Управляемый источник питания на базе электромашинных агрегатов с инерционными накопителями

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗО6РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Соцналнстнческнк

Республик ии942200 (61) Дополнительное ic авт. свид-ву(22) Занвлеио 31.07.78 (21) 2652088/24-0 с присоединением заявки Ah (23)ПриоритетОпубликоваио 07.07.82. Бюллетень Р6 25

Дата опубликования описания 07.07.82 (51)M. Кл.

Н 02 J 3/30 т1вУйвРатвсквиб квиитвт

СССР ае двяам изобретений и вткрмтий (И) УДК 621.3.

064 3 072 . 8 (088.8) © И. Самойпенко (72) Автор изобретения

Ордена Ленина институт .кибернетики АН Украинской" 4 СР (71) Заявитель (54) УПРАВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НА БАЗЕ

ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ АГРЕГАТОВ С ИНЕРЦИОННЫМИ

НАКОПИТЕЛЯМИ

Изобретение относится к технике энергоснабжения импульсных потребителей электроэнергии, установок физичес кого эксперимента либо объектов промышле нной технологии, характеризуемых преимущественно индуктивным им5 педансом нагрузки и необходимостью быстрого управления током в ее цепи, таких, как термоядерные установки с магнитным удержанием плазмы, плазмен- tO ные ускорители, мощные электромагниты и т. и.

Для обеспечения энергией указанных и других подобных им устройств, работающих, как правило, в импульсном ре-т5 жиме, не редко используются источники питания на базе электромашинных регатов с инерционными накопителями.

Известны инерционные накопители с регулированием напряжения 313 ° 20

Однако в известных вариантах быст родействие регулирования тока в индуктивной нагрузке существенно ограничено вследствие инерционности цепи возбужде2 ния генератора и инерционности цепи нагрузки (постоянная времени порядка 1 с.).

Некоторое улучшение динамических характеристик управляемого электромашинного источника питания с инерционными накопителями достигается за счет введения электромеханической положительной обратной связи посредством от бора части мощности из цепи нагрузкй для создания дополнительного крутящего момента на валу гежэратора (в установке энергоснабжения с накопителем механической энергии, выполненным в виде маховика (21-Однако ls в этом устройстве инерционности системы электромеханической обратной связи нельзя осуществить быстрое изменение тока в цепи югрузки путем воздействия на цепи возбуждения генератора или серводвигателя в контуре обратной связи

Таким образом, анализ рассмотренных аналогов показывает, что с точки зрения требований высокого быстродействия и

00 ты. Последние прн отсутствии тока в обмотках статоров синхронных ге,гераторов задают начальные направления магнитных моментов из роторов во вращающейся системе отсчета в виде многофазной симметричной звезды, т. е. с равноотстоящими начальными фазами, даюшими в сумме 2л . Кроме того, муфты обеспечивают возможность демпфированных крутильных колебаний магнитных моментов роторов относительно их невозмущенных направлений. Собственная частота этих колебаний . должна быть ниже частоты синхронных генераторов.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

Предлагаемсе устройство состоит из ряда идентичных синхронных генераторов в количестве М )3 с включенными последовательно обмотками 1 статоров.

Роторы 2 синхронных генераторов механически связаны через упруго-демпфирующие муфты 3 с маховиками 4, приводимыми во вращение синхронными двигателями 5, питаемыми от сети 6 переменного тока. Обмотки 1 статоров через последовательно включенный управляемый источник 7 напряжения подключены к индуктивно-резистивной нагрузке 8.

Требуемая . начальная фазировка магнитных моментов роторов 2 в виде симметричной 8 -фазной звезды обеспечивается начальными углами установки муфт 3 на валах маховиков 4 и синхрофазностью вращения синхронных двигателей 5, имеющих для устранения неоднозначности их начальных фаз двухполюсные роторы и трехфазные обмотки статоров, рассчитанные на электропитание от промышленной трехфазной сети.

Устройство работает следующим образом.

Перед включением управляемого иоточника 7 напряжения маховики 4 и роторы 2 должны быть приведены во вращение с помощью синхронных двигателей

5. Тогда, благодаря выбранной начальной ориентации магнитных моментов роторов 2 в виде симметричной звезды и последовательному соединению . обмоток

1 статора, суммарная электродвижущая сила на нагрузке 8 равна нулю. Ток в цепи нагрузки 8 не протекает и роторы 2 не испытывают никаких электродинамических воздействий à отсутствия магнитного поля обмоток 1 статора.

При подаче управляющего сигнала на управляемый источник 7 напряжения последний газвива т некоторую электро50 з Г)422 большой энергоемкости наиболее приемлемым является сочетание инерционного накопителя и электронного управляющего устройства в цепи нагрузки. B этом случае значительные преимущества перед источниками с другими видами генераторов имеет источник с синхронным генератором и коммутируемой цепью нагрузки.

Известен инерционный накопитель, ко- торый содержит некоторое число идентич- l0 ных синхронных генераторов с включенными последовательно обмотками статоров и синфазно ориентированными магнитными моментами роторов. Последние жестко связаны с маховиками, приводи- 15 мыми во вращение синхронными двигателями, питаемыми от сети переменного тока. Обмотки подключены через регулятор тока к индуктивно-резистивной нагрузке (3). 20

Так как синхронные генераторы в этом устройстве работают в синфазном режиме, а угловые скорости их вращения .за рабочий импульс изменяются незначи, тельно (обычно на величину не более 25

20%), то напряжение на входе регулятора тока существенно не меняется. Оно должно быть примерно равно максимальному напряжению на нагрузке U с,„с, необходимому для соединения требуемой ско- З0 рости изменения тока через нее. Следовательно, регулятор тока устройствапрототипа должен быть рассчитан на маки симальное напряжение О, „„и максималь мс ксв на РУзке. ПРи большой 35 импульсной Mo HDCTH Р с к g О дкс" + потребляемой нагрузкой, быстродействующий регулятор тока становится трудно осуществимым из-юа черезмерно большой требуемой мощности электронной аппаратуры, <0 которая должна возрастать с увеличением требований по. быстродействию.

Цель изобретения - значительное уменьшение требуемой установленной мощности регулирующей аппаратуры при сохранении основных достоинств прототипа - большой удельной энергоемкости, рекуперапии энергии при сбросе нагрузки и возможности быстрого управления токов в нагрузке с преимущественно индуктивным характером импеданса.

Указанная цель достигается тем, что в качестве регулятора тока в цепи нагрузки приме няется управляемый иоточник напряжения, а роторы синхронHI I> геирраторов приводятся во вращение от синхронных двигателей с махоrцками че)ез упруго-демпфирующие муф942200 движущую силу и вызывает протекание тока через обмотки 1 статора и через нагрузку 8 в направлении заданном управ. ляющим сигналом. Возникший ток приводит к периодической неравномерности вращения ротора 2 под действием знакопеременных электродинамических усилий со стороны магнитного поля обмоток 1 статора благодаря тому, что упруго-демпфируюшие муфты 3 . допускают крутильные колебания.

Ранее было указано, что собственная частота крутильных колебаний выбирается ниже частоты синхронного генератора, т. е. частоты периодических сил, дей- 1> ствующих на ротор при его вращении в поле статора. Более конкретно, вращение ротора замедляется, когда его полюсы приближаются к одноименно намагниченным полюсам статора и ускоряется 20 при сближении разноименных полюсов.

Это приводит к тому, .что в среднем за период вращения полюсы ротора находятся дольше вблизи одноименных им полюсов статора и меньшее время — вбли- 25 зи противоположных полюсов. Таким образом, у каждого из синхронных генераторов средний за период магнитный поток ротора направлен навстречу магнитному потоку, который создается током, 3Q протекающим по обмотке статора. Благодаря последовательному соединению генераторов и сдвигу их начальных фаз быстропеременные составляющие магнитных потоков через обмотки 1 взаимно компе нсируют ся.

За счет того, что увеличение времени полупериода, в котором полюса ротора и статора отталкиваются, не полностью компенсируется сокращением времени по- 4О лупериода, соответствующего притяжению разноименных полюсов, средняя длительность всего периода вращения увеличивается. Таким образом; движение роI торов синхронных генераторов в среДнем тормозится пондеромоторными силами при увеличении силы тока в обмотках статора и ускоряется в обратном случае.

Это означает, что при увеличении тока в цепи нагрузки энергия маховиков передается к нагрузке. Соответственно, при уменьшении тока энергия возвращается от нагрузки к маховикам, ускоряя их вращения. Тем самым автоматически осуществляется режим рекуперации энергии, часть энергии, конечна теряется на активном сопротивлении цепи и поглощается в упруго-демпфирующих муфтах.

Впрочем, при электромагнитном демпфирова ниц можно осуществить рекуперацию энергии.

Благодаря первоначальной звездообразной ориентации магнитных моментов роторов переменные составляющие магнитного потока сквозь обмотки 1 статоров взаимно компенсируются, так что при достаточно большом числе 8 синхронных генераторов суммарная переменная соотавляющая потока оказывается практически равной нулю. Постоянные же составляющие магнитного потока, возникаю шие за счет колебаний роторов по фазе и направленные навстречу первичному потоку статора, суммируются. При достаточно большой величине магнитных моментов роторов 2 вто1ричный поток ф1 по абсолютной величине оказывается больше пер вичного ф„, так что суммарный поток ф направлен навстречу первичному. Это означает, что. Изменяющийся магнитный поток создает электродвижушую силу ,противоположную по направлению индуктивной составляющей падения напряжения по обмотках 1 статора. Указанная электродвижушая сила складывается с напряжением 0 управляемого источника 7 напряжения, усиливая его и приводя к даль-. нейшему возрастанию тока Э в цепи в соответствии с уравнением где R — суммарное активное сопротивление цепи, 1, — самоиндукция цепи нагрузки, Ф - суммарный поток магнитного поля сквозь обмотки 1 статоров. Отрицательный коэффициент пропорциональности между потоком ф и током 3 в обмотках 1, имеющий отрицательную величину и размерность самоиндукции, обозначают через 1„-, . Тогда уравнение цепи примет вид:

Отсюда видно, что при „7 „ система устойчива, так как корень характеристи.— ческого уравнения Р =- в этом

1- М -1 случае имеет веществейную отрицател ную величину.

Основной эффект заключается в том, что при заданной величине требуемой скорости нарастания тока 2 напряжение U, Которое должен развивать управс Ф ляемый источник д напряжения, может быть уменьшено без потери устойчивости системы до величины R3 падения напряжения на активном сопротив942200

t, ° ° е

Составитель А. Кецарис

Редактор М.Янович Техред E.Õàðèòîí÷èê КорректорИ- Муска

Заказ 4858/48 Тираж 669 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 пении цепи. Напряжение, а следова° l тельно, и установленная мощность Р

Ъ мс(кс требуемые для управл ния токов цепи, по сравнению с устройством-прототипом .могут быть уменьшены в раз, где ш = 2 Jl f — наибольшая часшЦ тота, характеризующая требуемое быстродействие управления током в нагрузке.

Так, при f = 10 Гц, L = 1 Гн, R

10 ам получается выигрыш в установлен-1О ной мощности аппаратуры более, чем в

60 раз. формула изобрете ния

Управляемый источник питания на базе электромашинных агрегатов с инерционными накопитепями, содержащий включенные последовательно с индуктивно-ре- го зистивной нагрузкой регулятор тока и синхронные генераторы, механически связанные с маховиками инерционных накопителей, отличающийся тем, что, с целью уменьшения требуемой установле нной мощности, магнитные полюсы роторов синхронных генераторов ориентированы по схеме многофазной симметричной звезды, а между роторами и маховиками установлены упруго-демпфирующие муфты, причем регулятор тока в цепи нагрузки выполнен в виде управляемого источника на пряже ния.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Арцимович Л,А. Замкнутые плазменные конфигурации. М., "Наука", 1969 с. 108.

2. Заявка ФРГ № 2546777, кл. Н 02 J 3/30, опублик. 21.04.77.

3. Кнопфель Т. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М., "Мир", 1974, с. 1 70-1 75.