Регулируемый источник постоянного напряжения

Предлагаемая полезная модель относится к синхронным генераторам и может быть использована для выработки постоянного напряжения.
Известен генератор постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, являющийся электрической машиной постоянного тока, который содержит постоянные электромагниты, выполняющие функцию полюсов, с обмоткой возбуждения, якорь с обмоткой, коллектор со щетками, укрепленный на валу якоря. Обмотка возбуждения получает питание от дополнительного источника постоянного тока независимо от обмотки якоря, при вращении которого в обмотке якоря наводится ЭДС, снимаемая щетками с коллектора (Кузнецов М.И. Основы электротехники / М.И. Кузнецов. - М.: Высшая школа, 1964. - С. 350, 352).
В качестве основного недостатка описанного генератора постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения можно отметить повышенный расход электрической энергии на дополнительный источник питания постоянного тока, так как для работы генератора необходимо подавать постоянное напряжение на обмотку возбуждения для создания магнитного потока. Кроме того, данный генератор имеет пониженную надежность, так как для снятия выработанной ЭДС требуется наличие коллектора и щеток, что, в свою очередь, увеличивает экономические затраты.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является шаговый двигатель, содержащий ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены отдельные обмотки. Каждая обмотка связана с изолированным источником постоянного напряжения и с системой управления. Питание постоянным током подается на каждую обмоток отдельно, причем поочередно с помощью системы управления, что обеспечивает шаговое движение ротора и его фиксацию при обесточенных обмотках. Шаг двигателя зависит от количества обмоток (Емельянов А.В. Шаговые двигатели: учеб. пособие / А.В. Емельянов, А.Н. Шилин. - Волгоград: ВолгГТУ, 2005. - С. 6, рис. 2, 3).
Основными недостатками этого устройства являются отсутствие выработки напряжения ввиду обеспечения движения ротора только при поступлении извне постоянного напряжения от изолированного источника на обмотки в определенной последовательности, что связано с дополнительным расходом электрической энергии.
Представленная полезная модель решает проблему выработки напряжения при отсутствии изолированного источника постоянного напряжения на каждой обмотке.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в регулируемом источнике постоянного напряжения, содержащем ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены обмотки, согласно полезной модели ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в обмотках статора переменного напряжения. Количество обмоток на статоре четное и равно количеству полюсов на роторе. Диаметрально противоположные первая и третья обмотки, а также диаметрально противоположные вторая и четвертая обмотки соединены последовательно. Начала первой и второй обмоток подключены к выпрямительному мосту. Концы третьей и четвертой обмоток объединены между собой, а начала третьей и четвертой обмоток связаны с концами первой и второй обмоток соответственно.
Обеспечение возможности исключения изолированного источника постоянного напряжения на каждой обмотке обусловлено тем, что на обмотках в генераторном режиме от вращения постоянных магнитов, находящихся на роторе, наводится ЭДС в обмотках, которая снимается с обмоток прямо на нагрузку.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена схема расположения постоянных магнитов на роторе и обмоток на статоре; на фиг. 2 принципиальная схема модели регулируемого источника постоянного напряжения; на фиг. 3 представлены графики зависимостей генерируемого напряжения на обмотках статора от времени; на фиг. 4 представлены графики зависимостей переменного напряжения между входами выпрямительного моста от времени; на фиг. 5 показан порядок включения тиристоров выпрямительного моста.
Кроме того, на чертежах использованы следующие обозначения:
- L1 - L4 - обмотки статора;
- T1 - Т4 - тиристоры;
- N - северный полюс постоянного магнита;
- S - южный полюс постоянного магнита;
- • - начала обмоток;
- Р - ротор;
- С - статор;
- U - переменное напряжение;
- Ud - постоянное напряжение;
- t - время;
- t1 – t3 - моменты времени.
Регулируемый источник постоянного напряжения содержит ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены обмотки. Ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в обмотках статора переменного напряжения. Количество обмоток на статоре четное и равно количеству полюсов на роторе. Диаметрально противоположные первая и третья обмотки, а также диаметрально противоположные вторая и четвертая обмотки соединены последовательно. Начала первой и второй обмоток подключены к выпрямительному мосту. Концы третьей и четвертой обмоток объединены между собой, а начала третьей и четвертой обмоток связаны с концами первой и второй обмоток соответственно.
Пример выполнения регулируемого источника постоянного напряжения, содержащего две пары обмоток статора, соединенных последовательно, и две пары полюсов на роторе.
Регулируемый источник постоянного тока содержит ротор 1 (Р), на валу которого расположены два подковообразных постоянных магнита 2, выполняющие функции двух пар полюсов S-N, и статор 3 (С), на котором расположены четыре обмотки - первая обмотка 4 (L1), являющаяся четной, вторая обмотка 5 (L2), являющаяся нечетной, третья обмотка 6 (L3), являющаяся четной, обмотка 7 (L4), являющаяся нечетной. Таким образом, количество обмоток - 4 (L1), 5 (L2), 6 (L3), 7 (L4) - на статоре 3 (С) четное и равно количеству полюсов на роторе 1 (Р).
Диаметрально противоположные первая обмотка 4 (L1) и третья обмотка 6 (L3), а также диаметрально противоположные вторая обмотка 5 (L2) и четвертая обмотка 7 (L4) соединены последовательно.
Начало первой обмотки 4 (L1) подсоединено к входу 8 выпрямительного моста, связанного с тиристорами 10 (Т1) и 11 (Т2). Начало второй обмотки 5 (L2) подсоединено к входу 9 выпрямительного моста, связанного с тиристорами 12 (Т3) и 13 (Т4).
Конец третьей обмотки 6 (L3) и конец четвертой обмотки 7 (L4) объединены. Конец первой обмотки 4 (L1) соединен с началом третьей обмотки 6 (L3). Конец второй обмотки 5 (L2) соединен с началом четвертой обмотки 7 (L4).
Выход 14 выпрямительного моста подключен к входу нагрузки 15 (R), а выход 16 выпрямительного моста подключен к выходу нагрузки 15 (R) (фиг. 1, 2).
Работа регулируемого источника постоянного напряжения происходит следующим образом.
При вращении ротора 1 (Р) находящиеся на нем постоянные магниты с двумя парами полюсов S-N в обмотках статора 4 (L1), 5 (L2). 6 (L3), 7 (L4) наводят переменное напряжение (фиг. 3). При этом на обмотках 4 (L1), 6 (L3) и 5 (L2), 7 (L4) происходит сложение выработанной величины напряжения (фиг. 4).
При подаче переменного напряжения на входы 8, 9 выпрямительного моста в момент времени t1 открыты тиристор 10 (Т1) и тиристор 13 (Т4). В момент времени t2 тиристор 10 (Т1) и тиристор 13 (Т4) закрываются, а тиристор 12 (Т3) и тиристор 11 (Т2) открыты. В момент времени t3, как и в момент времени t1, тиристор 12 (Т3) и тиристор 13 (Т4) закрываются, а тиристор 10 (Т1) и тиристор 11 (Т2) открыты, и процесс повторяется дальше. С выходов выпрямительного моста преобразованное напряжение подается на вход 14 нагрузки 15 (R) и на выход 16 нагрузки 15 (R) (фиг. 5).
Таким образом, представленная полезная модель способна создавать напряжение двойной величины без использования изолированных источников питания за счет последовательного соединения обмоток статора, кроме того, за счет наличия тиристоров в выпрямительном мосту есть возможность регулирования величины пропускаемого тока за счет изменения угла открытия тиристоров.