ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПЕРЕМЕННЫЙ Российский патент 2000 года по МПК H02M7/56 H02M9/02 H02K47/02 

Изобретение относится к энергетике, в частности к преобразовательной технике, предназначенной для преобразования постоянного тока в переменный (инвертирования), в том числе при утяжеленных условиях эксплуатации (вакуумная среда, повышенная температура, радиация и т.п.) и повышенных требованиях к надежности эксплуатации, например, в высокотемпературных космических ядерно-энергетических установках (ЯЭУ).

Известно множество инверторов общепромышленного и специального исполнения.

Задача инвертирования электроэнергии в настоящее время решается преимущественно так называемыми статическими преобразователями, наиболее эффективными среди которых по КПД и массогабаритным показателям являются полупроводниковые преобразователи [1], а.с. N584418 (МПК⁶ H 02 М, 7/537), заявка Великобритании N1569836 (МПК⁶ H 02 М, 1/06).

Аналогом изобретения может быть любой из известных инверторов, например любой из статических полупроводниковых преобразователей, выполняемый по мостовой или дифференциальной схеме однофазного двухполупериодного преобразования [1].

Все известные инверторы (как статические, так и механические) имеют общий физический недостаток: физика инвертирования в них основана на коммутации (размыкании и замыкании) электрических цепей постоянного тока с заданной частотой теми или иными коммутируемыми или ключевыми элементами (транзисторами, тиристорами, для электрических машин - коллекторами). Причем высокочастотный процесс замыкания и размыкания цепи постоянного тока сопровождается комплексом принципиальных проблем коммутации (искрение, пробой и т.д.), ограничивающих условия и ресурс эксплуатации устройств.

Особенно остро этот недостаток проявляется в утяжеленных условиях эксплуатации. Например, в космическом вакууме с ухудшенными условиями теплосброса, при радиоактивном облучении в ЯЭУ, при которых происходит повышение рабочей температуры и возможны пробои ключевых элементов. Тем самым выявляется второй взаимосвязанный недостаток практически всех известных инверторных установок: они удовлетворительно работают преимущественно при нормальных температурах, а в случае повышения температур имеют ограниченный ресурс эксплуатации. Так, промышленные полупроводники работают до 70-100^oC, промышленные электрические машины - до 200^oC (от класса электроизоляции).

Анализ принципов построения всех электротехнических устройств приводит к следующему выводу. Для того, чтобы избавиться от природного недостатка инверторов, заложенного в их принципе действия, необходимо взамен электрической коммутации цепей искать решение в использовании иного принципа. Например, в коммутации магнитных цепей или просто в магнитной коммутации. В этом случае электрическая цепь, охватывающая магнитную цепь, оказывается неразрывной, постоянно замкнутой на нагрузку, но в этой цепи индуцируется ЭДС или противоЭДС с помощью изменяющегося магнитного потока.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция преобразователя постоянного тока в переменный с двигателем постоянного тока и индукторным генератором ([2], стр.378, фиг.5.1б, в). Заложенная в принципе действия индукторного генератора магнитная коммутация осуществляет индуктирование (наведение) в статоре переменного тока путем использования неоднородности магнитной проницаемости зубцовой зоны ротора (зубец - паз) при возбуждении от катушки постоянного тока или от постоянных магнитов. Однако исчезнувшая коммутация электрических цепей в индукторных генераторах в системе Д-Г перенесена на коллектор первичного двигателя постоянного тока со всеми проблемами коммутации, а общая эффективность связки двух агрегатов оказывается достаточно низкой: произведение КПД двигателя и генератора. В качестве прототипа рассматривается система двигателя-генератора (Д-Г) в целом, так как индукторные генераторы являются генерирующей частью этой системы и не являются по прямому назначению инверторами.

Индукторные генераторы устроены так, что непосредственно в них никакого преобразования постоянного тока в переменный не происходит. В них осуществляется преобразование механической энергии, подведенной электродвигателями постоянного тока, в электрическую переменного тока, а постоянный ток используется для поддержания магнитного потока возбуждения. В ряде случаев катушки возбуждения заменяются постоянными магнитами. Величина генерируемой электроэнергии в индукторных генераторах (с учетом КПД) близка той механической энергии, которая подведена к валу от электродвигателя (паровой или гидравлической турбины), а не к обмотке возбуждения.

В системе Д-Г индукторный генератор не является инвертором также и по той причине, что замеченная в нем коммутация магнитного потока происходит только в рабочем зазоре машины, а исходное (суммарное) магнитное поле и намагничивающая сила обмотки возбуждения остаются постоянными. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции принципиально невозможно преобразовать в переменный ток незначительную часть энергии, которая привнесена постоянным током возбуждения. Более того, от переменной составляющей в цепи возбуждения, если таковая возникает, стремятся избавляться и рассматривают ее источником дополнительных потерь мощности.

Таким образом, прототип обладает двумя недостатками: неспособностью генерировать электроэнергию без подведенной механической энергии, и неспособностью инвертировать при этом энергию постоянного тока в силу постоянства (суммарного) магнитного потока.

Конструктивно прототип состоит из цилиндрической замкнутой магнитной системы, расположенных на ней обмоток возбуждения постоянного тока и однофазной или многофазной обмотки для индуцирования переменного тока, а также вращающего ротора с приводом в виде коллекторного электродвигателя постоянного тока, снабженного средством коммутации магнитного потока (зубцовой зоной) - неоднородной по магнитной проницаемости поверхностью.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение надежности преобразователя постоянного тока в переменный и увеличение его ресурса за счет исключения электрической коммутации цепей. Эта задача достигается тем, что преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий магнитопровод с обмоткой постоянного тока и обмоткой переменного тока, а также ротор с неоднородными по магнитной проводимости участками и приводом, реализуется в виде по крайней мере двух магнитопроводов, каждый из которых снабжен обмоткой постоянного тока с общей для них обмоткой переменного тока, при этом первичная обмотка постоянного тока возбуждает в магнитопроводах разнонаправленные магнитные потоки, участки с неоднородными проводимостями ротора расположены между полюсами каждой пары полюсов каждого магнитопровода, а число участков с неоднородными проводимостями при симметричном расположении магнитопроводов по окружности ротора пропорционально величине 2(p+1), где p - число пар полюсов всех магнитопроводов.

Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид;
фиг.2 - разрез по AA, где:
1,2-магнитопровод;
3,4 - обмотки постоянного тока;
5 - общая обмотка переменного тока;
6 - ротор;
7,8 - неоднородные по проводимости участки ротора;
9 - привод.

Конструкция предлагаемого изобретения (фиг. 1) состоит по крайней мере из двух магнитопроводов (1,2), на каждом из которых расположены обмотки постоянного тока (3,4), общей для магнитопроводов обмотки переменного тока (5), вращающего ротора (6) с неоднородными по магнитной проводимости участками (7,8) и его привода (9).

Принцип действия предлагаемого инвертора основан на использовании коммутации магнитного потока и заключается в следующем. Если в зазорах двух магнитопроводов (1,2) с разнонаправленным магнитным потоком возбуждения от первичных обмоток с инвертируемым постоянным током, запитанных от источника постоянного тока (3,4), вращать ротор (6) с магнитопроводными и немагнитопроводными участками (7,8), в магнитопроводах (1,2) возникнут чередующиеся пульсации магнитного потока и в соответствии с законом электромагнитной индукции в общей (вторичной) обмотке (5) будет наводиться смещенная по фазе переменная ЭДС, а в первичных обмотках (3,4) - противо-ЭДС.

Электрическая коммутация цепей, осуществляемая коллектором первичного двигателя в прототипе, заменена коммутацией магнитной цепи или магнитной коммутацией ротора (6), реализуемого неоднородными по магнитопроводности участками (7,8).

Обмотки постоянного тока (3,4) выполняют не вспомогательную (для возбуждения), а силовую роль - для подвода инвертируемой энергии постоянного тока и одновременного поддержания однонаправленного возбуждения магнитной цепи. С этой целью они располагаются в зоне пульсации магнитного потока и в ней наводится смещенная по фазе переменная составляющая (противо-ЭДС), которая попеременно используется в качестве ключевого-запирающего элемента электрической цепи источника постоянного тока. Перенос (преобразование) части энергии постоянного тока от обмоток постоянного тока осуществляется энергией пульсирующего магнитного потока.

Чередующиеся магнитопроводные и немагнитопроводные участки располагаются на роторе по определенному закону, а именно таким образом, что число участков с неоднородной проводимостью при симметричном расположении магнитопроводов по окружности ротора пропорционально 2(p+1), где p - число пар полюсов всех магнитопроводов. При этом выход магнитопроводного участка из одного магнитопровода сопровождается входом аналогичного участка в другой, обеспечивая за счет прочности и инерции жесткого ротора взаимную компенсацию втягивающего и удерживающего усилий, а следовательно, минимальный, практически нулевой, момент на валу ротора.

Предлагаемая конструкция не требует специально разработанного оборудования и может быть широко использована в установках с повышенными требованиями эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА
1. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. Под ред. С.Д.Додика и Е.И.Гальперина. - M.: Советское радио, 1969, с. 282, рис. V. 16.

2. Авиационные электрические генераторы. А.И.Бертинов. М.: Гос. изд. оборонной промышленности, 1959, (глава 5, с. 377-378).

Использование: для преобразования постоянного тока в переменный, в том числе при утяжеленных условиях эксплуатации в вакуумной среде, повышенной температуре, радиации и т.п. и повышенных требованиях к надежности эксплуатации, например, в высокотемпературных космических ядерно-энергетических установках. Преобразователь постоянного тока в переменный содержит магнитопроводы и ротор с неоднородными по магнитной проводимости участками, приводимый во вращение приводом. Каждый из магнитопроводов снабжен первичной обмоткой постоянного тока и общей для них обмоткой переменного тока. Участки с неоднородными проводимостями ротора расположены между полюсами каждой пары полюсов каждого магнитопровода. Число участков с неоднородными проводимостями при симметричном расположении магнитопроводов по окружности ротора пропорционально величине 2(р+1), где р - число пар полюсов всех магнитопроводов. Первичные обмотки возбуждают в зазорах магнитопроводов разнонаправленный магнитный поток возбуждения. В магнитопроводах возникнут чередующиеся пульсации магнитного потока. В общей вторичной обмотке будет наводиться смещенная по фазе переменная ЭДС. Технический результат - повышение надежности. 2 ил.

Преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий магнитопровод с обмоткой постоянного тока и обмоткой переменного тока, ротор с неоднородными по магнитной проводимости участками, привод, отличающийся тем, что каждый из, по крайней мере, двух магнитопроводов имеет первичную обмотку постоянного тока и общую для них вторичную обмотку переменного тока, при этом первичные обмотки возбуждают в магнитопроводах разнонаправленные магнитные потоки, участки с неоднородными проводимостями ротора расположены между полюсами каждый пары полюсов каждого магнитопровода, а число участков с неоднородными проводимостями при симметричном расположении магнитопроводов по окружности ротора пропорционально величине 2(р+1), где р - число пар полюсов всех магнитопроводов.