Стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор
VOLTAGE STABILIZED MAGNETOELECTRIC ALTERNATOR

Изобретение относится к области электротехники, а именно к стыку двух областей техники - силовой преобразовательной техники и электрических машин.
Известен вентильный магнитоэлектрический генератор (ВМЭГ), где для регулирования (стабилизации) его выходного напряжения осуществляется выполнение выпрямительного блока (ВБ) на тиристорах с фазовым управлением (см. стр. 279 Комлев И.В. Регулируемый магнитоэлектрический вентильный генератор // Труды н/т-й конф. «Электрификация летательных аппаратов», посвященная 125-летию академика В.С. Кулебакина. Москва, 1 ноября 2016 г. ИД Академии Жуковского, 2016. - 322 с.). ВМЭГ выполнен в виде последовательно соединенных бесконтактной 9 фазной электрической машины (ЭМ) и управляемого вентильного блока (УВБ) на тиристорах с системой управления, путем фазовым управлением ими.
Недостатком этого решения является повышенная сложность УВБ, входной коэффициент мощности которого уменьшается с ростом угла регулирования тиристоров, что при стабилизации выходного напряжения стабилизированноно по напряжению ВМЭГ в режиме максимальной частоты вращения вала, в конечном счете, приводит к увеличению габаритной мощности, то есть к ухудшению ее массогабаритных и энергетических показателей.
Наиболее близким по технической сущности является решение, описанное в патенте RU №2714921, МПК Н02Р 9/02; Н02Р 9/30, опубл. 21.02.2020, устройство для реализации описанного способа содержит последовательно включенные синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов (МЭГ), трехфазный мостовой выпрямитель (ТМВ) в виде основных катодной и анодной групп диодов, образующих соответственно положительный и отрицательный его полюсы, реверсивный вольтодобавочный канал (РВДК), включающий в себя транзисторный высокочастотный инвертора напряжения (ВЧИН) с силовым входом, подключенным к выходу (к полюсам) ТМВ, трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к выходу ВЧИН, и с двумя вторичными обмотками, а также обратимый преобразователь (ОП), который содержит две цепочки, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные ключевой элемент (КЭ), диод и вторичную обмотку трансформатора, причем одни концы цепочек объединены и образуют первый выходной вывод ОП, другие концы цепочек также объединены и подключены к одному (например, положительному) полюсу ТМВ, второй выходной вывод ОП образован другим полюсом ТМВ, а к выходу ОП подключен фильтр, содержащий конденсатор, который является выходом ВМЭГ. Управление КЭ и транзисторами ВЧИН РВДК осуществляется блоком управления (БУ), который обеспечивает стабилизацию выходного напряжения ВМЭГ при возмущающих воздействиях по частоте вращения вала и по току нагрузки.
Недостаток этого стабилизированного по напряжению ВМЭГ заключается в низком КПД из-за наличия диодов, последовательно включенных с транзисторами в КЭ, что отрицательно сказывается на массогабаритных показателях генератора в целом.
Технической задачей изобретения является повышение КПД и улучшение за счет этого массогабаритных показателей ВМЭГ при переменных частоте вращения вала и тока нагрузки.
Технический результат устройства заключается в улучшении (т.е. уменьшении) удельного показателя ВМЭГ, определяемого отношением массы ВМЭГ к его мощности - g=G[кг]/Р[кВт].
Это достигается тем, что стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор (ВМЭГ), содержащий последовательно включенные синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов (МЭГ), трехфазный мостовой выпрямитель (ТМВ) в виде основных катодной и анодной групп диодов, образующих соответственно положительный и отрицательный его полюсы, реверсивный вольтодобавочный канал (РВДК), включающий в себя транзисторный высокочастотный инвертор напряжения (ВЧИН) с силовым входом, трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к выходу ВЧИН, и с двумя вторичными обмотками, а также обратимый преобразователя напряжения (ОПН), который содержит две цепочки, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные ключевой элемент (КЭ) и вторичную обмотку трансформатора, причем одни концы этих цепочек объединены и образуют первый выходной вывод ОПН, другой конец одной из цепочек подключен к одному из полюсов ТМВ, второй выходной вывод ОПН образован другим полюсом ТМВ, а к выходу ОПН подключен фильтр, содержащий конденсатор, который является выходом ВМЭГ, снабжен тремя дополнительными диодами, объединенными своими одноименными по полярности электродами, которые относительно основной катодной группы ТМВ образуют дополнительную катодную группу диодов, другие по полярности электроды дополнительных диодов подключены ко входным выводам ТМВ, другой конец второй указанной цепочки подключен к полюсу дополнительной катодной группы, а цепь питания ВЧИН подключена к выходным выводам ВМЭГ.
МЭГ
ВДК
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1 приведен стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор, на фиг. 2 графиком изображены зависимости выходных напряжений МЭГ -U* и вольтодобавочного канала - U* (в относительных единицах) от частоты вращения приводного вала n.
Стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор (ВМЭГ) содержит синхронный машину (СМ) с возбуждением от постоянных магнитов 1, выпрямительный блок на диодах 2÷10, причем диоды 2÷7 образуют основной выпрямительный мост, его диоды 2, 4, 6 объединены одноименными электродами, например, катодами и образуют основную катодную группу (положительный полюс), а дополнительные диоды 8, 9, 10 также объединены катодами, образуя дополнительную катодную группу, которая своими анодами подключена к входным выводам основного выпрямительного моста и совместно с его диодами 3, 5, 7 образует дополнительный выпрямительный мост. Реверсивный вольтодобавочный канал (РВДК) содержит высокочастотный инвертор напряжения (ВЧИН) 11, в данном случае выполненный по полумостовой схеме с делителем напряжения на конденсаторах 12, 13 и на транзисторах 14, 15. К выходу ВЧИН подключена первичная обмотка 16 трансформатора, расположенная на магнитопроводе 17. Две вторичные обмотки 18, 19 трансформатора совместно с транзисторами 20, 21 образуют две цепочки: «транзистор 20 - обмотка 18» и «транзистор 21 - обмотка 19». Одни концы этих цепочек объединены, и к ним одним своим концом подключен дроссель 22 LC фильтра, второй конец которого образует выходной вывод 23 ВМЭГ. Второй его выходной вывод 24 в данном примере образован точкой соединения анодов диодов 3, 5, 7 основного выпрямительного моста. Вторые концы указанных цепочек подключены к точкам объединения основной и дополнительной катодных групп. Между выходными выводами 23, 24 включен конденсатор 25 LC фильтра. К выводам ВМЭГ 23, 24 подключена цепь питания (силовые входные выводы «+», «-») ВЧИН. Элементы 11÷21 образуют реверсивный вольтодобавочный канал (РВДК), а элементы 18÷21 образуют обратимый преобразователь напряжения (ОПН). Управление транзисторами 14, 15, 20, 21 осуществляется блоком управления (БУ) 26.
Стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор работает следующим образом.
В зависимости от частоты вращения вала МЭГ ОПН может работать или как выпрямитель (реализуя режиме вольтодобавки ВД), или как инвертор (реализуя режим вольтовычитания - ВВ). Реализацию этих двух режимов обеспечивает блок управления (БУ). На выходе ОПН включен Г образный LC фильтр. С учетом индуктивностей рассеяния в якорных обмотках МЭГ дроссель 22 фильтра может отсутствовать или же его индуктивность может быть минимизирована. МЭГ совместно с ТМВ и РВДК образует стабилизированный по напряжению вентильный МЭГ (ВМЭГ).,
min
ном
d0
d0max
min
1
ном
min
ВД
d0
∑
d0
ВД
Логика работы РВДК определяется следующей функциональной задачей: в диапазоне изменения частоты вращения вала МЭГ: n<n к напряжению основного канала U должно добавляться стабилизирующее напряжение РВДК, которое регулируется по уровню от (+)U при n (ордината n-h на фиг. 2) до 0 при n. В этой зоне реализуется режим вольтодобавки (ВД). В этом режиме транзисторы 14, 15 работают на высокой частоте (порядка 30 кГц) в противотактном режиме. Регулирование выходного напряжения ВЧИН 11 осуществляется введением регулируемой паузы α между переключениями транзисторов 14, 15. При n угол регулирования напряжения ВЧИН α=0, и напряжение на обмотках 16, 18, 19 трансформатора 17 имеет прямоугольную форму (меандр). Транзисторы 20, 21 ОПН (элементы 19÷21) в этом случае включены постоянно. В этом же состоянии они находятся на интервалах α в режиме, когда угол α>0. На интервалах, когда напряжение с обмоток 18, 19 передается в вольтодобавочный канал, транзисторы 20, 21 переключаются попеременно, и ОПН работает как выпрямитель. При этом напряжение ΔU с обмоток 18, 19 суммируется с основным напряжением U выпрямительного блока (ВБ) на диодах 2÷10: ΔU=U+ΔU.
ном
do
d0
∑
d0.
При синхронной частоте вращения вала (n=n) транзисторы 14, 15 ВЧИН 11 должны быть выключены, а транзисторы 20, 21 ОПН включены. При этом ток нагрузки I, разделяясь на две равные части одновременно протекает через две катодные группы (2, 4, 6 и 8, 9, 10) и через обмотки 18, 19, не создавая магнитного потока в трансформаторе 17. В нагрузку проходит только напряжение U основного ВБ: ΔU=U
ном
d0
BB
ном
ВВmax
max
2
ВВ
∑
d0
ВВ.
При n>n из напряжения U должно вычитаться напряжение ΔU, регулируемое от 0 при n до ΔU при n (ордината h-k - на рис. 2). В этом режиме ВЧИН 11 работает как неуправляемый выпрямитель, т.е. транзисторы 14, 15 выключены, а транзисторы 20, 21 на интервалах вольтовычитания напряжения ΔU работают попеременно в инверторном режиме, обеспечивая выполнение равенства: ΔU=U-ΔU При этом на интервалах регулировочных пауз а транзисторы 20, 21 открывают одновременно. В этом режиме осуществляется режим ограничения отбора мощности от МЭГ за счет возврата определенной части мощности конденсаторам 12, 13 ВЧИН 11 (через диоды, шунтирующие транзисторы 14, 15) и соответственно конденсатору 25. Напряжение на нем в определенные моменты становится больше напряжения ВБ 2÷10, в результате чего ток, потребляемый от МЭГ, снижается. Таким образом, в режиме выше синхронной частоты вращения с ростом частоты напряжение МЭГ растет, отдаваемый им ток благодаря РВДК падает так, что отдаваемая им мощность остается постоянной.
Использование изобретения обеспечивает снижение потерь в системе ВМЭГ, что обеспечивает в свою очередь улучшение массогабаритных показателей РВДК за счет снижения массы охладителей.