ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электромашинных импульсных генераторов и может быть использована для питания электрофизических установок (нагрузок активного, индуктивного и емкостного типов) мощными импульсами тока.
Известен электромашинный генератор импульсов с двумя обмотками [SU 934888 А1, МПК 5 Н03К 3/00, опубл. 15.08.1983], содержащий шихтованные ротор и статор с однофазными обмотками, два щеточно-коллекторных узла, соединенных один с началом, а второй с концом роторной обмотки, импульсный источник питания для создания начального магнитного потока в зазоре генератора и нагрузку, соединенную последовательно со статорной обмоткой, один из выводов которой соединен с одним из щеточно-коллекторных узлов. Один вывод импульсного источника питания соединен через коммутатор с нагрузкой, а другой - со вторым щеточно-коллекторным узлом и через замыкатель - с нагрузкой.
Недостатком этого генератора является наличие скользящих контактов (щеточно-коллекторных узлов), через которые необходимо пропустить в нагрузку весь импульс тока и всю генерируемую энергию.
Известен компульсатор с тремя обмотками [Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. - Л.: Наука, 1985, с. 200-201], содержащий ферромагнитный шихтованный статор с рабочей обмоткой и обмоткой возбуждения, которые имеют одинаковое число пар полюсов р и размещены со сдвигом на угол 90°/р относительно друг друга, и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный ротор с рабочей обмоткой и тем же числом пар полюсов р. Рабочие обмотки ротора и статора выполнены одинаковыми и соединенными последовательно между собой при помощи скользящих контактов (щеток и контактных колец). Параллельно рабочим обмоткам подключены коммутатор с импульсным источником питания (возбуждения) и коммутатор с нагрузкой, а к обмотке возбуждения статора подсоединен источник постоянного тока [Сипайлов Г.А., Лоос А.В., Чучалин А.И. Электромашинное генерирование импульсных мощностей в автономных режимах. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 16-17].
Недостатком компульсатора является необходимость пропустить через скользящие контакты весь импульс тока рабочих обмоток и всю генерируемую энергию, передаваемую в нагрузку.
Известен бесконтактный импульсный генератор с одной обмоткой [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], имеющий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, размещенной между полюсами, и монолитный явнополюсный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора.
Недостатками этого генератора являются большая величина тока возбуждения и значительная начальная энергия магнитного поля генератора, которые необходимо получить от импульсного источника питания, например, от заряженной конденсаторной батареи.
Известен бесконтактный компрессионный генератор с одной обмоткой [RU 60807 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.01.2007], содержащий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и расположенный на валу монолитный явнополюсный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены шихтованные магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора. При этом к обмотке статора подключены импульсный источник питания и нагрузка.
Недостатком этого генератора является сложность конструкции явнополюсного ротора, обусловленная необходимостью надежного крепления шихтованных магнитопроводов, что ограничивает число оборотов ротора и, следовательно, мощность генерируемых импульсов тока.
Известен бесконтактный импульсный компрессионный генератор с несколькими обмотками [RU 103251 U1, МПК Н02К 57/00 (2006.01), опубл. 27.03.2011], содержащий явнополюсный ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу явнополюсный ротор, причем ротор выполнен ферромагнитным шихтованным с расположенными в пазах короткозамкнутыми обмотками, охватывающими ротор, число которых равно числу пар полюсов обмотки статора. При этом импульсный источник питания подключен к последовательно или параллельно соединенным между собой обмотке статора и нагрузке.
Однако у этого генератора энергия и мощность импульса тока в нагрузке недостаточны.
Известен бесконтактный вентильно-компрессионный генератор с двумя обмотками [RU 156058 U1, МПК Н02К 39/00 (2006.01), опубл. 27.10.2015], выбранный в качестве прототипа, содержащий ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой между полюсами и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный ротор с размещенной в пазах обмоткой. К импульсному источнику питания последовательно подключены нагрузка, обмотка статора, коммутатор, который связан с импульсным источником питания. Замыкатель подключен параллельно к последовательно соединенным импульсному источнику питания и коммутатору. Обмотки статора и ротора выполнены с одинаковым числом пар полюсов, а на валу закреплен вентиль, подключенный к обмотке ротора.
max
0
max
0
0
min
max
min
m
0
При вращении ротора эквивалентная индуктивность обмотки статора за счет ее экранирования обмоткой ротора с индуцированным током периодически изменяется. При запертом вентиле ротора и совпадении осей обмоток ротора и статора, когда эквивалентная индуктивность обмотки статора максимальна L и равна ее собственной индуктивности, начальный магнитный поток Ф замыкается через небольшой воздушный зазор между статором и ротором, что приводит к значительной величине максимальной эквивалентной индуктивности L обмотки статора, незначительному току возбуждения i и малой начальной энергии магнитного поля генератора W. При открытом вентиле ротора и противоположном направлении осей обмоток ротора и статора, когда эквивалентная индуктивность обмотки статора минимальна L, магнитный поток вытесняется в воздушный зазор и области обмоток статора и ротора. В результате обеспечивается большая кратность изменения эквивалентной индуктивности N=L/L обмотки статора и существенное значение амплитуды импульса тока i~i·N в нагрузке.
0
Однако у прототипа энергия W~W·N импульса тока для многих нагрузок недостаточна.
Задачей полезной модели является увеличение генерируемой энергии импульса тока.
Поставленная задача достигается тем, что так же как в прототипе импульсный генератор содержит ферромагнитный шихтованный статор с обмоткой, подключенной к параллельно соединенным замыкателю и коммутатору с импульсным источником питания, причем коммутатор с импульсным источником питания связаны последовательно, и расположенный на валу ферромагнитный шихтованный ротор с обмоткой, которая подсоединена к закрепленному на валу вентилю так, что обмотка ротора включена согласно с обмоткой статора, причем обмотки статора и ротора выполнены с одинаковым числом пар полюсов р.
Согласно полезной модели, на статоре размещена дополнительная рабочая обмотка с числом пар полюсов р и со сдвигом на угол 90°/р относительно обмотки статора, причем к дополнительной рабочей обмотке последовательно подключен дополнительный вентиль, который подсоединен так, что дополнительная рабочая обмотка включена согласно с обмоткой ротора.
H1,2
0
Достигаемый результат поясним, например, при импульсном питании индуктивной нагрузки с индуктивностью L без учета активных сопротивлений при одинаковых для прототипа и полезной модели индуктивностях обмоток и коэффициентах связи между ними, при одинаковом начальном токе возбуждения i, одинаковом числе пар полюсов р и одинаковой угловой частоте вращения ротора Ω, причем положение ротора характеризуется углом α=Ωt при времени t≥0.
1
2
12
1
H1
2
1
0
2
1. Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор (прототип). Примем, что индуктивность обмотки статора равна L, индуктивность обмотки ротора - L, коэффициент связи между обмотками - K<1. Ток i течет в обмотке статора и нагрузке L, а ток i - в обмотке ротора. При угле α=0 и времени t=0 начальные значения токов равны: i(0)=i; i(0)=0. Обозначим:
max1
min1
1
H1
min1
L, L - максимальное (при запертом вентиле ротора) и минимальное (при открытом вентиле ротора) значения индуктивности обмотки статора при кратности N ее изменения; L=L - индуктивность нагрузки прототипа;
01
W - начальная энергия (энергия импульса источника питания).
При взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора
из решения уравнений для потокосцеплений этих обмоток
находим
1m
1
где I - максимальное значение тока i прототипа при угле α=π/р;
H1
H1
W - максимальная энергия, переданная в индуктивную нагрузку L.
1
2
3
12
23
1
2
3
H2
1
0
2
3
3
2. Импульсный генератор (полезная модель). Примем, что индуктивность обмотки статора равна L, индуктивность обмотки ротора - L, индуктивность дополнительной рабочей обмотки статора - L, коэффициент связи между обмоткой статора и обмоткой ротора - K<1, коэффициент связи между дополнительной рабочей обмоткой статора и обмоткой ротора - K<1. Ток i течет в обмотке статора, ток i - в обмотке ротора, ток i - в дополнительной рабочей обмотке и нагрузке L. При угле α=0 и времени t=0 начальные значения токов равны: i(0)=i; i(0)=0; i(0)=0. На интервале 0<α<β дополнительный вентиль в цепи рабочей обмотки заперт и i=0.
Примем следующие взаимные индуктивности между обмоткой ротора и обмотками статора:
тогда на интервале 0<α<β из решения уравнений для потокосцеплений обмотки ротора и обмотки статора
находим токи
2
При повороте ротора и изменении тока i потокосцепление дополнительной рабочей обмотки статора
3
23
2
Ψ=М·i
при угле α=β будет достигать максимального значения
причем для угла β выполняется уравнение
12
из которого при 0,9≤K≤0,99 имеем:
При угле положения ротора α=β дополнительный вентиль отпирается и подключает рабочую обмотку статора к нагрузке. Для определения токов при угле α≥β используем уравнения для потокосцеплений
3
из решения, которых находим ток i:
3k
3c
Э
3
где i и i - компрессионная (обусловленная изменением индуктивности L) и синхронная составляющие тока i соответственно;
Э
L - эквивалентная суммарная изменяющаяся индуктивность дополнительной рабочей обмотки и индуктивной нагрузки при открытом вентиле ротора и открытом дополнительном вентиле.
При параметрах
и угле положения ротора
3
3m
наблюдается максимум тока i равный I:
В результате получаем
H2
H2
где W - максимальная энергия, переданная в индуктивную нагрузку L;
- индуктивность нагрузки полезной модели;
02
W - начальная энергия (энергия импульса источника питания);
2
H2
N - кратность изменения энергии в индуктивной нагрузке L.
01
02
12
23
12,23
Таким образом, при W≈W; K≈K; 0,9≤K≤0,99 из соотношений
H2
следует, что полезная модель по сравнению с прототипом передает в индуктивную нагрузку большую энергию W импульса тока.
1
2
3
1
2
3
На фиг. 1 схематически изображен импульсный генератор, а на фиг. 2 приведена его электрическая схема. На фиг. 3, 4 показаны характерные расчетные кривые токов i, i, i и напряжений u, u, u обмоток импульсного генератора в функции времени t при питании активной нагрузки.
Импульсный генератор (фиг. 1) содержит ферромагнитный шихтованный статор 1 с обмоткой 2 и расположенный на валу 3 ферромагнитный шихтованный ротор 4 с обмоткой 5. Число пар полюсов обмотки 5 ротора 4 равно числу пар полюсов (р=2) обмотки 2 статора 1. На валу 3 закреплен вентиль 6, который подключен к обмотке 5 ротора 4 так, что катод и анод вентиля 6 подсоединены соответственно к входному и выходному зажимам обмотки 5. На статоре 1 размещена дополнительная рабочая обмотка 7 с тем же числом пар полюсов р=2, которые имеют обмотки 2 и 5, причем обмотка 7 расположена со сдвигом на угол 90°/р=45° относительно обмотки 2 статора 1. На фиг. 1 пазы статора 1 и ротора 4, в которых расположены обмотки 2, 5 и 7, не детализированы, причем показано положение ротора относительно обмотки статора при угле α=0 и указаны направления токов в обмотках 2, 5, 7: «» - от нас; «» - к нам.
Обмотка 2 статора 1 (фиг. 2) подключена входным зажимом (*) к коммутатору 9, а выходным зажимом - к входному зажиму (-) импульсного источника питания 8, который выходным зажимом (+) связан с коммутатором 9. Замыкатель 10 подключен параллельно к обмотке 2 статора 1 и к последовательно соединенным импульсному источнику питания 8 и коммутатору 9. Дополнительная рабочая обмотка 7 статора 1 соединена последовательно с нагрузкой 12 и дополнительным вентилем 11, который подсоединен так, что дополнительная рабочая обмотка 7 включена согласно с обмоткой 5 ротора 4, например, катод и анод дополнительного вентиля 11 подключены соответственно к входному зажиму (*) дополнительной рабочей обмотки 7 статора 1 и одному из зажимов нагрузки 12, а нагрузка 12 другим зажимом подсоединена к выходному зажиму дополнительной рабочей обмотки 7 статора 1.
В качестве импульсного источника питания 8 может быть использована, например, заряженная конденсаторная батарея. Нагрузка 12 может быть активного, индуктивного или емкостного типа в виде такой электрофизической установки как, например, лампа накачки лазера (активная нагрузка), индуктивный накопитель энергии (индуктивная нагрузка) или емкостный (батарея незаряженных конденсаторов) накопитель энергии (емкостная нагрузка).
2
2
Вентилем 6 может быть, например, группа из последовательно-параллельно соединенных диодов типа В2-500, предназначенных для размещения на валах вращающихся роторов электромашинных генераторов. Каждый диод В2-500 выдерживает максимальный (ударный) ток 7,7 кА, обратное напряжение 3000 В и значительные ускорения: длительные до 49000 м/с, действующие вдоль оси симметрии диода в сторону основания диода, и кратковременные до 14700 м/с, действующие перпендикулярно оси симметрии диода. Коммутатором 9 может быть, например, группа из последовательно-параллельно соединенных тиристоров типа Т253-1250. Замыкатель 10 предназначен для шунтирования обмотки 2 статора 1 при угле α=0 положения ротора 4 и при протекании в обмотке 2 знакопеременного тока. Замыкателем 10 могут быть, например, две встречно-параллельно включенные группы из последовательно-параллельно соединенных тиристоров типа Т253-1250. Дополнительным вентилем 11 может быть, например, группа из последовательно-параллельно соединенных диодов типа Д253-1600 [Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 76-81, 99-104, 161-164, 202-215].
1
1
2
1
0
1
1
0
0
0
2
1
2
3
3
3
0
3
Импульсный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем вал 3 и ротор 4 раскручивается до определенного числа оборотов n в минуту. Далее, например, при угле α≈-22,5° на обмотку 2 статора 1 замыканием коммутатора 9 от импульсного источника питания 8 подается нарастающий от нулевого значения ток i. Этот ток i наводит на обмотке 5 ротора 4 положительное напряжение, которое запирает вентиль 6, т.е. ток i обмотки 5 ротора 4 равен нулю. С ростом тока i от нуля до i при повороте ротора 4 потокосцепление его обмотки 5 увеличивается. При угле α≈0 ток i обмотки 2 статора 1 составляет величину i≈i и создает начальный магнитный поток Ф и начальную энергию магнитного поля генератора W. При угле α≈0 потокосцепление обмотки 5 ротора 4 достигает максимального значения, а напряжение на этой обмотке 5 - нулевой величины. При угле α>0 и отрицательном напряжении на обмотке 5 вентиль 6 открывается и ток i начинает нарастать. Одновременно с открытием вентиля 6 срабатывает замыкатель 10, закорачивая обмотку 2 статора 1 и обеспечивая тем самым возможность большего роста тока i за счет уменьшения сопротивления цепи обмотки 2. При повороте ротора 4 и изменении угла α от 0 до значения β>0 потокосцепление дополнительной рабочей обмотки 7 статора 1, создаваемое током i обмотки 5, будет нарастать от нуля до максимального значения, обеспечивая положительное напряжение на обмотке 7, которое запирает дополнительный вентиль 11 и дает ток i=0 в дополнительной рабочей обмотке 7 статора 1 и нагрузке 12. При угле α≈β положения ротора 4 потокосцепление дополнительной рабочей обмотки 7 будет максимально, а напряжение на обмотке 7 равно нулю. При угле α>β дополнительный вентиль 11 отрицательным напряжением на обмотке 7 отпирается и ток i в обмотке 7 и нагрузке 12 нарастает от нулевого значения. В результате происходит преобразование механической энергии вращающегося ротора 4 в электромагнитную энергию W импульса тока i, которая тем больше, чем больше начальная энергия магнитного поля генератора W и больше коэффициенты связи обмотки 5 ротора 4 с обмоткой 2 и дополнительной рабочей обмоткой 7 статора 1. Таким образом, электромагнитная энергия W импульса тока i обмотки 7 статора 1 передается в нагрузку 12.
-3
-3
-3
12
23
2
1
3
0
0
1,2
C1,2
01,2
С учетом активных сопротивлений обмоток 2, 5, 7 проведен расчет бесконтактного вентильно-компрессионного генератора (прототип) и импульсного генератора (полезная модель) при следующих одинаковых параметрах: масса - 1500 (кг); диаметр ротора 4 - D=0,318 (м); воздушный зазор между ротором 4 и статором 1 - δ=10 (м); длина ротора 4 (статора 1) - l=0,318 (м); шихтованные ротор 4 и статор 1 изготовлены из листов электротехнической стали марки 2411 толщиной 0,35 (мм); число пар полюсов - р=2; коэффициенты связи между обмоткой ротора 5 и обмотками 2, 7 статора 1 - K=K≈0,98; число витков на полюс обмотки 5 ротора 4 - w=4; числа витков на полюс обмоток 2, 7 статора 1 - w=w=3; число оборотов ротора 4 - n=6000 (об/мин); угловая частота вращения ротора 4 - Ω=628 (р/с); кинетическая энергия вращающегося ротора 4 - 1,54 (МДж); период следования импульсов - T=2π/pΩ=5·10 (с); t≈T/8=0,625·10 (с) - момент времени, соответствующий углу положения ротора 4, равному α=-Ωt=-22,5°, когда импульсный источник питания 8 подключается коммутатором 9 к обмотке 2 статора 1; импульсный источник питания 8 - заряженная конденсаторная батарея емкостью С, с начальным напряжением U и начальной энергией (энергия импульса возбуждения) W; на валу 3 прототипа и полезной модели, исходя из возможного режима короткого замыкания, закреплен вентиль 6 в виде группы из 16 параллельно соединенных диодов типа В2-500.
0
1
C1
01
0
0
Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор (прототип) с явнополюсным статором 1 и явнополюсным ротором 4 характеризуется такими параметрами: начальная индукция в статоре 1 при угле α=0 положения ротора 4 - В≈1,957 (Тл); импульсный источник питания 8 - С≈587 (мкФ), U≈2372 (В), W≈1651 (Дж); начальный ток в обмотке 2 статора 1 при угле α=0 положения ротора 4 - i≈3481 (А); начальный магнитный поток в статоре 1 и роторе 4 при угле α=0 положения ротора 4 - Ф≈0,156 (Вб).
0
2
C2
02
0
0
Импульсный генератор (полезная модель) с неявнополюсным статором 1 и явнополюсным ротором 4 характеризуется такими параметрами: начальная индукция в статоре 1 при угле α=0 положения ротора 4 - B≈1,1 (Тл); импульсный источник питания 8 - С≈386 (мкФ), U≈1350 (В), W≈352 (Дж); начальный ток в обмотке 2 статора 1 при угле α=0 положения ротора 4 - i≈1310 (А); начальный магнитный поток в статоре 1 и роторе 4 при угле α=0 положения ротора 4 - Ф≈0,088 (Вб). Дополнительный вентиль 11, исходя из возможного режима короткого замыкания, содержит 10 диодов типа Д253-1600 в виде группы, в которой 5 параллельных ветвей по 2 последовательно соединенных диода.
H1,2
1
3
Бесконтактный вентильно-компрессионный генератор (прототип) и импульсный генератор (полезная модель) имеют такие значения энергий W импульса тока (ток i - у прототипа, ток i - у полезной модели):
H
а) в активной нагрузке R≈42 мОм:
H1
прототип - W≈45 кДж;
H2
полезная модель - W≈97 кДж;
H
б) в индуктивной нагрузке L≈10,62 мкГн:
H1
прототип - W≈33 кДж;
H2
полезная модель - W≈36 кДж;
H
в) в емкостной нагрузке С≈15000 мкФ:
H1
прототип - W≈38 кДж;
H2
полезная модель - W≈120 кДж.
H
1
2
3
1
2
3
На фиг. 3 и 4 для активной нагрузки R≈42 (мОм) приведены результаты расчета в виде характерных для импульсного генератора (полезная модель) временных графиков токов i, i, i и напряжений u, u, u обмоток 2, 5, 7 соответственно.
H2
3
02
Таким образом, импульсный генератор по сравнению с бесконтактным вентильно-компрессионным генератором имеет в нагрузке большую генерируемую энергию W импульса тока i при меньшей (начальной) энергии W импульса (возбуждения) источника питания.