СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ УНИПОЛЯРНЫМ КОМПРЕССИОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ

Полезная модель относится к области электромашинных импульсных генераторов параметрического типа со щеточным узлом (скользящими контактами) и с периодически изменяющейся при вращении ротора суммарной индуктивностью одинаковых обмоток ротора и статора. Схема управления униполярным компрессионным генератором может быть использована для питания нагрузки мощными импульсами тока.
Известна схема управления компрессионным генератором [А.с. СССР 934888. МПК Н03К 3/00. - Опубл. 15.08.1983. Бюл. №30], состоящая из последовательно соединенных импульсного источника питания, например, заряженной конденсаторной батареи, коммутатора, нагрузки, скользящих контактов генератора, а также одинаковых обмоток ротора и статора, причем параллельно импульсному источнику питания и коммутатору подсоединен замыкатель. В момент близкий к максимальному значению суммарной индуктивности обмоток ротора и статора коммутатором подключается импульсный источник питания. После создания магнитного потока в генераторе замыкателем импульсный источник питания и коммутатор закорачиваются, и за счет уменьшения суммарной индуктивности обмоток при повороте ротора в нагрузке генерируется импульс тока.
Недостатком этой схемы управления компрессионным генератором является большая мощность и энергоемкость импульсного источника питания.
Наиболее близким техническим решением является схема управления, которая выбрана в качестве прототипа [А.с. СССР 1121752. МПК Н02К 31/00. - Опубл. 30.10.1984. Бюл. №40], состоящая из последовательно соединенных посредством скользящих контактов одинаковых обмоток ротора и статора генератора, коммутатора и нагрузки, причем обмотки генератора имеют выводы на противоположные торцы ротора и статора. В момент близкий к максимальному значению суммарной индуктивности обмоток ротора и статора коммутатором подключается нагрузка. За счет униполярной ЭДС обмотки ротора и изменения суммарной индуктивности обмоток при вращении ротора в нагрузке генерируются импульсы тока при незначительной мощности источника возбуждения.
Недостатками этой схемы управления униполярным компрессионным генератором является недостаточная мощность генерируемых импульсов тока, а также трудность отключения нагрузки коммутатором, так как ток не достигает нулевого значения.
Задачей полезной модели является повышение мощности генерируемого импульса тока и облегчение отключения коммутатором нагрузки при достижении током нулевого значения.
Это достигается тем, что в схеме управления униполярного компрессионного генератора, также как в прототипе содержащей последовательно соединенные посредством скользящих контактов одинаковые обмотки ротора и статора генератора с выводами на противоположные торцы ротора и статора, коммутатор и нагрузку. Согласно полезной модели дополнительный коммутатор подсоединен параллельно скользящим контактам и обмотке ротора генератора.
Н
Достигаемый результат поясним при питании индуктивной нагрузки Lв переходном и установившемся режимах для униполярного компрессионного генератора при постоянных значениях индуктивностей обмоток генератора L и постоянной униполярной ЭДС Е. Примем, что взаимная индуктивность обмоток генератора при вращении ротора изменяется во времени t с периодом Т=2π/ω по гармоническому закону
где k<1 - коэффициент связи обмоток ротора и статора;
ω - угловая частота, определяемая частотой вращения ротора и числом пар полюсов обмоток ротора и статора.
1. Рассмотрим переходный режим без учета активных сопротивлений, когда ток в нагрузке генерируется с нарастающей амплитудой.
P
C
Потокосцепления обмоток ротора (ψ) и статора (ψ) будут равны
1
где i - ток, протекающий через дополнительный коммутатор;
2
i - ток, протекающий через нагрузку.
1
У прототипа отсутствует дополнительный коммутатор и i=0, тогда из уравнения
2
при i(0)=0, когда нагрузка подключается коммутатором в момент максимума суммарной индуктивности обмоток генератора, находим
2
m
*
где  - максимальное значение тока i прототипа при временах t =(2m+1)π/ω, отсчитываемых с момента подключения обмотки ротора, т.е. нагрузки (m=1, 2, 3 ...);
Н
- коэффициент, учитывающий индуктивность нагрузки L.
При этом максимальная энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, соответствует n=1-k и составляет
2
1
По заявляемой схеме управления вначале дополнительный коммутатор в момент максимума суммарной индуктивности обмоток генератора (фиг.1, кривая 1) закорачивает обмотку ротора со скользящими контактами, тогда при i=0 и i(0)=0 из решения уравнения
находим ток, протекающий под действием униполярной ЭДС Е через дополнительный коммутатор, обмотку ротора и скользящие контакты (фиг.1, кривая 2), т.е.
затем из решения уравнений
0
после подключения коммутатором обмотки статора в момент времени t=2mπ/ω (фиг.1, при m=1 и t/T=1), когда суммарная индуктивность обмоток (фиг.1, кривая 1)
m
1
2
максимальна и равна L=2L·(1+k), определяем токи i (фиг.1, кривая 2 при t/T>1)и i (фиг.1, кривая 3 при t/T>1):
m
2
m
m
**
**
*
где I  - максимальное значение тока i при временах t =t =(2m+1)π/ω, отсчитываемых с момента подключения обмотки ротора дополнительным коммутатором (m=1, 2, 3 ...).
2
При этом максимальная энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, соответствует n=0.5·(1-k) и составляет
Таким образом, имеем
2
2
H
т.е. по заявляемой схеме управления униполярный компрессионный генератор в переходном режиме имеет в 2-4 раза большую энергию импульса тока в нагрузке при любых значениях m, а, значит, и большую мощность импульсов по сравнению с прототипом. При этом коммутатор размыкает цепь тока i при достижении им нулевого значения, причем амплитуда тока i в нагрузке определяется параметрами нагрузки (L), моментом подключения дополнительным коммутатором обмотки ротора (m) и величинами E, ω, k, L.
2. Рассмотрим установившийся режим непрерывного генерирования импульсов тока с учетом активного сопротивления R обмотки ротора и скользящих контактов, когда ток в нагрузке генерируется с неизменной амплитудой.
1
У прототипа i=0, тогда из уравнения
находим
m
2
m
*
*
где I  - максимальные значения тока i прототипа при временах t =(2m+1)π/ω, отсчитываемых с момента подключения нагрузки (m=0, 1, 2 ...);
H
- коэффициент, учитывающий индуктивность нагрузки L.
При этом энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, при n=1-k и  составляет
1
2
2
1
По заявляемой схеме управления дополнительный коммутатор вначале закорачивает обмотку ротора со скользящими контактами и ток i нарастает от 0 до значения E/R при i=0, затем в момент максимума суммарной индуктивности обмоток генератора коммутатор подключает нагрузку, тогда при i(0)=0 и i(0)=E/R из решения уравнений
определяем токи
m
2
m
**
**
где I  - максимальное значение тока i при времени t =π/ω, отсчитываемого с момента подключения нагрузки;
H
- коэффициент, учитывающий индуктивность нагрузки L.
2
При этом максимальная энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, соответствует n=0.5·(1-k);  и составляет
Таким образом, в установившемся режиме имеем
2
2
H
т.е. по заявляемой схеме управления униполярный компрессионный генератор в установившемся режиме при k=0,9-1 в 2-7 раза имеет большую энергию импульса тока в нагрузке, а, значит, и большую мощность импульсов по сравнению с прототипом. При этом коммутатор размыкает цепь тока i при достижении им нулевого значения, причем амплитуда тока i в нагрузке определяется параметрами нагрузки (L) и величинами Е, R и k.
На фиг.2 приведена схема управления униполярным компрессионным генератором. Схема управления униполярного компрессионного генератора содержит последовательно соединенные посредством скользящих контактов 1 одинаковые обмотки 2 ротора 3 и статора 4 с выводами на противоположные торцы ротора 3 и статора 4 генератора, коммутатор 5 и нагрузку 6 (H), причем дополнительный коммутатор 7 подсоединен параллельно скользящим контактам 1 и обмотке ротора 2 с униполярной ЭДС 8 генератора. В качестве нагрузки 6 (Н) может быть выбран, например, индуктивный (катушка индуктивности) или емкостный (батарея конденсаторов) накопитель энергии.
1
1
1
2
2
Схема управления униполярным компрессионным генератором работает следующим образом. Внешним приводным двигателем ротор 3 генератора с обмоткой 2 раскручивается до определенного числа оборотов. За счет униполярного магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения, в обмотке 2 ротора 3 наводится постоянная униполярная ЭДС 8. Далее дополнительным коммутатором 7 обмотка 2 ротора 3 закорачивается и под действием униполярной ЭДС 8 начинает протекать нарастающий ток i через обмотку 2 ротора 3, скользящие контакты 1 и дополнительный коммутатор 7. Ток i за счет взаимной индуктивности на обмотке 2 статора 4 наводит переменное напряжение. Затем через некоторое время, когда ток i достигнет требуемой величины, в момент максимума суммарной индуктивности обмоток 2 ротора 3 и статора 4 замыкается коммутатор 5 и за счет переменного напряжения на обмотке 2 статора 4 и униполярной ЭДС 8 в нагрузке 6 (Н) генерируется импульс тока i. При достижении током i нулевого значения коммутатор 5
1
размыкается и отключает нагрузку 6 (Н). За счет униполярной ЭДС 8 ток i восстанавливается до требуемой величины и коммутатор 5 в момент максимума суммарной индуктивности замыкается. В нагрузке 6 (Н) генерируется следующий импульс тока и т.д.
Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и экспериментальных исследований, проведенных автором, имеет примерно в три раза большую энергию и мощность генерируемых в нагрузке импульсов тока, причем нагрузка достаточно просто отключается таким коммутатором как тиристор при достижении током нулевого значения.
Данная полезная модель реализована в виде схемы управления униполярным компрессионным генератором массой 150 кг с тиристорными коммутаторами для импульсно-периодического питания активно-индуктивной нагрузки. Этот генератор имеет импульсную мощность 15 МВт при частоте следования импульсов тока до 100 Гц.