ГЕНЕРАТОР ДВОЙНОГО ТОКА С КОМПЕНСАЦИОННОЙ ОБМОТКОЙ
DOUBLE-CURRENT GENERATOR WITH COMPENSATION WINDING

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано как универсальный источник электрической энергии.
Известен одноякорный преобразователь, содержащий якорь с коллектором и контактными кольцами, главные и добавочные полюсы традиционного исполнения [Г.Н.Петров. Электрические машины. Часть третья. М.: Энергия. 1968. С.145]. Работая в режиме генератора двойного тока, одноякорный преобразователь, приводимый во вращение первичным двигателем, питает потребителей со стороны контактных колец трехфазным током, а со стороны коллектора - постоянным. В этом случае резко усложняются условия в коммутационной зоне и потенциальные условия на коллекторе, поскольку составляющие МДС якоря, соответствующие переменной и постоянной составляющим тока якоря, действуют согласно.
Известен также одноякорный преобразователь, содержащий якорь с коллектором и контактными кольцами, а также главные и добавочные полюсы традиционного исполнения, отличающийся тем, что он дополнен независимой компенсирующей системой, в состав которой входят последовательно соединенные обмотки добавочных полюсов и компенсационная, расположенная на главных полюсах вместо беличьей клетки, первичный измерительный преобразователь синусоидального тока и фазометр, включенные в одну из фаз, первичный измерительный преобразователь постоянного тока, микроконтроллер, на входы которого поступают сигналы с первичных измерительных преобразователей тока и фазометра, и блок питания обмоток постоянным током, построенный на основе широтно-импульсного преобразователя, на вход которого с микроконтроллера поступает управляющий сигнал, обеспечивающий заданный уровень компенсации МДС якоря в коммутационной зоне машины в любом режиме работы [Битюцкий И.Б., Терехов А.С. Одноякорный преобразователь // Патент 2277268 РФ. - БИ №15, 2006 (прототип)]. Эта система управления имеет следующие недостатки: относительная сложность, связанная с применением трех первичных измерительных преобразователей, зависимость быстродействия от частоты напряжения на контактных кольцах, зависимость качества компенсации реакции якоря от точности реализации математической модели в контроллере, невозможность учета несимметрии нагрузки на контактных кольцах, необходимость в отдельном источнике питания компенсационной обмотки.
В предлагаемом генераторе двойного тока с компенсационной обмоткой для решения проблемы коммутации применена независимая система управления компенсацией реакции якоря, основанная на непосредственном измерении магнитной индукции в коммутационной зоне машины, с помощью первичного измерительного преобразователя МДС, основанного на эффекте Холла (датчика Холла). Предлагаемый способ управления компенсацией исключает вышеизложенные недостатки.
Техническим результатом в сравнении с прототипом является упрощение, увеличение быстродействия и надежности системы управления, а также отсутствие внешних источников питания.
В состав независимой системы управления компенсацией реакции якоря входят: последовательно соединенные обмотки добавочных полюсов и компенсационная, датчик Холла для измерения МДС в коммутационной зоне машины, расположенный на геометрической нейтрали под центром наконечника добавочного полюса, микроконтроллер, на вход которого подключен датчик Холла, блок питания контроллера, блок питания обмоток добавочных полюсов и компенсационной постоянным током. Особенностью генератора двойного тока с компенсационной обмоткой является отсутствие внешних источников питания, а также непосредственное измерение МДС в коммутационной зоне машины с помощью датчика Холла. В момент запуска генератора происходит его самовозбуждение. Трансформатор блока питания контроллера подключается к линейному напряжению генератора. Блок питания обмоток добавочных полюсов и компенсационной постоянным током состоит из трехфазного трансформатора, подключенного к контактным кольцам генератора, выпрямителя и широтно-импульсного преобразователя, на вход которого с микроконтроллера поступает управляющий сигнал, обеспечивающий минимизацию результирующей МДС в коммутационной зоне машины.
Генератор двойного тока с компенсационной обмоткой можно также использовать в режиме преобразователя рода тока. В этом режиме замкнутая накоротко компенсационная обмотка может использоваться в качестве беличьей клетки для асинхронного пуска преобразователя.
На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого генератора двойного тока с компенсационной обмоткой. Якорь 1 через контактные кольца может соединяться с трехфазной цепью, а через коллектор - с цепью постоянного тока. В любом варианте конструктивное исполнение якоря - с единой обмоткой, обтекаемой одновременно трехфазным и постоянным токами, или с раздельными обмотками для трехфазного и постоянного токов - принципиального значения не имеет. Обмотка возбуждения 2, как и в большинстве случаев, соединена параллельно с якорем. Обмотки добавочных полюсов 3 и компенсационная 4 соединены между собой последовательно и включены на блок питания компенсирующей системы 5, построенный на основе широтно-импульсного преобразователя и получающий питание от генератора через контактные кольца. Под центром добавочного полюса расположен датчик Холла. Сигнал с датчика Холла поступает на вход контроллера 7, питающегося через блок питания контроллера 8 от генератора через контактные кольца. Под микроконтроллером подразумевается функционально-техническое единство микропроцессора, устройств памяти, управления, ввода/вывода и периферийных устройств. Сигнал управления, обеспечивающий поддержку МДС в зазоре на заданном уровне, подается с выхода микроконтроллера на вход блока питания компенсирующей системы 5, питающего постоянным током последовательно соединенные обмотки 3 и 4. Способ формирования управляющего сигнала - цифровой или аналоговый - значения не имеет.
Алгоритм компенсации результирующей МДС якоря в коммутационной зоне основывается на пропорционально-интегрально-дифференциальном (ПИД) регулировании. ПИД регулирование обеспечивает минимизацию результирующей МДС в коммутационной зоне машины, а в отдельных случаях, при смене уставки ПИД регулятора, возможна регулировка перекомпенсации машины в любом режиме работы. Дифференциальное звено ПИД регулятора обеспечивает форсировку магнитного поля обмоток добавочных полюсов и компенсационной в переходных режимах. Обратной связью для алгоритма ПИД служат данные, поступающие с датчика Холла. Структурная схема алгоритма управления представлена на фиг.2.