Однофазный машинно-вентильный генератор Советский патент 1980 года по МПК H02K19/36 H02M7/98 

1

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к генераторам переменного тока, выходная частота которых может регулироваться независимо от скорости вращения, например, в автономных источниках электропитания.

Регулирование частоты выходного напряжения независимо от скорости вращения синхроннбго генератора обычно достигается установкой на выходе этого генератора полупроводникового преобразователя частоты 1.

При использовании простых и экономичных вентильных преобразователей частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией вентилей требуется сложная система управления, а также фильтр для улучшения формы кривой выходного напряжения.

Эти недостатки частично устранены в системах, в которых генератор возбуждается переменным напряжением заданной выходной частоты, а саглэ напряжение, модулированное по амплитуде, выпрямляется и циклически перекоммутируется на нагрузку 2. При этом достигается упрощение преобразователя на выходе генератора и

управления км. При этом сам генератор используется сравнительно плохо, а коммутатор и управление им достар точно сложны. Это связано с тем, что генератор не участвует в процессе последующей коммутации или усиления.

Известные же электрические машины,

10 совмещающие функции генератора и

ма-нитногс усилителя 31, не позволяют осуществлять регулирование частоты непосредственно в самом генераторе.

(5 .Наиболее (Япизким по технической С,-щности и дости-гаекюму результату к данному изобретению является однофазный маиинно-вентильный генератор peгyлиpye ioй частоты, содержащий

20 якорь с расположенными на нем многофазными обмотками, подключенными к вентилям, и индуктор с o6NraTKon возбуждения 4 ,

Силовая схема устройства состоит

25 из трехфазного генератора, возбуждаегж5го переменным током от источника эталонной постоянной частоты, коммутатора, состоящего из двенадцати управляемых вентилей и выходного

30 фильтра.

Недостатками этого устройства являются сложность силовой (наличие указанных трех частей, а также большое количество вентилей Б коммутаторе) ; сложность управления коммутатором, связанная с необходамостью обеспечения двухканальной системы управления с шестью гальванически не свяэ.анными выходами в кгаждо канале, а также с необходимостью синхронизации импульсов управления с источником эталонной частоты; низкое использование активных материалов Ненератора. Генератор в режиме модул-ятора должен иметь удвоенную предельную мощность (относительно мощности нагрузки) даже при КПД комглутатора, равном единице. Для уменьшения мощности, потребляекюй обмоткой вЬзбуждения до приемлемых значений, частота вращения должна быть знечительно Bfcffiue выходной частоты, что обуславливает применение генератора индукторного типа, А так как магиитопровод индукторного генератора используется по меньшей мере в 2,5 раза хуже, чем в генераторе,выполненном, на низкую выходную частоту, то в результате использование манитопровода в таком генераторе-модуляторе, по меньшей люре, в 5 раз хуже, чем в обычном трехфазном гене;раторе,- выполненном на частоту TOKEI нагрузки. Кроме того,, зависимость мощности возбуждения от скорости вращения ограничивает дшапазон регулироЕания (стабилизации).

Цель изобретения - упрощение cxe.vsbi управления, а также улучшение использования магнитопровода генератора.

Это достигается тем, что якорь генератора выполнен из отдельных магните про во до в, число которых PCIBHO числу фаз генератора, причем на каждОм магнитопроводе расположены фс1за обмотки якоря и одна фаза дополнителной введенной обмотки управления, замкнутой управляемым вентилем, ci выходные обмотки всех фаз обмотки якоря соединены между собой последовательно и согласно, причем управляюище Электроды всех вентилей и их катоды объединены,между собой.

Благодаря такому выполнению кгок-дэя фаза якоря совмещает функции гегнратора И магнитного усилителя с самонасыщением, а поскольку магнитны потоки отдельных магнитопроводов различных фаз зависят как от номеров этих фаз, так и от управляющих сиг-налов, результирующее суммарное потокосцепление выходной обмотки иЗиМегняется синусоидально с частотой,независящей от частоты вращения.

На фиг. 1 изображен пpeдлaгae ый машинно-вентильный генератор, продолный разрез; на фи.г. 2 - то же, по i оси вращения; на фиг. 3 а б - cxei«

соединений статорных обмоток; на фиг. 4 - диаграмма магнитных потоков при синфазном управлении вентилями. .Машинно-вентильный генератор содержит статор и ротор, магнитные системы которых образуют шесть отдельных агнитопроводов. На статоре расположено шесть стержней 1 П-образной форкы, которые расслоены (шихтованы) вдоль оси вращения. Стержни мэгут Оытъ набраны из пластин электротехнической стсШИ или навиты из ленточной электротехнической стали. Стержни 1 статора расположены по окружности на равных расстояниях друг от друга и прикреплены к станине любым способом, обеспечивающим фиксацию их взаимного положения.

Магнитная система ротора состоит из двух круглых пакетов 2, соединенных стержнями 3. Пакеты 2 набраны из круглых пластин электротехнической стали и имеют пазы для укладки обмоток, как в электрических машинах обычного исполнения. Стержни 3 ротора шихтованы вдоль оси врадения и приг ыкают к пакетам 2 без зазора. Стержни 3 прикреплены к валу 5 с помощью втулки 4, чем обеспечивается фиксация их положения.

Каждый стержень 1 статора совместно с прилегающими к нему участками пакетов 2 ротора и несколькиг и стержнями 3 образует отдельный магнитопровод,

В пазах каждого пакета 2 ротора уложена обмотка возбуждения 6, выполненная по типу обычной распределенной обмотки с одной парой полюсов. Оси обмоток возбуждения б обоих пакетов 2 противоположны и создают намагничивающие сила, действующие соласно вдоль стержней 1 и 3. Обмотки возбуждения подключены к источнику возбуждения постоянного тока с помощью контактных колец на валу 5 (подключение и контактные кольца не показаны)„ На каждом стержне статора расположена обмотка управления 7 в виде концентрической катушки. Якорна (выходная) обмотка генератора представлена в виде кольцевой катушки

8,расположенной соосно с валом. Она может быть выполнена также в виде последовательного соединения рабочих обмоток концентрических катушек, расположенных на стержнях статора.

Шесть магнитопроводов фиг.З условно показаны в виде шести сердечников

На каждом сердечнике расположены управления 7 и рабочая обмэтка 8, представляющая собой часть общей выходной обмотки генератора. К каждой обмотке 7 подключен вентиль

9.Все рабочие обмотки 8 соединены последовательно, образуя выходную обмотку. К зажимам Н-Н выходной обмотки подключается нагрузка. Рассмотрим работу генератора, ког да каждая управляющая обмотка 7 замкнута (накоротко) управляемым вентилем (тиристором) 9, причем вентили 9 управляются независимо друг от друга как показано на фиг. За. При отсутствии управляющих сигналов все вентили 9 заперты, магнитные потоки шести магнитопровэдовизменяются син соидально с круговой частотой uJ вра щения ротора, со сдвигом друг относительно друга на 60° . Их сумма,сцепленная с выходной обмоткой, равна нулю и напряжение на нагрузке отсутствует. Maкcимaль foe значение Ф, ма нитного потока выбирается на границе насыщения, т.е. немногим меньше значения Og потока насыщения стержня статора. Изменением магнитного потока- насыщенного магнитопровода пренеб регают . При подаче отпиргиощего сигнала на управляющий электрод одного из ве тилей в начале каждого полупериода его проводимости данный вентиль отпирается. Так как падение напряжения на сопротивлениях обмотки управления и проводящего вентиля незначи.тельно, то есть соответствующий стер жень не перемагничивается, а только намагничивается в одном направлении. Поэтому, спустя период частоты враще ния, данный стержень насыщается и остается насыщенным до подачи управляющего сигнала на данный вентиль. При этом его магнитный поток изменяется незначительно (соответственно падению напряжения в короткозамкнутой цепи), например от Ф до Ф , и, будучи неизменным по направлению, замыкается вдоль оси генератора. Маг нитный поток данного магнитопровода практически не изменяется поэтому ЭДС в его рабочей обмотке 8 не индуцируется. Следовательно напряжения . всех рабочих обмоток 8 не образуют ситчметричную многофазную систему, их сумма отлична от нуля и на нагруз ке-на зажимах Н-Н появляется напряжение. Наибольшего значения это напряжение достигает при отпирании одновременно трех вентилей. При этом с выходной обмоткой сцеплен суммарный магнитный поток ненасыщенных трех стержней, амплитуда которого равна 2Ф, а фа5а выходного напряжения определяется положением включаемых вентилей среди всех вентилей. Если фаза сЛ соответствует включеНИК1 первого, второго и третьего вентилей, то фаза (сХ + 60) соответствует включению второго, третьего и четвертого вентилей (нумерация против направления вращения). При переключении вентилей непрерывно с частотой я. фаза выходного напряжения также изменяется непрерывно с шагом в 60 , и, следовательно, частота вы ходного напряжения равна ((JJ + Я.) или (ий-Л) в зависимости от переключения вентилей по направлению вращения или против. Таким образом,частота выходного напряжения может регулироваться независимо от скорости врсщения. Рассмотрим работу машины при включении вентилей так, как показано на фиг. Зб, а., именно, когда управляющие электроды всех вентилей -объединены и управляю аий сигнал подается на зажимы а-в,т.е. одновременно на все вентили. Работа устройства для такого случая поясняется диаграммой (фиг.4), где тонкие синусоидальные линии иэобргикают магнитные потоки шести магнитопрово1дов при выключенных вентилях. Управляющий (отпирающий) сигнал (заштриховгшный прямоугольник в нижней части) подается в момент и JiMeeT длительность немногим больше g- (могут также использоваться узкие импульсы такой же суммарной длительности). Момент (Х. подсыи управляющего импульса для первого из шести вентилей попадает в конец того полупериода, когда вентиль может проводить. Так как падение напряжения на сопротивлении короткозамкнутой обмотки незначительно, то после включения вентиля 9 магнитный поток первого магнитопровода практически не изменяется (на фиг. 4 показано штрихпунктирной линией) . Неизменное з начение потока сохраняется до момента 1Г ( после чего анодное напряжение вентиля изменяет знак и он перестает проводить. С этого момента магнитный поток возрастает , при си1()4 v достигает значения Ф насыщения и сохраняет это значение до начала проводящего полупериода. С начала проводящего полупериода магнитный поток уменьшается (штрих-пунктирная линия на фиг. 4), к моменту Л достигает первоначального значения,после чего вентиль включается и процесс повторяется. Изменение магнитного потока второго магнитопровода показано на фиг. 4 пунктирной линией. В моменте. магнитный поток равен нулю, и так как второй вентиль в этот момент также включается, поток перестает изменяться до конца проводящего полупериода. С момента анодное напряжение вентиля изменяет знгж и магнитный поток возрастает. В момент IBuut 4-j второй магнитопровод насыщается и остается насыщенным до начала проводящего полупериода uJt 11-gпосле чего поток уменьшается, достигая к моменту сЛ первоначального значения, и процесс повторяется. Изменение магнитного потока (Третьего магнитопровода показано на фиг. 4 линией тире-две точки Момент А включения третьего вентиля попадает в начало его проводящего полупериода. Неизменное значение потока сохраняется до конца про водящего полупериода , пос ле чего поток возрастает, достигает в момент UJt 4-;-значения Фд и рпять остается неизменным до начапа проводящего полупериода UJt -g- . даliee поток уменьшается и процесс ювторяется. : Для четвертого вентиля момент попадает в конец его непроводящего йолупериода. Но так как длительность управляющего импульса захватывает и начало проводящего полуЬериода, то четвертый вентиль- успе(вает включиться в момент out - и ПРОВОДИТ ток весь поовопяший полупериод Магнитны |поток четвертого магнитопровода (на фиг.4 - точечная линия) в течение всего проводящего полупериода практ чески не изменяется и равен поток возрастает до Фд и остается неизменным весь непроводящий полу:Период. С изменением знака анодного напряжения в момент че :вертый вентиль опять включается. 1 Пятый и шестой вентили не успе-|вают включиться, т.е. магнитные по дтоки пятого и шестого магнитопрово|ДОв изменяются синусоидально. Суммарный магнитный поток,- сцеппленный с выходной обмоткой, пока-;зан на фиг.4 сплошной жирной кривой. Су лмарное потокосцепление содержит постоянную и переменную составляю:цие (фиГо4). Переменнс.я составляющая потокосцепления выходной обмотки, обуславливающая на.пряженке на зажимах H-Hj имеет миниг-гум в MON HT-подачи управляющего сигнала в максимум, отстоящий на - 1Г. Сле довательно, изменяя момент подачи управляющего сигнала внутри периода можно плавно изменять фазу напрякения на зажимах Н-Н в пределах 360° Если молвит подачи, сигнала изменяет свое положение от периода к периоду частоты вращения, т.е. если частота сигнала, не равна частоте вращения, то частота напряжения на зажимс1х Н-Н равна частоте сигнала. Так как частота выходного напряжения равна частоте сигнала, а мощность Е нагрузку поступает от вала, то ге нератор является усилителем мощност Управление одним сигналом достигается благодаря тому, чтр все обмо ки управления 7 замкнуты идентично включенными вентилями (фиг.36). Так как каждый вентиль проводит ток только при совпадении во времени управляющего сигнала и определенной полярности анодного напряжения вентиля (такое совпадение в многофазной системе имеет место лишь для части вентилей), то различные вентили оказываются в различных условияХ(. так что одновременно включается лишь часть вентилей. Поэтому принцип работы генератора сохраняется при подк:ггючении обмоток управления 7 к вентилям 9, если последние выполнены неуправляемыми, а полностью управляемый ключ являетс.я общим для всех обмоток. При замыкании такого ключа на время, равное полупериоду частоты вращения, закорачиваются те обмотки 7р у которых вентили 9 имеют положительное анодное напряжение и могут проводить,Так как время замкнутого состояния общего ключа захватывает различные части проводящего полупериода в различных вентилях, то изменения магнитных потоков будут примерно такими же, как показано на фиг. 4, и работа генератора принципиально не изменяется. Из работы устройства видно, что при выполнении вентилей как управляемыми, так и неуправляемыми, одновременно замыкаются накоротко примерно половина обмоток управления. Время этого замыкания различно: от полупериода для того вентиля, который включается в начале своего троводяшего полупериода, до нуля для того вентиля, который включается в конце своего проводящего полупериода. , При оценке потерь з короткозамкнутых обмотках среднее время их замыкания составляет /4 периода. Поэтому эти потери значительно меньше, чем например, в двигателях с экранированными полюсами, где короткозамкнутые контуры замкнуты постоянно. Силовая схема предлагаемого устройства проста, так как не требуется установки фильтра: при шести вентилях форма потокосцепления выходной обмотки, и соответственно, выходного напряжения приемлема для большинства нагрузок да:же при управлении оЗцним сигналом. Управление вентилями также простое так как они управляются одним сигналом с Гс;шьванической связью управляющих переходов. В предлагаемом генераторе использ потся магнитные материалы, Потокосцеплекие выходной обмотки cyMtvia потоков незакороченных фаз равно результирующей векторов фазных потоков, где m -- число фаз якоря (число отдельных магнитопроводон)„ Поэтому выходное напряжение в раз превы111ает фазное напряжение одной незакороченной фазы. Следовательно, по сравнению с т-фазным синхронным генератором магнито|провод предлагаемого однофазного генератора используется на 4