Схема возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора

Полезная модель направлена на снижение габаритов системы возбуждения, уменьшение мощности источника возбуждения и повышение надежности работы генератора. Указанный технический результат достигается тем, что источник возбуждения постоянного напряжения подключен параллельно обмотке ротора генератора со скользящими контактами, а нагрузка и полупроводниковый диод включены последовательно с обмоткой статора генератора таким образом, чтобы ток в обмотке ротора и скользящих контактах был равен сумме токов источника возбуждения и нагрузки. Ил. 1.

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющейся при вращении ротора суммарной индуктивностью двух одинаковых и индуктивно связанных обмоток ротора и статора и может быть использована для питания электрофизических установок периодически повторяющимися однополярными импульсами тока.

Известна схема возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора [Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. - Л.: Наука, 1985, с.202-204], в которой источник возбуждения и нагрузка с коммутатором включены параллельно двум одинаковым и индуктивно связанным обмоткам ротора и статора генератора, которые соединены между собой последовательно при помощи скользящих контактов (контактные кольца и щетки). При вращении ротора суммарная индуктивность этих обмоток периодически пульсирует за счет того, что в одном положении ротора обмотки оказываются включенными согласно и имеют максимальную суммарную индуктивность, а в другом - встречно и имеют минимальную суммарную индуктивность. В момент максимума суммарной индуктивности обмоток генератора коммутатор подключает нагрузку, в которой генерируется импульс тока, а затем после уменьшения тока этот коммутатор отключает нагрузку.

Недостатками этой схемы при генерировании периодически повторяющихся импульсов тока является необходимость применения мощного импульсного источника возбуждения, периодически работающего коммутатора и то, что изоляция обмотки ротора и скользящих контактов, рассчитанная на половину генерируемого напряжения, подвержена значительным механическим и тепловым нагрузкам - все это снижает надежность и эффективность работы генератора.

Наиболее близким техническим решением является схема с источником возбуждения постоянного напряжения, выбранная в качестве прототипа [Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М,: Высшая школа, 1985, с.208]. Эта схема содержит

последовательно соединенные обмотки генератора с суммарной изменяющейся индуктивностью, параллельно которым включены источник возбуждения постоянного напряжения с балластной индуктивностью дополнительной катушки и нагрузка с полупроводниковым диодом. Балластная индуктивность служит для ограничения пульсации тока возбуждения и используется также для того, чтобы источник возбуждения не шунтировал нагрузку, а диод необходим для разделения цепей протекания токов возбуждения и нагрузки. При периодическом изменении суммарной индуктивности генератора в нагрузке протекают периодически повторяющиеся с частотой изменения индуктивности генератора однополярные импульсы тока.

Недостатком прототипа является значительная балластная индуктивность дополнительной катушки, соизмеримая с максимальной суммарной индуктивностью обмоток генератора, что приводит к увеличенным габаритам системы возбуждения и потерям мощности в сопротивлении дополнительной катушки. На изоляцию обмотки ротора и скользящих контактов воздействует половина генерируемого напряжения, что снижает надежность работы генератора.

Задачей полезной модели является снижение габаритов системы возбуждения, уменьшение мощности источника возбуждения и повышение надежности работы генератора.

Это достигается тем, что в схеме возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора, содержащей источник возбуждения постоянного напряжения, нагрузку, соединенную последовательно с полупроводниковым диодом, и две одинаковые индуктивно связанные обмотки генератора, размещенные на роторе и статоре и соединенные между собой при помощи скользящих контактов, источник возбуждения постоянного напряжения подключен параллельно обмотке ротора генератора со скользящими контактами, а нагрузка и полупроводниковый диод включены последовательно с обмоткой статора генератора таким образом, чтобы ток в обмотке ротора и скользящих контактах был равен сумме токов источника возбуждения и нагрузки.

Достигаемый результат поясним для неявнополюсного компрессионного генератора при постоянных индуктивностях обмоток генератора L и весьма малых сопротивлениях обмоток генератора и скользящих контактов R₁ и R ₂, когда этими сопротивлениями при определении законов изменения токов можно пренебречь. Примем, что взаимная индуктивность обмоток генератора при вращении ротора периодически изменяется во времени t по гармоническому закону

M(t)=kLcost,

где k<1 - коэффициент связи обмоток ротора и статора;

- угловая частота, определяемая частотой вращения ротора и числом пар полюсов обмотки ротора (статора).

Потокосцепления обмоток ротора (₁) и статора (₂) будут равны

В режиме холостого хода, когда ток нагрузки равен нулю, определяем постоянный ток возбуждения и мощность источника возбуждения

а также напряжение на нагрузке, которое за счет диода больше или равно нулю:

где U₀ - постоянное напряжение источника возбуждения.

В режиме короткого замыкания, когда напряжение на нагрузке равно нулю, из решения уравнений

находим ток возбуждения и среднюю мощность источника возбуждения

а также ток нагрузки

где

Таким образом, полупроводниковый диод обеспечивает генерирование однополярных импульсов тока в нагрузке и препятствует протеканию тока возбуждения через нагрузку. Наибольшие величины тока возбуждения и мощности источника возбуждения соответствуют режиму холостого хода, причем особенность схемы такова, что ток нагрузки через источник возбуждения не проходит и наибольшему значению этого тока в режиме короткого замыкания

соответствует наименьшее значение тока возбуждения

Заявляемая полезная модель имеет следующие преимущества перед прототипом:

1. За счет отсутствия дополнительной катушки с балластной индуктивностью снижаются габариты системы возбуждения компрессионного генератора.

2. За счет отсутствия дополнительной катушки и уменьшения пульсации тока возбуждения уменьшается мощность источника возбуждения.

3. За счет подключения источника возбуждения параллельно обмотке ротора со скользящими контактами повышается надежность работы генератора, т.к. изоляция вращающейся обмотки ротора и скользящих контактов рассчитывается только на незначительное постоянное напряжение возбуждения, а изоляция неподвижной обмотки статора - на все генерируемое напряжение.

На фиг.1 приведена схема возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора. Схема содержит источник возбуждения постоянного напряжения 1, который включен параллельно обмотке ротора генератора со скользящими контактами, имеющей индуктивность (L) 4 и сопротивление (R ₁) 5. Нагрузка генератора 2, соединенная последовательно с полупроводниковым диодом 3, включена последовательно обмотке статора генератора, имеющей индуктивность (L) 6 и сопротивление (R₂) 7, таким образом, чтобы ток в обмотке ротора и скользящих контактах 4, 5 был равен сумме токов источника возбуждения i_B(t) и нагрузки i _H(t). Одинаковые индуктивности обмоток генератора 4 и 6 характеризуются взаимной индуктивностью M(t).

Схема возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора работает следующим образом. Ток i_B(t) источника возбуждения постоянного напряжения 1 и ток i_H(t) нагрузки 2, протекая через вращающуюся обмотку ротора со скользящими контактами 4, 5, генерируют, за счет взаимной индуктивности M(t), переменное напряжение на обмотке статора 6, 7. Под действием этого напряжения и полупроводникового диода 3 генерируются однополярные импульсы тока i_H(t) в нагрузке 2, причем за счет полупроводникового диода 3 и суммы токов i_B (t), i_H(t) в обмотке ротора и скользящих контактах 4, 5 ток возбуждения i_B(t) через нагрузку 2 не протекает.

Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и экспериментальных исследований, проведенных автором, имеет в режиме холостого хода примерно в два раза больше ток возбуждения и в два раза меньшую мощность источника

возбуждения при существенно меньших габаритах системы возбуждения. При этом напряжение источника возбуждения, приложенное к обмотке ротора со скользящими контактами, в десятки раз меньше генерируемого напряжения на обмотке статора.

Данная полезная модель реализована в виде схемы возбуждения и питания нагрузки неявнополюсного компрессионного генератора массой 500 кг с тремя парами полюсов и 33 оборотами в секунду ротора для импульсно-периодического питания активно-индуктивной нагрузки. Этот генератор имеет среднюю мощность источника возбуждения 600 Вт при средней генерируемой мощности 60 кВт и частоте следования импульсов тока 100 Гц.

Схема возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора, содержащая источник возбуждения постоянного напряжения, нагрузку, соединенную последовательно с полупроводниковым диодом, и две одинаковые индуктивно связанные обмотки генератора, размещенные на роторе и статоре и соединенные между собой при помощи скользящих контактов, отличающаяся тем, что источник возбуждения постоянного напряжения подключен параллельно обмотке ротора генератора со скользящими контактами, а нагрузка и полупроводниковый диод включены последовательно с обмоткой статора генератора таким образом, чтобы ток в обмотке ротора и скользящих контактах был равен сумме токов источника возбуждения и нагрузки.