Бесконтактный стабилизированный по напряжению синхронный генератор Российский патент 2024 года по МПК H02P9/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области авиационной электротехники и может быть использовано при построении бесконтактных синхронных генераторов напряжения переменного тока со стабилизацией этого напряжения при возмущающих воздействиях по току нагрузки и по частоте вращения приводного вала.

Уровень техники

В принципе известны бесконтактные синхронные генераторы (БССГ) напряжения переменного тока, обеспечивающие стабилизацию этого напряжения при изменяющейся частоте вращения приводного вала (например, патент РФ № 2713470 «Бесконтактный стабилизированный по напряжению генератор переменного тока с комбинированным возбуждением». Авторы: Г.С. Мыцык, А.Е. Маслов). Он содержит основной генератор (ОГ) с возбуждением от двух индукторов. Основной индуктор (ОИ) выполнен на основе постоянных магнитов, а дополнительный индуктор (ДИ) - в виде закреплённой на одной крышке БСГ неподвижной обмотки возбуждения (ОВ), которая через особую (когтеообразного типа) вращающуюся конструкцию магнитопровода (обозначаемую в литературе как сексин) закреплена (как и магниты ОИ) на роторе. Якорная обмотка (ЯО) БССГ расположенная на статоре, является общей для двух систем возбуждения - не регулируемой (в ОИ) и регулируемой (в ДИ). Стабилизация напряжения БССГ осуществляется изменением тока возбуждения в ОВ ДИ с помощью регулятора (РТВ), который получает питание от выпрямителя, своим входом подключённого к якорной обмотке (ЯО) БСГ. Блок управления (БУ) РТВ содержит контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению ЯО БССГ и модулятор ширины импульсов (МШИ), который управляет исполнительным органом (ИО) РТВ. ИО выполнен в виде мостовой схемы инвертора, реализующего функцию реверсирования тока возбуждения в ОВ БССГ. Операция реверсирования (при выше синхронной частоте вращения вала) позволяет снизить установленную мощность РТВ.

Недостатками данного технического решения являются завышенные установленные мощности якорной обмотки и ДИ (возрастающие с увеличением кратности изменения частоты вращения вала), а также повышенная технологическая сложность реализации конструкции сексин. В целом, недостатком такого решения однозначно можно считать завышенную удельную массу (в кг/кВА).

Известно также решение БССГ, свободное от ряда выше указанных недостатков. Оно представлено на рис. 6.23, стр. 187 в книге: Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах (под редакцией С.А. Грузкова). - М.: Издательство МЭИ. - 2005. Том 1. - 568с. Это решение выполнено в виде трёх электрических машин, расположенных на общем валу: подвозбудителя (ПВ), возбудителя, и основного генератора (ОГ) с электромагнитным возбуждением (в виде индуктора с обмоткой возбуждения - ОВ-1 на роторе БССГ). ПВ выполнен с возбуждением от постоянных магнитов с якорной обмоткой (ЯО-1), расположенной на статоре, которая через выпрямитель (В1) подключена к цепи питания регулятора тока возбуждения (РТВ). Выход РТВ подключён к обмотке возбуждения - ОВ-2 возбудителя, который выполнен по обращённой конструкции - с ЯО-2, расположенной на роторе. ОВ-1 ОГ подключена к выходу выпрямителя - В-2, который расположен на роторе и своим входом подключён к ЯО-2 возбудителя.

Силовая часть РТВ размещается на статоре БССГ и может выполняться по любой из известных схем, например, в виде ключевого элемента (КЭ) на выходе выпрямителя В1. Блок управления (БУ) РТВ в традиционных решениях выполняется в виде последовательно включённых КООС по напряжению ОГ и модулятора ширины импульсов (МШИ), выход которого подключён к управляющему входу КЭ.

Это известное решение по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению и поэтому выбрано за прототип.

Его недостатками являются повышенная технологическая сложность изготовления механической части БССГ, которая определяется расположением на общем валу трёх роторов трёх электрических машин и трёх статоров в общем корпусе БССГ, наличием регулятора тока возбуждения (РТВ) индуктора возбудителя, который получает электропитание от выпрямителя, а также размещением РТВ со своим блоком управления на корпусе БССГ, который, как три машины требует охлаждения; недостаточно высокий КПД БССГ, определяемый потерями в подвозбудителе (ПВ), в РТВ и в обмотке индуктора возбудителя; помехоизлучение импульсного режима работы РТВ.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение механической части БССГ.

Технический результат заключается в повышении технологичности изготовления электромеханической части БССГ за счет исключения одной электрической машины - подвозбудителя (ПВ) и переноса силовой части РТВ со статора БССГ на ротор, а также повышении КПД и снижении помехоизлучения от РТВ.

Это достигается тем, что в известном бесконтактном стабилизированном по напряжению синхронном генераторе (БССГ), содержащем постоянные магниты для самовозбуждения (ПМСВ), основную синхронную машину (ОСМ) с якорной обмоткой (ОЯО) на статоре и с обмоткой возбуждения (ОВ) на роторе, причём опорами его вала является конструкция из подшипников и боковых крышек, через которую он связан с корпусом БССГ, вспомогательную синхронную машину (ВСМ) с якорной обмоткой (ВЯО) на роторе, предназначенной для подключения её ко входу неуправляемого выпрямителя (НУВ), также установленному на роторе, первый выходной вывод которого подключен к одному концу ОВ ОСМ, регулятор тока возбуждения (РТВ), включающий в себя силовую часть в виде управляемого ключевого элемента (УКЭ), например, транзистора (с драйвером в его цепи управления) и его блок управления (БУ1), выводы питания которого подключены к выходу источника питания внутренних нужд (ИПВН), установленному на корпусе БССГ и своим входом подключённому к ОЯО, БУ1 РТВ содержит последовательно включённые контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению ОЯО и модулятор ширины импульсов (МШИ), выход которого посредством линии передачи сигнала управления (ЛПСУ) подключён к управляющему входу УКЭ РТВ, ПМСВ установлены на статоре ВСМ, УКЭ установлен на роторе и одним своим силовым выводом подключён ко второму выходному выводу НУВ, а другим силовым выводом - к другому концу ОВ ОСМ, ЛПСУ выполнена в виде двух (1-ой и 2-ой) гальванически развязанных частей, причём 1-я часть содержит преобразователь электрического сигнала в световой сигнал - светоизлучатель, например, в виде 1-го светодиода, который своим входом подключён к выходу МШИ, 2-я часть содержит преобразователь светового сигнала в электрический - светоприёмник, например, в виде 2-го светодиода и усилителя мощности его электрического сигнала, причём светоизлучатель установлен в центре крышки корпуса БССГ, а светоприёмник - в центре торца вала ротора, при этом светоизлучатель и светоприёмник разделены между собой воздушным зазором и установлены так, что передаваемый через воздушный зазор световой луч находится на одной оси с валом БССГ, блок управления (УВБ) РТВ выполнен в виде двух частей - БУ1 и БУ2, причём БУ1 содержит КООС и МШИ с источником питания внутренних нужд (ИПВН-1) и размещён на статоре, а БУ2 содержит ИПВН-2 для электропитания драйвера УКЭ РТВ и силовой цепи со светоприёмником.

Это достигается также тем, что в известном бесконтактном стабилизированном по напряжению синхронном генераторе (БССГ) светоприёмник выполнен в виде оптотранзистора (ОПТ), установленного в торце вала, а его силовая цепь с последовательно включённым в ней одним из выходов ИПВН-2 подключёна ко входу драйвера УКЭ РТВ.

Это достигается также тем, что в известном бесконтактном стабилизированном по напряжению синхронном генераторе светоприёмник выполнен в виде светопроводника, уложенного в канале, расположенного по центру вала вдоль его оси с выходом его к УКЭ РТВ, причём один его конец расположен напротив светоизлучателя, а второй конец - напротив управляющего входа оптотранзистора (ОПТ), установленного в цепи управления УКЭ РТВ.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан упрощённый (эскизный) вариант принципиальной конструкторской компоновки узлов и элементов БССГ, на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема, обеспечивающая стабилизацию выходного напряжения БССГ при возмущающих воздействиях по частоте вращения вала и по току нагрузки; на фиг. 3 а, б приведены: а) - традиционный вариант выполнения МШИ и б) - временные диаграммы, поясняющие логику его работы.

Осуществление изобретения

Бесконтактный стабилизированный по напряжению синхронный генератор содержит корпус 1, связующий все узлы и элементы БССГ. В данном примере (с целью упрощения чертежа) он выполнен из магнитопроводящего материала. Слева и справа от корпуса расположены левая 2л и правая 2п боковые крышки. Они являются опорой для вала 3, который сопряжен с корпусом 1 посредством подшипников 4, 5. В корпусе 1 установлен статор основной синхронной машины (ОСМ), выполненный в виде магнитопровода 6 с якорной обмоткой (ОЯО) 7 в его пазах. На валу 3 расположен индуктор 8 с обмоткой возбуждения (ОВ) 9. Мощность возбуждения ОСМ обеспечена вспомогательной синхронной машиной (ВСМ) с возбуждением от постоянных магнитов 10, которые установлены на корпусе 1 БССГ. Его якорная обмотка (ЯОВ) 11 уложена в пазах магнитопровода ВСМ 12, который расположен на роторе и жёстко связан с валом 3. ЯОВ 11 ВСМ подключена к силовому входу управляемого выпрямительного блока (УВБ) 13, техническая суть которого раскрыта на фиг. 2, 3. В левой боковой крышке 2л по её центру, совпадающему с осью вала, установлен светоизлучатель 14, закрытый от внешней среды защитной крышкой 15. Светоизлучатель 14 выполнен с возможностью передачи светового сигнала управления со статора на ротор (в УВБ 13). В одном из вариантов конструктивного исполнения в торце вала ротора может быть установлен светоприёмник 16 (фиг. 2), например, оптотранзистор, выходная электрическая цепь которого соединена с управляющим входом драйвера КЭ (в УВБ 13 - фиг. 2). В другом варианте, показанном на фиг. 2, используется установленный в канале вала 3 светопроводник (на основе оптоволокна) 17, выполненный с возможностью передачи светового сигнала от светоизлучателя 14 к светоприёмнику 16 (фиг.2), установленному в блоке УВБ 13 (фиг. 2).

Вспомогательная якорная обмотка (ЯОВ) 11 ВСМ подключена ко входу неуправляемого выпрямителя (НУВ) 18 (фиг. 2), на выходе которого установлен буферный конденсатор 19. Один из выходных выводов выпрямителя 18 через ключевой элемент (КЭ) 20 (например, транзистор) подключён к одному концу обмотки возбуждения (ОВ) 9 ОСМ, другой конец которой подключён ко второму выходному выводу выпрямителя 18. ОВ 9 зашунтирована обратным диодом 21. Управляющий вход КЭ 20 подключён к выходу драйвера 22, а управляющий вход последнего через силовую цепь оптотранзистора 16 подключён к выходу d-e источника питания внутренних нужд (ИПВН-2) 23. Последний выполнен с несколькими гальванически развязанными выходами и с реализацией функции стабилизации выходных напряжений при возмущающих воздействиях по частоте вращения вала 3. Другой выход ИПВН-2 23 подключён к цепи питания драйвера 22. Поскольку потребителями электроэнергии ИПВН-2 являются, по сути, устройства информационной электроники, то его суммарная мощность не превышает (примерно) 5÷10 Вт. Силовая электроника (элементы 18, 20, 21) и информационная электроника (элемент 16 и узлы 22, 23) представляют собой исполнительный орган (ИО) регулятора тока возбуждения (РТВ) ОСМ, который расположен на роторе.

Функцию наблюдателя за уровнем выходного напряжения на ОЯО 7 ОСМ и выработки сигнала для управления ИО выполняет наблюдательный орган (НО), расположенный на корпусе БССГ (фиг. 2). Он включает в себя контур отрицательной обратной связи (КООС) 24 по напряжению ОЯО 7, который своим входом подключён к её выводам «А», «В», «С», а своим выходом - ко входу модулятора ширины импульсов (МШИ) 25. К выходу МШИ 25 подключён вход светоизлучателя 14 (например, в форме светодиода). Электропитание узлов 24, 25 обеспечено ИПВН-1 26, который в свою очередь получает электропитание от ОЯО 7. То есть, шины питания узлов 24, 25 подключены к соответствующим выходным выводам ИПВН-1, входные шины питания которого подключены к ОЯО 7. Связь между светоизлучателем 14 и светоприёмником 16 реализована или непосредственно через воздушный зазор или через воздушный зазор и светопроводник 17 (фиг. 2). В первом варианте светоприёмник (вместе с его усилением и преобразованием в электрический сигнал, например, с помощью оптотранзистора) размещен в центре торца вала 3 (фиг. 1, 2).

Наблюдатель (КООС) 24 традиционно включает в себя измеритель выходного напряжения БССГ, выполненный в виде выпрямителя (с малыми пульсациями выпрямленного напряжения) с выходным напряжением U_d0изм, источника опорного напряжения U₀ и узла сравнения (вычитания) этих сигналов, выполненный с возможностью формирования сигнала управления U_у (в виде постоянной составляющей) для его подачи на управляющий вход МШИ 25.

Блок 25 на фиг.3а выполнен в виде трёх узлов - задатчика тактовой частоты (ЗЧ) 25.1 (обеспечивающей переключение КЭ 20) с выходным сигналом р (фиг.3б), генератора пилообразного напряжения (ГПН) 25.2 с выходным сигналом U_ГПН и компаратора (К) 25.3 с тактовым и управляющим входами и с выходным сигналом S, который подаётся на вход драйвера 22. Вход ГПН 25.2 подключён к выходу ЗЧ 25.1, а его выход к тактовому входу К 35.3. Управляющий вход К 25.3 подключён к выходу КООС 24, с которого поступает управляющий сигнал U_у (фиг.3б).

Таким образом, блок управления УВБ 13 разбит на две части: одна его часть - БУ1 (элемент 14, узлы 24, 25, 26) - для измерения напряжения БССГ и формирования сигнала управления ψ_кэ(t) для КЭ 20), которая размещена на его статоре, и другая его часть - БУ2 (узлы 16, 17, 22, 23 вместе с управляемым ключевым элементом -УКЭ 20) расположена на роторе БССГ.

Бесконтактный стабилизированный по напряжению синхронный генератор работает следующим образом.

Функциональная задача БССГ состоит в преобразовании механической энергии приводного вала с изменяемой частотой его вращения в электроэнергию переменного тока со стабилизированным напряжением. Функция его стабилизации выполняется путём соответствующего изменения тока возбуждения в ОВ 9 основной синхронной машины (ОСМ). Необходимая мощность возбуждения поставляется вспомогательной синхронной машиной (ВСМ) с возбуждением от постоянных магнитов. Требуемое регулирование этого тока производится в управляемом выпрямительном блоке (УВБ) 13 изменением скважности S работы его ключевого элемента (КЭ) 20. Параметр S определяется отношением периода 2π частоты переключения КЭ 20 f_т к длительности θ открытого (проводящего) его состояния: S = 2π/θ.

При превышении выходного напряжения БССГ U_СГ выше номинального его значения U_СГ(ном) наблюдатель (узел КООС) 24 фиксирует эту разность (с учётом знака): U_СГ-U_{СГ(ном )} = +Δu , этот сигнал (в данном примере в виде постоянной составляющей) подаётся на управляющий вход МШИ 25, и на его выходе автоматически формируется периодическая последовательность импульсов управления ψ_кэ(t) требуемой длительности: θ_-<θ_ном (т.е. требуемой скважности S_-) с частотой f_т. Время открытого состояния КЭ 20 уменьшается, ток возбуждения в ОВ 9 уменьшается, и напряжение на ОЯО 7 понижается, стремясь к номинальному значению. Пример традиционной реализации данной логики формирования управляющего сигнала ψ_кэ(t) в МШИ 25 представлен на фиг. 3.

При понижении напряжения БССГ ниже номинального его значения их разница изменяет свой знак: U_СГ -U_СГ(ном) = -Δu, но логика формирования сигнала в МШИ 25 не изменяется - с него снимается сигнал ψ_кэ(t), длительность импульсов θ₊ у которого автоматически начинает увеличиваться, что приводит к увеличению тока возбуждения в ОВ 9 и к возврату выходного напряжения к номинальному его значению.

Таким образом, в предлагаемом изобретении реализованы:

1. Отказ от использования для самовозбуждения подвозбудителя (ПВ) и перенос этой функции на возбудитель, что упрощает конструкцию БССГ и технологию его изготовления.

2. Исполнение индуктора возбудителя на основе постоянных магнитов привело к необходимости выполнения его выпрямительного блока (ВБ) управляемым (УВБ), что обеспечено в предлагаемом изобретении: а) разбиением блока управления УВБ на две части: одна часть (БУ1 -для измерения напряжения БССГ и формирования сигнала управления ψ_кэ(t) для КЭ 20), которая размещается на его статоре, а другая его часть - БУ2 вместе с управляемым ключевым элементом -УКЭ 20 располагается на роторе БССГ; б) новым оригинальным и более технологичным решением для передачи сигнала ψ_кэ(t) с неподвижного статора на вращающийся ротор на основе использования свойства светового потока; в) размещением на роторе не только диодов, что делалось и прежде, но и силового УКЭ вместе с обслуживающими его узлами информационной электроники, что значительно понижает уровень помехоизлучения РТВ, благодаря экранирующему действию статора БССМ и упрощает решение задачи охлаждения КЭ 20 РТВ.

3. Повышение технологичности изготовления механической части БССГ; улучшение его массогабаритных показателей; повышение КПД; снижение материалоёмкости и себестоимости изготовления, расширение области использования по диапазону изменения частоты вращения приводного вала.

Повышение КПД и уменьшение массы БССГ обеспечивается не только за счёт исключения подвозбудителя (ПВ) из цепи электромеханического преобразования энергии, но и за счёт переноса функции РТВ со входа возбудителя (то есть со статора) на его выход (т.е. на ротор) - в цепь его выпрямителя. Этот результат достигается заменой в возбудителе электромагнитного возбуждения (ЭМВ) на магнитоэлектрическое, т.е. на возбуждение от постоянных магнитов, которое более эффективно по сравнению с ЭМВ по удельному показателю (g [кг/кВА]) и по КПД.

Использование изобретения позволяет повысить технологичность изготовления электромеханической части БССГ за счет исключения одной электрической машины - подвозбудителя (ПВ) и переноса силовой части РТВ со статора БССГ на ротор, а также снизить помехоизлучение от РТВ.

Изобретение относится к области авиационной электротехники и направлено на повышение технологичности изготовления электромеханической части БССГ и снижение помехоизлучения от РТВ. В известном бесконтактном стабилизированном по напряжению синхронном генераторе (БССГ), содержащем постоянные магниты для самовозбуждения (ПМСВ), основную синхронную машину (ОСМ) с якорной обмоткой (ОЯО) на статоре и с обмоткой возбуждения (ОВ) на роторе, причем опорами его вала является конструкция из подшипников и боковых крышек, через которую он связан с корпусом БССГ, вспомогательную синхронную машину (ВСМ) с якорной обмоткой (ВЯО) на роторе, предназначенной для подключения ее ко входу неуправляемого выпрямителя (НУВ), также установленному на роторе, первый выходной вывод которого подключен к одному концу ОВ ОСМ, регулятор тока возбуждения (РТВ), включающий в себя силовую часть в виде управляемого ключевого элемента (УКЭ), например транзистора (с драйвером в его цепи управления), и его блок управления (БУ1), выводы питания которого подключены к выходу источника питания внутренних нужд (ИПВН), установленному на корпусе БССГ и своим входом подключенному к ОЯО, БУ1 РТВ содержит последовательно включенные контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению ОЯО и модулятор ширины импульсов (МШИ), выход которого посредством линии передачи сигнала управления (ЛПСУ) подключен к управляющему входу УКЭ РТВ, ПМСВ установлены на статоре ВСМ, УКЭ установлен на роторе и одним своим силовым выводом подключен ко второму выходному выводу НУВ, а другим силовым выводом - к другому концу ОВ ОСМ, ЛПСУ выполнена в виде двух (1-й и 2-й) гальванически развязанных частей, причем 1-я часть содержит преобразователь электрического сигнала в световой сигнал - светоизлучатель, например, в виде 1-го светодиода, который своим входом подключен к выходу МШИ, 2-я часть содержит преобразователь светового сигнала в электрический - светоприемник, например, в виде 2-го светодиода и усилителя мощности его электрического сигнала, причем светоизлучатель установлен в центре крышки корпуса БССГ, а светоприемник - в центре торца вала ротора, при этом светоизлучатель и светоприемник разделены между собой воздушным зазором и установлены так, что передаваемый через воздушный зазор световой луч находится на одной оси с валом БССГ, блок управления (УВБ) РТВ выполнен в виде двух частей - БУ1 и БУ2, причем БУ1 содержит КООС и МШИ с источником питания внутренних нужд (ИПВН-1) и размещен на статоре, а БУ2 содержит ИПВН-2 для электропитания драйвера УКЭ РТВ и силовой цепи со светоприемником. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бесконтактный стабилизированный по напряжению синхронный генератор (БССГ), содержащий постоянные магниты для самовозбуждения (ПМСВ), основную синхронную машину (ОСМ) с якорной обмоткой (ОЯО) на статоре и с обмоткой возбуждения (ОВ) на роторе, причём опорами его вала является конструкция из подшипников и боковых крышек, через которую он связан с корпусом БССГ, вспомогательную синхронную машину (ВСМ) с якорной обмоткой (ВЯО) на роторе, предназначенной для подключения её ко входу неуправляемого выпрямителя (НУВ), также установленному на роторе, первый выходной вывод которого подключен к одному концу ОЯО, регулятор тока возбуждения (РТВ), включающий в себя силовую часть в виде управляемого ключевого элемента (УКЭ), например транзистора (с драйвером в его цепи управления), и его блок управления (БУ1), выводы питания которого подключены к выходу источника питания внутренних нужд (ИПВН), установленного на корпусе БССГ и своим входом подключённого к ОЯО, БУ1 РТВ содержит последовательно включённые контур отрицательной обратной связи (КООС) по напряжению ОЯО и модулятор ширины импульсов (МШИ), выход которого посредством линии передачи сигнала управления (ЛПСУ) подключён к управляющему входу УКЭ РТВ, отличающийся тем, что ПМСВ установлены на статоре ВСМ, УКЭ установлен на роторе и одним своим силовым выводом подключён ко второму выходному выводу НУВ, а другим силовым выводом – к другому концу ОВ ОСМ, ЛПСУ выполнена в виде двух (1-й и 2-й) гальванически развязанных частей, причём 1-я часть содержит преобразователь электрического сигнала в световой сигнал – светоизлучатель, например, в виде 1-го светодиода, который своим входом подключён к выходу МШИ, 2-я часть содержит преобразователь светового сигнала в электрический – светоприёмник, например, в виде 2-го светодиода и усилителя мощности его электрического сигнала, причём светоизлучатель установлен в центре крышки корпуса БССГ, а светоприёмник – в центре торца вала ротора, при этом светоизлучатель и светоприёмник разделены между собой воздушным зазором и установлены так, что передаваемый через воздушный зазор световой луч находится на одной оси с валом БССГ, блок управления (УВБ) РТВ выполнен в виде двух частей – БУ1 и БУ2, причём БУ1 содержит КООС и МШИ с источником питания внутренних нужд (ИПВН-1) и размещён на статоре, а БУ2 содержит ИПВН-2 для электропитания драйвера УКЭ РТВ и силовой цепи со светоприёмником.

2. Бесконтактный стабилизированный по напряжению синхронный генератор (БССГ) по п.1, отличающийся тем, что светоприёмник выполнен в виде оптотранзистора (ОПТ), установленного в торце вала, а его силовая цепь с последовательно включённым в ней одним из выходов ИПВН-2 подключёна ко входу драйвера УКЭ РТВ.

3. Бесконтактный стабилизированный по напряжению синхронный генератор по п.1, отличающийся тем, что светоприёмник выполнен в виде светопроводника, уложенного в канале, расположенного по центру вала вдоль его оси с выходом его к УКЭ РТВ, причём один его конец расположен напротив светоизлучателя, а второй конец – напротив управляющего входа оптотранзистора (ОПТ), установленного в цепи управления УКЭ РТВ.