КОММУТИРУЕМЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР СТАБИЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ Российский патент 1998 года по МПК H02P9/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерирования напряжения стабильной частоты в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала приводного двигателя, например в ветроэнергетических установках, малых гидроэлектростанциях, дизель-электроустановках с регулированием частоты вращения в зависимости от нагрузки, в электроустановках с приводом от маршевого двигателя.

Известен электромеханический преобразователь энергии с полупроводниковым коммутатором [1] , в котором вращение магнитного потока статора создается в результате согласованного с вращением ротора последовательного подключения секций обмотки статора к источнику постоянного тока с помощью управляемых прлупроводниковых вентилей. Данная машина надежна в работе, однако при использовании ее в режиме генератора переменного тока стабильной частоты (при переменной скорости вращения ротора) коммутатором, выступающим в этом случае в качестве преобразователя частоты, будет преобразовываться полный поток выходной мощности машины, что обусловливает завышенную установленную мощность вентилей и снижает КПД устройства.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является генератор переменного тока [2], предназначенный для производства переменного электрического тока постоянной частоты при переменной скорости вращения вала приводного двигателя и содержащий полупроводниковый коммутатор, замкнутую многосекционную обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности статора, соединены последовательно-согласно, а их выводы подключены через полупроводниковый коммутатор к управляемому источнику постоянного тока, датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора. Однако данное устройство не обеспечивает стабилизацию частоты выходного напряжения в широком диапазоне изменения скорости вращения вала генератора, поскольку в этом устройстве отсутствуют признаки, направленные на возможность поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения, диаметрально противоположных выводов секций многосекционной замкнутой обмотки возбуждения к источнику постоянного ток.

Изобретение направлено на расширение рабочего диапазона изменения скорости вращения вала устройств генерирования электроэнергии стабильной частоты с переменной скоростью вращения привода.

Сущность изобретения состоит в том, что от известного генератора предлагаемый коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты, содержащий датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора, управляемый источник постоянного тока, полупроводниковый коммутатор, силовой вход которого связан с выходом управляемого источник постоянного тока, многосекционную замкнутую обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности индуктора, соединены последовательно-согласно, а их выводы подключены к выходам полупроводникового коммутатора, регулятор возбуждения, выход которого связан с входом управляемого источника постоянного тока, датчик напряжения, выход которого связан с первым входом регулятора возбуждения, а вход - с выходом генератора, задатчик напряжения, выход которого связан с вторым входом регулятора возбуждения, отличается тем, что расширение рабочего диапазона изменения скорости вращения вала генератора достигается за счет того, что в него дополнительно введены задатчик частоты и регулятор частоты, первый вход которого соединен с выходом задатчика частоты, а второй - с выходом датчика частоты вращения, а выходы регулятора частоты связаны с управляющими входами полупроводникового коммутатора, выполненного с возможностью поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения и числу секций обмотки возбуждения на пару полюсов, диаметрально противоположных выводов секций обмотки возбуждения к управляемому источнику постоянного тока, причем в состав регулятора частоты входят схема сравнения и компаратор, первые входы которых соединены с выходом задатчика частоты, а вторые - с выходом датчика частоты, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, а второй - с выходом компаратора, выходы распределителя импульсов связаны с соответствующими управляющими входами полупроводникового коммутатора.

На фиг. 1 представлена схема коммутируемого синхронного генератора стабильной частоты, на фиг. 2 - схема регулятора частоты.

Коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты (фиг. 1) содержит два контура регулирования. Первый контур служит для стабилизации выходной частоты генератора 1 с многосекционной замкнутой обмоткой возбуждения 2 и включает в себя датчик частоты вращения 3, механически связанный с валом 4 генератора 1, регулятор частоты 5, полупроводниковый коммутатор 6 и генератор 1. Задание требуемой выходной частоты осуществляется с помощью задатчика частоты 7, сигнал с которого поступает на первый вход регулятора частоты 5. Информация о текущей частоте вращения вала 4 поступает с датчика частоты 3 на второй вход регулятора частоты 5. Второй контур служит для стабилизации генерируемого напряжения и включает датчик напряжения 8, своим входом подключенный к выходу 9 генератора 1, регулятор возбуждения 10, управляющий источником постоянного тока 11, полупроводниковый коммутатор 6 и генератор 1. Задание требуемого значения выходного напряжения осуществляется с помощью задатчика напряжения 12, сигнал с которого поступает на второй вход регулятора возбуждения 10.

Регулятор частоты 5 (фиг. 1, 2) служит для управления ключами полупроводникового коммутатора 6, для чего в составе последнего имеются схема сравнения 13, управляемый генератор импульсов 14, компаратор 15 и распределитель импульсов 16.

Задатчик частоты 7, задатчик напряжения 12, регулятор возбуждения 10, датчик частоты вращения 3, датчик напряжения 8, схема сравнения 13 и компаратор 15 могут быть реализованы по известным схемам, в том числе и с применением цифровой техники. В качестве управляемого генератора импульсов 14 может использоваться, например, преобразователь напряжения в частоту. Распределитель импульсов 16 может быть выполнен на основе реверсивных сдвиговых регистров. Полупроводниковый коммутатор 6 представляет собой коммутатор на полностью управляемых ключах двустороннего действия и может быть реализован с использованием комплементарных транзисторных пар. Число ключей двустороннего действия коммутатора 6 соответствует числу m соединенных с его выходами секций обмотки возбуждения 2, которое является кратным числу полюсов 2p. Обмотка возбуждения 2 конструктивно может быть выполнена по типу якорной обмотки машины постоянного тока. Вращение магнитного потока возбуждения при частотах вращения ротора, отличных от синхронной, в предлагаемом устройстве создается в результате согласованного с частотой скольжения последовательного подключения секций обмотки возбуждения 2 к источнику постоянного тока 11 аналогично созданию вращающегося магнитного потока статора в известном электромеханическом преобразователе энергии с полупроводниковым коммутатором. Обмотка якоря генератора 1 может быть выполнена в обычных для синхронных машин исполнениях.

Электропитание системы возбуждения генератора 1 может осуществляться как от выхода 9 устройства с использованием в качестве источника постоянного тока 11 управляемого выпрямителя (режим самовозбуждения коммутируемого синхронного генератора стабильной частоты), так и от некоторого независимого источника, например от отдельного электромашинного возбудителя, находящегося на одном валу 4 с генератором 1.

Рассмотрим работу устройства (фиг. 1, 2).

В исходном состоянии на выходах задатчиков частоты 7 и напряжения 12 имеют место сигналы, соответствующие требуемым значениям частоты и напряжения на выходе генератора 1, а на одном из выходом распределителя импульсов 16 должен присутствовать сигнал управления полупроводниковым коммутатором 6, удерживающий в открытом состоянии соответствующую пару полупроводниковых ключей и тем самым обеспечивающий подключение выводов диаметрально противоположных секций обмотки возбуждения 2 к управляемому источнику постоянного тока 11. При работе устройства на вторые входы устройства сравнения 13 и компаратора 15 поступает информация с датчика частоты вращения 3, а на первые - с задатчика частоты 7. Сигнал с выхода схемы сравнения 13 поступает на вход управляемого генератора импульсов 14, на выходе которого возникают прямоугольные импульсы управления с частотой следования, пропорциональной величине этого сигнала, то есть пропорциональной модулю скольжения. Импульсы управления поступают на первый (тактовый) вход распределителя импульсов 16, на второй вход которого поступает сигнал с выхода компаратора 15, управляющий в зависимости от знака скольжения направлением распределения импульсов. В зависимости от этого направления полупроводниковым коммутатором 6 осуществляется подключение выводов диаметрально противоположных секций обмотки возбуждения 2 к управляемому источнику постоянного тока 11 поочередно либо в направлении, совпадающем с направлением вращения вала 4, если частота вращения последнего выше синхронной, либо в противоположном направлении, если частота вращения вала 4 ниже синхронной. При вращении ротора генератора 1 с синхронной частотой сигнал на выходе схемы сравнения 13 отсутствует, и импульсов на выходе управляемого генератора импульсов 14 нет, следовательно, состояния выходов распределителя импульсов 16 не меняются и открытой остается та пара полупроводниковых ключей коммутатора 6, на управляющий вход которой поступает сигнал с одного из выходов распределителя импульсов 5. В этом случае генератор 1 работает как обычный синхронный генератор.

Стабилизация генерируемого напряжения в предлагаемом устройстве осуществляется с помощью регулятора возбуждения 10 известными способами.

Таким образом, предлагаемый коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты позволяет обеспечивать поддерживание постоянства частоты на его выходе в расширенном диапазоне изменения частот вращения вала.

Использование: для генерирования напряжения стабильной частоты в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала. Сущность изобретения: генератор имеет многосекционную замкнутую обмотку возбуждения, конструктивно выполненную по типу якорной обмотки машины постоянного тока. Стабилизация выходной частоты генератора при частотах вращения ротора, отличных от синхронной, осуществляется с помощью регулятора частоты вращения путем поочередного подключения с помощью коммутатора выводов диаметрально противоположных секций обмотки возбуждения к управляемому источнику постоянного тока с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения и числу секций на пару полюсов. Это позволяет обеспечить расширение рабочего диапазона изменения частоты вращения, в котором обеспечивается постоянство частоты генерируемого напряжения. 2 ил.

Коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты, содержащий датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора, управляемый источник постоянного тока, полупроводниковый коммутатор, силовой вход которого связан с выходом управляемого источника постоянного тока, многосекционную замкнутую обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности индкуктора, соединены последовательно согласно, а их выводы подключены к выходам полупроводникового коммутатора, регулятор возбуждения, выход которого связан с входом управляемого источника постоянного тока, датчик напряжения, выход которого связан с первым входом регулятора возбуждения, а вход с выходом генератора, задатчик напряжения, выход которого связан с вторым входом регулятора возбуждения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены задатчик частоты и регулятор частоты, первый вход которого соединен с выходом задатчика частоты, а второй с выходом датчика частоты вращения, а выходы регулятора частоты связаны с управляющими входами полупроводникового коммутатора, выполненного с возможностью поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения и числу секций обмотки возбуждения на пару полюсов, диаметрально противоположных выводов секций обмотки возбуждения к управляемому источнику постоянного тока, причем в состав регулятора частоты входят схема сравнения и компаратор, первые входы которых соединены с выходом задатчика частоты, а вторые с выходом датчика частоты, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, а второй
с выходом компаратора, выходы распределителя импульсов связаны с соответствующими управляющими входами полупроводникового коммутатора.