Устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании источников питания, выполненных на основе механоэлектрических систем генерирования, применяемых в летательных аппаратах, судах, других транспортных средствах и автономных объектах.
Известно устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока, содержащее магнитоэлектрический генератор (с возбуждением от постоянных магнитов), непосредственно связанный с валом первичного двигателя. Генератор формирует на своих выходах напряжение, действующее значение которого зависит от частоты вращения вала первичного двигателя и тока нагрузки. Стабилизации напряжения реализуется изменением сопротивления магнитопровода магнитной цепи за счет введения дополнительной тороидальной подмагничивающей обмотки [А.И. Бертинов «Авиационные электрические генераторы», учебное пособие, М. 1959. Государственное издательство оборонной промышленности, 1959 г., с. 338-341].
Устройство имеет ограниченные возможности регулирования напряжения при изменении частоты вращения вала генератора в широком диапазоне, что является его недостатком. Применяемые в этом случае преобразователи уровня напряжения имеют повышенные массогабаритные характеристики. Это обусловлено тем, что вся генерируемая мощность, за исключением мощности нагрузки, должна быть поглощена преобразователем. Кроме того, подобные системы стабилизации напряжения имеют относительно низкий коэффициент мощности.
Известно устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока нестабильной частоты, которое содержит непосредственно связанный с валом первичного двигателя магнитоэлектрический генератор с рабочими обмотками, соединенными по схеме звезда, фильтр, к входам которого присоединены выходные выводы рабочей обмотки, а его выходы подключены к нагрузке, узел сравнения, один из входов которого присоединен к нагрузке, а второй - к источнику задания напряжения. [патент РФ на полезную модель № 81609, от 05.12.2008]. Стабилизация выходного напряжения в устройстве осуществляется за счет источника формирования реактивного тока генератора.
К числу недостатков данного устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока следует отнести конструктивную сложность источника формирования реактивного тока генератора, что снижает надежность устройства, и необходимость промежуточного фильтра больших габаритов между выходными выводами генератора и нагрузкой для сглаживания пульсаций, создаваемых коммутатором источника реактивного тока, что приводит к увеличению габаритов системы.
Известно также устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока, которое содержит электромашинный привод постоянной частоты вращения. Входной вал дифференциального механизма привода, в качестве которого используется механический планетарный редуктор, непосредственно связан с валом первичного двигателя, а выходной вал соединен с валом магнитоэлектрического генератора. Функции стабилизатора частоты вращения генератора выполняет асинхронная машина, которая управляется полупроводниковым устройством и через систему передач дифференциального механизма подкручивает или притормаживает вал генератора [Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Т. 1, под ред. С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 г., с. 247, 248]. Устройство наиболее близко к предлагаемой полезной модели и является прототипом.
К недостаткам прототипа следует отнести большие потери мощности в асинхронной машине вследствие скольжения, сложность общей конструктивной схемы, которая включает в себя дополнительный компаундирующий трансформатор для питания обмоток асинхронной машины, и, как следствие, снижение надежности устройства и увеличение его габаритов. Низкая надежность обусловлена также общими недостатками всех зубчатых передач, а именно поломки зубьев при ударных нагрузках, износ зубьев, потребность в смазке.
Задачей полезной модели, является увеличение надежности устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока и уменьшение его габаритов.
Решение задачи достигается за счет того, что в устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока, содержащее первичный двигатель, магнитоэлектрический генератор, выходы которого подключены к нагрузке, и полупроводниковое устройство управления, введены источник задания напряжения, узел сравнения и управляемая магнитная трансмиссия, входной вал которой соединен с валом первичного двигателя, выходной вал - с валом магнитоэлектрического генератора, а обмотка трансмиссии присоединена к выходу полупроводникового устройства управления, силовые входы которого присоединены к выходам магнитоэлектрического генератора, а к входу управления присоединен узел сравнения, один из входов которого присоединен к нагрузке, а второй - к источнику задания напряжения.
На чертеже представлена конструктивная схема предлагаемого устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока.
зад
Устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока состоит из первичного двигателя (ПД) 1, вал которого соединен с валом магнитной трансмиссии (МТ) 2, выходной вал которой соединен с валом синхронного генератора 3 с магнитоэлектрическим возбуждением (МЭГ). От выходных выводов генератора обеспечивается питание нагрузки (потребителя) 4 и полупроводникового устройства управления (1ШУ) 5. Параллельно нагрузке подключен узел сравнения 6, ко второму входу которого присоединен источник 7 задания напряжения U потребителей электрической энергии. Выход узла сравнения 6 присоединен к входу управления полупроводникового устройства 5, к выходам которого присоединена трехфазная обмотка трансмиссии.
Работа устройства состоит в следующем.
Если пренебречь сопротивлением, моделирующим активные потери в фазе генератора, то напряжение на выходе генератора определяется выражением
, где
E=KωФ - ЭДС вращения, наводимая магнитным потоком Ф в фазе обмотки генератора;
К - коэффициент пропорциональности;
2
ω=2πn - угловая частота вращения ротора;
2
n - числа оборотов вала ротора генератора;
I - ток фазы обмотки генератора;
с
L - синхронная индуктивность обмотки ротора.
Таким образом, основными факторами, определяющими стабильность выходного напряжения генератора, являются изменение частоты вращения ротора ω и тока нагрузки I.
1
2
С уменьшением числа оборотов вала первичного двигателя n или увеличением тока нагрузки выходное напряжение генератора уменьшается. Для сохранения уровня заданного напряжения нагрузки необходимо соответствующим образом изменять число оборотов вала генератора. При постоянной нагрузке для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо обеспечивать условие постоянства числа оборотов ротора генератора n=const. В общем случае для выполнения условия стабильности выходного напряжения генератора необходимо соответствующим образом изменять частоту вращения ротора генератора, которая определяется частотой вращения выходной муфты магнитной трансмиссии.
2
1
2
1
Частота вращения выходной муфты магнитной трансмиссии n находится в прямой зависимости от частоты вращения ее входной муфты n и в определенном диапазоне может регулироваться за счет изменения частоты трехфазной системы напряжений, питающих обмотку трансмиссии. Изменение частоты трехфазного напряжения, питающего обмотку трансмиссии, осуществляется полупроводниковым устройством управления в зависимости от величины и полярности сигнала, поступающего с узла сравнения на вход полупроводникового устройства управления. При уменьшении напряжения на входе нагрузки 4 сигнал рассогласования положительный, и частота трехфазного напряжения на выходе полупроводникового устройства управления 5 будет возрастать. Это приводит, в свою очередь, к увеличению скорости бегущего магнитного поля, создаваемого обмоткой магнитной трансмиссии. В результате частота вращения выходной полумуфты трансмиссии будет возрастать и соответственно возрастут число оборотов n и угловая частота вращения ω ротора генератора 3. Возрастание частоты вращения ротора генератора влечет за собой увеличение его генерируемой ЭДС (E=KωФ) и выходного напряжения генератора. В результате данного процесса уменьшение напряжения на нагрузке, обусловленное снижением числа оборотов вала первичного двигателя n или увеличением тока нагрузки, будет скомпенсировано за счет увеличения скорости вращения выходной полумуфты трансмиссии.
При увеличении напряжения нагрузки на выходе узла сравнения появится отрицательный сигнал рассогласования, и частота трехфазного напряжения на выходе полупроводникового устройства управления 5 будет уменьшаться. Соответственно уменьшаются частота вращения ротора генератора и его выходное напряжение.
В отличие от прототипа, где стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет использования полюснопереключаемой асинхронной машины (т.е. сложной конструкции), компаундирующего трансформатора, дифференциального механизма на основе механического планетарного редуктора, в предлагаемой полезной модели устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока использована управляемая магнитная трансмиссия, что позволяет устранить механическую передачу и существенно упрощает конструкцию, а, следовательно, увеличивает надежность и уменьшает габариты устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока.