Статический преобразователь частоты для синхронной машины Советский патент 1980 года по МПК H02P1/50 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для частотного пуска и синхронизации мощных к сверхмощных синхронных машин с сетью переменного тока, например двигатель-генераторов гидроаккумулирующих станций и синхронных приводов компрессоров, с последующим переключением указанных двигателей в сеть переменного тока, в частности в сеть питающую преобразователь. По основному авт. св. № 699626 известен статический преобразователь частоты, содержащий управляемый выпрямитель, питаемый от сети переменного тока, выход которого через сгла живающий реактор подключен к входным шинам инвертора тока, систему управления выпрямителем, датчик тока в силовой цепи преобразователя, первый сумматор, выход которого сое.иинен со входом системы управления выпрямителем, источник опорной частоты, второ сумматор и фазовый и фазочастотный дискриминаторы, причем один вход фаз частотного дискриминатора подключай к выходу преобразователя, другой - к выходу источника опорной частоты, выход соединен с одним из входов вто рого сумматора, другой вход которого соединен со входом инвертора, выход второго сумматора соединен со входом системы управления инвертором, один вход первого сумматора подключен к входу датчика тока, а на другой вход первого сумматора подключен выход задатчика тока в силовой цепи преобразователя, один вход фазового дискриминатора подключен к выходу преобразователя, другой - к сети переменного тока, а выход соединен с управляющим входом источника опорной частоты Щ. Однако в известном преобразователе напряжение на выходе фазочастотного дискриминатора (ФЧД) в процессе пуска синхронной машины (СМ) и синхройизации частоты выходного напряжения преобразователя с частотой напряжения сети переменного тока изменяется по огибакицей, частота которой равна разности частот напряжения сети.и напряжения на выходе преобразователя. Биения сигнала на выходе ФЧД приводят к изменению мощности, подводимой к СМ (так как при этом изменяется с частотой биений угол управления инвертором) , и затягиванию процесса синхронизации (так как в этом случае для успешной синхронизации необходимо, чтобы обороты СМ изменялись достаточно медленно).Сокращение времени на синхронизацию может быть получено за счет увеличения.угла управления инвертором при одновременном увеличении тока в силовой цепи преобразователя, что приводит к увеличению мощности, преобразователя. Таким образом, недостатком известного преобразователя является завышенная мощность и значительное время, затрачиваемое на синхронизацию. ЦельИзобретения - уменьшение мощности преобразователя и времени, затрачиваемого на синхронизацию. Поставленная цель достигается тем, что в статический преобразователь час тоты для СМ дополнительно введен блок ограничения, один вход которого соединен с выходом источника опорной час тоты, другой - с выходом преобразователя, а выход подключен к входу задаю щего генератора (ЗГ) источника опорно частоты. На фиг, 1 представлена принципиаль ная электрическая блок-схема предлага емого преобразователя; на фиг. 2 - осциллограммы напряжений в различных точках схемы, поясняющие ее работу. Преобразователь содержит управляемый выпрямитель 1, питаемый от сети 2 переменного тока. На входе преобразователя включен датчик 3 тока в силовой цепи преобразователя, выходной сигнал которого поступает на один из входов первого сумматора 4, на другие входы которого подаются сигнал положительной обратной связи по напряжению на входных шинах инвертора 5 тока снимаемый с делителя 6, и сигнгип 7 за дания по току в силовой цепи преобразователя. Выпрямитель 1 соединен с инвертором 5 тока через сглаживающий реактор 8, Регулирование выходного напряжения выпрямителя осуществляется системой 9 управления выпрямителем. На вход системы 10 управления инвертором поступает сигнал с выхода второго сумматора 11, который определяет частоту выходного напряжения преобразователя, нагрузкой которого является СМ 12, На входы сумматора 11 поступают сигналы положительной обратной связи по напряжению на входных шинах инвертора 5 тока, и сигнал с выхода ФЧД 13 один из входов которого подключен к выходу источника 14 опорной частоты сийхронизированного сетью 2 переменного тока. Источник 14 опорной частоты включает всебя ЗГ 15, кольцевой распределитель 16 и коммутатор 17, на вход которого подается напряжение сетги 2 переменного тока. Управление работой коммутатора осуществляется кольцевым распределителем 16. На вход ЗГ 15 поступает сигнал с выхода коммутатора 17, сигнал с выхода фазового дискриминатора 18, а также сигнал с задатчика 19 начальной фазы выходных импульсов источника 14 опорной частоты,причем один вход фазового дискриминатора подключен к сети 2 переменного тока через трансформатор 20, а другой вход через трансформатор 21 подключен к выходу преобразователя, ФЧД 13 выполнен на управляемых ключах 22, выход которых подключен к одному из входов сумматора 11, На входы ключей 22 через трансформатор 21 подается напряжение с выхода преобразователя, а управление ключами осуществляется кольцевым распределителем 16 источника 14 опорной частоты. Выравнивание напряжений на выходе преобразователя и на шинах сети переменного тока осуществляется датчиком 23 небаланса напряжений, выход которого соединен со входом регулятора 24 выходного напряжения преобразователя. Сигнал с выхода датчика 23 небаланса и фазового дискриминатора 18 поступают на схему 25 совпадений,выходной сигнбил которой управляет шунтирующим выключателем 26, подключающим СМ к сети переменного тока. С нормально открытых контактов 27 выключателя 26 подается сигнал в систему 9 управления выпрямителем и систему 10 управления инвертором, который осуществляет блокирование рабочих импульсов выпрямителя и инвертора. Преобразователь подключен к сети через выключатель 28, а к СМ - через выключатель 29, Блок 30 ограничения, синхронизирующий работу ЗГ 15, состоит, например, из неуправляемого выпрямителя 31 на транзисторах и схем 32-37 совпс1дения,на выходах 38 и 39 которых формируются синхронизирующие импульсы. Преобразователь работает следующим образом. На выходе сумматора 4 формируется сигнал, обеспечивающий работу выпрямителя 1 в режиме токоограничения, т.е. в режиме стабилизации выходного тока выпрямителя, а следовательно, и входного тока инвертора 5 тока. При отсутствии сигнала с выхода ФЧД 13 частота выходного напряжения преобразователя определяется коэффициентом обратной связи по напряжению на входных шинах инвертора, который выбирается таким образом, что в заданном диапазоне изменения нагрузки (момента сопротивления на валу СМ) угол инвертирования ср (угол между первыми гармониками выходного тока и напряжения преобразователя) всегда больше некоторого минимального допустимого угла. Блок 30 ограничениядо синхронной скорости вырабатывает синхронизирующие импульсы (фиг, 2), которые блокируют работу ЗГ 15 таким образом, что частота переключения ЗГ равна шестикратной частоте выходного напряжения преобразователя. Поэтому для синхронной скорости напряжение на выходе ФЧД постоянно (отрицательно, что определяется фазировкой ФЧД) и пульсирует с частотой работы ЗГ.

При этом сигнал с выхода ФЧД уменьшает угол инвертирования ф (так как имеет другой знак, чем сигнал обратно связи по напряжению на входных шинах инвертора), что соответственно увеличивает мощность Р, подводимую к СМ ((при том же токе 5jj в силовой цепи преобразователя), которая определяется выражением

Р Uj. 5 U.r n-cosCf.tJ где 0 - амплитуда напряжения на выходе преобразователя; Ujj . -.среднее значение напряжения на входных шинах инвертора

При синхронной скорости импульсы на выходе блока ограничения отсутствуют, а величина и знак выходного напряжения ФЧД определяются фазой работ источника опорной частоты, которая регулируется задатчиком 19 или сигналом на выходе фазового дискриминатора

При скорости, больше синхронной, на выходе блока ограничения вырабатываются импульсы, форсирующие работу З источника опорной частоты. Поэтому пр скорости, больше синхронной, напряжение на выходе ФЧД также постоянно (положительно) , а угол инвертирования ф при этом максимальный, что соответствует уменьшению мощности, подводимой к СМ (а следовательно и ее оборотов, вплоть до синхронных).

Таким образом, блок ограничения, воздействуя на ЗГ источника опорной частоты, формирует релейную характеристику сигнала на выходе ФЧД, которы в процессе втягивания СМ в синхронизм изменяет свой знак и величину, а его производная (по частоте) остается постоянной.

Это позволяет, независимо от скорости изменения оборотов СМ обеспечить неограниченную зону синхронизации (т.е. зону втягивания в синхронизм) и тем самым значительно сократить время,затрачиваемое на синхронизацию. При этом мощность Р, подводимая к СМ, увеличивается (за счет уменьшения угла инвертирования ф при оборотах, меньше синхронных), что позволяет при заданной мощности Р уменьшить мощност Преобразователя.

После синхронизации частоты выходного напряжения преобразователя (а следовательно и оборотов СМ) с частотой напряжения сети переменного тока на выходе ФЧД устанавливается напряжение, которое совместно с напряжением на входе инвертора формирует такой угол управления if инвертором, при котором мощность, подводимая к СМ, обеспечивает синхронные обороты.

При отклонении фазы выходного напряжения преобразователя от фазы напряжения сети переменного тока (в

трехфазной системе сравниваются все три фази) сигнал с выхода фазового дискриминатора 18 воздействует на вход ЗГ 15 источника опорной частоты, что приводит к изменению фазы выход.ных импульсов источника 14 опорной частоты, а следрвательно, и фазы выходного напряжения преобр азователя, так как сигнал с выхода ФЧД 13 должен оставаться неизменным (ввиду того, что частота выходного напряжения не изменяется и остается постоянной и равной входной).

Диапазоны изменения выходных сигналов фазочастотного и фазового дискриминаторов выбираются таким образом, чтобы диапазон изменения угла : инвертирования ср .находился в пределах обеспечивающрух коммутационную устойчивость инвертора.

Датчик 23 небаланса напряжений на шинах сети переменного тока и на выходе преобразователя, воздействуя на регулятор 24 выходного напряжения преобразователя, осуществляет выравнивание ука.занных напряжений, изменяя ток возбуждения СМ. Если UgyX преоб;разователя больше напряжения на шинах сети переменного тока, то ток возбуждения уменьшается, если меньше - увеличивается.

При равенстве частоты, фазы и амплитуды напряжения на выходе преобразователя и на шинах сети переменного тока можно шунтировать преобразователь, и тем самым переключить СМ в сеть переменного тока безтолчковым образом.

Сигнал на включение шунтирующего выключателя 26 подается схемой 25 совпадений, которая фиксирует совпадение фаз и амплитуд напряжений на входе и выходе преобразователя. При включении шунтирующего выключателя 26 замыкаются нормально открытые контакты 27 и в системы управления выпрямителем и инвертором подается сигнал на блокировку рабочих импульсов управления тиристорами выпрямителя и инвертора.

Формула изобретения

Статический преобразователь частоты для синхронной машины по авт. св. 699626, отличающийся тем, что, с целью уменьшения мощности преобразователя и времени, затрачиваемого на синхронизацию, в него дополнительно введен блок Ограничения, один вход которого соединен с выходом источника опорной частоты, другой - с выходом преобразователя, а выход подключен к входу задашзщего генератора источника опорной частоты. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 699626, кл. Н 02 Р 1/50, 04.07.77.