ИНДУКТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР С СОВМЕЩЕННЫМИ ОБМОТКАМИ ВОЗБУЖДЕНИЯ И СТАТОРА
INDUCTION GENERATOR WITH COMBINED EXCITATION AND STATOR WINDINGS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к синхронным реактивным электрическим генераторам с радиальным возбуждением, применяемым, в частности, в трансмиссиях гусеничных и колесных самоходных машин.
1
1
1
Известен индукторный генератор с совмещенными обмотками возбуждения и статора (якоря), содержащий зубчатый безобмоточный ротор и статор, Z зубцов которого охвачены катушками обмотки статора (якоря), образующими N-фазную систему. Обмотка статора выполнена с зубцовым шагом и состоит из Z катушек, а каждая фаза - из Z/N катушек, находящихся на противоположно расположенных зубцах. Катушки каждой фазы соединены между собой последовательно или параллельно и подключены к электронному коммутатору, реализованному, как правило, на силовых биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ) (анг. IGBT - Insulated-gate bipolar transistor) и диодах, соединенных по схеме схеме асимметричного моста (KR 101311378 B1, Н02Р 9/26, 25.09.2013; US 5493195 А, Н02Р 9/04, Н02Р 9/08, 20.02.1996; CN 204408232 U, Н02Р 103/20, Н02Р 9/00, 17.06.2015).
Ток возбуждения в данном генераторе формируется путем подключения его выходного напряжения к фазным обмоткам с помощью IGBT транзисторов электронного коммутатора, причем моменты включения и отключения синхронизированы с вращением вала. Соответственно, IGBT транзисторы имеют высокое рабочее напряжение, что приводит к увеличению статических и динамических потерь в этих транзисторах и, соответственно, к снижению КПД генератора. Высокое рабочее напряжение IGBT транзисторов в сочетании с повышенной сложностью электронного коммутатора, содержащего 2⋅N силовых ключей (IGBT транзисторов), приводят к снижению надежности генератора.
Известен также трехфазный разнополюсный вентильный индукторный генератор, содержащий зубчатый безобмоточный ротор и статор, на зубцах сердечника которого размещены катушки трехфазной обмотки, соединенные в треугольник. Последовательно с фазами включены диоды, благодаря чему обмотка совмещает функции якорной (статорной) обмотки и обмотки возбуждения. При этом напряжение возбуждения подается на один из диодов (UA 98261 С2, H02K 19/16, 25.04.2012; Лущик В.Д. Вентильнi iндукторнi генератори радiального збуждения з сумiщеними обмотками. // Електротехнiка i Електромеханiка. - Харкiв: НТУ «Харкiвський полiтехнiчний iнститут», 2014, №6. - С.47-49).
В этом индукторном генераторе используется отдельный источник напряжения возбуждения, который получает питание от внешнего источника энергии или от выходного напряжения самого генератора. Его выход гальванически связан с обмоткой статора. Это приводит к необходимости применения гальванически развязанного источника напряжения возбуждения, обеспечивающего необходимую (полную) мощность возбуждения. Такие источники напряжения реализуются в виде достаточно сложных импульсных преобразователей напряжения с трансформаторным выходом, имеющих повышенные габаритные размеры и массу и ограниченный КПД. Кроме того, токи, протекающие в компонентах такого источника (за исключением выходного тока), не приводят к увеличению потока возбуждения индукторного генератора. В данном многофазном генераторе источник напряжения возбуждения подключен к диоду только одной фазы, что приводит к асимметрии этого генератора и, соответственно, к ухудшению его КПД и массогабаритных характеристик.
В итоге, к недостаткам известного индукторного генератора относятся его повышенная сложность и, соответственно, пониженная надежность, а также относительно невысокий КПД, повышенные габаритные размеры и масса.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение надежности и КПД индукторного генератора, а также уменьшение его габаритных размеров и массы.
Этот технический результат достигается за счет того, что индукторный генератор с совмещенными обмотками возбуждения и статора содержит неподвижный статор с явнополюсным сердечником и многофазной обмоткой, выполненной в виде зубцовых катушек, охватывающих полюса статора, по меньшей мере один источник тока возбуждения, выполненный в виде дополнительных витков, размещенных в зубцовых катушках, или в виде одной или нескольких дополнительных катушек, размещенных вместе с зубцовыми катушками на полюсах статора и соединенных между собой последовательно и/или параллельно, вращающийся безобмоточный ротор с зубчатым сердечником, закрепленным на его валу, причем сердечники статора и ротора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали, полюса статора и зубцы сердечника ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, а зубцовые катушки каждой фазы соединены между собой последовательно и/или параллельно и образуют обмотки фаз. Кроме того, генератор содержит по меньшей мере один диод, включенный последовательно по меньшей мере в одну из обмоток фаз, которые соединены по схеме треугольника или многоугольника, по меньшей мере один конденсатор, причем каждый источник тока возбуждения через дополнительный диод, или через последовательно соединенные дополнительный диод и ключ, или через тиристор подключен к диоду, а конденсатор подключен либо параллельно этому диоду, либо между точкой его соединения с обмоткой фазы и точкой соединения ключа с дополнительным диодом.
Реализация отличительных признаков независимого пункта формулы изобретения обеспечивает достижение указанных технических результатов.
В частности, выполнение источников тока возбуждения в виде дополнительных катушек статора, либо дополнительных витков в этих катушках, и их подключение через тиристоры, дополнительный диод или последовательно соединенные дополнительный диод и ключ к диоду и конденсатору, включенным последовательно в обмотки фаз, обеспечивает, по сравнению с прототипом, повышение КПД индукторного генератора за счет исключения потерь энергии в импульсном источнике питания и его выходном трансформаторе, обеспечивающем гальваническую развязку источника напряжения возбуждения от фазных обмоток, а также за счет того, что ток в дополнительных обмотках, выполняющих функции источника тока возбуждения, направлен в ту же сторону, что и ток возбуждения в фазах генератора. К дополнительному повышению КПД приводит применение конденсаторов в цепях возбуждения, которые создают фазных обмотках дополнительный магнитный поток в нужных положениях полюсов (зубцов) статора относительно зубцов ротора.
Благодаря указанным отличительным признакам обеспечивается также повышение надежности индукторного генератора за счет упрощения источника напряжения (тока) возбуждения, в том числе за счет исключения необходимости применения высоковольтных устройств гальванической развязки источника тока возбуждения и фазных обмоток, а также за счет исключения соединительных проводов между источником тока возбуждения и генератором.
Одновременно, благодаря исключению необходимости применения отдельного импульсного источника напряжения возбуждения с гальванической развязкой, в том числе его трансформатора, имеющего большие габаритные размеры и массу, достигается уменьшение габаритных размеров и массы индукторного генератора.
На фиг. 1 в качестве примера приведен трехфазный индукторный генератор с совмещенными обмотками возбуждения и статора, имеющий 12 полюсов статора и 8 зубцов ротора. На фиг. 2 приведен пятифазный вариант индукторного генератора. На фиг. 3, 4, 5 и 6 показана одна фаза генератора с различными вариантами подключения источника тока возбуждения к диоду, включенному последовательно в эту фазу.
Под индукторным генератором в данном случае подразумевается синхронный генератор, у которой неподвижный статор выполняет функции якоря и индуктора, а процесс преобразования механической энергии вращающегося ротора в электрическую энергию обусловлен пульсациями магнитной индукции вследствие зубчатости ротора.
Этот генератор может называться также индукторным реактивным генератором, индукторным генератором с радиальным возбуждением, индукторным разнополюсным генератором, вентильным индукторным генератором и т.д., а в англоязычной литературе - генератором с переменным магнитным сопротивлением: Switched Reluctance Generator (SRG).
Индукторный генератор с совмещенными обмотками возбуждения и статора (именуемый далее в тексте «генератор» или «индукторный генератор»), содержит корпус (станину) и подшипниковые щиты (на чертежах условно не показаны). Внутри корпуса (станины) размещены неподвижный статор с явнополюсным сердечником и N-фазной обмоткой, выполненной в виде зубцовых катушек 1, охватывающих каждый полюс статора, а также вращающийся безобмоточный ротор 2 с зубчатым сердечником 3, закрепленным на его валу 4.
Сердечники статора и ротора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали. Полюса статора и зубцы сердечника ротора 3 обращены друг к другу и разделены воздушным зазором.
У индукторного генератора, рассчитанного на работу с низкими скоростями вращения ротора, зубцовая зона полюсная зона, с целью повышения КПД и улучшения массогабаритных характеристик генератора, может быть выполнена гребенчатой.
1
На одном, на двух противоположных, на всех полюсах статора, относящихся к каждой фазе, или на всех полюсах статора (Z) размещены дополнительные катушки 5, которые используются в качестве одного или нескольких (от одного до N) источников тока возбуждения N-фазного индукторного генератора.
Вместо дополнительных катушек могут использоваться также дополнительные витки, размещенные в зубцовых катушках статора, либо рядом с ними.
1
1
1
1
Источник тока возбуждения может содержать две дополнительные катушки (витки) 5. В этом случае эти катушки (витки) размещены на противоположных полюсах статора и соединены между собой последовательно или параллельно (фиг. 1). Если генератор содержит Z/N или Z дополнительных катушек (витков), использующихся в качестве одного или нескольких (≤N) источников тока возбуждения, то они также соединяются между собой последовательно и/или параллельно. Например, если N=3, Z=12, то четыре дополнительные катушки (Z/N=4), расположенные на полюсах статора, либо дополнительные витки, размещенные в этих катушках, относящиеся к одной фазе, могут быть соединены между собой последовательно, или параллельно, или по две дополнительные катушки последовательно, а образовавшиеся пары - параллельно.
Фазные обмотки (обмотки фаз) генератора могут быть образованы при использовании аналогичных вариантов соединений его зубцовых катушек. Например, каждые две катушки, находящиеся на противоположно расположенных полюсах (зубцах) каждой фазы, соединены между собой последовательно встречно, а образовавшиеся пара катушек - параллельно. Возможно также образование обмоток фаз путем параллельного соединения всех катушек одной фазы (фиг. 1).
Эти обмотки одновременно используются в качестве обмоток возбуждения, т.е. совмещены с обмотками возбуждения. Для этого магнитопровод генератора выполнен таким образом, что катушки обмотки возбуждения и катушки обмотки якоря (он же является статором) могут размещаться на одних и тех же зубцах статора. Кроме того, обмотка возбуждения согласована с N-фазной обмоткой якоря (статора).
Чтобы иметь возможность пропустить ток возбуждения по обмотке статора (якоря), его фазные обмотки соединены по схеме треугольника (фиг. 1, выводы фаз А, В, С) или многоугольника (фиг. 2, выводы фаз А, В, С, D, Е), а последовательно с одной из фазных обмоток фаз включен диод 6, либо такие диоды включены последовательно с обмотками всех фазных обмоток.
Ток источника возбуждения подается по меньшей мере на один диод 6 в одной фазной обмотке. Этот ток, благодаря указанному соединению фазных обмоток, протекает по всем этим обмоткам (по всему контуру N-угольника).
С целью улучшения характеристик генератора, в том числе для уменьшения пульсаций его выходного напряжения, может быть применена симметричная схема его возбуждения. В этом случае используется N источников тока возбуждения, которые подключены к N основным диодам 6, включенным последовательно с обмотками всех N фаз, как это показано на фиг. 1 и 2.
Параллельно диодам 6 подключены конденсаторы 7, которые генерируют реактивную энергию, необходимую для работы индукторного генератора в режиме возбуждения от собственных источников тока - от дополнительных обмоток (витков) 5, т.е. при его работе в режиме самовозбуждения.
Поскольку для возбуждения генератора необходим постоянный или однополярный импульсный ток, дополнительные катушки 5, использующиеся в качестве одного или нескольких источников тока возбуждения, подключены к диодам 6 и конденсаторам 7 не непосредственно, а через дополнительные диоды 8, если в генераторе не предусмотрено регулирование его выходного напряжения (фиг. 3). Если такое регулирование предусмотрено, то источники тока возбуждения подключаются к диодам 6 через тиристоры 9 (фиг. 2, 4) или через последовательно соединенные дополнительные диоды 8 и ключи 10, выполненные, например, в виде одного или группы параллельно соединенных полевых транзисторов с изолированным затвором 11 (МОП - металл-окисел-полупроводник или МДП - металл-диэлектрик-полупроводник), а по англоязычной терминологии - MOS, MOSFET или МОСФЕТ (от сокращения словосочетаний: «Metal-Oxide-Semiconductor» (металл-окисел-полупроводник) и «Field-Effect-Transistors» (транзистор, управляемый электрическим полем) и их транскрипции (фиг.5, 6), или биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) (анг. IGBT - Insulated-gate bipolar transistor), или биполярных транзисторов (БТ) (анг. BJT - Bipolar Junction Transistor). Их кристаллы размещены в отдельных корпусах или объединены в транзисторные модули.
Конденсаторы 7 могут быть любого типа. Целесообразно применение керамических или пленочных конденсаторов, что позволяет повысить надежность генератора и улучшить его массогабаритные характеристики в силу более высокой удельной емкости конденсаторов этих типов.
Эти конденсаторы могут быть подключены как параллельно диодам 6, так и между точками соединений фазных обмоток с диодами 6 и точками соединений дополнительных диодов 8 с ключами 10 (транзисторами 11), как это показано на фиг. 7.
В режимах начального пуска и максимальной выходной мощности генератора, когда ключ 10 (транзистор или транзисторный модуль 11) постоянно включен (открыт), отличия в схеме подключения конденсаторов 7 (фиг. 5 или 6) не влияют на работу генератора.
Последовательность соединения дополнительного диода 8 и ключа 10 (транзистора или транзисторного модуля 11) может быть любой. Полярность включения всех диодов 6, дополнительных диодов 8, тиристоров 9 и транзисторов 11 может быть изменена на противоположную без нарушения работоспособности генератора и его характеристик при условии одновременного изменения полярности включения всех указанных элементов электрической схемы генератора.
ВЫХ
При работе генератора максимальное обратное напряжение на диодах 6 и на дополнительных диодах 8 относительно невелико - существенно меньше выходного напряжения генератора U. Благодаря этому, с целью повышения КПД генератора, в качестве диодов 6 и дополнительных диодов 8 могут быть применены диоды с барьером Шоттки.
УПР
УПР
ВЫХ
Для управления тиристорами 9 или ключами 10 (транзисторами 11) в состав генератора входит регулятор его выходного напряжения 12. Он формирует токи управления одним или всеми тиристорами I (фиг. 4) или напряжения управления на затворах одного или всех транзисторов U (фиг. 5, 6) из условия увеличения или уменьшения тока возбуждения генератора, соответственно, при снижении или увеличении его выходного напряжения U относительно предварительно установленной величины.
Этот регулятор может быть выполнен, в частности, в виде электронного двухпозиционного переключателя с петлей гистерезиса, например, на основе инвертирующего триггера Шмитта, или в виде импульсного модулятора, например, широтно-импульсного или частотно-импульсного. Предпочтительно применение регулятора с числом выходных каналов управления, равных числу фаз N генератора, которое, как правило, совпадает с числом тиристоров 9 или ключей 10 (транзисторов 11).
Каждый канал регулятора выходного напряжения генератора имеет оптоэлектронную или трансформаторную гальваническую развязку между этим регулятором 12 и соответствующим тиристором 9 или ключом 10 (транзистором 11). Электрическое питание данного регулятора может осуществляться, в частности, от отдельного маломощного источника питания или от низковольтного источника питания электромеханической трансмиссии, в которой используется генератор.
С целью уменьшения габаритных размеров и массы генератора, его диоды 6, конденсаторы 7, а также дополнительные диоды 8 и тиристоры 9 или ключи 10 могут быть размещены в корпусе, на корпусе или на подшипниковом щите генератора, которые используются в качестве охладителей этих компонентов генератора. Это техническое решение является предпочтительным к реализации в случае применения жидкостного охлаждения генератора.
N-фазная полезная нагрузка генератора может быть подключена непосредственно к его фазным обмоткам. В этом случае сигнал обратной связи, необходимый для работы регулятора выходного напряжения генератора 12, формируется с помощью дополнительного маломощного выпрямителя (на чертежах условно не показан).
H
ВЫХ
Н
Генератор может также работать на внешний или встроенный многофазный (N-фазный) двухполупериодный выпрямитель 13, который либо выполнен в виде отдельного устройства, либо размещен на подшипниковом щите или на корпусе генератора. В этом на нагрузку R 14 поступает постоянное выходное напряжение U. Для сглаживания пульсаций этого напряжения параллельно нагрузке (выводным клеммам генератора) может быть подключен емкостный фильтр С 15.
Генератор работает следующим образом.
После начала вращения ротора 2 его остаточная намагниченность вызывает возникновение ЭДС в дополнительных обмотках (витках) 5 статора. Эта ЭДС через дополнительный диод 8 и открытый тиристор 9 или ключ 10 поступает на диод 6. В результате этого по обмоткам фаз (по контуру треугольника или многоугольника) начинает протекать начальный ток возбуждения, который образует неподвижное магнитное поле возбуждения. В случае необходимости, начальный ток возбуждения генератора формируется с помощью дополнительного маломощного источника тока, подключенного к одному из диодов 6 (на чертежах условно не показан).
2
2
При протекании тока возбуждения по зубцовым катушкам, зубцы (полюса) статора приобретают противоположную полярность. Магнитные потоки полюсов (зубцов) статора зависят не только от магнитодвижущей силы (МДС), но и от их положения относительно зубцов ротора. При вращении ротора связь магнитного потока с зубцовыми катушками статора изменяется во времени с частотой f, которая зависит от скорости вращения n и числа зубцов ротора Z, f=n⋅Z.
Как следствие, в зубцовых катушках и, соответственно, в обмотках фаз индуцируется симметричная многофазная ЭДС. Поскольку ЭДС отдельных фаз генератора смещены друг относительно друга на угол 120° (при N=3), суммарная ЭДС, которая прикладывается к источникам токов возбуждения (к диодам 6), равна нулю.
Одновременно в дополнительных катушках (витках) 5, образующих источник тока возбуждения, возникает ЭДС. Она выпрямляется дополнительным диодом 8 или тиристором 9 и непосредственно или через ключ 10 (транзистор 11) подается на диод 6, усиливая ток обмотки возбуждения и, соответственно, создавая дополнительную МДС возбуждения.
H
H
ЭДС с фазных обмоток через двухполупериодный выпрямитель 13 подается на нагрузку R 14, параллельно которой может быть подключен емкостный фильтр С 15.
При этом в фазных обмотках протекают однополупериодные токи нагрузки, МДС которых в зубцах статора совпадает с МДС тока возбуждения, т.е. ток нагрузки увеличивает поток возбуждения. Это приводит к улучшению КПД и массогабаритных характеристик генератора. Одновременно наличие указанной внутренней положительной связи по току нагрузки способствует компенсации реакции якоря, что приводит к повышению жесткости внешней характеристики генератора.
В результате присоединении к диодам 6 конденсаторов 7, в обмотках фаз возникает емкостный ток, опережающий ток источника возбуждения на угол 90°. Этот емкостный ток создает магнитный поток, который во время нахождения зубцов ротора под зубцами статора увеличивает магнитный поток возбуждения, а когда зубцы статора находятся против пазов ротора, уменьшает основной магнитный поток, увеличивая тем самым величину изменения магнитного потока в полюсах (зубцах) статора. Поэтому применение конденсаторов 7 также приводит к увеличению КПД и улучшению массогабаритных характеристик генератора.
В случае необходимости регулирования выходного напряжения генератора, он дополнительно содержит тиристоры 9 или ключи 10 (транзисторы 11), а также регулятор выходного напряжения генератора 12, который осуществляет управление этими тиристорами или ключами, регулируя ток возбуждения генератора и, соответственно, обеспечивая поддержание его выходного напряжения на заданном уровне.
Прочие особенности работы предложенного индукторного генератора не требуют пояснений, поскольку они понятны из чертежей и научно-технической литературы.
Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов индукторного генератора возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.