КОММУТИРУЕМЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТЬЮ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2007 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 [Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978, с.235], 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 полупроводниковых 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, снижает КПД устройства и вносит большие искажения в форму кривой генерируемого напряжения.

Известен также генератор переменного тока [FR, патент, 2303410, кл. Н02F 9/14, 1976], 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. Но это устройство не обеспечивает стабилизацию частоты выходного напряжения и минимизацию несинусоидальности этого напряжения при изменении скорости вращения вала генератора в широком диапазоне, 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 тока.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты [RU, патент, 2103800, Н02Р 9/42, 1998], 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 индуктора, соединены последовательно согласно, а их выводы подключены к выходам 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 выходу управляемого источника постоянного тока, 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 со вторым входом регулятора возбуждения, задатчик частоты, схему сравнения, компаратор, причем первые входы схемы сравнения и компаратора соединены с выходом задатчика частоты, а вторые - с выходом датчика частоты вращения, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, и распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом компаратора. Достоинством прототипа является возможность поддерживания постоянства частоты генерируемого им переменного электрического напряжения в широком диапазоне изменения частот вращения. В то же время наличие коммутаций секций обмотки возбуждения данной электрической машины, обусловленное принципом ее действия, влечет за собой некоторое ухудшение качества формы кривой генерируемого напряжения за счет появления в нем нежелательных гармоник, состав которых зависит как от частоты вращения вала, так и от величины и характера случайным образом изменяющейся нагрузки. Однако рассматриваемое устройство не обеспечивает минимизацию искажений формы кривой выходного напряжения, поскольку в прототипе отсутствуют признаки, направленные на реализацию такой возможности.

Изобретение направлено на уменьшение искажений формы кривой генерируемого напряжения в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала приводного двигателя на базе коммутируемого синхронного генератора.

Сущность изобретения состоит в том, что от известного коммутируемого синхронного генератора стабильной частоты предлагаемый коммутируемый синхронный генератор с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения, 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 индуктора, соединены последовательно согласно, а их выводы подключены к выходам 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 выходу управляемого источника постоянного тока, 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 со вторым входом регулятора возбуждения, задатчик частоты, схему сравнения, компаратор, причем первые входы схемы сравнения и компаратора соединены с выходом задатчика частоты, а вторые - с выходом датчика частоты вращения, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, и распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом компаратора, отличается тем, что уменьшение искажений формы кривой генерируемого напряжения достигается за счет того, что в него с целью экстремального управления несинусоидальностью этого напряжения дополнительно введены датчик несинусоидальности напряжения, вход которого соединен с выходом генератора, вычислитель, вход которого соединен с выходом датчика несинусоидальности напряжения, делитель частоты, вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, а выход - со вторым входом распределителя импульсов, и схема регулирования длительности импульсов, тактовый вход которой соединен с выходом управляемого генератора импульсов, установочный вход - с выходом вычислителя, а управляющие входы - с соответствующими выходами распределителя импульсов, выходы схемы регулирования длительности импульсов связаны с соответствующими управляющими входами полупроводникового коммутатора.

На фиг.1 представлена схема коммутируемого синхронного генератора с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения. Схема содержит три 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, схему сравнения 5, управляемый генератор импульсов 6, делитель частоты 7, распределитель импульсов 8, схему регулирования длительности импульсов 9, полупроводниковый коммутатор 10 и генератор 1. Задание требуемой выходной частоты осуществляется с помощью задатчика частоты 11, сигнал с которого поступает на первый вход схемы сравнения 5. Информация о текущей частоте вращения вала 4 поступает с датчика частоты вращения 3 на второй вход схемы сравнения 5. Определение направления коммутации выводов многосекционной замкнутой обмотки возбуждения 2 осуществляется с помощью компаратора 12, на первый вход которого с выхода задатчика частоты 11 подается сигнал о требуемой выходной частоте, на второй вход с выхода датчика частоты вращения 3 поступает сигнал о текущей частоте вращения, а выход компаратора 12 соединен с первым входом распределителя импульсов 8.

Второй контур обеспечивает стабилизацию генерируемого напряжения и содержит датчик напряжения 13, своим входом подключенный к выходу 14 генератора, регулятор возбуждения 15, управляющий источником постоянного тока 16, полупроводниковый коммутатор 10 и генератор 1. Требуемое значение выходного напряжения устанавливается с помощью задатчика напряжения 17, сигнал с которого поступает на второй вход регулятора возбуждения 15.

Третий контур необходим для уменьшения искажений формы кривой генерируемого напряжения путем реализации экстремального управления и включает датчик несинусоидальности напряжения 18, своим входом подключенный к выходу 14 генератора 1, вычислитель 19, вход которого соединен с выходом датчика несинусоидальности напряжения 18, схему регулирования длительности импульсов 9, установочный вход которой связан с выходом вычислителя 19, полупроводниковый коммутатор 10 и генератор 1.

На фиг.2 изображены эпюры выходных напряжений делителя частоты 7 (фиг.1) - u_ДЧ, распределителя импульсов 8 - u_РИ1, u_РИ2, u_РИ3, ..., u_РИm-1, u_РИm и схемы регулирования длительности импульсов 9 - u_СРД1 u_СРД2, u_СРД3, ..., u_СРДm-1, u_CPm, причем последние эпюры для наглядности показаны для двух случаев: сплошной линией - при длительности импульсов t_и1, когда импульсы соседних выходов перекрывают друг друга в течение времени t_пр, а пунктирными линиями - при длительности импульсов t_и2, когда между импульсами соседних выходов имеются паузы длительностью t_пз.

На фиг.3 приведена блок-схема поискового алгоритма работы вычислителя 19 (фиг.1), обеспечивающего экстремальное управление несинусоидальностью формы кривой генерируемого устройством напряжения. На блок-схеме обозначено: N₀ - двоичный код вычислителя 19, соответствующий длительности импульсов на выходе схемы регулирования длительности импульсов 9 t_и=t_иРИ, где t_иРИ - длительность импульсов на выходе распределителя импульсов 8, т.е. когда t_пр=t_пз=0 (фиг.2); N_min, N_max - двоичные коды, задающие соответственно минимальное и максимальное значения относительной длительности импульсов τ_и=t_и/t_иРИ; U_N - напряжение, поступающее на вход вычислителя 19 (фиг.1) с выхода датчика несинусоидальности напряжения 18 при двоичном коде N, выданном с выхода вычислителя 19 на установочный вход схемы регулирования длительности импульсов 9; а U_N-1, U_N+1 - напряжения, поступающие на вход вычислителя с выхода датчика несинусоидальности 18 соответственно при уменьшении и увеличении этого двоичного кода N на единицу.

Схема сравнения 5 (фиг.1), управляемый генератор импульсов 6, делитель частоты 7, распределитель импульсов 8 и компаратор 12 в совокупности представляют собой регулятор частоты, служащий для управления ключами полупроводникового коммутатора 10. Задатчик частоты 11, задатчик напряжения 17, регулятор возбуждения 15, датчик частоты вращения 3, датчик напряжения 13, схема сравнения 5 и компаратор 12 могут быть реализованы по известным схемам, в том числе и с применением цифровой техники. В качестве управляемого генератора импульсов 6 может использоваться, например, преобразователь напряжения в частоту интегрального исполнения. Распределитель импульсов 8 может быть выполнен на основе реверсивных сдвиговых регистров. Полупроводниковый коммутатор 10 построен на полностью управляемых ключах двустороннего действия, которые могут быть реализованы с использованием комплементарных транзисторных пар. Число ключей двустороннего действия коммутатора 10 соответствует числу m соединенных с его выходами секций обмотки возбуждения 2, которое является кратным числу полюсов 2р. Обмотка возбуждения 2 конструктивно может быть выполнена по типу якорной обмотки машины постоянного тока.

Датчик несинусоидальности напряжения 18 (фиг.1) в своем составе содержит режекторный фильтр и прецизионный выпрямитель: режекторный фильтр необходим для подавления в третьем контуре регулирования основной гармоники генерируемого напряжения, снимаемого с выхода 14 генератора 1, а прецизионный выпрямитель обеспечивает получение средневыпрямленного значения напряжения, содержащего в своем составе гармоники, оставшиеся после подавления режекторным фильтром основной из них. Режекторный фильтр и прецизионный выпрямитель реализуются по известным схемам, в том числе и с применением цифровой техники.

Вычислитель 19 (фиг.1) обеспечивает экстремальное управление несинусоидальностью формы кривой генерируемого напряжения, может быть выполнен по известным схемам, в том числе и с применением цифровой техники, реализующим соответствующие методы нахождения экстремума [Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. - М.: Высш. шк., 1989, с.142-162]. На вход вычислителя 19 подается средневыпрямленное напряжение с выхода прецизионного выпрямителя, входящего в состав датчика несинусоидальности генерируемого напряжения 18. Это средневыпрямленное напряжение используется для косвенной оценки степени несинусоидальности формы кривой генерируемого напряжения, а целью управления является обеспечение минимума этого средневыпрямленного напряжения во всем диапазоне изменения как частоты вращения вала, так и величины и характера случайной нагрузки.

Схема регулирования длительности импульсов 9 (фиг.1, 2) обеспечивает формирование управляющего параметра в третьем контуре регулирования. Для чего на установочный вход этой схемы с выхода вычислителя 19 поступает соответствующий код N, задающий требуемую длительность t_и импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора 10 на ее выходах, то есть требуемое значение управляющего параметра. Код N, поступающий на установочный вход, записывается в двоичные счетчики, имеющиеся в составе схемы регулирования длительности импульсов 9, а импульсы, поступающие на тактовый вход данной схемы с выхода управляемого генератора импульсов 6, с каждым тактом увеличивают код счетчиков, при этом переполнение счетчиков вызывает формирование заднего фронта импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора 10 на выходах схемы регулирования длительности импульсов 9, а формирование переднего фронта этих импульсов происходит при поступлении импульсов на управляющие входы схемы регулирования длительности импульсов 9 с соответствующих выходов распределителя импульсов 8. Таким образом, большему двоичному коду N соответствует меньшая длительность импульсов управления ключами и наоборот, причем изменение длительности этих импульсов производится с дискретностью, зависящей от разрядности счетчиков, а следовательно определяющей и точность экстремального управления несинусоидальностью формы кривой генерируемого напряжения. Согласование работы счетчиков схемы регулирования длительности импульсов 9 и распределителя импульсов 8, необходимое при изменении частоты импульсов на выходе управляемого генератора импульсов 6, обеспечивается делителем частоты 7.

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 (фиг.1) к источнику постоянного тока 16 аналогично созданию вращающегося магнитного потока статора в известном коммутируемом синхронном генераторе стабильной частоты [RU, патент, 2103800, Н02Р 9/42, 1998]. Обмотка якоря генератора 1 может быть выполнена в обычных для синхронных машин исполнениях, а электропитание системы возбуждения генератора 1 может осуществляться как от выхода 14 устройства с использованием в качестве источника постоянного тока 16 управляемого выпрямителя (режим самовозбуждения коммутируемого синхронного генератора с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения), так и от некоторого независимого источника, например от отдельного электромашинного возбудителя, находящегося на одном валу 4 с генератором 1.

Работа устройства заключается в следующем.

Очевидно, что принцип формирования кривой выходного напряжения в коммутируемом синхронном генераторе аналогичен составлению кривой выходного напряжения из участков следующих друг за другом кривых входного напряжения в непосредственных полупроводниковых преобразователях частоты [Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты / Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, - 1983. - 400 с.], поскольку коммутируемый синхронный генератор в общем случае можно рассматривать как совокупность m условных синхронных генераторов, при этом кривая генерируемого напряжения с желаемой частотой формируется из участков кривых m-фазной симметричной системы напряжений [Семергей С.В. Оценка качества выходного напряжения коммутируемого синхронного генератора // Известия вузов. Электромеханика, - 2004. - №4, с.21-24]. Однако при реализации этого принципа имеют место коммутационные процессы, которые обуславливают присутствие искажающих гармоник в генерируемом напряжении, т.е. некоторую несинусоидальность формы его кривой. Причем в коммутируемом синхронном генераторе гармонический состав выходного напряжения зависит как от частоты коммутации выводов секций обмотки возбуждения, т.е. от частоты вращения вала, так и от величины и характера случайным образом изменяющейся нагрузки. Кроме этого гармонический состав генерируемого напряжения будет зависеть от взаимного соотношения по времени момента отключения текущей пары выводов секций обмотки возбуждения от источника постоянного тока и момента подключения к нему следующей очередной пары выводов. Следовательно, управляя указанными моментами, можно изменять гармонический состав генерируемого напряжения.

С целью минимизации искажений синусоидальной формы кривой выходного напряжения в настоящем устройстве реализуется экстремальное регулирование: устройство рассматривается как однопараметрический экстремальный объект, в котором несинусоидальность формы кривой генерируемого им напряжения определяется выражением

x=J(β, α₁, α₂, α₃),

где β - управляющий настраиваемый параметр, в качестве которого выступает длительность импульсов управления t_и ключами полупроводникового коммутатора 10, формируемых схемой регулирования длительности импульсов 9 (фиг.1, 2), т.е. β=t_и;

α₁(t), α₂(t), α₃(t) - неопределенные параметры, зависящие от частоты коммутации выводов секций обмотки возбуждения 2, от величины электрической нагрузки на выходе 14 генератора 1 и от характера этой нагрузки.

Для оценки несинусоидальности формы кривой генерируемого напряжения в устройстве с помощью датчика несинусоидальности напряжения 18 (фиг.1) подавляется первая гармоника U₁ выходного напряжения и обеспечивается получение результирующего средневыпрямленного значения всех искажающих гармоник U_dиг, т.е. x=U_dиг.

Изменение длительности t_и импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора 10 на выходах схемы регулирования длительности импульсов 9 (фиг.1, 2) обеспечивается подачей на установочный вход этой схемы соответствующего кода N с выхода вычислителя 19 (фиг.1, 3).

Собственно экстремальное управление осуществляется вычислителем 19, может быть реализовано разными методами, в частности на основе шаговых алгоритмов, и поясняется приведенной на фиг.3 блок-схемой простейшего варианта поискового алгоритма. Из блок-схемы видно, что экстремальное управление в устройстве позволяет без идентификации α₁(t)...α₃(t) минимизировать U_dиг путем нахождения соответствующего кода N, а после нахождения экстремума регулируемой величины около этого экстремума устанавливаются некоторые колебания. Величина этих колебаний, а значит, точность управления, будет определяться разрядностью имеющихся в составе схемы регулирования длительности импульсов 9 двоичных счетчиков, в которые записывается код N, поступающий на установочный вход этой схемы. А разрядность указанных счетчиков будет определять коэффициент деления делителя частоты 7.

Стабилизация генерируемого напряжения в предлагаемом устройстве осуществляется с помощью регулятора возбуждения 15 известными способами, а стабилизации выходной частоты генератора - аналогично прототипу [RU, патент, 2103800, Н02Р 9/42, 1998].

Таким образом, предлагаемый коммутируемый синхронный генератор с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения позволяет обеспечить уменьшение искажений формы кривой генерируемого напряжения в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала приводного двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для генерирования напряжения стабильной частоты в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала приводного двигателя. В коммутируемом синхронном генераторе минимизация искажений синусоидальности выходного напряжения обеспечена за счет управления взаимным соотношением по времени между моментами отключения коммутатором текущей пары диаметрально противоположных выводов многосекционной обмотки возбуждения от источника постоянного тока и моментами подключения к нему очередной пары выводов, что позволяет изменять гармонический состав генерируемого напряжения. Датчик контролирует несинусоидальность напряжения, подавляет первую гармонику выходного напряжения и выдает средневыпрямленное значение всех искажающих гармоник в вычислитель. Вычислитель осуществляет экстремальное управление несинусоидальностью напряжения, регулируя посредством соответствующей схемы длительность импульсов управления коммутатором. Это позволяет уменьшить искажения формы генерируемого напряжения в подобных электроэнергетических установках. 3 ил.

Коммутируемый синхронный генератор с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения, 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 индуктора, соединены последовательно согласно, а их выводы подключены к выходам 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 выходу управляемого источника постоянного тока, 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 со вторым входом регулятора возбуждения, задатчик частоты, схему сравнения, компаратор, причем первые входы схемы сравнения и компаратора соединены с выходом задатчика частоты, а вторые - с выходом датчика частоты вращения, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, и распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом компаратора, отличающийся тем, что в него с целью экстремального управления несинусоидальностью генерируемого напряжения дополнительно введены датчик несинусоидальности напряжения, вход которого соединен с выходом генератора, вычислитель, вход которого соединен с выходом датчика несинусоидальности напряжения, делитель частоты, вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, а выход - со вторым входом распределителя импульсов, и схема регулирования длительности импульсов, тактовый вход которой соединен с выходом управляемого генератора импульсов, установочный вход - с выходом вычислителя, а управляющие входы - с соответствующими выходами распределителя импульсов, выходы схемы регулирования длительности импульсов связаны с соответствующими управляющими входами полупроводникового коммутатора.