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

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть ис пользовано при построении автономных систем электроснабжения (СЭС) подвмж ных объектов с переменной частотой вргицения вала электрического генератора для получения квазисинусоидального напряжения стабильной частоты. Известны СЭС, содержащие синхронный генератор и подключенный к его выходу преобразователь частоты, выполненный в виде комплекта амплитудно-импульсных модуляторов на управляемых ключах fl - 4 .Недостатками автономных СЭС являются низкое качество выходного напряжения и отсутствие возможности рекуперации реактивной энергии при активно-индуктивной нагрузке. Кроме того, в данных автономных СЭС предусматривается использование нулевого вывода синхронного генератора, что не всегда возможно. СЭС включатот в себя два комплекта сглаживающих фильтров,что существенно ухудшает массогабаритные показатели и понижает КПД автономных СЭС. Низкое качество выходного напряжения и невысокие массогабаритные показатели являются недостатков и автономной СЭС 3. Из известных схемных решений автономных СЭС наиболее близкой по технической сущности к предложенной является система 4. Эта СЭС содержит трехфазный генератор и подключенный к нему преобразователь частоты в виде комплекта основных амплитудно-импульсных модуляторов и комплекта дополнительных амплитудно-импульсных модуляторов на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью. Причем выходные выводы модуляторов обоих комплектов соединены последовательно. К недостаткам такой СЭС следует отнести необходимость введения дополнительных модуляторов, выполненных аналогично основным и используемы;: с целью улучшения качества выходной энергии СЭС. Введение дополнительных модуляторов приводит к ухудшению не только массогабаритных показателей автономной СЭС, но и энергетических показателей, т.е. кпд, в связи с резким увеличением числа полностью упpaвляe 1ыx ключей с двусторонней проводимостью. Кроме того, низкая частота силовых трансформаторов модуляторов также ухудшает массогабаритные показатели автономной СЭС.

Цель изобретения - уменьшение массы и повышение качества выходного напряжения за счет уменьшения его коэффициента нелинейных искажений.

. Поставленная цель достигается тем что в автономной системе электроснабжения, содержащей W -фазный генератор с переменной частотой вращения вала, амплитудно-импульсные модуляТоры, числом кратные числу , каждый из которых входными силовыми выводами связан с соответствующими выводами генератора и выполнен по одной из инверторных схем на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, а также трансформаторы по числу модуляторов с первичной и вторичной обмотками и блок .управления, обеспечивающий заданную выходную частоту СЭС; входные силовые выводы амплитудно-импульсных модуляторов подключены непосредственно к выходным выводам tn-фазного генератора, выходные выводы этих модуляторов подключены к первичным обмоткам трансформаторов, вторичная обмотка каждого из которых выполнена с нулевой точкой и с отпайками, симметрично расположенными по обе стороны от нулевой- точки. При этом концы каждой обмотки и ее отпайки соединены через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двусторонней проводимостью в общую точку, образующую совместно с нулевыми точками соответствующих вторичных обмоток трансформаторные выходы амплитудно-импульных модуляторов, которые соединены между собой последовательно, образуя выходные вЕлводы СЭС.

Кроме того, блок управления автономной СЭС выполнен в виде последовательно соединенных задатчика частоты, сумматора,умножителя частоты, распределителя импульсов, логического узла и усилительно-развязывающего узла, выходы которого образуют выходы блока управления, а также делителя частоты, входом подключенного к выходу умножителя, а выходом - ко входу усилительно-развязывающего узла.

На фиг. 1 представлена функциональная схема, поясняющая принцип работы предложенной СЭС; на фиг.2 функциональная схема блока управления; на фиг. 3 - схема логического узла в состав блока управления; на Ьяг. 4 - диаграммы, поясняющие формирование импульсов управления ключами с двусторонней проводимостью на выходах логического узла; на фиг. 5 - диаграммы, поясняющие формирование напряжения на выходе амплитудно-импульсного модулятора; на фиг. 6 -. диаграммы, иллюстрирующие

формирование результирующего напряжения на нагрузке.

Предложенная автономная СЭС {фиг. 1) содержит электрический генератор и подключенные к его выводс1М три идентичных амплитудно-импульсных модулятора 1-3 с трансформаторньич выходом, входами подключенных к выходаин генератора через полностью управляемые ключи 4-7 с двусторонней проводимостью, образующие инверторные ячейки. Выходные выводы последних подключены к первичным обмоткам трансформаторов 8, вторичные обмотки которых выполнены с нулевой точкой и с -отпайками, симметрично расположенными по обе стороны от нулевой точки. Концы и отпайки вторичных обмоток трансформаторов 8.соединены через дополнительно введенные полностью управляемые ключи 9-14 с двусторонней проводимостью в общую точку, которая совместно с нулевыми точками соответствующих вторичных обмоток образует трансформаторные выходы амплитудноимпульсных модуляторов 1-3. Выходы модуляторов соединены последовательно, образуя выходные выводы СЭС. (В качестве примера показано формирование однофазного напряжения при использовании трехфазного генератора и наличии шести дополнительно введенных ключей в каждом модуляторе).

Блок управления (фиг. 2) содержит последовательно соединенные задатчик частоты 15, сумматор 16, умножитель частоты 17, распределитель -импульсов 18, логический узел 19, усилительноразвязывающий -узел 20, выходы которого образуют выходы блока управления, а также делитель частоты 21, входом подключенный к выходу умножителя частоты 17, а выходом - ко входам усилительно-раз вязы.вающего узла 20.

В состав логического узла 19. (фиг. 3) входят, например, три комплекта логических схем ИЛИ, необходимых для формирования алгоритма управления ключами амплитудно-импульных .модуляторов 1-3, причем число логических схем в каждом комплекте адекватно числу дополнительно введенных ключей в каждом модуляторе.

При частоте выходного напряжения трехфазного генератора f. и частоте управления ключами амплитудно-импульных модуляторов. 1-3, кратной f дг на выходе автономной СЭС формируется квазисинусоидальное напряжение г частота основной гармоники которого равна f 2. P поступлении импульсов представленных на диаграмме 4-1 (фиг. 4), с выхода умножителя частоты 17 на вход распределителя импульсов 18 на его выходах формируются импульсы, представленные на диаграммах 4-2-4-13. Одновременно импульсы с выхода умножителя частоты 17 поступают на вход делителя частоты 21, на выходе которого Нормируются импульсы управления (диаграммы 4-14 и 4-15) ключами 4-7 амплитудно-импульсных модуляторов 1-3.

Выходные импульсы распределителя 18 являются исходными при формировании необходимого алгоритма управления ключами 9-14 модуляторов 1-3.

Логический узел 19 (см, фиг. 3) содержит три. комплекта логических схем ИЛИ по числу Фаз генератора, причем в каждом комплекте число схем О ИЛИ соответствует числу дополнительно введенHbix ключей в каждом модуляторе .

Каждая логическая схема ИЛИ входами подключена к соответствующим 15 выходам распределителя импульсов 17, при этом на выходах этих схем формируются импульсы управления ключами 9-14 модуляторов 1-3 (см. диаграммы 4-16-4-33 на фиг. 4) импульсов управ- 20 Ленин ключами 9-14. На фиг. 5 пока.зано формирование напряжения на выходе одного из амплитудно-импульсных модуляторов (диаграмма 5-3), соответствующего когФ1утационной функции, . представленной на диаграмме 5-1. При этом напряжение на первичной обмотке трансформатора S имеет вид, представленный на диаграмме 5-2. На фиг. б показано Формирование результирующего (диаграм 1а 6-4) напряжения на 30 выходе автономной СЭС после суммирования напряжений на выходах амплитудно-импульсных модуляторов 1-3.

Выполнение вторичных обмоток трансформаторов амплитудно-импульс- 35 ных модуляторов с отпайками, соединенными через дополнительно введенные ключи с двусторонней проводимостью в общие точки, образующие совместно с нулевыми точками соответ- 40 ствующих вторичных обмоток трансформаторные выходы а.мплитудно-импульсных модуляторов выгодно от пичает предложенную автономную СЭС от прототипа. При равных условиях по числу фаз генератора предложенная автономная СЭС по сравнению с известной позволяет существенно уменьшить искажения выходного напряжения.

Можно, например, показать, что при шести ключах 9-14 в каждом модулято- 0 ре и при параметрах, характеризующих модулирующее воздействие (.5) :

А 2,5;А2 7; л,, 10vj,-R:/6n- 2 R/ коэффициент гармоник выходного напряжения (фиг. б) Kp(. 14,8%. 55

При иных параметрах

А4-1,5., АО,-6, -тг и Г2-«:/6

г(и5 -9/с .

При введении во вторичную обмотку 60 трансформатора еще одной пары отпаек и одной пары ключей можно получить K(U2) 3,6%.

Как видно, введение дополнительных ключей с двусторонней проводи- 65

мостью позволяет существенно уменьшить габаритную мощность выходных фильтров или отказаться от них. Повышенная рабочая частота трансформаторов амплитудно-импульсных модуляторов также позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели автономной СЭС в целом. Кроме того, предложенная автономная СЭС обладает повышенным КПД, так как в любой момент времени в преобразовательном тракте включено последовательно соединенных ключей меньше,чем в прототипе.

Например, при Uebrn И В и при использовании кремниевых силовых транзисторов в преобразовательном тракте КПД автономной СЭС повысился на 2%.

Формула изобретения

1. Автономная система электроснабжения (СЭС) стабильной частоты, содержащая кл-фазный генератор с переменной частотой вращения вала, амплитудно-импульсные модуляторы, числом кратные m, каждый из которых входными силовыми выводами связан с соответствующими выводами генератора и выполнен по одной из инверторных схе на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, а также трансформаторы по числу модуляторов с первичной и вторичной обмотками и блок управления, отличающаяс я тем, что, с целью уменьшения массы и повышения качества выходного напряжения за счет уменьшения его коэффициента нелинейных искажений,выходные выводы кп-фазного генератора подключены непосредственно к входным силовым выводам амплитудно-импульсных модуляторов, выходные выводы которых подключены к первичным обмоткам указанных трансформаторов, а их вторичные обмотки выполнены с нулевой точкой и с симметрично расположенными по обе стороны от нее отпайками, причем концы каждой обмотки и ее отпайки объединены через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двусторонней проводимостью в общую точку, образующую совместно с нулевой точкой выходные выводы амплитудно-импульсных модуляторов, которые соединены между собой последовательно и образуют выходные

выводы .

2. Автономная система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления выполнен в виде последовательно соединенных задатчика частоты, сумматора, умножителя частоты, распределителя импульсов, логического узла и усилительно-развязывающего узла, выходы которого образуют выходы блока управления, а также делителя частоты,входом подключенного к выходу умножителя, а выходом - ко входу усилительно-развязывающего узла,

, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 414693, кл. Н 02 М 5/48, 1974.

2.Патент ГДР 61311, кл. 21 , 1963.

3.Патент аЯА 3378756, кл, 322-32, 1968.

4.Заявка 2495993/24-07, Н 02 Р 8/42, 1977 (прототип).

-W

Sl

5-3