БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электрических машин постоянного тока и может быть использована на промышленных предприятиях и электрическом железнодорожном транспорте, а также на других видах электрического транспорта в качестве высоковольтного источника постоянного тока.
Наиболее близким техническим решением является генератор постоянного тока по патенту РФ №2396676, МПК H02K 23/26, H02K 23/68, 10.08.2010, содержащий статор с полюсами, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорной обмоткой, закрепленный на валу генератора, соединенном с валом приводного синхронного двигателя, подключенным к источнику переменного напряжения, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих сплошных контактных колец, с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, при этом к одному из проводящих контактных колец присоединено начало якорной обмотки, а ко второму проводящему контактному кольцу подключен конец якорной обмотки, причем обмотки возбуждения генератора подключены, к источнику переменного напряжения.
Недостатком данного генератора является его невысокая мощность из-за невысокого значения электродвижущей силы (ЭДС) в результате пульсаций напряжения и тока на выходе генератора, обусловленных переменным синусоидальным током, подаваемым в обмотку возбуждения.
Другим недостатком генератора является его невысокая надежность из-за выполнения приводного двигателя в виде синхронного электродвигателя, что обуславливает необходимость поддержания частоты возбуждающего напряжения генератора с частотой вращения его ротора.
Задачей полезной модели является повышение мощности генератора за счет сглаживания пульсаций напряжения, и повышение надежности работы генератора за счет выполнения приводного двигателя в виде асинхронного двигателя или двигателя постоянного тока
Технический результат достигается тем, что в бесколлекторный генератор постоянного тока, содержащий статор с парой полюсов, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорными обмотками, закрепленный на валу генератора, который соединен с валом приводного двигателя, подключенного к источнику питания, контактное устройство, выполненное в виде двух сплошных проводящих контактных колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, согласно заявляемой полезной модели, введен блок управления с полномостовыми инверторами и пакетом программ управления работой генератора, на паре полюсов статора размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая обмотки возбуждения, соединенные с блоком управления, который подключен к источнику питания, причем на якоре также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая якорные обмотки, при этом начало первой и второй якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу, а конец первой и второй якорных обмоток присоединен ко второму сплошному проводящему контактному кольцу, источник питания представляет собой источник постоянного тока, питающий через блок управления обмотки возбуждения постоянным током и выполненный с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное, а приводным двигателем является двигатель постоянного тока или асинхронный двигатель, при этом блок управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток в верхнем или нижнем положениях.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена электрическая схема генератора, на фиг.2, 3 показаны положения якоря генератора, на котором расположены первая и вторая якорные обмотки, а именно, на фиг.2 - при верхнем и нижнем положениях, соответственно, первой и второй якорных обмоток, когда угол поворота якоря равен 90°, на фиг.3 - при нижнем и верхнем положениях, соответственно, первой и второй якорных обмоток, когда угол поворота якоря равен 270°, на фиг.4 - зависимость ЭДС (е) от угла поворота якоря (α).
Цифрами на фиг.1, 2, 3 обозначены:
1 - статор,
2 - пара полюсов,
3а - первая обмотка возбуждения,
3б - вторая обмотка возбуждения,
4 - якорь,
5а - первая якорная обмотка,
5б - вторая якорная обмотка,
6 - контактное устройство,
7 - вал генератора,
8 - первое сплошное проводящее контактное кольцо,
9 - второе сплошное проводящее контактное кольцо,
10 - токосъемная скользящая щетка первого проводящего контактного кольца,
11 - токосъемная скользящая щетка второго проводящего контактного кольца,
12 - нагрузочное сопротивление,
13 - приводной двигатель (двигатель постоянного тока или асинхронный двигатель),
14 - вал приводного двигателя,
15 - источник питания (источник постоянного тока),
16 - блок управления.
A
Бесколлекторный генератор постоянного тока содержит статор 1 с нарой полюсов 2, на которых размещены обмотки возбуждения 3а и 3б, якорь 4 с якорными обмотками 5а и 5б, закрепленный на валу 7 генератора, который соединен с валом 14 приводного двигателя 13, подключенного к источнику 15 питания, а также контактное устройство 6, закрепленное на валу 7 генератора. Контактное устройство 6 выполнено в виде двух сплошных проводящих контактных колец, первого 8 и второго 9. На сплошных проводящих контактных кольцах 8 и 9, соответственно, неподвижно установлены токосъемные скользящие щетки 10 и 11, с которых снимается постоянное напряжение генератора U, к которому подключено нагрузочное сопротивление 12.
Отличием предлагаемого бесколлекторного генератора постоянного тока является то, что в него введен блок 16 управления с полномостовыми инверторами (на чертеже условно не показаны) и пакетом программ управления работой генератора. Программа управления составляется заранее для заданного режима работы и в процессе работы бесколлекторного генератора остается постоянной. На паре полюсов 2 статора 1 размещены две автономные, независимые друг от друга, обмотки возбуждения, соответственно, на одном полюсе первая 3a и на другом полюсе вторая 3б, управляемые, соответственно, первым и вторым полномостовыми инверторами (на чертеже условно не показаны) блока 16 управления. Каждая обмотка возбуждения 3а и 3б, токи в которых переключаются независимыми первым и вторым полномостовыми инверторами, включена в полнотактную схему преобразования, которая управляет направлением тока в обмотке возбуждения в зависимости от места нахождения якорных обмоток 5а и 5б - в верхней или нижней части ротора, т.е. в блоке 16 управления первый полномостовой инвертор управляет направлением тока в первой обмотке возбуждения 3а в зависимости от места нахождения первой якорной обмотки 5а, а второй полномостовой инвертор управляет направлением тока во второй обмотке возбуждения 3б в зависимости от места нахождения второй якорной обмотки 56.
Полномостовые инверторы блока 16 управления питают обмотки возбуждения 3а и 3б постоянным током, меняющим свою полярность с положительной полярности на отрицательную через 180° по программе, установленной в блоке 16 управления. С вала 7 генератора информация об угле положения вала передается в блок 16 управления, где по результатам этой информации осуществляется управление токами обмоток 3а и 3б возбуждения, а также общее управление режимами работы генератора.
На якоре 4 также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки, разнесенные на 180°, т.е. они разнесены равномерно друг от друга на 90° от начала и конца каждой обмотки. Начало первой 5а и второй 5б якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу 8, а конец первой 5а и второй 5б якорных обмоток присоединен ко второму сплошному проводящему контактному кольцу 9, т.е. якорные обмотки 5а и 5б соединяются параллельно и ток нагрузки повышается до двух раз, а мощность на выходе повышается в два раза.
Приводным двигателем 13 является двигатель постоянного тока или асинхронный двигатель.
В
Блок 16 управления подключен к источнику 15 питания. К источнику 15 питания подключены, через блок 16 управления, первая 3а и вторая 3б обмотки возбуждения, на которые подается постоянное напряжение U возбуждения, т.е. источник 15 питания представляет собой источник постоянного тока, питающий через блок 16 управления первую 3а и вторую 3б обмотки возбуждения постоянным током.
Источник 15 питания, управляемый блоком 16, выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное в случае, если приводным двигателя 13 является асинхронный двигатель.
Блок 16 управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках 3а и 3б возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток 5а и 5б в верхнем или нижнем положениях.
Рассмотрим работу бесколлекторного генератора постоянного тока при выполнении источника 15 постоянного тока с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное, при этом приводным двигателем 13 является асинхронный двигатель.
При включении генератора, переменное напряжение, преобразованное из постоянного напряжения, от источника 15 постоянного тока поступает на приводной асинхронный двигатель 13. Вал 14 приводного асинхронного двигателя 13 начинает вращаться против часовой стрелки с установившейся частотой. Так как число пар полюсов генератора равно единице, вал 14 приводного асинхронного двигателя 13 и, соединенный с ним, вал 7 генератора совершают один оборот за период «Т» питающего напряжения. При этом за один оборот якоря 4 изменяется направление тока в обмотках возбуждения (3а и 3б), и происходит смена полярности полюсов 2. При этом постоянство полярности ЭДС, индуктируемой под действием магнитного поля полюсов 2 в якорных обмотках 5а и 5б при вращении якоря 4, обеспечивается следующим образом.
В первой половине оборота якоря 4, например, при угле равном 90° (фиг.2), щетка 10, соприкасающаяся с первым сплошным проводящим контактным кольцом 8, соединенным с началом первой 5а и второй 5б якорных обмоток, имеет положительный потенциал, вследствие того, что к этой щетке подводится ток от активной стороны якорной обмотки 5а, расположенной под полюсом N, щетка 11 в этот момент времени имеет отрицательный потенциал.
При угле поворота якоря 4 равном 270° (фиг.3), когда активные стороны якорных обмоток 5а и 5б поменялись местами, полярность щеток 11 и 10 остается неизменной, так как при нижнем положении активной стороны якорной обмотки 5а и верхнем положении активной стороны якорной обмотки 5б, нижний полюс меняет свою полярность с S на N, а верхний с N на S. В результате полярность ЭДС, индуктируемой в якорных обмотках 5а и 5б при вращении якоря 4, сохраняется постоянной (фиг.4).
Блок 16 с пакетом программ управления работой генератора управляет запуском приводного асинхронного двигателя и токами возбуждения генератора.
При запуске приводного асинхронного двигателя одновременно включаются первый и второй полномостовые инверторы (на чертеже условно не показаны) блока 16 управления, которые питают обмотки 3а и 3б возбуждения постоянным током. Токи возбуждения в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения, наводят ЭДС, соответственно, в первой 5а и второй 5б якорных обмотках. Токи в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения имеют такие направления, что ЭДС совпадают с полярностями в начале первой 5а и второй 56 якорных обмоток. На фиг.2 в первой половине оборота якоря 4, при угле равном 90°, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки находятся, соответственно, в верхнем и нижнем положениях вала ротора генератора.
Далее, с перемещением вала 7 генератора еще на 180° (фиг.3) полномостовые инверторы блока 16 управления вызывают токи возбуждения в обмотках 3а и 3б возбуждения, но обратной полярности. Постоянный ток меняет свою полярность (с положительной полярности на отрицательную полярность) через 180° в соответствии с программой управления работы генератора. Эти токи возбуждения в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения, наводят ЭДС, соответственно, в первой 5а и второй 5б якорных обмотках, совпадающие с ранее возбужденными полярностями.
Так как па якоре 4 размещены две автономные, независимые друг от друга, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки, разнесенные на 180° (они разнесены равномерно друг от друга на 90° от начала и конца каждой обмотки), выходная ЭДС генератора получается без пульсаций, такой, как она представлена на фиг.4 (без учета потерь в обмотке якоря, которой можно пренебречь).
A
В результате со щеток 10 и 11, контактирующих со сплошными проводящими контактными кольцами 8 и 9, на выход генератора, к которому подключено нагрузочное сопротивление 12, подается постоянное напряжение U.
Использование заявляемой полезной модели позволит, по сравнению с прототипом, повысить мощность и надежность работы генератора за счет введения в него блока управления с полномостовыми инверторами и пакетом программ управления работой генератора, размещением на полюсах статора двух автономных, независимых друг от друга, первой и второй обмоток возбуждения, управляемых двумя независимыми первым и вторым полномостовыми инверторами, размещением на якоре двух автономных, независимых друг от друга, первой и второй якорных обмоток, разнесенных на 180°, выполнения источника питания в виде источника постоянного тока с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное и питающего через блок управления обмотки возбуждения постоянным током, а приводного двигателя - в виде асинхронного двигателя или двигателя постоянного тока.