Система стабилизации напряжения переменного тока

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании источников питания, выполненных на основе механоэлектрических систем генерирования, применяемых в летательных аппаратах, судах, других транспортных средствах и автономных объектах. Магнитоэлектрический генератор 1 приводится во вращение валом первичного двигателя 4 с изменяющейся скоростью, пропорционально которой изменяется частота и напряжение на выходе генератора. Потребителей электроэнергии 6, рассчитаны на стабильное напряжение, но не критичны к частоте тока. Стабилизация выходного напряжения генератора на выходе рабочих обмоток 2 осуществляется за счет увеличения размагничивающего тока и противо ЭДС, создаваемых дополнительной обмоткой 3 при увеличении скорости первичного двигателя. Ток дополнительной обмотки регулируется управляемым короткозамыкателем 9 и определяется сигналом с выхода узла сравнения 7 напряжения нагрузки с его заданным значением, определяемым узлом задания 8. Технический результатом, который достигается при использовании полезной модели, является увеличение надежности системы стабилизации напряжения переменного тока за счет упрощения ее конструкции и уменьшение габаритов за счет снижения массы фильтра 5.

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании источников питания, выполненных на основе механоэлектрических систем генерирования, применяемых в летательных аппаратах, судах, других транспортных средствах и автономных объектах.

Известны системы стабилизации напряжения переменного тока, содержащие магнитоэлектрические генераторы (с возбуждением от постоянных магнитов), непосредственно связанные с валом первичного двигателя, например, авиационные. Генераторы формируют на своих выходах напряжение, действующее значение которого зависит от частоты вращения вала первичного двигателя и тока нагрузки. Стабилизации напряжения реализуется изменением сопротивления магнитопровода магнитной цепи якоря за счет введения дополнительной тороидальной подмагничивающей обмотки [А.И.Бертинов «Авиационные электрические генераторы», учебное пособие, М. 1959. Государственное издательство оборонной промышленности, 1959 г., с.338-341]. Система имеет ограниченные возможности регулирования напряжения при изменении частоты вращения вала генератора в широком диапазоне, что является его недостатком. Применяемые в этом случае преобразователи уровня напряжения имеют повышенные массогабаритные характеристики. Это обусловлено тем, что вся генерируемая мощность, за исключением мощности нагрузки, должна быть поглощена преобразователем. Кроме того, подобные системы стабилизации напряжения имеют относительно низкий коэффициент мощности.

Известны системы стабилизации напряжения переменного тока при изменении скорости вращения в широком диапазоне, которые содержат бесконтактные генераторы с комбинированным возбуждением [Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Т. 1, под ред. С.А.Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 г. с.180-184]. Повышенные массогабаритные показатели электромеханического преобразователя и высокая трудоемкость изготовления ограничивают применение таких систем.

Известна также система стабилизации напряжения переменного тока нестабильной частоты, которая содержит непосредственно связанный с валом первичного двигателя магнитоэлектрический генератор с рабочими и дополнительными обмотками, соединенными по схеме звезда, фильтр, к входам которого присоединены выходные выводы рабочей обмотки, а его выходы подключены к нагрузке, узел сравнения, один из входов которого присоединен к нагрузке, а второй к источнику задания напряжения. [Патент РФ на полезную модель 81609, от 05.12.2008]. Система наиболее близка к предлагаемой полезной модели и является прототипом.

Стабилизация выходного напряжения в устройстве прототипа осуществляется за счет источника формирования реактивного тока генератора. К числу недостатков системы стабилизации напряжения переменного тока прототипа следует отнести конструктивную сложность источника формирования реактивного тока генератора, что снижает надежность устройства и необходимость промежуточного фильтра больших габаритов между выходными выводами генератора и нагрузкой для сглаживания пульсаций, создаваемых коммутатором источника реактивного тока, что приводит к увеличению габаритов все системы.

Технический результатом, который достигается при использовании полезной модели, является увеличение надежности системы стабилизации напряжения переменного тока за счет упрощения ее конструкции и уменьшение габаритов за счет снижения массы фильтра.

Технический результат достигается за счет того, что в систему стабилизации напряжения переменного толка, содержащую непосредственно связанный с валом первичного двигателя магнитоэлектрический генератор с рабочей и дополнительной обмотками, соединенными по схеме звезда, фильтр, к входам которого присоединены выходные выводы рабочей обмотки, а его выходы подключены к нагрузке; узел сравнения, один из входов которого присоединен к нагрузке, а второй к источнику задания напряжения, введен управляемый короткозамыкатель, к одним выводам которого подключен выход узла сравнения, а к другим выводам выходные выводы дополнительной обмотки.

Управляемый короткозамыкатель может быть выполнен в виде мостовой схемы выпрямления, к выходу которой присоединен управляемый ключ, например, транзистор.

Кроме того, в схему могут быть введены конденсаторы, включенные между выходными выводами дополнительной обмотки и короткозамыкателем.

На Фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемой системы стабилизации напряжения переменного тока.

На Фиг.2 приведена упрощенная схема замещения одной фазы генератора предлагаемой системы стабилизации напряжения переменного тока при закороченном короткозамыкателе.

На Фиг.3 приведена векторная диаграмма, поясняющая работу системы стабилизации напряжения переменного тока в режиме холостого хода.

На Фиг.4 представлена схема системы стабилизации напряжения переменного тока устройства с конденсаторами, включенными последовательно в каждую фазу дополнительной обмотки.

На Фиг.5 представлены варианты управляемого короткозамыкателя.

Система стабилизации напряжения переменного тока (Фиг.1) состоит из синхронного генератора 1 с магнитоэлектрическим возбуждением, который содержит рабочую (основную) обмотку 2 и дополнительную 3 (для формирования требуемого потока возбуждения). Генератор непосредственно соединен с валом первичного двигателя 4. От выходных выводов рабочей обмотки 2 генератора через промежуточный фильтр 5 обеспечивается питание нагрузки (потребителя) 6 стабильным напряжением переменной частоты. Параллельно нагрузке подключен узел сравнения 7, к второму входу которого присоединен источник 8 задания требуемого (эталонного) напряжения U_зад потребителей электрической энергии. Выход узла сравнения 7 соединен с управляемым короткозамыкателем 9, к другим зажимам которого присоединены выходные выводы дополнительной обмотки 3.

Управляемый короткозамыкатель 9, приведенный в схеме (Фиг.1), выполнен на основе мостовой схемы выпрямления, к выходу которой присоединен управляемый ключ (транзистор). На Фиг.5 приведены модификации короткозамыкателя 9 на не полностью управляемых приборах (тиристорах). Возможна замена не полностью управляемых ключей на полностью управляемые.

На Фиг.4 приведена схема стабилизации напряжения переменного тока, в которой выходные выводы каждой фазы дополнительной обмотки 3 присоединены к конденсаторам 10, вторые выводы которых присоединены к короткозамыкателю 9. Данный вариант системы стабилизации может быть рекомендован для уменьшения габаритов дополнительной обмотки, а, следовательно, и генератора.

На Фиг.5 приведены модификации короткозамыкателя 9 на не полностью управляемых приборах (тиристорах). Возможна замена не полностью управляемых ключей на полностью управляемые.

Работа системы состоит в следующем.

Фазу генератора системы Фиг.1, можно смоделировать схемой замещения, приведенной на Фиг.2. В соответствии со схемой замещения напряжение на выходе генератора определяется выражением

,

где: E₁=К₁Ф - ЭДС вращения, наводимая результирующим магнитным потоком Ф в фазе рабочей обмотки;

К₁ - коэффициент пропорциональности;

- угловая частота вращения ротора;

I ₁ - ток фазы рабочей обмотки;

I₂ - ток фазы дополнительной обмотки;

- ЭДС взаимной индукции, наводимая током дополнительной обмотки и пропорциональная угловой частоте вращения ротора;

М - коэффициент взаимной индукции между рабочей и дополнительной обмотками;

L₁ - синхронная индуктивность сопротивлении рабочей обмотки.

Таким образом, основными факторами, определяющими стабильность выходного напряжения генератора, являются изменение частоты вращения , тока нагрузки I₁ и тока дополнительной обмотки I₂.

Рассмотрим влияние частоты вращения и тока дополнительной обмотки на выходное напряжение генератора в режиме холостого хода, когда ток фазы основной обмотки I ₁ равен нулю. При вращении первичного двигателя 4 (и связанной с ним полюсной системы ротора, выполненной на постоянных манганитах) в фазах дополнительной обмотки 3 генератора 1 в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС Е₂ , равная

E₂=К₂Ф_В,

где: К₂ - коэффициент пропорциональности;

Ф_В, - магнитный поток, созданный постоянными магнитами полюсной системы ротора.

Данная ЭДС на 90° отстает от вектора магнитного потока Ф_В, как это показано на векторной диаграмме Фиг.3. При этом в фазах дополнительной обмотки возникает ток I₂, который определяется выражением

и на угол ₂=arctg(L₂/R₂) смещен относительно ЭДС Е ₂.

где: R₂ - активное сопротивление фазы дополнительной обмотки;

L₂ - индуктивность дополнительной обмотки;

Х₂=L₂ - реактивное сопротивление дополнительной обмотки.

Этот ток создает магнитный поток Ф ₂, который по отношению к магнитному потоку полюсной системы является продольно размагничивающим. В результате рабочий магнитный поток в воздушном зазоре машины Ф уменьшается (векторная диаграмма построена при пренебрежении потоками рассеяния). Рабочий магнитный поток наводит в витках основной обмотки якоря ЭДС E₁ , которая отстает от этого потока на 90°. Кроме того в витках основной обмотки током дополнительной обмотки наводится также ЭДС взаимной индукции E_M2. В результате напряжение на выходе рабочей обмотки в режиме холостого хода будет равно

.

Как видно из векторной диаграммы, выходное напряжение U₁₀ меньше ЭДС вращения, так как вектора и находятся практически в противофазе.

Таким образом, можно сделать вывод, что дополнительная обмотка уменьшает выходное напряжение основной обмотки за счет двух факторов: снижения результирующего магнитного потока, обусловленного продольно размагничивающей реакцией якоря, и противо ЭДС взаимной индукции.

Параметры рабочей обмотки при отсутствии тока в дополнительной обмотке (I₂=0) должны обеспечивать номинальное напряжение генератора при максимальной допустимой величине тока нагрузки и минимально допустимой скорости вращения ротора.

При увеличении скорости вращения ротора или уменьшении тока нагрузки для сохранения уровня выходного напряжения генератора необходимо установить соответствующую величину тока дополнительной обмотки (I₂0). В результате уменьшится ЭДС рабочей обмотки до величины необходимой для обеспечения номинального выходного напряжения генератора.

Параметры дополнительной обмотки должны выбираться из условия обеспечения номинального выходного напряжения в режиме холостого хода (I₁=0) при максимальных допустимых оборотах вала генератора и замкнутом короткозамыкателе (I ₂=I_{2 max}).

С уменьшением числа оборотов вала генератора или увеличением тока рабочей обмотки для сохранения заданного напряжения нагрузки необходимо соответствующим образом уменьшать ток дополнительной обмотки.

Величина тока дополнительной обмотки определяется узлом сравнения 7, выходной сигнал которого пропорционален разности между уровнями заданного напряжения и напряжения нагрузки. Регулирование тока осуществляется широтно-импульсным методом. Требуемая величина тока дополнительной обмотки определяется скважностью (отношением длительности сигнала к его периоду) широтно-модулированного выходного сигнала узла сравнения. При высокой несущей частоте сигнала управления пульсации тока дополнительной обмотки, связанные с импульсной коммутацией управляемого ключа короткозамыкателя, могут быть практически сведены к нулю. Следовательно, управляемый короткозамыкатель не создает пульсаций в выходном напряжении генератора. Это позволяет существенно уменьшить габариты промежуточного фильтра 5 между генератором и нагрузкой. При синусоидальной форме выходного напряжения генератора промежуточный фильтр 5 вообще может быть исключен, что уменьшает габариты системы стабилизации напряжения.

Если в каждую фазу дополнительной обмотки включить последовательно конденсатор, как это показано на Фиг.4, то габариты дополнительной обмотки (ампер витки) могут быть уменьшены. В этом случае при номинальных оборотах реактивное сопротивление фазы дополнительной обмотки должно быть равно реактивному сопротивлению конденсатора

_нL₂=1/_нС,

где _н - номинальная угловая частота вращения ротора

Поэтому при уменьшении скорости вращения сопротивление фазы дополнительной обмотки будет носить емкостной характер. Ток дополнительной обмотки будет создавать подмагничивающую реакцию якоря, которая компенсирует уменьшение ЭДС рабочей обмотки при снижении числа оборотов вала генератора.

При увеличении скорости относительно номинальной сопротивление фазы дополнительной обмотки будет носить индуктивный характер. Ток дополнительной обмотки будет создавать размагничивающую реакцию якоря, которая компенсирует увеличение ЭДС рабочей обмотки при возрастании числа оборотов вала генератора.

В отличие от прототипа, где стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет источника формирования реактивного тока генератора, имеющего сложную конструкцию на основе шести управляемых ключей, в предлагаемой полезной модели в системе стабилизации напряжения переменного тока достаточно одного управляемого ключа, что существенно упрощает конструкцию, а, следовательно, увеличивает надежность системы стабилизации напряжения переменного тока. Кроме того, применение управляемого короткозамыкателя уменьшает пульсации в выходном напряжении генератора, что позволяет уменьшить габариты системы стабилизации напряжения переменного тока за счет существенного снижения массы промежуточного фильтра между генератором и нагрузкой. При синусоидальной форме выходного напряжения генератора промежуточный фильтр вообще может быть исключен.

1. Система стабилизации напряжения переменного тока, содержащая непосредственно связанный с валом первичного двигателя магнитоэлектрический генератор с рабочей и дополнительной обмотками, соединенными по схеме звезда, фильтр, к входам которого присоединены выходные выводы рабочей обмотки, а его выходы подключены к нагрузке, узел сравнения, один из входов которого присоединен к нагрузке, а второй - к источнику заданного напряжения нагрузки, отличающаяся тем, что в нее введен управляемый короткозамыкатель, к одним выводам которого подключен выход узла сравнения, а к другим выводам - выходные выводы дополнительной обмотки.

2. Система стабилизации напряжения переменного тока по п.1, отличающаяся тем, что управляемый короткозамыкатель выполнен в виде мостовой схемы выпрямления, к выходу которой присоединен управляемый ключ.