Способ защиты от короткого замыкания магнитоэлектрического генератора
METHOD OF SHORT CIRCUIT PROTECTION OF MAGNETOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в магнитоэлектрических генераторах для защиты от короткого замыкания
Известно устройство защиты от короткого замыкания [патент РФ №2399137С1, кл. Н02Н 7/06, 26.12.2008 г.], установленное в генераторе переменного тока для управления током возбуждения, создаваемым обмоткой возбуждения генератора переменного тока, содержащее пусковой переключатель, электрически соединенный с обмоткой возбуждения и работающий так, что включение/выключение пускового переключателя соответствует пропусканию/отсечке тока возбуждения; датчик, имеющий узел токового входа и узел токового выхода, соответственно электрически соединенные с пусковым переключателем и потенциалом заземления, при этом датчик пропускает ток возбуждения, когда пусковой переключатель включен; цепь усиления, содержащая входной конец и выходной конец, при этом входной конец электрически присоединен к узлу токового входа датчика.
Недостатком аналога является ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что применение данного устройства невозможно в магнитоэлектрических генераторах.
Известно устройство для защиты генератора переменного тока от короткого замыкания в системе электроснабжения с резервированием [патент РФ №1017146, кл. Н02Н 7/06, 27.08.2004 г.], содержащее контактор для подключения генераторов к шинам, блок трансформаторов тока в цепи статорной обмотки генератора, блок трансформаторов тока в цепи нагрузки, полупроводниковые диоды по числу фаз генератора и исполнительный элемент, вход которого подключен к выходу однополупериодного выпрямителя, образованного диодами и встречно-включенными вторичными обмотками блоков трансформаторов тока, вторичные обмотки блоков трансформаторов тока, шунтированые диодами, при этом по отношению к диодам выпрямителя диоды, шунтирующие обмотки блока трансформаторов тока в цепи статорной обмотки генератора, включены согласно, а диоды, шунтирующие обмотки блока трансформаторов тока в цепи нагрузки, - встречно.
Недостатком аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что применение данного устройства невозможно в магнитоэлектрических генераторах.
Известен способ защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания [патент США №4950973, кл. Н02Р 9/10, 21.08.1990 г.], реализуемый устройством, содержащим генератор с постоянными магнитами, первую, вторую и третью выходные клеммы, блок защит, содержащий первую, вторую и третью пару электрических контактов, и первую, вторую, третью обмотку статора. Первая обмотка статора электрически соединена между первой парой электрических контактов и нейтральной точкой. Вторая обмотка статора электрически соединена между второй выходной клеммой и нейтральной точкой. Третья обмотка статора электрически соединена между третьей парой электрических контактов и нейтральной точкой. Третья обмотка статора содержит средства для открытия и закрытия первой и второй пары электрических контактов в ответ на сигнал управления.
У данного аналога есть ряд недостатков. Во-первых, обмотка статора обладает невысоким эксплуатационным ресурсом, который обуславливается тем что при коротком замыкании обмотка статора магнитоэлектрического генератора подвергается воздействию тока короткого замыкания цели ком. Во-вторых, он имеет ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что управляющий сигнал определяется только значением силы тока.
Известен способ защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания, реализуемый устройством защиты магнитоэлектрического генератора [патент РФ №2691735, кл. Н02К 1/14 (2006.01), 17.09.2018 г.], содержащим ротор, магнитопровод статора с пазовой, основной обмоткой и тороидальной, вспомогательной обмоткой подмагничивания, которая электрически соединена с источником постоянного тока, а также электрически соединена с блоком электрических сопротивлений, который электрически соединен с системой управления, а система управления электрически соединена с многоканальным вольтметром, который соединен с фазами основной обмоткой. Тороидальная, вспомогательная обмотка подмагничивания электрически соединена с выпрямительным устройством, которое электрически соединено с трехфазным инвертором и системой управления. Трехфазный инвертор соединен со стартером маршевого двигателя летательного аппарата. Система управления осуществляет управление магнитоэлектрическим генератором через коммутирующие ключи. Основные обмотки также соединены с нагрузкой через многоканальный вольтметр. Основная обмотка и тороидальная, вспомогательная обмотка подмагничивания имеют выводные концы.
Недостатком аналога являются ограниченные функциональные возможности, сложность защиты от короткого замыкания, необходимость в источнике постоянного тока. Кроме того, наличие обмотки подмагничивания уменьшает коэффициент заполнения медью основной обмотки, что ведет к повышению плотности тока основной обмотки и как следствие увеличению потерь в основной обмотке.
Наиболее близким к заявленному способу является способ управления системы защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания [Патент РФ №2644586, кл. Н02Н 7/06 (2006.01) 28.04.2017], по которому наличие короткого замыкания определяют по величине температуры, величине тока и величине напряжения, после обнаружения короткого замыкания на фазной обмотке генератора данную обмотку последовательно соединяют с обмоткой подмагничивания, увеличивают индуктивное сопротивление фазной обмотки и уменьшают ток короткого замыкания до номинального, а после этого отключают магнитоэлектрический генератор от привода, с возможностью обеспечения защиты от перегрева магнитоэлектрического генератора.
Недостатком прототипа являются ограниченные функциональные возможности, сложность защиты от короткого замыкания, необходимость в обмотке подмагничивания. Кроме того, наличие обмотки подмагничивания уменьшает коэффициент заполнения медью основной обмотки, что ведет к повышению плотности тока основной обмотки и как следствие увеличению потерь в основной обмотке.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей благодаря изменению активного сопротивления обмотки в режиме короткого замыкания и, как следствие, увеличение надежности магнитоэлектрического генератора.
Технический результат - повышение надежности работы магнитоэлектрического генератора за счет защиты от короткого замыкания обмоток.
Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается тем, что в способе защиты от короткого замыкания магнитоэлектрического генератора, по которому определяют наличие короткого замыкания по величине температуры, величине тока и величине напряжения, согласно изобретению, после обнаружения короткого межвиткового замыкания в одной из катушек, ее отсоединяют от других катушек, размыкая ключи, соединяющие ее с нагрузкой и замыкают шунтирующий ее ключ.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен поперечный разрез магнитоэлектрического генератора, на фиг. 2 изображена электрическая схема соединения способа защиты от короткого замыкания магнитоэлектрического генератора.
Пример конкретной реализации способа.
В качестве материального средства, реализующего способ, используется магнитоэлектрический генератор мощностью 60 Вт, частота вращения 3000 об/мин, номинальный ток фазы 1,21 А, номинальное фазное напряжение 8 В, обмотка шестифазная зубцовая (однослойная), статор имеет 12 пазов, ротор имеет 14 полюсов. Фазы обмотки гальванически и термически разъединены. Температура катушки в номинальном режиме работы 40°C.
Устройство защиты от короткого замыкания магнитоэлектрического генератора содержит (фиг. 1) ротор 1, магнитопровод статора 2 с пазовой обмоткой 3, которую соединяют с системой управления 4 и нагрузкой 5. Пазовая обмотка 3 имеет фазы За состоящие из катушек 6 (количество катушек зависит от типа обмотки, количества пазов и полюсов), на выводах которой устанавливают измерительный блок 7, при помощи которого определяют напряжение, температуру и ток катушек 6. После измерительного блока 7 располагают по три ключа 8а, 86, 8в (фиг. 2), и соединяют их с нагрузкой 5. Ключи 8а, 86, 8в, и измерительный блок 7 подключают к системе управления 4. Для пояснения принципа работы устройства вводят аварийную катушку 6а.
Способ защиты от короткого замыкания магнитоэлектрического генератора реализуется следующим образом: при вращении ротора 1 по магнитопроводу статора 2 протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в основной обмотке 3 наводится электродвижущая сила (ЭДС), величина которой зависит от числа витков в катушках 6 и 6а, частоты вращения ротора 1 и магнитного потока возбуждения. При подключении номинальной нагрузки 5 к обмотке 3, в катушках 6 и 6а начинает протекать номинальный ток 1,21 А, фазное номинальное напряжение обмотки 3 - 8 В, напряжение катушек 6 - 8 В (т.к. фаза состоит из одной катушки). В номинальном режиме работы ключи 8а и 8в замкнуты, 86 разомкнут. При критических режимах работы (межвитковом замыкании), когда значения напряжение катушки 6а, измеряемое измерительным блоком 7, на 15% меньше от расчетного, ток катушки 6а, измеряемый измерительным блоком 7, на 15% больше либо меньше расчетного (номинального), а температура катушки 6 более чем 1,3 раза больше расчетной температуры, то система управления 4 разъединяет ключи 8а и 8в, а 86 замыкает. В результате в катушку 6а, в которой произошло межвитковое замыкание коммутируется ее же активное сопротивление, тем самым токи в аварийной катушке 6а снижаются, и аварийная катушка 6а электрически отсоединяется (отключается) от остальных катушек 6 обмотки 3. Тем самым при межвитковом замыкании аварийная катушка 6а не испытывает теплового разрушения и не вносит нелинейности в цепь исправных катушек 6 и обмотки 3 в целом. В таблице 1 представлены значения токов в номинальном режиме работы, при межвитковом коротком замыкании катушки 6а и при межвитковом коротком замыкании в катушке 6а с шунтированием этой катушки.
Таблица 1. Значения токов при межвитковом замыкании катушки 6а
Как видно из этой таблицы при использовании предложенного способа ток межвиткового замыкания уменьшается с 165 А до 93 А, температура обмотки - со 150°С до 90°С.
Итак, заявляемый способ позволяет расширить функциональные возможности благодаря изменению активного сопротивления обмотки в режиме короткого замыкания, увеличить надежность магнитоэлектрического генератора и защитить магнитоэлектрический генератор от короткого замыкания.