Бесконтактный стабилизированный по напряжению генератор переменного тока с комбинированным возбуждением
NON-CONTACT STABILIZED AC GENERATOR WITH COMBINED EXCITATION

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к электрическим генераторам с переменной частотой вращения вала и предназначено для использования при построении генераторов переменного и постоянного тока для систем электропитания автономных объектов, прежде всего, для летательных аппаратов, где требуются минимально возможная масса, габариты и бесконтактность, а также в ветроэнергетике.
Известен бесконтактный генератор переменного тока с изменяющейся частотой вращения вала, описанный на стр. 185, рис. 6.20 в книге: Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 - Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - 568 с. Он содержит три электрические машины, расположенные на общем валу: подвозбудитель (нормальной конструкции) с возбуждением от постоянных магнитов, якорная обмотка которого предназначена для подключения ее ко входу регулятора напряжения; возбудитель обращенной конструкции с якорной обмоткой на роторе и индуктором на статоре, обмотка возбуждения которого предназначена для подключения к выходу регулятора напряжения; основной генератор с якорной обмоткой на статоре и с обмоткой возбуждения на роторе, представляющей собой индуктор генератора. На роторе расположен также выпрямительный блок, входные выводы которого подключены к якорной обмотке возбудителя, а выходные выводы - к обмотке возбуждения индуктора основного генератора.
Недостатком этого решения является повышенная сложность, усложняющая технологию изготовления, и относительно высокая масса.
min
max
n
max
min
дрг
кмэг
n
дрг
дрг
кмэг
n
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является бесконтактный генератор переменного тока с комбинированным возбуждением и с изменяющейся частотой вращения вала, представленный на стр. 183, рис. 6.19 в книге: Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 - Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - 568 с. В этом бесконтактном генераторе первый ее (основной) индуктор (ОИ) выполняется на основе постоянных магнитов, а второй (дополнительный) индуктор (ДИ) - на основе электромагнитного возбуждения по конструкции «сексин», которая и обеспечивает бесконтактность возбуждения. На статоре содержатся две явно выраженные части общей якорной обмотки (ЯО). Основная ее часть (ОЧЯО) расположена под ОИ, а дополнительная часть (ДЧЯО) - под ДИ. Такой генератор обозначается как КМЭГ (комбинированный магнитоэлектрический генератор). Обмотка возбуждения ДИ подключена к выходу блока регулирования напряжения (БРН), силовой вход которого подключен к выходным выводам ЯО КМЭГ. Стабилизация выходного напряжения КМЭГ при изменении частоты вращения вала осуществляется системой управления (СУ) БРН, включающей в себя контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению КМЭГ. Это решение позволяет заметно ослабить выше указанные недостатки, а именно: улучшить массогабаритные показатели и повысить технологичность изготовления КМЭГ. При изменении частоты вращения вала в диапазоне от n до n ток возбуждения ДИ изменяется от максимального значения до нуля. Например, при кратности изменения частоты вращения вала K=n/n=1,5 мощность дополнительного регулируемого генератора S, (включающего в себя ДРГ=ДЧЯО+ДИ) составляет 30% от полной мощности КМЭГ (S). При повышении кратности изменения частоты вращения вала, например, до K=2 мощность S возрастает до значения S=0,5⋅S. При этом мощность БРН находится в такой же зависимости от параметра K.
Однако, недостатками этого решения по-прежнему остаются недостаточно высокие массогабаритные показатели КМЭГ и его БРН, а также относительно высокое энергопотребление ДИ и повышенная мощность БРН.
Технической задачей изобретения является уменьшение массогабаритных показателей при повышении КПД.
Технический результат предложенного КМЭГ заключается в повышении энергоэффективности процесса стабилизации его напряжения (при переменной частоте вращения вала).
Это достигается тем, что бесконтактный генератор переменного тока комбинированного возбуждения содержащий расположенные на роторе основной индуктор (ОИ) с возбуждением от постоянных магнитов, дополнительный индуктор (ДИ) с электромагнитным возбуждением и общую якорную обмотку, расположенную на магнитопроводе статора, причем обмотка возбуждения ДИ выполнена неподвижной по конструкции «сексин», а также блок регулирования напряжения (БРН) с первой системой управления (СУ1), причем выход БРН предназначен для подключения к обмотке возбуждения ДИ, снабжен датчиком напряжения (ДН) основной части якорной обмотки, реверсором тока возбуждения (РТВ) со второй системой управления (СУ2), который своим силовым входом подключен к силовому выходу БРН, силовым выходом - к обмотке возбуждения ДИ, управляющий вход его СУ2 подключен к выходу ДН а магнитопровод статора выполнен в виде двух магнитно не связанных основной и дополнительной частей, разделенных между собой зазором в аксиальном направлении.
Кроме того, реверсор тока возбуждения (РТВ) может быть выполнен по однофазной мостовой инверторной схеме.
Дополнительно датчик напряжения (ДН) может быть выполнен в виде трехфазную измерительную обмотку, уложенную в пазах основной части магнитопровода, которая подключена ко входу измерительного трехфазного выпрямителя (ИТВ), задатчик опорного напряжения (ЗОН), однофазный мостовой выпрямитель (ОМВ) в виде двух стоек, подключенных между его выводами постоянного тока, причем каждая из двух стоек образована последовательно соединенными диодом и светодиодом оптотранзистора, в диагонали переменного тока ОМВ включены последовательно соединенные выход ИТВ и ЗОН, а силовые цепи оптотранзисторов через дополнительный источник питания через драйверы подключены к соответствующим управляющим входам ключей РТВ.
Кроме того, БРН может быть выполнен в виде последовательно соединенных входного выпрямителя, входом подключенного к якорной обмотке генератора, высокочастотного транзисторного инвертора (ВЧТИ) со своим блоком управления, согласующего высокочастотного трансформатора и выходного выпрямителя, образующего выход БРН.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема КМЭГ, на фиг. 2 приведены графики, поясняющие принцип стабилизации напряжения КМЭГ, на фиг. 3 показаны временные диаграммы, поясняющие логику работы БРН, на фиг. 4 приведен пример принципиальной электрической схемы системы управления (СУ) БРН, включающая в себя систему управления СУ1 БРН и систему управления СУ2 РТВ.
+
-
КМЭГ содержит постоянный магнит 1, обеспечивающий нерегулируемое возбуждение генератора, не магнитную втулку 2, вал генератора 3, комбинированное кольцо-бандаж 4, составленное путем сварки из частей магнитно проводящего и магнитно не проводящего материалов. Элементы 1, 2, 4 образуют основной индуктор (ОИ). Дополнительный индуктор (ДИ) содержит магнитопровод 5 (в виде магнитно проводящей втулки с выступами-полюсами), полюсный магнитно проводящий наконечник 6, скрепленный путем сварки через магнитно не проводящие части (такой же формы) с магнитно проводящими наконечниками с выступами 7, собранный в кольцо путем сварки чередующихся между собой магнитно проводящих и магнитно не проводящих наконечников (прямоугольной и специальной формы), вухстенная кольцевая магнитно проводящая конструкция 8 (типа двухстенной кастрюли) для размещения в ней обмотки возбуждения 9 (с выводами 9, 9), втулка (кольцо) 10 из магнитно непроводящего материала. Таким образом, ДИ включает в себя элементы 5÷9. Для измерения напряжения КМЭГ, изменяющегося пропорционально частоте вращения вала, его конструкция снабжена трехфазной измерительной обмоткой с выводами 11, которая уложена в пазах основного магнитопровода 12. Дополнительный магнитопровод 13 статора расположен под ДИ и от основного магнитопровода 12 разделен магнитно непроводящим (воздушным зазором), значительно большим основного рабочего зазора. В пазах магнитопроводов 12, 13 уложена общая якорная обмотка 14. Магнитопроводы 12, 13 размещены в корпусе 15 из магнитно непроводящего материала. Сборка в единую конструкцию корпуса со статором и основного и дополнительного индукторов, размещенных на валу 3, осуществляется с помощью крышек 16, 17 и подшипников 18, 19. Трехфазная якорная обмотка 14 снабжена силовыми выводами 20 для подключения к ней нагрузки. Измерительная обмотка 11 подключена ко входу измерительного выпрямителя 21. БРН 22 включает в себя силовую часть 23 и систему управления (СУ) 24. Силовая часть 23 содержит последовательно включенные узла: выпрямитель 25 и инвертор по полумостовой схеме (ПМИ) 26 с конденсаторным делителем напряжения 27, 28 и двумя транзисторами 29, 30, зашунтированных диодами. Управляющие входы транзисторов 29, через драйверы 31 подключены к соответствующим выходам СУ 24. Драйверы 31 обеспечивают гальваническую развязку и усиление сигналов для управления транзисторами. Согласующий трансформатор включающий в себя первичную обмотка 32 подключенную к выходу инвертора 26, а две его вторичные обмотки 33 совместно с двумя диодами 34 образуют выпрямитель по нулевой схеме. Его выход подключен к силовому входу реверса тока возбуждения (РТВ) 35, который выполнен по мостовой схеме на транзисторах 36÷39. Их управляющие входы через драйверы 40 подключены к соответствующим выходам СУ 24.
мэг
Логика работы блока регулирования напряжения (БРН) определяется изменяющейся частотой вращения вала КМЭГ - n и поясняется двумя графиками на фиг. 2. Они отражают: а) - зависимость напряжения в той части якорной обмотки, которая расположена в основной части магнитопровода 12 и индуцирована не регулируемым основным индуктором (ОИ) - U(n); и б) - зависимость напряжения в той части якорной обмотки, которая расположена в дополнительной части магнитопровода 13
min
max
min
max
min
max
min
max
Графики приведены для двух случаев применения КМЭГ: для диапазона изменения частоты вращения вала от n=6000 об/мин до n=9000 об/мин и для диапазона от n=6000 об/мин до n=12000 об/мин. Две F-образные зависимости на фиг. 2, определяемые ломаными линиями  и  соответственно для этих двух случаев, характеризуют собой закон изменения напряжения на силовом входе РТВ 35 в диапазоне изменения частоты напряжения КМЭГ от ƒ до ƒ. При этом в диапазоне частоты от ƒ до  значения тока в обмотке возбуждения ДИ задают в одном направлении и изменяют его соответственно от максимального значения до нуля (в соответствии с линиями  и  на фиг. 2), а в другом диапазоне изменения частоты от  до ƒ направление тока возбуждения в ДИ с помощью РТВ 35 меняют на обратное и изменяют от нуля до максимального значения (в соответствии с линиями  и  на фиг. 2).
На фиг. 3 представлены временные диаграммы процессов в блоке регулирования напряжения (БРН) для двух режимов - для режима вольтодобавки (ВД) - фиг. 3 д) ÷ з) и режима вольтовычитания (ВВ) - фиг. 3 и) ÷ л). Подробнее сказано при описании логики работы СУ 24 БРН.
БРН 22 содержит датчик напряжения (ДН) - 41 МЭГ, узел формирования сигналов (УФС) - 42 для управления транзисторами ПМИ 26 и РТВ 35 соответственно, а также модулятор ширины импульсов (МШИ) 43 и логическое устройство 44.
+
-
o
Датчик напряжения 41 включает в себя: трехфазную измерительную обмотку 11, уложенную в пазах основной части магнитопровода 12 и подключенную ко входу измерительного выпрямителя (ИВ) 21 (фиг. 1), а также однофазный мостовой выпрямитель (ОМВ), выполненный на диодах 41.1, 41.2 и на светодиодах оптотранзисторов 41.3, 41.4, причем две диодные стойки, каждая из которых образована последовательно включенными диодом и светодиодом (41.1, 41.4 и 41.2, 41.3), включены между выводами постоянного тока ОМВ 41 и 41, которые образуют выходные выводы ДН. Между ними включен нагрузочный резистор 41.5, а между выводами переменного тока ОМВ включены последовательно соединенные выход 41.6 измерительного выпрямителя (ИВ) 21 (фиг. 1) и источника опорного напряжения E 41.7.
п
Узел формирования сигналов (УФС) - 42 содержит дополнительный источник питания Е - 42.1 и два согласующих резистора 42.2 и 42.3, которые одними своими концами подключены к одному выводу источника питания 42.1, а другими своими концами - к одному из силовых выводов оптотранзисторов 41.3, 41.4. Два других силовых вывода оптотранзисторов подключены к другому выводу источника питания 42.1.
+
1
Модулятор ширины импульсов (МШИ) 43 содержит задающий генератор (ЗГ) - 43.1, генератор пилообразного напряжения (ГПН) - 43.2 и компаратор - 43.3. К одному его входу подключен выход ГПН 43.2, а к другому положительный вывод 41 ДН 41. На выходе компаратора формируются импульсы S (см. фиг. 3).
Логическое устройство 44 содержит триггер - 44.1, три логических элемента - ЛЭ (инвертирования) «НЕ» - 44.2, 44.3, 44.4, четыре трехвходовых ЛЭ совпадения «ЗИ» - 44.5÷44.8 и два двувходовых ЛЭ суммирования «2ИЛИ» - 44.9, 44.10.
Бесконтактный стабилизированный по напряжению генератор переменного тока с комбинированным возбуждением работает следующим образом.
min
ном
ои
ди
1
2
Σ
Σ
1
2
min
ном
max
1
W33
2d+
В 1-ом диапазоне изменения частоты вращения вала от минимального значения - ƒ до номинального - ƒ полюса ОИ и ДИ имеют одинаковую полярность (например, N и N), и в якорной обмотке от них наводятся э.д.с. E и э.д.с. Е одинаковой полярности, а результирующая э.д.с. E в якорной обмотке 14 определяется их суммой: Е=Е+Е. Здесь реализуется режим вольтодобавки, и ток в обмотке возбуждения 9 имеет одно направление, причем с ростом частоты от ƒ до ƒ он посредством БРН 22 автоматически изменяется от I до нуля. На физ. 2 это изменение тока иллюстрируется линиями  и  соответственно для малого и большого диапазонов изменения частоты вращения вала. В этом 1-ом (ниже синхронном) диапазоне в РТВ 35 включена одна пара диагонально расположенных транзисторов, например, 36 и 39. Значение тока возбуждения определяется скважностью S работы транзисторов 29 и 30 ПМИ 26, которую задает модулятор МШИ 43. Процессы в ПМИ 26 поясняются временными диаграммами, где на фиг. 3з, U - показано напряжение на вторичной обмотке 33. В этом режиме после его выпрямления выходное напряжение РТВ 35 - U имеет вид, показанный на фиг. 3и). Здесь напряжение и ток в дополнительной части якорной обмотки 14 имеют одинаковые знаки, и ДИ совместно со своей частью якорной обмотки 14 работает в генераторном режиме. При номинальной частоте вращения вала  ток в обмотке возбуждения 9 ДИ равен 0.
ном
max
ои
ди
0
д
Σ
Σ
0
д
ном
max
max
2d-
2
1
Во 2-ом диапазоне изменения частоты вращения вала от номинального значения - ƒ до максимального ƒ - полюса ОИ и ДИ приобретают разную полярность (например, N и S), и в якорной обмотке от ОИ и ДО наводятся э.д.с. Е и э.д.с. Е разной полярности, а результирующая э.д.с. Е в якорной обмотке определяется их разностью: E=Е-Е. Здесь реализуется режим вольтовычитания, и ток в обмотке возбуждения 9 благодаря выключению транзисторов первой диагонали 36, 39 и включению транзисторов второй диагонали - 37 и 38 изменяет свое направление на противоположное, причем с ростом частоты от ƒ до ƒ он посредством БРН 22 автоматически изменяется от нуля до I. На фиг. 2 это изменение тока иллюстрируется линиями  и  (соответственно для 2-х диапазонов изменения частоты вращения вала). В этом втором (выше синхронном) диапазоне выходное напряжение РТВ 26 - U имеет вид, показанный на фиг. 3л). В этом режиме логика управления обратная по сравнению с первым режимом. Это означает, что сигнал S, определяющий скважность работы транзисторов инвертора 26, формируется как инверсный сигналу S:  (см. временные диаграммы на рис. 3д), к)). Напряжение и ток в дополнительной части якорной обмотки (ДЧЯО) имеют разные знаки, и ДИ совместно со своей частью магнитопровода здесь работает уже не в генераторном, а в двигательном режиме, причем к общему валу КМЭГ 3 (фиг. 1) прикладывается положительный момент, обеспечивающий снижение мощности, потребляемой от первичного источника механической энергии, обратно пропорциональное повышению частоты вращения вала. Таким образом, повышение частоты вращения вала (в выше синхронной области) сопровождается снижением момента на валу КМЭГ, следовательно, потребляемая от первичного источника мощность во всем частотном диапазоне остается неизменной.
Таким образом, и в 1-ом и во 2-ом частотном диапазонах при изменении частоты вращения вала и при заданной нагрузке КМЭГ согласно изобретению автоматически обеспечивается стабилизация выходного напряжения и постоянство потребляемой от источника механической энергии мощности.
min
max
0
При изменении частоты вращения вала в диапазоне ее изменения от ƒ до ƒ закон изменения тока в ДИ по модулю определяется V-образной зависимостью БРН 22 обеспечивает требуемое изменение тока в обмотке возбуждения 9 ДИ линиями  и  (соответственно для двух случаев при малом и большом диапазонах изменения частоты вращения вала). Датчик напряжения (ДН) выполнен в виде двух частей - измерительной в виде последовательно включенных 3-х фазной измерительной обмотки (ИО) 11 (фиг. 1, 4) и измерительного выпрямителя (ИВ) 21 (фиг. 1, 4); и функциональной части в виде однофазного мостового выпрямителя (ОМВ) - 41 на диодах 41.1, 41.2 и на светодиодах оптотранзисторов 41.3, 41.4. Диод 41.1 и светодиод оптотранзистора 41.4 образуют одну диодную стойку ОМВ, а диод 41.2 и светодиод оптотранзистора 41.3 - вторую его стойку. В диагонали переменного тока ОМВ подключены последовательно соединенные источник опорного напряжения постоянного тока Е - 41.7 и выход ИВ, зашунтированный подстроечным резистором 41.6.
0
ИВ
ном
min
ном
0
ИВ
ном
max
ИВ
0
На выходе ОМВ включен нагрузочный резистор 41.5. Значение напряжения Е устанавливают равным выходному напряжению - Е 41.7 при номинальном значении частоты вращения вала ƒ с тем, чтобы в этой точке частотного диапазона результирующее напряжение на входе ОМВ оказалось равным нулю. Очевидно, что при этом напряжение на выходе ОМВ 41 также будет равно нулю. Следовательно, при частоте ƒ<ƒ<ƒ будет выполняться одно неравенство: Е>Е; а при частоте ƒ<ƒ<ƒ другое неравенство: Е>Е.
п
min
ном)
0
ИВ
0
y
36
39
37
38
ИВ
0
0
37
38
36
39
При переходе из первой частотной зоны во вторую должна изменяться логика формирования сигналов управления транзисторами ПМИ 26 и РТВ 35. Необходимая для этого информация обеспечивается узлом 42, который включает в себя источник напряжения Е 42.1, транзисторную часть оптотранзисторов 41.3, 41.4 и резисторы 42.2, 42.3. В первой зоне (от ƒ до ƒ напряжение Е опорного источника больше напряжения Е ИВ 21 и ток, обусловленный разностью этих напряжений, протекает по цепи светодиод транзистора 41.4 - резистор 41.5 - диод 41.1 - резистор 41.6 - источник напряжения Е 41.7. При этом оптотранзистор 41.4 открывается, на вход логического элемента (ЛЭ) инвертирования «НЕ» 44.4 подается сигнал U, на ее прямом выходе формируется, например, сигнал «1», а на инвертирующем - сигнал «0» (ψ). Сигнал «1» (ψ) будет и на инвертирующем выходе ЛЭ «НЕ» 44.3. В соответствии с этими сигналами транзисторы 36, 39 РТВ 35 (фиг. 1) будут открытыми, а транзисторы 37, 38 (согласно сигналам ψ и ψ) закрытыми, и ток в обмотке возбуждения 9 ДИ будет иметь одно направление, изменяет свой знак на противоположный. Во 2-м частотном диапазоне Е>Е, ток в диагонали переменного тока ОМВ 41 изменяет свое направление, протекая через следующие элементы: светодиод оптотранзистора 41.3 - резистор 41.5 - диод 41.2 - опорный источник напряжения Е 41.7 - резистор 41.6. При этом оптотранзистор 41.4 оказывается заперт, а оптотранзистор 41.3 открыт, ЛЭ 44.3, 44.4 перебрасываются в свое противоположное состояние, а их выходные сигналы (ψ и ψ) используются для отпирания второй пары диагональных транзисторов 37, 38 РТВ. Запирание предыдущей пары транзисторов 36, 39 РТВ осуществляется сигналами ψ и ψ, которые принимают значение «0». В результате ток в обмотке возбуждения 9 ДИ изменяет свое направление.
ГПН
y
ГПН
y1
1
1
1
1
1
2
36
39
МШИ 43 и логическое устройство (ЛУ) 44 обеспечивают изменение логики управления инвертором при переходе из первого частотного диапазона во второй (фиг. 4). В 1-м частотном диапазоне в компараторе 43.3 сравниваются два сигнала - напряжение U(t) генератора пилообразного напряжения 43.2 и напряжение U, поступающее с выхода ДН 41 (фиг. 3б). При U(t)>U на выходе компаратора формируется сигнал S (фиг. 3д). Для распределения управляющих импульсов между транзисторами 29, 30 с помощью триггера 44.1 формируют парафазные сигналы F и  (фиг. 3в, г) и путем логического перемножения формируют два сигнала S⋅F и S⋅F. Разрешение на прохождение этих сигналов к транзисторам 29, 30 ПМИ 26 обеспечивается сигналами ψ=ψ, снимаемыми с ЛЭ 44.3, 44.4. Реализуется эта процедура трехвходовыми ЛЭ «ЗИ» 44.5, 44.6 в соответствии со следующими логическими выражениями:
ГПН
y
2
y2
ГПН
1
1
1
2
2
1
2
2
36
37
38
1
3
Во 2-м частотном диапазоне в компараторе 43.3 в результате сравнения двух сигналов U(t) и U, сигнал S (фиг. 3к) формируют при другом условии, когда U>U(t). Предыдущие сигналы S⋅F и S⋅F заменяются на сигналы S⋅F и S⋅F, а вместо разрешающего сигнала ψ используется разрешающий сигнал ψ=ψ (фиг. 4). Аналогичным образом формируют сигналы управления Ψ, Ψ и для этого диапазона:
Сигналы (1), (2) должны проходить к транзисторам 29, 30 ПМИ 26 только в 1-м частотном диапазоне, а сигналы (3), (4) только во 2-м диапазоне. Эта логика обеспечивается двумя двухвходовыми логическими элементами «2ИЛИ» 44.9. 44.10.
Таким образом, требуемая логика работы силовой части 23 БРН (выполненного в виде узлов 25÷40) реализуется системой управления 24 (выполненной в виде узлов 41÷44).
Использование реверсивного возбуждения в бесконтактном комбинированном магнитоэлектрическом генераторе (КМЭГ) при заданном диапазоне изменения частоты вращения вала в соответствии с изобретением позволяет, по существу, параметрическим путем (без использования контура отрицательной обратной связи - КООС по выходному напряжению генератора) осуществить стабилизацию выходного напряжения. При необходимости обеспечения повышенной жесткости внешней характеристики КМЭГ (в функции тока нагрузки) должен использоваться также еще и КООС по напряжению. Данная задача решается практически традиционным путем.
Использование изобретения позволяет снизить мощность дополнительного индуктора и мощность БРН и, соответственно, существенно улучшить энергетические и массогабаритные показатели КМЭГ.
Использование изобретения обеспечивает уменьшение массогабаритных параметров и при этом повысить энергоэффективность процесса стабилизации его напряжения (при переменной частоте вращения вала).