Автономная система электроснабжения стабильной частоты Советский патент 1980 года по МПК H02P9/42 H02M5/27 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении автономных систем электроснабжения (СЭС) подвижных объек тов с переменной скоростью вращения вала электрического генератора для полу- чения квазисинусоидального напряжения стабильной частоты. Известйы СЭС, содержащие синхронный генератор и подключенный к его выходу преобразователь частоты, выполненный в виде комплекта инверторных ячеек на управляемых ключах ij , 2|и з. Недостатками известных автономных СЭС являются низкое качество выходного напряжения и отсутствие возможностн рекуперации реактивной энергии при активно-индуктивной нагрузке. Кроме того, данные автономные СЭС предусматривают использование нулевого вывода синхронного генератора, что не всегда является возможным, а также включают в себя два комплекта сглаживающих фильтров, что существенно ухудшает jsiaccoraбаритные показатели и понижает КПД автономных СЭС в целом. Наиболее близкая предлагаемой,СЭС содержит трехфазный генератор и подключенный к нему преобразователь частоты в виде щести согласующих трансформаторов и шести инверторных ячеек на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, причем выходные выводы всех инверторных ячеек соединены последовательно 4j. К недостаткам такой СЭС следует отнести наличие согласующих трансформаторов и чрезмерно большое число инвер- торных ячеек, что приводит не только к ухудшению массогабаритных показателей автономной СЭС, но и к ухудшению ее энергетических показателей, т. е. КПД, в связи с резким увеличением последовательности включенного в выходной цепи числа полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью. Цель изобретения - упрощение и улучшение качества выходного напряжения. Указанная цель достигается тем, что в автономной системе электроснабжения, содержащей m -фазный генератор с переменной скоростью вращения вала, инвер торные ячейки по числу фаа генератора, выполненные на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, причем к силовому входу каждой инвер- торной ячейки подключена якорная обмот ка одной из фаз генератора, а выходы этих инверторных ячеек соединены последовательно, образуя выходные выводы СЭС, а также блок управления клк)чами инверторных ячеек, обеспечивающий заданную выходную частоту СЭС, якорная обмотка каждой фазы генератора выполнена с отпайками, подсоединенными через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двухсторонней проводимостью к выходным выводам соответ ствующей инверторной ячейки. Кроме того, блок управления автономной СЭС выполнен в виде последовательно соединенных задатчика частоты, умножителя частоты, делителя частоты, первого распре- делителя импульсов на ГХ1 каналов, собранного по пересеченной схеме, логического узла и узла гальванической развязки и усиления, выходы которого образуют выходы блока управления, а также второго распределителя импульсов, входом подключенного к выходу умножителя а выходами - ко входам логичес1сого узла. На фиг. 1 представлена функциональная схема СЭС; на фиг. 2 - то же, блока управления; на фиг. 3 - схема логического узла в составе блока управления; на фиг. 4 - диаграммы, поясняющие возможный вариант формирования импуль сов управления ключами инверторных ячеек (иначе модуляторов); на фиг. 5 диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения СЭС. Автономная СЭС (фир. 1) содержит три идентичных амплитудно-импульсных модулятора 1, 2 и 3, входами подключе ных к отпайкам якорных обмоток соотве ствующих фаз генератора и выполненных на полностью управляемых ключах 4-9 с двухсторонней проводимостью. (В качестве примера показано формирование однофазного напряжения при использовании трехфазного генератора и наличии шести ключей в каждом модуляторе).. Выходные вьшоды модуляторов 1, 2, 3 соединешй последовательно и образуют один из выходов автономной СЭС. Блок управления (фиг. 2) содержит последовательно соединенные задатчик частоты 10, сумматор частоты 11, умножитель частоты 12, делитель частоты 13, трехканальный распределитель импульсов 14, собранный по пересчетной схеме, логический узел 15, узел гальванической развязки и усиления 16 и второй распределитель импульсов 17, входом подключенный к выходу умножителя частоты 12, а выходами - ко входам логического узла 15. В состав логического узла 15 (фиг. 3) входят, например три комплекта логических схем 18 и 19, необходимых для формирования алгоритма управления ключами модуляторов 1, 2 и 3. При частоте выходного напряжения трехфазного генератора, равной .и частоте управления ключами 4-9 модуляторов 1, 2 и 3, равной ,,, на выходе автономной СЭС формируется квазисинусоидальное напряжение, частота основной гармоники которого равна -fc . При поступлении импульсов, представленных на диаграмме 4-1 (фиг. 4), с выхода умножителя частоты 12 на вход распределителя импульсов 17 на его выхода формируются импульсы, представленные на диаграммах 4-2 - 4-7. Одновременно импульсы с выхода умножителя 12 после делителя частоты 13 (диаграмма 4-8) поступают на вход трехканального распределителя 14, на выходе которого формируются напряжения 4-9 - 4-11. Выходные импульсы распределителей 14 и 17 являются исходными при формировании необходимого алгоритма управления клю- ча|Ми 4-9 (фиг. 1) модуляторов 1, 2 и 3. На фиг. 3 представлен конкретный пример выполнения логического узла 15, который содержит три комплекта логических схем 18 и 19, причем на выходах схем 18 формируются импульсы управления ключами 4 и 5 модуляторов 1, 2, 3 (фиг. 1), а на выходах логических схем 19 - импульсы управления ключами 6-9. Так например, на диаграммах 4-12 и 4-13 (фиг. 4) представлены импульсы управления ключами 4 и 5 модулятора 1, а на диаграммах 4-14 - 4-17 - импульсы уиоавления, соответственно, ключами 6-9 модулятора 1. Аналогично на диаграммах 4-18 - 4-29 показаны импульсы управления ключами 4-9 модуляторов 2 и 3. На фиг. 5 показаны диаграммы 5-1 - 5-6, иллюстрирующие формирование напряжений на выходах модуляторов 1, 2, 3 и результирующее напряжение 5-7 после их суммирования. Коэффициен гармонии этого напряжения К ,16 Выполнение якорных обмоток каждой фазы генератора с отпайками, подсоединенными через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двухсторонней проводимостью к выходным выво дам инверторных ячеек, выгодно отличае предлагаемую СЭС от известных. При ра ных условиях по числу фаз генератора и по числу ключей предлагаемая СЭС по сравнению с известной позволяет заметно уменьшить искажения выходного напряжения {примерно вдвое), исключить согласующие трансформаторы и за счет этого существенно улучшить массогабаритные показатели. Кроме того, такая СЭС обладает повышенным КПД, так как в любой момент времени в преобразовательном тракте включено последовательно соединенных ключей вдвое меньше чем в прототипе, т. е. потери уменьшены в 2 раза. Например, при 115 В и при использовании кремниевых силовых транзисторов в преобразовательном тракте КПД автономной СЭС повышается на 5%. Приведенный в качестве иллюстрацес-а алгоритм переключения ключей модулято ров, с точки зрения минимизации искаже ний, не является наилучшим. Такое же значение (иt) -0,169 может быть получено и с помощью четырехключевых модуляторов (в этом случае обмотки генератора выполняют без отпаек). При одной отпайке в фазных обмотках генера тора и при шестиключевых модуляторах можно получить .U|) -0,091, а при двух отпайках и восьмиключевых модуляторах - If p/UiO 0,07. Повышенное качество выходного напряжения СЭС позво ляет существенно уменьшить установленную мощность выходных фильтров или вообще от них отказаться. Формула изобретения 1. Автономная система электроснабжения стабильной частоты, содержащая -ч})азный генератор с переменной скоростью вращения вала, инверторные ячейки по числу фаз генератора, выполненные на полностью управляемых ключах; с двухсторонней проводимостью, а также блок управления ключами инварторных ячеек, причем к силовому входу каждой инвер- торной ячейки подключена якорная обмотка одной из фаз генератора, а выходы этих инверторных ячеек соединены последовательно, образуя выходные выводы СЭС, отличающаяся тем, что, с целью упрощения и улучшения качества выходного напряжения, якорная обмотка каждой фазы генератора выполнена с отпайками, подсоединенными через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двухсторонней проводимостью к выходные выводам соответствующей инверторной ячейки. 2.Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления выполнен в виде последовательно соединенных за датчика частоты, змножителя часготы, делителя частоты, первого распределителя импульсов на гп каналов, соб- paHHQtx) по пересчетной схеме, логического узла и узла гальванической развязки и усиления, выходы которого образуют выходы блока управления, причем выход умножителя связан с соответствующими входами логического узла через второй распределитель импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР N9 414693, кл. Н 02 m 5/48, 1974. 2., Патент ГДР № 61311 по кл. 21 (. 1968. 3.Патент США № 3378756, л. 322-32, 1968. 4.Авторское свидетельство СССР о заявке № 2495993/24-07.

фаг.

/5

ffi

2 /г//,./,;

ф1/г.г

/V

-/Tii t in и II I п 11 им и и .

-ДНпоп

ФигЛ