ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА СТАБИЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ Российский патент 2009 года по МПК H02P9/42 H02K47/20 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромашинным преобразователям энергии, вырабатывающим переменный ток заданной частоты и напряжения.

Известны генераторы стабильной частоты при переменной скорости вращения приводного двигателя (М.Л.Костырев, А.И.Скороспешкин. «Автономные асинхронные генераторы с вентильным возбуждением». М., Энергоиздат, 1993 г.), в которых стабильность выходной частоты обеспечивается с помощью специальных устройств электроники.

Известен также «Автономный каскадный генератор стабильной частоты» (патент РФ №2095926, кл. МКИ 6 H02K 47/20), обеспечивающий стабильность выходных параметров частоты тока и амплитуды напряжения. Установка, выполненная по схеме изобретения, содержит задающий статический генератор, вырабатывающий переменный ток стабильной частоты для возбуждения вращающегося магнитного поля в первой электрической машине каскадного генератора. Роторная обмотка первой электрической машины соединена с роторной обмоткой второй электрической машины, причем роторы первой и второй электрических машин механически связаны общим валом, а между выходом генератора и задающим генератором выполнена обратная связь по напряжению. Такое схемное решение обеспечивает стабильность параметров выходного напряжения и частоты генератора при изменении скорости вращения приводного вала, однако, наличие двух электрических машин существенно ухудшает массогабаритные показатели генератора, приводит к его удорожанию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой генераторной установке является «Машинно-вентильный источник напряжения стабильной частоты» (Авт. свидетельство СССР №1310996 А1, кл. МКИ Н02Р 9/42), содержащий задающий статический генератор и электромашинный силовой генератор, включающий в себя цепи управления возбуждением, электрически связанные контуром обратной связи по напряжению с задающим генератором. Установка, выполненная по схеме изобретения, позволяет уменьшить мощность задающего генератора за счет использования части мощности силового генератора для создания совместно с задающим генератором суммарного тока возбуждения, достаточного для формирования магнитного потока требуемой интенсивности в выходных обмотках силового генератора в условиях изменения скорости вращения приводного вала. Контур обратной связи по напряжению, образованный цепью из последовательно включенных между выходом силового генератора и обмоткой возбуждения силового генератора вентильного преобразователя и стабилизатора переменного напряжения, способствует стабилизации выходного напряжения силового генератора в условиях колебаний нагрузки и скоростного режима приводного вала. Однако следует отметить, что в случае необходимости существенного расширения диапазона частот вращения приводного вала (в два-три раза и более) мощность, необходимая для поддержания режима стабильного напряжения на выходе силового генератора, будет соизмерима с его выходной мощностью, что обусловлено, например, при снижении оборотов уходом с полосы резонансных частот (45…60) Гц силовой электрической машины. Это, в свою очередь, потребует умощнения стабилизатора переменного напряжения и, в конечном результате, ухудшит массогабаритные и энергетические показатели установки. Кроме того, синхронные генераторы промышленной частоты (50…60) Гц сами по себе имеют значительные массу и габариты.

Изобретение решает задачу уменьшения машинной массы, улучшения энергетических показателей, в частности увеличение показателя удельной мощности генератора до 0,25 кВт/кг, уменьшение мощности задающего генератора до (6…7) Вт/кВт выходной мощности, при этом скоростной режим приводного двигателя может изменяться в пределах от 25% до 100% его номинального значения при сохранении стабильности параметров выходного напряжения и частоты генератора. Одновременно устройство генератора по схеме изобретения позволяет изменять в широких пределах параметры частоты и выходного напряжения без ухудшения качества их стабилизации.

Задача решается тем, что силовой генератор имеет повышенную номинальную частоту преобразования относительно частоты задающего генератора в соотношении: f_сил.=(3…12)f_зад., а между его выходными клеммами и выходными контактами установки последовательно включен управляемый выпрямитель с функцией переключателя полярности, соединенный по управляющему входу через детектор полярности с выходом задающего генератора, дополнительно, задающий генератор выполнен с возможностью регулирования частоты и изменения амплитуды выходного напряжения.

На чертеже представлен один из вариантов реализации изобретения, где 1 - задающий статический генератор; 2 - электромашинный силовой генератор; 3 - цепи управления возбуждением; 4 - контур обратной связи по напряжению; 5, 6, 7 - выходные клеммы силового генератора; 8.1, 8.2 - выпрямитель-переключатель полярности; 9.1, 9.2 - детектор полярности; 10.1, 10.2 - выходные контакты установки; 11, 12 - интегрирующая RC цепь; 13 - элемент сравнения с прямым - с и инверсным - d входами; 14, 15 - транзисторный ключ и регулирующий резистор в цепи управления током возбуждения.

Задающий статический генератор 1 вырабатывает напряжение заданной частоты и амплитуды, например заданный параметр частоты f_зад.=50 Гц, содержит на выходе трансформатор с бифилярной вторичной обмоткой и диодный выпрямитель. Выпрямленное пульсирующее напряжение с выхода генератора 1 поступает через отсекающий диод и интегрирующую RC цепь на прямой вход - с элемента сравнения 13 контура 4 обратной связи по напряжению; на другой инверсный вход - d элемента сравнения 13 с выхода генератора 2 поступает выпрямленное и сглаженное напряжение, равное по амплитуде выходному напряжению установки. При снижении выходного напряжения генератора 2 ниже уровня напряжения на прямом входе элемента сравнения 13 на выходе последнего формируется положительный потенциал, в результате чего включается транзисторный ключ 14. Ток в обмотке возбуждения ОВГ генератора 2 возрастает, одновременно растет напряжение на выходе генератора 2 - клеммы 5, 6, 7. Выпрямленное напряжение с выхода блока 8.2 поступает на RC цепь контура обратной связи по напряжению - блок 4. Переключатель полярности выполнен по трехфазной мостовой двунаправленной схеме на оптронных тиристорах. Сигналы управления включением тиристоров формируются поочередным включением светодиодов 1-1 и 2-2 детекторов полярности 9.1 и 9.2 в каждом полупериоде. На выходных контактах 10.1 и 10.2 установки в процессе переключения оптронных тиристоров блока 8.1 формируются положительные и отрицательные импульсы напряжения, приближенные по форме к синусоиде. В каждом полупериоде импульс выходного напряжения складывается из нескольких униполярных импульсов выходного напряжения силового генератора, работающего на повышенной частоте, превышающей частоту задающего генератора более чем в три раза. Данное условие необходимо для сокращения паузы между импульсами выходного напряжения до уровня 3 мс и менее. Чем выше разница частот задающего и силового генераторов, тем короче может быть установлена пауза между положительным и отрицательным импульсами выходного напряжения и тем выше качество выходного напряжения. Верхний предел серийных промышленных генераторов ограничивается частотами 400, 600 Гц, следовательно, диапазон рабочих частот может быть определен в пределах 150…600 Гц. Частота преобразования силового генератора непосредственно связана с частотой вращения его приводного вала. Таким образом, проектные показатели изменения скорости привода, не влияющие на стабильность выходного напряжения на заданной частоте 50 Гц, имеют соотношение f_сил.=(3…12)f_зад. Генераторная установка, выполненная по схеме изобретения, содержит один силовой электромашинный агрегат повышенной частоты, что означает существенное снижение массы и габаритов установки, например в случае использования синхронного генератора постоянного тока в качестве агрегата повышенной частоты (150…600) Гц, имеющего многовитковую обмотку возбуждения, достигается не только снижение машинной массы генератора до 0,25 кВт/кГ, но и уменьшение мощности задающего генератора до уровня (6…7) Вт на каждый кВт выходной мощности установки. При этом скоростной режим работы силового генератора может быть задан в диапазоне частот (1500…6000) об/мин. Стабилизация амплитуды выходного напряжения обеспечивается системой обратной связи по напряжению, интегрирующие цепи которой задают необходимую степень устойчивости регулирования при перепадах нагрузки.

В случае снижения частоты задающего генератора, например, от 50 Гц до 1,0 Гц выходная частота установки также будет изменяться в том же диапазоне, изменение амплитуды выходного напряжения задающего генератора позволяет изменять эквивалентно выходное напряжение установки, - все это существенно расширяет функциональные возможности установки, позволяет использовать ее, дополнительно, для регулируемого электропривода, плавного пуска электродвигателей, стабилизации скорости вращения выходных нагрузок и другого.

В качестве входного приводного механизма установки могут быть использованы ветряные и водяные колеса, валы отбора мощности автомобилей и тракторов, что во многих случаях позволяет автономно использовать изобретение без агрегатирования установки с ДВС.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электромашинных преобразователях энергии, вырабатывающих переменной ток стабильной частоты и стабильного выходного напряжения. Техническим результатом является уменьшение машинной массы, улучшение энергетических показателей установки. Генераторная установка содержит задающий статический генератор, электромашинный силовой генератор, цепи управления возбуждением силового генератора, связанные контуром обратной связи по напряжению с задающим генератором. К выходу задающего генератора подключен детектор полярности, а к выходу силового генератора - управляемый двунаправленный тиристорный выпрямитель. Выход детектора полярности соединен с управляющим входом тиристорного выпрямителя. В каждом полупериоде полуволна выходного напряжения задающего генератора определяет моменты начала и конца формирования импульса выходного напряжения генераторной установки. При этом импульс выходного напряжения как по форме, так и по амплитуде сигнала является результатом сложения полуволн выпрямленного выходного напряжения силового генератора, работающего на частотах, превышающих поминальную частоту в 3-12 раз. Повышение частоты силового генератора до 150…600 Гц относительно выходной частоты установки позволяет обеспечить выходное напряжение требуемого качества как при изменении скорости вращения приводного вала силового генератора в заданных частотных пределах, так и при изменении частоты задающего генератора в диапазоне 0,1…50 Гц. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генераторная установка стабильной частоты, содержащая задающий статический генератор и электромашинный силовой генератор, включающий в себя цепи управления возбуждением, электрически связанные контуром обратной связи по напряжению с задающим генератором, отличающаяся тем, что силовой генератор имеет повышенную номинальную частоту преобразования относительно частоты задающего генератора в соотношении: f_сил.г=(3…12)f_зад.г, а между его выходными клеммами и выходными контактами установки последовательно включен управляемый выпрямитель с функцией переключателя полярности, соединенный по управляющему входу через детектор полярности с выходом задающего генератора.

2. Генераторная установка по п.1, отличающаяся тем, что задающий генератор функционально выполнен с возможностью регулирования частоты и изменения амплитуды выходного напряжения.