RU168788U1

RU168788U1 - Stable AC voltage generating device

Info

Publication number: RU168788U1
Application number: RU2016129434U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Сапсалев; Сергей Александрович Харитонов; Андрей Александрович Ачитаев; Максим Андреевич Жарков
Priority date: 2016-07-18
Filing date: 2016-07-18
Publication date: 2017-02-21

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании источников питания, применяемых в летательных аппаратах, судах и других автономных объектах.Магнитоэлектрический генератор приводится во вращение валом ведомой полумуфты магнитной трансмиссии, ведущая полумуфта которой связана с валом первичного двигателя с изменяющейся скоростью. Пропорционально изменению скорости ведомой полумуфты изменяется частота и напряжение на выходе генератора. Потребители электроэнергии рассчитаны на стабильное напряжение, но не критичны к частоте тока. Стабилизация выходного напряжения генератора осуществляется за счет регулирования скорости вращения ведомой полумуфты магнитной трансмиссии путем изменения частоты трехфазного напряжения, питающего обмотку трансмиссии. Частота трехфазного напряжения регулируется полупроводниковым устройством управления и определяется сигналом с выхода узла сравнения напряжения нагрузки с его заданным значением, определяемым источником задания напряжения.Техническим результатом, который достигается при использовании полезной модели, является увеличение надежности и уменьшение габаритов устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока за счет упрощения его конструкции.The proposed utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in the design of power supplies used in aircraft, ships and other autonomous objects. A magnetoelectric generator is driven by a shaft of a driven magnetic coupling half coupling, the leading coupling half of which is connected to the primary motor shaft with a variable speed. In proportion to the change in the speed of the driven coupling half, the frequency and voltage at the output of the generator change. Electricity consumers are designed for a stable voltage, but are not critical to the frequency of the current. The output voltage of the generator is stabilized by controlling the rotation speed of the driven half-coupling of the magnetic transmission by changing the frequency of the three-phase voltage supplying the transmission winding. The frequency of the three-phase voltage is regulated by a semiconductor control device and is determined by the signal from the output of the comparison node of the load voltage with its predetermined value determined by the voltage reference source. The technical result achieved using the utility model is to increase the reliability and reduce the size of the device for generating a stable AC voltage due to simplification of its design.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании источников питания, выполненных на основе механоэлектрических систем генерирования, применяемых в летательных аппаратах, судах, других транспортных средствах и автономных объектах.The proposed utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in the design of power supplies based on mechanoelectric generation systems used in aircraft, ships, other vehicles and autonomous objects.

Известно устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока, содержащее магнитоэлектрический генератор (с возбуждением от постоянных магнитов), непосредственно связанный с валом первичного двигателя. Генератор формирует на своих выходах напряжение, действующее значение которого зависит от частоты вращения вала первичного двигателя и тока нагрузки. Стабилизации напряжения реализуется изменением сопротивления магнитопровода магнитной цепи за счет введения дополнительной тороидальной подмагничивающей обмотки [А.И. Бертинов «Авиационные электрические генераторы», учебное пособие, М. 1959. Государственное издательство оборонной промышленности, 1959 г., с. 338-341].A device is known for generating a stable AC voltage, comprising a magnetoelectric generator (with excitation from permanent magnets) directly connected to the shaft of the prime mover. The generator generates a voltage at its outputs, the actual value of which depends on the speed of the primary motor shaft and the load current. Voltage stabilization is realized by changing the resistance of the magnetic circuit of the magnetic circuit due to the introduction of an additional toroidal magnetizing winding [A.I. Bertinov “Aviation electric generators”, study guide, M. 1959. State Publishing House of the defense industry, 1959, p. 338-341].

Устройство имеет ограниченные возможности регулирования напряжения при изменении частоты вращения вала генератора в широком диапазоне, что является его недостатком. Применяемые в этом случае преобразователи уровня напряжения имеют повышенные массогабаритные характеристики. Это обусловлено тем, что вся генерируемая мощность, за исключением мощности нагрузки, должна быть поглощена преобразователем. Кроме того, подобные системы стабилизации напряжения имеют относительно низкий коэффициент мощности.The device has limited voltage regulation when changing the frequency of rotation of the generator shaft in a wide range, which is its drawback. The voltage level converters used in this case have increased weight and size characteristics. This is due to the fact that all generated power, with the exception of the load power, must be absorbed by the converter. In addition, such voltage stabilization systems have a relatively low power factor.

Известно устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока нестабильной частоты, которое содержит непосредственно связанный с валом первичного двигателя магнитоэлектрический генератор с рабочими обмотками, соединенными по схеме звезда, фильтр, к входам которого присоединены выходные выводы рабочей обмотки, а его выходы подключены к нагрузке, узел сравнения, один из входов которого присоединен к нагрузке, а второй - к источнику задания напряжения. [патент РФ на полезную модель № 81609, от 05.12.2008]. Стабилизация выходного напряжения в устройстве осуществляется за счет источника формирования реактивного тока генератора.A device is known for generating a stable AC voltage of an unstable frequency, which contains a magnetoelectric generator directly connected to the primary motor shaft with working windings connected in the form of a star, a filter, to the inputs of which are connected the output terminals of the working winding, and its outputs are connected to the load, a comparison unit, one of the inputs of which is connected to the load, and the second to the voltage reference source. [RF patent for utility model No. 81609, dated 05.12.2008]. The stabilization of the output voltage in the device is due to the source of formation of the reactive current of the generator.

К числу недостатков данного устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока следует отнести конструктивную сложность источника формирования реактивного тока генератора, что снижает надежность устройства, и необходимость промежуточного фильтра больших габаритов между выходными выводами генератора и нагрузкой для сглаживания пульсаций, создаваемых коммутатором источника реактивного тока, что приводит к увеличению габаритов системы.The disadvantages of this device for generating a stable AC voltage should include the structural complexity of the source of generating reactive current of the generator, which reduces the reliability of the device, and the need for an intermediate filter of large dimensions between the output terminals of the generator and the load to smooth out the ripples created by the switch of the reactive current source, which leads to increase the size of the system.

Известно также устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока, которое содержит электромашинный привод постоянной частоты вращения. Входной вал дифференциального механизма привода, в качестве которого используется механический планетарный редуктор, непосредственно связан с валом первичного двигателя, а выходной вал соединен с валом магнитоэлектрического генератора. Функции стабилизатора частоты вращения генератора выполняет асинхронная машина, которая управляется полупроводниковым устройством и через систему передач дифференциального механизма подкручивает или притормаживает вал генератора [Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Т. 1, под ред. С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 г., с. 247, 248]. Устройство наиболее близко к предлагаемой полезной модели и является прототипом.It is also known a device for generating a stable AC voltage, which contains a constant speed electric drive. The input shaft of the differential drive mechanism, which uses a mechanical planetary gearbox, is directly connected to the shaft of the prime mover, and the output shaft is connected to the shaft of the magnetoelectric generator. The functions of a generator speed stabilizer are performed by an asynchronous machine, which is controlled by a semiconductor device and, through a differential gear transmission system, twists or brakes the generator shaft [Electrical equipment of aircraft: textbook for high schools. T. 1, ed. S.A. Gruzkova. - M.: Publishing House MPEI, 2005, p. 247, 248]. The device is closest to the proposed utility model and is a prototype.

К недостаткам прототипа следует отнести большие потери мощности в асинхронной машине вследствие скольжения, сложность общей конструктивной схемы, которая включает в себя дополнительный компаундирующий трансформатор для питания обмоток асинхронной машины, и, как следствие, снижение надежности устройства и увеличение его габаритов. Низкая надежность обусловлена также общими недостатками всех зубчатых передач, а именно поломки зубьев при ударных нагрузках, износ зубьев, потребность в смазке.The disadvantages of the prototype include large power losses in the asynchronous machine due to sliding, the complexity of the overall structural scheme, which includes an additional compounding transformer for powering the windings of the asynchronous machine, and, as a result, a decrease in the reliability of the device and an increase in its dimensions. Low reliability is also due to the general shortcomings of all gears, namely tooth breakage during impact loads, tooth wear, and the need for lubrication.

Задачей полезной модели, является увеличение надежности устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока и уменьшение его габаритов.The objective of the utility model is to increase the reliability of a device for generating a stable AC voltage and reduce its dimensions.

Решение задачи достигается за счет того, что в устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока, содержащее первичный двигатель, магнитоэлектрический генератор, выходы которого подключены к нагрузке, и полупроводниковое устройство управления, введены источник задания напряжения, узел сравнения и управляемая магнитная трансмиссия, входной вал которой соединен с валом первичного двигателя, выходной вал - с валом магнитоэлектрического генератора, а обмотка трансмиссии присоединена к выходу полупроводникового устройства управления, силовые входы которого присоединены к выходам магнитоэлектрического генератора, а к входу управления присоединен узел сравнения, один из входов которого присоединен к нагрузке, а второй - к источнику задания напряжения.The solution to the problem is achieved due to the fact that in the device for generating a stable AC voltage containing a primary motor, a magnetoelectric generator, the outputs of which are connected to the load, and a semiconductor control device, a voltage reference source, a comparison unit and a controlled magnetic transmission are introduced, the input shaft of which is connected with the shaft of the primary engine, the output shaft with the shaft of the magnetoelectric generator, and the transmission winding is connected to the output of the semiconductor device and control and power inputs of which are connected to the outputs of the magnetoelectric generator and to the control input of the comparison unit is connected, one of whose inputs is connected to the load, and the second - to a voltage reference source.

На чертеже представлена конструктивная схема предлагаемого устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока.The drawing shows a structural diagram of the proposed device for generating a stable AC voltage.

Устройство генерирования стабильного напряжения переменного тока состоит из первичного двигателя (ПД) 1, вал которого соединен с валом магнитной трансмиссии (МТ) 2, выходной вал которой соединен с валом синхронного генератора 3 с магнитоэлектрическим возбуждением (МЭГ). От выходных выводов генератора обеспечивается питание нагрузки (потребителя) 4 и полупроводникового устройства управления (1ШУ) 5. Параллельно нагрузке подключен узел сравнения 6, ко второму входу которого присоединен источник 7 задания напряжения U_зад потребителей электрической энергии. Выход узла сравнения 6 присоединен к входу управления полупроводникового устройства 5, к выходам которого присоединена трехфазная обмотка трансмиссии.The device for generating a stable AC voltage consists of a primary motor (PD) 1, the shaft of which is connected to the shaft of the magnetic transmission (MT) 2, the output shaft of which is connected to the shaft of the synchronous generator 3 with magnetoelectric excitation (MEG). The output of the generator provides power to the load (consumer) 4 and the semiconductor control device (1 ШУ) 5. Parallel to the load, a comparison unit 6 is connected, to the second input of which is connected a voltage reference 7 source U _ass of electrical energy consumers. The output of the comparison node 6 is connected to the control input of the semiconductor device 5, the outputs of which are connected to a three-phase transmission winding.

Работа устройства состоит в следующем.The operation of the device is as follows.

Если пренебречь сопротивлением, моделирующим активные потери в фазе генератора, то напряжение на выходе генератора определяется выражениемIf we neglect the resistance simulating active losses in the generator phase, then the voltage at the generator output is determined by the expression

, где

where

E=KωФ - ЭДС вращения, наводимая магнитным потоком Ф в фазе обмотки генератора;E = KωФ - rotation EMF induced by the magnetic flux Ф in the phase of the generator winding;

К - коэффициент пропорциональности;K is the coefficient of proportionality;

ω=2πn₂ - угловая частота вращения ротора;ω = 2πn ₂ is the angular frequency of rotation of the rotor;

n₂ - числа оборотов вала ротора генератора;n ₂ - the number of revolutions of the rotor shaft of the generator;

I - ток фазы обмотки генератора;I is the phase current of the generator winding;

L_с - синхронная индуктивность обмотки ротора.L _with - synchronous inductance of the rotor winding.

Таким образом, основными факторами, определяющими стабильность выходного напряжения генератора, являются изменение частоты вращения ротора ω и тока нагрузки I.Thus, the main factors determining the stability of the generator output voltage are the change in the rotor speed ω and the load current I.

С уменьшением числа оборотов вала первичного двигателя n₁ или увеличением тока нагрузки выходное напряжение генератора уменьшается. Для сохранения уровня заданного напряжения нагрузки необходимо соответствующим образом изменять число оборотов вала генератора. При постоянной нагрузке для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо обеспечивать условие постоянства числа оборотов ротора генератора n₂=const. В общем случае для выполнения условия стабильности выходного напряжения генератора необходимо соответствующим образом изменять частоту вращения ротора генератора, которая определяется частотой вращения выходной муфты магнитной трансмиссии.With a decrease in the number of revolutions of the primary motor shaft n ₁ or an increase in the load current, the output voltage of the generator decreases. To maintain the level of the specified load voltage, it is necessary to appropriately change the number of revolutions of the generator shaft. At constant load, to ensure the stability of the output voltage, it is necessary to ensure the constancy of the number of revolutions of the generator rotor n ₂ = const. In the general case, in order to fulfill the stability condition for the output voltage of the generator, it is necessary to appropriately change the frequency of rotation of the rotor of the generator, which is determined by the speed of the output coupling of the magnetic transmission.

Частота вращения выходной муфты магнитной трансмиссии n₂ находится в прямой зависимости от частоты вращения ее входной муфты n₁ и в определенном диапазоне может регулироваться за счет изменения частоты трехфазной системы напряжений, питающих обмотку трансмиссии. Изменение частоты трехфазного напряжения, питающего обмотку трансмиссии, осуществляется полупроводниковым устройством управления в зависимости от величины и полярности сигнала, поступающего с узла сравнения на вход полупроводникового устройства управления. При уменьшении напряжения на входе нагрузки 4 сигнал рассогласования положительный, и частота трехфазного напряжения на выходе полупроводникового устройства управления 5 будет возрастать. Это приводит, в свою очередь, к увеличению скорости бегущего магнитного поля, создаваемого обмоткой магнитной трансмиссии. В результате частота вращения выходной полумуфты трансмиссии будет возрастать и соответственно возрастут число оборотов n₂ и угловая частота вращения ω ротора генератора 3. Возрастание частоты вращения ротора генератора влечет за собой увеличение его генерируемой ЭДС (E=KωФ) и выходного напряжения генератора. В результате данного процесса уменьшение напряжения на нагрузке, обусловленное снижением числа оборотов вала первичного двигателя n₁ или увеличением тока нагрузки, будет скомпенсировано за счет увеличения скорости вращения выходной полумуфты трансмиссии.The frequency of rotation of the output clutch of the magnetic transmission n ₂ is directly dependent on the frequency of rotation of its input clutch n ₁ and in a certain range can be adjusted by changing the frequency of the three-phase voltage system supplying the transmission winding. The frequency change of the three-phase voltage supplying the transmission winding is carried out by a semiconductor control device, depending on the magnitude and polarity of the signal from the comparison node to the input of the semiconductor control device. When the voltage at the input of the load 4 decreases, the mismatch signal is positive, and the frequency of the three-phase voltage at the output of the semiconductor control device 5 will increase. This, in turn, leads to an increase in the speed of the traveling magnetic field created by the magnetic transmission winding. As a result, the rotation frequency of the output transmission coupling half will increase and, accordingly, the number of revolutions n ₂ and the angular rotation frequency ω of the generator rotor 3 will increase. An increase in the rotation frequency of the generator rotor entails an increase in its generated EMF (E = KωФ) and the generator output voltage. As a result of this process, a decrease in the load voltage due to a decrease in the number of revolutions of the primary motor shaft n ₁ or an increase in the load current will be compensated by increasing the rotation speed of the output transmission coupling half.

При увеличении напряжения нагрузки на выходе узла сравнения появится отрицательный сигнал рассогласования, и частота трехфазного напряжения на выходе полупроводникового устройства управления 5 будет уменьшаться. Соответственно уменьшаются частота вращения ротора генератора и его выходное напряжение.When the load voltage increases, a negative error signal will appear at the output of the comparison unit, and the frequency of the three-phase voltage at the output of the semiconductor control device 5 will decrease. Accordingly, the rotor speed of the generator and its output voltage are reduced.

В отличие от прототипа, где стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет использования полюснопереключаемой асинхронной машины (т.е. сложной конструкции), компаундирующего трансформатора, дифференциального механизма на основе механического планетарного редуктора, в предлагаемой полезной модели устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока использована управляемая магнитная трансмиссия, что позволяет устранить механическую передачу и существенно упрощает конструкцию, а, следовательно, увеличивает надежность и уменьшает габариты устройства генерирования стабильного напряжения переменного тока.In contrast to the prototype, where the output voltage is stabilized by using a pole-switched asynchronous machine (i.e., a complex design), a compounding transformer, a differential mechanism based on a mechanical planetary gearbox, the proposed utility model of a device for generating a stable AC voltage uses controlled magnetic transmission , which eliminates the mechanical transmission and greatly simplifies the design, and, therefore, increases Rugged design and reliable reduce the size of the device generating the stable AC voltage.

Claims

A device for generating a stable AC voltage containing a primary motor, a magnetoelectric generator, the outputs of which are connected to the load, and a semiconductor control device, characterized in that a voltage reference source, a comparison unit and a controlled magnetic transmission are introduced into it, the input shaft of which is connected to the primary shaft motor, the output shaft - with the magnetoelectric generator shaft, and the transmission winding is connected to the output of the semiconductor control device, forces stems whose inputs are connected to the outputs of the magnetoelectric generator and to the control input of the comparison unit is connected, one of whose inputs is connected to the load, and the second - to a voltage reference source.