Стабилизированный вентильный аксиально-конический ветрогенератор постоянного тока Российский патент 2019 года по МПК H02K47/00 H02K7/18 F03D9/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя механической энергии воздушного потока (например, энергии набегающего воздушного потока при использовании на подвижных локальных объектах, энергии ветра при использовании на неподвижных локальных объектах), в электрическую энергию постоянного тока.

Известен ветрогенератор (патент РФ №2168062, опубл. 27.05.2001 г.), содержащий ветроколесо и магнитоэлектрический генератор, ротор которого имеет постоянные магниты индуктора и связан с ветроколесом, а статор выполнен из шихтованного магнитопровода с обмотками якоря, при этом генератор имеет два идентичных статора, магнитопроводы которых выполнены в виде плоских колец с установленными на их торцевой части и обращенными друг к другу плоскими обмотками, а ротор выполнен в виде немагнитного диска с вмонтированными в него постоянными магнитами, при этом диск ротора расположен между обмотками якоря, подключенными к трехфазным двухполупериодным выпрямителям. Известный ветрогенератор содержит коммутирующее устройство с возможностью переключения обмоток статоров последовательно или параллельно в зависимости от скорости ветра.

Недостатком такого ветрогенератора являются низкие массогабаритные показатели, а именно: большой осевой размер, который складывается из осевого размера магнитоэлектрического генератора и осевого размера ветроколеса. Кроме того, размах лопастей ветроколеса известного ветрогенератора существенно превышает диаметр магнитоэлектрического генератора, так как иначе воздушный поток, упираясь в торцевую поверхность корпуса магнитоэлектрического генератора, не будет вращать его ротор с максимальной скоростью. Таким образом, диаметр ветрогенератора в целом равен размаху лопастей, что также ухудшает массогабаритные показатели ветрогенератора в целом.

Кроме того, конструкция ротора известного ветрогенератора вследствие сравнительно большого диаметра лопастей не обеспечивает минимального лобового сопротивления воздушному потоку, а, следовательно, потери механической энергии при преобразовании ее в электрическую велики. Вследствие этого чувствительность ветрогенератора к скорости набегающего воздушного потока низка, то есть минимальная скорость набегающего воздушного потока, необходимая для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения ротора, должна быть большой. При низкой скорости набегающего воздушного потока КПД такого ветрогенератора будет низок. В целях устранения этого недостатка в известном ветрогенераторе используется два статора и установлено коммутирующее устройство с возможностью переключения обмоток статора (якоря) последовательно или параллельно в зависимости от скорости ветра. Использование двух статоров и коммутирующего устройства ухудшает массогабаритные показатели и усложняет конструкцию ветрогенератора.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятый авторами за прототип является вентильный ветрогенератор постоянного тока (пат. РФ №2633356, опубл. 12.10.2017 г., авторы Кашин Я.М., Кашин А.Я., Князев А.С.), содержащий статор с магнитопроводом якоря, в пазы которого уложена трехфазная обмотка якоря, подключенная к трехфазному двухполупериодному выпрямителю, и ротор с постоянными магнитами индуктора, при этом статор, магнитопровод якоря и ротор выполнены в форме усеченного конуса, основание статора выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, а боковая поверхность статора образована наружной стороной магнитопровода якоря с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка якоря, при этом магнитопровод якоря одной торцевой стороной жестко закреплен на неподвижной платформе, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода якоря установлен передний подшипниковый узел, при этом боковая поверхность ротора выполнена с лопатками изогнутой формы, передняя часть ротора выполнена с обтекателем и вентиляционными отверстиями, расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора, а постоянные магниты индуктора жестко закреплены на внутренней поверхности ротора, при этом ротор жестко закреплен на вращающейся оси, установленной в переднем и заднем подшипниковых узлах, задний подшипниковый узел установлен в неподвижной платформе и закреплен от перемещения в осевом направлении упорной шайбой, а трехфазный двухполупериодный выпрямитель жестко закреплен на неподвижной платформе.

Однако выходное напряжение такого ветрогенератора зависит от частоты вращения ротора с установленным на нем постоянными магнитами индуктора:

где С - конструктивный коэффициент, w - частота вращения, Ф - магнитный поток возбуждения.

Это ограничивает область применения вентильного ветрогенератора постоянного тока: генератор с нестабилизированным напряжением не пригоден для питания потребителей электроэнергии высокого качества напрямую (без накопителей электроэнергии).

Возможная установка привода постоянной частоты вращения ухудшает массогабаритные показатели ветрогенератора, а также снижает надежность его работы.

Вращающаяся ось, закрепленная в подшипниковых узлах, не позволяет обеспечить высокую прочность конструкции ветрогенератора в случае неравномерного приложения внешних сил к ротору при порывах ветра.

Использование постоянных магнитов в качестве источника возбуждения генератора не позволяет регулировать выходное напряжение, что снижает КПД генератора.

Задачей предполагаемого изобретения является расширение области применения вентильного ветрогенератора постоянного тока при одновременном повышении надежности, повышении его КПД и повышения качества выходного напряжения.

Техническим результатом заявленного изобретения является минимизация разности между фактическим и заданным значениями выходного напряжения, повышение жесткости конструкции, снижение потерь энергии при преобразовании механической энергии (например, энергии набегающего воздушного потока или ветра) в электрическую энергию постоянного тока, уменьшение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на выходе вентильного ветрогенератора постоянного тока.

Технический результат достигается тем, что в стабилизированном вентильном аксиально-коническом ветрогенераторе постоянного тока, содержащем статор, основание которого выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, и ротор, внешняя боковая поверхность которого выполнена с лопатками изогнутой формы, а передняя часть ротора выполнена с обтекателем и входными вентиляционными отверстиями, расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора, при этом ротор закреплен на оси, а на неподвижной платформе жестко закреплен выходной двухполупериодный выпрямитель, при этом ось выполняется неподвижной, с буртиком в средней части, и запрессовывается в отверстие, выполняемое в центре неподвижной платформы, на которой жестко закрепляется аксиальный магнитопровод якоря основного генератора, в пазы которого укладывается многофазная обмотка якоря основного генератора, и регулятор напряжения, вход которого подключается к выходу выходного двухполупериодного выпрямителя, выполняемого многофазным, при этом на оси, выполняемой неподвижной, жестко закрепляется магнитопровод индуктора возбудителя, выполненный в форме усеченного конуса, в пазы которого укладывается однофазная обмотка возбуждения возбудителя, подключаемая к выходу регулятора напряжения согласно с многофазной обмоткой якоря основного генератора, в передней части внутренней полости ротора жестко закрепляется магнитопровод якоря возбудителя, выполненный в форме усеченного конуса, в пазы которого укладывается многофазная обмотка якоря возбудителя, а в задней части внутренней полости ротора жестко закрепляется аксиальный магнитопровод индуктора основного генератора, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода якоря основного генератора укладывается однофазная обмотка возбуждения основного генератора, подключаемая к выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя, при этом ротор устанавливается на оси, выполняемой неподвижной, посредством диска, закрепляемого во внутренней полости аксиального магнитопровода индуктора основного генератора, и выполняемого с выходными вентиляционными отверстиями, располагаемыми по окружности с центром на оси симметрии ротора в непосредственной близости с диодами многофазного двухполупериодного выпрямителя, и с расточкой в его центральной части, в которую укладывается наружное кольцо заднего подшипника, внутреннее кольцо которого устанавливается с натягом в средней части неподвижной оси, при этом задний подшипник закрепляется от перемещения в осевом направлении буртиком и втулкой, устанавливаемой на оси, выполняемой неподвижной, между задним подшипником и магнитопроводом индуктора возбудителя, выполняемым в форме усеченного конуса, а задняя часть обтекателя выполнена с расточкой, в которую укладывается наружное кольцо переднего подшипника, внутреннее кольцо которого закрепляется с натягом в передней части оси, выполненной неподвижной.

Регулятор напряжения содержит измеритель отклонений напряжения, блок усиления мощности, силовую часть и предварительный усилитель.

Измеритель отклонений напряжения содержит первый, второй и третий резисторы и первый стабилитрон, являющиеся плечами измерительного моста, вход которого подключен к выходному многофазному двухполупериодному выпрямителю, а выход подключен ко входу предварительного усилителя.

Блок усиления мощности содержит широтно-импульсный модулятор, составной транзистор, выходной транзистор и формирователь запирающих импульсов, при этом широтно-импульсный модулятор собран на магнитном усилителе с обмоткой управления, двумя рабочими обмотками, выпрямителе, нагрузочном резисторе и статическом инверторе, а выпрямитель собран на первом, втором, третьем и четвертом выпрямительных диодах.

Формирователь запирающих импульсов, содержит трансформатор, дифференцирующую цепочку, выполненную на конденсаторе, выпрямителе и выходном резисторе, и источник постоянного напряжения смещения, выполненный на диоде, конденсаторе и резисторе смещения.

Силовая часть содержит силовой транзистор, многообмоточный трансформатор, содержащий токовую обмотку, базовую обмотку, эмиттерную обмотку, обмотку перемагничивания с пятым выпрямительным диодом.

Предварительный усилитель выполнен на первом и втором транзисторах со стабилизатором тока на третьем транзисторе и втором стабилитроне, при этом коллектор первого транзистора через четвертый резистор подключен к выходу выходного многофазного двухполупериодного выпрямителя, а коллектор второго транзистора через пятый резистор и база третьего транзистора через шестой резистор подключены к токовой обмотке многообмоточного трансформатора силовой части.

Расширение области применения вентильного ветрогенератора постоянного тока достигается за счет стабилизации выходного напряжения предлагаемого ветрогенератора путем минимизации разности между фактическим и заданным значениями выходного напряжения за счет установки регулятора напряжения, подключением его входа к выходу выходного многофазного двухполупериодного выпрямителя, а выхода - к однофазной обмотке возбуждения возбудителя, и включением однофазной обмотки возбуждения возбудителя согласно с многофазной обмоткой якоря основного генератора. Возможность использования регулятора напряжения обеспечивается установкой в дополнение к основному генератору возбудителя.

Повышение надежности достигается путем повышения жесткости за счет:

1. выполнения оси неподвижной, с буртиком в средней части, и запрессовки ее в отверстие, выполненное в центре основания, на котором жестко закреплен аксиальный магнитопровод якоря основного генератора с многофазной обмоткой якоря основного генератора.

2. жесткого закрепления на оси, выполняемой неподвижной, магнитопровода индуктора возбудителя, выполненного в форме усеченного конуса, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя.

3. жесткого закрепления в передней части внутренней полости ротора магнитопровода якоря возбудителя,, выполненного в форме усеченного конуса, в пазы которого укладывается многофазная обмотка якоря возбудителя.

4. жесткого закрепления в задней части внутренней полости ротора аксиального магнитопровода индуктора основного генератора, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода якоря основного генератора укладыввается однофазная обмотка возбуждения основного генератора, подключенная к выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя.

5. выполнения диска с расточкой в его центральной части, в которую укладывается наружное кольцо заднего подшипника, внутреннее кольцо которого устанавливается с натягом в средней части оси, выполняемой неподвижной.

6. установки ротора на неподвижной оси посредством диска, закрепляемого во внутренней полости аксиального магнитопровода индуктора основного генератора.

7. закрепления заднего подшипника от перемещения в осевом направлении буртиком и втулкой, устанавливаемой на оси, выполняемой неподвижной, в центральной ее части между задним подшипником и магнитопроводом индуктора возбудителя, выполненном в форме усеченного конуса.

8. выполнения задней части обтекателя с расточкой, в которую укладывается наружное кольцо переднего подшипника, внутреннее кольцо которого закрепляется с натягом в передней части неподвижной оси.

Выполнение оси неподвижной и жесткое закрепление перечисленных выше элементов конструкции предлагаемого ветрогенератора, а также защита от осевого перемещения его подшипников повышают прочность, а соответственно, надежность предлагаемого ветрогенератора. Это позволяет ветрогенератору выдерживать неравномерное по величине и направлению приложение внешних сил к его ротору (например, при сильных порывах ветра).

Повышение КПД предлагаемого ветрогенератора достигается путем снижения потерь энергии при преобразовании механической энергии (например, энергии набегающего воздушного потока или ветра) в электрическую энергию постоянного тока за счет выполнения диска с выходными вентиляционными отверстиями, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора в непосредственной близости с диодами многофазного двухполупериодного выпрямителя, так как перегрев электрической машины приводит к росту потерь на нагрев, а соответственно к уменьшению полезной мощности, т.е к уменьшению КПД.

Повышение качества выходного напряжения достигается путем уменьшения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на выходе вентильного ветрогенератора постоянного тока за счет выполнения обмотки якоря основного генератора и выходного двухполупериодного выпрямителя многофазными.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого стабилизированного вентильного аксиально-конического ветрогенератора постоянного тока в разрезе; на фиг 2 - его электрическая схема.

Стабилизированный вентильный аксиально-конический ветрогенератор постоянного тока содержит: статор, основание которого выполнено в форме неподвижной платформы 15, жестко закрепленной на штанге-держателе 23, и ротор 1, внешняя боковая поверхность которого выполнена с лопатками 10 изогнутой формы, а передняя часть ротора 1 выполнена с обтекателем 6 и входными вентиляционными отверстиями 9, расположенными вокруг обтекателя 6 по окружности с центром на оси симметрии ротора 1. Ротор 1 закреплен на оси 7, а на неподвижной платформе 15 жестко закреплен выходной многофазный двухполупериодный выпрямитель 17.

Ось 7 выполнена неподвижной, с буртиком в средней части, и запрессована в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы 15, на котором жестко закреплен аксиальный магнитопровод 14 якоря основного генератора с многофазной обмоткой 13 якоря основного генератора и регулятор напряжения 21. Вход регулятора напряжения подключен к выходу выходного многофазного двухполупериодного выпрямителя 17. На оси 7, выполненной неподвижной, жестко закреплен магнитопровод 4 индуктора возбудителя, выполненный в форме усеченного конуса, в пазы которого уложена однофазная обмотка 5 возбуждения возбудителя, подключенная к выходу регулятора напряжения 21 согласно с многофазной обмоткой 13 якоря основного генератора.

В передней части внутренней полости ротора 1 жестко закреплен магнитопровод 2 якоря возбудителя, выполненный в форме усеченного конуса, в пазы которого уложена многофазная обмотка 3 якоря возбудителя.

В задней части внутренней полости ротора 1 жестко закреплен аксиальный магнитопровод 11 индуктора основного генератора, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода 14 якоря основного генератора уложена однофазная обмотка 12 возбуждения основного генератора, подключенная к выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя 16.

Ротор 1 установлен на оси 7, выполненной неподвижной, посредством диска 18, закрепленного во внутренней полости аксиального магнитопровода 11 индуктора основного генератора, и выполненного с выходными вентиляционными отверстиями 22, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора 1 в непосредственной близости с диодами многофазного двухполупериодного выпрямителя 16, и с расточкой в его центральной части, в которую уложено наружное кольцо заднего подшипника 19, внутреннее кольцо которого установлено с натягом в средней части неподвижной оси 7.

Задний подшипник 19 закреплен от перемещения в осевом направлении буртиком и втулкой 20, установленной на оси 7, выполненной неподвижной, между задним подшипником 19 и магнитопроводом 4 индуктора возбудителя, выполненным в форме усеченного конуса.

Задняя часть обтекателя 6 выполнена с расточкой, в которую уложено наружное кольцо переднего подшипника 8, внутреннее кольцо которого закреплено с натягом в передней части оси 7, выполненной неподвижной.

Регулятор напряжения 21 (фиг. 2) содержит измеритель отклонений напряжения 33, блок усиления мощности 47, силовую часть 26 и предварительный усилитель 32.

Измеритель отклонений напряжения 33 содержит первый 35 (R1), второй 36 (R2) и третий 37 (R3) резисторы и первый стабилитрон 34 (VD1), являющиеся плечами измерительного моста, вход которого подключен к выходному многофазному двухполупериодному выпрямителю 17, а выход подключен ко входу предварительного усилителя 32.

Блок усиления мощности 47 содержит широтно-импульсный модулятор, составной транзистор 57 (VT4 и VT5), выходной транзистор 63 (VT6) и формирователь запирающих импульсов. Широтно-импульсный модулятор собран на магнитном усилителе с обмоткой управления 42 (Wy), двумя рабочими обмотками 43 (Wp1) и 46 (Wp2), выпрямителе 60, нагрузочном резисторе 62 (R7) и статическом инверторе 51 (СИ). Выпрямитель 60 собран на первом 44 (VD4), втором 45 (VD5), третьем 61 (VD6) и четвертом 59 (VD7) выпрямительных диодах.

Формирователь запирающих импульсов, содержит трансформатор 49 (Т2), дифференцирующую цепочку, выполненную на конденсаторе 52 (С2), выпрямителе 54 (В1) и выходном резисторе 55 (R9), и источник постоянного напряжения смещения, выполненный на первом 48 (VD8) и втором 58 (VD9) диодах смещения, конденсаторе смещения 50 (С1) и резисторе смещения 53 (R8).

Силовая часть 26 содержит силовой транзистор 30 (VT7), многообмоточный трансформатор 31 (Т1), содержащий токовую обмотку 29 (W1), базовую обмотку 28 (W2), подключенную к эмиттеру выходного транзистора 63 (VT6) блока усиления мощности 47, эмиттерную обмотку 27 (W3), подключенную к эмиттеру составного транзистора 57 через пятый выпрямительный диод 56 (VD10), обмотку перемагничивания 24 (W4) с шестым выпрямительным диодом 25 (VD2).

Предварительный усилитель 32 выполнен на первом 39 (VT1) и втором 40 (VT2) транзисторах со стабилизатором тока на третьем 41 (VT3) транзисторе и втором стабилитроне 64 (VD3). Коллектор первого транзистора 39 (VT1) через четвертый резистор 38 (R4) подключен к выходу выходного многофазного двухполупериодного выпрямителя 17, а коллектор второго транзистора 40 (VT2) через пятый резистор 66 (R5) и база третьего транзистора 41 (VT3) через шестой резистор 65 (R6) подключены к токовой обмотке 29 (W1) многообмоточного трансформатора 31 (Т1).

Стабилизированный вентильный аксиально-конический ветрогенератор постоянного тока (СВАКГПТ) работает следующим образом. Механическая энергия вращения поступает в СВАКГПТ от набегающего воздушного потока. При этом набегающий воздушный поток разделяется на два контура. Воздушный поток первого воздушного контура, который обтекает внешнюю поверхность ротора 1, установленного на неподвижной оси 7 посредством диска 18, воздействует на лопатки 10 изогнутой формы и приводит ротор 1 во вращение. Воздушный поток второго воздушного контура, направленный обтекателем 6 ротора 1 через входные вентиляционные отверстия 9 во внутреннюю полость ветрогенератора, проходит через воздушный зазор между магнитопроводом 4 индуктора возбудителя и магнитопроводом 2 якоря возбудителя, выполненными в форме усеченного конуса, отбирает часть тепла возбудителя и, тем самым, охлаждает возбудитель. Далее воздушный поток второго воздушного контура проходит мимо многофазного двухполупериодного выпрямителя 16, охлаждая его, и через выходные вентиляционные отверстия 22 попадает во внутреннюю область основного генератора - в воздушный зазор между аксиальным магнитопроводом 11 индуктора основного генератора и аксиальным магнитопроводом 14 якоря основного генератора, жестко закрепленным на неподвижной платформе 15, жестко закрепленной на штенге-держателе 23. Под действием центробежных сил этот воздушный поток проходит через аксиальный воздушный зазор основного генератора, отбирает часть его тепла, охлаждая основной генератор, и отводится в окружающую атмосферу. Таким образом, воздушный поток второго воздушного контура охлаждает расположенные во внутренней полости ветрогенератора узлы: передний 8 и задний 19 подшипники, магнитопровод 4 индуктора возбудителя, выполненный в форме усеченного конуса, с однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя, магнитопровод 2 якоря возбудителя, выполненный в форме усеченного конуса, с многофазной обмоткой 3 якоря возбудителя, аксиальный магнитопровод 11 индуктора основного генератора с однофазной обмоткой 12 возбуждения основного генератора, аксиальный магнитопровод 14 якоря основного генератора с многофазной обмоткой 13 якоря основного генератора, многофазный двухполупериодный выпрямитель 16, выходной многофазный двухполупериодный выпрямитель 17, втулку 20, регулятор напряжения 21.

При вращении ротора 1 с жестко закрепленными в его внутренней полости магнитопроводом 2 якоря возбудителя, выполненного в форме усеченного конуса, с многофазной обмоткой 3 якоря возбудителя и аксиальным магнитопроводом 11 индуктора основного генератора с однофазной обмотка 12 возбуждения основного генератора остаточный магнитный поток магнитопровода 4 индуктора возбудителя, выполненного в форме усеченного конуса, взаимодействует с многофазной обмоткой 3 якоря возбудителя, уложенной в пазы магнитопровода 2 якоря возбудителя, выполненного в форме усеченного конуса.

В результате этого взаимодействия в многофазной обмотке 5 якоря возбудителя наводится многофазная система ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 16 и подается в однофазную обмотку 12 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы аксиального магнитопровода 11 индуктора основного генератора.

При протекании в однофазной обмотке 12 возбуждения основного генератора постоянного тока, вокруг нее возникает магнитный поток, который при вращении ротора 1 взаимодействует с многофазной обмоткой 13 якоря основного генератора, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 14 якоря основного генератора. В результате этого взаимодействия в многофазной обмотке 13 якоря основного генератора наводится многофазная система ЭДС, которая выпрямляется выходным многофазным двухполупериодным выпрямителем 17 и подается на вход регулятора напряжения 21 и в сеть.

Напряжение с выхода регулятора напряжения 21 подается на однофазную обмотку 5 возбуждения возбудителя, включенную согласно с многофазной обмоткой 13 якоря основного генератора. Согласное включение однофазной обмотки 5 возбуждения возбудителя с многофазной обмоткой 13 якоря основного генератора, то есть соединение их таким образом, что ЭДС якоря основного генератора, а соответственно и напряжение на выходе основного генератора, создает ток, усиливающий остаточный магнитный поток индуктора возбудителя. Усиление этого магнитного потока приводит к дальнейшему увеличению ЭДС, наводимой в многофазной обмотке 3 якоря возбудителя, а, соответственно, к увеличению тока в однофазной обмотке 12 возбуждения основного генератора, что приведет к увеличению ЭДС в многофазной обмотке 13 якоря основного генератора, т.е. напряжения на выходе ветрогенератора постоянного тока. Таким образом, ветрогенератор постоянного тока самовозбуждается и начинает устойчиво работать. Рост ЭДС при увеличении тока возбуждения в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя замедляется при насыщении магнитной цепи ветрогенератора постоянного тока.

Втулка 20 удерживает задний подшипник 19 от перемещения в осевом направлении.

Стабилизация выходного напряжения стабилизированного вентильного аксиально-конического ветрогенератора постоянного тока осуществляется путем изменения тока в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя при помощи регулятора напряжения 21. Регулирование выходного напряжения ветрогенератора осуществляется таким образом, что при повышении величины напряжения на выходе выходного многофазного двухполупериодного выпрямителя 17 выше заданного уровня ток в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя уменьшается, и наоборот, при понижении величины напряжения на выходе выходного многофазного двухполупериодного выпрямителя 17 ниже заданного уровня ток в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя увеличивается.

Стабилизация выходного напряжения ветрогенератора осуществляется следующим образом.

Параметры элементов измерителя отклонений напряжения 33 (фиг. 2) подобраны таким образом, что равновесие моста, состоящего из первого 35 (R1), второго 36 (R2) и третьего 37 (R3) резисторов и первого стабилитрона 34 (VD1) наступает при выходном напряжении ветрогенератора, значительно меньшим его номинального значения. Поэтому при нормальных режимах работы генератора потенциал точки «б» превышает потенциал точки «а», и с повышением выходного напряжения ветрогенератора величина сигнала рассогласования ΔU=ϕ(U-U_э) между выходным напряжением U ветрогенератора и эталонным напряжением U_э, первого стабилитрона 34 (VD1) возрастает.

Этот непрерывный во времени сигнал усиливается в предварительном усилителе 32 усилителем постоянного тока, собранном на первом 39 (VT1) транзисторе, коллектор которого через четвертый резистор 38 (R4) подключен к выходу выходного многофазного двухполупериодного выпрямителя 17, втором 40 (VT2) транзисторе, коллектор которого через пятый резистор 66 (R5) подключен к токовой обмотке 29 (W1) многообмоточного трансформатора 31 (Т1), со стабилизатором тока на третьем 41 (VT3) транзисторе, база которого через шестой резистор 65 (R6) также подключена к токовой обмотке 29 (W1) многообмоточного трансформатора 31 (Т1), и втором стабилитроне 64 (VD3). Сигнал от предварительного усилителя 32 поступает на вход широтно-импульсного модулятора блока усиления мощности 47, где он преобразуется в последовательность импульсов напряжения. Длительность этих импульсов определяется МДС, создаваемой обмоткой управления 42 (Wy) магнитного усилителя с двумя рабочими обмотками 43 (Wp1) и 46 (Wp2), подключенными к выпрямителю 60, собранному на первом 44 (VD4), втором 45 (VD5), третьем 61 (VD6) и четвертом 59 (VD7) выпрямительных диодах, период повторения этих импульсов - частотой тока встроенного статического инвертора 51 (СИ).

Если выходное напряжение U генератора изменяется (например, при изменении частоты вращения входного вала или изменении нагрузки), то изменяется разность потенциалов между точками а и 6 (фиг. 2), т.е. изменяется величина сигнала рассогласования ΔU=ϕ(U-U_э).

Например, с повышением выходного напряжения генератора сигнал рассогласования измерителя отклонений напряжения 33 (разность потенциалов между точками а и б) возрастает, что приводит к увеличению тока в обмотке управления 42 (W_y) магнитного усилителя блока усиления мощности 47. Увеличение магнитодвижущей силы (МДС), создаваемой обмоткой управления 42 (W_y) магнитного усилителя, обусловливает уменьшение длительности импульсов на нагрузочном резисторе 62 (R7), служащем нагрузкой магнитного усилителя. Эти импульсы управляют работой выходного транзистора 63 (VT6) блока усиления мощности 47. Выходной транзистор 63 (VT6) управляет работой силового транзистора 30 (VT7) силовой части 26 регулятора напряжения 21. При уменьшении длительности импульсов на нагрузочном резисторе 62 (R7) время открытого состояния выходного транзистора 63 (VT6) и силового транзистора 30 (VT7) уменьшается, соответственно уменьшается средняя величина тока в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя, уложенной в пазы магнитопровода 4 индуктора возбудителя, выполненного в форме усеченного конуса, жестко закрепленного на неподвижной оси 7.

Уменьшение средней величины тока в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя приводит к уменьшению магнитного потока, направленного вдоль радиуса магнитопровода 2 якоря возбудителя, выполненного в форме усеченного конуса. Это приводит к уменьшению величины многофазной ЭДС, индуктируемой в многофазной обмотке 3 якоря возбудителя, а соответственно - к уменьшению тока в однофазной обмотке 12 возбуждения основного генератора, уменьшению магнитного потока, создаваемого током, протекающим в однофазной обмотке 12 возбуждения основного генератора, к уменьшению создаваемой этим магнитным потоком многофазной ЭДС в многофазной обмотке 13 якоря основного генератора, а, следовательно, к уменьшению выходного напряжения ветрогенератора до заданного значения.

Включение силового транзистора 30 (VT7) осуществляется импульсом тока, подаваемым на базовую обмотку 28 (W2) многообмоточного трансформатора 31 (Т1) при открытии выходного транзистора 63 (VT6). Этот ток проходит по базовой цепи силового транзистора 30 (VT7) и частично открывает его. Через силовой транзистор 30 (VT7) начинает протекать ток, который проходя через токовую обмотку 29 (W1) многообмоточного трансформатора 31 (Т1), намагничивает его сердечник.

Параметры многообмоточного трансформатора 31 (Т1) подобраны таким образом, что время намагничивания сердечника больше периода следования управляющих импульсов. Поэтому при открытом состоянии силового транзистора 30 (VT7) во всех обмотках трансформатора индуктируются ЭДС самоиндукции. ЭДС, индуктируемая в базовой обмотке 28 (W2), подключенную к эмиттеру выходного транзистора 63 (VT6) блока усиления мощности 47, увеличивает величину базового тока силового транзистора 30 (VT7), что в итоге приводит к его лавинообразному открытию.

Для запирания силового транзистора 30 (VT7) используется ЭДС, индуктируемая в эмиттерной обмотке 27 (W3), подключенную к эмиттеру составного транзистора 57 (VT4 и VT5) через пятый выпрямительный диод 56 (VD10).

Полярность этой ЭДС выбрана так, что при открытии составного транзистора 57 (VT4 и VT5) блока усиления мощности 47 происходит закрытие силового транзистора 30 (VT7). Включение составного транзистора 57 (VT4 и VT5) осуществляется по сигналам, формируемым формирователем запирающих импульсов, в состав которого входят трансформатор 49 (Т2), дифференцирующая цепочка, выполненная на конденсаторе 52 (С2), выпрямителе 54 (В1) и выходном резисторе 55 (R9), и источник постоянного напряжения смещения, выполненный на первом 48 (VD8) и втором 58 (VD9) диодах смещения, конденсаторе смещения 50 (С1) и резисторе смещения 53 (R8).

Первичная обмотка трансформатора 49 (Т2) получает питание от статического инвертора 51 (СИ). В конце каждого полупериода переменного напряжения прямоугольной формы на выходе дифференциальной цепочки - выходном резисторе 55 (R9) - создаются импульсы напряжения.

Этими импульсами кратковременно открывается составной транзистор 57 (VT4 и VT5) блока усиления мощности 47, а остальное время он закрыт напряжением смещения, снимаемым с конденсатора 50 (С 1).

В момент закрытия силового транзистора 30 (VT7) начинает уменьшаться ток в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя, что обуславливает наведение в ней ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС самоиндукции замыкается через обмотку перемагничивания 24 (W4) и шестой выпрямительный диод 25 (VD2), что обеспечивает непрерывное протекание тока в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя.

Магнитодвижущая сила (МДС), создаваемая обмоткой перемагничивания 24 (W4), перемагничивает сердечник многообмоточного трансформатора 31 (Т1) и способствует лавинообразному закрытию силового транзистора 30 (VT7) силовой части 26.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в качестве преобразователя механической энергии воздушного потока (например, энергии набегающего воздушного потока при использовании на подвижных локальных объектах, энергии ветра при использовании на неподвижных локальных объектах) в электрическую энергию постоянного тока. Техническим результатом является минимизация разности между фактическим и заданным значениями выходного напряжения, повышение жесткости конструкции, снижение потерь энергии при преобразовании механической энергии в электрическую энергию постоянного тока, уменьшение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. Стабилизированный вентильный аксиально-конический ветрогенератор постоянного тока содержит статор, основание которого выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, и ротор, внешняя боковая поверхность которого выполнена с лопатками изогнутой формы. Передняя часть ротора выполнена с обтекателем и входными вентиляционными отверстиями, расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора. Ротор закреплен на оси. На неподвижной платформе жестко закреплен выходной двухполупериодный выпрямитель. Ось выполнена неподвижной с буртиком в средней части и запрессована в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы, где жестко закреплен аксиальный магнитопровод якоря основного генератора с многофазной обмоткой и регулятор напряжения, вход которого подключен к выходу выходного выпрямителя, выполненного многофазным. На неподвижной оси жестко закреплен магнитопровод индуктора возбудителя в форме усеченного конуса, в пазы которого уложена однофазная обмотка его возбуждения, подключенная к выходу регулятора напряжения согласно с многофазной обмоткой якоря генератора. В передней части внутренней полости ротора жестко закреплен магнитопровод якоря возбудителя в форме усеченного конуса, в пазы которого уложена его многофазная обмотка. В задней части внутренней полости ротора жестко закреплен аксиальный магнитопровод индуктора генератора, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода его якоря уложена однофазная обмотка возбуждения, подключенная к выходу выпрямителя. Ротор установлен на оси, выполненной неподвижной посредством диска, закрепленного во внутренней полости аксиального магнитопровода индуктора и выполненного с выходными вентиляционными отверстиями, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора в непосредственной близости с диодами выпрямителя, и с расточкой в его центральной части, в которую уложено наружное кольцо заднего подшипника, внутреннее кольцо которого установлено с натягом в средней части неподвижной оси, при этом задний подшипник закреплен от перемещения в осевом направлении буртиком и втулкой, установленной на оси, выполненной неподвижной, между задним подшипником и магнитопроводом индуктора возбудителя, выполненным в форме усеченного конуса, а задняя часть обтекателя выполнена с расточкой, в которую уложено наружное кольцо переднего подшипника, внутреннее кольцо которого закреплено с натягом в передней части оси, выполненной неподвижной. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Стабилизированный вентильный аксиально-конический ветрогенератор постоянного тока, содержащий статор, основание которого выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, и ротор, внешняя боковая поверхность которого выполнена с лопатками изогнутой формы, а передняя часть ротора выполнена с обтекателем и входными вентиляционными отверстиями, расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора, при этом ротор закреплен на оси, а на неподвижной платформе жестко закреплен выходной двухполупериодный выпрямитель, отличающийся тем, что ось выполнена неподвижной, с буртиком в средней части и запрессована в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы, на котором жестко закреплен аксиальный магнитопровод якоря основного генератора с многофазной обмоткой якоря основного генератора и регулятор напряжения, вход которого подключен к выходу выходного двухполупериодного выпрямителя, выполненного многофазным, при этом на оси, выполненной неподвижной, жестко закреплен магнитопровод индуктора возбудителя, выполненный в форме усеченного конуса, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная к выходу регулятора напряжения согласно с многофазной обмоткой якоря основного генератора, в передней части внутренней полости ротора жестко закреплен магнитопровод якоря возбудителя, выполненный в форме усеченного конуса, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря возбудителя, а в задней части внутренней полости ротора жестко закреплен аксиальный магнитопровод индуктора основного генератора, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода якоря основного генератора уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, подключенная к выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя, при этом ротор установлен на оси, выполненной неподвижной, посредством диска, закрепленного во внутренней полости аксиального магнитопровода индуктора основного генератора и выполненного с выходными вентиляционными отверстиями, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора в непосредственной близости с диодами многофазного двухполупериодного выпрямителя, и с расточкой в его центральной части, в которую уложено наружное кольцо заднего подшипника, внутреннее кольцо которого установлено с натягом в средней части неподвижной оси, при этом задний подшипник закреплен от перемещения в осевом направлении буртиком и втулкой, установленной на оси, выполненной неподвижной, между задним подшипником и магнитопроводом индуктора возбудителя, выполненным в форме усеченного конуса, а задняя часть обтекателя выполнена с расточкой, в которую уложено наружное кольцо переднего подшипника, внутреннее кольцо которого закреплено с натягом в передней части оси, выполненной неподвижной.

2. Стабилизированный аксиально-конический генератор постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что регулятор напряжения содержит измеритель отклонений напряжения, блок усиления мощности, силовую часть и предварительный усилитель.

3. Стабилизированный аксиально-конический генератор постоянного тока по п. 2, отличающийся тем, что измеритель отклонений напряжения содержит первый, второй и третий резисторы и первый стабилитрон, являющиеся плечами измерительного моста, вход которого подключен к выходному трехфазному двухполупериодному выпрямителю, а выход подключен ко входу предварительного усилителя.

4. Стабилизированный аксиально-конический генератор постоянного тока по п. 2, отличающийся тем, что блок усиления мощности содержит широтно-импульсный модулятор, составной транзистор, выходной транзистор и формирователь запирающих импульсов, при этом широтно-импульсный модулятор собран на магнитном усилителе с обмоткой управления и двумя рабочими обмотками, выпрямителе, нагрузочном резисторе и статическом инверторе, а выпрямитель собран на первом, втором, третьем и четвертом выпрямительных диодах.

5. Стабилизированный аксиально-конический генератор постоянного тока по п. 4, отличающийся тем, что формирователь запирающих импульсов содержит трансформатор, дифференцирующую цепочку, выполненную на конденсаторе, выпрямителе и выходном резисторе, и источник постоянного напряжения смещения, выполненный на первом и втором диодах смещения, конденсаторе смещения и резисторе смещения.

6. Стабилизированный аксиально-конический генератор постоянного тока по п. 2, отличающийся тем, что силовая часть содержит силовой транзистор, многообмоточный трансформатор, содержащий токовую обмотку, базовую обмотку, подключенную к эмиттеру выходного транзистора блока усиления мощности, эмиттерную обмотку, подключенную к эмиттеру составного транзистора через пятый выпрямительный диод, обмотку перемагничивания с шестым выпрямительным диодом.

7. Стабилизированный аксиально-конический генератор постоянного тока по п. 2, отличающийся тем, что предварительный усилитель выполнен на первом и втором транзисторах со стабилизатором тока на третьем транзисторе и втором стабилитроне, при этом коллектор первого транзистора через четвертый резистор подключен к выходу выходного трехфазного двухполупериодного выпрямителя, а коллектор второго транзистора через пятый резистор и база третьего транзистора через шестой резистор подключены к токовой обмотке многообмоточного трансформатора силовой части.