Устройство для стабилизации частоты выходного напряжения генератора Советский патент 1992 года по МПК H02P9/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено в авто- номных системах электропитания, использующих энергию возобновляемых источников, таких как малые ГЭС, ветроэ- лектростанции, работающие в условиях изменяющейся нагрузки.

Известны устройства стабилизации частоты выходного напряжения генератора, в которых автоматически стабилизируется суммарный ток полезной и балластной нагрузок с помощью фазоупрэвляемых тири- сторных элементов. Но устройствам с фазовым управлением присущи такие недостатки, как искажение формы тока в обмотках машины, а также существенный уровень гармоник выходного напряжения.

Для устранения подобных искажений в технике1 применяют бестоковую коммутацию полупроводниковых ключей, а величина проводимости балластной нагрузки

регулируется путем параллельного подключения требуемого количества резистивных элементов 1.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство стабилизации частоты выходного напряжения {2, в котором балластная нагрузка разделена на дискретные резистивные элементы, проводимость каждого последующего элемента в 2 раза больше предыдущего, каждый резистивный элемент подключается к одной из фаз генератора через управляемый ключ.

Устройство-прототип содержит нуль- органы, фиксирующие моменты перехода выходного напряжения генератора через нулевое значение, генератор тактовых импульсов (ГТИ), RS-триггер, счетчик обратного счета (СОС), определяющие относительное рассогласование частот эталонной (определяемой ГТИ) и выходного на(Л

С

х| xj

ю

00

00

о

пряжения, в результате чего в СОС оказывается записанным некоторое число, пропорциональное рассогласованию и требуемой величине проводимости балластной нагрузки. Цифровое корректирующее звено, содержащее реверсивный счетчик, логическую схему сравнения на больше- меньше и два логических элемента И-НЕ, передает содержимое СОС в запоминающие устройства. Сформированные сигналы управления ключами поступают на входы ключей, обеспечивал требуемую величину проводимости балластной нагрузки, таким образом частота выходного напряжения стабилизируется вблизи эталонной частоты с высокой степенью точности.

При симметричном распределении основной (полезной) нагрузки по фазам, генератор практически всегда работает в номинальном режиме. В то же время, для автономных систем генерирования электроэнергии небольшой мощности (1-50 кВт) весьма характерным является режим несимметрии подключенной к фазам генератора полезной нагрузки, создаваемой, отдельными однофазными потребителями.

Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения симметричной загрузки генератора, что приводит к увеличению потерь о машине, перегреву ее обмоток и несимметрии амплитуд фаз выходных напряжений.

Цель изобретения -улучшение качества электроэнергии, повышение надежности и коэффициента полезного действия.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для стабилизации выходного напряжения генератора, содержащем узлы балластной нагрузки каждой фазы генератора, выполненных в виде параллельно соединенных цепей из последовательно соединенных резестивного элемента и управляемого ключа, нуль-органы в количестве, равном числу фаз генератора,генератор тактовых импульсов стабильной частоты, подключенный к счетному входу счетчика прямого счета и к первому входу логического элемента И-НЕ, вторым входом присоединенным к прямому выходу RS-триггера, инверсный вход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛ И-НЕ, S-вход соединен с выходом счетчика прямого счета, а R-вход - с выходом первого нуль- органа, с R-входом счетчика прямого счета и со входом записи счетчика обратного счета, выход логического элемента И-НЕ соединен с вычитающим входом счетчика обратного счета, входы предварительной установки которого связаны с плюсовой шиной источника питания, а вход сброса - с

выходом логического элемента ИЛИ-Н Е, выходы разрядов счетчика обратного счета присоединены к первой группе входов логического элемента сравнения на большеменьше, а выход займа - ко второму входу логического элемента ИЛ И-НЕ, каналы управления каждым узлом балластной нагрузки, выходы которой соединены с цепями управления управляемых ключей своего уз0 ла балластной нагрузки, дополнительно введены датчики тока каждой из фаз генератора, задатчик максимального тока фазы, задатчик частоты, выходы которого соединены со второй группой входов логического

5 элемента сравнения на больше-меньше, каналы управления всех узлов балластной нафузки выполнены идентичными, содержащими интегратор, компаратор, реверсивный счетчик, два логических элемента И, два

0 логических элемента НЕ, логический элемент ИЛИ, причем в каждом канале управления вход интегратора соединен с аналоговым входом канала управления узлом балластной нагрузки, выход связан с

5 первым входом компаратора, втором вход которого соединен с задатчиком максимального тока фаз.ы, а выход-со входом первого логического элемента НЕ и первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход ко0 торого подключен к выходу число на вторых входах больше числа на первых входах логического злеменга сравнения на больше-меньше, выход число на первых входах больше числа на вторых входах которого

5 подключен ко входу второго логического элемента НЕ и к первому входу первого логического элемента И, соединенного вторым входом с выходом первого логического элемента НЕ, третьим входом с первым вхо0 дом второго логического элемента И. входом сброса интегратора и синхронизирующим входом канала управления узлом балластной нагрузки, а выходом подключенного к суммирующему входу

5 реверсивного счетчика, вычитающий вход которого подключен к выходу второго логического элемента И, а выходы разрядов - к выходам канала управления узлом балластной нагрузки, второй вход второго логиче0 ского элемента И подключен к выходу второго логического элемента НЕ, а третий вход - к выходу логического элемента ИЛИ, аналоговые входы и входы синхронизации каналов управления каждой фазы генерато5 ра соединены с соответствующими датчиком тока и нуль органом.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства.

Устройство для стабилизации частоты выходного напряжения генератора 1 содержит нуль-органы 2, р количестве, равном числу фаз генератора, счетчик прямого счета 3, RS-триггер 4, счетчик обратного счета 5, каналы управления 6, 7, 8 каждым узлом балластной нагрузки, генератор тактовых импульсов 9, логический элемент И-НЕ 10, логический элемент 11 сравнения на больше-меньше, логический элемент ИЛИ-НЕ 12, задатчик частоты 13, ээдатчик максимального тока фазы 14, канала управления каждый узлом балластной нагрузки выполнены идентично в виде двух логических элементов 15, 16, двух логических элементов И 17,18, логического элемента ИЛИ 19, интегратора 20, компаратора 21, реверсивного счетчика 22.

Устройство для стабилизации частоты выходного напряжения генератора также содержит узлы балластной нагрузки каждой фазы генератора, выполненные в виде параллельно соединенных цепей из последовательно соединенных и управляемого ключа 23,24,25 и резистивного элемента 26, 27, 28. Генератор тактовых импульсов 9 стабильной частоты, подключен к счетному входу счетчика прямого счета 3 и к первому входу логического элемента И-НЕ 10, вторым входом присоединенным к прямому выходу RS-триггера 4, инверсный выход которог о соединен с первым входом логического элемента ИЛИ-НЕ 12, S-вход-соединен с выходом счегчика прямого счета, а R-вход - с выходом первого нуль-органа с R- входом счетчика прямого счета и со входом записи счетчика обратного счета 5, выход логического элемента И-НЕ 10 соединен с вычитающим входом счетчика обратного счета 5, входы предварительной установки которого связаны с плюсовой шиной источника питания, а вход сброса - с выходом элемента ИЛИ-НЕ 12, выходы разрядов счетчика обратного счета присоединены к первой группе входов логического элемента 11 сравнения на больше-меньше, а выход займа - ко второму входу логического элемента ИЛИ-НЕ 12. Каналы управления каждым узлом балластной нагрузки 6, 7, 8 выходами соединены с цепями управления управляемых ключей своего узла балластной нагрузки, задатчик частоты 13 выходами соединен со второй группой входов логического элемента 11 сравнения на больше-меньше. В каждом канале управления вход интегратора 20 соединен с аналоговым оходом канала управления узлом балластной нагрузки, выход - связан с первым входом компаратора 21, второй вход которого соединен с задатчиком максимального тока фазы 14, а выход - со входом первого логического элемента НЕ 15 и первым входом логического элемент .ЛИ 19, второй вход которого подключен к выходу число на вторых входах больше числа на первых входах логического элемента 11 5 сравнения на больше-меньше, выход число на первых входах больше числа на вторых входах которого подключен ко входу второго логического элемента НЕ 16 и первому входу первого логического элемен0 та И 17, соединенного вторым входом с выходом ,первого логического элемента НЕ, третьим входом - с первым входом второго логического элемента И 18, входом сброса интегратора 20 и синхронизирующим вхо5 дом канала управления узлом балластной нагрузки, а выходом подключенного к суммирующему входу реверсивного счетчика 22, вычитающий вход которого подсоединен к выходу второго ло ического элемента И 18,

0 а выходы разрядов - к выходам канала управления узлом балластной нагрузки, второй вход второго логического элемента И 18 подключен к выходу второго логического элемента НЕ 16, а третий вход к выходу

5 логического элемента ИЛИ 19, аналоговые входы и входы синхронизации каналов управления узлами балластной нягрузки каждой фазы генератора соединены с соответствующими датчиком тока и нуль ор0 ганом.

Устройство работает следующим образом.

Узлы балластной нагрузки каждой фазы генератора имеют одинаковый принцип

5 действия. Интегратор 20 вырабатывает сигнал, пропорциональный величине фазного тока генератора. Если этот сигнал менее величины, задаваемой задатчиком максимального тока 14, то выходное напряжение

0 компаратора 21 не влияет на работу узла балластной нагрузки. В этом случае состояние реверсивного счетчика 22 с приходом импульса на синхронизируюи(ий вход канала управления уменьшается на единицу, ес5 ли логический элемент сравнения на больше-меньше 11 вырабатывает сигнал число на вторых входах больше числа на первых входах, или увеличивается на единицу, если вырабатывается сигнал число на

0 первых входах больше числа на вторых входах, изменяя тем самым величину балластной нагрузки. Если выходной сигнал интегратора 20 превысит величину, задаваемую задатчиком максимального тока 14, то

5 компаратор 21 вырабатывает сигнал, который через логические элементы НЕ 16 и И 17 запретит работу реверсивного счетчика 22 по его суммирующему входу, т.е. увеличение балластной нагрузки этой фазы, Далее увеличение балластной нагрузки может

происходить лишь в тех фазах, в которых ток не превышает заданной задатчиком максимального тока 14 величины. При этом наступит момент, когда частота выходного напряжения генератора снизится до величины меньшей заданной задатчиком частоты 13 и логический элемент сравнения 11 вырабатывает сигнал число на вторых входах больше числа на первых входах, что разрешит работу реверсивного счетчика 22 канала управления перегруженной фазы по его вычитающему входу и с приходом импульса на синхронизирующий вход этого канала управления состояние реверсивного счетчика 22 уменьшается на единицу, уменьшая величину балластной нагрузки этой фазы.

Формула изобретения Устройство для стабилизации частоты выходного напряжения генератора, содержащее узлы балластной нарузки каждой фазы генератора, выполненные в виде параллельно соединенных цепей из последовательно соединенных резистивного элемента и управляемого ключа, нуль-органы в количестве, равном числу фаз генератора, iоператор тактовых импульсов стабильной частоты, подключенный к счетному входу счетчика прямого счета и к первому входу логического элемента И-НЕ, вторым входом присоединенного к прямому выходу RS- триггера, инверсный выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ-НЕ, S-вход соединен с выходом счетчика прямого счета, а R-вход - с выходам первого нуль-органа, с R-входом счетчика прямого счета и с входом записи счетчика обратного счета, выход логического элемента И-НЕ соединен с вычитающим входом счетчика обратного счета, входы предварительной установки которого связаны с плюсовой шиной источника питания, а вход сброса - с выходом элемента ИЛИ-НЕ, выходы разрядов счетчика обратного счета присоединены к первой группе входов логического элемента сравнения на больше- меньше, а выход займа - к второму входу логического элемента ИЛИ-НЕ, каналы управления каждым узлом балластной наг руз- ки, выходы которых соединены с цепями

управления управляемых ключей своего узла балластной нагрузки, отличающееся тем, что, с целью улучшения качества электроэнергии, повышения надежности и КПД, введены датчики тока каждой из фаз генератора, задатчик иаксимального тока фазы, задатчик частоты, выходы которого соединены с второй группой входов логического элемента сравнения на больше-меньше, каналы управления всех узлов балластной- нагрузки выполнены идентичными, содержащими интегратор, компаратор, реверсивный счетчик, два логических элемента И. два логических элемента НЕ,

логический элемент ИЛИ, причем в каждом канале управления вход интегратора соединен с аналогопым входом канала управления узлом балластной нагрузки, выход связан с первым входом компаратора, вюрой вход которого соединен с задатчиком максимального тока фазы, а выход - с входом первого логического элемента НЕ и первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу

Число на вторых входах больше числа на первых входах логического элемента сравнения на больше-меньше, пыход Число на первых входах больше числа на вторых входах которого подключен к входу второго

логического элемента НЕ и первому входу первого логического элемента И, соединенного вторым входом с выходом первого логического элемента НЕ. третьим входом - с первым входом второго логического элемента И, входом сброса интегратора и синхронизирующим входом канала управлеииячуддом балластной нагрузки, а выходом подключенного к суммирующему входу реверсивного счетчика, вычитающий вход которого подсоединен к выходу второго логического элемента И, а выходы разрядов - к выходам канала управления узлом бзпластной нагрузки, второй вход второю логического элемента И подключен к выходу второго логического элемента НЕ, а третий вход - к выходу логического элемента ИЛИ, аналоговые входы и входы синхронизации каналов управления узлами балластной нагрузки каждой фазы генератора соединены с соответствующим датчиком тока и нуль-органом.

Использование: в автономных системах электропитания, таких как малые ГЭС, вет- роэлектростанций. Сущность изобретения: устройство для стабилизации частоты выходного напряжения генератора снабжено нуль-органами, счетчиком прямого счета, RS-триггером, счетчиком обратного счета, каналами управления, каждым узлом балластной нагрузки, генератором тактовых импульсов, логическим элементом И-НЕ, логическим элементом сравнения на больше-меньше, логическим элементом ИЛИ- НЕ, задатчиком частоты, задатчиком максимального тока фазы, узлами балластной нагрузки в виде управляемых ключей и резистивных элементов. 1 ил.