Способ стабилизации напряжения генератора с изменяющейся частотой вращения вала и комбинированным возбуждением
GENERATOR WITH THE SHAFT ROTATION CHANGING FREQUENCY AND COMBINED EXCITATION VOLTAGE STABILIZATION METHOD

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим генераторам с переменной частотой вращения вала и предназначено для использования при построении генераторов переменного и постоянного тока для систем электропитания автономных объектов, прежде всего, для летательных аппаратов (где требуются минимально возможная масса и габариты и бесконтактность), а также в ветроэнергетике.
Известен способ стабилизации напряжения генератора с изменяющейся частотой вращения вала и комбинированным возбуждением, описанный в на стр. 292 рис. 9.28 Электроснабжение летательных аппаратов / В.А. Балагуров, И.М. Беседин, Ф.Ф Галтеев, Н.Т. Коробан, Н.З. Мастяев. - М.: Машиностроение, 1975. - 536 с.). Этот способ реализуется в генераторе, выполненным в виде синхронной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов, на магнитопроводе статора которой расположены якорная обмотка и обмотка подмагничивания, подключаемая к выходу регулятора напряжения. Способ регулирования напряжения в сторону его уменьшения обеспечивается повышением степени насыщения магнитопровода статора за счет снижения значения его индукции. В результате подмагничивания магнитопровода магнитный поток и рабочая индукция в нем уменьшается, следовательно, уменьшается и напряжение генератора.
Недостатком этого решения является пониженная энергетическая эффективность.
min
mах
n
max
min
доп
СГ
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ стабилизации напряжения генератора (с изменяющейся частотой вращения вала и комбинированным возбуждением - КМЭГ), описанный, например, на стр. 183 рис. 6.19 Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 - Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. - 568 с.). Этот способ реализуется в генераторе переменного напряжения (КМЭГ), у которого первая (основная) часть индуктора выполняется на основе постоянных магнитов, а вторая (дополнительная) часть индуктора - на основе электромагнитного возбуждения. Обмотка возбуждения дополнительного индуктора подключена к выходу блока регулирования напряжения (БРН). Стабилизация выходного напряжения КМЭГ при изменении частоты вращения вала осуществляется системой управления БРН, включающей в себя контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению КМЭГ. Силовой вход БРН подключается к якорной обмотке КМЭГ, а его выход - к обмотке возбуждения дополнительного индуктора. При изменении частоты вращения вала в диапазоне от n до n ток возбуждения изменяется от максимального значения до нуля. При кратности изменения частоты вращения вала K=n/n=1,5 мощность дополнительной части СГ (дополнительных якорной обмотки и индуктора) S имеет 30% от лной мощности СГ - S.
n
max
min
доп
СГ
n
Недостаток такого способа заключается в повышении энергопотребления, которое возрастает пропорционально кратности изменения частоты вращения вала генератора: при K=n/n=2 S=0,5S. Мощность БРН находится в такой же зависимости от параметра K.
Технический результат способа заключается в повышении энергоэффективности процесса стабилизации.
min
max
min
ном
max
Это достигается тем, что известный способ стабилизации напряжения генератора с изменяющейся частотой вращения вала и комбинированным возбуждением, содержащим основной индуктор с возбуждением от постоянных магнитов и дополнительный регулируемый индуктор, включающий в себя обмотку возбуждения, и суммированием наведенных этими индукторами напряжений в общей для двух индукторов якорной обмотке, заключающийся в соответствующем регулировании тока в обмотке возбуждения дополнительного индуктора в одном направлении его протекания в диапазоне изменения частоты вращения вала от минимального - ƒ до максимального значений - ƒ, отличающийся тем, что в первом диапазоне частоты вращения вала от f до  его изменяют от максимального значения до нуля при одном направлении тока в обмотке возбуждения регулируемого индуктора, во втором диапазоне изменения частоты от ƒ до ƒ его значение изменяют от нуля до максимального значения, а направление тока в обмотке возбуждения меняют на обратное.
Способ заключается не только характером изменения значения тока возбуждения возбудителя во втором диапазоне, но и изменением его направления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 приведены графики, поясняющие логику работы КМЭГ при изменении частоты вращения вала - n.
+
-
Схема реализующая способ регулирования возбуждения комбинированным магнитоэлектрическим генератором (КМЭГ), содержит основной индуктор, включающий постоянный магнит 1, втулку из немагнитного материала 2, вал 3, комбинированное кольцо-бандаж 4, составленное путем сварки из частей магнитно проводящего и магнитно не проводящего материала, дополнительный индуктор выполненный в виде магнитопровода 5, полюсного наконечника 6, обмотки возбуждения 7, контактные кольца 8, втулки 9 из изоляционного материала, контактных щеток 10 с соответствующими выводами 10 и 10, подшипники 11 и 12, основную 13 и дополнительную 14 части магнитопровода статора, которые разделены между собой зазором или немагнитным материалом, в пазах основной 13 и дополнительной 14 частей магнитопровода статора уложена якорная обмотка 15. Все указанные элементы расположены в корпусе 16, который соединен с подшипниками 11,12 крышками 17, 18. Кроме того, электрическая машина (КМЭГ) содержит блок 19 (БСН) стабилизации его выходного напряжения в функции изменения частоты вращения вала 1, который включает в себя силовую часть 20 (СЧ БСН) и систему управления 21 (СУ) СЧ БСН 20. Необходимое электропитание узлов 20, 21 обеспечивает блок питания внутренних нужд (БПВН) 22.
мэг
эмв
min
mах
min
mах
Приведенные графики поясняют логику работы КМЭГ при изменении частоты - n вращения вала 3. На нем показаны зависимость напряжения в той части якорной обмотки 15, которая расположена в основной части магнитопровода 13 и индуцированное первым индуктором напряжение U(n), а также зависимость регулируемой части напряжения в якорной обмотке 15, которая расположена в дополнительной части магнитопровода, и индуцированное вторым индуктором напряжение U(n). Графики приведены для диапазона изменения частоты вращения вала от «n=6000об/мин до n=9000об/мин и для диапазона от «n=6000об/мин до n=12000об/мин.
min
ном
о
д
1
2
Σ
Σ
1
2
min
ном
mах
min
ном
В первом частотном диапазоне изменения вращения вала 3 от минимального значения - f до номинального - f смежные полюса основного и дополнительного индукторов имеют одинаковую полярность (например, N и N), и в якорной обмотке 15 от основного и дополнительного индукторов наводятся э.д.с. Е и э.д.с. Е одинаковой полярности, а результирующая э.д.с. Е в якорной обмотке 15 определяется их суммой: Е=Е+Е. Здесь в якорной обмотке 15 реализуется режим вольтодобавки, и ток в обмотке возбуждения 7 имеет одно направление, причем с ростом частоты от ƒ до ƒ он посредством БСН 19 автоматически изменяется от I до нуля. Это изменение тока иллюстрируется линиями  и  соответственно для 1-го и 2-го диапазонов изменения частоты вращения вала. В области частот от ƒ до ƒ напряжение, наведенное в якорной обмотке индукторами имеют одинаковые знаки. Дополнительный индуктор совместно якорной обмоткой 15, расположенной под дополнительным индуктором, работает здесь в генераторном режиме.
При номинальной частоте вращения вала  ток в обмотке возбуждения 7 дополнительного индуктора равен 0.
ном
+
-
При частоте ƒ>ƒ система управления 21 (СУ БСН), используя информацию от якорной обмотки 15, вырабатывает сигналы управления ключевыми элементами силовой частью (СЧ) 21 БСН 19, которая обеспечивает изменение полярности напряжения, подаваемое через контактные щетки 10 и выводы 10 и 10 на контактные кольца 8, в результате чего ток в обмотке возбуждения 7 изменяет свое направление на противоположное, а напряжение в якорной обмотке 15, индуцированное дополнительным индуктором, изменяет свой знак на противоположный. При этом напряжения, индуцированные в якорной обмотке 15 основным и дополнительным индукторами, не суммируются, а вычитаются. В конечном счете, используя информацию о напряжении электрической машины (КМЭГ), обеспечивается стабилизация ее напряжения при изменении частоты вращения вала 3.
ном
max
о
д
0
д
Σ
Σ
0
д
ном
max
max
Во втором диапазоне изменения частоты вращения вала 3 от номинального значения - ƒ до максимального ƒ - смежные полюса основного и дополнительного индукторов приобретают разную полярность (например, N и S), и в якорной обмотке 15 от основного и дополнительного индукторов наводятся э.д.с. Е и э.д.с. Е разной полярности, а результирующая э.д.с. Е в якорной обмотке 15 определяется их разностью: Е=Е-Е. Здесь реализуется режим вольтовычитания. Ток в обмотке возбуждения 7 изменяет свое направление на противоположное, причем с ростом частоты от ƒ до ƒ он посредством БСН 19 автоматически изменяется от нуля до I. Это изменение тока иллюстрируется линиями  и  (для 2-х диапазонов изменения частоты вращения вала). Здесь дополнительный индуктор с расположенной под ним частью якорной обмотки 15 работает уже не в генераторном, а в двигательном режиме. При этом к валу 3 прикладывается положительный момент, обеспечивающий снижение мощности, потребляемой от первичного источника механической энергии, обратно пропорциональное повышению частоты вращения вала.
Таким образом, в полном частотном диапазоне при изменении частоты вращения вала 3 и при заданной нагрузке КМЭГ автоматически обеспечивается стабилизация выходного напряжения КМЭГ и постоянство потребляемой от источника механической энергии мощности.
Использование реверсивного возбуждения в бесконтактном комбинированном магнитоэлектрическом генераторе (КМЭГ) при заданном диапазоне изменения частоты вращения вала позволяет с использованием контура отрицательной обратной связи - КООС по выходному напряжению КМЭГ осуществить стабилизацию выходного напряжения в функции частоты вращения вала. При этом требуемая жесткость внешней характеристики КМЭГ обеспечивается и при возмущающих воздействиях по току нагрузки.
Использование изобретения позволяет снизить вдвое мощность дополнительного индуктора и вдвое мощность БСН и, соответственно, существенно улучшить электромагнитную совместимость в целом. Это достигается особым способом изменения тока возбуждения генератора с изменяемой частотой вращения вала, который заключается в соответствующем (по особому закону в функции частоты вращения вала) изменении не только значения тока возбуждения возбудителя, но и при определенных условиях и его направления.