УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРА
DEVICE FOR STABILISING GENERATOR FREQUENCY

Изобретение относится к области физики и электроники, в частности к системам автоматической стабилизации частоты генерируемых электрических колебаний, и может быть использовано в электроэнергетических устройствах.
Известны устройства стабилизации частоты генерируемых электрических колебаний, вырабатываемых в электрогенераторах переменного тока, механически связанных с источниками энергии, приводящими роторы электрогенераторов во вращательное движение, при изменении электрической нагрузки, включенной к электрогенераторам. Частота колебаний в электрогенераторах определяется частотой вращения их роторов, поэтому изменение электрической нагрузки приводит к изменению частоты вращения роторов генераторов. Для компенсации этих изменений необходимо соответственно регулировать вращательные моменты, создаваемые источниками энергии и приложенные к роторам электрогенераторов. В качестве источников энергии обычно используются различного рода двигатели - паровые, двигатели внутреннего сгорания, включая дизельные, на основе различного рода углеводородных топлив (SU 219667, SU 219661, SU 1001487).
Недостатком таких устройств генерирования электрической энергии является их зависимость от потребления топлива. Проблема создания альтернативных источников энергии является актуальной, создан фонд «Глобальная энергия», стимулирующий поиск новых технических решений в области энергетики.
Заявляемое техническое решение устраняет указанный недостаток известных энергетических модулей типа «мотор-генератор» за счет использования в качестве мотора принципиально нового технического решения, действие которого основано на прямом преобразовании тепловой энергии окружающей среды в механическую в динамике взаимодействия ферромагнитного вещества с насыщающим магнитным полем (RU 2291546).
Заявлено устройство стабилизации частоты генератора, содержащее постоянный магнит с насыщающим магнитным полем в его зазоре и ферромагнитные диски из магнитовязкого вещества с соосными осями вращения, установленные с возможностью их приведения во вращательное движение внешним однократным воздействием во взаимно противоположных направлениях с одинаковыми по модулю угловыми скоростями от источника переменного напряжения посредством двигателя-генератора со свободно вращающимися ротором и статором, механически связанными с осями вращения дисков, кромки которых помещены в зазор указанного постоянного магнита, при этом ротор выполнен на основе постоянного магнита, статор содержит трехфазную обмотку, выходы которой подключены через изолированные кольцевые электроды, щеткодержатель с тремя щетками и двухпозиционный трехконтактный переключатель к источнику переменного напряжения или через трехфазный выпрямитель к электрической нагрузке с переменными параметрами, а одна из фаз статора соединена со входом электронного частотомера, кроме того, содержащее последовательно соединенные стабилизированный генератор опорного напряжения, делитель частоты, фазочувствительный выпрямитель, инерционное звено, усилитель постоянного тока, выходом связанный с нагрузкой в виде обмотки подмагничивания, выполненной на постоянном магните с возможностью изменения напряженности насыщающего магнитного поля в его зазоре, причем второй вход фазочувствительного выпрямителя подключен к одной из фаз статора с возможностью питания введенных электрических цепей с выхода трехфазного выпрямителя, а дополнительная токовая обмотка выполнена на постоянном магните и соединена в разрыве между выходом трехфазного выпрямителя и нагрузкой с переменными параметрами.
Заявленная цель достигается благодаря автоматическому регулированию величины напряженности насыщающего магнитного поля в зазоре постоянного магнита - «грубо» от использования дополнительной токовой обмотки на постоянном магните, а точно за счет регулирования тока подмагничивания в обмотке постоянного магнита, связанной с выходом усилителя постоянного тока.
Устройство представлено чертежом, включающим следующие элементы:
1 - постоянный магнит с насыщающим магнитным полем в его зазоре,
2 и 3 - ферромагнитовязкие диски,
4 и 5 - оси вращения дисков,
6 - ротор с постоянным магнитом,
7 - статор с трехфазными обмотками,
8 - шариковые и упорные подшипники,
9 - изолирующая втулка,
10 - кольцевые электроды,
11 - щеткодержатель со щетками,
12 - двухпозиционный трехконтактный переключатель,
13 - источник переменного напряжения,
14 - трехфазный выпрямитель,
15 - нагрузка с переменными параметрами (регулируемая нагрузка),
16 - электронный частотомер,
17 - стабилизированный генератор опорного напряжения,
18 - делитель частоты,
19 - фазочувствительный выпрямитель,
20 - инерционное (или интегрирующее) звено,
21 - усилитель постоянного тока,
22 - обмотка подмагничивания,
23 - дополнительная токовая обмотка
Рассмотрим действие заявляемого технического решения.
НАС
МАХ
мах
НАС
МАХ
НАС
∞
НАС
∞
0
∞
0
0
∞
0
0
В основу работы устройства положены известные свойства магнитной вязкости ферромагнетиков, характеризующиеся временем релаксации τ, и снижением магнитной восприимчивости χ в насыщающих магнитных полях Н согласно исследованиям А.Г.Столетова (кривая Столетова, 1872 г.). Совместное использование этих известных свойств при условии движения ферромагнитовязкого вещества в локализованном насыщающим магнитном поле со скоростью V при длине магнитного зазора L вдоль направления движения приводит к распределению магнитной восприимчивости ферромагнитного тела в зазоре постоянного магнита 1 вдоль координаты движения х по закону χ(х)=χ(Н*){(1/h)+[(h-1)/h)]exp(-x/Vτ)}, где χ(Н*) - максимальное значение магнитной восприимчивости ферромагнетика при напряженности магнитного поля H*<Н, h=χ(Н*)/χ(Н) - перепад значения магнитной восприимчивости в установившихся состояниях (для χ(Н) - за большой отрезок времени по сравнению со временем пребывания дифференциального слоя dx ферромагнетика в магнитном зазоре Δt, равном Δt=L/V, причем 0≤x≤L и x=Vt, где t - текущее время), вследствие известного соотношения для изменения намагниченности в функции времени ΔJ(t)=[J(t)-J]=[J-J][1-exp(-t/τ)], где J и J - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности Н магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, τ - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации, а намагниченность ферромагнетика J=µH(µ-1) в постоянном магнитном поле с напряженностью Н пропорциональна изменению относительной магнитной проницаемости µ (при µ>>1), временное изменение которой определяется магнитной вязкостью данного ферромагнетика (постоянной τ). При этом имеем замену переменных t=x/V и используем известную связь χ=J/µH=µ-1.
HAC
Учитывая экспоненциальность распределения χ(х), нетрудно понять, что центр намагниченности ферромагнетика, охваченного насыщающим магнитным полем, в любой момент времени всегда отстает вдоль вектора скорости от центра магнитного притяжения в зазоре постоянного магнита, находящегося для однородного поля в середине зазора. Поэтому на ферромагнитное тело действует постоянная во времени сила втягивания F(α) между указанными центрами, где α=Δt/τ - безразмерный коэффициент, определяющий скорость движения V ферроматериала в магнитном поле H, так как V=L/ατ.
Произведенные расчеты показали, что сила F(α) определяется выражением:
где S - сечение ферромагнитного тела (кромки диска), находящегося в магнитном зазоре, z - безразмерный параметр (0≤z≤1), равный z=x/L=t/Δt. При этом важно отметить, что в зависимости от величины коэффициента α величина силы F(α) при прочих равных условиях имеет максимум при значении α*=2,69, как это видно из приведенной ниже таблицы. При значениях α→0 и α→∞ сила, действующая со стороны насыщающего магнитного поля на ферромагнитное вещество, находящееся в этом поле, равна нулю, поскольку при этом центры магнитного тяготения и намагничености совпадают. В указанной ниже таблице приведены данные расчета интеграла I(α) для рассматриваемой функции F(α), то есть без учета значений величин, вынесенных за знак этого интеграла, при значении перепада h=20.
0
НАС
χMAX
2
График функции F(α) представляет собой немонотонную кривую с максимумом в точке α*, круто возрастающую в области 0≤α≤α* и медленно спадающую в дальнейшей области α*≤α≤∞. Данные по вычислению указанного выше интеграла I(α)=F(α)/D, где D=2µН  S(H*)=const, приведены в таблице.
Таблица
Коэфф. α
Значение инт-ла I(α)
Коэфф. α
Значение инт-ла I(α)
Коэфф. α
Значение инт-ла I(α)
0
0
1,5
0,119
8,0
0,089
0,1
0,015
2,0
0,129
9,0
0,082
0,2
0,029
2,5
0,132
10,0
0,076
0,3
0,041
2,69
0,132
15,0
0,055
0,4
0,052
3,0
0,132
20,0
0,043
0,5
0,062
3,5
0,129
25,0
0,035
0,6
0,071
4,0
0,125
30,0
0,030
0,7
0,079
4,5
0,121
35,0
0,026
0,8
0,086
5,0
0,116
40,0
0,023
0,9
0,093
6,0
0,106
45,0
0,020
1,0
0,098
7,0
0,097
50,0
0,018
Так, при α=0,2 считаем, что генератор работает без нагрузки, и механические потери определяются только моментами трения. При α=2,4 следует считать, что нагрузка является максимально допустимой (критической). При этом ясно, что частоты вращения ротора 6 и статора 7 различаются в указанных режимах в 2,4/0,2=12 раз (например, от 120 об/с до 10 об/с соответственно).
В вышеприведенном примере было показано, что влияние нагрузки весьма существенно сказывается на частоте генерируемых колебаний, что является недостатком, если важно фиксировать значение этой частоты при различных электрических нагрузках, например поддерживать частоту колебаний в пределах f=50 Гц с погрешностью 0,5 Гц для заданного разброса тока в нагрузке.
НАС
НАС
Как видно из выражения для F(α), при заданной геометрии дисков 2 и 3, то есть при фиксированном значении сечения S, величину этой силы в максимуме (при α, равном α*) можно регулировать только за счет изменения величины насыщающего магнитного поля Н. Это привело к необходимости использования в устройстве системы автоматического регулирования насыщающего магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 1 и его обмотками подмагничивания 22 и 23. Дополнительная токовая обмотка 23 при этом включена последовательно с нагрузкой 15 с переменными параметрами так, что увеличение тока в этой нагрузке приводит также и к увеличению напряженности насыщающего магнитного поля Н. Это - контур «грубого» регулирования.
НАС
Уточнение величины Н в функции тока в нагрузке с переменными параметрами 15 достигается благодаря введению обмотки подмагничивания 22 на постоянном магните 1, питание которой осуществляется от усилителя постоянного тока 21 контура точного регулирования, включающего цепь из последовательно включенных к усилителю постоянного тока 21 - стабилизированного генератора опорного напряжения 17, делителя частоты 18, фазочувствительного выпрямителя 19, второй вход которого соединен с одной из фаз статора 7, и инерционного звена 20 (или интегратора в системах астатического типа регулирования с нулевой остаточной ошибкой). Частота стабилизированного генератора опорного напряжения выбирается в кратное число раз k больше значения заданной частоты f генерируемых колебаний на обмотках статора 7, что облегчает получение высокостабильных колебаний. Затем эти колебания делятся по частоте в k раз в делителе частоты 18 и сравниваются с колебаниями одной из фаз статора 7 в фазочувствительном выпрямителе 19, выходной сигнал которого однозначно определяется разностной частотой сравниваемых двух колебаний, и этот сигнал фильтруется (усредняется) в инерционном звене 20, представляющем собой фильтр нижних частот с достаточно большой постоянной времени, определяющей качество регулирования и его быстродействие. Вместо инерционного звена 20, образующего так называемую систему статического регулирования, характеризуемую наличием остаточной ошибки, можно применить интегратор, характерный для систем регулирования астатического типа с нулевой остаточной ошибкой. Выбор того или иного звена определяется конъюнктурными соображениями на основе оценок систем по параметрам их быстродействия и точности регулирования.
Совместная работа контуров «грубого» и точного регулирования позволяет расширить пределы вариации нагрузки при сохранении заданной точности стабилизации частоты колебаний, снимаемых с обмоток статора 7 к потребителю в виде переменного тока.
Отметим, что поскольку электропитание цепей стабилизации осуществляется от трехфазного выпрямителя 14, то в заявляемом устройстве не возникает режима холостого хода, что также способствует улучшению качества стабилизации, хотя и несколько снижает его потребительскую энергетику.
МАХ
Модификацией заявляемого устройства может быть использование р постоянных магнитов, вместо одного. Эти магниты с их обмотками 22 и 23 располагают симметрично по окружности дисков 2 и 3 с расстояниями между магнитами приблизительно втрое большими, чем длина зазоров в каждом из них, чтобы магнитная восприимчивость ферромагнитного материала по выходе из зазора одного постоянного магнита восстанавливалась до максимальной величины χ(Н*) до подхода к зазору следующего по ходу вращения постоянного магнита. В этом. пространстве необходимо обеспечить наличие магнитного поля с напряженностью Н*, при которой магнитная восприимчивость по кривой Столетова максимальна. При этом токовые обмотки 23 всех р постоянных магнитов включаются последовательно, а обмотки подмагничивания 22 - параллельно к выходу усилителя постоянного тока 21.
-3
Рассмотрим пример возможной реализации заявляемого устройства. Пусть L=5 см=0,05 м, R=10 см=0,1 м, f=ω/π=50 Гц (n=25 об/с, ω=157 рад/с), тогда при выборе α*=2,69 необходимо использовать ферромагнитный материал диска с постоянной времени магнитной вязкости τ=L/α·ωR=0,05/2,69·157·0,1=1,182·10c=1,18 мс (в диапазоне 1,15…1,25 мс). Задаваясь величиной относительного перепада магнитной восприимчивости в установившемся режиме h=20, значение ранее рассчитанного интеграла равно I(α*)=0,132 (см. таблицу).
НАС
MIN∞
НАС
MIN∞
НAС
МАХ
BP
BP
BP
2
-4
2
-6
2
6
-4
3
-4
Пусть насыщающее магнитное поле Н=300 эрстед≈24000 А/м, тогда при значении h=20 величина χ(Н) принимается равной χ(Н)≈50, для значения χ=1000 при напряженности магнитного поля Н*=100 эрстед≈8000 а/м При заданных параметрах устройства и сечении ферромагнитной кромки диска S=1 см=10 м (диск толщиной 5 мм и шириной кромки в магнитном зазоре 20 мм) находим мощность N вращательного движения: N=(3,14·1,256·10·24·10·10·10·0,1/31,796·10)·0,132=943 [Bт]. При этом число используемых симметрично расположенных относительно кромок дисков постоянных магнитов с соответствующими обмотками 22 и 23 р≈Ent(πR/2L)=3. Полученное значение мощности вращательного движения дисков менее 1 кВт связано с обеспечением плотности потока тепловой энергии q=-λgradТ для выполнения условия dQ/dt≥N (менее 250 кал/с), где Q - тепловая энергия, передаваемая ферромагнитным дискам 2 и 3 из окружающего пространства. В рассматриваемом техническом решении охлаждение частей ферромагнитных дисков 2 и 3 по выходе их из магнитного зазора постоянного магнита 1 происходит за счет адиабатического размагничивания этих частей на весьма малом промежутке движения, размер которого определяется зоной δх краевого эффекта магнитного поля, длина которой во много раз меньше длины 2πR/р>>δх - траектории движения указанных частей ферромагнитных дисков с заданной линейной скоростью V=ωR. Следовательно, размагничивание происходит за время δх/V, а теплообмен с внешней средой (нагревание от тепловой энергии внешней среды) - за время [(2πR/р)-L-δх)]/V, и применительно к такому процессу можно применить термин адиабатичности. А теплообмен между охлажденным ферромагнетиком и внешней средой, конечно, имеет место уже в неадиабатическом процессе на траектории (2πR/p)-L-δх.
НАС
Приведенный расчет энергетического устройства указывает на целесообразность поиска ферромагнитных материалов, обладающих подходящей магнитной вязкостью при обеспечении больших перепадов магнитной восприимчивости h и при достаточно большой напряженности Н магнитного поля.
НАС
mах
3
Кроме того, реализация таких устройств потребует разработки достаточно сильных постоянных магнитов. Так, в данном устройстве предполагалось создать напряженность магнитного поля Н=300 эрстед в зазоре между полюсами магнита сечением 10 см (2 см × 5 см) при ширине зазора 12 мм. Известно, что у лучших современных магнитных материалов энергетическое произведение (В Н) достигает величины порядка 320 Тл·кА/м (то есть 40 млн. Гс·э), как у материала с высокой коэрцитивной силой SmСо [5-7].
Самостоятельной технологической проблемой является поиск таких ферромагнетиков, которые отличались бы необходимой теплопроводностью для обеспечения передачи к рабочему веществу тепловой энергии достаточной мощности из окружающей среды.
2
2
В качестве источника тепловой энергии может использоваться естественная воздушная (или водная) среда с температурой, превышающей температуру охлажденного ферромагнетика, а также солнечная радиация, для которой характерна плотность излучения у поверхности Земли около 0,15 Вт/ см=1,5 кВт/м. Но при этом возникает техническая проблема аккумуляции энергии солнечной радиации и ее передачи рабочему телу ферромагнитного диска. Во всяком случае энергетические устройства на основе рассматриваемого устройства могут успешно конкурировать с солнечными батареями, работающими на основе фотоэлектрического эффекта, в том числе с учетом работы в темноте.
Применение заявляемого технического решения в качестве источника электроэнергии оказывается перспективным как в бытовых генераторах электрического тока, так и в промышленности. Особую роль такие источники даровой энергии сыграют в космических аппаратах и других автономно функционирующих системах, например, на море и в пустынях, где нет источников электроэнергии, но в избытке имеется тепловая энергия.
Важным достоинством таких источников энергии является их экологическая чистота, они не создают вредных последствий для человека и окружающей среды.