ИНДУКТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР С СОВМЕЩЕННЫМИ ОБМОТКАМИ ВОЗБУЖДЕНИЯ И СТАТОРА Российский патент 2019 года по МПК H02K19/20 H02K3/28 H02P9/40 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к синхронным реактивным электрическим генераторам, применяемым, в частности, в трансмиссиях самоходных гусеничных и колесных машин.

Известен индукторный генератор с совмещенными обмотками возбуждения и статора (якоря), содержащий зубчатый безобмоточный ротор и статор, Z₁ зубцов которого охвачены катушками обмотки статора (якоря), образующими N-фазную систему. Обмотка статора выполнена с зубцовым шагом и состоит из Z₁ катушек, а каждая фаза из Z₁/N катушек, находящихся на противоположно расположенных зубцах. Катушки каждой фазы соединены между собой и подключены к электронному коммутатору, реализованному на силовых биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ) (анг. IGBT - Insulated-gate Bipolar Transistor) и диодах, соединенных по схеме асимметричного моста (KR 101311378 В1, 25.09.2013; US 5493195 А, 20.02.1996; CN 204408232 U, 17.06.2015).

В этом генераторе ток возбуждения формируется путем подключения фазных обмоток к выходному напряжению генератора с помощью IGBT транзисторов электронного коммутатора, причем моменты этого подключения синхронизированы с положением ротора (вала) генератора. Соответственно, IGBT транзисторы имеют высокое рабочее напряжение, что приводит к увеличению статических и динамических потерь в этих транзисторах и, соответственно, к снижению КПД генератора. Высокое рабочее напряжение IGBT транзисторов в сочетании с повышенной сложностью электронного коммутатора, содержащего 2⋅N силовых ключей (IGBT транзисторов), приводят к снижению надежности генератора.

Известен также трехфазный разнополюсный вентильный индукторный генератор, содержащий зубчатый безобмоточный ротор и статор, на зубцах сердечника которого размещены катушки трехфазной обмотки, соединенные в треугольник. Последовательно с фазами включены диоды, благодаря чему обмотка совмещает функции якорной (статорной) обмотки и обмотки возбуждения. При этом напряжение возбуждения подается на один из диодов (UA 98261 С2, 25.04.2012; Лущик В.Д. Вентильнi iндукторнi генератори радiального збуждения з сумiщеними обмотками. // Електротехнiка i Електромеханiка. - Харкiв: НТУ «Харкiвський полiтехнiчний iнститут», 2014, №6. - С. 47-49).

В этом индукторном генераторе используется отдельный источник тока возбуждения, соединенный с обмоткой статора. Это приводит к необходимости применения гальванически развязанного источника тока возбуждения, обеспечивающего необходимую (полную) мощность возбуждения. Такие источники тока реализуются в виде импульсных преобразователей с трансформаторным выходом, имеющих повышенные габаритные размеры и массу, а также потери энергии в трансформаторе и силовых полупроводниковых компонентах. Кроме того, токи протекающие в компонентах такого источника (за исключением выходного тока), не приводят к увеличению потока возбуждения генератора.

Кроме того в этом многофазном генераторе источник тока возбуждения подключен к диоду только одной фазы, что приводит к асимметрии генератора и, соответственно, к ухудшению его КПД и массогабаритных характеристик.

В итоге, к недостаткам известного индукторного генератора относятся его повышенная сложность и, соответственно, пониженная надежность, а также относительно невысокий КПД, повышенные габаритные размеры и масса.

Наиболее близким к предложенному является индукторный генератор с совмещенными обмотками обмотками возбуждения и статора, содержащий статор с явнополюсным сердечником и многофазной обмоткой, выполненной в виде зубцовых катушек, охватывающих полюса статора, источники тока возбуждения, выполненные в виде дополнительных витков или дополнительных катушек, размещенных вместе с зубцовыми катушками на полюсах статора, и безобмоточный ротор с зубчатым сердечником. Зубцовые катушки каждой фазы соединены между собой последовательно и/или параллельно и образуют обмотки фаз, которые соединены по схеме треугольника или многоугольника, причем в каждую из них последовательно согласованно включены диоды, параллельно которым подключены конденсаторы. Источники тока возбуждения через тиристоры или последовательно соединенные дополнительные диоды и транзисторные ключи подключены к диодам, включенным в фазные обмотки. Регулирование выходного напряжения генератора осуществляется путем формирования многофазных гальванически развязанных сигналов управления тиристорами или транзисторными ключами из условия увеличения или уменьшения тока возбуждения генератора, соответственно, при снижении или увеличении его выходного напряжения (RU 2658636 С1, 22.06.2018).

К недостаткам прототипа относится повышенная сложность конструкции и, соответственно, пониженная надежность генератора, вызванная наличием регулятора напряжения, формирующего многофазные гальванически развязанные сигналы управления тиристорами или транзисторными ключами. Другим недостатком этого индукторного генератора является пониженная точность поддержания выходного напряжения, что обусловлено подключением цепи обратной связи непосредственно к нагрузке со сглаживающим емкостным фильтром, а также отсутствием коррекции сигналов управления тиристорами или транзисторными ключами при изменении тока нагрузки генератора.

Из анализа аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания индукторного генератора с совмещенными обмотками возбуждения и статора (якоря), имеющего простую конструкцию и высокую точность поддержания выходного напряжения. Задачей изобретения является создание такого генератора.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является упрощение конструкции с соответствующим повышением надежности индукторного генератора с совмещенными обмотками и повышение точности поддержания его выходного напряжения.

Этот технический результат достигается за счет того, что индукторный генератор с совмещенными обмотками возбуждения и статора содержит статор с явнополюсным сердечником и многофазной обмоткой, выполненной в виде зубцовых катушек, охватывающих полюса статора, вращающийся безобмоточный ротор с зубчатым сердечником, закрепленным на его валу, диоды и конденсаторы, соединенные между собой параллельно и включенные последовательно согласованно с обмотками фаз, образованных путем последовательного и/или параллельного соединения зубцовых катушек, дополнительные витки зубцовых катушек или дополнительные катушки, размещенные на полюсах статора вместе с зубцовыми катушками, соединенные между собой последовательно и/или параллельно и образующие источники тока возбуждения, электронные ключи, проводящие ток в одном направлении и приспособленные для подключения источников тока возбуждения к диодам и конденсаторам, и регулятор выходного напряжения, приспособленный для управления электронными ключами. Обмотки фаз с диодами и конденсаторами соединены по схеме треугольника или многоугольника и подключены к нагрузке генератора непосредственно или через выпрямитель. Регулятор напряжения осуществляет одновременное формирование сигналов управления всеми электронными ключами и выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения генератора путем изменения соотношения между числом полупериодов тока, поступающего от источников тока возбуждения на параллельно соединенные диоды и конденсаторы через открытые электронные ключи, и числом полупериодов напряжения источников тока возбуждения, приложенных к закрытым электронным ключам.

Указанный технический результат достигается также при реализации признаков зависимых пунктов формулы изобретения, в частности за счет того, что:

- электронные ключи выполнены в виде тиристоров или последовательно соединенных дополнительных диодов и транзисторов;

- регулятор выходного напряжения генератора содержит по меньшей мере измерительный выпрямитель его выходного переменного напряжения, фильтр выходного напряжения указанного выпрямителя, микроконтроллер, формирующий сигналы управления электронными ключами, и усилитель (формирователь) этих сигналов;

- индукторный генератор дополнительно содержит датчик тока нагрузки, подключенный к регулятору его выходного напряжения, в частности, к микроконтроллеру, входящему в состав этого регулятора;

- регулятор выходного напряжения генератора содержит по меньшей мере измерительный выпрямитель его выходного переменного напряжения, фильтр выходного напряжения этого выпрямителя, устройство сравнения выходного напряжения фильтра с заданной величиной выходного напряжения генератора, интегратор, D-триггер, тактовый генератор, логическую схему И и усилитель сигналов управления электронными ключами, причем выход устройства сравнения через интегратор соединен с входом D триггера, выход которого соединен с первым входом логической схемы И, а выход тактового генератора соединен с входом синхронизации D-триггера и вторым входом логической схемы И, выход которой подключен к входу усилителя сигналов управления электронными ключами.

Реализация отличительных признаков независимого пункта формулы изобретения обеспечивает достижение указанного технического результата.

В частности, одновременное формирование сигналов управления всеми электронными ключами обеспечивает возможность реализации одноканального регулятора, причем независимо от числа фаз N генератора и числа электронных ключей. Исключение необходимости раздельного управления электронными ключами приводит к значительному упрощению и повышению надежности регулятора и генератора в целом. При этом одновременно повышается точность поддержания выходного напряжения за счет исключения погрешности многоканальных регуляторов, обусловленной асимметрией его отдельных каналов.

Регулятор, осуществляющий регулирование выходного напряжения генератора путем изменения соотношения между числом полупериодов тока, поступающего от источников тока возбуждения на параллельно соединенные диоды и конденсаторы через открытые электронные ключи, и числом полупериодов напряжения источников тока возбуждения, приложенных к закрытым электронным ключам, как показано ниже в описании изобретения, отличается предельной простотой, высокой надежностью и не требует применения датчика положения ротора. Поэтому реализация этого признака обеспечивает достижение указанного технического результата. При этом за счет исключения датчика положения ротора и, соответственно, влияния его погрешности на работу регулятора, повышается точность поддержания выходного напряжения генератора.

Реализация отличительных признаков зависимых пунктов формулы обеспечивает достижение этого же технического результата.

А именно, применение измерительного выпрямителя выходного переменного напряжения генератора приводит к упрощению и повышению надежности генератора за того, что этот выпрямитель имеет более простую и более надежную конструкцию по сравнению с традиционно применяющимися измерительными датчиками напряжения. Подключение этого выпрямителя до силового выпрямителя позволяет повысить точность поддержания выходного напряжения генератора в динамических режимах его работы, в частности, при резких изменениях тока нагрузки. Это обусловлено исключением влияния силового конденсатора фильтра выходного напряжения генератора C_F на результат измерения напряжения на его обмотках.

Применение датчика тока позволяет повысить жесткость выходной нагрузочной характеристики генератора, что обеспечивает повышение точности регулирования его выходного напряжения. В отдельных случаях применение датчика тока позволяет исключить цепи обратной связи по напряжению, что обеспечивает упрощение конструкции и повышение надежности генератора, поскольку в случае необходимости обеспечения гальванической развязки датчики тока по сравнению с датчиками напряжения имеют более простую и более надежную конструкцию.

Реализация схемы регулятора напряжения в соответствии с отличительными признаками другого зависимого пункта формулы, предусматривающими применение интегратора и D-триггера, позволяет создать предельно простую и надежную схему управления генератора, имеющую высокую помехоустойчивость, нулевую статическую погрешность поддержания выходного напряжения и высокую устойчивость регулирования, что также обеспечивает достижение указанного технического результата.

Влияние указанных и прочих отличительных признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения на достигаемый технический результат дополнительно показано при описании примеров реализации предложенного генератора.

На фиг. 1 в качестве примера приведена упрощенная схема трехфазного индукторного генератора с совмещенными обмотками и регулятором его выходного напряжения, реализованным на основе микроконтроллера. На фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая принцип формирования импульсов управления электронными ключами (тиристорами). На фиг. 3 - пример реализации регулятора выходного напряжения на аналоговых и цифровых логических микросхемах.

Под индукторным генератором в данном случае подразумевается синхронный генератор, у которой неподвижный статор выполняет функции якоря и индуктора, а процесс преобразования механической энергии вращающегося ротора в электрическую энергию обусловлен пульсациями магнитной индукции вследствие зубчатости ротора.

Этот генератор может называться также индукторным реактивным генератором, индукторным генератором с радиальным возбуждением или аксиальным возбуждением, индукторным разнополюсным генератором, вентильным индукторным генератором и т.д., а в англоязычной литературе - генератором с переменным магнитным сопротивлением: Switched Reluctance Generator (SRG).

Индукторный генератор с совмещенными обмотками возбуждения и статора (именуемый далее в тексте «генератор» или «индукторный генератор»), содержит корпус (внешнюю оболочку, станину, рубашку и т.п.) и подшипниковые щиты. Внутри корпуса размещены неподвижный статор с явнополюсным сердечником и N-фазной обмоткой, выполненной в виде зубцовых катушек 1 фаз U, V и W охватывающих каждый полюс статора, а также вращающийся безобмоточный ротор с зубчатым сердечником, закрепленным на его валу.

Генератор может также иметь бескорпусную конструкцию. Возможна его реализация как с радиальным, так и с аксиальным магнитным потоком (с дисковым ротором).

Сердечники статора и ротора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали. Полюса статора и зубцы сердечника ротора в радиальном или аксиальном направлении обращены друг к другу и разделены воздушным зазором.

У индукторного генератора, рассчитанного на работу с низкими скоростями вращения ротора, зубцовая зона, с целью повышения КПД и улучшения его массогабаритных характеристик, может быть выполнена гребенчатой.

На одном, на двух противоположных полюсах статора одной или каждой фазы, на всех полюсах статора, относящихся к каждой фазе, или на всех полюсах статора (Z₁) размещены дополнительные катушки 2 (U_E, V_E и W_E). Они соединены между собой последовательно и/или параллельно и образуют один или нескольких (от одного до N) источников тока возбуждения N-фазного индукторного генератора.

Вместо дополнительных катушек могут использоваться дополнительные витки, размещенные в зубцовых катушках статора.

Фазные обмотки (обмотки фаз) генератора образованы путем последовательного и/или параллельного соединения зубцовых катушек. Например, каждые две катушки, находящиеся на противоположно расположенных полюсах (зубцах) каждой фазы соединены между собой последовательно встречно, а образовавшиеся пара катушек - параллельно. Возможно также образование обмоток фаз путем параллельного или последовательного соединения всех катушек каждой фазы.

Эти обмотки одновременно используются в качестве обмоток возбуждения, т.е. обмотки статора совмещены с N обмотками возбуждения и согласованы между собой.

Чтобы иметь возможность пропустить ток возбуждения по обмоткам статора (якоря), его фазные обмотки U, V и W соединены по схеме треугольника или многоугольника (фиг. 1) через диоды 3, которые включены последовательно согласованно с этими обмотками.

Ток источника возбуждения подается по меньшей мере на один диод 3 в одной фазной обмотке. Этот ток, благодаря указанному соединению фазных обмоток, протекает по всем этим обмоткам (по всему контуру N-угольника).

С целью улучшения характеристик генератора, в том числе для уменьшения пульсаций его выходного напряжения, предпочтительной является симметричная схема возбуждения. В этом случае используется N источников тока возбуждения, которые подключены к N диодам 3, включенным последовательно с обмотками всех N фаз, как это показано на фиг. 1.

Параллельно диодам 3 подключены конденсаторы 4, которые генерируют реактивную энергию, необходимую для работы индукторного генератора в режиме возбуждения от собственных источников тока - от дополнительных обмоток (витков) 2 (U_E, V_E и W_E), т.е. при его работе в режиме самовозбуждения.

Для регулирования выходного напряжения генератора необходимо изменение тока его возбуждения. Поэтому дополнительные катушки 2 (U_E, V_E и W_E), использующиеся в качестве одного или нескольких источников тока возбуждения, подключены к диодам 3 и конденсаторам 4 через электронные ключи 5, проводящие ток в одном направлении. Они могут быть выполнены в виде триодных тиристоров, не проводящих ток в обратном направлении, или последовательно соединенных дополнительных диодов и транзисторов.

Транзисторы могут быть выполнены в виде одного или группы параллельно соединенных полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП - металл-окисел-полупроводник или МДП - металл-диэлектрик-полупроводник), а по англоязычной терминологии - MOS, MOSFET или МОСФЕТ (от сокращения словосочетаний: «Metal-Oxide-Semiconductor» (металл-окисел-полупроводник) и «Field-Effect-Transistors» (транзистор, управляемый электрическим полем) и их транскрипции, или биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) (анг. IGBT - Insulated-gate bipolar transistor) или биполярных транзисторов (БТ) (анг. BJT - Bipolar Junction Transistor). Их кристаллы размещены в отдельных корпусах или объединены в транзисторные модули.

Последовательность соединения дополнительных диодов и транзисторов (транзисторных модулей) может быть любой. Полярность включения всех диодов 3 и электронных ключей 5 (тиристоров или дополнительных диодов с транзисторами) может быть изменена на противоположную без нарушения работоспособности генератора.

При работе генератора максимальное обратное напряжение на диодах 3 и на электронных ключах 5 относительно невелико - существенно меньше выходного напряжения генератора U_EX. С учетом этого, с целью повышения КПД генератора, в качестве диодов 3 и дополнительных диодов в электронных ключах могут быть применены диоды с барьером Шоттки.

Конденсаторы 4 могут быть любого типа. Целесообразно применение керамических или пленочных конденсаторов, что позволяет повысить надежность генератора и улучшить его массогабаритные характеристики в силу более высокой удельной емкости конденсаторов этих типов.

Обмотки фаз 1 (U, V и W) с диодами 3 и конденсаторами 4 через силовой выпрямитель 6 подключены к выводным клеммам генератора и его нагрузке R_L. Сглаживание пульсаций выходного напряжения генератора осуществляется с помощью конденсатора C_F 7.

N-фазная полезная нагрузка генератора может быть также подключена непосредственно к его фазным обмоткам.

Для управления электронными ключами (тиристорами) 5 в состав генератора входит регулятор его выходного напряжения. Он может быть реализован на основе микроконтроллера 8 (фиг. 1) или аналоговых и цифровых логических микросхем (фиг. 3).

Регулятор имеет гальванически развязанные выходы, количество которых равно числу электронных ключей и по своей структуре является одноканальным, т.е. осуществляет одновременное формирование сигналов управления всеми электронными ключами 5 (формирование токов управляющих электродов тиристоров I_GT или напряжений на затворах транзисторов U_GT) независимо от их числа и числа фаз генератора N. Для обеспечения возможности формирования таких сигналов в состав регулятора входит усилитель 9 с оптоэлектронной развязкой или с трансформаторным выходом (фиг. 1).

В первом случае в усилителе используется, например, цифровой или МОП транзистор, коллектор или сток которого соединен со светодиодами транзисторных, тиристорных или симисторных оптопар, формирующих сигналы управления электронными ключами.

В частности, возможно применение симисторных оптронов серии МОСЗОХХ, обеспечивающих коммутацию тиристоров в момент перехода напряжения через ноль с соответствующим снижением коммутационных помех. Они имеют внутри корпуса узел синхронизации момента включения с нулем переменного напряжения (встроенную схему ZCC).

Возможно также применение симисторных оптронов без схемы ZCC.

Во втором случае в состав регулятора или его усилителя входит трансформатор 10, имеющий одну первичную обмотку, соединенную, например, с коллектором или стоком транзистора усилителя 9, и несколько вторичных обмоток (по числу электронных ключей). Возможно также применение двух или более трансформаторов 10. В этом случае суммарное количество вторичных обмоток этих трансформаторов равно числу электронных ключей, а их первичные обмотки объединены.

Согласование величин и полярностей напряжений на вторичных обмотках трансформатора (трансформаторов) 10 с полярностями и уровнями токов и напряжений, необходимых для управления электронными ключами (тиристорами, транзисторами) может осуществляться с помощью диодов и резисторов. Пример реализации такого согласования показан на фиг. 1.

Сигнал обратной связи формируется с помощью измерительного выпрямителя 11, выполняющего функции датчика выходного переменного напряжения на фазных обмотках генератора, и фильтра выходного напряжения этого выпрямителя, реализованного, в частности, в виде резистора 12 и конденсатора 13. На выходе фильтра, с целью согласования его выходного напряжения с рабочим диапазоном входных напряжений микроконтроллера (входа его АЦП) или аналоговой микросхемы, может быть установлен резистор 14, образующий совместно с резистором 12 делитель напряжения, а также ограничитель напряжения 15, обеспечивающий защиту регулятора напряжения от перенапряжений.

Если регулятор выходного напряжения генератора реализован без применения микроконтроллера, то схема, приведенная в качестве примера его реализации (фиг. 3), содержит сравнивающее устройство (устройство сравнения выходного напряжения фильтра с напряжением управления выходным напряжением генератора) 16, реализованное, например, на операционном усилителе, а также интегратор 17, тактовый генератор 18, D-триггер 19 и логическую схему И 20.

В этой схеме выход устройства сравнения 16 отфильтрованного напряжения обратной связи U_FB с заданным значением выходного напряжения генератора U_SET, соединен с входом D триггера 19 через интегратор 17. Выход тактового генератора 18 соединен с входом синхронизации D-триггера и первым входом логической схемы И, второй вход которой соединен с выходами D-триггера.

В регуляторе напряжения с помощью датчика тока 21, подключенного, в частности, к дополнительному входу микроконтроллера 8, может быть реализована дополнительная обратная связь по току, обеспечивающая повышение точности регулирования напряжения, либо реализован режим регулирования выходного напряжения генератора из условия стабилизации тока нагрузки генератора R_L.

Электрическое питание регулятора напряжения +U, -U осуществляется от отдельного маломощного источника питания или от низковольтного источника питания электромеханической трансмиссии, в которой используется генератор.

Генератор работает следующим образом.

После начала вращения ротора его остаточная намагниченность вызывает небольшую по величине ЭДС фазных обмотках U, V и W. В дополнительных обмотках (витках) U_E, V_E и W_E статора также возникает ЭДС, которая через открытые ключи 5 поступает на диоды 3. В результате этого по обмоткам фаз (по контуру треугольника или многоугольника) начинает протекать начальный ток возбуждения, который образует неподвижное магнитное поле возбуждения.

Начальный ток возбуждения может также формироваться с помощью дополнительного источника тока или напряжения, кратковременно подключаемого к одному из диодов 3 (на чертежах условно не показан).

При протекании тока возбуждения по зубцовым катушкам, зубцы (полюса) статора приобретают намагниченность противоположной полярности. Их магнитные потоки зависят не только от магнитодвижущей силы (МДС), но и от их положения относительно зубцов ротора. При вращении ротора связь магнитного потока с зубцовыми катушками статора изменяется во времени с частотой f, которая зависит от скорости вращения n и числа зубцов ротора Z₂, f=n⋅Z₂.

Как следствие, в зубцовых катушках и, соответственно, в обмотках фаз индуцируется симметричная многофазная ЭДС. Поскольку ЭДС отдельных фаз генератора смещены друг относительно друга на угол 120° (при N=3), суммарная ЭДС, которая прикладывается к диодам 3 и конденсаторам 4, равна нулю.

Одновременно в дополнительных катушках (витках) 2 (U_E, V_E и W_E), образующих источники тока возбуждения, возникает ЭДС. Она выпрямляется электронными ключами (тиристорами) 5 и подается на диоды 3, усиливая ток обмотки возбуждения и, соответственно, создавая дополнительную МДС возбуждения.

ЭДС с фазных обмоток через многофазный двухполупериодный силовой выпрямитель 6 подается на емкостный фильтр C_F и далее на выходные клеммы генератора и на его полезную нагрузку R_L.

При этом в фазных обмотках протекают однополупериодные токи нагрузки, МДС которых в зубцах статора совпадает с МДС тока возбуждения, т.е. ток нагрузки увеличивает поток возбуждения. Это приводит к улучшению КПД и массогабаритных характеристик генератора. Одновременно наличие указанной внутренней положительной связи по току нагрузки способствует компенсации реакции якоря, что приводит к повышению жесткости внешней характеристики генератора.

Конденсаторы 4 в генераторе выполняют роль источника реактивной энергии. В результате их присоединении к диодам 3 в обмотках фаз U, V и W возникают емкостные токи. Они создают магнитные потоки, которые во время нахождения зубцов ротора под зубцами статора увеличивают магнитные потоки и уменьшает эти потоки, когда зубцы статора находятся против пазов ротора, увеличивая тем самым величину изменений магнитных потоков в полюсах (зубцах) статора.

Регулятор выходного напряжения генератора формирует сигналы управления электронными ключами 5 (токи управляющих электродов тиристоров I_GT или напряжения на затворах транзисторов U_GT) из условия увеличения или уменьшения тока возбуждения генератора, соответственно, при снижении или увеличении выходного напряжения генератора U_EX относительно предварительно установленной величины U_SET.

При этом может либо задаваться общий период сигналов широтно-импульсного регулирования Т и изменяться их коэффициент заполнения (фиг. 2), либо регулирование может осуществляться без формирования общего периода Т, как это реализовано в схеме, показанной на фиг. 3.

Регулятор выходного напряжения осуществляет формирование сигналов управления одновременно всеми электронными ключами, в частности, тиристорами, и реализован по принципу изменения соотношения между числом полупериодов тока, поступающего от источников тока возбуждения на параллельно соединенные диоды 3 и конденсаторы 4 через открытые электронные ключи (тиристоры) 5, и числом полупериодов напряжения источников тока возбуждения, приложенных к закрытым электронным ключам (тиристорам).

Импульсы управления электронными ключами, с целью упрощения конструкции и повышения надежности генератора, могут формироваться без синхронизации с напряжением на обмотках U_E, V_E и W_E.

При реализации регулятора на основе микроконтроллера 5 алгоритм регулирования определяется программой микроконтроллера. В этом случае частота формирования импульсов управления электронными ключами U_M и общий период Т сигналов широтно-импульсного регулирования U_PW (фиг. 2) определяется частотой внутреннего тактового генератора микроконтроллера и его программой. Отфильтрованный сигнал обратной связи U_FS и сигнал, задающий выходное напряжение генератора U_SET, подаются на входы АЦП микроконтроллера. Микроконтроллер, работая по программе, записанной в его энергонезависимой памяти, сравнивает эти сигналы и в соответствии с результатами этого сравнения регулирует скважность импульсов широтно-импульсного регулирования тока возбуждения генератора. Внутри положительного импульса этого периода U_PW (фиг. 2) формируется напряжение управления транзисторами электронных ключей, либо периодические импульсы напряжения U_M, преобразуемые усилителем 9 в короткие импульсы тока управления тиристорами. При этом, с целью исключения необходимости синхронизации импульсов управления тиристоров с моментами перехода через ноль напряжений на обмотках U_E, V_E и W_E, и соответствующего упрощения генератора, импульсы управления тиристорами формируются с частотой, существенно превышающей частоту напряжения на этих обмотках. Например, от 3-х до 10-ти раз.

Реализация указанного алгоритма обеспечивает регулирование тока возбуждения генератора из условия поддержания его выходного напряжения на заданном уровне U_SET.

Во время работы генератора микроконтроллер дополнительно реализует функции защиты генератора от перегрева, перенапряжений и перегрузки, в том числе при коротких замыканиях и обрыве нагрузки R_L. Для реализации такой защиты в состав генератора входят различные дополнительные датчики (температуры обмоток, охлаждающей жидкости и т.д.), условно не показанные на чертеже.

Применение датчика тока 21 обеспечивает повышение жесткости выходной нагрузочной характеристики генератора. В этом случае, например, экспериментально снимается зависимость выходного напряжения генератора от тока нагрузки, определяются коэффициенты коррекции скважности импульсов широтно-импульсного регулирования и записываются в энергонезависимую память микроконтроллера, реализующего эту коррекцию программно.

В случае реализации регулятора напряжения без микроконтроллера (фиг. 3), на выходе устройства сравнения выходного напряжения фильтра с напряжением управления генератором U_SET, равным или пропорциональным заданной величине выходного напряжения генератора, формируется разность этих напряжений, в общем случае с определенным коэффициентом усиления. Эта разность интегрируется интегратором 17 и поступает на вход D триггера 19, который пропускает на вход схемы И 20 импульсы тактового генератора 18 в том случае, если напряжение на его входе D превышает уровень логической единицы. Импульсы тактового генератора с выхода схемы И поступают на усилитель 9 и далее на тиристоры 5.

Прочие особенности работы предложенного индукторного генератора и регулятора его выходного напряжения не требуют пояснений, поскольку понятны из чертежей и научно-технической литературы.

Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов индукторного генератора с совмещенными обмотками возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к синхронным реактивным электрическим генераторам. Технический результат состоит в упрощении конструкции с соответствующим повышением надежности генератора и повышении точности поддержания его выходного напряжения. Индукторный генератор с совмещенными обмотками содержит статор с явнополюсным сердечником и многофазной обмоткой, выполненной в виде зубцовых катушек, охватывающих полюса статора. Источники тока возбуждения выполнены в виде дополнительных витков или дополнительных катушек, размещенных вместе с зубцовыми катушками на полюсах статора. Безобмоточный ротор с зубчатым сердечником. Зубцовые катушки образуют обмотки фаз, соединенные между собой по схеме треугольника или многоугольника. В каждую из них последовательно согласованно включены диоды, параллельно которым подключены конденсаторы. Источники тока возбуждения через электронные ключи, предпочтительно тиристоры, подключены к диодам, включенным в фазные обмотки. Регулятор выходного напряжения генератора реализован на основе микроконтроллера или аналоговых и цифровых логических микросхем. Регулятор осуществляет одновременное формирование сигналов управления всеми электронными ключами (тиристорами). Также он обеспечивает регулирование выходного напряжения генератора путем изменения соотношения между числом полупериодов тока, поступающего от источников тока возбуждения на параллельно соединенные диоды и конденсаторы через открытые электронные ключи, и числом полупериодов напряжения источников тока возбуждения, приложенных к закрытым электронным ключам. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Индукторный генератор с совмещенными обмотками возбуждения и статора, содержащий статор с явнополюсным сердечником и многофазной обмоткой, выполненной в виде зубцовых катушек, охватывающих полюса статора, вращающийся безобмоточный ротор с зубчатым сердечником, закрепленным на его валу, диоды и конденсаторы, соединенные между собой параллельно и включенные последовательно согласованно с обмотками фаз, образованных путем последовательного и/или параллельного соединения зубцовых катушек, дополнительные витки зубцовых катушек или дополнительные катушки, размещенные на полюсах статора вместе с зубцовыми катушками, соединенные между собой последовательно и/или параллельно и образующие источники тока возбуждения, электронные ключи, проводящие ток в одном направлении и приспособленные для подключения источников тока возбуждения к диодам и конденсаторам, регулятор выходного напряжения генератора, выполненный с возможностью управления электронными ключами, причем обмотки фаз с диодами и конденсаторами соединены по схеме треугольника или многоугольника и подключены к нагрузке генератора непосредственно или через выпрямитель, отличающийся тем, что регулятор выходного напряжения генератора приспособлен для одновременного формирования сигналов управления всеми электронными ключами и выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения генератора путем изменения соотношения между числом полупериодов тока, поступающего от источников тока возбуждения на параллельно соединенные диоды и конденсаторы через открытые электронные ключи, и числом полупериодов напряжения источников тока возбуждения, приложенных к закрытым электронным ключам.

2. Индукторный генератор по п. 1, отличающийся тем, что электронные ключи выполнены в виде тиристоров или последовательно соединенных дополнительных диодов и транзисторов.

3. Индукторный генератор по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит датчик тока нагрузки, подключенный к регулятору выходного напряжения генератора.

4. Индукторный генератор по п. 1, отличающийся тем, что регулятор выходного напряжения генератора содержит по меньшей мере измерительный выпрямитель его выходного переменного напряжения, фильтр выходного напряжения этого выпрямителя, микроконтроллер, приспособленный для формирования сигналов управления электронными ключами, и усилитель этих сигналов.

5. Индукторный генератор по п. 3 или 4, отличающийся тем, что датчик тока подключен к входу микроконтроллера.

6. Индукторный генератор по п. 1, отличающийся тем, что регулятор выходного напряжения генератора содержит по меньшей мере измерительный выпрямитель его выходного переменного напряжения, фильтр выходного напряжения этого выпрямителя, устройство сравнения выходного напряжения фильтра с заданной величиной выходного напряжения генератора, интегратор, D-триггер, тактовый генератор, логическую схему И и усилитель сигналов управления электронными ключами, причем выход устройства сравнения через интегратор соединен с входом D триггера, выход которого соединен с первым входом логической схемы И, а выход тактового генератора соединен с входом синхронизации D-триггера и вторым входом логической схемы И, выход которой подключен к входу усилителя сигналов управления электронными ключами.