СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ УНИПОЛЯРНЫМ КОМПРЕССИОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ

Название	СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ УНИПОЛЯРНЫМ КОМПРЕССИОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ
Разработчик (Авторы)	Носов Г.В.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	65313
Дата регистрации	22.01.2007
Правообладатель	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет

Описание изобретения

Полезная модель относится к области электромашинных импульсных генераторов параметрического типа со щеточным узлом (скользящими контактами) и с периодически изменяющейся при вращении ротора суммарной индуктивностью одинаковых обмоток ротора и статора. Схема управления униполярным компрессионным генератором может быть использована для питания нагрузки мощными импульсами тока.

Известна схема управления компрессионным генератором [А.с. СССР 934888. МПК Н03К 3/00. - Опубл. 15.08.1983. Бюл. №30], состоящая из последовательно соединенных импульсного источника питания, например, заряженной конденсаторной батареи, коммутатора, нагрузки, скользящих контактов генератора, а также одинаковых обмоток ротора и статора, причем параллельно импульсному источнику питания и коммутатору подсоединен замыкатель. В момент близкий к максимальному значению суммарной индуктивности обмоток ротора и статора коммутатором подключается импульсный источник питания. После создания магнитного потока в генераторе замыкателем импульсный источник питания и коммутатор закорачиваются, и за счет уменьшения суммарной индуктивности обмоток при повороте ротора в нагрузке генерируется импульс тока.

Недостатком этой схемы управления компрессионным генератором является большая мощность и энергоемкость импульсного источника питания.

Наиболее близким техническим решением является схема управления, которая выбрана в качестве прототипа [А.с. СССР 1121752. МПК Н02К 31/00. - Опубл. 30.10.1984. Бюл. №40], состоящая из последовательно соединенных посредством скользящих контактов одинаковых обмоток ротора и статора генератора, коммутатора и нагрузки, причем обмотки генератора имеют выводы на противоположные торцы ротора и статора. В момент близкий к максимальному значению суммарной индуктивности обмоток ротора и статора коммутатором подключается нагрузка. За счет униполярной ЭДС обмотки ротора и изменения суммарной индуктивности обмоток при вращении ротора в нагрузке генерируются импульсы тока при незначительной мощности источника возбуждения.

Недостатками этой схемы управления униполярным компрессионным генератором является недостаточная мощность генерируемых импульсов тока, а также трудность отключения нагрузки коммутатором, так как ток не достигает нулевого значения.

Задачей полезной модели является повышение мощности генерируемого импульса тока и облегчение отключения коммутатором нагрузки при достижении током нулевого значения.

Это достигается тем, что в схеме управления униполярного компрессионного генератора, также как в прототипе содержащей последовательно соединенные посредством скользящих контактов одинаковые обмотки ротора и статора генератора с выводами на противоположные торцы ротора и статора, коммутатор и нагрузку. Согласно полезной модели дополнительный коммутатор подсоединен параллельно скользящим контактам и обмотке ротора генератора.

Достигаемый результат поясним при питании индуктивной нагрузки L_Н в переходном и установившемся режимах для униполярного компрессионного генератора при постоянных значениях индуктивностей обмоток генератора L и постоянной униполярной ЭДС Е. Примем, что взаимная индуктивность обмоток генератора при вращении ротора изменяется во времени t с периодом Т=2π/ω по гармоническому закону

где k<1 - коэффициент связи обмоток ротора и статора;

ω - угловая частота, определяемая частотой вращения ротора и числом пар полюсов обмоток ротора и статора.

1. Рассмотрим переходный режим без учета активных сопротивлений, когда ток в нагрузке генерируется с нарастающей амплитудой.

Потокосцепления обмоток ротора (ψ_P) и статора (ψ_C) будут равны

где i₁ - ток, протекающий через дополнительный коммутатор;

i₂ - ток, протекающий через нагрузку.

У прототипа отсутствует дополнительный коммутатор и i₁=0, тогда из уравнения

при i₂(0)=0, когда нагрузка подключается коммутатором в момент максимума суммарной индуктивности обмоток генератора, находим

где  - максимальное значение тока i₂ прототипа при временах t^* _m=(2m+1)π/ω, отсчитываемых с момента подключения обмотки ротора, т.е. нагрузки (m=1, 2, 3 ...);

 - коэффициент, учитывающий индуктивность нагрузки L_Н.

При этом максимальная энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, соответствует n=1-k и составляет

По заявляемой схеме управления вначале дополнительный коммутатор в момент максимума суммарной индуктивности обмоток генератора (фиг.1, кривая 1) закорачивает обмотку ротора со скользящими контактами, тогда при i₂=0 и i₁(0)=0 из решения уравнения

находим ток, протекающий под действием униполярной ЭДС Е через дополнительный коммутатор, обмотку ротора и скользящие контакты (фиг.1, кривая 2), т.е.

затем из решения уравнений

после подключения коммутатором обмотки статора в момент времени t₀=2mπ/ω (фиг.1, при m=1 и t/T=1), когда суммарная индуктивность обмоток (фиг.1, кривая 1)

максимальна и равна L_m=2L·(1+k), определяем токи i₁ (фиг.1, кривая 2 при t/T>1)и i₂ (фиг.1, кривая 3 при t/T>1):

где I_m ^** - максимальное значение тока i₂ при временах t_m ^**=t_m ^*=(2m+1)π/ω, отсчитываемых с момента подключения обмотки ротора дополнительным коммутатором (m=1, 2, 3 ...).

При этом максимальная энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, соответствует n=0.5·(1-k²) и составляет

Таким образом, имеем

т.е. по заявляемой схеме управления униполярный компрессионный генератор в переходном режиме имеет в 2-4 раза большую энергию импульса тока в нагрузке при любых значениях m, а, значит, и большую мощность импульсов по сравнению с прототипом. При этом коммутатор размыкает цепь тока i₂ при достижении им нулевого значения, причем амплитуда тока i₂ в нагрузке определяется параметрами нагрузки (L_H), моментом подключения дополнительным коммутатором обмотки ротора (m) и величинами E, ω, k, L.

2. Рассмотрим установившийся режим непрерывного генерирования импульсов тока с учетом активного сопротивления R обмотки ротора и скользящих контактов, когда ток в нагрузке генерируется с неизменной амплитудой.

У прототипа i₁=0, тогда из уравнения

находим

где I_m ^* - максимальные значения тока i₂ прототипа при временах t_m ^*=(2m+1)π/ω, отсчитываемых с момента подключения нагрузки (m=0, 1, 2 ...);

 - коэффициент, учитывающий индуктивность нагрузки L_H.

При этом энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, при n=1-k и  составляет

По заявляемой схеме управления дополнительный коммутатор вначале закорачивает обмотку ротора со скользящими контактами и ток i₁ нарастает от 0 до значения E/R при i₂=0, затем в момент максимума суммарной индуктивности обмоток генератора коммутатор подключает нагрузку, тогда при i₂(0)=0 и i₁(0)=E/R из решения уравнений

определяем токи

где I_m ^** - максимальное значение тока i₂ при времени t_m ^**=π/ω, отсчитываемого с момента подключения нагрузки;

 - коэффициент, учитывающий индуктивность нагрузки L_H.

При этом максимальная энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, соответствует n=0.5·(1-k²);  и составляет

Таким образом, в установившемся режиме имеем

т.е. по заявляемой схеме управления униполярный компрессионный генератор в установившемся режиме при k=0,9-1 в 2-7 раза имеет большую энергию импульса тока в нагрузке, а, значит, и большую мощность импульсов по сравнению с прототипом. При этом коммутатор размыкает цепь тока i₂ при достижении им нулевого значения, причем амплитуда тока i₂ в нагрузке определяется параметрами нагрузки (L_H) и величинами Е, R и k.

На фиг.2 приведена схема управления униполярным компрессионным генератором. Схема управления униполярного компрессионного генератора содержит последовательно соединенные посредством скользящих контактов 1 одинаковые обмотки 2 ротора 3 и статора 4 с выводами на противоположные торцы ротора 3 и статора 4 генератора, коммутатор 5 и нагрузку 6 (H), причем дополнительный коммутатор 7 подсоединен параллельно скользящим контактам 1 и обмотке ротора 2 с униполярной ЭДС 8 генератора. В качестве нагрузки 6 (Н) может быть выбран, например, индуктивный (катушка индуктивности) или емкостный (батарея конденсаторов) накопитель энергии.

Схема управления униполярным компрессионным генератором работает следующим образом. Внешним приводным двигателем ротор 3 генератора с обмоткой 2 раскручивается до определенного числа оборотов. За счет униполярного магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения, в обмотке 2 ротора 3 наводится постоянная униполярная ЭДС 8. Далее дополнительным коммутатором 7 обмотка 2 ротора 3 закорачивается и под действием униполярной ЭДС 8 начинает протекать нарастающий ток i₁ через обмотку 2 ротора 3, скользящие контакты 1 и дополнительный коммутатор 7. Ток i₁ за счет взаимной индуктивности на обмотке 2 статора 4 наводит переменное напряжение. Затем через некоторое время, когда ток i₁ достигнет требуемой величины, в момент максимума суммарной индуктивности обмоток 2 ротора 3 и статора 4 замыкается коммутатор 5 и за счет переменного напряжения на обмотке 2 статора 4 и униполярной ЭДС 8 в нагрузке 6 (Н) генерируется импульс тока i₂. При достижении током i₂ нулевого значения коммутатор 5

размыкается и отключает нагрузку 6 (Н). За счет униполярной ЭДС 8 ток i₁ восстанавливается до требуемой величины и коммутатор 5 в момент максимума суммарной индуктивности замыкается. В нагрузке 6 (Н) генерируется следующий импульс тока и т.д.

Полезная модель по сравнению с прототипом на основании расчетов и экспериментальных исследований, проведенных автором, имеет примерно в три раза большую энергию и мощность генерируемых в нагрузке импульсов тока, причем нагрузка достаточно просто отключается таким коммутатором как тиристор при достижении током нулевого значения.

Данная полезная модель реализована в виде схемы управления униполярным компрессионным генератором массой 150 кг с тиристорными коммутаторами для импульсно-периодического питания активно-индуктивной нагрузки. Этот генератор имеет импульсную мощность 15 МВт при частоте следования импульсов тока до 100 Гц.

Формула полезной модели

Схема управления униполярным компрессионным генератором, содержащая последовательно соединенные посредством скользящих контактов одинаковые обмотки ротора и статора генератора с выводами на противоположные торцы ротора и статора, коммутатор и нагрузку, отличающаяся тем, что дополнительный коммутатор подсоединен параллельно скользящим контактам и обмотке ротора генератора.

Изобретение "СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ УНИПОЛЯРНЫМ КОМПРЕССИОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ" (Носов Г.В.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога