БЕСКОНТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электромашинных генераторов параметрического типа с периодически изменяющимися при вращении ротора индуктивностями обмоток статора и может быть использована для питания электрофизических установок мощными импульсами тока с амплитудой до 1 МА и более, например, для питания активно-индуктивной нагрузки, такой как рельсотрон (электромагнитный ускоритель).
0
max
min
max
min
m
m
0
Известен компрессионный генератор [Патент SU №934888, МПК Н03К 3/00. - Опубл. 15.08.1983. Бюл. №30], имеющего явнополюсные ферромагнитные ротор и статор с двумя одинаковыми обмотками, которые соединены между собой посредством скользящих контактов (контактные кольца и щетки) и включены через первый коммутатор последовательно с нагрузкой и импульсным источником возбуждения (заряженная конденсаторная батарея). Для увеличения импульсной мощности параллельно импульсному источнику возбуждения и первому коммутатору подключен второй коммутатор, который замыкается после полного разряда батареи, когда ток в обмотках достигнет нужной величины (I) и создаст в генераторе требуемый магнитный поток. При вращении ротора суммарная индуктивность этих обмоток периодически изменяется за счет того, что в одном положении ротора обмотки оказываются включенными согласно и имеют максимальную суммарную индуктивность (L), а в другом - встречно и имеют минимальную суммарную индуктивность (L)- Кратность изменения индуктивности такого генератора N=L/L достигает сотен единиц и определяет значительную генерируемую энергию и мощность импульса тока в нагрузке. Недостатком этого генератора является наличие скользящих контактов, через которые необходимо пропустить всю генерируемую мощность и весь импульсный ток. Таким образом, амплитуда генерируемого импульса тока (I) в нагрузке ограничена пропускной способностью скользящих контактов и соотношением I<I·N.
Известен бесконтактный компрессионный генератор [Invited the compensated pulsed alternator program - a review / W.L. Bird, W.F. Weldon, B.M. Carder, R.J. Foley - Proceedings of 3 rd IEEE International Pulsed Power Conference, Albuquerque, June 1981, p.134-141],
min
max
0
содержащий явнополюсный ферромагнитный статор с одной рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, число которых равно числу пар полюсов обмотки. При вращении ротора индуктивность обмотки за счет ее экранирования зубцами ротора периодически изменяется, причем в момент минимума индуктивности (L) магнитный поток вытесняется в область обмотки, а в момент максимума индуктивности обмотки (L) магнитный поток проходит значительный путь по воздуху между полюсами статора и для его создания требуется большая амплитуда тока возбуждения (I).
Недостатками этого генератора являются:
0
а) большая амплитуда импульса тока возбуждения (I), достигающая сотен кА;
0
max
0
0
2
б) значительная энергия импульса тока источника возбуждения (w=0,5·LI ), которая связана с большой амплитудой тока (I);
max
min
m
0
m
0
в) незначительная кратность изменения индуктивности обмотки (N=L/L<10), которая ограничивает энергию (W) и амплитуду генерируемого импульса тока (I) в нагрузке, так как W<W·N и I<I·N.
max
max
0
0
m
Наиболее близким техническим решением является бесконтактный компрессионный генератор, выбранный в качестве прототипа [Патент RU №60807, МПК Н02К 57/00. - Опубл. 27.01.2007. Бюл. №3], содержащий явнополюсный ферромагнитный статор с одной рабочей обмоткой, размещенной в открытых пазах между полюсами, и монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов обмотки. Параллельно рабочей обмотке подключены через первый коммутатор импульсный источник возбуждения (конденсаторная батарея) и через второй коммутатор нагрузка. Благодаря наличию магнитопроводов значительно уменьшается путь магнитного потока по воздуху в момент максимума индуктивности обмотки статора (L), например, в n раз, что приводит к увеличению максимальной индуктивности обмотки статора (L) и кратности изменения индуктивности (N) в n раз, к уменьшению амплитуды (I) и энергии (W) импульса тока возбуждения в n раз при неизменных значениях энергии (W) и амплитуды генерируемого импульса тока (I) в нагрузке.
m
Недостатком прототипа является недостаточная для ряда нагрузок, в частности рельсотрона, амплитуда генерируемого импульса тока (I).
m
Задачей полезной модели является существенное повышение амплитуды генерируемого импульса тока (I) в нагрузке.
p
В
B
p
Это достигается тем, что в бесконтактном трансформаторном компрессионном генераторе, также как в прототипе, содержится импульсный источник возбуждения (конденсаторная батарея) с первым коммутатором, явнополюсный ферромагнитный статор с рабочей обмоткой и числом витков w, размещенной в открытых пазах между полюсами, к которой подключена через второй коммутатор нагрузка, монолитный ротор из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы, число которых равно числу пар полюсов р рабочей обмотки, где p=2,3,4.... Согласно полезной модели на статоре в тех же открытых пазах размещена обмотка возбуждения с тем же числом пар полюсов р и с числом витков w, которое выбрано из условия: w>w.К обмотке возбуждения через первый коммутатор подключен импульсный источник возбуждения.
H
0
B
p
Достигаемый результат поясним при импульсном питании индуктивной нагрузки L без учета активных сопротивлений обмоток генератора и нагрузки, когда в качестве импульсного источника возбуждения используется заряженная до напряжения U конденсаторная батарея емкостью С. Конструкция бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора такова, что индуктивности обмотки возбуждения L(t) и рабочей обмотки L(t), а также взаимная индуктивность между этими обмотками M(t) при вращении ротора изменяются одновременно во времени t с периодом T=2π/ω с учетом постоянной составляющей и первой гармоники так:
maxB
maxP
p
B
maxB
max
P
B
maxB
2
где L; L≈(w/w) L; M≈(W/W)L - максимальные значения индуктивности обмотки возбуждения, индуктивности рабочей обмотки и взаимной индуктивности соответственно;
minB
minP
P
B
minB
min
P
B
minB
2
L; L≈(W/W)L; M≈(W/W)L - минимальные значения индуктивности обмотки возбуждения, индуктивности рабочей обмотки и взаимной индуктивности соответственно;
maxB
minB
L=(L+L)/2 - среднее значение индуктивности обмотки возбуждения;
maxB
minB
maxP
minP
max
max
min
N=L/L≈L/L≈M/M/M - кратность изменения индуктивностей обмоток;
- коэффициент модуляции индуктивностей обмоток;
ω=2πpf - угловая частота изменения индуктивностей, определяемая частотой вращения ротора (f) и числом пар полюсов (р) обмоток;
0
t - момент времени после срабатывания первого коммутатора, соответствующий максимальным значениям индуктивностей.
0
0
B
maxB
1. Рассмотрим первый интервал времени 0≤t≤t, когда в момент t=0 замыкается первый коммутатор при разомкнутом втором коммутаторе. На этом интервале времени при t≪T и L(t)≈L, когда конденсаторная батарея емкостью
0
в момент t=t полностью разряжается, ток в обмотке возбуждения генератора будет равен (фиг.1, кривая 1):
B
где  - амплитуда тока возбуждения i(t).
0
В момент времени t=t, когда индуктивность обмотки возбуждения и ток возбуждения максимальны, начальная энергия, запасаемая в магнитном поле этой обмотки, будет равна
0
1
0
2. Рассмотрим второй интервал времени t≤t≤t, когда в момент t=t замыкается второй коммутатор при замкнутом первом коммутаторе. Совместное решение уравнений
;
при известных начальных условиях
,
при потокосцеплениях обмоток генератора
1
0
0
и при практически постоянных индуктивностях (t-t<t)
позволяет определить ток в обмотке возбуждения (фиг.1, прямая 2)
и ток в рабочей обмотке и нагрузке генератора при N»1 (фиг.1, прямая 3)
причем
1
1
B
1
3. Рассмотрим третий интервал времени t≤t≤T, когда в момент t=t при i(t)=0 первый коммутатор размыкается и отключает источник возбуждения (конденсаторную батарею), причем второй коммутатор замкнут. При известном начальном условии
из решения уравнения
H
minP
при L=L определяем ток в рабочей обмотке генератора и нагрузке (фиг.1, кривая 4)
0
1
minP
В момент времени t=t+0,5T≈t+0,5T, когда индуктивность рабочей обмотки минимальна (L), находим амплитуду генерируемого в нагрузке импульса тока
H
minP
и энергию, переданную в нагрузку L=L:
H
minP
0
0
В свою очередь прототип при питании индуктивной нагрузки L=L и тех же значениях начальной энергии W и амплитуды тока возбуждения I имеет
Таким образом, получаем
В
Р
т.е. заявляемый бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор имеет при одинаковой энергии в w/w раза большую амплитуду импульса тока в нагрузке.
На фиг.1 изображены расчетные кривые токов бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора. На фиг.2 схематически изображен бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор с двумя парами полюсов (р=2) при положении ротора, когда индуктивности обмоток максимальны. На фиг.3 приведена электрическая схема бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора.
В
Р
В
Р
Бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор (фиг.2) содержит корпус 1, явнополюсный ферромагнитный статор 2 с обмоткой возбуждения 3 и рабочей обмоткой 4, которые размещены в открытых пазах 5, монолитный ротор 6 из проводящего электрический ток материала с зубцами, между которыми закреплены магнитопроводы 7. Обмотка возбуждения 3 с числом витков w и рабочая обмотка 4 с числом витков w имеют одинаковое число пар полюсов (р=2, 3, 4, ...), причем w/w. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи явнополюсный ферромагнитный статор 2 и магнитопроводы 7 ротора 6 изготовляются шихтованными, т.е. набранными из отдельных изолированных листов электротехнической стали.
Электрическая схема бесконтактного трансформаторный компрессионного генератора (фиг.3) содержит обмотку возбуждения 3 и рабочую обмотку 4, импульсный источник возбуждения 8 (И), первый коммутатор 9, второй коммутатор 10 и нагрузку 11 (Н). К обмотке возбуждения 3 подключены первый коммутатор 9 и импульсный источник возбуждения 8 (И), а к рабочей обмотке 4 подключены второй коммутатор 10 и нагрузка 11 (Н). В качестве импульсного источника возбуждения 8 (И) может быть выбрана заряженная от внешнего источника конденсаторная батарея с первым коммутатором 9 в виде тиристорной группы, а в качестве нагрузки 11 (Н) может быть выбран, например, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности) или рельсотрон со вторым коммутатором 10 в виде проводящего ток ускоряемого тела, которое получает начальную скорость, например, от пороховых газов и замыкает цепь рабочей обмотки 4 в момент максимума ее индуктивности.
В
В
Бесконтактный трансформаторный компрессионный генератор работает следующим образом. Внешним приводным двигателем ротор 6 генератора раскручивается до определенного числа оборотов. Коммутаторы 9 и 10 разомкнуты. В момент близкий к максимумам индуктивностей обмоток 3 и 4 первый коммутатор 9 замыкается и импульсный источник возбуждения 8 (И) генерирует в обмотке возбуждения 3 импульс тока возбуждения i(t). Далее в момент максимума индуктивностей обмоток 3 и 4 замыкается второй коммутатор 10 и рабочая обмотка 4 подключается к нагрузке 11 (Н). За счет уменьшающейся индуктивности рабочей обмотки 4 начинает нарастать ток i(t) в этой обмотке 4 и нагрузке 11 (Н), причем в момент, когда ток возбуждения i(t) становится равным нулю, размыкается первый коммутатор 9 и импульсный источник 8 (И) отключается. В момент, когда ток i(t) становится минимальным, второй коммутатор 10 размыкается и отключает нагрузку 11 (Н). Схема генератора (фиг.3) приходит в исходное состояние и генератор готов к генерированию следующего импульса тока i(t) в нагрузке 11 (Н).
В
Р
Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и исследований, проведенных автором, имеет при той же энергии импульса в (w/w) раза большую амплитуду тока в нагрузке.
В
Р
0
Данная полезная модель может быть реализована в виде бесконтактного трансформаторного компрессионного генератора массой 50000 кг (р=2) для импульсного питания рельсотрона. Такой генератор имеет импульсную мощность до 34000 МВт при следующих расчетных параметрах:f=50 об/с; кинетическая энергия вращающегося ротора 60 МДж; N=120 при индукции магнитного потока 2 Тл; w=8 витков; w=2 витка; U=25 кВ;
0
m
0
I=20 кА; I=6,8 MA; W=200 кДж; W=10 МДж; длительность импульса тока на половине его амплитуды равна 0,5 мс.