АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H02P1/04 H02P9/14 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электроэнергии в автономной системе генерирования.

Цель технического решения - повышение перегрузочной способности синхронного генератора при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором соизмеримой мощности.

Известны системы возбуждения синхронных генераторов с генераторами постоянного тока, в которых ток возбуждения регулируется в цепи возбуждения подвозбудителя. Наличие дополнительных электрических машин значительно усложняет такую систему генерирования, а при изменяющейся нагрузке для стабилизации выходного напряжения необходима обратная связь. В статических системах возбуждения с фазовым компаундированием применяют трансформаторы тока, первичные обмотки которых включены последовательно с нагрузкой. Вторичные через выпрямитель соединены с обмоткой возбуждения асинхронного генератора. В пределах диапазона от холостого хода до номинальной нагрузки постоянство напряжения в таких системах удается поддерживать с точностью ± (10-15)%. При пуске асинхронного двигателя соизмеримой мощности потребляемый им ток достигает пяти- семикратных значений. При этом на обмотках трансформатора тока происходит значительное падение напряжения, которое снижает перегрузочную способность генератора. (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений, -3-е изд. перераб. - Л., 1978, 783-786 стр.).

Наиболее близким техническим решением является автомобильный синхронный генератор с транзисторным регулятором напряжения и выпрямителем на выходе. (Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования. Учебник для машиностроительных техникумов по специальности "Автотракторное электрооборудование" / Л.В. Копылова, В.И. Коротков, В.Е. Красильников. Под ред. М. Н.Фесенко и др. - Машиностроение, 1979, стр. 163-169).

Транзисторный регулятор напряжения содержит: устройство для измерения напряжения генератора, включающее делитель напряжения и стабилитрон, регулирующее устройство, функции которого выполняет транзисторное реле с коллекторной обратной связью, включающее два транзистора, диод, делитель напряжения и сопротивление в цепи обратной связи. Нагрузкой транзисторного реле является обмотка возбуждения генератора, которая включается на выходное выпрямленное напряжение генератора.

Автомобильный синхронный генератор с транзисторным регулятором напряжения работает следующим образом. За счет остаточного магнитного поля электродвижущая сила, наведенная в обмотках генератора, выпрямляется выпрямителем и вводит в насыщение выходной транзистор устройства регулирования напряжения генератора. При этом выпрямленное напряжение генератора прикладывается к обмотке возбуждения. Начинается процесс самовозбуждения. Когда выходное напряжение генератора превысит номинальное, пробивается стабилитрон и устройство измерения напряжения закорачивает вход устройства регулирования напряжения генератора. Обмотка возбуждения отключается от выпрямителя. Напряжение генератора падает. Таким образом, стабилизируется напряжение генератора. Автомобильный синхронный генератор с транзисторным регулятором напряжения и нагрузкой, подключенной к обмоткам через выпрямитель, отличается жесткой внешней характеристикой.

Однако при подключении активно-индуктивной нагрузки к фазам генератора размагничивающее действие обмотки якоря приводит к значительному падению выходного напряжения генератора. Вместе с этим падает ток возбуждения. И, как следствие, начинается процесс развозбуждения. Поэтому главным недостатком такого источника электропитания является низкая перегрузочная способность при пуске асинхронного двигателя соизмеримой мощности. Из анализа процесса прямого пуска асинхронного двигателя от автономного синхронного генератора без учета переходных составляющих токов следует, что требуемая форсировка тока возбуждения

где K_i - кратность пускового тока асинхронного двигателя;
K_p - отношение номинальной мощности асинхронного двигателя к номинальной мощности синхронного генератора;
X_d* - индуктивное сопротивление якорной обмотки генератора в относительных единицах.

Так, например, при пуске асинхронного двигателя с кратностью пускового тока i_p = 7 (Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник /А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, и др. - М.: Энергоатомиздат, 1982. Типоразмер асинхронного двигателя - 4АС 112М4УЗ), номинальная мощность которого равна номинальной мощности синхронного генератора (K_p = 1) с индуктивным сопротивлением якорной обмотки генератора в относительных единицах X_d* = 1 (Вешеневский С.Н, Характеристики двигателей в электроприводе, изд. 6-е, - М.: Энергия, 1977, стр. 331) форсировка тока возбуждения для повышения перегрузочной способности синхронного генератора при пуске асинхронного двигателя должна составить K_t = 4.

С учетом переходного процесса форсировка тока возбуждения должна быть ускоренной.

Поставленная цель достигнута тем, что в автономном источнике электропитания, содержащем синхронный генератор с выпрямителем в цепи обмотки якоря, к шинам постоянного тока которого подсоединено устройство измерения и устройство регулирования напряжения генератора, к выходу которого подключена обмотка возбуждения, обмотка возбуждения рассчитана на номинальное напряжение возбуждения, меньшее выпрямленного в I_p* раз, параллельно которой подключено звено интегрирования с пороговым элементом и ключом, выход которого соединен с входом устройства регулирования напряжения генератора.

В предлагаемом техническом решении (см. чертеж) автономный источник электропитания содержит синхронный генератор 1 с нагрузкой в виде асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 2, к фазам якорной обмотки которого 3, 4, 5 подключен трехфазный выпрямитель 6, который выводами постоянного тока 7 и 8 подключен к устройству измерения напряжения 9 на резисторах R1, R2, R3 и стабилитроне VD1, выход которого соединен с входом 10 устройства регулирования напряжения 11 на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R4, R5, выход которого соединен с обмоткой возбуждения 12 и обратным диодом 13 синхронного генератора 1, параллельно которой включено звено интегрирования 14 на резисторах R6, R7 и конденсаторе C1 с пороговым элементом 15 на резисторе R8 и стабилитроне VD2 и ключом 16 на транзисторе VT3, выход которого соединен с входом 10 устройства регулирования напряжения генератора.

Устройство работает следующим образом. После достижения заданной частоты вращения синхронного генератора 1 ЭДС фаз обмоток, вызванная остаточным магнитным потоком, выпрямляется выпрямителем 6 и подводится к обмотке возбуждения 12 через открытый транзистор VT2 устройства регулирования 11. Начинается процесс самовозбуждения, в ходе которого растет напряжение на фазах генератора 3, 4, 5 и шинах постоянного тока 7, 8. Сопротивление обмотки возбуждения 12 синхронного генератора 1 выбрано таким, что номинальный ток возбуждения будет при напряжении на шинах постоянного тока 7, 8, которое меньше в K_f раза напряжения стабилизации
U_dc = 2,34•E_фст
где U_dc - напряжение на шинах постоянного тока 7, 8 в режиме стабилизации напряжения;
E_фст - ЭДС фазы генератора в режиме стабилизации напряжения.

Устройство работает одинаково в режиме самовозбуждения и в режиме прямого пуска асинхронного двигателя, когда и в том, и в другом случае напряжение на шинах постоянного тока 7, 8 меньше напряжения стабилизации. В этих режимах стабилитрон VD1 устройства измерения напряжения 9 не пропускает ток и транзистор VT2 устройства регулирования напряжения 11 открыт. Напряжение на шинах постоянного тока 7, 8 приложено к обмотке возбуждения 12. Если напряжение стабилизации генератора 1 значительно больше номинального напряжения возбуждения, то возникают аварийные режимы для транзистора VT2 устройства регулирования напряжения 11 по предельно допустимому току коллектора и для обмотки возбуждения по условиям теплового нагрева. Ограничение тока возбуждения в указанных режимах повышения перегрузочной способности достигается тем, что параллельно обмотке возбуждения 12 включают звено интегрирования 14 на резисторах R6, R7 и конденсаторе C1 с пороговым элементом на резисторе R8 и стабилитроне VD2 и ключом 16 на транзисторе VT3, выход которого соединен с входом 10 устройства регулирования 11. На конденсаторе C1 звена интегрирования 14 формируется напряжение, повторяющее по форме изменение тока через обмотку возбуждения 12. После достижения напряжением на конденсаторе C1 заданной величины пробивается стабилитрон VD2. Между эмиттером и базой ключа 16 на транзисторе VT3 появляется напряжение. Транзистор VT3 открывается и воздействует на вход 10 устройства регулирования напряжения 11. Обмотка возбуждения 12 отключается от выпрямителя 6 и ток возбуждения уменьшается, замыкаясь через обратный диод 13. Конденсатор C1 разряжается через резистор R7. Стабилитрон VD2 в пороговом устройстве 15 выходит из режима пробоя и транзисторный ключ VT3 закрывается. Снимается запрещающий сигнал со входа 10 устройства регулирования 11. Транзистор VT2 открывается, подключая обмотку возбуждения 12 к шинам постоянного тока 7, 8. После чего процесс повторяется. Транзисторный регулятор напряжения, таким образом, обеспечивает форсировку тока возбуждения на уровне, который задается параметрами делителя R6, R7. После достижения на фазах генератора 1 напряжения выше номинального под действием выпрямленного напряжения пробивается стабилитрон VD1 устройства измерения 9 и, воздействуя на вход 10 устройства регулирования 11, закрывает транзистор VT2. Обмотка возбуждения 12 отключается от выпрямителя 6. Напряжение на фазах генератора 3, 4, 5 и шинах постоянного тока 7, 8 падает. Стабилитрон устройства измерения 9 выходит из режима пробоя, снимая сигнал с входа 10 устройства регулирования 11. Транзистор VT2 открывается и подключает обмотку возбуждения 12 к шинам постоянного тока 7, 8. Таким образом, подключая и отключая обмотку возбуждения 12 от шин постоянного тока 7, 8, транзисторный регулятор напряжения стабилизирует напряжение на фазах генератора 3, 4, 5.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электроэнергии в автономной системе генерирования. Техническим результатом является повышение перегрузочной способности синхронного генератора при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором соизмеримой мощности. Автономный источник электропитания содержит синхронный генератор с выпрямителем в цепи обмотки якоря, к шинам постоянного тока которого подсоединено устройство измерения и устройство регулирования напряжения генератора, к выходу которого подключена обмотка возбуждения. Обмотка возбуждения синхронного генератора рассчитывается на напряжение, меньшее выпрямленного фазного номинального в коэффициент форсирования фаз, а транзисторный регулятор напряжения снабжается устройством, ограничивающим ток возбуждения при напряжениях на фазах генератора меньше номинального. 1 ил.

Автономный источник электропитания, содержащий синхронный генератор с выпрямителем в цепи обмотки якоря, к шинам постоянного тока которого подсоединено устройство измерения и устройство регулирования напряжения генератора, к выходу которого подключена обмотка возбуждения, отличающийся тем, что обмотка возбуждения рассчитана на номинальное напряжение возбуждения меньшее выпрямленного в
раза,
где K_i - кратность пускового тока асинхронного двигателя;
K_р - отношение номинальной мощности асинхронного двигателя к номинальной мощности синхронного генератора;
X_d* - индуктивное сопротивление якорной обмотки генератора в относительных единицах, параллельно которой подключено звено интегрирования с пороговым элементом и ключом, выход которого соединен со входом устройства регулирования напряжения генератора.