РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1997 года по МПК H02P9/14 

Изобретение относится к области регулирования выходных характеристик электрических машин и может быть использовано для регулирования напряжения синхронных генераторов, например, в электроагрегатах.

Известен регулятор напряжения (патент США N 3899731, кл. 322-25), содержащий токовые трансформаторы, включенные последовательно с нагрузкой в каждую фазу генератора. Выходные обмотки указанных трансформаторов объединены на входе трехфазного выпрямителя, включенного последовательно со вторым выпрямителем, питаемым от дополнительных обмоток генератора и подключенным через регулирующий элемент к обмотке возбуждения генератора. Данный регулятор позволяет обеспечивать требуемое качество выходного напряжения генератора как в статических, так и в динамических режимах нагрузки. Регулирование осуществляется с высоким КПД благодаря использованию токовых трансформаторов. Но применение указанных трансформаторов, работающих на частоте 50 Гц, ухудшает массо-габаритные показатели регулятора и увеличивает его стоимость, что снижает его потребительские свойства.

Известны также регуляторы напряжения (Электрооборудование бронетанковой техники./ Под ред. проф. А.С. Белоновского, Военное издательство Министерства обороны СССР, 1976, с. 49, рис.2.4), у которых в качестве регулирующего элемента, включенного в цепь обмотки возбуждения, использован транзистор, работающий в ключевом режиме и управляемый от блока управления, подключенного входом к выходным клеммам генератора и вырабатывающего сигнал в функции отклонения напряжения генератора.

Такое техническое решение уменьшает потери в регулирующем элементе и несколько повышает КПД регулятора.

Наиболее близким к предлагаемому является регулятор напряжения синхронного генератора (патент ФРГ N 1241529, кл. 21 d² 6), содержащий компаундирующие резисторы, выпрямитель, регулирующий элемент, а генератор имеет основные и дополнительные обмотки и обмотку возбуждения, причем в каждой фазе компаундирующий резистор, основная обмотка генератора и дополнительная обмотка генератора соединены в звезду, вторые выводы основных обмоток подключены к выходным клеммам генератора, вторые выводы дополнительных обмоток генератора подключены к выпрямителю, выход которого подключен к обмотке возбуждения генератора через регулирующий элемент, а вторые выводы компаундирующих резисторов соединены между собой. В качестве регулирующего элемента использован переменный резистор.

Данный регулятор обеспечивает требуемое качество выходного напряжения генератора во всех режимах статических и динамических, включая набросы нагрузки, запуски двигателей и т.п. Однако, постоянное присутствие в силовой цепи активного сопротивления компаундирующих резисторов приводит к значительным потерям энергии, что снижает КПД регулятора, требует принятия мер по отводу тепла, ухудшает массо-габаритные показатели регулятора, требует увеличения мощности приводного (первичного) двигателя генераторной установки.

Целью изобретения является улучшение потребительских свойств регулятора напряжения синхронного генератора за счет повышения его КПД.

Цель достигается тем, что в регуляторе напряжения синхронного генератора параллельно компаундирующим резисторам подключены коммутаторы, управляющие входы которых соединены с вторым выходом блока управления. Генератор имеет основные и дополнительные обмотки и обмотку возбуждения. Регулятор содержит компаундирующие резисторы, выпрямитель, регулирующий элемент и блок управления. При этом в каждой фазе генератора компаундирующий резистор, основная обмотка генератора и дополнительная обмотка генератора соединены в звезду. Вторые выводы компаундирующих резисторов соединены между собой, вторые выводы основных обмоток подключены к выходным клеммам генератора, а вторые выводы дополнительных обмоток генератора подключены к выпрямителю, выход которого подключен к обмотке возбуждения генератора через регулирующий элемент. Вход регулирующего элемента подключен к выходу блока управления, вход которого подключен к выходным клеммам генератора.

Новым в регуляторе напряжения является то, что параллельно компаундирующим резисторам подключены коммутаторы, входы управления которых соединены с блоком управления.

Введение коммутаторов, шунтирующих компаундирующие резисторы, позволяет использовать последние короткое время, например, только при пусках асинхронных двигателей соизмеримой с генератором мощности, когда в цепи нагрузки генератора протекают токи, в 6-9 раз превосходящие номинальные токи данного двигателя. В подобных режимах для поддержания выходного напряжения генератора в заданных пределах, а также для обеспечения гарантированного пуска двигателей необходимо осуществлять подпитку цепей возбуждения генератора дополнительной энергией ("форсировка" возбуждения), чему и служат компаундирующие резисторы, включенные в цепь возбуждения последовательно с дополнительными обмотками генератора и обтекаемые токами нагрузки. По завершению пускового режима указанная подпитка не требуется, т.к. напряжения дополнительных обмоток хватает для обеспечения требуемого тока возбуждения, поэтому в предлагаемом техническом решении компаундирующие резисторы шунтируются коммутаторами по сигналу блока управления, вырабатываемому при соответствующем отклонении выходного напряжения генератора. Последнее позволило при сохранении высокого качества регулирования обеспечить повышение КПД регулятора напряжения за счет того, что в статических режимах работы компаундирующие резисторы не обтекаются током и потери мощности в них отсутствуют. Как следствие, улучшаются массо-габаритные показатели, т. к. уменьшаются потери, улучшается отвод тепла, требуется меньшая мощность генератора и его приводного двигателя. Все это улучшает потребительские свойства регулятора.

На фиг.1 представлена электрическая схема регулятора напряжения синхронного генератора; на фиг.2 один из вариантов ее практического выполнения.

Регулятор напряжения (фиг.1) содержит компаундирующие резисторы 1, коммутаторы 2, включенные параллельно резисторам 1, регулирующий элемент 3 и блок управления 4. Основные обмотки 5 генератора одними выводами подсоединены к выходным клеммам и в каждой фазе вместе с дополнительными обмотками 6 генератора и компаундирующими резисторами 1 включены в звезду, вторые выводы дополнительных обмоток 6 подключены к выпрямителю 7, через регулирующий элемент 3 соединенному с обмоткой возбуждения 8 генератора. Входы управления коммутаторов 2 подключены к выходу блока управления 4, входом подключенного к выходным клеммам генератора. При практическом выполнении регулятора (фиг. 2) коммутаторы 2 могут быть выполнены, например, на оптосимисторах VS1-VS3, регулирующий элемент 3 на составном оптотранзисторе VT1, VT2, а блок управления 4 на компараторах напряжения DA1, DA2, управляющих ключами на транзисторах VT3, VT4, включенных в цепи управления оптосимисторами VS1-VS3 и оптотранзистора VT2. Делители напряжения, выполненные на резисторах R1, R2 и R3, R4, совместно с источником опорного напряжения на стабилитроне VD1 определяют пороги срабатывания коммутаторов 2 и уровень регулирования напряжения, осуществляемого регулирующим элементом 3, работающим в релейном режиме. Трансформатор TV служит для потенциальной развязки силовых и управляющих цепей. От его вторичных обмоток питаются выпрямитель обратной связи по напряжению (U) и источник питания (+Е) блока управления 4.

Регулятор напряжения синхронного генератора работает следующим образом.

Пусть в исходный момент времени генератор работает в статическом режиме (на холостом ходу, под постоянной или медленно меняющейся нагрузкой) и поддержание его выходного напряжения обеспечивается за счет энергии, получаемой от дополнительных обмоток 6 благодаря работе регулирующего элемента 3 и блока управления 4. При этом выходное напряжение генератора находится в пределах допустимого отклонения от установленного значения, поэтому блок управления 4 обеспечивает замкнутое состояние коммутаторов 2, и ток нагрузки протекает через коммутаторы, падение напряжения на которых незначительно.

В произвольный момент времени осуществляется, например, пуск асинхронного двигателя соизмеримой с генератором мощности. В выходных цепях генератора возникают значительные токи, которые превосходят номинальный ток генератора. Величина, а также скорость нарастания этого тока приводят к тому, что мгновенное значение тока возбуждения не соответствует значению тока нагрузки, и поэтому напряжение на выходе генератора уменьшается, вызывая по сигналу блока управления соответствующее срабатывание регулирующего элемента 3 и подачу на обмотку возбуждения 8 генератора практически всего напряжения дополнительных обмоток 6. Однако ввиду того, что величина напряжения на дополнительных обмотках 6 оказывается недостаточной для обеспечения нужного тока возбуждения и, следовательно, напряжения на выходе генератора, последнее продолжает уменьшаться и по достижению им определенного, наперед заданного порогового значения, блок управления 4 выдает сигнал управления, размыкающий коммутаторы 2, и ток генератора начинает протекать через компаундирующие резисторы. Возникающее при этом на компаундирующих резисторах 1 напряжение, пропорциональное току нагрузки генератора, суммируясь с напряжением на дополнительных обмотках, увеличивает напряжение возбуждения, ускоряет нарастание тока возбуждения, что приводит к увеличению напряжения на выходе генератора и обеспечивает пуск подключенного электродвигателя. При достижении напряжением на выходе генератора определенного порогового значения блок управления 4 подает сигнал на замыкание коммутаторов 2 и далее регулятор напряжения обеспечивает статический режим работы генератора.

Таким образом, благодаря введению коммутаторов, включенных параллельно компаундирующим резисторам и управляемых от блока управления, стало возможным повысить КПД регулятора. Эффект достигается исключением непроизводительных затрат энергии, вызванных работой компаундирующих резисторов в статических режимах работы генератора с учетом того, что статический режим работы является для генератора определяющим, а динамические режимы составляют крайне незначительную долю общего времени работы. Если, например, электродвигатель запускается за 1 с, а частота его пусков 20 в час, то относительное время динамического режима составит 1 х 20 х 100/3600 0,56% длительность статического режима составит 99,4% а потери энергии в компаундирующих резисторах по сравнению с постоянным их включением уменьшатся в 99,4/0,56 177,5 раз, и можно считать, что потери в компаундирующих резисторах практически отсутствуют.

Использование: для регулирования напряжения синхронных генераторов электроагрегатов. Сущность: регулятор напряжения синхронного генератора содержит компаундирующие резисторы 1, коммутаторы 2, регулирующий элемент 3 и блок управления 4. Основные обмотки 5 генератора одним выводом подсоединены к выходным клеммам и в каждой фазе вместе с дополнительными обмотками 6 и компаундирующими резисторами 1 включены в звезду, вторые выводы дополнительных обмоток 6 подключены к выпрямителю 7 через регулирующий элемент 3, соединенному с обмоткой возбуждения 8 генератора. Коммутаторы 2 включены параллельно компаундирующим резисторам 1 и управляются сигналами блока управления 4, подключенного к выходным клеммам генератора. Вторые выводы компаундирующих резисторов 1 соединены между собой. В регуляторе повышается КПД. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Регулятор напряжения синхронного генератора, имеющего основные и дополнительные обмотки и обмотку возбуждения, содержащий компаундирующие резисторы, выпрямитель, регулирующий элемент и блок управления, причем в каждой фазе компаундирующий резистор, основная обмотка генератора и дополнительная обмотка генератора соединены в звезду, вторые выводы основных обмоток подключены к выходным клеммам генератора, вторые выводы дополнительных обмоток генератора подключены к выпрямителю, выход которого подключен к обмотке возбуждения генератора через регулирующий элемент, подключенный входом к выходу блока управления, вход которого подключен к выходным клеммам генератора, а вторые выводы компаундирующих резисторов соединены между собой, отличающийся тем, что в него введены коммутаторы, подключенные параллельно компаундирующим резисторам. 2. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что управляющие входы коммутаторов подключены к второму выходу блока управления.