Стабилизированный по напряжению генератор на основе асинхронной машины с короткозамкнутой роторной обмоткой Российский патент 2019 года по МПК H02J3/12 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении машинно-электронных генерирующих систем постоянного (МЭГС-1) или переменного (МЭГС-2) тока при переменной частоте вращения приводного вала.

Известно решение, в котором преобразование механической энергии в электрическую энергию осуществляется на основе асинхронной машины (AM) с короткозамкнутым ротором (КЗР) и подключением к якорной обмотке (ЯО) AM конденсаторов самовозбуждения (КСВ) с нерегулируемой емкостью и управляемых дросселей насыщения с блоком управления (см. ст. 88, рис. 36 в книге: Торопцев Н.Д. Авиационные генераторы. - М.: «Транспорт», 1970. - 204 с.). Изменением индуктивности дросселей регулируется результирующее емкостное сопротивление относительно напряжения AM.

Недостаток этого решения заключается в пониженной его энергоэффективности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является решение, описанное на стр. 92, рис. 40 в книге: Торопцев Н.Д. Авиационные генераторы. - М.: «Транспорт», 1970. - 204 с., где для возбуждения асинхронной машины (AM) используются два блока конденсаторов самовозбуждения (КСВ). Первый блок базовых конденсаторов (ББКСВ) с нерегулируемой (минимально необходимой) линейной емкостью и второй блок КСВ с регулируемой (нелинейной) емкостью (БРКСВ). Оба блока КСВ подключаются к ЯО AM. Для изменения результирующей емкости (относительно напряжения якорной обмотке (ЯО) AM) в БРКСВ в качестве нелинейных конденсаторов используются вариконды. Требуемое изменение их емкости осуществляется блоком управления (БУ), который содержит контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению в виде последовательно включенных чувствительного элемента и усилителя напряжения постоянного тока. Своим входом КООС подключен к ЯО AM, а выходом через резисторы к варикондам. КООС обеспечивает изменение уровня прикладываемого к варикондам управляющего напряжения постоянного тока при возмущающих воздействиях по частоте вращения вала AM и по нагрузке.

Основной недостаток этого решения заключается в ограниченной области использования этого решения по мощности.

Технической задачей является расширение области использования стабилизированного по напряжению асинхронного генератора по диапазону мощности при улучшении его энергетических показателях.

Технический результат изобретения заключается в улучшении энергоэффективности устройства.

Это достигается тем, что известный стабилизированный по напряжению генератор на основе асинхронной машины с короткозамкнутой роторной обмоткой, содержащий, подключенные к его выходным выводам блок базовых конденсаторов самовозбуждения (ББКСВ) и блок регулируемых конденсаторов (БРКСВ) с блоком управления (БУ), включающий в себя контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению, БРКСВ содержит линейные конденсаторы с нерегулируемой емкостью (КНРЕ) и силовой выпрямительный мост (СВМ) с транзистором, включенным в цепи его постоянного тока, управляющий вход которого подключен к выходу БУ, включающему в себя модулятор ширины импульсов (МШИ) с управляющим входом, подключенным к выходу КООС, а КНРЕ включены между входными выводами СВМ и выводами ЯО AM.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где приведена схема стабилизированного по напряжению генератора на основе асинхронной машины с короткозамкнутой роторной обмоткой.

Стабилизированный по напряжению генератор на основе асинхронной машины 1 с короткозамкнутой роторной обмоткой и с выходными выводами ее якорной обмотки (ЯО), содержит базовый блок нерегулируемых конденсаторов самовозбуждения (ББКСВ) 2, подключенный к выходным выводам 1.A, 1.B, 1.C ЯО, блок регулируемых конденсаторов самовозбуждения (БРКСВ) 3, который включает в себя выпрямительный мост 3.1, с транзистором 3.2 в цепи его постоянного тока, драйвер 3.3 на входе транзистора 3.2, а также группу линейных конденсаторов 3.4 с нерегулируемой емкостью, включенную между входными выводами выпрямительного моста 3.1 и выходными выводами ЯО 1.A, 1.B, 1.С, блок управления (БУ) 4, который выполнен в виде последовательно включенных контура отрицательной обратной связи (КООС) 5 и модулятора ширины импульсов (МШИ) 6. КООС 5 выполнен в виде датчика напряжения (ДН) 5.1 переменного тока AM U_AM, выполненный, например, в виде выпрямителя с устройством понижения уровня напряжения (например, резистивного делителя), задатчика напряжения уставки U₀ 5.2, узла сравнения (вычитания) напряжений U_AM и U₀ 5.3, усилителя «ошибки» регулирования ΔU=(U_AM-U₀) 5.4 и сумматора двух сигналов U₀ и ΔU 5.5, который является выходом КООС 5. МШИ 6 содержит генератор пилообразного напряжения (ГПН) 6.1 и компаратор 6.2, один вход которого подключен к выходу ГПН 6.1, а второй - к выходу КООС 5. Для электропитания БУ используется блок питания внутренних нужд (ИПВН) 7, своим входом подключаемый к выводам ЯО AM. К этим же выводам 1.А, 1.B, 1.С ЯО AM подключается нагрузка 8.

Стабилизированный по напряжению генератор на основе асинхронной машины с короткозамкнутой роторной обмоткой работает следующим образом.

В режиме холостого хода (XX) самовозбуждение AM обеспечивает только ББКСВ 2. При подключении нагрузки напряжение AM начинает понижаться. Для поддержания его на заданном уровне начинает периодически с определенной частотой и требуемой скважностью включаться транзистор 3.2, который обеспечивает подключение КСВ БРКСВ 3.4 и за счет соответствующего изменения скважности работы увеличивает емкостной ток в ЯО AM до момента достижения напряжения AM заданного уровня. Этот процесс выполняется автоматически благодаря действию КООС 5. Отклонение (иначе «ошибка» регулирования) ΔU напряжения U_AM от заданного уровня U₀ определяется в узле сравнения 5.3, усиливается в усилителе 5.4, а затем суммируется в сумматоре 5.4 с заданным уровнем U₀ и подается на вход компаратора 6.2, а с его выхода поступает на вход драйвера 3.3 транзистора 3.2. Скважность работы транзистора в этом случае (с ростом тока нагрузки) уменьшается, т.е. время включенного состояния транзистора увеличивается, емкостная составляющая тока от блока БРКСВ 3 возрастает, и напряжение AM увеличивается. В переходном процессе стабилизации «ошибка» ΔU стремится к нулю, и напряжение U_AM стремится к заданному уровню, определяемому напряжением уставки U₀.

Стабилизация напряжения в AM при понижении частоты вращения AM осуществляется аналогичным образом. При понижении тока нагрузки, также как и при увеличении частоты вращения вала AM, регулирование осуществляется уже по обратной логике. Поскольку напряжение AM в этом случае повышается, то КООС действует в направлении уменьшения емкостной составляющей тока. Это достигается увеличением скважности работы транзистора 3.2, то есть уменьшением интервала включенного его состояния на периоде частоты его переключения - ƒ_k. Значение этой частоты выбирают большей частоты напряжения AM и кратной ей.

Использование изобретения позволяет значительно (от одного до двух порядков и более) расширить диапазон использования изобретения по мощности и повысить энергоэффективность.

Стабилизированный по напряжению генератор на основе асинхронной машины с короткозамкнутой роторной обмоткой относится к области электротехники и может быть использован при построении машинно-электронных генерирующих систем постоянного (МЭГС-1) или переменного (МЭГС-2) тока при переменной частоте вращения приводного вала, генератор содержит базовый блок нерегулируемых конденсаторов самовозбуждения (ББКСВ) (2), подключенный к выходным выводам (1.A, 1.B, 1.С) якорной обмотки (ЯО), блок регулируемых конденсаторов самовозбуждения (БРКСВ) (3), который включает в себя выпрямительный мост (3.1), с транзистором (3.2) в цепи его постоянного тока, драйвер (3.3) на входе транзистора (3.2), а также группу линейных конденсаторов (3.4) с нерегулируемой емкостью, включенную между входными выводами выпрямительного моста (3.1) и выходными выводами ЯО (1.А, 1.В, 1.С), блок управления (БУ) 4, который выполнен в виде последовательно включенных контура отрицательной обратной связи (КООС) (5) и модулятора ширины импульсов (МШИ) (6). КООС (5) выполнен в виде датчика напряжения (ДН) (5.1) переменного тока AM U_AM, выполненный, например, в виде выпрямителя с устройством понижения уровня напряжения (например, резистивного делителя), задатчика напряжения уставки U₀ (5.2), узла сравнения (вычитания) напряжений U_AM и U₀ (5.3), усилителя «ошибки» регулирования ΔU=(U_AM-U₀) (5.4) и сумматора двух сигналов U₀ и ΔU (5.5), который является выходом КООС (5). МШИ (6) содержит генератор пилообразного напряжения (ГПН) (6.1) и компаратор (6.2), один вход которого подключен к выходу ГПН (6.1), а второй - к выходу КООС (5). Для электропитания БУ используется блок питания внутренних нужд (ИПВН) (7), своим входом подключаемый к выводам ЯО AM. К этим же выводам (1.A, 1.B, 1.С) ЯО AM подключается нагрузка 8. 1 ил.

Стабилизированный по напряжению генератор на основе асинхронной машины (АМ) с короткозамкнутой роторной обмоткой, содержащий подключенные к его выходным выводам блок базовых конденсаторов самовозбуждения (ББКСВ) и блок регулируемых конденсаторов (БРКСВ) с блоком управления (БУ), включающий в себя контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению, отличающийся тем, что БРКСВ содержит линейные конденсаторы с нерегулируемой емкостью (КНРЕ) и силовой выпрямительный мост (СВМ) с транзистором, включенным в цепи его постоянного тока, управляющий вход которого подключен к выходу БУ, включающему в себя модулятор ширины импульсов (МШИ) с управляющим входом, подключенным к выходу КООС, а КНРЕ включены между входными выводами СВМ и выводами якорной обмотки AM.