Устройство для стабилизации частоты выходного напряжения генератора Советский патент 1991 года по МПК H02P9/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным генераторным источникам электропитания, и может быть использовано в малых ГЭС, ветроэлектрических станциях, работающих в условиях изменяющейся нагрузки, в автономных электростанциях малой мощности.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов устройства.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства для стабилизации частоты выходного напряжения генератора; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие преобразование фазового сдвига в цифровой код.

Устройство для стабилизации частоты выходного напряжения генератора 1 содержит узлы 2,3,4 балластной нагрузки каждой фазы генератора, выполненные в виде параллельно соединенных цепей из последовательно соединенных резистивного элемента 5,6, 7 и управляемого ключа 8,9,10, формирователи синхронизирующих импульсов 11,12,13 в количестве, равном числу фаз генератора, связанные входами с силовыми цепями соответствующих балластных нагрузок, генератор (ГТИ) 14

ся

Јъ (С

сл

оо

10

1$

20

25

тактовых импульсов стабильной частоты, подключенный к счетному входу счетчика 15 прямого счета.

Кроме того, устройство содержит RS-триггер 16, запоминающие устройства 17,18 в количестве на один меньшем числа фаз генератора, счетчик обратного счета 19, реверсивный счетчик 20, логический элемент 21 сравнения на больше-меньше, три логические элемента И-НЕ 22,23,24, логический элемент ИЛИ-НЕ 25.

Формирователи синхронизирующих импульсов 11-13 выполнены в виде нуль-органа. Причем, R-вход BS-триггера 16 подключен к R-входу счетчика 15 прямого счета и к выходу первого нуль-органа 11, S-вход - к выходу счетчика 15 прямого счета, прямой выход - к одному из входов первого логического элемента И-НЕ 22, второй вход которого подключен к выходу ГТИ 14 стабильной частоты. Счетчик обрат- счета 19 подсоединен входами начальной установки к источнику питания счетчика обратного счета, вычитающим входом - к выходу первого логического элемента И-НЕ 22, входом записи - к выходу первого нуль-органа 11, а выходами - к первой группе входов логического элемента 21 сравнения на больше-меньше, вторая группа входов которого соединена с выходами реверсивного счетчика 20, выходы число по первой группе вхо- дов-В больше, чем число по второй группе входов-А0 и В А - соответственно с первыми входами второго 23 и третьего 24 логических элементов И-НЕ, вторые входы которых подключены к выходу первого нуль-органа 11, а выходы - соответственно к входам суммирования и вычитания реверсивного счетчика 20 с выходами, подключен- 4$ ными к управляющим входам ключей 8,9, 10 первой балластной нагрузки 2, свя занной силовыми цепями с входом первого нуль-органа 11 и с информационными входами всех запоминающих устройств 17,18, выходы которых подключены к управляющим входам ключей всех балластных нагрузок 3,4, кроме первой, а входы перезаписи запоминающих устройств связаны соответственно

о 1 4 rt J

к выходу займа счетчика 19 обратного счета, а выходом - к R-входу счетчика обратного счета.

Проводимости резистивных элементов каждого из узлов балластной нагрузки имеют соотношение 5:2:4...:2

Устройство работает следующий образом.

Изменение частоты выходного напряжения fr и-сравнение ее с эталонной f9 осуществляется дважды за период, т.е. каждые полпериода. Частота выходного напряжения генератора определяется его нагрузкой, при номинальной нагрузке частота устанавливается равной номинальной f0. При отсутствии балластной нагрузки и отключении основной частота выходного напряжения, являющаяся функцией 1вханичес- кой (моментной) характеристики приводного (первичного) двигателя, повышается. Величину балластной нагрузки выбирают из условия замещения мощд ности полезной нагрузки. В случае, если мощность полезной нагрузки изменяется на 100%, то полную мощность балластной нагрузки выбирают такой, чтобы частота выходного напряжения генератора была выше номинальной на величину &f « 0,4 - 1,5% от f0 (верхняя граница диапазона стабилизации частоты). Таким образом, при изменении полезной нагрузки от 100% до О частота выходного напряжения будет находиться в пределах:

fr fQ-f0 + &f

Эталонную частоту f выбирают равной частоте верхней границы диа- 40 пазона стабилизации:

f0 &f

Снижение частоты выходного напряжения генератора, временная д иаграм- ма которого показана на фиг.2, а, соответствует увеличению интервала Ј (Тг - Т5)/2, интервал Ј содержит информацию о соотношении частот. Измерение длительности интервала Г сводится к определению мгновенного сдвига фаз между окончаниями полупериодов эталонной частоты Т$/-2 и выход30

35

50

Тг

ного напряжения генератора -к-. Приведенные на фиг«2 диаграммы показыс выходами нуль-органов 12,13. Логи- вают, как формируется импульс % ПУ

ческий элемент ИЛИ-НЕ 25 подключен первым входом к инвертирующему выходу RS-триггера 16, вторым входом Тэ Т

тем подсчета счетчиком 15 прямого счета тактовых импульсов стабильной

0

$

0

5

4$

к выходу займа счетчика 19 обратного счета, а выходом - к R-входу счетчика обратного счета.

Проводимости резистивных элементов каждого из узлов балластной нагрузки имеют соотношение 5:2:4...:2 .

Устройство работает следующий образом.

Изменение частоты выходного напряжения fr и-сравнение ее с эталонной f9 осуществляется дважды за период, т.е. каждые полпериода. Частота выходного напряжения генератора определяется его нагрузкой, при номинальной нагрузке частота устанавливается равной номинальной f0. При отсутствии балластной нагрузки и отключении основной частота выходного напряжения, являющаяся функцией 1вханичес- кой (моментной) характеристики приводного (первичного) двигателя, повышается. Величину балластной нагрузки выбирают из условия замещения мощд ности полезной нагрузки. В случае, если мощность полезной нагрузки изменяется на 100%, то полную мощность балластной нагрузки выбирают такой, чтобы частота выходного напряжения генератора была выше номинальной на величину &f « 0,4 - 1,5% от f0 (верхняя граница диапазона стабилизации частоты). Таким образом, при изменении полезной нагрузки от 100% до О частота выходного напряжения будет находиться в пределах:

fr fQ-f0 + &f

Эталонную частоту f выбирают равной частоте верхней границы диа- 0 пазона стабилизации:

f0 &f

Снижение частоты выходного напряжения генератора, временная д иаграм- ма которого показана на фиг.2, а, соответствует увеличению интервала Ј (Тг - Т5)/2, интервал Ј содержит информацию о соотношении частот. Измерение длительности интервала Г сводится к определению мгновенного сдвига фаз между окончаниями полупериодов эталонной частоты Т$/-2 и выход0

5

50

Тг

ного напряжения генератора -к-. Приведенные на фиг«2 диаграммы показы%

Тэ Т

тем подсчета счетчиком 15 прямого счета тактовых импульсов стабильной

и старт-импульс не вырабаты5

частоты с периодом То (фиг.2,в), поступающих с ГТИ 14, счетчик 15 прямого счета обнуляется сигналом с нуль-органа 11, временная диаграмма , которого показана на фиг.2,б. Интервал $ начинается после прихода старт- импульса (фиг,2,г) с выхода счетчика 15 прямого счета. Старт-импульс за- .. пускает в работу счетчик 19 обратного счета (фиг.2,д), в котором предыдущим синхронизирующим импульсом (стоп- импульсом) во всех разрядах были установлены единицы ( записано максимальное число). В зависимости от длительности интервала С и от периода тактовых импульсов Т о в счетчике 19 к моменту прихода очередного синхронизирующего импульса (стоп-импульса) остается записанным некоторое число от 0 (когда интервал достаточно большой) до 2 (когда С 0, т.е. когда

livlr

2 - 2

вается). Таким образом, величина балластной нагрузки устанавливается пропорциональной числу, записанному в счетчике 9 обратного счета (т.е. пропорциональной ь), чем обеспечивается стабилизация частоты выходного напряжения генератора в заданном диапазоне.

Устройство представляет собой систему автоматического регулирования (САР), для обеспечения устойчивой работы которой требуется наличие корректирующего звена, позволяющего получить устойчивую работу в динамических режимах. Роль корректирующего звена САР выполняют реверсивный счетчик 20, логическая схема 21 сравнения на больше-меньше, логические элементы И-НЕ 23,24. Принцип действия корректирующего звена сводится к сравнению состояний счетчиков 19 обратного счета и реверсивного счет- чика 20, логической схемой сравнения 21 на больше-меньше : в случае, если в реверсивном счетчике 20 записано число, меньше, чем в счетчике 19 обратного счета, то следующим скнхро- низирующим импульсом к числу, записанному в реверсивный счетчик, добавляется единица и наоборот. Таким образом, корректирующее звено при резком изменении возмущающего сигнала (рассогласования частот &fгъ обеспечивает ступенчатое изменение 1 раз за 1/2 периода Тг) сигнала уп-.

16

20

25

42580е

равления, а следовательно, проводимости балластной нагрузки.

Поскольку, изменение состояния реверсивного счетчика 20 происходит i в момент прихода синхронизирующего импульса, вырабатываемого при переходах напряжения первой фазы (А) генератора 1 iчерез нуль, сигналы с выходов счетjgl чика 20 через усилительные каскады (либо непосредственно при использовании оптотиристоров) подаются на управляющие входы ключей 8-10. Включение балластной нагрузки в других

15 фазах 3,4 происходит в моменты перехода напряжения через нуль, определяемые нуль-органами 12,13. В моменты прихода синхронизирующих импульсов с нуль-органов 12-13 происходит перезапись состояния реверсивного счетчика 20 в запоминающие устройства 17,18, с которых сигналы управления подаются на управляющие входы ключей узлов балластной нагрузки 3,4.

Переключение ключей в узлах 2-4 балластной нагрузки в моменты, когда напряжение на этих узлах равно нулю, обеспечивает хорошую форму выходного напряжения генератора. Выбор прово- димостей резистивных элементов 5-7 узлов балластной нагрузки 2-4 в соотношении 1: 2:4 :....: 2 , обоснованный принципом построения схемы

35 управления этими узлами, позволяет существенно уменьшить количество резистивных элементов, а соответственно и управляемых ключей в узлах балластной нагрузки. Это, а также ис40 пользование запоминающих устройств 17,18 вместо сложной схемы управления узлами балластной нагрузки, аналогичной схеме управления узлом балластной нагрузки 2, позволяет уменъ45 шить массу и габариты устройства.

Формула изобретения

Устройство для стабилизации часто- 50 ты выходного напряжения генератора, содержащее узлы балластной нагрузки каждой фазы генератора, выполненные в виде параллельно соединенных цепей из последовательно соединенных ре- 55 зистивного элемента и управляемого ключа, формирователи синхронизирующих импульсов в количестве, равном числу фаз генератора, связанные входами с силовыми цепями соответствующих бал30

ластных нагрузок, генератор тактовых импульсов стабильной частоты, подключенный к счетному входу счетчика прямого счета, выход которого соединен с одним из входов RS-триггера, отличающееся тем, что, с целью уменьшения масс и габаритов, введены запоминающие устройства в количестве на один меньше числа фаз генератора, счетчик обратного счета, реверсивный счетчик, логический элемент сравнения на больше-меньше, три логических элемента И-НЕг формирователи синхронизирующих импульсов выполнены в виде нуль-органов, причем, R-вход RS-триггера подключен к R-входу счетчика прямого счета и выходу первого нуль-органа, S-вход - к выходу счетчика прямого счета, прямой выход - к одному из входов первого логического элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов стабильной частоты, счетчик обратно- го счета подсоединен входами начальной установки к источнику питания счетчика обратного счета, вычитающим входом - к выходу первого логическог элемента И-НЕ, входом записи - к вы- ходу первого нуль-органа, а выходами - к первой группе входов логического элемента сравнения на больше- меньше, вторая группа входов которого соединена с выходами реверсивного счетчика, выходы число по первой группе выходов больше, чем число по второй группе входов и число по первой группе входов меньше, чем число по второй группе входов соответственно с первыми входами второго и третьего логических элементов И-НЕ, вторые входы которых подключены к выходу первого нуль-органа, а выходы соответственно к входам суммирования и вычитания реверсивного счетчика с выходами, подключенными к уп- равляющим входам ключей первой балластной нагрузки, связанной силовыми цепями с входом первого нуль-органа, и с информационными входами всех запоминающих устройств, выходы которых подключены к управляющим входам ключей всех балластных нагрузок, кроме первой, а входы перезаписи запоминающих устройств связаны соответственно с выходами тех нуль-органов, входы которых связаны с силовыми цепями тех же балластных нагрузок, что и выходы нуль-органов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным генераторным источникам электропитания. Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов устройства. Устройство содержит генератор 1, узлы балластной нагрузки 2-4, нуль-органы 11-13, генератор тактовых импульсов 14, счетчик прямого счета 15, счетчик обратного счета 19, реверсивный счетчик 20, логический элемент сравнения 21, запоминающие устройства 17,18. Блок управления балластными нагрузками выполнен на элементах 11-25. Особенность функционирования устройства состоит в том. что переключение резистнвных элементов 5-7 ключами 8-10 (аналогично и в других узлах балластной нагрузки) осуществляется в момент перехода напряжения на резистивных элементах через нуль, а за половину периода выходного напряжения генератора отключается или включается не более одного резистнв- ного элемента в узле балластной нагрузки. 2 ил.

Синхроимп.

Ill

в

«- Старт.

Tab пульса

/

Синхро

Uff/1.

t)t

II

at

Стоп s utf/ту/гьс.

tit

Ц

at

Фиг.2