Генератор многофазной системы ЭДС с механической коммутацией
MULTIPHASE EMF GENERATOR WITH MECHANICAL SWITCHING

I.1. Область применения
Изобретение относится к области электротехники. Устройство предназначено для генерирования многофазной системы напряжений требуемой частоты, требуемыми амплитудами напряжений фаз и числом фаз.
Устройство может использоваться как в стационарных, так и мобильных системах (робототехнике) для питания многофазных двигателей переменного тока, а также для питания других многофазных потребителей электрической энергии, в том числе и с отличной от стандартной частотой питания.
II. Уровень техники. Сравнение с предшествующими уровнями техники
Целью изобретения является разработка устройства для генерирования многофазной системы напряжений требуемой частоты, требуемыми величинами амплитуд напряжений фаз и числа фаз, отличающегося от ранее предложенных устройств [1, 2] использованием механической коммутации источников ЭДС. Это расширяет области применения ранее предложенного генератора многофазной системы ЭДС. Принцип работы генератора базируется на инновационном подходе, который характеризуется использованием аппроксимации синусоидальных функций напряжений последовательностями импульсных функций.
III. Раскрытие сущности изобретения
Импульсные функции напряжений формируются при помощи механического переключателя. При помощи механического переключателя постоянные источники ЭДС последовательно в заданной последовательности на время коммутации подключаются к выходным полюсам устройства. В качестве механического переключателя предлагается использовать неподвижные диски с расположенными на них токопроводящими лепестками. К каждому лепестку подключается один из полюсов постоянного источника ЭДС требуемой величины и знака. Второй полюс источника подключается к полюсу "земля". Число неподвижных дисков равно количеству фаз генератора. На вращающемся валу расположены токосъемники (бегунки). Бегунки при вращении вала последовательно подключаются к расположенным на неподвижных дисках лепесткам и на время коммутации создается электрический контакт бегунка с лепестками диска. Бегунки электрически соединены с токосъемными кольцами, расположенными рядом с бегунками на вращающемся валу. Каждое кольцо контактирует со своей неподвижной токосъемной щеткой. Каждая щетка соединяется со своим выходным полюсом устройства, фазами А, В, С.
III.1. Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью
импульсных функций
На фиг. 1 пунктиром представлен отрезок синусоидальной функции на интервале одного периода Т=0…2π и аппроксимация этой функции последовательностью импульсных функций, когда период функции разбивается на n=12 временных интервалов. На рисунке фиг. 1 показаны амплитудные значения каждого из импульсов E1, Е2, Е3, -Е1, -Е2, -Е3. Показан период синусоидальной функции и длительность одного импульса TI=T/n.
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций, n=12
Амплитудные значения импульсов, аппроксимирующих синусоидальную функцию записаны в таблице 1
На рисунке фиг. 2 показана аппроксимация трехфазной системы ЭДС для прямой последовательности фаз при числе интервалов аппроксимации n=12.
Фиг. 2 Аппроксимация напряжений трехфазной системы ЭДС последовательностями импульсных функций
Амплитудные значения импульсов для числа фаз m=3 и n=12 приведены в таблице 2.
III.2. Электрическая схема устройства
На рисунке фиг. 3 показана электрическая схема устройства для генерирования функции напряжения, по форме приближающейся к синусоидальной. Для этого используется аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций, как показано на рисунке фиг. 1,
Фиг. 3 Электрическая схема генератора
1
6
1
3
1
3
3
2
1
4
6
4
6
4
5
6
На рисунке фиг. 3 показаны источники энергии 14…14 с напряжениями E1…Е6, диоды D1…D6, переключатель 16 с полюсами 1…12, выходные полюсы "земля' и 15. Принято, что Е4=-Е1, Е5=-Е2, Е6=-Е3, Е2=2Е1, Е3=3Е1. Диоды D1…D3 анодами подключены к положительным полюсам источников энергии 14…14, катоды диодов подключены к полюсам 13…13. Катод диода D1 подключен к полюсу 13, который подключен к полюсу 3 переключателя 16. Катод диода D2 подключен к полюсу 13, который подключен к полюсам 1 и 5 переключателя 16. Катод диода D3 подключен к полюсу 13, который подключен к полюсам 2 и 4 переключателя 16. Диоды D4…D6 катодами подключены к отрицательным полюсам источников энергии 14…14, аноды диодов подключены к полюсам 13…13. Анод диода D4 подключен к полюсу 13, который подключен к полюсам 7 и 11 переключателя 16. Анод диода D5 подключен к полюсу 13, который подключен к полюсам 8 и 10 переключателя 16. Анод диода D6 подключен к полюсу 13, который подключен к полюсу 9 переключателя 16. Если в начальный момент времени подвижный контакт переключателя 16 находится в положении 12 и затем вращается по часовой стрелке, то на выходе устройства с полюсов "земля" и "15" будет сниматься переменное напряжение, график которого представлен на рисунке фиг. 4. Эта форма приближается к синусоидальной.
Фиг. 4 Последовательность импульсных функций, аппроксимирующих синусоидальную функцию
Аппроксимация трехфазной системы напряжений последовательностью импульсных функций показана на рисунке фиг. 2. При реализации этой системы напряжений для генерирования напряжения каждой фазы используется такая же электрическая схема, как показано на рисунке фиг. 3.
III.3. Эскиз механической конструкции многофазного генератора
а
б
б
1
2
3
4
5
6
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
б
2
1
1
2
3
2
1
3
Эскиз механической конструкции многофазного генератора показан на рисунке фиг. 5, эскиз неподвижного диска с токосъемными лепестками показан на рисунке 5. На рисунке 5 показаны 12 токопроводящих лепестков, разделенных изоляционными прокладками. Каждый лепесток подключен к одному из полюсов 1…12, которые показаны на электрической схеме рисунке фиг. 5. Лепесток 1 подключается к полюсу 1, лепесток 2 к полюсу 2 и т.д. Полюсы 1и 5 соединяются с полюсом 13, полюсы 2 и 4 соединяются с полюсом 13, полюс 3 соединяется с полюсом 13,полюсы 6 и 12 соединяются с полюсом "земля", полюсы 7 и 11 соединяются с полюсом 13, полюсы 8 и 10 соединяются с полюсом 13, полюс 9 соединяется с полюсом 13. На вращающемся в подшипниках валу 17 (на рисунке подшипники не показаны) расположены три неподвижно соединенных с валом токосъемных кольца 18…18 и три неподвижных диска с токосъемными пластинами 20…20. Кольца 18…18 контактируют с токосъемными неподвижными щетками 22…22. С токосъемными кольцами 18…18 неподвижно соединены бегунки 19…19, которые имеют с ними электрический контакт. При вращении вала бегунки контактируют с лепестками неподвижных дисков 20…20. На неподвижных дисках 20…20 расположены 12 токопроводящих лепестков 1…12 на каждом диске, с этими лепестками при вращении вала контактируют бегунки 19…19. Каждый лепесток электрически соединен с полюсами 1-12, показанными на рисунке фиг. 5. При этом одноименные лепестки на диске 20 смещены на 120 градусов по отношению к лепесткам диска 20. Например, лепесток H1, подключенный к полюсу 1 первого диска, позиция 21, и лепесток Н2, подключенный к полюсу с номером 1 второго диска, позиция 21, смещены в пространстве на угол 120 градусов. Полюс Н3 смещен в пространстве на угол 120 градусов по отношению к лепестку Н2. На рисунках фиг. 5 и фиг. 6 полюс Н3 третьего диска, подключенный к полюсу 1 третьего диска, позиция 21, смещен в пространстве на 120 градусов по отношению к лепестку Н2, подключенному к полюсу 1 второго диска, позиция 21. В результате при вращении вала с полюсов 15…15 будет сниматься трехфазная система ЭДС.
Фиг. 5 Эскиз механической конструкции генератора
Фиг. 6 Эскиз взаимного расположения неподвижных дисков
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций для n=12
Фиг. 2 Аппроксимация напряжений трехфазной системы ЭДС последовательностями импульсных функций
Фиг. 3 Электрическая схема генератора
Фиг. 4 Последовательность импульсных функций, аппроксимирующих синусоидальную функцию
Фиг. 5 Эскиз механической конструкции генератора
Фиг. 6 Эскиз взаимного расположения неподвижных дисков
V. Осуществление изобретения. Описание работы устройства
VI.
Рассматривается создание устройства для генерирования многофазной системы напряжений с использованием аппроксимации синусоидальных функций последовательностями импульсных функций. Рассмотрение ведется на примере трехфазной системы напряжений. Устройство содержит вращающийся в подшипниках вал, на котором жестко закреплены три токосъемника (бегунка) и три токосъемных кольца, рисунки фиг. 5 и фиг. 6. Бегунки и кольца соединены между собой электрически. Бегунки контактируют с электропроводными лепестками, расположенными на неподвижных дисках, кольца контактируют с токосъемными щетками. Неподвижные диски с электропроводными лепестками электрически соединяются с источниками ЭДС E1…Е6, как показано на рисунке фиг. 3. Лепесток с номером 1 соединяется с источником ЭДС Е1, лепесток 2 с источником ЭДС Е2 и т.д. Токосъемные кольца контактируют с токосъемными щетками, к которым подключены выходные полюсы устройства. Лепестки с номером 1 на неподвижных дисках сдвинуты друг относительно друга в пространстве на угол 2π/m, где m-количество фаз. Лепесток с номером 1 второго диска повернут на угол 120° относительно лепестка с номером 1 первого диска, лепесток с номером 1 третьего диска повернут на угол 120° относительно лепестка второго диска. При вращении вала, источники ЭДС подключаются в требуемой для аппроксимации синусоидальных напряжений фаз последовательности к выходным полюсам устройства.
VI. Литература
1. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС Патент №2016127384, МПК Н05В 1/00, 2017
2. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств, Патент 2671539 от 01.11.2018