Как подключить генератор с самовозбуждением. Генераторы с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов. Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 11.6. Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться от постоянных магнитов (рис. 11.7).

Рис. 11.6 Рис. 11.7

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = U хх = f (I в). Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (I я) и при постоянной частоте вращения (n 2 = const) Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 11.8. Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю. При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально. Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса. Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки U = f (I) при токе возбуждения I в = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 11.9.

Рис. 11.8 Рис. 11.9

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

Генераторы с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора. Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 11.10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат R в. Генератор работает в режиме холостого хода. Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий. Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС. Рис. 11.10 Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения I в = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления R в в цепи возбуждения. Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис. 11.11

характеристику холостого хода генератора E = f (I в) (кривая 1) и вольт - амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения U в = R в ·I в, где U в - падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ ~ R в).

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины. Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме. Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения R кр, когда γ = γ кр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт - амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.

Во всех случа­ях асинхронная электрическая машина потребляет из сети реактивную мощность, необходимую для создания магнитного поля. При автономной работе асинхронной электрической машины в генераторном режиме магнитное поле в воздушном зазоре создается в результате взаимодействия магнитной движущийся силы магнитной силы всех фаз и магнитной движущийся силы обмотки ротора. Характер распределения магнитной движущийся силы точ­но такой же, как и в асинхронном электрическом двигателе(АД) , он также определяет характер распределения магнитного поля на полюсном делении. В асинхронном генераторе этот поток весьма близок к си­нусоидальному и при вращении ротора индуцирует в фазах статора и в обмотке ротора ЭДС Е| и Е 2 , которые можно принять синусоидальными.
В отличие от асинхронного электрического двигателя в асинхронном электрическом генераторе в данном случае ЭДС Е1 и Е 2 являются активными, поддерживают ток в соответствующих цепях и в нагрузке, подклю­ченной к выходным зажимам.

В установившемся режиме работы основные соотношения для асинхронного электрического генератора с самовозбуждением определя­ются из схемы замещения. Основное отличие только в том, что к ее выводам подключено сопро­тивление нагрузки 2 Н = К н +]Х Н и конденсаторы для обеспечения само­возбуждения и регулирования на­пряжения при изменении нагрузки асинхронного электрического генератора с сопротивлениями Х с = 1/соС и Х ск = 1/соС к.
Как видно, напряжение при работе под нагрузкой изменяется как за счет падения напряжения на сопротивлениях r 1 и х 1 , так и за счет сни­жения магнитного потока Фо т, связанного с размагничивающим действи­ем магнитной движущийся силы ротора. Если магнитная цепь асинхронного электрического генератора выполнена с достаточно силь­ным насыщением, то поток Фо т остается почти постоянным и напряжение U 1 при увеличении нагрузки изменяется в меньшей степени, а его внешняя характеристика получается более «жесткой».

Способы регулирования напряжения автономного асинхронного генератора. Самовозбуждение асинхронного электрического генератора

Особенности самовозбуждения асинхронного генератора. Асинхронный элетродвигатель, под­ключенный к трехфазной сети переменного тока, при частоте вращения ротора, больше, чем частота вращения поля статора, переходит в генера­торный режим и отдает в сеть активную мощность, потребляя из сети ре­активную мощность, необходимую для создания вращающегося магнитно­го поля взаимной индукции. Тормозной электромагнитный момент, дейст­вующий на роторе, преодолевается приводным двигателем — дизелем, гид­ротурбиной, ветродвигателем и т.п.
Для необходимо наличие источника реактивной мощности — батареи конденсаторов или синхронно­го компенсатора, подключенных к обмотке статора. При этом почти есте­ственной представляется работа асинхронного генератора при сверх синхронном скольжении, ко­гда скорость вращения ротора выше скорости вращающегося магнитного поля. Однако практически может возбуждаться при частоте вращения ротора, значительно меньшей синхронной, причем значения напряжения и частоты тока оказываются пропорциональными частоте вращения ротора и, кроме того, зависящими от схемы соединения конденсаторов. Так, в эксперименте (по опытным данным гл. инж. Штефана А.М. (НК ЭМЗ, г. Н.Каховка)) конденсаторный асинхронный мотор-редуктор типа АИРУ112-М2 при соединении бата­реи конденсаторов емкостью 3×120 мкФ в «звезду» возбуждается при ско­рости п р = 2133 об/мин с напряжением ГГф = 60 В и током фазы 1ф = 0,8 А, а при соединении тех же конденсаторов в «треугольник» напряжение =52 В и ток 1ф = 1,4А возникают при скорости п р = 1265 об/мин.

Весьма интересное явление наблюдалось в асинхронном генераторе серии А ИМН 90-L4 при включении емкости 40 мкФ только в одну из трех фаз. В этом случае возбуждение асинхронного генератора наступило при скорости п 2 = 1369 об/мин с параметрами U1ф = =209 В, I = 1,29 А, Г = 44 Гц. При емкости С = 60 мкФ, включенной в одну из фаз, параметры возбуждения асинхронного электрогенератора были равны: п 2 — 1300 об/мин, U = 500 В, I = 6,4 А, Г = 124 Гц. При увеличении частоты вращения ротора до син­хронной (1500 об/мин) наблюдалось увеличение частоты тока до 400Гц. В некоторых случаях, наоборот, не удавалось добиться устойчивого возбуж­дения асинхронного генератора даже при сверх синхронной частоте вращения ротора. Например, для намагниченных гладких стального массивного и шихтованного рото­ров самовозбуждения не возникало при любых величинах присоединенной емкости.

Для массивного стального ротора с тонким экраном из меди, а также для массивного стального зубчатого ротора с торцовыми медными конца­ми АГ устойчиво возбуждается при расчетном значении емкости. Асин­хронная машина с гладкими роторами из меди или алюминия возбуждает­ся без каких-либо дополнительных воздействий извне.

Таким образом, физические процессы самовозбуждения асинхронного генератора с пол­ным основанием можно отнести к недостаточно изученным, что связано, по нашему мнению, с преимущественным использованием до настоящего времени АМ в качестве двигателя, с разработкой для него теории, расчет­ных методик и проектирования, а для генераторного режима эти машины проектировались и выпускались достаточно редко.
В маломощных системах генерирования применяются, как правило, АМ, предназначенные для работы в двигательном режиме с конденсатор­ным возбуждением.

Описание процесса самовозбуждения на принципе остаточной намагниченности магнитной цепи.

Современные работы по са­мовозбуждению АГ с помощью статических конденсаторов по­строены на трех подходах. Один из них базируется на принципе остаточной намагниченности маг­нитной цепи машины, начальная ЭДС от которой затем усиливает­ся емкостным током в статоре. Рассмотрим этот подход.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1:

Выполнил: студент гр. ЭТ-21-10

Шоглев Р.Г.

Преподаватель:

Пичугин Ю.П.

Чебоксары 2012

Лабораторная работа №1

«Исследование генератора постоянного тока»

Цель работы: исследование генератора постоянного тока с различными видами возбуждения, снятие и изучение различных характеристик, в частности нагрузочная и характеристика холостого хода.

Необходимые исходные сведения

Устройство и принцип действия

На статоре машин постоянного тока (рис. 6) имеются об­мотки возбуждения, расположенные на главных полюсах, а так­же обмотка якоря, расположенная на роторе.

В установившемся режиме полюсная система статора созда­ет неизменное по направлению магнитное поле, которое прони­зывает якорь. При вращении якоря в этом поле в его проводни­ках наводится переменная ЭДС. Специальное устройство - кол­лектор и щетки, которые можно рассматривать как механиче­ский выпрямитель, позволяет получить на выводах обмотки яко­ря практически постоянную во времени ЭДС.

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Генераторы с независимым возбуждением

Если независимая обмотка возбуждения L1G (см. рис.1) по­лучает питание от стороннего источника постоянного тока, воз­буждение называется независимым. Обычно у крупных генера­торов таким источником служит вспомогательный генератор небольшой мощности, называемый возбудителем.

В учебной лаборатории независимая обмотка возбуждения питается от внутренней сети постоянного тока.

Генераторы с параллельным возбуждением

Обмотку возбуждения L1G можно питать от выводов об­мотки якоря самого генератора (см. рис. 2). В этом случае отпа­дает надобность в дополнительном источнике постоянного тока, что является существенным преимуществом генератора с парал­лельным возбуждением. Недостатком параллельного возбужде­ния является значительное уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки генератора.

Генераторы со смешанным возбуждением

Генераторы со смешанным возбуждением снабжаются дву­мя обмотками возбуждения: параллельной L1G и последова­тельной L2G (см. рис.З).

Применение последовательной обмотки, МДС которой про­порциональна току нагрузки, обеспечивает автоматическое уве­личение потока возбуждения с ростом нагрузки и позволяет поддерживать достаточно стабильное напряжение при измене­нии тока нагрузки в широких пределах.

Самовозбуждение генераторов

В генераторах с параллельным, последовательным и сме­шанным возбуждениями источником питания обмоток возбуж­дения является якорь самой машины (см. рис. 2, 3).

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора с парал­лельным возбуждением на холостом ходу. Магнитная система машины, будучи однажды намагниченной, сохраняет неболь­шой поток остаточного магнетизма. При вращении якоря в поле остаточного магнетизма в его обмотке возникает ЭДС Е ост, ко­торая создает в обмотке возбуждения первоначальный ток. Этот ток усиливает магнитное поле машины, вследствие чего напря­жение на зажимах якоря и обмотке возбуждения возрастает, что приводит к увеличению тока возбуждения и т.д. Таким образом, процесс самовозбуждения есть одновременное нарастание на­пряжения на выводах обмотки якоря и тока возбуждения гене­ратора. Пренебрегая сопротивлением якоря, можно считать, что ЭДС в обмотке якоря уравновешивается ЭДС самоиндукции и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки воз­буждения:

где e о - мгновенное значение ЭДС в обмотке якоря; i в - мгно­венное значение тока в обмотке возбуждения; R B , L B – активное сопротивление и коэффициент самоиндукции обмотки возбуж­дения.

Падение напряжения на активном сопротивлении обмотки возбуждения и R в = i B R B с ростом тока i в растет линейно и изобра­жается (см. рис. 4) прямой ОА. Зависимость e 0 =f(i в) представля­ет собой характеристику холостого хода генератора.

При значении тока возбуждения, равного i в (рис. 5), произ­водная

Это означает, что ток i в увеличивается во время переходного про­цесса при самовозбуж­дении. В точке А пере­сечения характеристики холостого хода и пря­мой ОА , ток i в в этой точке перестает нарастать (i в =const ) и процесс самовозбужде­ния заканчивается.

Процесс самовоз­буждения ( ) возможен при выполнении следующих ус­ловий:

а) в машине должен быть поток остаточного магнетизма. При отсутствии остаточного магнетизма магнитную систему машины следует намагнитить, пропустив постоянный ток по обмотке возбуждения от постороннего источника;

б) направления потока остаточного магнетизма и потока возбу­ждения должны быть одинаковыми. Если ток в обмотке возбуж­дения создает магнитный поток, направленный встречно оста­точному, то генератор не возбуждается, нужно изменить на­правление тока в обмотке возбуждения, изменив полярность присоединения ее зажимов к обмотке якоря;

в) сопротивление в цепи возбуждения должно быть меньше критического. Крити­ческому сопротивления цепи обмотки возбуждения соответст­вует зависимость и R в = i B R B .КР представляющая собой касатель­ную О В к характеристике холостого хода.

Реакция якоря

Магнитное поле в машине постоянного тока создается при холостом ходе только обмоткой возбуждения (рис. 6, а). При вращении ротора по направлению стрелки в проводниках об­мотки якоря наводится ЭДС (на рис. 6, а направления ЭДС по­казаны знаками «+» и « ».

При нагрузке по обмотке якоря протекает ток. В проводни­ках обмотки якоря генератора направление тока совпадает с на­правлением ЭДС. Такое распределение тока в проводниках об­мотки якоря имеет место, когда щетки располагаются на гео­метрической нейтрали (их расположение совпадает с попереч­ной осью q). В результате возникает поле якоря. Воздействие МДС обмотки якоря на поле машины, созданное обмоткой воз­буждения, называется реакцией якоря. Пояснить, как изменяется поле машины в результате этого воздействия, мы можем с по­мощью рис.6. Поле машины при ее холостом ходе (рис, 6, а) соз­дается только МДС обмотки возбуждения. Поле якоря (рис. 6, 6) получается в машине при наличии тока только в обмотке якоря. Его поле имеет ось, совпадающую с линией расположения ще­ток. Из сопоставления рис 6,а и 6,б видно, что МДС обмотки возбуждения и обмотки якоря складываются в пределах одной половины полюса и вычитаются в пределах другой половины полюса. Из-за насыщения ферромагнитных участков, располо­женных близко к воздушному зазору (это в основном зубцы ро­тора), увеличение МДС на половине полюса не приводит к про­порциональному увеличению индукции в воздушном зазоре. В то же время на другой половине полюса, где МДС меньше, на­сыщение отсутствует. Магнитная индукция здесь уменьшается практически пропорционально уменьшению МДС. В результате при нагрузке магнитный поток Ф уменьшается. Таким образом, поперечная реакция якоря является размагничивающей.

Главное отличие этого типа генераторов в том, что намагничивающая обмотка возбуждения питается не от постороннего источника, а от самого генератора. Поэтому они называются генераторами с самовозбуждением.

Принципиальная электрическая схема и устройство магнитной системы четырех полюсного генератора с самовозбуждением.

В коллекторных генераторах, кроме основных полюсов и обмоток, есть ещё 2 дополнительных полюса, на которых размещается по витку дополнительной последовательной обмотки. Это необходимо для компенсации магнитного потока реакции якоря и сохранения положения электрической нейтрали машины при изменении нагрузки.

Для нормальной работы генератора с самовозбуждением необходимо, чтобы напряжение, подаваемое на намагничивающую обмотку, не изменялось в процессе сварки, т.е. не зависело от режима сварки. С этой целью в генераторе установлена третья дополнительная щетка z , которая располагается между двумя основными щетками a и b . При анализе работы данного генератора необходимо учитывать магнитный поток Ф я , создаваемый сварочным током, протекающим по виткам якорной обмотки, так называемый поток реакции якоря.

Картина распределения магнитных потоков под полюсом полярности N четырехполюсного генератора

Из рисунка видно, что под одной половиной полюсов силовые линии поля якоря усиливают намагничивающий поток Ф н. а под другой - ослабляют его. В целом подмагничивающее действие потока реакции якоря компенсируется его размагничивающим действием. Поэтому при анализе работы генераторов с независимым возбуждением влияние потока реакции якоря не учитывалось.

В генераторах с самовозбуждением параметры обмотки якоря и размагничивающей обмотки подобраны так, что под одной половиной полюсов (между щетками b—z ) магнитный поток размагничивающей обмотки компенсируется потоком реакции якоря. В результате напряжение на щетках b-z будет определяться только половиной магнитного потока намагничивающей обмотки.

Таким образом, напряжение, питающее намагничивающую обмотку, оказывается независящим от сварочного тока. Падающая же характеристика генератора обеспечивается за счет размагничивающего действия размагничивающей обмотки, проявляющегося под второй половиной полюсов.

Это позволяет заключить, что регулировка режима в коллекторных генераторах с самовозбуждением такая же. как и в генераторах с независимым возбуждением.

Особенность генераторов с самовозбуждением состоит в том, что их запуск возможен только при вращении якоря, в одном направлении, указанном стрелкой на торцевой крышке статора.

Это связано с тем, что первоначальное возбуждение генератора при его запуске происходит благодаря остаточному намагничиванию полюсов. При вращении якоря в противоположную сторону в обмотке возбуждения потечет ток обратного направления, который своим нарастающим магнитным полем в какой-то момент времени компенсирует остаточное намагничивание полюсов, т.е. суммарный магнитный поток под полюсами станет равным нулю. В этом случае для возбуждения генератора необходимо намагничивающую обмотку временно подсоединить к независимому источнику постоянного тока.

Агрегат АДД-303 с коллекторным генератором

ВЕНТИЛЬНЫЕ СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Появились в середине 70-х годов 20 века после освоения производства силовых кремниевых вентилей. В этих генераторах функцию выпрямления тока вместо коллектора выполняет полупроводниковый выпрямитель, на который подается переменное напряжение генератора.

В сварочных агрегатах применяются генераторы три типа конструкции генераторов переменного тока: индукторный, синхронный и асинхронный

Конструкции генераторов переменного тока:

а — индукторного, б — синхронного, в — асинхронного

В России сварочные агрегаты выпускаются с индукторными генераторами с самовозбуждением, независимым возбуждением и со смешанным возбуждением.

Схема вентильного генератора с самовозбуждением

Схемы однофазного и трехфазного вентильных генераторов с независимым возбуждением

Конструктивная схема и связь параметров индукторного генератора

В индукторном генераторе неподвижная обмотка возбуждения питается постоянным током, но создаваемый ею магнитный поток имеет переменный характер. Он максимален при совпадении зубцов ротора и статора, когда магнитное сопротивление на пути потока минимально, и минимален при совпадении впадин ротора и статора.

Следовательно. ЭДС , наводимая этим потоком, тоже переменная. Три рабочие обмотки расположены на статоре со сдвигом на 120°, поэтому на выходе генератора образуется трехфазное переменное напряжение. Падающая характеристика генератора получается за счет большого индуктивного сопротивления самого генератора. Реостат в цепи возбуждения служит для плавной регулировки сварочного тока.

Отсутствие скользящих контактов (между щетками и коллектором) делает данный генератор более надежным в эксплуатации. Кроме того, у него более высокий КПД, меньшие масса и габариты, чем у коллекторного генератора. Значительно можно улучшить и динамические характеристики.

Принципиальная электрическая схема вентильного генератора типа ГД-312 с самовозбуждением

ВСХ генератора ГД-312

Для обеспечения работы на холостом ходу питание обмотки возбуждения осуществляется от трансформатора напряжения, а для питания ее в режиме короткого замыкания - от трансформатора тока. В режиме нагрузки - сварки - на обмотку возбуждения подается смешанный сигнал управления пропорциональный части выходного напряжения и пропорциональный току.

Вентильные генераторы выпускаются марки ГД-312 и применяются для ручной сварки металлов в составе агрегатов типа АДБ

Схемы соединения обмоток трехфазного индукторного генератора

Вентильный генератор ГД-4006

Принципиальная схема генератора ГД-4006

ВСХ генератора ГД-4006

В России выпускают несколько конструкций многопостовых агрегатов с количеством постов от 2х до 4х.

На рынке представлены универсальные агрегаты для нескольких способов сварки или сварки и плазменной резки. В частности агрегат АДДУ-4001ПР

Устройство агрегата АДДУ-4001ПР

Формирование исскуственных ВСХ агрегата АДДУ-4001ПР обеспечивается тиристорным силовым блоком с микропроцессорным управлением.

Более широкие технологические возможности обеспечивает применение в агрегатах инверторных силовых блоков, как например в агрегате Vantage500.

Инверторные источники питания.

Инвертирование в преобразовательной технике - это преобразование постоянного напряжения в переменное.

Инверторы сварочных источников питания выполняются на силовых тиристорах и транзисторах. Тиристорные инверторы проигрывают транзисторным по максимальной частоте преобразования (на порядок) и соответственно по массогабаритным показателям. Поэтому в производстве сварочных ИП они в настоящее время почти полностью вытеснены транзисторными инверторами.

Рассмотрим одну из широко применяемых схем транзисторного инвертирования.

Выпрямитель V1 преобразует напряжение сети (~380В, 50Гц) в постоянное, неравномерность которого сглаживается фильтром L1— С1. Инвертор на транзисторах VT1-VT2 преобразует постоянное напряжение в переменное высокочастотное (~ 50 кГц). Далее напряжение (~ 380 В) понижается трансформатором Т до сварочного (80 В), выпрямляется выпрямителем V2 и сглаживается фильтром L2- C2. Поскольку трансформируется переменный ток большой частоты, то трансформатор изготавливается не с железным, а с ферритовым сердечником, что снижает его вес примерно в 10 раз. Поскольку частота трансформируемого тока большая, то сокращается длительность переходных процессов с n*10 -2 с до 10 -3 с и менее.

В настоящее время основную часть инверторного оборудования для сварочного производства составляют ИП с высокочастотными трансформаторами, поскольку условия электробезопасности при ручной сварке и сварке шланговыми полуавтоматами, а также при плазменной резке требуют гальванической развязки вторичной цепи от силовой сети.

Регулировка режима (получение падающей вольтамперной характеристики и регулировка вторичного напряжения на жёсткой характеристике) как правило осуществляется путём изменения частоты.

Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов

Для получения падающей характеристики вводится обратная связь по току: с его увеличением автоматически снижается частота, что влечет уменьшение выходного напряжения. Для стабилизации выходного напряжения на жестких характеристиках вводится обратная связь по напряжению.

Внешние характеристики выпрямителей с инвертором

В 80-х годах и до середины 90-х годов инверторные выпрямители выпускались небольшой мощности (до 160 А), для работы на монтаже и для бытовых нужд. В середине 90-х появилось новое поколение так называемых полевых транзисторов, способных выдерживать большие токи. Это позволило приступить к выпуску промышленных инверторов на токи 300-500 А.

Современные переключающие приборы: МОП-транзистор (а); биполярный транзистор с изолированным затвором (б); транзисторно-диодный модуль — чоппер (в); силовой модуль с оптимизированным управлением и комплексной внутренней защитой (г)

В сварочных ИП с силовыми транзисторами используется несколько схем инвертирования.

Однотактный преобразователь с прямым включением диода

Однотактный преобразователь с обратным включением диода

Двухтактный мостовой преобразователь

Двухтактный полумостовой преобразователь

Резонансный двухтактный мостовой преобразователь

Реальные силовые схемы инверторных ИП могут существенно отличаться от типовых.

Выпрямитель ДС.250.33

Выпрямитель Сaddy Arc 150

Выпрямитель InvertecV350-РRО

Выпрямитель Форсаж-160

Имя изобретателя: Филиппов А.Н.; Ермилов Н.Г.
Имя патентообладателя: Филиппов Алексей Николаевич
Адрес для переписки: 450078 Башкорстостан Уфа, ул.Алтайская 64-16, Филиппову А.Н.
Дата начала действия патента: 1996.07.23

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к электромашиностроению и может быть применено в производстве машин постоянного тока.

Существующие машины постоянного тока в своем устройстве имеют коллекторные узлы с щетками, как средство коммуникации, с преобразованием переменного тока в постоянный.

Наличие скользящих контактов во вращающейся обмотке выходного напряжения существенно снижает их надежность и усложняет эксплуатацию .

Одно из возможных исполнений содержит неподвижный индуктор, щеточно-контактный аппарат и вращающийся якорь с валом, снабженный обмоткой и коллекторным узлом.

К недостаткам описанных аналогов следует отнести:
- подвижность рабочей обмотки выходного напряжения с наличием в ней коллекторного узла с токосъемными щетками, что снижает надежность работы устройства,
- отсутствия системы самовозбуждения.

Униполярный генератор, выбранный в качестве прототипа /3/, содержит статор с зубчатым магнитопроводом, якорь с обмоткой выходного напряжения, соединенной в последовательную цепочку и индуктор.

Последовательное соединение медных стержней вращающейся обмотки выходного напряжения в устройстве прототипа выполнено посредством многочисленных щеток, установленных на каждой коллекторной пластине.

Недостатками устройства прототипа являются:
- подвижность, размещенной на валу якоря рабочей обмотки выходного напряжения с наличием в ней множественных коллекторных узлов с коммутационными пластинами и щетками токосъема,
- отсутствие устройства самовозбуждения генератора.

С целью повышения надежности и обеспечения самовозбуждения генератора предлагается новое устройство с превращением подвижной рабочей обмотки в неподвижную и с исключением на ее цепи множественных скользящих контактов. Это достигается тем, что в известном униполярном генераторе - прототипе, содержащем статор с зубчатым магнитопроводом, якорь с обмоткой выходного напряжения, соединенной в последовательную цепочку и индуктор, внесены следующие изменения:
- в устройстве установлено два индуктора, закрепленных на одном валу,
- постоянные магниты обоих индукторов установлены встречно одноименными полюсами,
- в межполюсном пространстве стационарно установлен сдвоенный зубчатый статор с кольцеобразным полым магнитопроводом,
- обмотка выходного напряжения и кольцевой пустотелый магнитопровод имеют вид тороидальной катушки с прямоугольным поперечным сечением сердечника,
- пустотелость магнитопровода выполнена для образования воздушной изоляции между магнитными потоками,
- в устройстве отсутствуют щеточно-контактные узлы как в цепи возбуждения, а также и в схеме выходного напряжения,
- устройство представляет из себя спаренные два генератора.

На фиг. 1 представлен в продольном разрезе общий вид предлагаемого устройства.

На фиг. 2 изображен магнитопровод статора с обмоткой выходного напряжения, вид сбоку.

На фиг. 3 представлен узел крепления магнитопровода статора к корпусу генератора и являющейся частью магнитопровода.

На фиг. 4 приводится электрическая схема рабочей обмотки выходного напряжения.

На фиг. 5 изображена та же электрическая схема в сечении машины.

На фиг. 6 приводится магнитопровод статора и одновитковая схема рабочей обмотки выходного напряжения.

На фиг. 7 показан индуктор генератора.

На продольном разрезе (фиг. 1) представлена конструктивная схема предлагаемого устройства, содержащего корпус генератора 1, съемные боковые щиты корпуса 2, вентиляционные прорези в щитах 3, прокладки регулирования воздушного зазора 4, вал генератора 5, вентилятор охлаждения 6, магнитопровод индуктора 7, путь магнитного потока в индукторе и статоре 8, постоянные магниты индуктора 9, воздушный зазор 10, узел крепления магнитопроводов инжекторов 11, сдвоенный сборно-разборный магнитопровод статора 12, узел крепления магнитопровода статора к корпусу 1 и являющегося его частью 13, воздушная изоляция между магнитопроводами 14, элементы активных аксиальных проводников обмотки выходного напряжения 15, выводные концы обмоток 16, болты крепления статора к корпусу генератора 17, соединительные проводники активных элементов обмотки выходного напряжения, установленные горизонтально 18, узел крепления и разъема сборно-разборного магнитопровода статора 19.

На фиг. 2 изображен магнитопровод статора 12 с обмоткой выходного напряжения 15 и выводными концами 16, пазы для укладки активных элементов обмотки выходного напряжения 20, их горизонтальные соединительные проводники 18 не видны, но их видно на чертеже по малому диаметру статора, где они расположены коаксиально валу 5. Цифрой 21 указаны отверстия для крепления магнитопровода.

На фиг. 3 показан чертеж узла крепления корпуса генератора и магнитопровода статора 13, цифрой 22 указана резьба для болтового крепления к корпусу, а цифрой 23 отверстия крепления с магнитопроводом статора 12.

На фиг. 4 показана электрическая схема последовательного соединения обмотки выходного напряжения, где цифрой 15 обозначены ее активные проводники, 16 выводные концы, соединительные проводники 18.

На фиг. 5 приводится электрическая схема последовательного соединения обмотки выходного напряжения 15 для дополнительного пояснения к фиг. 1. Скрешивание соединительных проводников 18 по малому диаметру магнитопровода показано условно, т.к. в разрезе генератора невозможно полностью изобразить схему, а фактически его не будет. Это видна по фиг. 4. На фиг. 5 под цифрой 7 указаны магнитопроводы, 8 - путь магнитного потока, 9 - постоянные магниты, 12 - магнитопровод статора, цифрой 19 указан узел крепления и разъема двух частей магнитопровода.

На фиг. 6 изображена схема обмотки выходного напряжения 15 совместно с магнитопроводом 12. Как видно, мы имеем дело с тороидальной катушкой, но с той лишь разницей, что она имеет пустотелый сердечник в виде кругового кольца и не круглого сечения, а прямоугольного. Цифрой 24 указан путь магнитного потока в магнитопроводе 12 от обмотки выходного напряжения.

На фиг. 7 изображен индуктор генератора. Цифрой 7 обозначен кольцевой магнитопровод, а 9 - дискретно рассредоточенные постоянные магниты.

Поверхности соединительных проводников 18 (фиг. 5). уложенных горизонтально в пазах 20 под прямым углом к магнитному потоку являются поверхностями равного электрического потенциала, определяемого уравнением:

U(X, Y, Z)=const,

(см. Л.Р.Нейман и П.Л.Калантаров, ТОЭ. ч. 1 ГЭИ, М.Л. 1959 г. стр. 90). Вдоль любой линии на этой поверхности имеем:

Следовательно разность потенциалов любых двух точек на участках А-С и В-G, лежащих на этой поверхности, будет равна нулю. (см. Л.Р.Нейман и П.Л. Калантаров, ТОЭ, ч. 1. ГЭИ. 1959 г., стр. 40). В отличие от поверхности проводников 15 активной части обмотки на участке A-D, которые пересекаются магнитным потоком с разной линейной скоростью в точках А и D, т.е. изменяемым магнитным потоком, поверхности соединительных проводников 18 в точках А и С, а также B-G пересекаются не изменяемым магнитным потоком и при равной линейной скорости в этих точках, т.е. в этих точках не может быть разности потенциалов, а следовательно не будет возникать и ЭДС. Потенциалы в точках А-С и B-G будут равными.

В изотропной, в отношении проводимости, среде линии тока совпадают с линиями напряженности поля, т.к. в любой точке такой среды векторы плотности тока и напряженности электрического поля, связанные соотношением d = UE имеют одно направление. Поэтому в изотропной среде линии тока пересекают поверхности равного потенциала под прямым углом (см. там же стр. 90).

Поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал, называется эквипотенциальной поверхностью (см. "Справочник по элементарной физике", Наука, 1988 г. , Н.И.Кошкин и М.Г. Ширкевич, стр. 119). Работа электрических сил при перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю, перемещение зарядов не будет.

В замкнутом контуре выходной обмотки предлагаемого генератора будет действовать ЭДС, т. к. линейный интеграл напряженности электрического поля вдоль замкнутого контура не будет равен нулю по причине наличия разности потенциалов, причем этот линейный интеграл и равен ЭДС, действующий в контуре.

Разность потенциалов в предложенном устройстве обеспечивается за счет разности линейных скоростей пересечения проводников активной части обмотки, что вызовет изменение потокосцепления, т.к. точки проводников, удаленные от оси ротора будут пересекаться с большей линейной скоростью, нежели точки проводников, находящихся ближе к оси ротора. Встречное направление магнитных потоков в магнитопроводах 12, разделенных воздушным промежутком 14 не имеет отрицательных последствий, т. к. магнитные цепи индуктора разделены. В предложенном устройстве генератора наведение встречной ЭДС исключается, а на выходных зажимах 16 образуется постоянная по величине и однонаправленная ЭДС.

Обмотка статора, образуя тороидальную катушку, имеет не только магнитный поток в теле магнитопроводящего сердечника, но и магнитное поле во внешней среде, которое и будет взаимодействовать с однополосным магнитным потоком индуктора, что подтверждает обратимость генератора (см. рис. 34,4 и 34,6 на стр. 471 и 473, Л. Эллиот и У.Уилкокс, перевод с английского, издание 2, "Физика", издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1967 г.).

Используя правило правой руки, мы убедимся, что направление ЭДС от правостороннего индуктора будет во всех элементах от центральной оси, а от левостороннего индуктора, наоборот, в сторону оси. Это дает возможность создать последовательную цепочку из всех элементов обмотки выходного напряжения. Скрещивание соединительных проводников 18 по малому диаметру магнитопровода показано условно, т.к. в разрезе генератора невозможно полностью изобразить схему, а фактически его не будет. Это видно по фиг. 4.

Магнитное поле, создаваемое одноименнополюсными постоянными магнитами, будет вращающимся, т. к. каждый из них имеет свою ось намагничивания и совершает круговое движение во времени и пространстве, что подтверждается а.с. N 118302 (4).

Устройство фактически состоит их двух, совмещенных в одном изделии генераторов, работающих на одну обмотку выходного напряжения. Постоянный электрический ток образуется без средств коммутации и при отсутствии скользящих контактов, как в выходной цепи, а также и в цепи возбуждения.

Генератор выполнен с однонаправленным магнитным потоком, не изменяемым по величине и по направлению. ЭДС в активных элементах обмотки возникает по закону электромагнитной индукции в трактовке М.Фарадея, т.е. в зависимости от разности скоростей пересечения проводника по его длине магнитным потоком согласно формулы:

Все величины в этой формуле, как магнитная индукция - В, длина проводника - l и скорость - V являются постоянными величинами. Работа встречных одноименных магнитных потоков, магнитопроводы которых разделены воздушным промежутком, в практике применяется и вполне возможна (4).

Предлагаемый генератор может быть изготовлен мощностью до 10 кВт, напряжением до 500 В. Получаемое постоянное напряжение будет тем больше, чем больше последовательно соединенных активных элементов обмотки. Замена подвижных обмоток выходного напряжения на неподвижные с исключением из них множественных контактных колец с щетками токосъема существенно повышает надежность работы устройства, а замене кольцевых катушек возбуждения на постоянные магниты обеспечивает самовозбуждение генератора и создает лучшие условия для увеличения МДС с обеспечением равномерности магнитной индукции. В качестве первичного двигателя может быть использована энергия ветра, воды, двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель.

Устройство может быть использовано в промышленности для электросварки, электролиза, зарядки аккумуляторных батарей, питания электродвигателей, для целей электротяги и на другие цели. Изложенные выше примеры не исчерпывают всех случаев применения предлагаемого генератора, а являются лишь иллюстрацией.

Устройство работает следующим образом: при вращении вала 5 генератора постоянные магниты 9 создают ЭДС в рабочей обмотке выходного напряжения. Таким образом, происходит самовозбуждение генератора. С набором оборотов генератор переходит из пускового режима в нормальный рабочий режим.

Предложенное устройство имеет существенное преимущество как перед традиционными коллекторными, а так же и перед униполярными машинами, т.к. не имеет контактов и коллекторных узлов в выходной цепи и в схеме возбуждения. Является простым, более удобным для разборки и сборки. Изменение устройства прототипа согласно принятому техническому решению обеспечивает возможность осуществления изобретения с получением положительного эффекта, а именно: повысить надежность работы генератора за счет устранения скользящих контактов с щетками как из выходной электрической цепи, а так же и из схемы возбуждения и выполнить самовозбуждение генератора. Дополнительным положительным эффектом является улучшение эксплуатации, т.к. не требуются профилактические мероприятия по контролю за щеточно-контактными узлами.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Самовозбуждающийся бесколлекторный , содержащий статор с зубчатым магнитопроводом, якорь с обмоткой выходного напряжения, соединенной в последовательную цепочку, и индуктор, отличающийся тем, что обмотка выходного напряжения выполнена неподвижной, а ее активные элементы размещены аксиально в пазах кольцевого магнитопровода статора, выполненного полым, а индуктор выполнен сдвоенным и снабжен обращенными встречно одноименнополюсными постоянными магнитами.