УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ
UNIPOLAR PULSE GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве униполярных генераторов импульсов.
Известны униполярные генераторы постоянного тока, применяемые для питания низковольтных электрических устройств. Среди них наиболее известно двухдисковое динамо Н. Тесла (патент N. Tesla. Dinamo-electric machine, US, №406.968, July 16, 1889), ставшее основой конструкций современных униполярных генераторов (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980, § 65-7; патенты SU 1739447 и SU 1532989).
Известны также униполярные генераторы импульсов (УГИ), применяемые для питания электрофизических и электротехнологических установок. (Электрические униполярные машины // Под ред. Л.А. Суханова / Л.А. Суханов, Р.Х. Сафиуллина, Ю.А. Бобков. - ВНИИЭМ. - М., 1964 г., 136 с.). Генерация импульсов напряжения в них осуществляется путем реализации периодических коммутаций цепи якоря генератора на нагрузочное сопротивление. Другим способом получения импульсного выходного напряжения известных УГИ является способ реализации периодических циклов форсировки и дефорсировки возбуждения.
Недостатком известных УГИ является то, что для их действия необходима дополнительная аппаратура, производящая коммутации цепи якоря или форсировку - дефорсировку возбуждения, что снижает надежность установки с генератором импульсов.
Другим недостатком известных УГИ является то, что для периодического формирования импульсов выходного напряжения генератора дополнительная аппаратура должна иметь мощность, близкую к мощности генератора, что существенно увеличивает стоимость установки с генератором импульсов.
Наиболее близким к предлагаемому является УГИ на базе униполярного генератора Форбса (Электрические униполярные машины. // Под ред. Л.А. Суханова / Л.А. Суханов, Р.Х. Сафиуллина, Ю.А. Бобков - ВНИИЭМ. - М., 1964 г., 136 с.). Генератор, вращаемый приводным двигателем, содержит корпус, полюса, обмотку возбуждения, выполненную из двух катушек, включенных последовательно-встречно, и двухдисковый якорь, объединенный с валом.
Недостатком данного униполярного генератора является то, что он не может генерировать импульсы напряжения без дополнительной коммутационной аппаратуры в цепи якоря или без аппаратуры форсировки-дефорсировки возбуждения.
Технической задачей изобретения является создание униполярного генератора импульсов, осуществляющего генерацию импульсов выходного напряжения без дополнительной коммутационной аппаратуры в цепи якоря и без аппаратуры форсировки-дефорсировки возбуждения.
Поставленная техническая задача решается тем, что в униполярном генераторе, вращаемым приводным двигателем с номинальной частотой, содержащем корпус, полюса, обмотку возбуждения, выполненную из двух катушек, включенных последовательно-встречно, и двухдисковый якорь, объединенный с валом, установлена дополнительная обмотка, индуктивно связанная с обмоткой возбуждения, полюса перед началом эксплуатации размагничиваются, процесс самовозбуждения генератора инициируется токовым импульсом дополнительной обмотки.
1
2
1
2
С
ЭМ
Конструкция предлагаемого УГИ приведена на фиг. 1. Для повышения выходного напряжения генератор конструктивно выполнен в виде двух последовательных однодисковых униполярных генераторов А и Б с самовозбуждением, имеющих общие вал и корпус. Верхняя часть фиг. 1 соответствует генератору А, нижняя - генератору Б. Оба генератора заключены в общий корпус 1. Генератор А состоит из продольных и поперечных элементов корпуса 1, полюсов 2, дискового якоря 5, катушки дополнительной обмотки 6, катушки обмотки возбуждения 7. Элементы корпуса и полюса выполнены из стали с низким магнитным сопротивлением и служат для замыкания магнитного потока. Генератор Б имеет аналогичную конструкцию. Оба генератора имеют общий вал 4, выполненный совместно с дисковыми якорями из материала с низким электрическим сопротивлением. Вал установлен в подшипниках 3, закрепленных в корпусе 1. Электрический контакт с дисковыми якорями и валом осуществляется посредством щеток 8, а между дисковыми якорями - через вал 4. Катушки возбуждения генераторов А и Б включены последовательно-встречно и образуют обмотку возбуждения УГИ. Катушки дополнительной обмотки генераторов А и Б включены последовательно-встречно и образуют дополнительную обмотку УГИ. Дополнительная обмотка конструктивно расположена внутри обмотки возбуждения (см. фиг. 1) и индуктивно связана с ней. К выводам якорной цепи УГИ Я, Я подключается нагрузка. К выводам дополнительной обмотки УГИ Д, Д подключается генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), формирующий, совместно с дополнительной обмоткой, запускающий токовый импульс для процесса начального самовозбуждения. На фиг. 1 стрелками показаны направление вращения якоря ω, направление действия момента приводного двигателя М, направление действия электромагнитного момента генератора М, а также магнитные линии поля обмотки возбуждения.
1
2
1
2
n
ЭМ
С
На фиг. 2 приведена схема подключения обмоток униполярного генератора импульсов. На схеме показаны катушки обмотки возбуждения, включенные последовательно-встречно в цепь якоря между щетками и выводами Я, Я. Там же показаны включенные последовательно-встречно катушки дополнительной обмотки, выводы которой Д, Д подключены к ГПИ. Ключ К предназначен для соединения цепи якоря УГИ с нагрузкой, имеющей сопротивление R. Стрелками показаны направления тока якоря i, выходного напряжения УГИ u, моментов М, М и частоты вращения якоря ω. ГПИ питается от маломощного источника постоянного тока.
ЭМ
С
n
УГИ работает следующим образом. С определенной частотой он создает на валу незатухающие отрицательные импульсы электромагнитного момента М, под действием которых частота вращения якоря ω снижается. В промежутки времени между импульсами частота вращения якоря увеличивается под действием момента М. При колебаниях частоты вращения ЭДС якоря, ток якоря i и напряжение на нагрузке iR приобретают форму заостренных импульсов. Последовательное включение обмотки возбуждения в цепь якоря УГИ способствует высокой крутизне импульсов выходного напряжения и его стабильности при изменениях нагрузки.
1
2
Перед началом эксплуатации УГИ требуется размагничивание остаточной намагниченности полюсов. Процесс размагничивания, при необходимости, может быть повторен и в ходе эксплуатации. Контролировать остаточную намагниченность полюсов можно по напряжению на выводах Я, Я при номинальной частоте вращения якоря УГИ и разомкнутом ключе К (см. фиг. 2). При любом направлении вращения якоря это напряжение должно быть равно нулю. Напряжение величиной более 3% от номинального свидетельствует о необходимости размагничивания.
1
2
0
Перед запуском частота вращения якоря УГИ доводится приводным двигателем до номинальной и замыканием ключа К (см. фиг. 2) подключается нагрузка. Якорь УГИ будет вращаться с номинальной частотой, но, из-за отсутствия остаточного намагничивания полюсов, самовозбуждения не произойдет, а обмотки УГИ и нагрузка будут обесточены. Запуск УГИ происходит при подаче прямоугольного импульса с ГПИ на дополнительную обмотку Д, Д (см. фиг. 2). Появившийся под его действием в дополнительной обмотке ток трансформируется в обмотку возбуждения УГИ в виде запускающего токового импульса, который инициирует процесс самовозбуждения. Далее УГИ самовозбуждается так же, как обычные генераторы постоянного тока параллельного возбуждения (Вольдек А.И. Электрические машины: учебник для студентов ВУЗов. - 3-е изд. - Л.: Энергия. - 1978, § 9-4) с той разницей, что лавинообразно растет не только ток возбуждения, но и совпадающий с ним ток якоря. После начального самовозбуждения УГИ переходит в рабочий режим, а дополнительная обмотка и ГПИ отключаются. Прямоугольный импульс ГПИ и запускающий токовый импульс величиной i показаны на фиг. 3. Длительность и величина импульса ГПИ выбираются из расчета обеспечения
0
n
i~(0,005-0,05)I,
n
где I - номинальный ток УГИ.
ЭМ
С
С
ЭМ
Пока момент М меньше момента М, частота вращения якоря ω растет под действием момента М. При этом униполярный генератор самовозбуждается. Рост ω сопровождается характерным для самовозбуждения лавинообразным нарастанием тока i в обмотке возбуждения и таким же нарастанием величины момента М и ЭДС в дисковых якорях генератора А
и генератора Б (см. фиг. 1)
f
где L - главная индуктивность обмотки возбуждения. Таким образом, со стороны дисковых якорей к валу прикладывается короткий импульс отрицательного электромагнитного момента
Под его действием частота вращения якоря, ЭДС якоря, ток якоря и, в результате, электромагнитный момент резко снижаются, а генератор в значительной мере теряет возбуждение. Далее все процессы повторяются. Импульсная форма тока якоря обеспечивает такую же форму выходного напряжения УГИ
В соответствии со схемой на фиг. 2 и формулами (1)-(4) математическая модель УГИ включает в себя следующие уравнения
n
где уравнение (5) описывает цепь якоря, уравнение (6) задает баланс моментов на валу, выражения (7), (8) задают начальное состояние УГИ, выражения (9), (10) связывают электромагнитный момент и выходное напряжение с током якоря. В (5)-(10) J - момент инерции вращающихся масс, ω - номинальная частота вращения якоря, (ΣL), (Σr) - суммарные значения индуктивности и активного сопротивления короткозамкнутой якорной цепи, включающие индуктивности и активные сопротивления щеточных контактов, щеток, обмотки возбуждения, участка вала между дисками якоря, дисков якоря и соединительных проводов.
Cn
n
Cn
-1
-1
2
2
Расчет процессов в устройстве был проведен по модели (5)-(10) в относительных единицах. В качестве базовых были приняты следующие величины: для моментов сил - номинальная величина момента приводного двигателя M, Н*м; для тока - номинальное значение тока , А; для напряжения - номинальное падение напряжения I(Σr) В; для времени - постоянная времени короткозамкнутой якорной цепи Т=(ΣL)/(Σr), с; для частоты вращения - величина T, с; для индуктивностей - величина (ΣL), Гн; для активных сопротивлений - величина (Σr), Ом; для момента инерции - величина MT, кг*м.
Математическая модель (4)-(8) в относительных единицах имеет вид
n
n
С
Номинальными значениями частоты вращения ω и тока якоря I УГИ являются их значения в точке статического равновесия. В соответствии с выражениями (11), (12) и (15) модели, при М=1 о.е.
n
I=1 о.е.
С
Cn
Аналогичные выражения в абсолютных единицах при М=M
f
С
n
ЭМ
Расчет режима работы УГИ производился для L=0,9 о.е., J=15 о.е., М=1 о.е., R=15 о.е. Начальные значения переменных составляли i(0)=0.01 о.е., ω(0)=17,8 о.е. На фиг. 4 приведены графики зависимостей выходного напряжения u, частоты вращения якоря ω и электромагнитного момента М УГИ от времени, выраженные в относительных единицах. При величине постоянной времени T=0,01 с частота пульсаций выходного напряжения составляет 4 Гц. На фиг. 5 показана фазовая траектория УГИ ω(i), также выраженная в относительных единицах. Пересечением пунктирных линий показана точка статического равновесия. Графики свидетельствуют о том, что УГИ генерирует незатухающие импульсы выходного напряжения без дополнительной коммутационной аппаратуры в цепи якоря и без аппаратуры форсировки-дефорсировки возбуждения, реализуя тем решение поставленной технической задачи. Отсутствие дополнительной аппаратуры позволяет повысить надежность и снизить стоимость установки с униполярным генератором импульсов.