Результат интеллектуальной деятельности: Источник постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации

Предлагаемое изобретение относится к источникам постоянного напряжения с использованием генератора переменного напряжения и может быть применено для выработки постоянного напряжения.

Известна машина постоянного тока, содержащая обмотку возбуждения, находящуюся на статоре машины, и обмотку якоря, подключенную через подвижный контакт к выходным клеммам машины. Для генерации постоянного напряжения с помощью этой электрической машины требуется привести ротор в движение за счет действия внешних сил и подать на обмотку возбуждения постоянное напряжение (Кузнецов, М.И. Основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1964. - С. 350, 352).

Основным недостатком машины постоянного тока, работающей в режиме генератора, является наличие подвижного контакта между обмоткой якоря и выходными клеммами машины, это приводит к искажению выходного постоянного напряжение, что приводит к увеличению коэффициента пульсации выпрямленного напряжения и снижает показатели надежности машины. Также для работы машины постоянного тока, работающей в режиме генератора, необходимо сообщать электрическую энергию на обмотку возбуждения, находящуюся на статоре для создания магнитного поля, что приводит к снижению энергоэффективности генератора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является регулируемый источник постоянного напряжения, содержащий ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены обмотки, при этом ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в обмотках статора переменного напряжения, при этом количество обмоток на статоре четное и равно количеству полюсов на роторе, диаметрально противоположные первая и третья обмотки, а также диаметрально противоположные вторая и четвертая обмотки соединены последовательно, причем начала первой и второй обмоток подключены к выпрямительному мосту, концы третьей и четвертой обмоток объединены между собой, а начала третьей и четвертой обмоток связаны с концами первой и второй обмоток соответственно (Патент RU 179619 H02K 21/14).

Основным недостатком этого устройства является вырабатывание постоянного напряжения с высоким коэффициентом пульсации, это требует использование специальных электрических фильтров, что приводит к усложнению конструкции, а, следовательно, к снижению показателей надежности генерирующего устройства.

Представленное изобретение решает проблему выработки постоянного напряжения с малым коэффициентом пульсации и повышенной мощностью.

Решение данной технической проблемы достигается тем, что в источнике постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации, содержащем ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены обмотки, ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в обмотках статора переменного напряжения, количество обмоток статора на статоре четное, отличающийся тем, что обмоток статора в четыре раза больше, чем количество пар полюсов на роторе, причем при последовательном встречном соединении диаметрально противоположных обмоток статора конец первой обмотки соединен с концом третьей обмотки, начало первой обмотки подключено к первому входу выпрямительного моста, конец второй обмотки соединен с концом четвертой обмотки, начало второй обмотки подключено ко второму входу выпрямительного моста, начала третьей и четвертой обмотки объединены в узел и подключены к третьему входу выпрямительного моста, при параллельном сонаправленном соединении диаметрально противоположных обмоток статора начало первой обмотки и конец третьей обмотки объединены и подключены к первому входу выпрямительного моста, начало второй обмотки и конец четвертой обмотки объединены и подключены ко второму входу выпрямительного моста, конец первой обмотки и начало третьей обмотки объединены и соединены в узел с объединенными концом второй обмотки и началом четвертой обмотки и подключены к третьему входу выпрямительного моста, при этом выпрямительный мост выполнен трехфазным.

Обеспечение выработки напряжения при отсутствии изолированного источника постоянного напряжения на каждой обмотке, с получением повышенной мощности и малого коэффициента пульсации обусловлено группировкой диаметрально противоположных обмоток в пары с последовательным встречным их соединением или с параллельным сонаправленным их соединением, что позволяет суммировать созданные на них напряжение или ток. Таким образом, достижение повышенной мощности и малого коэффициента пульсации достигаются за счет выработки генератором одновременно косинусоиды и синусоиды переменного напряжения, и пропускания их через трехфазный выпрямительный мост в соответствии с предлагаемым соединением обмоток.

Количество обмоток статора четное и в четыре раза больше, чем количество пар полюсов на роторе является оптимальным, так как это позволяет получать одновременно косинусоиду и синусоиду переменного напряжения. При уменьшении количества обмоток статора можно получать или косинусоиду или синусоиду переменного напряжения.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена схема расположения постоянных магнитов на роторе и обмоток на статоре; на фиг. 2 - принципиальная схема источника постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации при последовательном соединении обмоток статора; на фиг. 3 - принципиальная схема источника постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации при параллельным соединением обмоток статора; на фиг. 4 показаны графики зависимостей генерируемого напряжения на обмотках статора от времени; на фиг. 5 - показаны синусоида и косинусоида генерируемого напряжения между входом и выходом последовательно соединенных обмоток статора; на фиг. 6 - синусоида и косинусоида генерируемого напряжения между входом и выходом параллельно соединенных обмоток статора; на фиг. 7 представлен порядок включения тиристоров выпрямительного моста при последовательном соединении обмоток статора; на фиг. 8 - порядок включения тиристоров выпрямительного моста при параллельном соединении обмоток статора; на фиг 9 показано напряжение на нагрузке при последовательном соединении обмоток статора; на фиг. 10 - напряжение на нагрузке при параллельном соединении обмоток статора.

Кроме того, на чертеже использованы следующие обозначения:

- L1-L4 - обмотки статора;

- T1-Т6 - тиристоры;

- N - северный полюс постоянного магнита;

- S - южный полюс постоянного магнита;

- - начала обмоток;

- Р - ротор;

- С - статор;

- U - создаваемое переменное напряжение;

- Ud - постоянное напряжение;

- t - время;

- t1-t7 - промежутки времени.

Источник постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации содержит ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены обмотки. Ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в обмотках статора переменного напряжения. Количество обмоток статора на статоре четное и в четыре раза больше, чем количество пар полюсов на роторе. При последовательном встречном соединении диаметрально противоположных обмоток статора конец первой обмотки соединен с концом третьей обмотки, начало первой обмотки подключено к первому входу выпрямительного моста, конец второй обмотки соединен с концом четвертой обмотки, начало второй обмотки подключено ко второму входу выпрямительного моста, начала третьей и четвертой обмотки объединены в узел и подключены к третьему входу выпрямительного моста. При параллельном сонаправленном соединении диаметрально противоположных обмоток статора начало первой обмотки и конец третьей обмотки объединены и подключены к первому входу выпрямительного моста, начало второй обмотки и конец четвертой обмотки объединены и подключены ко второму входу выпрямительного моста, конец первой обмотки и начало третьей обмотки объединены и соединены в узел с объединенными концом второй обмотки и началом четвертой обмотки и подключены к третьему входу выпрямительного моста. Выпрямительный мост выполнен трехфазным.

Пример выполнения предлагаемого источника постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации, содержащего две пары диаметрально противоположных обмоток статора, соединенные последовательно встречно, и одну пару полюсов.

Источник постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации содержит ротор 1 (Р), на котором расположен постоянный магнит 2, выполняющий функцию пары полюсов S-N, и статор 3 (С), на котором расположены четыре обмотки: первая обмотка 4 (L1), третья обмотка 5 (L3), вторая обмотка 6 (L2), четвертая обмотка 7 (L4). Таким образом, количество обмоток - 4 (L1), 5 (L3), 6 (L2), 7 (L4) - на статоре 3 (С) четное и в четыре раза больше, чем количество пар полюсов на роторе 1 (Р). Ротор 1 (Р) выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в обмотках 4 (L1), 5 (L3), 6 (L2), 7 (L4) статора переменного напряжения.

Диаметрально противоположные первая обмотка 4 (L1) и третья обмотка 5 (L3) соединены последовательно встречно; диаметрально противоположные вторая обмотка 6 (L2) и четвертая обмотка 7 (L4) соединены последовательно встречно. Конец первой обмотки 4 (L1) соединен с концом третьей обмотки 5 (L3), начало первой обмотки 4 (L1) подключено к первому входу 8 выпрямительного моста. Конец второй обмотки 6 (L2) соединен с концом четвертой обмотки 7 (L4), начало второй обмотки 6 (L2) подключено ко второму входу 9 выпрямительного моста. Начала третьей обмотки 5 (L3) и четвертой обмотки 7 (L4) объединены в узел 10 и подключены к третьему входу 11 выпрямительного моста.

Первый вход 8 выпрямительного моста связан с тиристорами 12 (Т1) и 13 (Т2). Второй вход 9 выпрямительного моста связан с тиристорами 14 (Т3) и 15 (Т4). Третий вход 11 выпрямительного моста связан с тиристорами 16 (Т5) и 17 (Т6).

Выход 18 выпрямительного моста подключен к входу нагрузки 19 (R), а выход 20 выпрямительного моста подключен к выходу нагрузки 19 (R). Выпрямительный мост выполнен трехфазным (фиг. 1, 2).

Пример выполнения предлагаемого источника постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации, содержащего две пары диаметрально противоположных обмоток статора, соединенные параллельно сонаправлено, и одну пару полюсов.

Источник постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации содержит ротор 1 (Р), на котором расположен постоянный магнит 2, выполняющий функцию пары полюсов S-N, и статор 3 (С), на котором расположены четыре обмотки: первая обмотка 4 (L1), третья обмотка 5 (L3), вторая обмотка 6 (L2), четвертая обмотка 7 (L4). Таким образом, количество обмоток - 4 (L1), 5 (L3), 6 (L2), 7 (L4) - на статоре 3 (С) четное и в четыре раза больше, чем количество пар полюсов на роторе 1 (Р). Ротор 1 (Р) выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в обмотках 4 (L1), 5 (L3), 6 (L2), 7 (L4) статора переменного напряжения.

Диаметрально противоположные первая обмотка 4 (L1) и третья обмотка 5 (L3) соединены параллельно сонаправлено; диаметрально противоположные вторая обмотка 6 (L2) и четвертая обмотка 7 (L4) соединены параллельно сонаправлено. Начало первой обмотки 4 (L1) и конец третьей обмотки 5 (L3) объединены и подключены к первому входу 8 выпрямительного моста. Начало второй обмотки 6 (L2) и конец четвертой обмотки 7 (L4) объединены и подключены к второму входу 9 выпрямительного моста. Конец первой обмотки 4 (L1) и начало третьей обмотки 5 (L3) объединены, соединены в узел 10 с объединенными концом второй обмотки 6 (L2) и началом четвертой обмотки 7 (L4), и подключены к третьему входу 11 выпрямительного моста.

Первый вход 8 выпрямительного моста связан с тиристорами 12 (Т1) и 13 (Т2). Второй вход 9 выпрямительного моста связан с тиристорами 14 (Т3) и 15 (Т4). Третий вход 11 выпрямительного моста связан с тиристорами 16 (Т5) и 17 (Т6).

Выход 18 выпрямительного моста подключен к входу нагрузки 19 (R), а выход 20 выпрямительного моста подключен к выходу нагрузки 19 (R). Выпрямительный мост выполнен трехфазным (фиг. 1, 3).

Работа предлагаемого источника постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации, содержащего две пары диаметрально противоположных обмоток статора, соединенные последовательно встречно, и одну пару полюсов, происходит следующим образом.

При вращении ротора 1 (Р) находящийся на нем постоянный магнит с одной парой полюсов S - N в обмотках статора 4 (L1), 5 (L2), 6 (L3), 7 (L4) создает переменное напряжение (фиг. 4). Между входами 8, 9, 11 выпрямительного моста подается переменное и увеличенное напряжение, причем на обмотках 4 (L1), 5 (L3) появляется синусоида с повышенным значением напряжения, а на обмотках 6 (L2), 7 (L4) появляется косинусоида с повышенным значением напряжения, тем самым на выпрямительный мост одновременно подаются и синусоида и косинусоида переменного напряжения (фиг. 5). При этом в момент времени t1 открыты тиристоры 12 (Т1), 15 (Т4); в момент времени t2 тиристор 15 (Т4) закрывается, а тиристоры 12 (Т1), 14 (Т3), 17 (Т6) открыты; в момент времени t3 тиристоры 12 (Т1), 17 (Т6) закрываются, а тиристоры 13 (Т2), 14 (Т3) открыты; в момент времени t4 тиристор 14 (Т3) закрывается, а тиристоры 13 (Т2), 15 (Т4), 16 (Т5) открыты; в момент времени t5, как и в момент времени t1, открыты тиристоры 12 (Т1), 15 (Т4), а тиристоры 13 (Т2) и 16 (Т5) закрыты; в последующие промежутки времени идет повторение порядка работы выпрямительного моста (фиг. 7). С выходов выпрямительного моста преобразованное напряжение подается на вход 18 нагрузки 19 (R) и на выход 20 нагрузки 19 (R) (фиг. 9). Из фиг. 9 видно, что выпрямленное напряжения имеет малое значение коэффициента пульсации.

Работа предлагаемого источника постоянного напряжения повышенной мощности с малым коэффициентом пульсации, содержащего две пары диаметрально противоположных обмоток статора, соединенные параллельно сонаправлено, и одну пару полюсов происходит следующим образом.

При вращении ротора 1 (Р) находящийся на нем постоянный магнит с одной парой полюсов S-N в обмотках статора 4 (L1), 5 (L2), 6 (L3), 7 (L4) создает переменное напряжение (фиг. 4). Между входами выпрямительного моста подается переменное и согласно ориентированное напряжение, причем на обмотках 4 (L1), 5 (L3) будет синусоида с повышенным значением напряжения, а на обмотках 6 (L2), 7 (L4) будет косинусоида с повышенным значением напряжения, тем самым на выпрямительный мост будут одновременно подаваться и синусоида и косинусоида переменного напряжения (фиг. 6). При этом в момент времени t1 открыты тиристоры 12 (Т1), 15 (Т4); в момент времени t2 тиристор 15 (Т4) закрывается, а тиристоры 12 (Т1), 14 (Т3), 17 (Т6) открыты; в момент времени t3 тиристоры 12 (Т1), 17 (Т6) закрываются, а тиристоры 13 (Т2), 14 (Т3) открыты; в момент времени t4 тиристор 14 (Т3) закрывается, а тиристоры 13 (Т2), 15 (Т4), 16 (Т5) открыты; в момент времени t5, как и в момент времени t1, открыты тиристоры 12 (Т1), 15 (Т4), а тиристоры 13-16 (Т5) закрыты; в последующие промежутки времени идет повторение порядка работы выпрямительного моста (фиг. 8). С выходов выпрямительного моста преобразованное напряжение подается на вход 18 нагрузки 19 (R) и на выход 20 нагрузки 19 (R) (фиг. 10). Из фиг. 10 видно, что выпрямленное напряжения имеет малое значение коэффициента пульсации

Таким образом, представленное устройство способно создавать напряжение с малой величиной пульсации за счет одновременной генерации синусоиды и косинусоиды и наличия трехфазного выпрямительного моста, работающего по заданной последовательности, а повышенная мощность тока и напряжения и малый коэффициент пульсации достигаются за счет последовательного встречного или параллельного сонаправленного соединения обмоток статора.