Автономная система электроснабжения Советский патент 1981 года по МПК H02P9/42 H02M5/27 H02J3/00 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении автономных систем электроснабжения (СЭС) подвижных -объектов с переменной скоростью вращения вала электрического генератора для улучшения качества выходной энергии, для защиты цепей нагрузки от перенапряжений во время переходных процессов в генераторе, а также при построении сетевых стабилизаторов переменного напряжения с повышенными динамическими характеристикг№1и.

Известны СЭС, содержащие синхронный генератор, подключенный к его выходу преобразователь частоты на ключах с двухсторонней проводимостью и систему управления, обеспечивающую заданный алгоритм управления ключами преобразователя частоты 1 и 2..

Недостатками известных СЭС являются относительная сложность системы управления в варианте с электронным сумматором частот и низкое качество выходной энергии за счет присутствия широкого спектра высших гармоник, в выходном напряжении. Коэффициент гармоник выходного напряжения СЭС равен 14,6%.

Наиболее близкой по технической сущности к предлага.емой является СЭС, содержсццая синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала, преобразователь .частоты, подключенный к обмоткам этого генератора, и систему управления, выполненную в виде эталонного генератора, сумматора частот синхронного и эталонного

0 генераторов, умножителя частоты, входом подключенного к выходу сумматора частот,, и блока формирования управляющих напряжений, выходами подключенного ко входам управления преобразователя частоты, а входом - к выходу умножителя частоты 3.

Недостатком известной СЭС является низкое качество выходной энергии при воздействии на нее возмущений

0 со стороны нагрузки (резких набросов и сбросов нагрузки) и со стороны синхронного генератора (резкого отклонения выходного напряжения генератора от номинального зна|чения) . При

5 резком набросе (или сбросе) нагрузки зависимость выходного напряжения от тока нагрузки в такой СЭС определяется стабильностью выходного напряжения синхррнного генератора и жесткостью внешней характеристики преобразователя частоты. При этом (особенно при импульсной нагрузке, изменяющейся практически от нулевого значения до максимального) на выходе синхронного генератора возникает переходный процесс, характер которого, зависит от характера нагрузки-. Форм4 огибающей этого переходного процесса повторяется на выходе СЭС, что значи тельно ухудшает качество ее выходной энергии. Кроме того, нагрузку .такой автономной СЭС приходится рассчитывать с большим запасом по напряжению так как во время переходных режимов к ней прикладывается напряжение, в несколько раз превышающее номинальное выходное напряжение СЭС. Цель изобретения - улучшение качества выходной энергии автономной СЭС, а также защита цепей нагрузки от перенапряже«ий во время переходных процессов в синхронном генераторе путем высокого быстродействия от- работки возмущающих воздействий преобразователем частоты в режиме автоматического регулирования его выходного напряжения. Поставленная цель достигается тем что автономная СЭС, содержащая синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала, преобразователь частоты, подключенный к обмоткам этого генератора, и систему управ ления, выполненную в виде эталонного генератора, сумматора частот синхрон ного и эталонного генераторов, умножителя частоты, входом подключенного .к выходу сумматора частот, и блока формирования управляющих напряжений, выходами подключенного ко входам управления преобразователя частоты, а первым входом - к выходу умножителя частоты, дополнительно снабжена блоком формирования эталонного напряжения, одним входом связанного с выходом преобразователя частоты, другим входом соединенного с выходом эталон ного, генератора, а выходомоподключен ного ко второму входу блока формирования управляющих напряжений, причем третий вход блока формирования управ ляющих напряжений соединен с выходом преобразователя частоты. При этом преобразователь частоты выполнен в виде К амплитудно-импульсных модуляторов (К кратно числу фаз синхронног генератора), выполненных по схеме од нофазного инвертор в виде двух стое силовых ключей с двухсторонней прово димостью и нагруженных на трансформа торы, последовательно соединенные вы ходные обмотки которых образуют выхо преобразователя, причем управляющие входы силовых ключей образуют входы управления преобразователя. Блок фбрмирования управляющих нап ряжений выполнен в виде распределите ля импульсов, вход которого образует первый из указанных входов блока фор мирования управляющих напряжений, узла выделения сигнала рассогласования, два входа которого образуют второй и третий из указанных входов этого блока, фазосдвигающего узла и двух усилительно-развязывающих узлов, выходы которых образуют выходы блока формирования управляющих напряжений, причем узел выделения сигнала рассогласования выходом связан с одним из входов фазосдвигающего узла, другие входы которого соединены с выходами распределителя импульсов, а усилительно-развязывающие узлы соответственно подключены к выходам фазосдвигающего узла и распредел..теля импульсов . Блок формирования эталонного напряжения выполнен в виде соединенных последовательно делителя частоты, к установочному входу которого подключен синхронизирующий узел, дешифратора и узла синтеза эталонного напряжения, выход которого образует выход блока формирования эталонного напряжения, причем, тактовый вход делителя частоты и вход синхронизирующего узла образуют входы блока формирования эталонного напряжения. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - то же, простейшего варианта преобразователя частоты (при ); на фиг. 3 - то же, блока формирования управляющих напряжений; на фиг. 4 - то же, блока формирования эталонного напряжения; на фиг. 5 пример выполнения делителя частотн бОюка формиройания эталонного напряжения; на фиг. 6 - то же, дешифратора; на фиг. 7 - то же, узла синтеза эталонного напряжения; на фиг. 8 то же, узла си(хронизации блока формирования эталонного напряжения; на фиг. 9 - то же, узла рассогласования блока фС)рмирования управляющих напряжений; на фиг. 10 - диаграммы, поясняющие принцип формирования эталонного напряжения; на фиг. 11 - то же, поясняющие принцип выделения сигнала рассогласования при одном из возможных вариантов схемной реализации узла выделения сигнала рассогласования. Предлагаемая автономная СЭС содержит синхронный генератор 1 с переменной с::оростью вращения вала, преобразователь 2 частоты, подключенный к обмоткам этого генератора, и систему 3 управления, выполненную в виде эталонного генератора 4, сумматора 5 частот синхронного 1 и эталонного 4 генераторов, умножителя 6 частоты, входом подключенного к выходу сумматора 5 частот, и блока 7 формирования управляющих напряжений, выходами подключе.нного ко входам 8 управления преобразователя 2 частоты, а первым .входом 9 - к выходу умножителя 6 частоты. Кроме того, автономная СЭС соШержит блок 10 формирования эталонн то напряжения, одним входом 11 свя|занный с выходом 12 преобразователя частоты 2, другим входом 13 соединенный с выходом эталонного генератора 4, а выходом подключенный хо второму входу 14 блока 7 формирования управляющих напряжений, причем третий вход 15 блока 7 формирования управляющих напряжений соединен с выходом 12 преобразователя 2 частоты. Преобразователь 2 частоты выполнен в виде К амплитудно-импульсных модуляторов 16 (на фиг. 2 показан . пример выполнения простейшего преоб разователя частоты при , а в общем случае К кратно числу фаз синхронного генератора), построенных по схеме однофазного инвертора в виде двух стоек 17 и 18 силовых ключей 1 с двухсторонней проводимостью. Вход ные выводы амплитудно-импульсных мо дуляторов 16 подключены к фазам 20, 21 и 22 и нулевой нейтрали 23 синхpOfiHoro генератора 1, а выходы нагружены на трансформаторы 24, соединенные последовательно выходные обмотки которых образуют выход 12 пре образователя 2 частоты. Управляющие входы силовых ключей 19 образуют входы 8. управления преобразователя 2 частоты. Блок 7 формирования управЛ:яющих напряжений выполнен в виде распреде лителя 25 импульсов, вход которого образует первый 9 из указанных входов этого блока, узла 26 выделения сигнала рассогласования,-два входа которого образуют второй 14 и третий 15 из указанных входов блока 7 формирования управляющих напряжений, фазосдвигающего узла 27 и двух усили тельно развязывающих узлов 28 и 29. Узел 26 выделения сигнала рассогласования ВЫХОДС1М связан с одним из входов 30 фазосдвигаюи:,его узла 27, другие входы 31 которого соединены с выходами распределителя 25 импульсов. Усилительно-развязывающие узлы 28 и 29 соответственно подключены к выходам распределителя 25 импульсов и фазосдвигающего узла 27. Блок 10 формирования эталонного напряжения выполнен в виде соединен ных последовательно делителя 32 час тоты, к установочному входу 33 кото рого подключен синхронизирующий узе 34, дешифратора 35 и узла 36 синтез эталонного напряжения. Вход синхрон зирующего узла 34 и тактовый вход делителя 32 частоты образуют соответ ственно входы 11 и 13 блока 10 формирования эталонного напряжения. Один из возможных вариантов схемной реализации блока 10 формирования эталонного напряжения. Делитель 32 частоты может быть выполнен на комбинированных триггеpax (на фиг. 5 представлен пример схемной реализации делителя частоты с коэффициентом деления, равным 12) и содержит входной триггер 37, кольцевой сдвигающий счетчик 38 и парафазный сдвигающий регистр 39. Выходы триггеров Q2 - Q7 и 02 - Q7 образуют выходы делителя 32 частоты. Дешифратор 35 выполнен на логических элементах 2И-НЕ. Выходы У1-У6 являются выходами дешифратора 35. Узел 36 синтеза эталонного напряжения может быть выполнен в виде коммутатора на полевых транзисторах 4.0, соединяющих общую нагрузку 41 с резисторами делителя 42 напряжения, подключенного в точках 43 и 44 к стабилизированному источнику питания. Управляющие цепи полевых транзисторов 40 соединены с выходами 1 мпульсных усилителей 45, входы которых образуют входы узла 36 синтеза эталонного напряжения. Синхронизирующий узел 34, подключенный к установочному входу 33 делителя 32 частоты, может быть выполнен в виде компаратора 46 на операционном усилителе, выходом связанного через нормирующую цепь 47 со входом схемы 48 выделения фронтов импульсов компаратора 46. Узел 26 выделения сигнала рассогласования блока 7 формирования управляющих напряжений может быть реализован в виде аналогового делителя напряжения, выполненного по схеме 49 делителя-умножителя типа логарифмантилогарифм , либо в виде разностного усилителя. Принцип работы предлагаемой автономной СЭС основан на пофазной амплитудно-импульсной модуляции выходного т-фазного переменного напряжения синхронного генератора 1 с частотой ft вспомогательными N раз сдвинутыми друг относительно друга т-фазными переменными напряжениями типа меандр с частотой f с последующим геометрическим суммированием промодулированных напряжений. При этом на управляющие входы 8 ключей 19 первых стоек (например 17) амплитудно-импульсных модуляторов 16 преобразователя 2 частоты с выходов распределителя 25 импульсов блока 7 формирования управляющих напряжений через усилительноразвязывающий узел 28 поступают сдвинутые друг относительно друга на фиксированный фазовый угол соответствующие управляющие напряжения типа меандр с частотой f, а на управляющие входы 8 ключей 19 вторых стоек 18 с выходов фазосдвигающего узла 27 блока 7 формирования управляющих напряений через усилительно-развязываюий узел 29 поступают управляющие наряжения типа меандр с частотой fj, азовый сдвиг которых относительно оответствующих выходных импульсов

распределителя 25 импульсов зависит от величины сигнала рассогласования между выходным напряжением преобразователя 2 частоты и выходным напряжением (эталонным) блока 10 формирования эталонного напряжения.

Принцип формирования эталонного напряжения в предлагаемой автономной СЭС.

. На тактовый вход 13 делителя 32 частоты блока 10 формирования эталонного -напряжения поступают импульсы напряжения 50 с выхода эталонного генератора 4 системы 3 у травления. При этом на выходах Q1 - Q1 входного триггера 37, на выходах Q2i- Q4 и Q2. - 04 кольцевого сдвигающего счетчика 38, а также на выходах Q5 - Q7. и Q5 - 07 парафазного сдвигающего регистра 39 соответственно формируются импульсные напряжения 51-64. Импульсные напряжения 51-64 с выходов Q2 - Q7 и Q2 - Q7 дел.1теля 32 частоты поступают на соответствующие входы дешифратора 35, на выходах У1 - У6 которого формируются последовательности импульсов 65-70. Последовательности импульсов 65-70 подаются на входы узла 36 синтеза эталонного напряжения, на выходе которого формируется эталонное напряжение 71, представляющее собой, например, знакопостоянное многоступенчатое напряжение 72, по форме приближающееся к форме двухполупериодного выпрямленного синусоидального напряжения.

Жесткая синхронизация эталонного напряжения 71 с выходным напряжением преобразователя 2 частоты достигается тем, что триггеры делителя 32 часто1ы принудительно устанавливаются в Состояния, соответствующие началу формирования многоступенчатого напряже-кия 72, совпадающему по фазе с начaлo развертывания выходного напряжения преобразователя 2 частоты. Для принудительной установки триггеров делителя 32 частоты в указанные состояния служит синхронизирующий узел 34, вырабатывающий импульсы синхронизации 73, представляющие собой короткие импульсы 74, совпсщающие с моментами перехода через нулевое значение выходного напряжения преобразователя 2 частоты. Первый импульс 74 импульсов синхронизации 73 устанавливает триггеры делителя 32 частоты в состо ния, соответствующие началу формирования многоступенчатого напряжения 72, совпадающему по фазе с началом развертывания выходного напряжения преобразователя 2 частоты (момент вр мени t ) .

Эталонное напряжение 71 поступает на вход 14 блока 7 формирования упра ляющих напряжений, где сравнивается с уменьшенным по амплитуде и выпрямленным (с помощью согласующего транс форматора и рыпрямителя, которые на

фиг. не показаны) выходным напряжением 75 преобразователя 2 частоты. В случае использования в качестве узла 26 выделения сигнала рассогласования аналогового делителя напряжения,собранного по схеме 49, на выходе последнего формируется сигнал рассогласования 76 в виде постоянного уровня 77, амплитуда которого пропорциональна отношению амплитуд напряжения 75 с выхода преобразователя 2 частоты (Е) и эталонного напряжения 71 (Eg) в любой момент времени периода их следования. Сигнал рассогласования 76 несет информацию об отклонении. мгновенного значения напряжения 75 с выхода преобразователя 2 частоты от эталонного напряжения 72. Величина установившихся пульсаций уровня напряжения 77 сигнала рассогласования 76 зависит от степени приближения формы многоступенчатого напряжения 72 к форме выпрямленного синусоидального напряжения.

Сигнал рассогласования 76 поступает на один вход 30 фазосдвигающего узла, на другие входы 31 которого подаются импульсные напряжения типа меандр с фиксированным фазовым сдвигом друг относительно друга с выходов распределителя 25 импульс-ов. На выходе фазосдвигающего узла 27 формируются импульсные напряжения типа меандр, величина сдвига фаз которых относительно соответствующих импульсов с выхода распределителя 25 импульсов пропорцио 1альна отклонению мгновенного значения выходного напряжения преос-разователя 2 частоты (напряжения 75) относительно эталонного напряже ния 71.

Импульсные напряжения типа меандр с выходов распределителя 25 импульсов и фазосдвигающего узла 27 через усилительно-развязывающие узлы 28 и 29 поступают на входы 8 управления преобразователя 2 частоты. При этом в результате амплитудно-импульсной модуляции фазных напряжений синхронного генератора 1 указанными импульсными напряжениями типа меандр на выходах К амплитудно-импульсных модуляторов 16 преобразователя 2 формируются промодулированные напряжения с определенной.скважностью, величина которой зависит от величины сигнала рассогласования 76, т.е. от отклонения мгновенного значения выходного напряжения преобразователя 2 частоты относительно эталонного напряжения 71.

В результате геометрического суммирования промодулированных нaпpяжet НИИ на выходе преобразователя 2 частоты, который является одновременно и выходом автономной СЭС, формируется квазисинусоидальное напряжение. величина которого стабилизируется п отклонению его мгновенного значения Дополнительное введение в автоно ную СЭС блока формирования эталонно го напряжения, одним входом связанн го с выходом преобразователя частоты другим входом соединенного с выходом эталонного генератора, а выходом под ключенного ко второму входу блока формирования управляющих напряжений третий вход которого соединен с выходом преобразователя частоты,позво ляет улучшить качество выходной энер гии во время переходных процессов в син хронном генераторе в предлагаемой автономной СЭС по сравнению с известной,, а также защитить цепи наррузки от перенапряжений. Если в известной системе длительность переход ного процесса при 100%-ном набросе напряжения на входе преобразователя чартоты равна 0,9 с и в течение 0,3 с к нагрузке прикладывается 1рО%-ное перенапряжение, то в предлагаемой автономной СЭС, преобразователь частоты которой содержит 18 амплитудноимпульсных модуляторов , длительность переходного процесса при выходной частоте 10000 Гц составляет 1 мс, а амплитуда перенапряжения на нагрузке в течение этого времени не превышает 30% от номинальной величины выходно;го напряжения. Формула изобретения 1. Автономная система электроснаб жения (СЭС), содержащая синхронный генератор с переменной скоростью вра щения вала, преобразователь частоты, подключенный к обмоткам этого генератора, и систему управления, выполненную в виде последовательно соединенных эталонного генератора, сумматора частот синхронного и эталонного генераторов, умножителя частоты, входом подключенного к выходу сумматора частот, и блока формирования управляющих напряжений, выходами под ключенного ко входам управления преобразователя частоты, а первым входом - к выходу умножителя частоты, отличающаяся тем, что, с целью улучшения качества выходной энергии, а также защиты цепей нагруз ки от перенапряжений во время переходных процессов в синхронном генера торе путем высокого быстродействия отработки возмущающих воздействий преобразователем частоты в режиме ав томатического регулирования его вы-. ходного напряжения, она дополнительно снабжена блоком формирования эташонного напряжения, одним входом связанного с выходом преобразователя частоты, другим входом соединенного с выходом эталонного генератора, а выходом под::ключенного ко второму вхо.ду блока формирования управляющих напряжений, причем третий вход блока формирования управляющих напряжений соединён с выходом преобразователя частоты. 2. СЭС по п. 1, отличающая с я тем, что преобразователь частоты выполнен в виде К амплитудно-импульсных модуляторов (к кратно числу фаз синхронного генератора), выполненных по схеме однофазного инвертора в виде двух стоек силовых ключей с двухсторонней проводимостью и нагруженных на трансформаторы, последовательно соединенные выходные обмотки которых образуют выход преобразователя, причем управляющие входы силовых ключей образуют входы управления преобразователя. 3 . СЭС по пп. 1 и 2, о т л и ч ающа яс я тем, что блок формирования управляющих напряжений выполнен в виде распределителя импульсов, вход которого образует первый из указанных входов блока формирования управляющих напряжений, узла выделения сигнала рассогласования,два входа которого ,образуют второй и третий из указанных входов этого блока, фазосдвигающего узла и двух усилительно-развязывающих узлов, выходы которых образуют выхопы блока формирования управляющих напряжений, причем узел выделения сигнала рассогласования выходом связан с однимиз входов фазосдвигающего узла, другие входы которого соединены с выходами распределителя импульсов, а усилительно-развязывающие узлы соответственно подключены к выходам фазосдвигающего узла и распределителя импульсов . 4. СЭС попп. 1, 2иЗ, отличающаяся тем, что блок формирования эталонного напряжения выполнен в виде соединенных последовательно делителя частоты, к установочному ходу которого подключен синхронизиующий узел, дешифратора и узла синеза эталонного напряжения, выход которого образует выход блока формиования эталонного напряжения, прием тактовый вход делителя частоты и ход синхронизирующего узла образуют ходы блока формирования эталонного апряжения. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1.Мыцык Г.С. Исследование и разаботка способов преобразования электроэнергии с помощью статических преобразователей, Дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. М., МЭИ, 1972, с. 383-397. , 2.Авторское свидетельство СССР о заявке №.2495993/24-07, л. Н 02 Р 9/42, 1977. 3.Авторское свидетельство СССР 603087, кл. Н 02 Р 9/42, 1978.

.02

as Qi a

a

HI

У2

ЛЧ

УЗ

asi

U3

a(

a, аб

a

fl2i.

L.

&

i/4

&

w

Ы

Й

Фи(3

Фт.Ю

75

t

.Г

/

X

/

71

,

76

ч

лг

2 t