СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ 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.
Известны системы стабилизации напряжения переменного тока при изменении скорости вращения в широком диапазоне [Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Т. 1, под ред. С.А.Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 г. с.180-184], которые содержат бесконтактные генераторы с комбинированным возбуждением. Повышенные массогабаритные показатели электромеханического преобразователя и высокая трудоемкость изготовления ограничивают применение таких систем.
Известна также система стабилизации напряжения переменного тока [Патент РФ на полезную модель №81609 от 05.12.2008], которая содержит магнитоэлектрический генератор с рабочими и дополнительными 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. Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет источника формирования реактивного тока генератора. Конструктивная сложность источника формирования реактивного тока генератора снижает надежность устройства, а необходимость промежуточного фильтра больших габаритов между выходными выводами генератора и нагрузкой для сглаживания пульсаций, создаваемых коммутатором источника реактивного тока, приводит к увеличению габаритов всей системы.
Известна также система стабилизации напряжения переменного тока нестабильной частоты [Патент РФ на полезную модель №115134 опубл. 20.04.2012], являющаяся прототипом предлагаемой полезной модели, которая содержит непосредственно связанный с валом первичного двигателя магнитоэлектрический генератор с рабочей и дополнительной 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, управляемый короткозамыкатель, к одним выводам которого подключен выход узла сравнения, а к другим выводам выходные выводы дополнительной обмотки. К числу недостатков системы стабилизации напряжения переменного тока прототипа следует отнести завышенные габариты дополнительной обмотки.
Задачей полезной модели является уменьшение габаритов генератора системы за счет снижения требуемого числа ампер-витков его рабочей обмотки.
Поставленная задача достигается тем, что в систему стабилизации напряжения переменного тока, содержащую непосредственно связанный с валом первичного двигателя магнитоэлектрический генератор с рабочей и дополнительной 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 нагрузки, управляемый короткозамыкатель, к входному выводу которого подключен выход узла сравнения, к выходным выводам каждой фазы дополнительной обмотки последовательно присоединены конденсаторы, вторые выводы которых присоединены к выходам короткозамыкателя.
На Фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемой системы стабилизации напряжения переменного тока.
На Фиг.2 приведена упрощенная схема замещения одной фазы генератора предлагаемой системы стабилизации напряжения переменного тока при закороченном короткозамыкателе.
На Фиг.3 приведена векторная диаграмма, поясняющая работу системы стабилизации напряжения переменного тока в режиме холостого хода при индуктивном характере сопротивления фаз дополнительной обмотки.
На Фиг.4 приведена векторная диаграмма, поясняющая работу системы стабилизации напряжения переменного тока в режиме холостого хода при емкостном характере сопротивления фаз дополнительной обмотки.
зад
Система стабилизации напряжения переменного тока (Фиг.1) состоит из синхронного генератора 1 с магнитоэлектрическим возбуждением, который содержит рабочую (основную) обмотку 2 и дополнительную 3 (для формирования требуемого потока возбуждения). Генератор непосредственно соединен с валом первичного двигателя 4. От выходных выводов рабочей обмотки 2 генератора через промежуточный фильтр 5 обеспечивается питание нагрузки (потребителя) 6 стабильным напряжением переменной частоты. Параллельно нагрузке подключен узел сравнения 7, ко второму входу которого присоединен источник 8 задания требуемого (эталонного) напряжения U потребителей электрической энергии. Выход узла сравнения 7 соединен со входом управляемого короткозамыкателя 9, к выходам которого присоединены конденсаторы 10, вторые выводы которых присоединены последовательно к выходным выводам дополнительной обмотки 3.
Управляемый короткозамыкатель 9, приведенный в схеме (Фиг.1), выполнен на основе мостовой схемы выпрямления, к выходу которой присоединен управляемый ключ (транзистор). Возможны другие модификации короткозамыкателя.
Работа системы состоит в следующем.
Фазу генератора системы Фиг.1, можно смоделировать схемой замещения, приведенной на Фиг.2. В соответствии со схемой замещения напряжение на выходе генератора определяется выражением
,
1
1
где: E=KωФ - ЭДС вращения, наводимая результирующим магнитным потоком Ф в фазе рабочей обмотки;
1
K - коэффициент пропорциональности;
ω - угловая частота вращения ротора;
1
I - ток фазы рабочей обмотки;
2
I - ток фазы дополнительной обмотки;
- ЭДС взаимной индукции, наводимая током дополнительной обмотки и пропорциональная угловой частоте вращения ротора;
M - коэффициент взаимной индукции между рабочей и дополнительной обмотками;
1
L - синхронная индуктивность рабочей обмотки.
1
2
Таким образом, основными факторами, определяющими стабильность выходного напряжения генератора, являются изменение частоты вращения ω, тока нагрузки I и тока дополнительной обмотки I.
1
2
Рассмотрим влияние частоты вращения и тока дополнительной обмотки на выходное напряжение генератора в режиме холостого хода, когда ток фазы основной обмотки I равен нулю. При вращении первичного двигателя 4 (и связанной с ним полюсной системы ротора, выполненной на постоянных магнитах) в фазах дополнительной обмотки 3 генератора 1 в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС E, равная
2
2
В
E=KωФ,
2
где: K - коэффициент пропорциональности;
В
Ф - магнитный поток, созданный постоянными магнитами полюсной системы ротора.
В
2
Данная ЭДС на 90° отстает от вектора магнитного потока Ф, как это показано на векторных диаграммах Фиг.3 и Фиг.4. При этом в фазах дополнительной обмотки возникает ток I, который определяется выражением
2
и на угол  смещен относительно ЭДС E.
2
где: R - активное сопротивление фазы дополнительной обмотки;
2
L - индуктивность дополнительной обмотки;
2
2
X=ωL - реактивное сопротивление дополнительной обмотки;
C - емкость конденсатора;
C
X=1/ωC - реактивное сопротивление конденсатора.
2
2
C
В
Этот ток создает магнитный поток реакции якоря Ф, который в зависимости от соотношения реактивных сопротивлений индуктивности дополнительной обмотки X и конденсатора X по отношению к магнитному потоку полюсной системы Ф может быть как продольно размагничивающим, так и продольно намагничивающим.
2
C
2
2
2
2
1
M2
При X>X ток I на угол φ отстает от ЭДС E. Магнитный поток реакции якоря Ф продольно размагничивающий. В результате рабочий магнитный поток в воздушном зазоре машины Ф уменьшается. Векторная диаграмма для этого случая при пренебрежении потоками рассеяния приведена на Фиг.3. Рабочий магнитный поток наводит в витках основной обмотки якоря ЭДС E, которая отстает от этого потока на 90°. Кроме того, в витках основной обмотки током дополнительной обмотки наводится также ЭДС взаимной индукции E. В результате напряжение на выходе рабочей обмотки в режиме холостого хода будет равно
.
10
Как видно из векторной диаграммы, выходное напряжение U меньше ЭДС вращения, так как вектора  и  находятся практически в противо-фазе.
2
C
Таким образом, можно сделать вывод, что при X>X дополнительная обмотка уменьшает выходное напряжение основной обмотки за счет двух факторов: снижения результирующего магнитного потока, обусловленного продольно размагничивающей реакцией якоря, и противо-ЭДС взаимной индукции.
2
C
2
2
2
2
При X<X ток I на угол φ опережает ЭДС E. Магнитный поток реакции якоря Ф продольно намагничивающий. В результате рабочий магнитный поток в воздушном зазоре машины Ф увеличивается. Векторная диаграмма для этого случая при пренебрежении потоками рассеяния приведена на Фиг.4.
10
2
C
Как видно из векторной диаграммы, выходное напряжение U больше ЭДС вращения. Из анализа векторной диаграммы можно сделать вывод, что при X<X дополнительная обмотка увеличивает выходное напряжение основной обмотки за счет двух факторов: увеличения результирующего магнитного потока, обусловленного продольно намагничивающей реакцией якоря, и противо-ЭДС взаимной индукции.
При номинальных оборотах реактивное сопротивление фазы дополнительной обмотки должно быть равно реактивному сопротивлению конденсатора
н
2
н
ωL=1/ωC,
н
где ω - номинальная угловая частота вращения ротора.
Поэтому при уменьшении скорости вращения сопротивление фазы дополнительной обмотки будет носить емкостной характер. Ток дополнительной обмотки будет создавать намагничивающую реакцию якоря, которая в сочетании с ЭДС взаимной индукции, наводимой током дополнительной обмотки, компенсирует уменьшение ЭДС рабочей обмотки при снижении числа оборотов вала генератора.
При увеличении скорости относительно номинальной сопротивление фазы дополнительной обмотки будет носить индуктивный характер. Ток дополнительной  обмотки будет создавать размагничивающую реакцию якоря, которая компенсирует увеличение ЭДС рабочей обмотки при возрастании числа оборотов вала генератора.
2
Параметры рабочей обмотки при отсутствии тока в дополнительной обмотке (I=0) должны обеспечивать номинальное напряжение генератора при максимальной допустимой величине тока нагрузки и номинальной скорости вращения ротора.
2
При увеличении скорости вращения ротора относительно номинальной или уменьшении тока нагрузки для сохранения уровня выходного напряжения генератора необходимо установить соответствующую величину тока дополнительной обмотки (I≠0). В результате уменьшится ЭДС рабочей обмотки до величины необходимой для обеспечения номинального выходного напряжения генератора.
1
2
2max
Параметры дополнительной обмотки должны выбираться из условия обеспечения номинального выходного напряжения в режиме холостого хода (I=0) при максимальных допустимых оборотах вала генератора и замкнутом короткозамыкателе (I=I).
При уменьшении скорости вращения ротора относительно номинальной сохранение уровня выходного напряжения генератора также обеспечивается за счет регулировки тока дополнительной обмотки (I2≠0).
Величина тока дополнительной обмотки определяется узлом сравнения 7, выходной сигнал которого пропорционален разности между уровнями заданного напряжения и напряжения нагрузки. Регулирование тока осуществляется широтно-импульсным методом. Требуемая величина тока дополнительной обмотки определяется скважностью широтно-модулированного выходного сигнала узла сравнения.
В отличие от прототипа, где параметры рабочей обмотки при отсутствии тока в дополнительной обмотке должны обеспечивать номинальное напряжение генератора при минимальной допустимой скорости вращения ротора, число витков рабочей обмотки в предлагаемой полезной модели может быть существенно уменьшено, так как здесь номинальное напряжение должно быть обеспечено при более высокой номинальной скорости вращения.
1
2
В режиме холостого хода генератора I=0 и отсутствии тока в дополнительной обмотке I=0 напряжение генератора для предлагаемого устройства можно описать уравнением
10
1
1
н
В
U=E=CωWФ,
где W - число витков рабочей обмотки статора для генератора предлагаемой системы стабилизации;
1
C - постоянный коэффициент.
Это же напряжение должно быть обеспечено в схеме прототипа при минимально возможной скорости
10
1
min
П
В
U=CωWФ,
П
где W - число витков рабочей обмотки статора для генератора устройства прототипа.
Таким образом, число витков рабочей обмотки статора у генератора предлагаемой системы стабилизации напряжения может быть уменьшено в соответствии с отношением минимально допустимой скорости вращения ротора и номинальной
.
min
н
П
Если минимально допустимая скорость равна половине номинальной ω=0.5ω, то W=0.5W, то есть число витков рабочей обмотки в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом может быть уменьшено в два раза.
Уменьшение числа витков рабочей обмотки позволяет не только уменьшить габариты генератора системы, но и дополнительно снизить его стоимость за счет снижения объема меди обмоток, а за счет уменьшения сопротивления рабочей обмотки снизить потери мощности и падение напряжения при нагрузке.