Устройство для автоматического управления автономной электроэнергетической установкой Советский патент 1981 года по МПК H02P9/04 

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к устройствам для автоматического упра ления автономной электроэнергетической установкой с первичным двигателем внутреннего сгорания, и может быть использовано для стабилизации частоты выходного напряжения в автономных электроэнергетических установках Известны устройства для управления автономной электроэнергетической установкой с генератором переменного тока и приводным карбюраторным двига телем l J, содержание электромагнитный исполнительный орган подачи топлива, магнитные усилители, датчик на грузки, фазочувствительный выпрямитель с контуром последовательного ре зонанса, Известные устройства, выполненные на магнитных элементах, имеют низкие динамические свойства, низкий КПД, больщие габариты и вес, присущие маг нитным элементам. Кроме того, с цель уменьшения влияния инерционности управляющей обмотки электромагнитного исполнительного органа подачи топли- ва на динамику системы в силовую цеп выходного магнитного усилителя включен добавочный резистор, сопротивление которого в несколько раз превышает сопротивление обмотки управления электромагнитного исполнительного органа подачи топлива, что резко снижает КПД устройства. Известно устройство для управления автономной электроэнергетической установкой, выполненное на полупроводниковых элементах, содержащее синхронный генератор с.приаодным карбюраторным двигателем, электромагнитный исполнительный орган подачи топлива, двухполупериодный кольцевой демодулятор (фазочувствительный выпрямитель) с контуром последовательного резонанса, несимметричный триггер с эмиттерной резистивной связью, генератор пилообразного сигнала, импульсный усилитель, пассивную дифференцирующую цепочку, двухполупериодный выпрямитель на тиристорах р. Известное устройство обеспечивает высокое быстродействие, имеет малые габариты и вес. Однако оно обладает недостаточной помехозащищенностью в связи с применением дифференцирующих цепочек в системе с источником помех, которым является кольцевой демодулятор, низким КПД из-за наличия в цепи обмотки управления электромагнитного исполни Тельного органа добавочного резистора. -Кроме того, в известном устройстве затруднительно введение коррек.тирукхдих связей, например положитель ной компенсирующей обратной связи по нагрузке, в результате чего в 2-3 ра за увеличивается статическая ошибка в системе при набросе нагрузки. Для надежной работы устройства в широком диапазоне изменения температур требуется термостатирование, либо приме нение специальных мер для повышения температурной стабильности широтноимпульсного преобразователя, состоящего из генератора пилообразного сигнала и несимме;тричного триггера. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для управления автономной электроэнергетической установкой, со держащей синхронный генератор с приводным карбюраторным двигателем. Уст ройство содержит электромагнитный исполнительный орган подачи топлива, вход которого соединен с выходом дву полупериодного кольцевого демодулято ра с контуром последовательного резонанса, несимметричный триггер с змиттерной резистивной связью, генер тор пилообразного сигнала, силовой импульсный усилитель (IS. Известное устройство имеет достаточную помехозащищенность, однако также является не экономичным из-за наличия дополнительного резистора в цепи обмотки управления электромагнитного исполнительного органа подачи топлива, не обеспечивает получение высокой статической точности регулирования, тре буемого быстродействия из-за труднос ти введения корректирующих связей и имеет недостаточную термостабильност Целью изобретения является повыше ние экономичности, статических и динамических свойств автономной электроэнергетической установки. Эта цель достигнута .тем, что устройство для автоматического управ ления автономной электроэнергетической установкой с синхронным генерато ром переменного тока и приводным дви гателем внутреннего сгорания, содержащее электромагнитный исполнительный орган подачи топлива, вход которого соединен с выходом силового импульсного полупроводникового усилителя, измерительный орган частоты в составе двухполупериодного кольцевого демодулятора с контуром последовательного резонанса, широтно-импульсный преобразователь, выход которого соединен с входом силового им пульсного полупроводникового усилителя, снабжено пропорционально-интеграпьным корректирующим усилителем, датчиком активной нагрузки, источником смещения, шунтом, включенным в силовую цепь электромагнитного исполнительного органа, Т-образными фильтрами и датчиком тока на операционном усилителе. При этом выход корректирующего усилителя подключен к входу широтноимпульсного преобразователя, а вход соединен с источником смещения, через датчик тока на операционном усилителе с шунтом, через первый Т-образный фильтр - с выходным зажимом измерительного органа частоты, а через второй Т-образный фильтр - с выходом датчика активной нагрузки. При этом широтно-импульсный преобразователь выполнен на однопереходном транзисторе с отсекающим диодом, в цепь разряда времязадакнцей емкости которого включены регулирующий и коммутирующий rt-p-n транзисторы, причем база коммутирующего транзистора соединена с первой базой однопереходного транзистора, коллектор - с катодом отсекающего диода, а эмиттер этого транзистора подключен к коллектору регулируквдего транзистора, база которого совместно с резистивным делите-,; лем образуют вход преобразователя. На чертеже представлена электрическая принципиальная схема предлагаемого устройства. Синхронный генератор 1 переменного тока приводится во вращение с помощью двигателя 2 внутреннего сгорания, регулирующий орган пода топлива которого через тягу связан с выходным рычагом электромагнитного исполнительного органа 3 подачи тошйва, пружина которого пытается уменьшить подачу- топлива, а электромагнитный исполнительный орган 3 при наличии тока в его обмотке управления увеличивает подачу топлива в двигатель 2, Обмотка управления электромагнитного исполнительного органа 3 является нагрузкойсилового импульсного усилителя 4 и подключена к его выходным зажимам. К входу силового импульсного усилителя 4 через шунт 5 подключен широтно-импульсный преобразователь 6 на однопереходном 7 и двух h-p-KlS, 9 транзисторах. Входная цепь широтно-импульсного преобразователя б соединена с выходом пропорционально-интегрального корректирующего усилителя 10, один вход которого подключен к источнику 11 смещения, другой к выходу датчика 12 тока, вход которого соединен с шунтом 5, а в цепь обратной связи включена фильтрующая емкость 13, Третий вход корректирующего усилителя 10 через Т-образный фильтр на резисторах 14, 15 и емкости 16 подключен к выходу измерительного органа 17 частоты в составе двухполупериодного кольцевого демодулятора и последовательного-резонансного контура, входные зажикы измерительного органа 17 частоты подсоединены к зажимам синхронного генератора 1, Четвертый вход корректи-

рукздего усилителя 10 через Т-образный фильтр на резисторах 18, 19 и емкости 20 подключен к датчику активной нагрузки генератора 1 в составе выпряьштеля 21 и трехфазного трансформатора 22 тока,

Эмиттер однопереходного транзистора 7 подключен к общей точке резистора 23 и аноду отсеканвдего диода 24 Катод отсекающего диода 24 подсоединен к одному из выводов емкости 25 времязадакщей цепи и коллектору коммутирующего транзистора 9, База этого транзистора подключена к первой базе однопереходного транзистора 7, а эмиттер - к коллектору регулирующего транзистора 8. Причем своим эмиттером регулирукиций транзистор 8 че рез резистор 26 подключен к отрицательному полюсу источника питания, а базовой через делитель напряжения на резисторах 27, 28, 29 - к выходу пропорционально-интегрального корректирующего усилителя 10,

Устройство работает следукацим образом.

Когда скорость вращения двнгатё ля 2 внутреннего сгорания равна заданной, т.а, частота напряжения генератора 1 равна резонансной частоте контура последовательного резонанса, напряжение на выходе измерительного органа 17 частоты отсутствует, lte« этом напряжение на гашоде ксчфвкфкрующего усилители 10 определяется топысо напряжением источника 11 смещения, при помощи которого на выходе шрО7- но-импульсного преобразователя 6 и силового усилителя 4 устанавливается определенная скважность и шульоог, необходимая для создания начального тока в обмотке управления электромагнитного исполнительного органа 3 подачи топлива, обеспечивающего подачу топлива в двигатель 1 внутреннего сгорания, соответствующую работе двигателя 1 внутреннего сгорания с заданной скоростью вращения при величине нагрузки, равной примерно половине номинальной.

При изменении частоты выходного напряжения синхронного генератс а I измерительный орган 17 частоты батывает напряжение, полярность которого зависит от знака отклонения частоты от заданной, а величина определяется значением отклонения. Допустим, скорость вращения двигателя 2 внутреннего сгорания уменьшилась, что привело к уменьшению частоты выходного напряжения синхронного генератора 1 по сравнению с требуемой. На выходе измерительного органа 17 частоты вырабатывается пропорциональное отклонению частоты напряжение положительной полярности, которое через Тобразный фильтр на резисторах 14, 15 и емкости 16 поступает на один из входов корректирующего усилителя 10,

вызывая увеличение его выходного напряжения и связанное с ним пропорциональное увеличение скважности импульсов прямоугольной формл на выходе широтно-импульсного преобразователя б и силового усилителя 4, а следовательно, увеличение тока в обмотке управления электромагнитного исролнительного органа 3 подачи топлийа и увеличение подачи топлива в двигателе 2 внутреннего сгорания. Момент

0 двигателя возрастает на величину, необходимую для устранения причины, вызывакпаей уменьшение скорости. В случае увеличения частоты напряжения синхронного генератора 1 система уп5равления аналогично воздействует на топливоподакнцую систему, уменьшая подачутоплива и момент двигателя.

Нагрузкой силового импульсного усилителя 4 является обмотка управления

0 электромагнитного исполнительного органа 3, которая, с целью повышения экономичности устройства, непосредствеийо подключена к усилителю 4 через шунт 5, имекяоий малое сопротивление Для уменьшения влияния постоянSной времени обмотки управления-электромагнитного исполнительного органа 3 подачи топлива на динамические свойства систе1«1 стабилизации на один из входов корректирующего усилителя 10 через датчик 12 тока подключена отрицательная обратная связь по току электромагнитного исполнительного ор(ана 3 подачи топлива, а корректирующий усилитель 10 имеет прОпорциональ5ноинтегрнру 0щую передаточную функцию, что позволяет практически исключить влияние этой постоянной на динамику системы. Этим удается не только повысить экономичность устройства пуQтем исключения дополнительных потерь энергии в силовой цепи исполнительного органа 3 топлива, но и увеличить возможный по условиям устойчивости коэффициент усиления системы стабилизации, а следовательно, полу5чить более высокую статическую точность поддержания частоты, кроме того прИАЮнение пропорционально-интегрального корректирующего усилителя 10 в . контуре регулирования тока исполни0тельного органа 3 делает этот контур астатическим по задающему воздействию. и следовательно, исключает флуктуации тока исполнительного органа, вызванные возможными изменениями питающего

5 напряжения, нестабильностью характе-, ристик элементов (в том числе и температурной) и другими случайными воздействиями .

Для увеличения статической точнос0ти поддержания частоты, а также улучшения динамических показателей системы при резком приложении нагрузки применена положительная компенсирую-, щая обратная связь по нагрузке генератора, заведенная через Т-образный

5 фильтр на один из входов корректирующего усилителя 10, Поскольку нагрузка в автономных электроэнергетических установках в основном является активной, то в качестве датчика нэгрузки используется датчик активного тока синхронного генератора 1, состоя щий из трехфазного выпрямителя 21 и трехфазного трансформатора 22 тока. Положительная обратная связь по нагрузке не только уменьшает статическую ошибку поддержания частоты за счет компенсации естественного статизма регулятора, работающего по отклонению, но и значительно уменьшает максимальные отклонения частоты при ступенчатом приложении нагрузки и сокращает время регулирования посредством упреждающего воздействия сигнала положительной обратной связи по активной нагрузке на практически безинерционный контур регулирования тока исполнительного органа 3 подачи топлива. Фильтры, установленные между измерительным органом 17 частоты, датчиком нагруаки и корректирующим усилителем 10 служат для повышения помехозащищенности устройства на высоких частотах. Широтно-импульсный преобразователь 6, выполненный на однопереходном транзисторе 7, коммутирующем 9 и регулирующем 8 транзисторах, обладает высокой температурной стабильностью, присущей устройствам на однопереходных транзисторах, Преобразователь работает следующи образом. При подаче напряжения питания емкость 25 в цепи эмиттера однопереход ного транзистора начинает заряжаться через отсекающий диод 24, Однопереходный транзистор закрыт. При достижении на нижней по схеме обкладке конденсатора 25 напряжения, равного напряжению включения, однопереходный транзистор 7 открывается и ток в его базовой цепи увеличивается. Одновременно с включением однопереходного транзистора 7 запирается отсекающий диод 24 и включается коммуткруквдий транзистор 9, Емкость 25 начинает ра ряжаться по цепи: переход коллектор эмиттер открытого транзистора 9, переход коллектор - эмиттер регулирующего транзистора 8, малое сопротивление резистора 26, Время разряда емкости 25 определяет время включенн Го состояния однопереходного транзис тора 7 и в основном зависит от сопро тивления перехода коллектор.- эмитте регулирующего транзистора 8/ которое изменяется пропорционально входному напряжению преобразователя. Когда в процессе разряда напряжение на емкос ти 25 уменьшится до значения напряже ния выключения, однопереходный транзистор 7 закрывается, отпирается диод 24 и закрывается коммутирующий транзистор 9, предотвращая в процессе начавшегося вновь заряда емкости 25 процесс ее разряда. Далее описанные процессы повторяются. В результате периодического переключения однопереходного транзистора 7 в цепи его баз генерируется ток прямоугольной форма со скважностью, определяемой величиной входного напряжения. Благодаря нсшичию в цепи разряда времязадающей емкости 25 koммyтиpyющeгo транзистора 8, в процессе заряда емкости 25 исключается ее разряд, что расширяет диапазон управления широтно-импульсного преобразователя и повышает линейность его регулировочных характеристик при достижении высокой термостабильности устройства. Изменяя входное напряжение преобразователя можно линейно регулировать скважность выходных импульсов от О до 1, Частота следования импульсов выбирается на 1-2 порядка больше частоты среза контура регулирования тока исполнительного органа, что позволяет пренебречь дискретностью управления. Устройство может быть использовано для автоматического управления автономной электроэнергетической установкой с первичным тепловым двигателем для достижения высокой точности поддержания частоты и малого времени регулирования при работе установки в широком диапазоне изменения температур. Формула изобретения 1, Устройство для автоматического управления автономной электроэнергетической установкой с синхронным генератором переменного тока и приводным двигателем внутреннего сгорания, содержащее электромагнитный исполнительный орган подачи топлива, вход которого соединен с выходом силового импульсного полупроводникового усилителя, измерительный орган частоты в составе двухполупериодного кольцевого демодулятора с контуром последовательного резонанса, широтно-импульсный преобразователь, выход которого соединен с входом силового импульсного полупроводникового усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности устройства, повышения статических и динамических свойств установки, оно снабжено пропорционально-интегральным корректирующим усилителем, датчиком активной нагрузки, источником смещения, шунтом, включенным а силовую цепь электромагнитного исполни ельного органа, Т-образными фильтрами и датчиком тока на операционном усилителе, причем выход корректирующего