КОЛЛЕКТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Советский патент 1947 года по МПК H02K47/28 

Предметом изобретения является коллекторный преобразователь электрического тока с цилиндрическим магнитопроводом по типу магнитопровода многофазной индукционной машины (преимущественно без воздушного зазора между первичной и вторичной системами), с многофазными первичной и вторичной обмотками и с коллектором, имеющим вращающиеся щетки, соединенные с одной из обмоток.

Предлагаемый коллекторный преобразователь отличается тем, что, с целью выполнения его универсальным (т.е. для преобразования переменного тока в постоянный и наоборот, или переменного тока в переменный ток другой частоты, или иного числа фаз, а также и для преобразования постоянного тока в постоянный ток другого напряжения), он снабжен вторым коллектором с вращающимися щетками, соединенными с другой из обмоток.

На фиг. 1-7 иллюстрируется принцип действия преобразователя, на фиг. 8-10 изображена его конструкция.

Как известно, машина постоянного тока сохраняет свои свойства, если у нее вращать не якорь, как это делается обычно, а жестко связанные между собой систему возбуждения и щетки (фиг. 1). Эффект от вращения системы возбуждения равнозначен эффекту от вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазной или многофазной системой. В результате механического движения щеток от постороннего двигателя (фиг. 2), свободного от каких-либо динамических нагрузок, трехфазный ток будет преобразован в постоянный. Если подводить к вращающимся щеткам постоянный ток, а трехфазную обмотку использовать, как генераторную систему, то можно осуществить преобразование и в обратном направлении, причем частота получаемого трехфазного тока будет зависеть от числа оборотов щеточного механизма.

Область возможных преобразований будет существенным образом расширена, если через вращающиеся щетки подавать однофазный переменный ток (на фиг. 3 - ƒ₁ и ƒ₂ - частота сети).

В этом случае одновременно и пульсирующее и вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой постоянного тока (первичной), будет индуктировать в трехфазной (вторичной) обмотке э.д.с, которая при всякой внесинхронной скорости щеток будет иметь характер биений. При строго синхронной скорости эти биения выравниваются в гармонический процесс и создадут нормальную трехфазную систему с тем, однако, искажением, что частота повышается вдвое. Это следует из того, что всякое пульсирующее поле может быть заменено двумя постоянными, имеющими уменьшенную вдвое амплитуду, синхронно вращающимися в противоположные стороны. При синхронном же вращении и самих щеток один из компонентов (встречный) становится неподвижным в пространстве и теряет свою способность индуктировать э.д.с. в неподвижной обмотке. Теперь это свойство удерживается лишь вторым (попутным) компонентом и поскольку скорость последнего в этих условиях равна двойной синхронной, то и отвечающая ему частота окажется также удвоенной.

Однако эту частоту можно регулировать в очень широком, применительно к сильноточным установкам, диапазоне, если одновременно применить здесь и преобразование частоты по способу Гейланда, но взятому в обращенном виде. Для этого нужно вторичную трехфазную обмотку выполнить в форме замкнутой обмотки постоянного тока и вывести ее к самостоятельному второму коллектору. Если наложить на этот коллектор щетки, сдвинутые на 120° (фиг. 4), то можно произвольно изменять частоту снимаемого трехфазного тока, если регулировать скорость их вращения с помощью второго вспомогательного двигателя. При синхронном вращении щеток будет удерживаться исходная частота.

Это может быть достигнуто и более простым способом, без какого-либо участия вторичной стороны машины. Для этого нужно лишь к имеющимся двум щеткам первичного коллектора добавить новую пару так, чтобы они образовывали с одной из первых трехфазную систему (фиг. 5). При этом, однако, утрачивается возможность одновременно трансформировать в желаемой степени напряжение.

Если у вторичной обмотки будут предусмотрены глухие фазовые выводы, позволяющие подавать в нее трехфазный ток (фиг. 6), то машина сможет работать, как простой преобразователь частоты.

Машина может быть сконструирована следующим образом (фиг. 7): цилиндрический магнитопровод, полностью отвечающий системе статор-ротор асинхронного двигателя, несет на себе две обмотки 1 постоянного тока. Для более удобного выполнения этих обмоток магнитопровод делается разъемным и состоит из двух частей: наружной (объемлющей) - с пазами 2 на внутренней поверхности и внутренней (объемлемой) - с пазами 3 на наружной поверхности. Для уменьшения магнитного сопротивления обе части подгоняют вплотную друг другу. С целью улучшения использования материала, обмотки и магнитопровод погружают в масло. Каждая из обмоток выводится к своему коллектору 4; наиболее рациональной формой для коллекторов, повидимому, будет плоская. В плоскости коллекторов лежат контактные кольца. С одной стороны кольца соединены с соответствующим коллектором вращающимися щетками, а с другой через особые неподвижные зажимы (на чертеже не указаны) осуществляют вводы и выводы аппарата. У первичного коллектора таких колец должно быть по одному или по два на каждую сторону (фиг. 8) для тех случаев, когда в общем комплексе преобразований применяется и схема неизменяемой частоты (фиг. 5).

Вторичный коллектор имеет три кольца (фиг. 9). Щетки, соединяющие с коллектором крайние кольца, в той части, которая отвечает расположению средних колец, должны иметь или вырезы или изолирующие прокладки. Надлежащим образом сблокированные в щеткодержателях любой конструкции щетки приводятся во вращение либо однофазным синхронным двигателем на стороне первичного коллектора, либо однофазным коллекторным двигателем на стороне вторичного коллектора, причем верхний предел для оборотов последнего должен быть не ниже двойного синхронного числа оборотов по отношению к исходной частоте преобразуемого тока.

Выполненный указанным образом преобразователь позволит, во-первых, осуществить взаимное преобразование между любыми системами тока, во-вторых, трансформировать напряжение даже постоянного тока и наконец, получить переменную частоту с достаточно широкими пределами изменения, вплоть до изменения самого порядка чередования фаз, которое наступает при вращении щеток вторичного коллектора со скоростью:

Такое многообразие отправляемых машиной функций позволяет считать ее практически универсальным преобразователем.

Наибольшее применение найдет, очевидно, взаимное преобразование между однофазным и трехфазным токами, так как оно, с одной стороны, позволит использовать наиболее ходовой и надежный тип двигателя - трехфазный, асинхронный, а с другой - обеспечить полную и устойчивую симметрию трехфазной системы при однофазных потребителях.

Для тех случаев, когда удвоенная частота окажется приемлемой, возможна и иная модификация машины, при которой, наряду с преобразованием системы тока, она будет выполнять функции и потенциал-регулятора. Для этого нужно лишь обеспечить взаимное поворачивание обмоток друг относительно друга, а вторичную замкнутую обмотку сделать разрезанной или заменить обычной трехфазной, но в катушечном исполнении. Тогда, соединив обмотки, как это указано на фиг. 10, можно сообщить машине и свойства потенциал-регулятора.

Коллекторный преобразователь электрического тока с цилиндрическим магнитопроводом по типу магнитопровода многофазной индукционной машины (преимущественно без воздушного зазора между первичной и вторичной системами), с многофазными первичной и вторичной обмотками и с коллектором, имеющим вращающиеся щетки, соединенные с одной из обмоток, отличающийся тем, что, с целью выполнения его универсальным (т.е. для преобразования переменного тока в постоянный и наоборот, или переменного тока в переменный ток другой частоты, или иного числа фаз, а также и для преобразования постоянного тока в постоянный ток другого напряжения), он снабжен вторым коллектором с вращающимися щетками, соединенными с другой из обмоток.