Устройство для преобразования постоянного тока в синусоидальный Советский патент 1988 года по МПК H02M7/60 

г

л

Изобретение относится к преобразовательной технике и использовано в.системах электропитания синусоидальным током. Целью изобретения является улучшение качества генерируемой электроэнергии за счет снижения коэффициента гармоник кривой выходного тока. Устройство содержит цилиндрический статор 1, на внутренней поверхности которого установлены два электрода 2 профилированной формы. Внутри статора 1 вращается цилиндрический ротор 3 с двумя электродами 4 профилированной формы, установленными на его внешней поверхности и подключенными к контактным кольцам 8. Зазор между статором и ротором заполнен электролитом. При подаче постояикого напряжения на щетки 9, контактирующие с кольцами 8, и подключении статорных электродов к нагрузке через электроды статора и ротора и нагрузку начинает протекать переменный ток, близкий по форме к синусоидальному. 7 ил. с (Л

I УХ

00

ел

Фиг.1

10

15

25

11446685

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к ipe- образоватёлям постоянного тока в переменный, и может быть использовано в системах электроттитания синусоидальным током, регулируемым по частоте.

Цепь изобретения - улучшение качества генерируемой электроэнергии за счет снижения -коэффициента гармонии кривой выходного тока.

На фиг.1 представлена конструкция устройства для преобразования постоянного тока в синусоидальный; на фиг.2 - то же, разрез в плоскости, перпе1щикулярной оси вала{на фиг.З - форма статорных электродов (пунктирными линиями показана форма роторных электродов и их расположение относительно статорных электродов по оси вала), развернутых по окружности статора; на фиг.4 - форма роторных электродов, развернутых по окружности, ротора; на фиг.З - изменение пло- щади электрического контакта между статорными и роторными электродами через электропроводящую жидкость (электролит) при повороте ротора на половину оборота; на фиг.6 -чизмене- ние электрического сопротивления электролита между статорными и ротор ными электродами при повороте ротора на один оборот; на фиг.7 форма инвертируемого тока (один период), протекающего через роторные и статорные электроды и нагрузку при повороте ротора на один оборот.

Устройство для преобразования постоянного тока в синусовдальный содержит полый цилиндрический статор 1 0 из неэлектропроводящего материала, на внутренней поверхности которого диаметрально противоположно установлены два электрода 2 из электропроводного материала. Ротор 3 выполнен 45 полой цилиндрической формы из неэлектропроводного материала с диаметрально противоположно установленными на его внешней поверхности двумя электродами 4 из электропроводящего мате- 50 риала.

Ротор расположен на валу 5, который установлен в подшипниковых узлах 6 и приводится во вращение двигате- . лем 7. Роторные электроды 4 рлектри- 55 чески с помощью проводов, которые проходят через полую часть вала, связаны -с двумя контактньми кольца- ми 8. Контактные кольца 8 через

эл ще ни

по ве пр В ти во ва т. и ма ра са ни

2Q к в ро те

ет по жа ос то ок b эл то 2

30

35

из но пе ст ти пл но Ши но ча на ще ст ва ле фи ро сл со то но

0

5

5

электрически контактирующие с ними щеточные узлы 9 подключены к источнику постоянного тока.

Пространство между внутренней поверхностью статора и внешней поверхностью ротора заполнено электропроводящей жидкостью (электролитом). В качестве электропроводящей жидкости может быть использован раствор воды с поваренной солью, кальцинированной содой, каустической содой и т.д. В качестве материала статорных и роторных электродов используется материал с повышенной стойкостью к разрушению при электролизньпс процессах, например графит или титан руте- нированный.

Статорные электроды 2 подключены Q к сопротивлению нагрузки. Электролит в пространстве между статором и ротором подается с помощью насосной системы Сне показана).

. Каждый статорный электрод занимает почти половину длины окружности по внутренней расточке статора, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси статора. Если принять ширину ста- торного электрода равной 2а, то длина окружности будет равной , где b - расстояние межр.у статорными электродами по линии окружности, которое можно принять равным не более от длины окружности.

0

0 5 0

5

5

Кнждьй статорный Электрод состоит из двух пластин 10 и 11 разного профиля, основания которых лежат на одной линии окружности в плоскости, перпендикулярной оси статора, а профили их повернуты в противоположные стороны относительно линии окружности. При этом обе статорные пластины плотно прилегают к внутренней поверхности статора и закреплены на ней. Ширина обеих статорных пластин в основании одинакова и равна а, а начальная кромка статорной пластины 11 (начальной кромкой статорных пластин на фиг.З считаем левую кромку) смещена относительно начальной кромки статорной пластины 10 по линии основания пластин на ширину а по направлению вращения роторньк пластин (на фиг.З и фиг.4 направление вращения роторных пластин указано стрелкой слева направо) .Обе статорные пластины - соединены электрически, образуя статорный электрод, и подключены к одной из фаз.нагрузки. Таким же обра

314А

зон выполнен второй статорный электрод.

Каждьй из обоих роторньк электродов состоит из двух прямоугольньпс пластин 12 и 13. Основания роторньж пластин лежат на линии окружности ротора в плоскости, перпендикулярной оси ротора, на которой также расположены основания статорных пластин. Поверхности роторных пластин 12 и 13 повернуты одна по отношению к другой относительно своиз оснований в проти воположные стороны, прилегают к внешней поверхности ротора и закреплены на нем. Роторная пластина 12 имеет ширину, равную ширине «х статор- ной пластины, и высоту, равную максимальной .высоте профиля статорной пластины 10, и расположена по высоте на одном уровне со статорной пластиной 10.

Роторная пластина 13 выполняется узкой с шириной, равной некоторой величине с , которая должна быть не более одной десятой от ширины а статорной пластины. Высота пластины 13 равна максимальной высоте профиля пластины 11, Расположена роторная

пластина 13 по высоте на одном уровне со статорной пластиной 11, а начальная кромка пластины 13 (леные кромки роторных пластин на фиг.4 считаем начальными) сдвинута относительно начальной кромки пластины 12

на величину а - 2 по направлению вращения пластин ротора.

Расстояние между начальными кромками роторных пластин 12 равно 2а+Ь, узкая и широкая роторные пластины каждого электрода электрически связаны между собой. Если к щеточным узлам подключить источник постоянног тока, то к роторным электродам 4 через контактные кольца 8 подается нап ряжение питания U. При этом, если в зазор между статором и ротором подавать электролит, а статорные электроды подключить к нагрузочному сопротивлению РН jVro через электроды и нагрузку будет протекать ток i. При подаче напряжения на приводной двигатель 7 он приходит во вращение и начинает врашать ротор 3.

Полагаем, что форма тока г синусоидальна, т.е.

i I sinut,(1)

где Ifn - амплитуда тока;

i,j - круговая частота врап;еь ..,j t - текущее значение времени Тогда полное сопротивление R электрической цепи состоящее из суммарного сопротивления Кдсп электролита между статорными и роторнь к электродами и нагрузкой R,. опреде ляется из выражения

0

5

0

25

30

35

40

50

и

R - i-iinJS

т- RU - R

-fn

, (3)

к /пни

т

где RMIIH суммарное минимальное активное сопротивление ду статорными и роторными электродами через электролит. Подставляя (3) в (2) и обозначая

wt (, получаем

. Кн(1зБ1пд )+Кмин

sinTf При этом

ДСП лДо1 АОП З J

5

(4) (5)

где Кд,л1 КАоп1

сопротивление электролита в промежутке между ста- ,.торным и роторным

электродом}

р - удельная электропроводность жидкости. Ом«м; d - зазор между роторными и статорными электродами, м; S , - площадь электрического контакта через электролит, между статорньм и роторным электродами, м ,

Выразим площадь S через sin Ч, используя выражения (2) и (4)

.2f/ 2 Sin IV . Rj

л jf .«. / Л

f к17гГ КД1-8гггиТ+Й 7 По закону (6) изменяется площадь электрического контакта через электролит между статорной и роторной пластинами в диапазоне ее увеличения от нуля до максимального значения, т.е., когда при вращении ротора слева направо (фиг.3 и 4) роторные плас- 55 тины находят на статорные. При этом ротор поворачивается на угол от О

до LP

-----х. , Максимальная площадь 2а+Ь 2

длоцс электрического контакта между статорным и роторным электродами (между пластиной 10 и пластиной 12)

при равна

(7)

ч 2Р

Кл.ин

Если считать профиль роторных пластин 12 прямоугольным,, то профиль статорных плагстин 1D по их ширине « описывается следующим вьфаже- нием

Xi

Si

R«(T 8inJf)

. sine/cosI/

СКн(-81 1 - - м;;иЗ Затем, по мере вращения ротора а

(8)

1Г

fa

диапазоне от ц, до а о од+Ь пластины 12 роторных электродов начинают выдвигаться из пластин ТО статорных электродов При этом площадь электрического контакта через электролит между пластинами 10 и 12 начинает уменьшаться от значения SMWHC по закону

.с R() RM UH

(-04

Rn(1-sinv)+RM«H

Однако для того, чтобы обеспечить сийусоидальный закон спадания тока, протекающего через электролит между электродами, уменьшение площади электрического контакта между статор- ными и р.оторными электродами должно происходить по ко,синусоидальному за - кону (фиг,5, правая ветвь кривой)

- 2 fcosi

Ь 3

(10)

MMH

К„ (T«COS(

Из рассмотрения выражений (9) и (10) вытекает, что для того, чтобы обеспечить уменьшение площади элект- pOKOHfaKTa по закону (10), необходимо одновременно с уменьшением площади контакта по закону (9) вводить дополнительную площадь контакта, изменяющуюся в диапазоне угла поворота ротол

ра от до по выражению

,-S,-2pcP cost

1 RH(1-cos4 )

(11)

2lf sinjL{ 2р

RHlT-siniipT+R H Изменение площади контакта обеспечивается пластинами 13 роторньк электродов и пластинами 11 статорных электродов.

Форма профиля статорных пластин 11 описывается выражением

Хг

§1 С

2 гcosjL

С iRHTT-cosifT+R liiH

+ гsinU

1

RH(1-sinif)+R

MU«

R

ин

(12)

0

5

0

Чем меньше ширина с. роторных пластин 13, тем точнее воспроизведение закона изменения площади контакта S. Но одновременно с уменьшением ширины с пластин 13 увеличивается их высота и высота профиля статорных пластин М, Максимальную высоту профиля Х можно определить, если взять первую производную от Х- по углу ц и гфиравнять ее нулю. Ширина и статорной пластины 11 соответствует в градусах величине

jia-Л

2а+Ь 2

Тогда угол ц, при котором достигается экстремальное значение функции X.vj,

f равен 1/я5 у, а максимальная высота

профиля статорной пластины 11 равна

0

5

0

g

5

у

г-лачс- С I.

2 -/2

-1

3 RH(2-y2)+2R;,«

Этой же величине равна высота роторной пластины 13,

Для поддержания синусоидального закона изменения тока через электроды необходимо, чтобы роторные пластины перемещались относительно статорных в направлении, указанном стрелками на фиг,3 и 4, Таким образом, вращение роторных пластин относительно статорных происходит так, что если роторные пластины 12 выхо- ,дят из зоны контакта со статорными пластинами 10, то в это время роторные пластины 13 начинают входить в зону контакта со статорными пластинами 11, В момент, когда роторные пластины 12 входят в зону контакта со статорными пластинами 10 и площадь их контакта изменяется от нуля до максимума, роторные пластины 13 находятся в промежутке между статорными пластинами 11 и электрически не контактируют с ними. При повороте ротора в указанном направлении на угол ц л , площадь контакта через электролит между роторными и статор- ными электродами изменяется как показано на фиг.5, электрическое сопротивление контакта изменяется как показано на фиг.6, а форма кривой тока, протекающего от плюса источника тока через роторный электрод с положительной полярностью, электролит, один из статорных электродов, сопротивление нагрузки, второй ста- торный электрод, электролит, роторный электрод с отрицательной полярностью к минусу источника тока, показано на фиг.7.

Вращение ротора в противоположном направлении не допускается поскольку форма пластин несимметрична, так как это привело бы к нарушению законов изменения площадей электрических контактов статорных и роторных пластин, а следовательно к нарушению синусоидальности формы кривой генерируемого тока. Изменяя обороты приводного двигателя 7, можно менять частоту генерируемого переменного тока в широком диапазоне.

Предлагаемая конструкдая устройства для преобразования постоянного тока в синусоидальньгй позволяет преобразовывать постоянный ток в переменный синусоидальной формы регулируемой частоты. Однако чисто синусоидальной формы кривой инвертируемого тока можно добиться лишь для той величины сопротивления нагрузки, на которую рассчитывались и проектировались прсэфили статорных и роторных электродов по формулам (8), (12) и (13) При изменении сопротивления нагрузки в ту или другую сторону от расчетной ухудшается синусоидальност формы кривой инвертируемого тока. Однако увеличение коэффициента высших гармоник растет медленно и в целом не превьшгает 10-15%.

Формула изобретентя

Устройство для преобразования постоянного тока в синусоидальный содержащее статор с электродами на его внутренней поверхности и ротор с двумя электродами на его внешней поверхности, расположенными диаметрально противоположно и соединенными

5

0

5

0

5

0

5

0

с кольцами, и щетки, контактирующие с кольцами и подключенные к источнику постоянного тока электропроводящую жидкость в зазоре меязду статором и ротором приводной двигатель, соединенный с ротором механически, от.личающееся тем, что с целью улучшения качества генерируемой электроэнергии за счет снижения коэффициента гармонии кривой выходного тока, на статоре диаметрально противоположно расположены два электрода каждый из которых имеет ширину равную половине внутренней окружности статора минус ширина зазора между ними, и состоит из двух электрически связанных электропроводящих пластин с равной шириной, причем первая пластина смещена относительно второй по расточке статора на ширину пластины основания пластин лежат на одной окружности по расточке в плоскости перпендикулярной оси статора а их профили повернуты взаимно противоположно относительно основания вдоль оси статора на роторе каждый из электродов состоит из двух электропроводных прямоугольных широкой и узксй пластин, причем широкая плас- ., тина, расположенная на уровне первой статорной пластины по оси стато ра, имеет ширину, равную ширине ста- торной пластины, а высоту, равную высоте профиля первой пластины статора, узкая пластина роторного электрода, расположенная на уровне второй статорной пластины по оси статора, имеет высоту равную высоте профиля второй пластины статора, причем начало узкой пластины сдвинуто вдоль ее ширины относит.ельно конца широкой пластины по направлению вращения ротора на половину ширины узкой пластины, форма профиля первой пластины статора описывается формулой

IfcT cos i-f ZRuP sinv cost/ МТ 8InlfT+R J R„(T-iin r)

форма профиля второй пластины описывается формулой

„ 2Р

1

WUH

COS у

Rl(T-cosif)+RM««

55

.

Rn(1-sinif)+RM4H

где

f - удельная электропроводность , жидкости Ом м;

Фиг. 2

фиг.д

Фие.

Фи9.5

фуг. 7

ф1/8.$