Генератор регулируемой частоты

 

Изобретение относится к автономным источникам электропитания, частота которых регулируется не зависимо от скорости вращения. Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик и упрощение генератора. Генератор содержит управляемый вентильный выпрямитель 25, к которому подключена многофазная обмотка 26 синхронного генератора. Управляемый выпрямитель 25 подключен к нагрузке через переключатель полярности 38, управляющие электроды всех вентилей 1-12 подключены к программно-счетному устройству, осуществляющему программный счет импульсов, поступающих от датчика угла 31 поворота ротора 32. Последний может быть выполнен в виде дополнительной обмотки 33 генератора. 8 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1471258 А 1 (д) 4 Н 02 К 19/36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4030489/24-07 (22) 26.02.86 (46) 07.04 .89. Бюл. Р 13 (75) А.С.Айнварг (53) 621.313.323 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР ,У 736282, кл. Н 02 К 19/36, 1975, Радин В.И. и др. Электромеханические устройства стабилизации частоты. — М.: Энергия, 1981, с.20. (54) ГЕНЕРАТОР РЕГУЛИРУЕМОЙ ЧАСТОТЬ1 (57) Изобретение относится к автономным источникам электропитания, частота которых регулируется независимо от скорости вращения. Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик и упрощение генератора. Генератор содержит управляемый вентильный выпрямитель 25, к которому подключена многофазная обмотка 26 синхронного генератора. Управляемый выпрямитель 25 подключен к нагрузке через переключатель 38 полярности, управляющие электроды всех вентилей 1-12 подключены к программно-счетному устройству, осущест-, вляющему программный счет импульсов, поступающих от датчика 31 угла поворота ротора 32. Последний может быть выполнен в виде дополнительной обмотки 33 генератора. 8 ил.

1471258

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к генераторам автономных систем электропнта ния, где требуется получать регулируемую частоту напряжения, не зависящую от скорости вращения генератора.

Пелью .изобретения является улучшение энергетических характеристик и упрощение генератора. 10

На фиг. 1 представлена электрическая схема генератора; на фиг.2 — кривые напряжений, на фиг.3 — - пример регулирования напряжения; на фиг.4 вариант конструкции магнитопровода; 15 на фиг ° 5 и 6 — диаграммы программ управления на фиг.7 — напряжения и токи при работе на индикаторную нагрузку; на фиг.8 — структурная схема ,генератора. 20

Генератор регулируемой частоты (фиг.1) содержит катодную группу вентилей (тиристоров) 1-2 и анодную группу вентилей 13-24 управляемого выпрямителя 25, подключенного к m= 25

=12-фазной якорной обмотке 26 синхронного генератора 27. Эта обмотка

26 уложена в 24-х пазах 28 статора

29 и состоит из 24-х секций 30. Все секции 30 соединены последовательно, 30 причем каждые две секции 30 образуют одну фазу (1 -12 ) генератора 27, так что все двенадцать фазных обмоток 26 соединены последовательно (многоугольником) . К каждой точке их соединения подключены два вентиля †од вентиль катодной группы 1-12 и одинанодной группы 13-24.

Кроме якорной обмотки 26 статор

29 содержит дискретный датчик 31 40 угла поворота и частоты вращения ротора 32, выполненный в виде дополнительной обмотки ЗЗ управления, состоящей из катушек 34, охватывающих по одному зубцу 35 статора 29 и сое45 диненных последовательно. Число отсчетных элементов дискретного датчика 31.выполнено в К раз кратным удвоенному числу фаз m якорной обмотки

26. Датчик 31 создает не только тактовые импульсы с частотои 2шКы, но

50 и отсчетные импульсы частоты вращения ы.

Ротор 32 генератора может быть выполнен явнополюсным, например, с постоянным магнитом, но может быть и

55 неявнополюсным. Один полюс ный наконечник 36 ротора 32 выполнен с одним зубцом 37.

Межпу общими точками анодной 1324 и катодной 1-12 групп вентилей включен переключатель 38 полярности, Он выполнен в виде трансформатора

39 со средней точкой первичной обмотки 40, концы которой подключены к тириеторам 4 1 и 42, а к вторичной обмотке 43 подключена нагрузка 44.

Обратные диоды 45 и 46 могут быть включены при индуктивной нагрузке дчя обеспечения коммутации тиристоров 4 1 и 42. Может быть использована любая другая переключающая схема, позволяющая изменять полярность выпрямленного напряжения на нагрузке 44.

Датчик. 31 своим выходом подключен к программно-счетному устройству 47.

Программно-счетное устройство 47 содержит столько счетных каналов (не показаны), сколько предусмотрено программ типа фиг.5 и 6. Счетные каналы могут быть выполнены независимыми на базе счетных устройств или могут организовываться микропроцессором.

Счетные каналы представляют собой электронные коммутаторы †электронные аналоги шагового искателя, например кольцевые регистры. Входы каждого счетного канала соединены с датчиком 31 угла поворота ротора 32.

Число счетных элементов в каждом счетном канале, например число разрядов кольцевого регистра, равно наименьшему общему кратному периодов выходной и синхронной частот, выраженных в тактах счета, т.е. равно наимень,шему общему кратному чисел 2mK и

2mK р где — отношение периода выходной частоты к периоду синхронной частоты. Например, для реализации программы фиг.5 — для получения

=1,5 при К=1 — число счетных элементов счетного канала должно быть равно наименьшему общему кратному числу .

2m=24 и 3m=36, т.е. равно числу 72 тактов кольцевой шкалы на фиг.5.

Отдельные входы каждого счетного канала (например, установочные входы регистра) соединены с блоком 48 задания программ. Выходы счетных каналов объединены в каналы управления вентилями, которые соединены с управляющими электродами вентилей 1-24, 41, 42 и число которых равно числу управляемых вентилей.

Если выбор программы должен производиться автоматически при стабилизации частоты, то генератор может включают тиристоры 19-24, 13-15, каждый из которых проводит интервал

К/6 и выключается, как в мостовом неуправляемом выпрямителе.

Таким образом, к первичной обмотке 40 трансформатора 39 приложено линейное напряжение между четвертой фазой и всеми другими фазами, выделенное в верхней части фиг.2 (слева) жирной линией и образующее положительную полуволну выходного напряжения. Это напряжение к моменту

=23К/12 уменьшается до нуля и в этот момент тиристор 15 автоматически выключается, после чего сразу включают тиристоры 42, 3 и 16. Тиристор 3 остается включенным, пока его анодное напряжение положительно, так как никаких других тиристоров катодной группы не включают, а в анодной группе через каждые 1/6 включают тот тиристор, у которого катодный потенциал становится ниже, а предыдущий тиристор автоматически выключается.

Поэтому с момента mt=23 й/12 к первичной обмотке 40 трансформатора 39 (и, соответственно, к нагрузке 44 приложено в обратном направлении напряжение между третьей фазой (3 ) и всеми другими фазами. К моменту at=

=45 Й/12 это напряжение уменьшается до нуля, тиристор 42 автоматически выключается, после чего включают тиристор 41 и начинается новый полупериод выходного напряжения — оно образуется линейным напряжением между второй фазой (2 ) и остальными, и т.д. Период выходного напряжения равен 447(/12 (частота 6/11 синхронной частоты ы).

Вторая кривая показывает получение большей частоты выходного напряжения. В начале положительного полупериода включают тиристор 41, тиристор

4 и сразу тиристор 18 (тиристор 17 не включают) с того момента и с=2!(/12, когда линейное напряжение между соответствующими фазами четвертой и шестой (4) и (6) начинает увеличиваться от нуля. Далее ноложительная полуволна выходного напряжения формируется как описано, т.е. линейным напряжением между четвертой фазой (4 ) и остальными фазами, пока оно не уменьшится до нуля вмо мент ы t=23 i(/12. С этого момента тиристор 41 выключается, включают тиристор 42 и формируют отрицатель30

147125 быть дополнен (на Фиг.8 пунктиром), задающим импульсным генератором 49 (генератором стабилизируемой частоты) и блоком 50 сравнения частот (или периодов) импульсов датчика 31 и зада5 ющего генератора 48, последний управляет блоком 48 задания программ. Статор может быть выполнен с дополнительными зубцами 51.

Генератор приводится во вращение двигателем 52. Работа генератора осуществляется следующим образом. Пояснения (фиг.2) сделаны в предложении, что нагрузка 44 чисто активная, а трансформатор 39 идеальный с коэффициентом трансформации, равным единице. В верхней части фиг.2 тонкими линиями изображены синусоидальные фазные напряжения синхронного генерато- 20 ра угловой частоты о, причем цифрами 1-12 и 13-24 обозначены номера тиристоров катодной и анодной групп, на которые подаются эти напряжения.

3а начало отсчета ы С=О принят мо- 25 мент прохождения через нуль напряжения первой фазы генератора. Ниже друг под другом изображены шестнадцать напряжений различных частот (правая сторона фиг.2 продолжает левую) на первичной обмотке трансформатора 39, причем для каждой кривой к оси времени примыкают две графы, в которых указаны номера тиристоров, включенных на интервалах.

Первая из этих кривых показывает получение на нагрузке напряжения примерно половинной частоты. В момент

ut=ii/12 включают тиристор 4, анодный потенциал которого с этого момента начинает увеличивается от нуля, и тиристор 17, катодный потенциал которого с этого момента начинает уменьшаться от нуля, Одновременно включают и тиристор 4 1, так что с этого момента к первичной обмотке трансформатора 39 и, соответственно, к нагрузке 44 приложено условно положительное напряжение. Далее, тиристор 4 остается включенным до того момента Gdt=237 /12, пока его анодное 50 напряжение не упадет до нуля, так как никаких других тиристоров катодной группы.не включают. В анодной группе тиристор 17 включен через интервал Г/6, после чего включают тиристор 18, катодный потенциал которого становится меньше, а тиристор

17 автоматически выключается. Далее

5 14 ную полуволну выходного напряжения описанным образом, т.е. линейным на-!! пряжением между третьей фазой (3 ) и остальными фазами, с той разницей, что в момент Mt=41()/12 не включают тиристор 14, а оставляют включенным тиристор 13 до того момента t=

=44((/12, пока .линейное напряжение между фазами 3 и 1 положительно, после чего тиристоры 3,13,42 автоматически выключаются и включают тиристоры 1, 15, 41 и т.д. Период образуемой кривой выходного напряжения равен 427)/12.

Третья кривая показывает получение еще большей выходной частоты.

Начало положительной полуволны формируется как и в предыдущем случае, но в конце положительной полуволны в момент () =21))/12 не включают тиристор 15, а оставляют включенным тиристор 14.до того момента () t

=22((/12, пока линейное напряжение между четвертой и второй фазами (4 ) ( и (2 ) не упадет до нуля. С этого момента тиристоры 4, 14 и 41 выключаются и включают тиристоры 2, 1б и

42, так как с этого момента напряжение начинает увеличиваться от нуля.

Далее в катодной группе рставляют включенным тиристор 2, а в анодной группе включают по очереди тиристоры с минимальным катодным потенциалом, причем тиристор 13 не включают, )а тиристор 24 оставляют включенным до того момента (at=42(((/12, когда линейное напряжение между второй и двенадцатой фазами (2 ) и (12 ) не уменьшается до нуля. С этого момента выключаются тиристоры 2, 24 и 12, включаются тиристоры 12, 14 и 31 и формируется следующая положительная полуволна выходного напряжения. Период образуемой кривой равен 40((/12.

Аналогичным образом формируются выходные напряжения других частот— кривые этих напряжений показаны на фиг.2 друг под другом с указанием номеров тиристоров, включенных на интервалах. Для первой из кривых на правой стороне фиг.2 сверху показаны фазные напряжения, равность которых . составляет выходное напряжение (эти фазные напряжения выделены жирной линией от других фазных напряжений).

Третья кривая на правой стороне фиг.2 — напряжение синхронной часто- . ты генератора, последующие кривые— частоты Выше синхронной причем .Поа71258 6 следняя из показанных кривых имеет период 14)(/12 (частота 12/7 синхронной частоты) .

Формирование напряжений выходных (частот вплоть до синхронной показано на фиг.2 путем переключений тиристоров в моменты естественной комму,тации, отстоящие на 7)/m=((/12 (нулевые углы управления) ° Лля таких пере,ключений программы следования управляющих импульсов могут быть получены путем выбора определенных импульсов от генератора импульсов фиксированной

15 частоты 2т() =24<) . Формирование напряжения частот выше синхронйой можно осуществить такой же коммутацией тиристоров, как показано на фиг.2 (правая сторона, внизу) тонкой пунк20 тирной линией. Однако для улучшения формы кривой выходного напряжения могут быть использованы более дробные переключения, т.е. внутри интервалов ((/m — именно такие переключения показаны сплошными линиями для последних пяти кривых на фиг.2. Лля таких переключений исходная фиксированная (тактовая) частота генератора управляющих импульсов должна быть в К раз больше (для последних кривых фиг.2 (К=З) °

Таким образом, показано получение выходного напряжения регулируемой частоты (ниже и выше синхронной) дискретность регулирования периода

Зб 2((ш — путем естественной коммутации вентилей управляемого выпрямителя

25. При этом частота регулируется в широком диапазоне (в примере фиг.2 диапазон регулирования 12/7():б/11 ы

40 превышает 3: 1) .

На фиг.3 показано регулирование выходного напряжения при неизменной его частоте (равной /1/5 — пятая кривая на фиг.2); такое регулирова4Ь ние может быть использовано при отсутствии регулирования возбуждения синхронного генератора (например, магнитоэлектрического), В катодной группе в положительном полупериоде включен тиристор 4, в отрицательном полупериоде — тиристор 1. Номера включенных тиристоров в анодной группе определяются различными линия.ми — сплошной, пунктирной, штрих-пунк55 тирной, точечной (фиг.3). Номера включенных тиристоров анодной группы указаны на интервалах, обозначенных такими же линиями. Причем, на фиг.3 показаны некоторые из возможных ком1471258 бинаций формирования выходного напряжения заданной частоты.

@ормирование выходного напряжения требуемой частоты и амплитуды осуще5 ствляется программой подачи управляющих импульсов на управляющие электроды тиристоров. Источником импульсов является дискретный датчик 31, Зубец 37 ротора 32 деформирует кривую 10 магнитной индукции под полюсным наконечником 36, вследствие чего в катушке 34 дополнительной обмотки 33 при вращении ротора 32 индуцируется импульс напряжения. Поскольку все 2m катушек 34 соединены последовательно, то за один оборот ротор 32 в дополнительной обмотке 33 индуцируются 2m импульсов (частота 2m д ), причем при необходимости обмотка 33 может бьггь дополнена формирователем фронта им пульса (как в индукторных генераторах импульсов). Если необходимо увеличить мощность системы управления, то зубец 37 может быть выполнен и на втором полюсном наконечнике 36.

Полюсные наконечники 36 могут быть выполнены и с несколькими зубцами

37, шаг которых равен шагу по зубцам

35 статора 29. 30

При переключениях с более коротким интервалом (тактом), чем ll /m> как показано для последних кривых фиг.2, статор 29 выполняется с кратным числом. более мелких зубцов 51.

В качестве примера на фиг.4 показано выполнение статора 29 с удвоенным числом зубцом 51 при том же числе пазов 28, занятых обмоткой 28 (за счет добавления мелких пазов 51 без обмотки). В этом случае число импуль40 сов в дополнительной обмотке 33 ста-. тора 29 за один оборот ротора 32 удваивается и частота .следования импульсов становится 4m ы (интервал между ними Г/2тп) .

Дополнительная обмотка 33 статора 29 является разновидностью датчи\ ка угла поворота ротора, поворот ротора на каждые й/m радиан отмечаетI ся; тактовым импульсом, преимущество ,такого датчика в том, что он одновременно является источником энергии для управляющих электродов тиристоров. Однако в качестве датчика 31 угла поворота ротора 32 может бьггь 55 использован другой датчик, например фотоэлектрический с высокой разрешающей способностью. Общее требование к датчику 31 угла поворота ротора 32 состоит в том, что число его отсчетных элементов, например число катушек

34 в дополнительной обмотке 33 статора 29 или число отверстий в фотоэлектрическом датчике должно быть кратно 2m.

Программно-счетное устройство 47 состоит из известных логических и счетных элементов, осуществляет счет тактовых импульсов, поступающих от датчика 31 угла и передачу их на управляющие электроды тиристоров в соответствии с заданной программой.

Каждой кривой выхадного напряжения соответствует своя программа. В качестве примера на фиг.5 и 6 представлены программы. соответствующие получению двух кривых напряжения частоты ы/1,5, изображенных на фиг.3 соответственно сплошной и пунктирной линиями. Обе программы даны в виде кольцевых диаграмм, чтобы наглядно показать их цикличность. Один такт счета программно †счетно устройства

47, равный Т/m=Т /12, соответствует одному делению кольцевой шкалы. Вся кольцевая шкала включает 4 i18=72 такта для обеих диаграмм — это полный цикл счета программно-счетного устройства 47, содержащий все возможные взаимные включения вентилей 1-24 анодной и катодной групп. Управляющие импульсы подаются в начале каждого такта и те вентили, номера которых обозначены на диаграмме. Начало отсчета тактов указано привязкой цикла к моменту mt=0 прохождения через нуль напряжения первой фазы генератора.

Для каждой выходной частоты программа содержит и очередность и периодичность подключения каждого тиристора. Например, из диаграммы фиг.5 видно, что программа частоты ю/1,5 с полным напряжением содержит следующую периодичность счета: для тиристоров 13, 16, 19, 22 — 24+22+26=72 тактов, для остальных тиристоров анодной группы — 24+48 тактов, для тиристоров переключателя полярности - 18 тактов, для четырех тиристоров катодной группы — 72 такта. От датчиков

31 и 30 угла на каждый оборот ротора поступает отсчетный импульс иг.=0, Если программно-счетное устройство

47 .отрабатывает заданную программу, например программу фиг.5, то с первым отсчетным импульсом начинается счет тактовых импульсов. После трех

9 147125 тактов пропускается импульс и 19-й, 4-й и 26-й каналы управления соответствующими вентилями, которые далее включаются с заданной периодичностью, после семи тактов включается 20-й ка5 нал управления тиристором 20 и т.д., а через 72 такта цикл повторяется.

На фиг.7 показаны кривые напряжения и токов с учетом индуктивности нагрузки для той же выходной частоты у /1,5. Принято сое (р= 0,7 (ц = Г/4) на синхронной частоте . На фиг.7 изображены друг под другом шесть кривых: напряжение на первичной 40 (или вторичной 43) обмотке трансформатора

34, ток первичной обмотки 40, ток тиристора 41, ток тиристора 42, ток диода 45, ток диода 46

Перед моментом u>t= 7

46, .а включенные перед этим тиристо ры 7, 16 и 42 автоматически выключаются (ток диода 46 для них встречный) ° Пока ток через диод 46 поддерживается энергией,накопленной в индуктивности нагрузки 44, включающей рассеяние трансформатора 39 (в рассматриваемом пр>мере интервал ut= И/4), 35 тиристоры выпрямителя 25 включаться не могут и линейное напряжение на трансформатор 39 не подается. И с момента ыс= н/2, когда линейное напряжение генератора становится больше 40

ЭДС самоиндукции и диод 46 перестает проводить, могут включиться тиристо. ры 4, 19, .41 с момента Q t=7il/4, когда-напряжение между фазами 4 и 1 изменяет знак, аналогичным образом ток 45 нагрузки переводится с тиристора 41 на обратный диод 45 так, что очередные тиристоры.1, 16 и 42 могут включиться также через интервал Т/4 и т.д. Непрерывный ток нагрузки (2-я кривая фиг.7) замыкается часть полупериода через тиристор (3-я или 4-я . кривая), а часть полупериода через обратный диод (остальные кривые), Следовательно, при индуктивной на- 55 грузке происходит задержка включения части вентилей, что должно быть учтено программой — задержкой такта включения очередного вентиля..

Предлагаемый генератор, по сравнению с известным улучшает массо-габаритные показатели, уменьшает индуктивное сопротивление и тем самым улучшает условия коммутации вентильного преобразователя.

Так как выходная частота генератора находится вблизи синхронной час1 тоты, синхронный генератор. может, быть выполнен на меньшую частоту при той же скорости вращения.

Управление частотой осуществляется при нулевых углах управления вентилями. Если для формирования кривых

I некоторых частот (выше синхронной) используются ненулевые углы управления, то только на вершинах кривых, поэтому дополнительная реактивная мощность, потребляемая выпрямителем, может быть или исключена, или сведена к ьжнимуму. Это позволяет также уменьшить установленную мощность син. хронного генератора.

Улучшенная форма кривой выходного напряжения позволяет полностью или в значительной степени отказаться от выходного фильтра, т.е. упростить силовую схему и улучшить КПД генератора. Устранение высокочастотных гармоник улучшает работу синхронного генератора.

Система управления упрощается, так как функционально выполняет более простые операции счета импульсов по программе и не должна формировать углы управления вентильными группами и согласовывать их работу. Кроме того, полностью дискретная система управления, не выполняющая аналоговых операций, имеет преимущество в точности и помехоустойчивости, более предпочтительна в системах с автономным генератором.

Формула изобретения

Генератор регулируемой частоты, содержащий ротор и статор с m-фазной обмоткой, подключенной к управляемому выпрямителю с анодной и катодной группами вентилей, соединенными с выходными клеммами, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей, упрощения генератора, он снабжен дискретным датчиком угла поворота и частоты вращения ротора с числом отсчетных элементов, в К раз кратным

12

1! l4 71258 удвоенному числу фаз якорной обмотки, блоком задания программ и программно-счетным устройством, выполненным со счетными каналами в виде электронных коммутаторов, число которых равно числу предусмотренных программ блока задания программ, число счетных элементов в каждом счетном канале выполнено равным наименьшему общему кратному чисел 2mK и 2mKM, где отношение периода выходной частоты напряжения к периоду синхронной частоты, входы счетных каналов соединены с выходами датчика угла поворота и частоты вращения и с блоком задания программы, а выходы счетных каналов

5 объединены в каналы управления вентилями, число которых равно числу управляемых вентилей, между анодной и катодной вентильными группами вы 0 прямителя включен дополнительно введенный вентильный переключатель полярности, соединенный с выходными кл е ммами .

1471258

1471258 О

Я- 2х

Фиг.

Составитель В.Трегубов

Техред Л.Сердюкова Корректор С.!61екмар

Редактор Г.Волкова

Заказ 1614/53 Тираж 645 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина,101