Способ стабилизации выходного напряжения магнитоэлектрического генератора
METHOD OF STABILIZATION OF OUTPUT VOLTAGE OF MAGNETOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в магнитоэлектрических генераторах автономных систем электроснабжения.
Известен способ стабилизации выходного напряжения магнитоэлектрического генератора [патент CN 1262547 A1, H02K 7/12, 27.01.1999], по которому стабилизация напряжения магнитоэлектрического генератора осуществляется за счет механического изменения положения ротора относительно статора, благодаря возвратной пружине.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в нем применяются механические элементы, пружины, которые необходимо устанавливать внутри корпуса магнитоэлектрического генератора.
Известен способ стабилизации и управления выходным напряжением магнитоэлектрических генераторов [CN 101820245 H02H 7/18, H02J 7/14, H02P 9/48, 14.05.2010], по которому устройство, реализующее данный способ, содержит схему двухполупериодного мостового выпрямителя, схему модуляции напряжения, схему фильтрации выходного напряжения, схему дискретизации выходного напряжения, схему защиты, при этом стабилизирующее устройство напряжения контролирует выходное напряжение путем его измерения и регулирует выходное напряжение за счет широтно-импульсной модуляции.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в нем применяется множество различных элементов и схем, а также ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием возможности запуска генератора в двигательном режиме и гашения поля генератора при внезапном коротком замыкании.
Известен способ и устройство регулирования напряжения магнитоэлектрического генератора, реализующее данный способ [патент ЕР 1746716 А2, Н02Р 9/14, H02K 21/00, H02K 3/28, Н02Р 9/48, 20.07.2005], содержащее статор, с размещенной в его пазах основной и дополнительной обмоткой, а также ротор, на котором установлены постоянные магниты. Дополнительные катушки соединены с основными через полупроводниковые ключи, при подаче сигнала на которые от блока управления происходит подключение дополнительных катушек к основным катушкам таким образом, чтобы они либо снижали результирующее напряжение, либо повышали его, тем самым осуществляется стабилизация напряжения магнитоэлектрического генератора.
Недостатком аналога является сложность его технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в нем применяется множество полупроводниковых ключей, а также ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием возможности гашения поля генератора при внезапном коротком замыкании, а также низкая точность стабилизации выходного напряжения магнитоэлектрического генератора.
Известен способ стабилизации напряжения генератора с электромагнитным возбуждением и генератор для его реализации [Электрооборудование летательных аппаратов / под ред. С.А. Грузкова. - М.: МЭИ, 2005. - ISBN 5-7046-1066-8.Т. 1: Системы электроснабжения летательных аппаратов / С.А. Грузков [и др.]. - 2005. - 568 с., стр. 185], по которому стабилизацию напряжения генератора осуществляют блоком управления путем изменения тока возбуждения возбудителя, при этом ток возбуждения возбудителя через блок выпрямителей питает обмотку ротора и его изменение приводит к изменению тока, протекающего по обмотке ротора, а следовательно, либо к снижению, либо к повышению магнитного поля воздушном зазоре генератора и к изменению напряжения генератора.
Недостатками данного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием возможности использования его в магнитоэлектрических генераторах, ввиду отсутствия в них обмотки возбуждения, а также сложностью запуска генератора, выполненного по конструкции, реализующей данный способ в двигательном режиме.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому относится способ стабилизации напряжения магнитоэлектрического генератора с подмагничиванием спинки статора [Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы: Учебное пособие для ВТУЗов. М.: Оборонгиз, 1959. - 594 с.], по которому стабилизацию напряжения генератора осуществляют автоматическим изменением блоком управления намагничивающего тока, протекающего по обмотке, расположенной в спинке статора, и тем самым осуществляют изменение магнитной индукции в спинке статора, что приводит либо к понижению напряжения, в том случае если магнитную индукцию в спинке статора увеличивают, либо к повышению, если магнитную индукцию в спинке статора уменьшают.
Недостатками данного способа являются высокие массогабаритные показатели, обусловленные необходимостью использования в генераторах, реализующих данный способ, дополнительных обмоток и невысокий коэффициент полезного действия, обусловленный тем, что в данных обмотках индуцируются дополнительные токи.
Задача изобретения - минимизация массогабаритных показателей, расширение функциональных возможностей и повышение точности и надежности стабилизации выходного напряжения магнитоэлектрического генератора.
Техническим результатом является повышение КПД и повышение точности регулирования напряжения за счет саморегулирования напряжения магнитоэлектрического генератора.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе стабилизации напряжения магнитоэлектрического генератора, по которому напряжение генератора стабилизируют путем изменения магнитной индукции в спинке статора, согласно изобретению, обеспечивают насыщение магнитопровода магнитоэлектрического генератора в режиме холостого хода, а изменение магнитной индукции в магнитопроводе статора в процессе его нагрузки осуществляют саморегулированием благодаря согласованию кривой изменения магнитной индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря и кривой изменения магнитной индукции в магнитопроводе под действием реакции якоря, при этом для увеличения точности регулирования изменяют магнитное поле реакции якоря магнитоэлектрического генератора посредством формирования индуктивного или емкостного тока в блоке управления.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображена внешняя характеристика генератора. На фигуре 2 изображена кривая намагничивания для стали 2421. На фигуре 3 изображена зависимость магнитного поля в воздушном зазоре от магнитного поля реакции якоря. На фигуре 4 изображен спектр распределения магнитного поля магнитоэлектрического генератора по сечению магнитопровода статора.
Примеры конкретной реализации способа.
Пример 1
Магнитоэлектрический генератор мощностью 100 кВт и частотой вращения 24000 об/мин, номинальное напряжение которого во всем диапазоне изменения нагрузок должно составлять 115-118 В, работает на холостом ходу. Магнитопровод статора выполнен из электротехнической стали 2421 диаметром 185 мм, при этом магнитная индукция в магнитопроводе составляет 2.2 Тл.
Сумма магнитных напряжений на отдельных участках магнитной цепи магнитоэлектрического генератора при холостом ходе равняется магнитодвижущей силе, создаваемой постоянными магнитами:
M
где F - магнитодвижущая сила постоянных магнитов;
δ
F - магнитодвижущая сила воздушного зазора;
j
F - магнитодвижущая сила спинки магнитопровода статора;
z
F - магнитодвижущая сила зубцов статора,
δ
где В - магнитная индукция в воздушном зазоре магнитоэлектрического генератора;
δ - воздушный зазор;
z
Н - напряженность магнитного поля в зубцах статора;
j
Н - напряженность магнитного поля в спинке статора;
z
j
h, h - высота зубца и спинки соответственно;
δ
k - коэффициент воздушного зазора.
При магнитной индукции в магнитопроводе статора 2,2 Тл напряженность магнитного поля в спинке статора составляет 239000 А/м (фиг. 2). При этом магнитная индукция, согласно (1), составляет 0,63 Тл и напряжение генератора при холостом ходе составляет 116 В.
При появлении нагрузки возникает магнитодвижущая сила магнитного поля реакции якоря, которое снижает магнитное поле в воздушном зазоре (но не размагничивает высококоэрцитивные постоянных магнитов, то есть магнитодвижущая сила постоянных магнитов остается постоянной), фиг. 2.
При подключении номинальной нагрузки к магнитоэлектрическому генератору из-за снижения магнитной индукции в воздушном зазоре под действием магнитного поля реакции якоря (фиг. 3), магнитные потоки в участках магнитоэлектрического генератора перераспределяются следующим образом (фиг. 4): индукция в спинке статора составляет 1,97 Тл (напряженность 57000 А/м), в зубцах 1,56 Тл, в спинке ротора 1,75 Тл, а в воздушном зазоре 0,62 Тл. То есть напряжение при этом стало составлять 114 В.
Для обеспечения напряжения 115 В блоком управления формируется управляющий сигнал, который понижает магнитное поле реакции якоря, что обеспечивает в точности необходимый уровень напряжения.
Пример 2
Другим примером конкретной реализации предложенного способа является магнитоэлектрический генератор мощностью 5 кВт с частотой вращения ротора 60000 об/мин. Внешний диаметр статора данного генератора составляет 63 мм, статор генератора выполнен из аморфного железа 5БДСР индукция насыщения которого составляет 1,35 Тл. Ротор генератора выполнен двухполюсным. При холостом ходе статор генератора насыщен до 1,42 Тл, индукция в воздушном зазоре составляет 0,8 Тл и выходное напряжение генератора при частоте вращения 60000 об/мин без нагрузки составляет 100 В. При подключении к обмоткам генератора нагрузки по обмоткам генератора протекает ток, который создает магнитное поле реакции якоря, Это приводит к снижению магнитной индукции в воздушном зазоре генератора до 0,72 Тл, а индукция в магнитопроводе статора составляет 1,3 Тл. При этом напряжение генератора составляет также 100 В за счет выхода его из режима насыщения и обеспечивается тем самым возможность саморегуляции напряжения генератора.
Пример 3
Конкретной реализацией предлагаемого способа является генератор МЭГ-20 с частотой вращения 12000 об/мин и мощностью 20 кВт. Статор данного магнитопровода имеет диаметр 153 мм и выполнен из стали 49К2ФА. При холостом ходе индукция в магнитопроводе статора составляет 2,4 Тл, напряжение на выходе генератора составляет 152 В. Для стали 49К2ФА величина индукции насыщения составляет 2,2 Тл. При появлении номинальной нагрузки магнитное поле реакции якоря в данном генераторе снижает индукцию в воздушном зазоре и соответственно в магнитопроводе статора до 2,15 Тл. При этом напряжение на выводах генератора изменяется всего лишь на 2 В и составляет 150 В. Данный пример также доказывает реализуемость предлагаемого способа.
При этом для реализации указанного способа не требуется применение дополнительных обмоток, что позволяет понизить массогабаритные показатели магнитоэлектрических генераторов, реализующих указанный способ стабилизации напряжения, и повысить их коэффициент полезного действия.
Таким образом, достигается возможность саморегулирования напряжения магнитоэлектрического генератора с заданной точностью, минимизация массогабаритных показателей, а также повышение КПД и повышение точности регулирования напряжения магнитоэлектрического генератора.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность и надежность стабилизации выходного напряжения магнитоэлектрического генератора.