УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ АВТОНОМНОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
DEVICE FOR REGULATION AND STABILISATION OF STANDALONE MULTIFUNCTIONAL ASYNCHRONOUS GENERATOR VOLTAGE

Предлагаемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования и стабилизации напряжения автономных многофункциональных асинхронных генераторов, применяемых в полевых условиях в качестве источника тока на два уровня напряжения для газопоршневых электростанций, ВЭУ и мини ГЭС, а также для питания потребителей постоянного тока на два уровня напряжения.
С очевидным преимуществом (простота, бесконтактная конструкции, надежность, малая стоимость и т.д.) автономные асинхронные генераторы (ААГ) имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что без дополнительных устройств, стабилизирующих напряжение, ААГ имеют мягкую внешнюю характеристику. Поэтому для регулирования и стабилизации напряжения ААГ необходимы дополнительные устройства.
Известны устройства для регулирования и стабилизации напряжения ААГ, которые в общем случае содержат группу конденсаторов и регуляторы емкостной мощности, выполненные в виде различных регулируемых индуктивностей или электронных ключей.
Все эти устройства имеют существенный недостаток: большие массогабаритные показатели для регулируемых индуктивностей и наличие высших гармонических составляющих за счет нелинейных индуктивностей или коммутации электронных ключей.
Известно «Устройство для автоматического регулирования напряжения асинхронного генератора» см. патент RU №2145767, МПК H02P 9/46. Опубл. 20.02.00; Бюл. №5, содержащее батарею некоммутируемых конденсаторов, подключенную к фазам генератора, батарею коммутируемых конденсаторов и измерительный трансформатор, на выход которого включена схема широтно-импульсного управления, блок управления которой с одной стороны соединен с фазами генератора, а с другой стороны - с управляющими электродами симисторов и выходом измерительного трансформатора, и трехфазный ключ, например симисторный, зашунтированный группой пусковых конденсаторов.
Недостатком этого устройства является наличие высших гармонических составляющих, возникающих в момент фазоимпульсного регулирования напряжения за счет изменения емкости в батареи коммутируемых конденсаторов.
Известно «Устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного асинхронного генераторам см. пат. №2373630, МПК Н02Р 9/46, H02J 3/18; Заявл. 31.03.08; Опубл. 20.11.09; Бюл. №32, взятое авторами за прототип, содержащее батарею некоммутируемых конденсаторов, подключенную к обмоткам статора, батарею коммутируемых конденсаторов, трехфазный электронный ключ, выпрямитель обратной связи, компаратор, источник опорного напряжения, соединенные определенным образом.
Недостатком этого устройства и источника является ограниченные функциональные возможности в плане подключения токоприемников с различным уровнем питающего напряжения. Внешняя характеристика обладает большим астатизмом, т.к. регулирование напряжения происходит за счет изменения емкости в батареи коммутируемых конденсаторов при определенном снижении выходного напряжения.
Техническим решением предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка и повышение стабильности выходного напряжения.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для регулирования и стабилизации напряжения многофункционального автономного асинхронного генератора, содержащее батарею некоммутируемых конденсаторов, подключенную к обмоткам статора, батарею коммутируемых конденсаторов, трехфазный электронный ключ, выпрямитель обратной связи, компаратор, источник опорного напряжения, генератор содержит низковольтную обмотку статора, которая с одной стороны соединена в «звезду» с выводом нулевой точки, а с другой стороны имеет первые выходные выводы для низковольтной нагрузки, к которым присоединен дополнительный силовой выпрямитель с выводами постоянного тока «плюс» и «минус» и высоковольтная обмотка, к фазам которой подключены батарея некоммутируемых конденсаторов, вторые выходные выводы для высоковольтной нагрузки, а трехфазный электронный ключ выполнен в виде оптоэлектронного трехфазного реле переменного тока с контролем фазы коммутируемого напряжения через «ноль», соединенный выходами с батарей коммутируемых конденсаторов, а оптронным входом с выходом компаратора, имеющего источник опорного напряжения с последовательно включенными двумя дополнительными сопротивлениями, к общей точке этих сопротивлений соединен прямой вход компаратора, а инверсный его вход соединен через дополнительный потенциометр с выходными выводами выпрямителя обратной связи, соединенного входом со вторыми выходными выводами для высоковольтной нагрузки.
Новизна заявляемого технического решения достигается за счет того, что генератор устройства содержит низковольтную обмотку статора, которая с одной стороны соединена в «звезду» с выводом нулевой точки, а с другой стороны имеет первые выходные выводы для низковольтной нагрузки, к которым присоединен дополнительный силовой выпрямитель с выводами постоянного тока «плюс» и «минус» и высоковольтная обмотка, к фазам которой подключены батарея некоммутируемых конденсаторов, вторые выходные выводы для высоковольтной нагрузки, а трехфазный электронный ключ выполнен в виде оптоэлектронного трехфазного реле переменного тока с контролем фазы коммутируемого напряжения через «ноль», соединенный выходами с батарей коммутируемых конденсаторов, а оптронным входом с выходом компаратора, имеющего источник опорного напряжения с последовательно включенными двумя дополнительными сопротивлениями, к общей точке этих сопротивлений соединен прямой вход компаратора, а инверсный его вход соединен через дополнительный потенциометр с выходными выводами выпрямителя обратной связи, соединенного входом со вторыми выходными выводами для высоковольтной нагрузки.
По данным научно-технической и патентной литературы, авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, поскольку оно работоспособно, и предлагается его использование в промышленности.
Сущность изобретения поясняется рисунком на фиг.1, где изображена схема электрическая устройства для регулирования и стабилизации напряжения автономного многофункционального асинхронного генератора.
Устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного многофункционального асинхронного генератора (АМАГ) содержит ротор 1 генератора и статор с низковольтной обмоткой 2 и последовательно соединенной с ней высоковольтной обмоткой 3, низковольтная обмотка 2 соединена в «звезду» с выводом нулевой точки 4 и имеет первые выводы 5 для низковольтной нагрузки, и силовой выпрямитель 6 с выводами постоянного тока «плюс» 7 и выводом «минус» 8, к фазам высоковольтной обмотки 3 подключены: батарея некоммутируемых конденсаторов 9, вторые выходные выводы 10 для высоковольтной нагрузки, трехфазный электронный ключ 11, соединенный выходами с батарей коммутируемых конденсаторов 12, а оптронным входом 13 с выходом 14 компаратора 15, имеющего источник опорного напряжения 16 с последовательно включенными сопротивлениями 17 и 18, к общей их точке соединен прямой вход 19 компаратора 15, а его инверсный вход 20 соединен через потенциометр 21 с выводами 22 и 23 выпрямителя обратной связи 24, соединенного входом с вторыми выходными выводами для высоковольтной нагрузки.
В качестве трехфазного ключа 11 применяется трехфазное электронное реле переменного тока с контролем фазы коммутируемого напряжения через «ноль», например 5П36.30ТМ1 или аналогичные (см. http://www.protonimpyls.ru).
Компаратор 15 имеет обратную связь для создания и регулирования величины петли гистерезиса.
Автономный многофункциональный асинхронный генератор имеет стандартный короткозамкнутый ротор 1 и специальную обмотку статора, состоящую из дополнительной низковольтной обмотки 2, которая выполняется проводом большого сечения. Высоковольтная обмотка 3 может проектироваться на любое стандартное напряжение 400/230 В, 230/130 В.
При работе генератора определенный интерес представляют соотношения между переменными и постоянными величинами низковольтной обмотки 2.
d
Например, при соотношении напряжений на первых выходных выводах 5 для низковольтной нагрузки «Н», равном 42/24,3 В, напряжение на выходе силового выпрямителя 6 имеет следующие величины: при работе на постоянном токе с выводом нулевой точки 4 и любой полярностью (выход 7 или 8) работают три диода попеременно на 1/3 периода. Переход тока с диода на диод (коммутация) происходит в моменты времени, соответствующие точкам пересечения синусоид фазных напряжений. Отсюда следует, что действующее значение выпрямленного напряжения схемы U может быть получено как огибающая синусоид фазных напряжений.
,
ф
где U - фазное напряжение генератора, равное 24,3 В.
Тогда ,
Такое напряжение приемлемо для питания бортовых приборов некоторых автомобилей, самолетов, зарядки аккумуляторных батарей.
При работе на постоянном токе с трехфазной мостовой схемой выпрямления (нагрузка подключается к выводам 7 и 8) соотношения параметров напряжения изменяются.
Среднее значение выпрямленного напряжения определяется:
.
Тогда
Такое напряжение приемлемо, например, для питания сварочной дуги.
Таким образом, при выборе нагрузки на постоянном токе необходимо учитывать схему подключения нагрузки к выводам 4-7, 4-8 или 7-8.
Устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного многофункционального асинхронного генератора работает следующим образом. При достижении заданной частоты вращения ротора приводным двигателем М, АМАГ самовозбуждается от батареи некоммутируемых конденсаторов 9. Емкость этих конденсаторов выбраны таким образом, чтобы на холостом ходу работы АМАГ имел максимально допустимое напряжение, например 400/231 В. Это напряжение через выпрямитель обратной связи 24 выпрямляется и через потенциометр 21 поступает на инверсный вход 20 компаратора 15. Потенциометр 21 настроен таким образом, что при заданном напряжении холостого хода, равном 400/231 В, компаратор переходит в нулевое и через оптроны 13 ток не протекает, трехфазный электронный ключ 11 закрыт и батарея коммутируемых конденсаторов 12 не оказывает влияния на режим АМАГ.
При подключении нагрузки ко вторым выходным выводам 10 для высоковольтной нагрузки «В» или аналогично подключается низковольтная нагрузка «Н» или нагрузка постоянного тока, напряжение на выходе выпрямителя обратной связи 24 снижается и уменьшается сигнал на потенциометре 21 и компаратор 15 переключается в единичное состояние, по светодиодам 13 протекает ток, трехфазный электронный ключ 11 срабатывает и подключается батарея коммутируемых конденсаторов 12 к обмотке статора 3. Происходит компенсация реактивной составляющей нагрузки, амплитуда напряжения растет и при определенном ее значении компаратор 15 переключится в нулевое состояние, и трехфазный электронный ключ 11 отключит батарею коммутируемых конденсаторов 12. Напряжение будет снижаться, компаратор отреагирует на это снижение и периодически будет подключать, и отключать трехфазный электронный ключ 11 и соответственно батарею коммутируемых конденсаторов 12.
Изменяя величину гистерезиса компаратора, можно установить значение среднего напряжения на выходе генератора, которое будет поддерживаться автоматически. За счет инерционности магнитной системы генератора переключение конденсаторов будет зависеть от величины нагрузки на любом из подключенных выходов. Таким образом, происходит стабилизация напряжения при изменении нагрузки.
Использование данного устройства для автоматического регулирования и стабилизации напряжения автономного многофункционального асинхронного генератора позволяет в автономном источнике питания получить следующие положительные свойства.
1. Трехфазный электронный ключ 11 периодически подключается при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют гармонические составляющие тока и напряжения, а также коммутационные перенапряжения и помехи.
2. Изменяя положение ползунка потенциометра 21, изменяют момент переключения компаратора 15 и тем самым выходное напряжение АМАГ.
3. Различные выходные напряжения расширяют функциональные возможности генератора и источника питания с таким генератором.