ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК H02K19/36 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для проектирования синхронных машин малой и средней мощности, преимущественно генераторов для автономных электростанций.

К генераторам автономных электростанций предъявляются жесткие требования по качеству выходного напряжения. Это связано с тем, что генератор должен запускать двигательную нагрузку единичной мощностью не менее 75% от мощности генератора, при этом внешняя его характеристика должна быть жесткой. Учитывая, что при пуске двигателей они потребляют реактивную мощность, необходимо в этот момент форсировать возбуждение генератора. Этого можно достичь путем положительной обратной связи по току (например а.с. СССР N 93189, 21d², 16, 1950 г. "Устройство для самовозбуждения многофазного синхронного двигателя"). В известном устройстве обмотка возбуждения включена в разрыв нулевой точки статорной обмотки через трехфазный выпрямитель. При этом ток возбуждения пропорционален току в статорной обмотке. Это устройство дает положительные результаты при использовании его для синхронных двигателей. В случае использования для генератора это устройство имеет недостатки, т.е. при активной нагрузке характеристика будет возрастающей, при индуктивной - падающей. Таким образом, внешняя характеристика будет зависеть от коэффициента мощности нагрузки. С другой стороны имеется ключ К, который шунтирует обмотку при переходных процессах, поэтому обмотка возбуждения не участвует в работе.

Наиболее близким по техническому решению является "Генератор переменного тока с комбинированным возбуждением" по а. с. СССР N 322831, H 02 K 19/36, 1971 г., Бюл. N 36.

Известный генератор переменного тока с комбинированным возбуждением, содержащий постоянные магниты, трехфазную обмотку и регулятор напряжения в виде импульсного ключа, причем дополнительная обмотка возбуждения включена встречно-последовательно с основной и обе они непосредственно подключены к зажимам выпрямленного напряжения, а последовательно с основной обмоткой включен нелинейный элемент, например полупроводниковый диод.

Недостатком известного устройства является наличие постоянного магнита, что вносит искажение в форму выходного напряжения. Наличие двух обмоток возбуждения включенных встречно-последовательно увеличивает массогабаритные показатели, т. к. поток этих обмоток вычитывается. Отсутствует форсирование возбуждения при питании двигательной нагрузки.

Техническим решением предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции при жесткой внешней характеристике в статических и динамических режимах.

Поставленная задача достигается тем, что генератор переменного тока с комбинированным возбуждением, содержащий статорную трехфазную обмотку, выпрямитель, регулятор возбуждения в виде импульсного ключа, первые выводы статорной трехфазной обмотки соединены со входом выпрямителя, к выходу постоянного тока которого параллельно подключена обмотка возбуждения, и импульсный ключ регулятора возбуждения выполненный с широтно-импульсным (ШИ) законом регулирования, предварительный усилитель которого выполнен с гальванической развязкой (например, на оптронной паре), а измерительный орган последнего, выполненный в виде последовательно соединенных между собой дополнительного выпрямителя, резистивного делителя напряжения и стабилитрона, включен между входом предварительного усилителя и выводами для подключения нагрузки статорной трехфазной обмотки, соединенными с дополнительными конденсаторами возбуждения по числу фаз.

Новизна технического решения обусловлена тем, что первые выводы трехфазной обмотки соединены со входом выпрямителя, к выходу постоянного тока которого параллельно подключена обмотка возбуждения, и импульсный ключ регулятора возбуждения выполненный с широтно-импульсным (ШИ) законом регулирования, предварительный усилитель которого выполнен с гальванической развязкой (например, на оптронной паре), а измерительный орган последнего, выполненный в виде последовательно соединенных между собой дополнительного выпрямителя, резистивного делителя напряжения и стабилитрона, и включен между входом предварительного усилителя и выводами для подключения нагрузки статорной трехфазной обмотки, соединенными с дополнительными конденсаторами возбуждения по числу фаз.

По данным научно-исследовательской и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема генератора переменного тока с комбинированным возбуждением.

Генератор содержит статорную трехфазную обмотку 1, первые выводы статорной трехфазной обмотки соединены со входом выпрямителя 2, к выходу постоянного тока которого, параллельно подключена обмотка возбуждения 3 и импульсный ключ 4 регулятора возбуждения 5 с предварительным усилителем 6 и оптронной парой 7, измерительный орган 8 содержит последовательно соединенные стабилитрон 9, резистивный делитель 10, конденсатор фильтра 11, дополнительный выпрямитель 12, соединенный с фазами статорной обмотки 1 и дополнительными конденсаторами возбуждения 13 в каждой фазе.

Генератор переменного тока с комбинированным возбуждением работает следующим образом. За счет остаточного намагничивания ротора в трехфазной статорной обмотке 1 появляется ЭДС, которая за счет колебательного контура статорная обмотка - конденсаторы 13 усиливается и генератор самовозбуждается. Появившийся емкостный ток через выпрямитель 2 замыкается на обмотку возбуждения 3, которая создает поток, способствующий быстрому самовозбуждению генератора.

На холостом ходу потери в генераторе компенсируются за счет емкостного тока конденсаторов 13 и создающегося в обмотке 3 потока.

При подключении нагрузки к зажимам A, B, C обмотки статора 1 ток нагрузки через выпрямитель 2 замыкается на обмотке возбуждения 3, что вызывает увеличение потока намагничивания, а следовательно, увеличивается выходное напряжение. При определенном напряжении (зависит от положения ползунка на резистивном делителе 10) стабилитрон 9 открывается, по светодиоду 7 оптронной пары проходит ток, создается импульс управления, который усиливается предварительным усилителем 6, и импульсный ключ 4 регулятора возбуждения 5 открывается на определенное время, шунтируя обмотку возбуждения 3, в котором уменьшается ток. Это снижает поток, что приводит к уменьшению выходного напряжения. Снижается напряжение и на резистивном делителе 10, стабилитрон 9 закрывается, исчезает сигнал обратной связи. При этом весь выпрямленный ток нагрузки опять проходит через обмотку 3, и поток возбуждения снова возрастает. Таким образом, регулируется ток возбуждения и в конечном счете - выходное напряжение.

Импульсный ключ 4 открывается с удвоенной частотой генератора. В зависимости от выходного напряжения изменяется скважность импульсов, а следовательно, и действующее значение тока возбуждения. Чем больше выходное напряжение, тем дольше транзистор 4 открыт, меньший ток возбуждения в обмотке 4, и наоборот.

Достоинства предлагаемого синхронного генератора заключаются в следующем.

1. При подключении нагрузки срабатывает сначала "токовый" канал, за счет которого форсируется возбуждение, и только при достижении номинального напряжения срабатывает "отсечка" по напряжению. Т.е. происходит быстрая форсировка напряжения, следовательно, генератор имеет жесткую характеристику при переходных процессах.

2. Токовая обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, малую индуктивность, следовательно, генератор имеет небольшую электромагнитную постоянную.

3. Независимо от того, какой коэффициент мощности имеет нагрузка, обратная связь по напряжению срабатывает при заданном (потенциометром) значении выходной величины и поддерживает стабильным выходное напряжение.

4. Предлагаемый синхронный генератор не раз возбуждается при больших перегрузках, что важно для специальных устройств (авиация, резервные источники питания и т.д.).

5. Выпускаемые промышленностью транзисторы на токи 160-500 A позволяют создать широкий ряд мощностей данного генератора. Для увеличения мощности генератора можно включить несколько транзисторов параллельно.

6. Регулирующий транзистор работает в дискретном режиме, что снижает потери и увеличивает КПД генератора.

7. Конденсаторы возбуждения, кроме основного назначения, улучшают форму выходного сигнала и снижают высшие гармонические составляющие.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Генератор переменного тока с комбинированным возбуждением мощностью 6кВА испытан в лабораторных и полевых условиях.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для проектирования синхронных машин малой и средней мощности, преимущественно генераторов для автономных электростанций. Для упрощения конструкции, что является техническим результатом, при жесткой внешней характеристике в статических и динамических режимах генератор содержит трехфазную обмотку (1), одни выводы трехфазной обмотки соединены со входом выпрямителя (2), к выходу постоянного тока которого параллельно подключена обмотка возбуждения (3) и импульсный ключ (4) регулятора возбуждения (5) с предварительным усилителем (6) и оптронной парой (7), измерительный орган (8) содержит последовательно соединенные стабилитрон (9), резистивный делитель (10), конденсатор фильтра (11), дополнительный выпрямитель (12), соединенный с фазами обмотки (1) и дополнительными конденсаторами возбуждения (13) в каждой фазе. Генератор переменного тока с комбинированным возбуждением работает следующим образом. За счет остаточного намагничивания ротора в трехфазной обмотке (1) появляется ЭДС, которая за счет колебательного контура обмотка - конденсаторы (13) усиливается и генератор самовозбуждается. Появившийся емкостной ток через выпрямитель (2) замыкается на обмотку возбуждения (3), которая создает поток, способствующий быстрому самовозбуждению генератора. На холостом ходу потери в генераторе компенсируются за счет емкостного тока конденсаторов (13) и создающегося в обмотке (3) потока. 1 ил.

Генератор переменного тока с комбинированным возбуждением, содержащий статорную трехфазную обмотку, выпрямитель, регулятор возбуждения в виде импульсного ключа, отличающийся тем, что одни выводы статорной трехфазной обмотки соединены со входом выпрямителя, к выходу постоянного тока которого параллельно подключена обмотка возбуждения и импульсный ключ регулятора возбуждения, выполненный с широтно-импульсным законом регулирования, предварительный усилитель которого выполнен с гальванической развязкой (например, на оптронной паре), а измерительный орган последнего, выполненный в виде последовательно соединенных между собой дополнительного выпрямителя, резистивного делителя напряжения и стабилитрона, включен между входом предварительного усилителя и выводами для подключения нагрузки статорной трехфазной обмотки, соединенными с дополнительными конденсаторами возбуждения по числу фаз.