Асинхронный вентильный генератор Советский патент 1981 года по МПК H02M5/48 H02P9/42 

, , Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к генераторам с частотой тока, не пропорционал ной частоте вращения веша. Известны асинхронные генераторы, имеющие выходное напряжение с плавно регулируемой частотой. Один из известных асинхронных вен тильных генераторов содержит инаертор напряжения, подключенный к якорным шинам генератора, и накопитель энергии (аккумуляторную батарею), включенную на выходе инвертора 1 . Недостатками этого генератора являют ся плохие коммутационные свойства ий вертора затрудняющего его работу, а также трудность согласования выходны напряжений по постоянному и переменному токам. Все это приводит к услож нению системы управления и большим массогабаритным показателям. Другой из известных ассинхронных вентильных генераторов содержит асин хронную машину и два преобразователя частоты (ПЧ), ПО крайней мере один из которых подключен к статору машины 2. Однако из-за индуктивных токов в обоих ПЧ требуются узлы искусственной коммутации, что усложняет и ухудшает массогабаритные показатели генератора. Наиболее близким к предлагаемому является асинхронный вентильный генератор, содержащий асинхронную машину два преобразователя частоты, по крайней мере один из которых подключен к статору асинронной машины, и накопитель энергии Сз. В качестве накопителей энергии обычно используются аккумуляторы. Параллельная работа с аккумуляторами, расширяя функциональные возможности генератора по количеству выходов и стартерному режиму, требует применения согласующих отводов на обмотке статора асинхронной машины и применения низковольтного ПЧ. Это приводит к дополнительному усложнению и ухудшению массогабаритных показателей ге- нератора. Цель изобретения - упрощение и улучшение массогабаритных показателей генератора. Поставленная цель достигается тем, что генератор снабжен однофазным инвертором повышенной частоты, подключён ным черезтрансформатор к параллельно -соединенным преобразователям частоты а выход постоянного тока инвертора

замкнут на накопитель энергии, причем инвертор снабжен дополнительными ключами, замкнутыми на высоковольтные отводы трансформатора.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого генератора с короткозамкнутым ротором/ на фиг. 2 то же, с фазным ротором; на фиг. 3 - временная диаррамма напряжений и токов генератора

Асинхронный вентильный генератор состоит из асинхронной машины 1, преобраз.ователя 2 частоты (ПЧ) , подключенного к статору машины Д, и преобразователя 3 частоты с выходом для нагрузки переменного тока. Оба ПЧ выполнены на полупроводниковых симметричных ключах 4, например, на встречно-параллельно включенных тиристорах Однофазными выходами ПЧ 2 и 3 подключены к обмотке 5 трансформатора б кдругой обмотке 7 которого подключен рднофазный инвертор 8 с нулевым выводом и дополнительными ключами 9, замкнутыми на высоковольтные отводы обМотки 7. Для коммутации инвертора 8 и ключей 9 применима любая схема, например общий узел коммутации. Для упрощения инвертор 8 и ключи 9 показаны на запираемых тиристорах. Выход постоянного тока инвертора 8 замкнут на конденсатор 10 фильтра и аккумулятор 11.

Генератор работает следующим образом.

Инвертор 8 создает на обмотке 5 прямоугольное напряжение постоянно повышенной частоты, из которого ПЧ 2 и 3 формируют трехфазные напряжения рабочей частоты. Потребляя реактивную мощность, машина 1 при отрицательном скольжении выдает в ПЧ 2 активную мощность, которая идет через ПЧ 3 в нагрузку переменного тока. Незначительная часть активной мoщнocтJ1 идет через обратные диоды инвертора 3 в аккумуляторьг 11 и нагрузку постоянного тока.Для упрощения токи НЧ ггоказаны синусоидальными (фиг. 3), а их фазовые сдвига соответствуют типичным сдвигам при работе с асинхронным генератором и активно-индуктивной нагрузкой. Сплошными линями показаны токи, замыкающиеся на начало обмотки 5 (когда его позГенцйал совпадает с потенциалом формируемого напряжения).Из графического слбжения токов видно,что ток обмотки ,5 меньше тока одного ПЧ,но перед коммутацией инвертора 8 :этот ток значительно возрастает из-за необходимости колачутации обратных токов в ПЧ 2 и 3 предварительным переключением тиристоров. Предварительным.пере ключением на ключи 9 и изменением коэффициента трансформации на короткое время ток на стороне инвертора снижается при уменьшении напряжения на обмотке 5 до величины, достаточной для коммутации ПЧ.

За счет широтного фазового регулирования моментов Открывания ключей 4 относительно фронтов импульсов напряжения обмотки 5 выходные напряжения ПЧ 3 и 3 формируются по любому закону, например прямоугольному с постоянным соотношением с. напряжением выхода ПЧ 2. Частота выхода ПЧ 3 постоянная и кратна частоте -инвертора 8, а частота выхода ПЧ 2 плавно регулируется. Изменением величины отрицательного скольжения путем регулирования частоты ПЧ 2 регулируют активную мощность, развиваемую асинхронной машиной 1, что в автономной системе равносильно регулированию выходного напряжения. Таким образом, при переменной частоте вращения вала стабилизируются напряжения выходов постоянного и переменного токов постоянной частоты.

За счет широтного регулирования соотношения напряжений напряжение выхода ПЧ 2 регулируется пропорционально регулированию частоты. Это обеспечивает постоянство магнитного потока в асинхронной машине 1 при стабилизированных напряжениях на выходе генератора и возможность увеличения ее мощности с увеличением скорости и сохранением кратности перегрузочной способности.

Возможна также работа предлагаемого генератора с постоянной частотой вращения вала и регулированием частоты и напряжения на выходе, а также в режиме самовозбуждения с циркуляцией реактивных токов через конденсатор 10 при отключенных аккумуляторах 11. Возможен также двигательный режим, например, для запуска . первичного двигателя автономного объекта. В этом режиме асинхронная машина 1 получает переменный ток регулируемой частоты и напряжение от аккумуляторов 11 через инвертор 8 и ПЧ 2 при отключенном управлении ПЧ 3.

Если используется машина с фазным ротором (фиг. 2), то ПЧ 3 подключают к фазному ротору, а нагрузки - к статору машины 1. Введение инвертора повышенной частоты позволяет перевести оба ПЧ на естественную коммутацию напряжением инвертора.Это сокращает число коммутирующих цепей и упрощает преобразователи генератора.

Параллельное подключение обоих ПЧ к.трансформатору позволяет направит ь преобладающую часть активной мощности из одного ПЧ в другой непосредственнр. Через трансфоматор проходит незначительная часть активной мощности на выход постоянного тока и незначительные реактивные токи, нескомпенсированные между фазами и ПЧ. Позтому расчетные мощности трансформатора и инвертора не превышают половины номинальной мощности генератора, а с учетом еще и повышения частоты масса трансформатора составляет около 0,1 от массы асинхронной машины. Введение дополнительного трансформато ра позволяет устранить отводы в обмотке статора асинхронной машины и этим упростить ее и уменьшить ее расчетныую мощность на 25-40%. Введение дополнительных ключей ивысоковольтны отводов позволяет за счет изменения коэффициента трансформации уменьшить ток коммутирующей цепи инвертора, необходимый для естественной коммутации обоих ПЧ. Это дает возможность уменьшить массу и объем общего узла .коммутации по отношению к массе и объему коммутирующих узлов/ необходимых для каждого ПЧ. Таким образом, за счет упрощения машины и преобразователей упрощается генератор, а за счет уменьшения расчетных- мощностей машины и коммутирующих цепей масса и объем генератора уменьшаются. Асинхронный вентильный генератор наиболее целесообразно использовать на автономных объектах как вспомогательный генератор постоян ной частоты при переменной частоте вращения вала и как тяговый генератор для асинхронных тяговых двигателей.

О о

г-

- --. f ,. 9Формула изобретения 1 .Асинхронный вентильный генератор, содержащий асинхронную машину, два преобразователя частоты, по крайней мере один из которых подключен к статору асинхронной машины, и накопитель знергии постоянного тока, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения и улучшения массогабаритных показателей он снабжен однофазным инвертором повышенной частоты, подключенным через трансформатор к параллельно соединенным преобразователям частоты, а выход постоянного тока указанного инвертора замкнут на накопитель энергии постоянного тока. 2. Генератор по п. 1, о т л и чающийся тем, что, инвертор снабжен дополнительными ключами, замкнутыми на высоковольтные отводы обмотки трансформатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3958174, кл. 322-47, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР №493893,. кл. Н 02 Н 7/0, 1974. 3.Авторское свидетельство СССР № 943121, кл. Н 02 Р 9/44, 1976.

и.1.г