ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ЗАДАННЫХ СТАБИЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ Российский патент 2012 года по МПК H02M5/45 

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

Известны электромашинные генераторные устройства, на выходе которых параметры напряжения и частоты сохраняются стабильными при колебаниях нагрузки и изменении скоростного режима самого генератора и приводного двигателя (патент РФ №2216847, Кл. МКИ 6 H02K 47/20). Данное генераторное устройство содержит генератор переменного тока с контролируемыми параметрами, выпрямитель, преобразователь постоянного напряжения в постоянное с контролируемыми параметрами. Устройство обеспечивает дозирование потоков мощности между приводным двигателем и электромашинным генератором, с одной стороны, и между электромашинным генератором и нагрузкой с другой стороны в зависимости от состояния нагрузки. Статический преобразователь постоянного напряжения в переменное поддерживает на заданном уровне выходные параметры напряжения и частоты за счет обратных связей и текущего контроля с помощью датчиков тока и напряжения. Это позволяет в целом оптимизировать работу агрегатного комплекса. Однако к недостаткам такого рода устройств можно отнести необходимость ШИМ преобразования полного потока мощности электромашинного генератора, что при относительно высоких частотах преобразования приводит к увеличению потерь мощности в процессе высокочастотного преобразования, и, одновременно, снижению надежности и росту себестоимости устройства. Как известно, транзисторные ВЧ ключи все еще, несмотря на бурный рост IGBT-технологий, критичны к токовым перегрузкам, особенно при работе на емкостную нагрузку, требуют быстродействующих систем защиты в процессе работы, имеют ограничения по верхнему порогу токов коммутации.

Установка, выполненная по схеме изобретения (пат. №2359399, РФ, кл. МКИ 6 H02K 47/20) на базе преимущественно силовых тиристоров, лишена перечисленных недостатков, но при этом не обеспечивает гармоничной формы выходного напряжения, что существенно ограничивает сферу применения подобных устройств, например, в промышленных и бытовых электросетях из-за превышения в спектре выходного сигнала высших гармоник. К достоинствам подобных устройств следует отнести простоту конструкции, надежность в работе тиристорных коммутаторов, которые легко запускаются, например, посредством оптронных ключей и самоотключаются при переходе тока через «0», возможность работы на конденсаторную нагрузку, что упрощает фильтрацию высших гармоник и делает генератор совместимым с разными нагрузками, одновременно улучшая энергетические показатели (cos f). Устройство, выполненное по схеме изобретения, близко по технической сути к заявленному и принято за прототип.

Заявленная установка заданных стабильных напряжения и частоты имеет целью устранить существенные недостатки схемы прототипа, как то: нелинейность формы выходного напряжения и, дополнительно, реализовать задачу умощнения за счет наращивания количества электромашинных генераторов, одновременно используемых в каждой отдельной ее фазе.

Задача решается тем, что генераторная установка, содержащая задающий статический генератор с выходными контактами отдельно для положительной и отрицательной полуволн его выходного напряжения, к которым подключены входы детекторов полярности, и для выпрямленного полного напряжения, к которым подключен управляющий вход выпрямителя-прерывателя тока, электромашинный силовой генератор, включающий в себя цепи управления возбуждением, электрически связанные контуром обратной связи по напряжению с задающим генератором, при этом силовой генератор имеет повышенную номинальную частоту преобразования относительно частоты задающего генератора, а к его выходной обмотке подключен вход выпрямителя-прерывателя тока, что к выходу выпрямителя-прерывателя тока подключен повышающий преобразователь уровня постоянного напряжения (ПН), снабженный управляющим ШИМ генератором с входом синхронизации, соединенным с выходным контактом задающего генератора, а между выходными контактами установки и выходом повышающего преобразователя уровня ПН включен управляемый переключатель полярности, соединенный по своим управляющим входам с детекторами полярности.

На чертеже, фиг.1, представлен один из возможных вариантов реализации изобретения, где: 1 - задающий статический генератор синусоидального напряжения; 2 - электромашинный силовой генератор; 3 - выпрямитель-прерыватель тока; 4 - повышающий преобразователь уровня ПН; 5 - управляемый переключатель полярности; 6 и 7 - выходные контакты задающего генератора для положительной и отрицательной полуволн его выходного напряжения; 8 - выходной контакт для выпрямленного полного напряжения задающего генератора; 9 - контур обратной связи по напряжению; 10 - вход отключения режима преобразования; 11 - схема сравнения, где: а - вход, подключенный к контакту задающего генератора для выпрямленного полного напряжения; в - вход, подключенный к выходу сглаживающего фильтра для выходного напряжения повышающего преобразователя уровня ПН; 12 - сглаживающий фильтр для выходного напряжения повышающего преобразователя уровня ПН;

На чертеже, фиг.2, представлен другой возможный вариант реализации изобретения, где в блоке 1 задающего генератора с помощью диодов V1 и V2 совместно с оптронными входами детекторов полярности 1 и 2 решается задача управления переключателем полярности 5 (фиг.1) для положительной и отрицательной полуволн синусоидального напряжения задающего генератора, и, одновременно, с помощью диодов V1* и V2* выпрямленное полное напряжение задающего генератора подается на оптронные входы 3.1 управления включением выпрямителя-прерывателя тока 2.1, а через пороговый элемент V3* - на оптронные входы 3.1* управления включением выпрямителя-прерывателя тока 2.2. Данный вариант может быть использован для двухобмоточных электрических машин, оборудованных двумя раздельными обмотками, включенными по схеме «звезда».

На чертеже, фиг.3, изображены эпюры напряжений: для выходного полного выпрямленного напряжения задающего генератора;

для управляющего ШИМ сигнала на транзисторном входе повышающего преобразователя уровня ПН;

для силового входа повышающего преобразователя уровня ПН в варианте двухобмоточной электрической машины (а) и (б) - двух двухобмоточных электрических машин, где φ₁ и φ₂ - фазы включения-отключения силовых тиристоров в блоках выпрямителей-прерывателей тока;

на выходе повышающего преобразователя уровня ПН, где: вар. (а) заштрихованные сегменты ΔS1 и ΔS2 отражают согласно выражения(2ΔS+ΔS2):Sобщ. относительное значение потока мощности преобразованной ВЧ инвертором преобразователя уровня ПН; а в вар.(б), соответственно, (2ΔS1+2ΔS2+2ΔS3+ΔS4):Sобщ. Как следует из сравнения вариантов, с увеличением количества обмоток, включенных в последовательную цепь через выпрямители-прерыватели тока, нагрузка на ВЧ транзистор (V) в блоке 4 существенно уменьшается и может в зависимости от количества обмоток или одновременно используемых электрических машин достигать уровня (5…10)% от полной мощности установки.

Базовая часть схемы, согласно черт., фиг.1, работает следующим образом: задающий генератор 1 вырабатывает напряжение sin_ой формы, которое с контактов 6 и 7 подается на противофазные плечи диодных выпрямителей V1 и V2 через светодиодные входы детекторов полярности 1.1 и 2.1. Полное выпрямленное напряжение задающего генератора с контакта 8 подается на светодиодные цепи 3.1 управляющего оптронного входа выпрямителя-прерывателя тока. Резистор R служит для ограничения управляющего тока оптронов. При достижении амплитуды синусоидального напряжения задающего генератора уровня срабатывания оптронных ключей включаются одновременно оптронные тиристоры 3.2… в блоке 3 выпрямителя-прерывателя тока и 1.1, либо 2.1 в блоке 5 переключателя полярности, в зависимости от такта, который измеряется полупериодом выходного сигнала задающего генератора. При снижении амплитуды синусоидального напряжения ниже порога срабатывания оптронных ключей последние отключаются, возникает пауза, в течение которой ток от электрической машины 2 не поступает в нагрузку, то есть напряжение на нагрузочном конденсаторе C в блоке 5 спадает до нуля. Пауза между тактами напрямую зависит от величины выходного синусоидального напряжения задающего генератора и с его увеличением сужается, одновременно время открытого состояния оптронных ключей 3.2 в блоке выпрямителя-прерывателя тока 3 также несколько увеличивается. Таким образом, достигается заданная величина паузы тока, необходимая для надежного запирания парных тиристоров 1.1… и 2.1… в блоке 5 перед каждым последующим тактом. В том случае, если нагрузка в выходной сети установки резко прерывается и конденсатор не успевает полностью разрядиться, это не снижает надежности работы установки, так как в этом случае ток коммутации парных тиристоров в другой диагонали «H» моста ограничивается индуктивностью L преобразователя 4, а само отключение другой пары тиристоров гарантировано отключением тиристоров 3.2… в блоке выпрямителя 3 в конце каждого такта. Надежность работы схемы передачи мощности от электрической машины к нагрузке не ухудшается и при включении в работу инверторного блока 4, который начинает генерировать ВЧ импульсы тока при подаче на управляющий транзистор V импульсов с выхода ШИМ генератора, энергия импульсов самоиндукции передается через соответствующую открытую тиристорную пару в диагоналях моста на конденсатор C и в нагрузку. Конденсатор C здесь выполняет двойную функцию, служит для форсировки включения тиристорных пар и сглаживает пульсации на нагрузке. ШИМ генератор оснащен входом (а) синхронизации с задающим генератором и не вырабатывает импульсов управления в паузах рабочего тока, что исключает вероятность импульсов перенапряжения на транзисторе V блока 4 и на силовых тиристорах 1.1… и 1.2… в переходных режимах.

ШИМ генератор оснащен входом 10 отключения преобразования, что позволяет отслеживать входной синусоидальный сигнал и через схему сравнения 11 в случае равенства или превышения сигнала на выходе преобразователя уровня 4 после фильтрации и соответствующего масштабирования давать команду на его отключение. Частота преобразования выбирается довольно высокой, -10…30 кГц и выше, что дает высокую точность повторения формы сигнала задающего генератора. Повышающий преобразователь уровня ПН выполняет роль корректора нелинейности формы выходного напряжения и берет на себя лишь малую часть коммутационных потерь в общем потоке выходной мощности установки, поэтому данное схемное решение по сравнению с известными позволяет максимизировать общий КПД, существенно снизить себестоимость установки на единицу произведенной мощности и за счет использования простых и надежных устройств одновременно достичь высокой надежности. Схема позволяет при минимуме затрат модернизировать многие серийные электрические генераторы, например синхронные переменного тока, оснащенные вентильным блоком. Основные силовые компоненты схемы изобретения размещаются внутри электрической машины, находятся в зоне охлаждения и практически не снижают ее показатели надежности, вместе с тем новый агрегат приобретает свойства стабильных выходных параметров частоты и напряжения при изменении ее скоростных и нагрузочных факторов. Схема изобретения позволяет синхронизировать и объединять в один агрегат неопределенное число генераторов повышенных номинальных частот, имеющих дополнительные качества: малые габариты и вес.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электромашинных преобразователях энергии, вырабатывающих переменных ток с заданными стабильными параметрами выходного напряжения и частоты при изменении их скоростного режима. Технический результат - повышение качества выходного напряжения и, одновременно, возможность наращивания мощности генераторной установки за счет механического агрегатирования нескольких силовых электрических машин, работающих от общего приводного двигателя или от нескольких двигателей. При этом все силовые обмотки электрических машин включаются, преимущественно, последовательно через выпрямители-прерыватели тока и поочередно с заданной фазовой задержкой, отключаются поочередно с той же фазовой задержкой, но в обратном порядке. В результате формируется в каждом полупериоде выходное симметричное напряжение ступенчатой формы, повторяющее контур сигнала синусоидальной формы. Фазочастотные параметры и амплитуда этого сигнала задаются управляющим статическим генератором. Непрерывность и линейность кривой выходного напряжения обеспечиваются схемой повышающего преобразователя уровней постоянного напряжения, который включается в работу в интервалах фаз включения-отключения выпрямителей-прерывателей тока, что обуславливает относительно невысокую долю мощности, генерируемую высокочастотной схемой повышающего преобразователя напряжения в общем потоке выходной мощности установки, а значит, и повышенную надежность при относительно низкой себестоимости узла преобразования по сравнению с инверторными схемами полного преобразования напряжения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генераторная установка заданных стабильных напряжения и частоты, содержащая задающий статический генератор с выходными контактами отдельно для положительной и отрицательной полуволн его выходного напряжения, к которым подключены входы детекторов полярности, и для выпрямленного полного напряжения, к которым подключен управляющий вход выпрямителя-прерывателя тока, электромашинный силовой генератор, оснащенный цепями управления током возбуждения, электрически связанными контуром обратной связи по напряжению с выходом задающего генератора, при этом силовой генератор имеет повышенную номинальную частоту преобразования относительно частоты задающего генератора, а к его выходу подключен вход выпрямителя-прерывателя тока, отличающаяся тем, что к выходу выпрямителя-прерывателя тока подключен повышающий преобразователь уровня постоянного напряжения, снабженный отключающим входом, соединенным с выходным контактом для выпрямленного полного напряжения задающего генератора, при этом между выходными контактами установки и выходом повышающего преобразователя уровня постоянного напряжения включен управляемый переключатель полярности, соединенный по своим управляющим входам с выходами детекторов полярности.

2. Генераторная установка по п.1, отличающаяся тем, что повышающий преобразователь уровня постоянного напряжения выполнен в виде последовательно включенных дополнительных секций выпрямителя-прерывателя тока, зашунтированных в прямом направлении диодами, при этом общее количество секций эквивалентно числу выходных обмоток силового генератора.