синхронный генератор (2) (имеющий тиристорную схему самовозбуждения). После выхода на рабочий цикл системы, вырабатываемая активная мощность с вывода «А» частично подается на преобразователь частоты (3), который вырабатывает дополнительную реактивную мощность и подает ее на вход «Б», подпитывая асинхронный двигатель (4). Преобразователь частоты (3) в схеме выполняет одновременно две функции: вырабатывает дополнительную реактивную мощность и синхронизирует ток по частоте, а следовательно, частоту вращения общего вала (5) и частоту вращения ротора (8) АД относительно статоров ПД (1), СГ (2) и АД (4).

СГ (2), ПЧ (3) и АД (4) работают как единый электромеханический агрегат, являющийся синхронным генератором-компенсатором (СГК), т.е синхронный генератор (2) работает в режиме управляемого «разноса», а ПЧ (3) исполняет функцию статического синхронного компенсатора (СК) за счет наличия конденсаторов (12). За счет дополнительной реактивной мощности, передаваемой на статор (10) асинхронного двигателя (4), обеспечивают вращающееся магнитное поле на статоре (10) АД(4) двигателя. Причем для обеспечения увеличения раскрутки ротора (8) АД (4) обеспечивают с помощью ПЧ (3) разности фаз токов на выходе «А» и на входе «Б» в 180°.

При этом при совпадении частот вращения роторов АД (4), СГ (2) и ПД (1) на общем валу (5) получают электромеханический резонанс. В результате достигают дополнительного выигрыша в энергии системы и уменьшения потребления топлива приводным двигателем (ПД) (1). За счет дискретного торможения постоянным током, вырабатываемым в электронной системе ПЧ (3), достигают управляемого «разноса» СГ (2).

Преобразователь частоты (3) в предложенной схеме работает функционально как немеханический (электронный) аналог механического синхронного компенсатора, который вырабатывает и аккумулирует реактивную мощность в электрической цепи и передает ее на асинхронный двигатель (который, в свою очередь, компенсирует часть механической работы синхронного генератора и приводного двигателя через общий вал (5), что определяет дополнительный выигрыш также в механической энергии. Кроме того. для предложенного СГК действует механизм механического синхронного компенсатора, причем функционально механическим компенсатором является синхронный генератор (2) в режиме дополнительного «разгона» за счет получения через обратную положительную связь от АД (4) добавочной мощности, превращаясь в данном периоде цикла работы системы, по существу, в синхронный двигатель с облегченным ротором, который в этом режиме работает на холостом ходу и вырабатывает дополнительную реактивную энергию для асинхронного двигателя (как одного из потребителей).

Т.о., за счет механического усилия (кинетической энергии короткозамкнутого ротора-маховика) асинхронный двигатель передает дополнительный момент вращения на СГ, который, в свою очередь, увеличивает обороты ротора-маховика, осуществляя управляемый «разнос» и, следовательно, вырабатываемый переменный ток, а преобразователь частоты, вырабатывая дополнительную реактивную мощность на АД, т.е. осуществляя процесс выработки реактивной мощности, аккумулирования и передачи при подключении АД к ПЧ как непрерывный единый процесс через конденсаторы, обеспечивает дополнительный разгон ротора АД, крутящий момент с которого снимается на выходе и передается на синхронный генератор, при этом происходит синхронизация по вращательному импульсу, т.е. синхронизация механического импульса по частоте, совершающего работу (кгс·м) с мощностью (кгс·м/с) в СГ и АД, и синхронизация тока по частоте, совершающего работу (Дж) с мощностью (Дж/с) в СГ и АД, которая осуществляется за счет жестких связей валов ПД, СГ и АД. Однако обязательно при этом требуется также синхронизация тока АД и СГ по частоте с помощью преобразователя частот и обеспечение фазы токов в 180°.

В предложенном способе преобразователь частот (ПЧ) обеспечивает синхронизацию вращения СГ синхронного генератора и АД асинхронного двигателя, точнее синхронизацию по частоте электрического тока в СГ и АД, что дает сложение векторов ЭДС в СГ и АД или смещение фазы тока ровно 180°; образует положительную обратную связь между СГ синхронным генератором и АД асинхронным двигателем; обеспечивает реактивной энергией АД асинхронный двигатель, т.е. его электромагнитной составляющей Wp в виде вращающегося магнитного поля на статоре АД, а следовательно, увеличивается общий КПД системы (Электротехника и электрооборудование. Общий курс, под ред. Ястребова П.П., РОСВУЗИЗДАТ, 1963 г., с.609-612).

Таким образом, использован резонанс по частоте собственного вращения ротора АД в виде маховика и частоте вращения магнитного поля статора АД. При этом механическое колебание, возникающее вдоль оси вращения маховика передается по единому валу в виде упругой продольной волны кручения на ротор СГ в виде обратной связи, передающей дополнительный вращательный импульс, накопленный за счет вращения тяжелого ротора АД.

Поскольку V²=ω²Rr² потребляемая двигателем мощность пропорциональна ω², добавку дополнительной энергии получают при увеличении угловой скорости маховика до начала резонанса и отсутствие ее при уменьшении угловой скорости ротора асинхронного двигателя, т.к. нет подпитки за счет реактивной мощности. Традиционно же ПЧ используют для плавного запуска, остановки, защиты при нештатных ситуациях, а также для адаптации по нагрузке потребляемой мощности.

Новизна способа обеспечивается за счет того, что используют «управляемый разнос» за счет преобразователя частоты, применяется режим включения - выключения напряжения, что обеспечивает принцип положительной обратной связи при управляемом «разносе», сочетание и взаимоувязка режима синхронизации и режима резонанса, а также применяют расчетное соотношение вынужденных колебаний и свободных колебаний системы, т.к. вынужденные колебания - это колебания генератора, а свободные колебания - это колебания ротора-маховика АД (вращательное движение в механике - есть аналог одновременно горизонтально-вертикального колебательного процесса).

Поскольку КПД генератора равен η_ген=Р_электр/Р_мех, то для выигрыша в силе увеличено плечо, т.к. чем больше соотношение, тем больше выигрыш в мощности генератора.

Достигается технический результат - увеличение КПД системы за счет увеличения момента инерции на валу системы, следовательно, экономия топлива в приводном двигателе, который в дальнейшем (после режима разгона) может осуществлять работу у потребителя, повышение КПД СГ синхронного генератора за счет дополнительно выработанной электроэнергии, если он работает в режиме обеспечения потребителя электроэнергией. Кроме того, происходит компенсация затраченной энергии за счет механики через вал благодаря преобразованию реактивной мощности в электрической цепи, т.е. магнитной составляющей тока, которая в виде вращающегося магнитного поля на статоре АД намного дешевле его активной составляющей, а следовательно, удешевление вырабатываемой электроэнергии.

Предлагаемый способ может быть использован также в стационарных генерирующих установках, особенно в автомобильных, например для МЧС, т.е. в тяжелых нештатных ситуациях. Эффект проявляется не у конечного потребителя, а у продавца электроэнергии, т.е. у электростанции, за счет дополнительной выработки электроэнергии.

1. Синхронный генератор-компенсатор, который представляет собой комбинированную электрическую машину, на одном валу которой последовательно размещены роторы приводного двигателя, синхронного генератора с тиристорной схемой самовозбуждения и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, цепь комбинированной электрической машины снабжена электронным преобразователем частоты мощностью, соответствующей мощности асинхронного двигателя, выход со статора синхронного генератора и вход на статор асинхронного двигателя соединены через электронный преобразователь частоты, питающий асинхронный двигатель от синхронного генератора током с дискретной синхронизацией частоты тока и частоты вращательного импульса асинхронного двигателя, цепь электронного преобразователя частоты снабжена одним или несколькими объемными конденсаторами, подключенными последовательно, при этом обеспечена механическая положительная обратная связь от ротора асинхронного двигателя к ротору синхронного генератора за счет единого вала их роторов, причем ротор асинхронного двигателя выполнен в виде маховика большого диаметра, радиус R и масса которого соотносятся с радиусом r и массой ротора синхронного генератора соответственно и рассчитаны по формуле механического резонанса, где соотношение R/r выбрано в соответствии с числовым рядом Фибоначчи, ротор асинхронного двигателя имеет отношение ширины к его радиусу в соответствии с числом ряда Фибоначчи, следующим за выбранным соотношением R/r, а диаметр статора асинхронного двигателя увеличен соответственно ротору с обеспечением зазора между статором и ротором от 1 до 3 мм.

2. Синхронный генератор-компенсатор по п.1, отличающийся тем, что соотношение R/r равно 3 к 1, а ротор асинхронного двигателя имеет ширину в отношении к радиусу 1 к 4.

3. Способ работы синхронного генератора-компенсатора, при котором предварительно разгоняют ротор синхронного генератора и асинхронного двигателя с помощью приводного двигателя, после выхода синхронного генератора - компенсатора на рабочий режим осуществляют съем активной мощности с синхронного генератора, подачу ее на электронный преобразователь частоты, который вырабатывает дополнительную реактивную составляющую тока и аккумулирует ее в объемном конденсаторе, при достижении синхронизации по частоте выходного тока синхронного генератора и входного тока асинхронного двигателя с обеспечением разности фаз этих токов в 180°, подают дополнительную реактивную мощность на статор асинхронного двигателя, осуществляют съем механической энергии с ротора асинхронного двигателя на ротор синхронного генератора и на приводной двигатель с получением электромеханического резонанса, обеспечивая при этом «управляемый разнос» ротора синхронного генератора за счет подачи дополнительно выработанного вращательного импульса на валу асинхронного двигателя, подаваемого на вал ротора синхронного генератора, рассчитываемого по формуле

ΔG² _СГ-АД=ω²(M-m)R²/r²,

где G - вращательный импульс на асинхронном двигателе и синхронном генераторе соответственно;

ω - частота тока на выходе синхронного генератора и частота вращательного импульса на выходе асинхронного двигателя;

R - радиус ротора асинхронного двигателя;

r - радиус ротора синхронного генератора;

М - масса статора асинхронного двигателя;

m - масса статора синхронного генератора.