Вентильный генератор постоянного тока

2. Вентильнь 1 й генератор постоянного тока, содержащий индуктор с обмоткой возбуждения, ш-фазную обмотку якоря, ш однофазных двухполупериодных выпрямителей,причем каждая фаза якоря подключена своими выводами К отдельному двухполупериодному выпрямителю, отличающийся тем, что содержит ш управляемых электронных ключей двухсторонней проводимости, ш датчиков тока фазы, датчик положения ротора,выходной конденсатор, датчик выходного напряжения и схему управления электронными ключами, получающую сигналы от датчиков тока фазы, датчика выходного напряжения и датчика положения ротора, силовые зажимы каждого из ключей двухсторонней проводимости подключены к выводам соответствующей фазы обмотки якоря, минусовые выводы всех двухполупериодных выпрямителей объединены между собой и минусовой обкладкой выходного конденсатора, образуя минусовой зажим генератора, положительные выводы всех двухполупериодных выпрямителей объединены между собой и плюсовой обкладкой выходного конденсатора, образуя плюсовой зажим генератора.Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в системах электроснабжения для получения постоянного тока, в частности в автономных энергоустановках в качестве первичного источника электроэнергии.Известны вентильные генераторы постоянного тока, обмотка якоря которых вь 1 полнена в виде многофазной звезды, подключена к нагрузке через многофазный одно- и двухполупериоднь 1 й выпрямитель и индуктивный сглаживающий фильтр (Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока Уч. пос. для ВУЗов. М. Высш. шк., 1982. - С. 272, 113-114 Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины Уч. пос. для электромеханических и электроэнергетических спец. ВУЗов. - М. Высш. шк.,1990. - С. 416, 187, 207-209). К недостаткам таких генераторов следует отнести снижение мощности на стороне постоянного тока по сравнению с расчетной мощностью базового синхронного генератора, высокий уровень пульсаций напряжения на выходе вь 1 прямителя, для уменьшения которых применяют индуктивный фильтр значительной массы и габаритов, невысокие динамические свойства генераторов, с индуктивностью на выходе при стабилизации выходного напряжения, пониженный КПД.Наиболее близким к предлагаемому устройству является вентильный генератор постоянного тока (А.с. СССР 972635, МПК Н О 2 К 29/02, 1982), содержащий индуктор с обмоткой возбуждения, ш-фазную обмотку якоря, ш-однофазнь 1 х двухполупериодных выпрямителей, каждая фаза якоря подключена своими выводами к отдельному двухполупериодному выпрямителю, выпрямители соединены между собой и нагрузкой последовательно.Недостатками такого устройства являются необходимость применения несинусоидальной формы напряжения в фазах и последовательного соединения двух фаз, пространственно разнесенных на 90 для получения качественного постоянного напряжения,влияние собственной индуктивности фаз и реакции якоря на качество выходного напряжения, что приводит к невозможности выполнения такого генератора на большую мощность.Настоящее изобретение направлено на решение задачи увеличения удельной преобразуемой мощности генератора, снижение пульсаций генерируемого постоянного напряжения, расширение диапазона регулирования и повышение точности поддержания выходного напряжения при изменении нагрузки генератора, повышение КПД генератора, снижение массы и габаритов вентильного генератора, повышение надежности работы, а также энергосбережение, т.е. улучшения технико-экономических показателей элементов силового оборудования энергосистемы.Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в улучшении массогабаритных показателей устройства (на 30-60 в за 2висимости от его мощности) за счет увеличения коэффициента использования установленной мощности генератора и уменьшения массы выходного фильтра, снижении коэффициента пульсаций выходного напряжения до О,5-1 и как следствие этого потерь в энергосети основной системы электроснабжения, увеличении коэффициента полезного действия устройства, за счет улучшения формы тока фаз якоря вентильного генератора,уменьшении выходного сопротивления преобразователя. Этот результат достигается за счет того, что управляемые в соответствии с заданным алгоритмом электронные ключи фаз генератора позволяют формировать синусоидальную форму тока в фазах генератора согласованную с ЭДС холостого хода фазы при параллельной работе выходных вь 1 прямителей фаз на выходной емкостной фильтр.Решение поставленной задачи по п. 1 формулы изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем индуктор с обмоткой возбуждения, ш-фазную обмотку,якоря, ш - однофазных двухполупериодных выпрямителей, причем каждая фаза якоря подключена своими выводами к отдельному двухполупериодному выпрямителю, отличающийся тем, что генератор снабжен ш-управляемь 1 ми электронными ключами односторонней проводимости, ш-датчиками тока фазы, ш-разделительными диодами, датчиком положения ротора, выходным конденсатором, датчиком выходного напряжения и схемой управления электронными ключами, получающей сигналы от датчиков тока, датчика напряжения и датчика положения ротора, силовые зажимы каждого из ключей односторонней проводимости подключены между выводами мостового выпрямителя, минусовые выводы всех выпрямителей фаз объединены между собой и минусовой обкладкой вь 1 ходного конденсатора, образуя минусовой зажим генератора, положительный вывод каждого выпрямителя подключен к аноду соответствующего разделительного диода, катоды разделительных диодов объединены между собой и подсоединены к плюсовой обкладке вь 1 ходного конденсатора, образуя плюсовой зажим генератора.Отличительными признаками предлагаемого устройства п. 1 формулы изобретения по отношению к известному являются наличие управляемых электронных ключей односторонней проводимости позволяющих формировать токи фаз заданной формы при их параллельном соединении друг с другом через выпрямительные мосты и емкостной сглаживающий фильтр.Решение поставленной задачи по п. 2 формулы изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем индуктор с обмоткой возбуждения, ш-фазную обмотку якоря, ш-однофазных двухполупериодных выпрямителей, причем каждая фаза якоря подключена своими выводами к отдельному двухполупериодному выпрямителю,отличающийся тем, что генератор снабжен ш-управляемыми электронными ключами двусторонней проводимости, ш-датчиками тока фазы, датчиком положения ротора, вь 1 ходным конденсатором, датчиком выходного напряжения и схемой управления электронными ключами, получающей сигналы от датчиков тока, датчика напряжения и датчика положения ротора, силовые зажимы каждого из ключей двусторонней проводимости подключены к выводам соответствующей фазы обмотки якоря, минусовые вь 1 водь 1 всех выпрямителей фаз объединены между собой и минусовой обкладкой выходного конденсатора, образуя минусовой зажим генератора, положительные выводы всех двухполупериодных выпрямителей объединены между собой и плюсовой обкладкой вь 1 ходного конденсатора, образуя плюсовой зажим генератора.Отличительными признаками предлагаемого устройства п. 2 формулы изобретения по отношению к известному являются наличие управляемых электронных ключей двусторонней проводимости позволяющих формировать токи фаз заданной формы при их параллельном соединении друг с другом через выпрямительные мосты и емкостной сглаживающий фильтр.На фиг. 1 представлена схема бесколлекторного генератора постоянного тока по п. 1,на фиг. 2 - схема, соответствующая п. 2. На фиг. 3 изображен пример изменения тока фа ВУ 8863 С 1 200741248зы. На фиг. 4 представлен ключ односторонней проводимости, на фиг. 5 - варианты ключей двухсторонней проводимости. На фиг. 6 показана модель фазы генератора, разработанная в системе схемотехнического моделирования М 1 СКО-САР У. На фиг. 7 представлены временные диаграммы электромагнитных процессов в одной из фаз генератора, на фиг. 8 приведены необходимые детальные пояснения К ним.В общем случае предлагаемые вентильные генераторы постоянного тока (ГПТ) являются ш-фазными. Для пояснения принципа работы генератора по п. 1 на фиг. 1 приведен 2-х фазный ГПТ. Согласно фиг. 1, устройство содержит две мостовые схемы вь 1 прямления, выполненные на диодах - первая на диодах 1-4, вторая на 5-8 Ключевые элементы односторонней проводимости 9, 10 индуктор генератора 11 с обмоткой возбуждения(ОВ) якорные обмотки 12, 13 выходной конденсатор 14 датчики тока 15, 16 датчики положения ротора 17, выходного напряжения 18 схему управления ключевыми элементами 19, разделительные диоды 20, 21. Для пояснения принципа работы генератора по п. 2 на фиг. 2 приведен 2-х фазный ГПТ, содержащий две мостовые схемы выпрямления, вь 1 полненные на диодах - первая на диодах 1-4, вторая на 5-8 электронные ключи двухсторонней проводимости 9, 10 индуктор генератора 11 с обмоткой возбуждения (ОВ) якорные обмотки 12, 13 выходной конденсатор 14 датчики тока 15, 16 датчики положения ротора 17, выходного напряжения 18 схему управления ключевыми элементами 19.Принцип действия обоих генераторов основан на реализации в них согласованных режимов по их входу и выходу. Это достигается путем формирования в каждой из фаз синусоидальных токов синфазных с ЭДС холостого хода генератора при одновременном обеспечении постоянства напряжения на выходе генераторной установки. В этом случае удельная преобразуемой мощность в генераторе будет максимальной, при заданном значении его КПД, а выходной конденсатор совместно с быстродействующей схемой управления обеспечивает необходимую жесткость внещней характеристики данного источника постоянного тока при высоком качестве выходного напряжения.Работу генератора по фиг. 1 рассмотрим на примере одной из фаз. В фазе якорной обмотки 12 действует индуцируемая синусоидальная ЭДС Ед, а датчик положения ротора 17 выдает опорный синусоидальный сигнал синфазный с данной ЭДС. Данный сигнал, умноженный на амплитуду тока, представляет собой желательный ток фазы. Его амплитуда определяется мощностью нагрузки. Пусть рассматривается момент времени, когда положительный потенциал ЭДС действует на верхнем выводе обмотки 12. Ключ 9 разомкнут и ток создаваемый источником ЭДС протекает по цепи от обмотки 12, через датчик тока 15, диод 1, параллельно соединенные конденсатор 14 и нагрузку, диод 4, обмотки 12. Напряжение на нагрузке равно напряжению на конденсаторе Пс и практически изменяется мало, его величина задается равной удвоенному значению ЭДС. Данное напряжение уравновешивается ЭДС холостого хода и ЭДС самоиндукции индуктивности фазы генератора Ьф, препятствующей изменению тока через фазуПроцессы накопления энергии в конденсаторе 14 и поступления энергии в нагрузку обеспечиваются в этом случае за счет электромеханической энергии генератора и уменьщения энергии запасенной в индуктивности фазы на предшествующем интервале работы. Поэтому ток фазы будет снижаться. Как только его мгновенное значение окажется ниже заданного, на установленную величину А 11, схемой управления 19 выдается сигнал на ключ 9. При этом фаза замыкается накоротко, ее ток нарастает и электромеханическаяНСКОТОРОВ ВрСМЯ МГНОВСННОС ЗНЗЧСНИС тока фазы становится ВЫШС на заданную ПОрОГО 4вую величину А 12, силовой ключ 9 размыкается схемой управления 19 И вновь наступает описанный ранее режим. Пороги выставляются таким образом, что частота коммутации силового ключа 9 много больше Частоты ЭДС генератора. Поэтому ток фазы якоря оказь 1 вается синусоидальной формы с наложенными высокочастотными пульсациями, ЧТО обеспечивает полное использование габаритной мощности базового генератора переменного тока.Рассмотрим работу генератора по фиг. 2 на примере одной из фаз. В фазе якорной обмотки 12 действует индуцируемая синусоидальная ЭДС Ео, а датчик положения ротора 17,выдает опорный синусоидальный сигнал синфазный с данной ЭДС. Данный сигнал, умноженный на амплитуду тока, представляет собой желательный ток фазы. Его амплитуда определяется мощностью нагрузки. Пусть рассматривается момент времени, когда положительный потенциал ЭДС действует на верхнем выводе обмотки 12. Ключ 9 разомкнут и ток создаваемый источником ЭДС протекает по цепи от обмотки 12, через датчик тока 15, диод 1, параллельно соединенные конденсатор 14 и нагрузку, диод 4, обмотки 12. Напряжение на нагрузке равно напряжению на конденсаторе Пс и практически изменяется мало, его величина задается равной удвоенному значению ЭДС. Данное напряжение уравновешивается ЭДС холостого хода и ЭДС самоиндукции индуктивности фазы генератора Ьф, препятствующей изменению тока через фазуПроцессы накопления энергии в конденсаторе 14 и поступления энергии в нагрузку обеспечиваются в этом случае за счет электромеханической энергии генератора и уменьшения энергии запасенной в индуктивности фазы на предшествующем интервале работы. Поэтому ток фазы будет снижаться. Как только его мгновенное значение окажется ниже заданного, на установленную величину А 11, схемой управления 19 выдается сигнал на ключ 9. При этом фаза замыкается накоротко, ее ток нарастает и электромеханическаяДиоды 1-4 моста в это время заперты, и конденсатор 14 питает нагрузку. Когда через некоторое время мгновенное значение тока фазы становится выше на заданную пороговую величину А 12, силовой ключ 9 размыкается схемой управления 19 и вновь наступает описанный ранее режим. Пороги выставляются таким образом, что частота коммутации силового ключа 9 много больше частоты ЭДС генератора. Поэтому ток фазы якоря оказь 1 вается синусоидальной формы с наложенными высокочастотными пульсациями, что обеспечивает полное использование габаритной мощности базового генератора переменного тока.Из рассмотрения работы предлагаемых устройств видим, что электромагнитные процессы в фазах вентильных генераторов постоянного тока и логика работы схем управления по схемам фиг. 1 и фиг. 2 идентичны.Пример изменения тока фазы изображен на фиг. 3. Регулирование величины вь 1 ходного напряжения генераторов осуществляется за счет изменения тока в обмотке возбуждения 11 при одновременном изменении величины порогового значения выходного напряжения. Данная цепь обладает значительной инерционностью. Для улучшения работы генератора в переходных режимах (при сбросах, набросах нагрузки) в устройстве предусмотрен дополнительный контур стабилизации выходного напряжения при помощи цепи обратной связи, содержащей датчик выходного напряжения 18, схему управления 19 и силовые ключи 9, 10. Эквивалентная полоса пропускания данного контура управления значительно меньше полосы пропускания контуров регулирования токов фаз, но она больше полосы контура регулирования напряжения за счет изменения тока возбуждения.