БЕСКОНТАКТНЫЙ ДВУХКАСКАДНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющимися при вращении ротора индуктивностями обмоток статора и может быть использована для частотного питания электрофизических установок мощными импульсами тока с амплитудой до 1 МА и более, например, для питания индуктивной нагрузки, такой как обмотки электромашинного генератора, индуктивного накопителя или электромагнита ускорителя.
min
max
Известен бесконтактный компрессионный генератор [Invited the compensated pulsed alternator program - a review / W.L.Bird, W.F.Weldon, B.M.Carder, R.J.Foley - Proceedings of 3 rd IEEE International Pulsed Power Conference, Albuquerque, June 1981, p.134-141], содержащий явнополюсный ферромагнитный статор с одной рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки. При вращении ротора индуктивность обмотки за счет ее экранирования зубцами ротора периодически изменяется, причем в момент минимума индуктивности (L) магнитный поток вытесняется в область обмотки, а в момент максимума индуктивности обмотки (L) магнитный поток проходит значительный путь по воздуху между полюсами статора и для его создания требуется большой ток.
max
min
Недостатками этого генератора являются значительная мощность источника возбуждения, которая связана с большими величинами тока, и незначительная кратность изменения индуктивности обмотки (N=L/L<10), что ограничивает генерируемую мощность.
Наиболее близким техническим решением является бесконтактный компрессионный генератор, выбранный в качестве прототипа [Патент RU №60807, МПК Н02K 57/00. - Опубл. 27.01.2007. Бюл. №3], содержащий явнополюсный ферромагнитный статор с одной рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов обмотки. Параллельно рабочей
max
обмотке подключены через первый коммутатор импульсный источник возбуждения и через второй коммутатор нагрузка. Благодаря наличию магнитопроводов значительно уменьшается путь магнитного потока по воздуху в момент максимума индуктивности обмотки статора (L), что приводит к уменьшению тока и мощности импульсного источника возбуждения, а также к увеличению генерируемой мощности импульсов тока в нагрузке за счет повышения кратности изменения индуктивности (N).
Недостатком прототипа является недостаточная для ряда нагрузок генерируемая мощность и амплитуда импульсов тока.
Задачей полезной модели является существенное повышение генерируемой мощности и амплитуды импульсов тока в нагрузке при сохранении незначительной мощности импульсного источника возбуждения.
Это достигается тем, что в бесконтактном двухкаскадном компрессионном генераторе, также как в прототипе, содержится импульсный источник возбуждения с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, параллельно которой подключена через второй коммутатор нагрузка, монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов (р) рабочей обмотки. Согласно полезной модели на статоре размещена дополнительная обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов (р=2, 3, 4 и т.д.) в дополнительных открытых пазах, которые смещены по отношению к пазам рабочей обмотки на угол 180°/р. Параллельно дополнительной обмотке возбуждения подключены через первый коммутатор импульсный источник возбуждения и через дополнительный коммутатор рабочая обмотка со вторым коммутатором и нагрузкой.
H
0
Достигаемый результат поясним при импульсном питании индуктивной нагрузки L без учета активных сопротивлений обмоток генератора и нагрузки. Примем, что при замыкании первого коммутатора в момент t=0 импульсный источник возбуждения генерирует на интервале времени 0≤t≤2t импульс тока возбуждения генератора (фиг.1, кривая 1)
m0
0
где I - максимальное значение тока возбуждения i(t).
max1
min2
1
2
Конструкция бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора такова, что в момент максимального значения индуктивности (L) дополнительной обмотки возбуждения индуктивность рабочей обмотки принимает минимальное значение (L) и наоборот, т.е. индуктивности обмоток при вращении ротора периодически изменяются и смещены во времени одна относительно другой на угол равный 180 электрических градусов. Поэтому индуктивности дополнительной обмотки возбуждения L(t) и рабочей обмотки L(t) генератора при вращении ротора изменяются во времени t с периодом T=2π/ω и с учетом постоянной составляющей и первой гармоники так
1
01
1
0
L(t)=L[1+mcosω(t-t)];
2
02
2
0
L(t)=L[1-mcosω(t-t)],
где ;  - коэффициенты модуляции индуктивностей обмоток;
01
max1
min1
02
mах2
min2
L=(L+L)/2; L=(L+L)/2 - средние значения индуктивностей обмоток;
1
max1
min1
2
max2
min2
N=L/L; N=L/L - кратности изменения индуктивностей обмоток;
ω=2πpf - угловая частота, определяемая частотой вращения ротора f и числом пар полюсов р обмоток.
0
1
0
1
0
0
1. Рассмотрим первый интервал времени 0≤t≤t, когда в момент t=0 замыкается первый коммутатор при разомкнутых втором и дополнительном коммутаторах. На этом интервале времени ток в дополнительной обмотке возбуждения генератора i(t) будет равен току возбуждения i(t), т.е. i(t)=i(t) (фиг.1, кривая 2 на интервале 0≤t/T≤0,1). В момент времени t=t, когда индуктивность дополнительной обмотки и ток возбуждения максимальны, начальная энергия, запасаемая в магнитном поле дополнительной обмотки, будет равна
0
0
0
2. Рассмотрим второй интервал времени t≤t≤2t, когда в момент t=t замыкается дополнительный коммутатор при замкнутом первом и разомкнутом втором коммутаторах. Совместное решение уравнений
при известных начальных условиях
0
0
m0
1
0
m0
2
0
i(t)=I; i(t)=I; i(t)=0
позволяет определить ток в дополнительной обмотке возбуждения (фиг.1, кривая 2 на интервале 0,1≤t/T≤0,2)
и ток в рабочей обмотке генератора (фиг.1, кривая 3 на интервале 0,1≤t/T≤0,2)
0
0
0
0
0
1
2
3. Рассмотрим третий интервал времени 2t≤t≤t+π/ω, когда в момент t=2t при i(2t)=0 первый коммутатор размыкается и отключает источник возбуждения, причем дополнительный коммутатор замкнут, а второй коммутатор разомкнут.При i(t)=i(t) из решения уравнения (1) при известных начальных условиях
определяем токи в обмотках генератора (фиг.1, кривые 2 и 3 на интервале 0,2≤t/T≤0,6)
0
min1
max2
В момент времени t=t+π/ω, когда индуктивность дополнительной обмотки возбуждения минимальна (L), а рабочей обмотки максимальна (L), находим значения токов
и энергию, запасаемую в магнитном поле рабочей обмотки
max2
min1
которая будет наибольшей при L=L и равной
0
0
0
4. Рассмотрим четвертый интервал времени t+π/ω≤t≤t+3π/ω, когда в момент t=t+π/ω замыкается второй коммутатор, причем дополнительный коммутатор замкнут, а первый коммутатор разомкнут.Из совместного решения уравнения (1) и уравнений
при известных начальных условиях
1
0
m1
2
0
m1
3
0
i(t+π/ω)=I; i(t+π/ω)=I; i(t+π/ω)=0
H
определяем ток в индуктивной нагрузке L (фиг.1, кривая 4 на интервале 0,6≤t/T≤1,6)
а также ток в дополнительной обмотке возбуждения (фиг.1, кривая 2 на интервале 0,6≤t/T≤1,6)
и ток в рабочей обмотке (фиг.1, кривая 3 на интервале 0,6≤t/T≤1,6)
0
max1
min2
В момент времени t=t+2π/ω, когда индуктивность дополнительной обмотки возбуждения максимальна (L), а рабочей обмотки минимальна (L), находим амплитудное значение тока в нагрузке
а также максимум энергии, запасаемой в магнитном поле нагрузки
которая будет наибольшей при индуктивности нагрузки
max2
min1
max1
min2
и составит при L=L и L≫L
причем
H
min2
L≈L;
H
min2
0
m0
В свою очередь прототип при питании индуктивной нагрузки L=L и при тех же значениях начальной энергии W и максимума тока возбуждения I имеет
;
Таким образом, получаем
; ,
1
1
min1
max2
т.е. заявляемый бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор имеет в N/4 раза большую энергию и в N/2 раза большую амплитуду импульса тока в нагрузке, а, значит, и большую мощность импульсов по сравнению с прототипом при той же мощности возбуждения. При этом числа витков обмоток выбираются так, чтобы минимальная индуктивность дополнительной обмотки возбуждения (L) была равна максимальной индуктивности рабочей обмотки (L).
На фиг.1 изображены расчетные кривые токов бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора. На фиг.2 схематически изображен бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор с четырьмя парами полюсов (р=4) при положении ротора, когда индуктивность дополнительной обмотки возбуждения максимальна, рабочей обмотки - минимальна. На фиг.3 приведена электрическая схема бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора.
Бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор (фиг.2) содержит корпус 1, явнополюсный ферромагнитный статор 2 с дополнительной обмоткой возбуждения 3 и рабочей обмоткой 4, монолитный ротор 5 из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы 6, а также вал 7. Дополнительная обмотка возбуждения 3 и рабочая обмотка 4 имеют одинаковое число пар полюсов (р=2, 3, 4 и т.д.) и размещены в открытых пазах статора, причем пазы дополнительной обмотки возбуждения 3 смещены относительно пазов рабочей обмотки 4 на угол 180°/р. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи явнополюсный ферромагнитный статор 2 и магнитопроводы 6 ротора 5 изготовляются шихтованными, т.е. набранными из отдельных изолированных листов электротехнической стали.
Электрическая схема бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора (фиг.3) содержит дополнительную обмотку возбуждения 3 и рабочую обмотку 4, импульсный источник возбуждения 8 (И), первый коммутатор 9, дополнительный коммутатор 10, второй коммутатор 11 и нагрузку 12 (Н). причем параллельно дополнительной обмотке возбуждения
3 подключены через первый коммутатор 9 импульсный источник возбуждения 8 (И) и через дополнительный коммутатор 10 рабочая обмотка 4, параллельно которой подключен второй коммутатор 11 с нагрузкой 12 (Н). В качестве импульсного источника возбуждения 8 (И) может быть выбрана заряженная от внешнего источника конденсаторная батарея, а в качестве нагрузки 12 (Н) может быть выбран, например, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности).
0
1
2
0
1
2
3
3
1
2
3
Бесконтактный двухкаскадный компрессионный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем ротор 5 генератора раскручивается до определенного числа оборотов. Коммутаторы 9, 10 и 11 разомкнуты. В момент близкий к максимуму индуктивности дополнительной обмотки возбуждения 3 первый коммутатор 9 замыкается и импульсный источник возбуждения 8 (И) генерирует в дополнительной обмотке возбуждения 3 импульс тока возбуждения i. Далее в момент максимума индуктивности дополнительной обмотки возбуждения 3 замыкается дополнительный коммутатор 10 и рабочая обмотка 4 подключается параллельно дополнительной обмотке возбуждения 3. За счет изменяющихся индуктивностей обмоток 3 и 4 начинают нарастать токи в этих обмотках i и i, причем в момент, когда ток возбуждения i становится равным нулю, размыкается первый коммутатор 9 и импульсный источник 8 (И) отключается. Далее в момент максимума индуктивности рабочей обмотки 4, когда токи i=i максимальны, замыкается второй коммутатор 11, который подключает параллельно рабочей обмотке 4 нагрузку 12 (Н). За счет изменяющейся индуктивности рабочей обмотки 4 в нагрузке 12 (Н) генерируется импульс тока i. В момент, когда ток i становится равным нулю, второй коммутатор 11 размыкается и отключает нагрузку 12 (Н). Далее, когда токи i=i обмоток 3 и 4 генератора становятся близкими к нулю, размыкается дополнительный коммутатор 10. Схема генератора (фиг.3) приходит в исходное состояние и генератор готов к генерированию следующего импульса тока i в нагрузке 12 (H).
Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и экспериментальных исследований, проведенных автором, имеет при той же мощности импульсного источника возбуждения примерно в три раза большую энергию и мощность генерируемых в нагрузке импульсов тока.
1
2
Данная полезная модель реализована в виде бесконтактного двухкаскадного компрессионного генератора массой 500 кг (N=30; N=10) с тиристорными коммутаторами для импульсно-частотного питания индуктивной нагрузки. Этот генератор имеет
импульсную мощность 58 МВт при амплитуде импульсов тока в нагрузке до 300 кА и частоте следования импульсов до 100 Гц.