Управляемый источник питания на базе электромашинных агрегатов с инерционными накопителями

Оп ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскнкСоциалистическикРеспублик ии 942200(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Занвлено 31.07.78 (21) 2652088/24-0с присоединением заявки РЙ(51)М, Кл. Н 023 3/30 еаауВЮетеетеЫ кветет СССР аф алием взобретеииЯ и атермтиЯ(72) Автор изобретения Ордена Ленина институт .кибернетики АН Украинской" 4:СР(54) УПРАВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НА БАЗЕЭЛЕКТРОМАШИННЫХ АГРЕГАТОВ С ИНЕРЦИОННЫМИНАКОПИТЕЛЯМИ 1Изобретение относится к технике анергоснабже ния импульсных потребителей алектроэнергии, установок физичес- кого эксперимента либо объектов промышле нной технологии, характеризуемых преимущественно индуктивным им 5 педансом нагрузки и необходимостью быстрого управления током в ее цепи, таких, как термоядерные установки с магнитным удержанием плазмы, плазмен- а ные ускорители, мощные алектроыагниты и т. и.Для обеспечения анергией указанных и других подобных им устройств, работающих, как правило, в импульсном ре-т 5 жиме, не редко используются источникипитания на базе алектромашинных регатов с инерционными накопителями.Известны инерционные накопители с регулированием напряжения 11320Однако в известных вариантах быстродействие регулирования тока в индуктивной нагрузке существенно ограничено вследствие инерционности цепи возбужде 2ния 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 алектромеханической положительной обратной связи посредством отбора части мощности из цепи нагрузкй для создания дополнительного крутящего момента на валу генератора (в установке энергоснабжения с накопителем механической энергии, выполненным в видемаховика 121 .Однако и в этом устройстве тсз-за инерционности системы алектромеханической обратной связи нельзя осуществить быстрое изменение тока в цепи щцрузки путем воздействия на цепи воэбуждвиия генератора или серводвигателя в контуре обратной связи.Таким образом, аналтсз рассмотренных аналогов показывает, что с точки зрения требований высокого быстродействия и00 ты, Последние прн отсутствии тока вобмотках статоров синхронных генераторов задают начальные направления магнитных моментов из роторов во вращающейся системе отсчета в виде многофазной симметричной звезды, т, е, с равноотстоящими начальными фазами, дающими в сумме 2 л . Кроме того, муфты обеспечивают воэможность демпфированных крутильных колебаний магнитных моментов роторов относительно их невозмушенных 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 источник7 напряжения подключены к индуктивно-резистивной нагрузке 8, Требуемая . начальная фазировка магнитных моментов роторов 2 в виде симметричной М -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 работае 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 электродвижушая сила на нагрузке 8 равна нулю, Ток в цепи нагрузки 8 не протекает и роторы 2 не испытывают никаких электродинамических воздействий из- за отсутствия магнитного поля обмоток 1 статора.При подаче управляющего сигнала на управляемый источник 7 напряжения последний газвиват некоторую электро 50 з 9422большой энергоемкости наиболее приемлемым является сочетание инерционного накопителя и электронного управляющегоустройства в цепи нагрузки. В этом случае значительные преимушества перед источниками с другими видами генераторовимеет источник с синхронньм генератороми коммутируемой цепью нагрузки.Известен инерционный накопитель, ко-торый содержит некоторое число идентич- Оных синхронных генераторов с включенными последовательно обмотками статоров и синфазно ориентированными магнитными моментами роторов. Последниежестко связаны с маховиками, приводимыми во вращение синхронными двигателями, питаемыми от сети переменноготока. Обмотки подключены через регулятор тока к индуктивно-резистивной нагрузке 3. 20Так как синхронные генераторы вэтом устройстве работают в синфазномрежиме, а угловые скорости их вращения.за рабочий импульс изменяются незначи,тельно (обычно на величину не более 2520%), то напряжение на входе регуляторатока существенно не меняется. Оно должно быть примерно равно максимальномунапряжению на нагрузке Ос с, необходимому для соединения требуемой ско- З 0рости изменения тока через нее. Следовательно, регулятор тока устройствапрототипа должен быть рассчитан на макисимальное напряжение О ,и максимальный ток 3 в нагрузке, При большойимпульсной мощности Ракс=цмакс" мййспотребляемой нагрузкой, быстродействующий регулятор тока становится трудно осуществимым из-юа чрезмерно большой требуемой мощности электронной аппаратуры, 0которая должна возрастать с увеличениемтребований по. быстродействию,Цель изобретения - значительноеуменьшение требуемой установленноймощности регулирующей аппаратуры присохранении основных достоинств прототипа - большой удельной энергоемкости,рекуперации энергии при сбросе нагруз-ки и возможности быстрого управлениятоков в нагрузке с преимущественноиндуктивным характером импеданса.Указанная цель достигается тем,что в качестве регулятора тока в цепинагрузки приме няется управляемый иоточник напряжения, а роторы синхронных геирраторов приводятся во вращение от синхронных двигателей с маховиками через упруго-демпфирующие муфдвижущую 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 враще ния ротора 2 под действием знакопеременных электродинамических усилий со стороны магнитного поля обмоток 1 статора благодаря тому, что упруго-демпфирующие муфты 3 допускают кру- - 10 тильные колебания.Ранее было указано, что собственная частота крутильных колебаний выбирается ниже частоты синхронного генератора, т. е, частоты периодических сил, действующих на ротор при его вращении в поле статора, Более конкретно, вращение ротора замедляется, когда его полюсы приближаются к одноименно намагниченным полюсам статора и ускоряется 10 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 зи противоположных полюсов, Таким образом, у каждого из синхронных генераторов средний за период магнитный поток ротора направлен навстречу магнитному потоку, который создается током, З 0 протекающим по обмотке статора. Благодаря последовательному соединению генераторов и сдвигу их начальных фаз быстропеременные составляющие магнитных потоков через обмотки 1 взаимно компе нсируются.За счет того, что увеличение времени полупериода, в котором полюса ротора и статора отталкиваются, не полностью компенсируется сокращением времени по лупериода, соответствующего притяжению разноименных полюсов, средняя длительность всего периода вращения увеличивается. Таким образом; движение ро 3торов 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, конечно теряется на активном сопротивлении цепи и поглощается в упруго-демпфирующих муфтах. Впрочем, при электромагнитном демпфировд ниц можно осуществить рекуперациюэнергии,Благодаря первоначальной звездообразной ориентации магнитных моментовроторов переменные составляющие магнитного потока сквозь обмотки 1 статоров взаимно компенсируются, так что придостаточно большом числе М синхронныхгенераторов суммарная переменная соотавляющая потока оказывается практически равной нулю, Постоянные же составляющие магнитного потока, возникаюшие за счет колебаний роторов по фазеи направленные навстречу первичному потоку статора, суммируются. При достаточно большой величине магнитных моментовроторов 2 вто 1 ричный поток ф 1 по абсолютной величине оказывается больше певичного ф, так что суммарный потокф направлен навстречу первичному. Этоозначает, что изменяющийся магнитныйпоток создает электродвижущую силу,,противоположную по направлению индуктивной составляющей падения напряженияпо обмотках 1 статора, Указанная электродвижущая сила складывается с напряжением О управляемого источника 7 напряжения, усиливая его и приводя к дальнейшему возрастанию тока Э в цепи всоответствии с уравнениемФ Р Э=О- - 1ю афсИ с 1где Р - суммарное активное сопротивление цепи, 4 - самоиндукция цепи нагрузки, Ф - суммарный поток магнитного поля сквозь обмотки 1 статоров. Отрицательный коэффициент пропорциональности между потоком ф и током Э в обмотках 1, имеющий отрицательную величину и размерность самоиндукции, обозначают через 1, . Тогда уравнение цепи примет вид: Отсюда видно, что при 1системаустойчива, так как корен характеристического уравнения Р=- в этом1 - . - 1случае имеет ве 1 цествейную отрицательную величину,Основной эффект заключается в том,что при заданной величине требуемой скорости нарастания тока 2 напряжение О, Которое должен развивать управс 1ляемый источникнапряжения, может быть уменьшено без потери устойчивости системы до величины РЛ падения напряжения на активном сопротиведа 4858/48 Тираж 669 ВНИИПИ Государственного ком по делам изобретений и от 113035, Москва, Ж, РаушЗа По ета тий наб., д ПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 филна пении цепи. Напряжение О, а следова 1тельно, и установленная мощность РЪ: макс требущ ще для УЧщщщния токов цепи, по сравнению с устройством-прототипом .могут быть уменьшены 5 враз, где ш: Щ 1- наибольшая час- шЦтота, характеризующая требуемое быстродействие управления током в нагрузке. Так, при= 10 Гц, Ь = 1 Гн, К 10 Ом получается выигрыш в установленной 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- о зистивной нагрузкой регулятор тока и синхронные генераторы, механически связанные с маховиками инерционных накопителей, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью уменьшения требуемой установле нной мощности, магнитные полюсыроторов синхронных генераторов ориентированы по схеме многофазной симметричной звезды, а между роторами и маховиками установлены упруго-демпфирующиемуфты, причем регулятор тока в цепи нагрузки выполнен в виде управляемого источника на пряже ния. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Арцимович Л,А. Замкнутые плазменные конфигурации. М., "Наука", 1969с, 108,2. Заявка ФРГ2546777,кл. Н 02 3 3/30, опублик. 21.04.77,3. Кнопфель Т. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М., "Мир", 1974,с. 170-175.