СХЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ КОМПРЕССИОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющейся при вращении ротора суммарной индуктивностью двух одинаковых и индуктивно связанных обмоток ротора и статора и может быть использована для питания электрофизических установок периодически повторяющимися однополярными импульсами тока.
Известна схема возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора [Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. - Л.: Наука, 1985, с.202-204], в которой источник возбуждения и нагрузка с коммутатором включены параллельно двум одинаковым и индуктивно связанным обмоткам ротора и статора генератора, которые соединены между собой последовательно при помощи скользящих контактов (контактные кольца и щетки). При вращении ротора суммарная индуктивность этих обмоток периодически пульсирует за счет того, что в одном положении ротора обмотки оказываются включенными согласно и имеют максимальную суммарную индуктивность, а в другом - встречно и имеют минимальную суммарную индуктивность. В момент максимума суммарной индуктивности обмоток генератора коммутатор подключает нагрузку, в которой генерируется импульс тока, а затем после уменьшения тока этот коммутатор отключает нагрузку.
Недостатками этой схемы при генерировании периодически повторяющихся импульсов тока является необходимость применения мощного импульсного источника возбуждения, периодически работающего коммутатора и то, что изоляция обмотки ротора и скользящих контактов, рассчитанная на половину генерируемого напряжения, подвержена значительным механическим и тепловым нагрузкам - все это снижает надежность и эффективность работы генератора.
Наиболее близким техническим решением является схема с источником возбуждения постоянного напряжения, выбранная в качестве прототипа [Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М,: Высшая школа, 1985, с.208]. Эта схема содержит
последовательно соединенные обмотки генератора с суммарной изменяющейся индуктивностью, параллельно которым включены источник возбуждения постоянного напряжения с балластной индуктивностью дополнительной катушки и нагрузка с полупроводниковым диодом. Балластная индуктивность служит для ограничения пульсации тока возбуждения и используется также для того, чтобы источник возбуждения не шунтировал нагрузку, а диод необходим для разделения цепей протекания токов возбуждения и нагрузки. При периодическом изменении суммарной индуктивности генератора в нагрузке протекают периодически повторяющиеся с частотой изменения индуктивности генератора однополярные импульсы тока.
Недостатком прототипа является значительная балластная индуктивность дополнительной катушки, соизмеримая с максимальной суммарной индуктивностью обмоток генератора, что приводит к увеличенным габаритам системы возбуждения и потерям мощности в сопротивлении дополнительной катушки. На изоляцию обмотки ротора и скользящих контактов воздействует половина генерируемого напряжения, что снижает надежность работы генератора.
Задачей полезной модели является снижение габаритов системы возбуждения, уменьшение мощности источника возбуждения и повышение надежности работы генератора.
Это достигается тем, что в схеме возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора, содержащей источник возбуждения постоянного напряжения, нагрузку, соединенную последовательно с полупроводниковым диодом, и две одинаковые индуктивно связанные обмотки генератора, размещенные на роторе и статоре и соединенные между собой при помощи скользящих контактов, источник возбуждения постоянного напряжения подключен параллельно обмотке ротора генератора со скользящими контактами, а нагрузка и полупроводниковый диод включены последовательно с обмоткой статора генератора таким образом, чтобы ток в обмотке ротора и скользящих контактах был равен сумме токов источника возбуждения и нагрузки.
1
2
Достигаемый результат поясним для неявнополюсного компрессионного генератора при постоянных индуктивностях обмоток генератора L и весьма малых сопротивлениях обмоток генератора и скользящих контактов R и R, когда этими сопротивлениями при определении законов изменения токов можно пренебречь. Примем, что взаимная индуктивность обмоток генератора при вращении ротора периодически изменяется во времени t по гармоническому закону
M(t)=kLcosωt,
где k<1 - коэффициент связи обмоток ротора и статора;
ω - угловая частота, определяемая частотой вращения ротора и числом пар полюсов обмотки ротора (статора).
1
2
Потокосцепления обмоток ротора (ψ) и статора (ψ) будут равны
В режиме холостого хода, когда ток нагрузки равен нулю, определяем постоянный ток возбуждения и мощность источника возбуждения
а также напряжение на нагрузке, которое за счет диода больше или равно нулю:
0
где U - постоянное напряжение источника возбуждения.
В режиме короткого замыкания, когда напряжение на нагрузке равно нулю, из решения уравнений
находим ток возбуждения и среднюю мощность источника возбуждения
а также ток нагрузки
где
Таким образом, полупроводниковый диод обеспечивает генерирование однополярных импульсов тока в нагрузке и препятствует протеканию тока возбуждения через нагрузку. Наибольшие величины тока возбуждения и мощности источника возбуждения соответствуют режиму холостого хода, причем особенность схемы такова, что ток нагрузки через источник возбуждения не проходит и наибольшему значению этого тока в режиме короткого замыкания
соответствует наименьшее значение тока возбуждения
Заявляемая полезная модель имеет следующие преимущества перед прототипом:
1. За счет отсутствия дополнительной катушки с балластной индуктивностью снижаются габариты системы возбуждения компрессионного генератора.
2. За счет отсутствия дополнительной катушки и уменьшения пульсации тока возбуждения уменьшается мощность источника возбуждения.
3. За счет подключения источника возбуждения параллельно обмотке ротора со скользящими контактами повышается надежность работы генератора, т.к. изоляция вращающейся обмотки ротора и скользящих контактов рассчитывается только на незначительное постоянное напряжение возбуждения, а изоляция неподвижной обмотки статора - на все генерируемое напряжение.
1
2
B
H
На фиг.1 приведена схема возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора. Схема содержит источник возбуждения постоянного напряжения 1, который включен параллельно обмотке ротора генератора со скользящими контактами, имеющей индуктивность (L) 4 и сопротивление (R) 5. Нагрузка генератора 2, соединенная последовательно с полупроводниковым диодом 3, включена последовательно обмотке статора генератора, имеющей индуктивность (L) 6 и сопротивление (R) 7, таким образом, чтобы ток в обмотке ротора и скользящих контактах 4, 5 был равен сумме токов источника возбуждения i(t) и нагрузки i(t). Одинаковые индуктивности обмоток генератора 4 и 6 характеризуются взаимной индуктивностью M(t).
B
H
H
B
H
B
Схема возбуждения и питания нагрузки компрессионного генератора работает следующим образом. Ток i(t) источника возбуждения постоянного напряжения 1 и ток i(t) нагрузки 2, протекая через вращающуюся обмотку ротора со скользящими контактами 4, 5, генерируют, за счет взаимной индуктивности M(t), переменное напряжение на обмотке статора 6, 7. Под действием этого напряжения и полупроводникового диода 3 генерируются однополярные импульсы тока i(t) в нагрузке 2, причем за счет полупроводникового диода 3 и суммы токов i(t), i(t) в обмотке ротора и скользящих контактах 4, 5 ток возбуждения i(t) через нагрузку 2 не протекает.
Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и экспериментальных исследований, проведенных автором, имеет в режиме холостого хода примерно в два раза больше ток возбуждения и в два раза меньшую мощность источника
возбуждения при существенно меньших габаритах системы возбуждения. При этом напряжение источника возбуждения, приложенное к обмотке ротора со скользящими контактами, в десятки раз меньше генерируемого напряжения на обмотке статора.
Данная полезная модель реализована в виде схемы возбуждения и питания нагрузки неявнополюсного компрессионного генератора массой 500 кг с тремя парами полюсов и 33 оборотами в секунду ротора для импульсно-периодического питания активно-индуктивной нагрузки. Этот генератор имеет среднюю мощность источника возбуждения 600 Вт при средней генерируемой мощности 60 кВт и частоте следования импульсов тока 100 Гц.