Стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор Российский патент 2021 года по МПК H02P9/02 

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к области электрических генераторов с переменной частотой вращения вала и может быть использовано в малой энергетике, а также при построении вентильных генераторов для систем электропитания автономных объектов, например, для летательных аппаратов, где требуются высокая энергетическая эффективность, бесконтактность и минимально возможная масса и габариты.

В принципе известны регулируемые по напряжению бесконтактные машинно-электронные генерирующие системы (МЭГС) с выходным напряжением постоянного тока, в общем случае обозначаемые как МЭГС-1, которые могут выполняться, например, на основе синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов (кратко обозначаемой как магнитоэлектрический генератор - МЭГ) и выпрямительного блока (ВБ). Совокупность МЭГ и ВБ обозначается также как вентильный генератор (ВМЭГ), представляющий собой частный случай МЭГС-1.

Известен вентильный магнитоэлектрический генератор (описан на стр. 279 в статье Комлева И.В. Регулируемый магнитоэлектрический вентильный генератор / Труды н/т-й конф. «Электрификация летательных аппаратов», посвященная 125-летию академика В.С. Кулебакина. Москва, 1 ноября 2016 г. ИД Академии Жуковского, 2016. - 322 с.), которое выполнено в виде последовательно соединенных бесконтактного 9 фазного МЭГ и управляемого выпрямительного блока (УВБ), который выполнен на тиристорах. С целью стабилизации напряжения МЭГС-1 управление УВБ осуществляется традиционным фазовым способом с помощью блока управления (БУ).

Недостатком этого решения является повышенная сложность как самого МЭГ, так и УВБ (содержащего 18 тиристоров), также недостаточно высокая его помехоустойчивость. Кроме того, входной коэффициент мощности УВБ сильно понижается с ростом угла регулирования тиристоров, что при стабилизации выходного напряжения МЭГС-1 в режиме максимальной частоты вращения вала приводит к увеличению проектно необходимой габаритной мощности МЭГ, то есть к ухудшению его массогабаритных и энергетических показателей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор (патент РФ №2726950, публ. 17.07.2020, МПК Н02Р 9/02), который содержит последовательно соединенные трехфазный МЭГ и трехфазный ВБ, который выполнен в виде одной трехфазной анодной группы диодов и двух (сдвоенных) катодных групп диодов, а также реверсивный вольтодобавочный канал (РВДК), который выполнен в виде однофазного инвертора напряжения (ОИН), к выходу которого подключена первичная обмотка трансформатора, его вторичная обмотка выполнена со средней точкой, а каждый из ее концов через транзистор РВДК подключен к соответствующей точке соединения катодов одной из двух катодных групп. Между средней точкой вторичной обмотки и точкой соединения анодов анодной группы включен Г образный LC фильтр, причем обкладки конденсатора фильтра образуют выходные выводы ВМЭГ, к которым подключена также и цепь питания ОИН. Управление транзисторами РВДК и ОИН обеспечивается специальным блоком управления (БУ), который в зависимости от частоты вращения вала реализует или режим вольтодобавки (ВД) или режим вольтовычитания (ВВ).

Недостатком данного технического решения является наличие транзисторов в силовой цепи РВДК, которые ухудшают энергетику ВМЭГ, а также достаточная сложность БУ, который обеспечивает или режим ВД, или режим ВВ.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение энергетических показателей стабилизированного по напряжению вентильного магнитоэлектрического генератора.

Технический результат изобретения заключается в повышении КПД и функциональной надежности вентильного магнитоэлектрического генератора, упрощении его конструкции, улучшении технологичности и удешевлении процесса его изготовления.

Это достигается тем, что известный стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор, содержащий последовательно соединенные трехфазный магнитоэлектрический генератор с изменяющейся частотой вращения приводного вала в диапазоне от n_min до n_max и выпрямительный блок, выполненный по трехфазной мостовой схеме в виде трехфазных анодной группы диодов и сдвоенных первой и второй катодных групп диодов, а также вольтодобавочный канал, блок управления, источник питания внутренних нужд, первый и второй выходные выводы вентильного магнитоэлектрического генератора, при этом вольтодобавочный канал выполнен в виде однофазного инвертора напряжения, который в свою очередь выполнен по полумостовой схеме на транзисторах, зашунтированных диодами и с делителем напряжения на конденсаторах, причем к выходу однофазного инвертора напряжения подключена первичная обмотка трансформатора напряжения, выполненного с двумя последовательно соединенными вторичными полуобмотками, точка соединения которых образует один выходной вывод вольтодобавочного канала, выполненный с возможностью подключения к первому выходному выводу вентильного магнитоэлектрического генератора, причем второй выходной вывод вентильного магнитоэлектрического генератора является другим выходным выводом вольтодобавочного канала и образован точкой соединения анодов анодной группы диодов, шины питания однофазного инвертора напряжения подключены к выходным выводам вентильного магнитоэлектрического генератора, которые выполнены с возможностью подключения нагрузки, блок управления выполнен в виде задатчика опорного напряжения U₀, датчика выходного напряжения вентильного магнитоэлектрического генератора U_d, первый вход которого соединен с первым выходным выводом вентильного магнитоэлектрического генератора, а второй вход соединен со вторым выходным выводом вентильного магнитоэлектрического генератора, причем его выход соединен с первым входом узла сравнения сигналов, ко второму входу которого подключен первый выход задатчика опорного напряжения U₀, выход узла сравнения сигналов соединен со входом узла усиления сигнала ΔU_d, выход которого подключен к первому входу узла суммирования сигналов, второй вход которого соединен с со вторым выходом задатчика опорного напряжения U₀, к выходу узла суммирования сигналов последовательно подсоединены модулятор ширины импульсов, логический узел и узел драйверов, выходы которого выполнены с возможностью подключения к управляющим входам транзисторов, источник питания внутренних нужд подключен к выходным выводам трехфазного магнитоэлектрического генератора, при этом концы первой и второй вторичных полуобмоток трансформатора напряжения подключены между первой и второй катодными группами диодов выпрямительного блока, логический узел блока управления выполнен с возможностью реализации режима вольтодобавки в области от n_min до n_max. При этом в случае недостаточной индуктивности трехфазного магнитоэлектрического генератора между точкой соединения первой и второй вторичных полуобмоток трансформатора напряжения и первым выходным выводом вентильного магнитоэлектрического генератора включен дроссель, между указанной точкой и вторым выходным выводом вентильного магнитоэлектрического генератора подключен первый фильтровый конденсатор, а между первым и вторым выходными выводами вентильного магнитоэлектрического генератора подключен второй фильтровый конденсатор.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема стабилизированного по напряжению вентильного магнитоэлектрического генератора, на фиг. 2 изображены скоростные характеристики МЭГ: U*_МЭГ=ƒ(n) и ВДК U*_ВДК=ƒ(n) - зависимости их выходного напряжения (в относительных единицах).

Стабилизированный по напряжению вентильный

магнитоэлектрический генератор (ВМЭГ) содержит последовательно соединенные трехфазный магнитоэлектрический генератор (МЭГ) 1 с изменяющейся частотой вращения приводного вала в диапазоне от n_min до n_max и выпрямительный блок (ВБ), выполненный по трехфазной мостовой схеме в виде трехфазных анодной группы диодов 2 и сдвоенных первой 3 и второй 4 катодных групп диодов (образуя силовую часть ВБ ВМЭГ), а также вольтодобавочный канал (ВДК), выполненный в виде однофазного инвертора напряжения (ОИН) 5, который в свою очередь выполнен по полумостовой схеме на транзисторах - 6, 7, зашунтированных диодами 8, 9 и с делителем напряжения на конденсаторах 10, 11.

К выходу ОИН 5 подключена первичная обмотка 12 трансформатора напряжения 13, первая - 14 и вторая - 15 вторичные полуобмотки которого соединены последовательно в точке 16 и подключены между первой 3 и второй 4 катодными группами диодов выпрямительного блока. Точка 16 соединения первой 14 и второй 15 вторичных полуобмоток трансформатора напряжения 13 образует первый выходной вывод ВДК, выполненный с возможностью подключения к первому выходному (положительному) выводу ВМЭГ 17. Второй выходной вывод ВДК является вторым выходным (отрицательным) выводом ВМЭГ 18 и образован точкой соединения анодов анодной группы диодов 2. Первый 17 и второй 18 выходные выводы ВМЭГ выполнены с возможностью подключения нагрузки 19. Шины питания ОИН 5 подключены к первому 17 и второму 18 выходным выводам ВМЭГ.

В случае недостаточной индуктивности МЭГ 1, между точкой 16 соединения первой 14 и второй 15 вторичных полуобмоток трансформатора напряжения 13 и первым выходным выводом ВМЭГ 17 включен дроссель 20, между указанной точкой 16 и вторым выходным выводом ВМЭГ 18 подключен первый фильтровый конденсатор 21, а между первым 17 и вторым 18 выходными выводами ВМЭГ подключен второй фильтровый конденсатор 22.

ВМЭГ также содержит блок управления (БУ) 23, выполненный в виде задатчика опорного напряжения U₀ 24, датчика выходного напряжения ВМЭГ U_d 25, первый вход которого соединен с первым выходным выводом ВМЭГ 17, а второй вход соединен со вторым выходным выводом ВМЭГ 18, причем его выход соединен с первым входом узла сравнения сигналов 26, ко второму входу которого подключен первый выход задатчика опорного напряжения U₀ 24. Выход узла сравнения сигналов 26 соединен со входом узла усиления сигнала ΔU_d 27, выход которого подключен к первому входу узла суммирования сигналов 28, второй вход которого соединен с со вторым выходом задатчика опорного напряжения U₀ 24. К выходу узла суммирования сигналов 28 последовательно подсоединены модулятор ширины импульсов (МШИ) 29, логический узел 30 и узел драйверов 31, выходы которого выполнены с возможностью подключения к управляющим входам транзисторов 6, 7. Логический узел 30 блока управления 23 выполнен с возможностью реализации исключительно режима вольтодобавки (ВД) в области от n_min до n_max.

К выходным выводам МЭГ «А», «В», «С» подключен источник питания внутренних нужд 32 для обеспечения электропитания всех узлов блока управления 23. ОИН 5 может быть выполнен по мостовой схеме.

Стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор работает следующим образом.

Для понимания логики работы устройства удобно воспользоваться графиками, представленными на рис. 2, где представлены зависимости выходных напряжений МЭГ 1 и ВДК в функции частоты вращения вала. В процессе разгона МЭГ 1 его выходное напряжение - U*_МЭГ=ƒ(n) линейно нарастает по линии 0h₂, а напряжение ВДК - U*_ВДК=ƒ(n) снимаемое с первой 14 и второй 15 вторичных полуобмоток трансформатора напряжения 13, нарастает по линии 0р₂ (фиг. 2). Стабилизированное напряжение постоянного тока - U*_d0 на первом 17 и втором 18 выходных выводах ВМЭГ появляется, начиная с частоты вращения вала n_min=6000 об/мин. Это напряжение здесь равно сумме значений напряжений МЭГ 1 и ВДК:

Согласно графику на фиг. 2 это равенство эквивалентно сумме отрезков:

С ростом частоты вращения вала это равенство сохраняется, но значения двух слагаемых в правой части формулы (1) изменяются следующим образом: напряжение U*_МЭГ линейно нарастает, а напряжение

U*_ВДК линейно убывает, что обеспечивается блоком управления 23, который изменяет его по заданному линейному закону путем автоматической стабилизации выходного напряжения U*_d0 МЭГ 1 по принципу отклонения его от заданного уровня. То есть блок управления 23 представляет собой контур отрицательной обратной связи (КООС) по выходному напряжению ВМЭГ. Задатчик опорного напряжения U₀ 24 блока управления 23 измеряет выходное напряжение U*_d0, формирует нормированный сигнал {U*_d0}, в узле сравнения сигналов 26 сравнивает его с заданным опорным напряжением U₀ (формируемым в задатчике опорного напряжения ВМЭГ U_d0 24), далее выделенная в узле сравнения сигналов 26 разность этих сигналов ΔU_0d усиливается в k раз в узле усиления сигнала ΔU_d 27, который формирует сигнал kΔU_0d, затем сигналы U₀ и kΔU_0d суммируют в узле суммирования сигналов 28, образуя сигнал U_у:

U_y=U₀+kΔU_0d,

который подается на вход модулятора ширины импульсов (МШИ) 29. Он формирует импульсы управления транзисторами 6, 7 так, что при знаке «+» у сигнала ΔU_0d длительность этих импульсов уменьшается, а при знаке «-» увеличивается. В результате постоянная составляющая напряжения U_d0 стабилизируется на заданном уровне со статической ошибкой, определяемой коэффициентом усиления k узла усиления сигнала ΔU_d 27.

Экспериментально установлено, что расчетная мощность МЭГ согласно изобретению такая же, как в устройстве-прототипе. При этом измененная топология силовой части предлагаемого изобретения по отношению к прототипу (вторичные полуобмотки 14, 15 трансформатора напряжения 13 подключены к катодным группам 3, 4 непосредственно, а не через транзисторы) позволила существенно уменьшить массу ВДК и заметно повысить КПД ВМЭГ. Кроме того, при значении индуктивности МЭГ 1, обеспечивающей непрерывный характер фазного тока в схеме предусмотрена возможность исключения дросселя 20 и фильтровых конденсаторов 21, 22, что обеспечивает еще большее упрощение и снижение массы ВМЭГ. Исключение из топологии силовой части ВМЭГ двух транзисторов позволило также упростить блок управления 23 за счет исключения из логического узла 30 функции выявления двух режимов - режимов ниже и выше синхронной частоты вращения вала МЭГ. Несмотря на некоторое (примерно в 1,5 раза) увеличение мощности ВДК по сравнению с прототипом, его масса осталась практически той же за счет исключения из силовой цепи транзисторов (с радиаторами) на полный ток нагрузки.

Нужно также заметить, что масса ВДК во многом определяется массой высокочастотного трансформатора ОИН. Его удельный показатель, например, на частоте 30 кГц (без принудительного охлаждения) не хуже примерно 0,3 кг/кВА, что, по крайней мере, в области рассматриваемых частот вращения вала примерно на порядок меньше, чем у собственно МЭГ. В итоге ВМЭГ согласно изобретению превосходит по массогабаритному показателю не только прототип, но и известные аналоги.

Использование изобретения позволяет при тех же массогабаритных показателях, что и в прототипе, повысить функциональную надежность и КПД вентильного магнитоэлектрического генератора, упростить его конструкцию, улучшить технологичность и удешевить процесс его изготовления.

Изобретение относится к области электротехники и направлено на повышение КПД и функциональной надежности вентильного магнитоэлектрического генератора, упрощение его конструкции, улучшение технологичности и удешевление процесса его изготовления. Стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор, содержащий последовательно соединенные трехфазный магнитоэлектрический генератор с изменяющейся частотой вращения приводного вала в диапазоне от n_min до n_max и выпрямительный блок, выполненный по трехфазной мостовой схеме в виде трехфазных анодной группы диодов и сдвоенных первой и второй катодных групп диодов, а также вольтодобавочный канал, блок управления, источник питания внутренних нужд. При этом вольтодобавочный канал выполнен в виде однофазного инвертора напряжения, выполненного по полумостовой схеме на транзисторах, зашунтированных диодами и с делителем напряжения на конденсаторах, причем к выходу однофазного инвертора напряжения подключена первичная обмотка трансформатора напряжения, выполненного с двумя последовательно соединенными вторичными полуобмотками, точка соединения которых образует один выходной вывод вольтодобавочного канала, выполненный с возможностью подключения к первому выходному выводу вентильного магнитоэлектрического генератора, при этом концы первой и второй вторичных полуобмоток трансформатора напряжения подключены между первой и второй катодными группами диодов выпрямительного блока. Блок управления содержит задатчик опорного напряжения (U₀, датчик выходного напряжения вентильного магнитоэлектрического генератора U_d, узел усиления сигнала ΔU_d, модулятор ширины импульсов, логический узел и узел драйверов. При этом логический узел блока управления выполнен с возможностью реализации режима вольтодобавки в области от n_min до n_max. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Стабилизированный по напряжению вентильный магнитоэлектрический генератор, содержащий последовательно соединенные трехфазный магнитоэлектрический генератор с изменяющейся частотой вращения приводного вала в диапазоне от n_min до n_max и выпрямительный блок, выполненный по трехфазной мостовой схеме в виде трехфазных анодной группы диодов и сдвоенных первой и второй катодных групп диодов, а также вольтодобавочный канал, блок управления, источник питания внутренних нужд, первый и второй выходные выводы вентильного магнитоэлектрического генератора, при этом вольтодобавочный канал выполнен в виде однофазного инвертора напряжения, который в свою очередь выполнен по полумостовой схеме на транзисторах, зашунтированных диодами и с делителем напряжения на конденсаторах, причем к выходу однофазного инвертора напряжения подключена первичная обмотка трансформатора напряжения, выполненного с двумя последовательно соединенными вторичными полуобмотками, точка соединения которых образует один выходной вывод вольтодобавочного канала, выполненный с возможностью подключения к первому выходному выводу вентильного магнитоэлектрического генератора, причем второй выходной вывод вентильного магнитоэлектрического генератора является другим выходным выводом вольтодобавочного канала и образован точкой соединения анодов анодной группы диодов, шины питания однофазного инвертора напряжения подключены к выходным выводам вентильного магнитоэлектрического генератора, которые выполнены с возможностью подключения нагрузки, блок управления выполнен в виде задатчика опорного напряжения U₀, датчика выходного напряжения вентильного магнитоэлектрического генератора U_d, первый вход которого соединен с первым выходным выводом вентильного магнитоэлектрического генератора, а второй вход соединен со вторым выходным выводом вентильного магнитоэлектрического генератора, причем его выход соединен с первым входом узла сравнения сигналов, ко второму входу которого подключен первый выход задатчика опорного напряжения U₀, выход узла сравнения сигналов соединен со входом узла усиления сигнала ΔU_d, выход которого подключен к первому входу узла суммирования сигналов, второй вход которого соединен со вторым выходом задатчика опорного напряжения U₀, к выходу узла суммирования сигналов последовательно подсоединены модулятор ширины импульсов, логический узел и узел драйверов, выходы которого выполнены с возможностью подключения к управляющим входам транзисторов, источник питания внутренних нужд подключен к выходным выводам трехфазного магнитоэлектрического генератора, отличающийся тем, что концы первой и второй вторичных полуобмоток трансформатора напряжения подключены между первой и второй катодными группами диодов выпрямительного блока, логический узел блока управления выполнен с возможностью реализации режима вольтодобавки в области от n_min до n_max.

2. Вентильный магнитоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что при недостаточной индуктивности трехфазного магнитоэлектрического генератора между точкой соединения первой и второй вторичных полуобмоток трансформатора напряжения и первым выходным выводом вентильного магнитоэлектрического генератора включен дроссель, между указанной точкой и вторым выходным выводом вентильного магнитоэлектрического генератора подключен первый фильтровый конденсатор, а между первым и вторым выходными выводами вентильного магнитоэлектрического генератора подключен второй фильтровый конденсатор.