СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ АСИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ
METHOD FOR CONTROLLING AUTONOMOUS ASYNCHRONOUS GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электроснабжения автономных объектов, требующих регулирования частоты и амплитуды питающего трехфазного напряжения по заданному закону.
Известен способ управления автономным асинхронным генератором с вентильным преобразователем в цепи ротора, заключающийся в воздействии сигналом по отклонению выходного напряжения генератора на вентильный преобразователь и поддержании постоянной частоты выходного напряжения при переменной скорости вращения ротора, в соответствии с которым частоту коммутации вентилей преобразователя задают по рассогласованию частот выходного напряжения и опорного генератора, формирующего постоянную частоту, причем частота коммутации вентилей преобразователя превышает частоту сети на величину, пропорциональную скорости вращения ротора [1].
Недостатком этого способа является невысокое качество выходного напряжения генератора при быстром изменении скорости вращения вала генератора из-за малого быстродействия и малой точности контура регулирования частоты. При изменении частоты вращения вала генератора изменяется задание на частоту напряжения ротора, однако из-за отсутствия датчика частоты вращения ротора, точность задания частоты напряжения ротора невысокая, кроме того, измерение выходной частоты генератора может быть выполнено с запаздыванием на часть периода выходного напряжения, что также снижает точность поддержания требуемой частоты выходного напряжения генератора. ШИМ-инвертор напряжения питает обмотку ротора прямоугольными импульсами напряжения, это приводит к повышенному уровню высших гармоник в выходном напряжении генератора.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления автономным асинхронным двигателем, работающем в генераторном режиме, заключающийся в воздействии сигналом по отклонению выходного напряжения генератора на вентильный преобразователь в цепи ротора и поддержании постоянной частоты выходного напряжения при переменной скорости вращения ротора, причем частота напряжения на выходе преобразователя превышает частоту выходного напряжения генератора на величину, пропорциональную скорости вращения ротора, сигнал отклонения выходного напряжения генератора подают на пропорционально-интегральный регулятор, сигнал на выходе которого ограничивают при достижении предельно допустимого уровня, и формируют сигнал задания амплитуды синусоидального напряжения на выходе вентильного преобразователя, задают желаемую частоту вращения магнитного поля статора генератора, измеряют частоту вращения ротора генератора и вычисляют сумму этих частот, пропорционально которой формируют сигнал задания частоты синусоидального напряжения на выходе вентильного преобразователя, на основе сформированных сигналов задания амплитуды и частоты, формируют сигналы задания мгновенных значений синусоидальных трехфазных напряжений на выходе вентильного преобразователя, смещенных относительно друг друга на угол 2/3, подают эти синусоидальные сигналы на первые входы трех фазных релейно-гистерезисных регуляторов напряжения, измеряют сигналы мгновенных значений фазных напряжений на выходе вентильного преобразователя, подают эти сигналы на вторые входы релейно-гистерезисных регуляторов напряжения, в каждом релейно-гистерезисном регуляторе определяют отклонение между заданными и измеренными сигналами фазных напряжений, сравнивают отклонение с пороговым уровнем, при превышении которого, подают на управляющие входы соответствующих фаз вентильного преобразователя сигналы управления, коммутируют ключевые элементы вентильного преобразователя и добиваются снижения отклонения между заданными и измеренными сигналами фазных напряжений на выходе вентильного преобразователя до значения, меньше чем пороговый уровень. [2].
Недостатком этого способа является невозможность регулирования частоты и амплитуды выходного трехфазного напряжения по заданному закону.
Целью изобретения является обеспечение регулирования частоты и амплитуды выходного трехфазного напряжения по заданному закону.
В предлагаемом способе управления автономным асинхронным генератором с вентильным преобразователем частоты в цепи ротора, заключающимся в воздействии сигналом по отклонению выходного напряжения генератора на преобразователь частоты, содержащий регулируемый выпрямитель и инвертор, при котором формируют сигнал задания амплитуды синусоидального напряжения на выходе преобразователя частоты в функции сигнала отклонения измеренного значения от заданного значения амплитуды выходного напряжения генератора, формируют сигнал задания частоты синусоидального напряжения на выходе преобразователя частоты, на основе сформированных сигналов задания амплитуды и частоты, формируют сигналы задания мгновенных значений синусоидальных трехфазных напряжений на выходе вентильного преобразователя, смещенных относительно друг друга на угол 2/3, подают эти синусоидальные сигналы на первые входы трех фазных релейно-гистерезисных регуляторов напряжения, измеряют сигналы мгновенных значений фазных напряжений на выходе преобразователя частоты, подают эти сигналы на вторые входы релейно-гистерезисных регуляторов напряжения, в каждом релейно-гистерезисном регуляторе определяют отклонение между заданными и измеренными сигналами фазных напряжений, сравнивают отклонение с пороговым уровнем, при превышении которого, подают на управляющие входы соответствующих фаз преобразователя частоты сигналы управления, коммутируют ключевые элементы преобразователя частоты и добиваются снижения отклонения между заданными и измеренными сигналами фазных напряжений на выходе преобразователя частоты до значения, не превышающего пороговый уровень, ротор генератора вращают с неизменной заданной угловой скоростью, непрерывно задают значения желаемой частоты и амплитуды напряжения статора, формируют желаемую частоту напряжения питания ротора, равную разности между заданной угловой скоростью ротора, умноженной на коэффициент, равный числе пар полюсов генератора, и заданной желаемой частотой напряжения статора, рассчитывают желаемое напряжение на входе инвертора, измеряют напряжение на входе инвертора, определяют разность между этими значениями и формируют сигнал управления регулируемым выпрямителем преобразователя частоты.
В предлагаемом способе управления автономным асинхронным генератором обеспечено регулирование частоты и амплитуды напряжения на выходе генератора.
На фиг.1 приведена функциональная схема управления автономным асинхронным генератором.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит автономный асинхронный генератор с фазным ротором 1, соединенный с источником механической энергии вращения 2, имеющим постоянную скорость вращения. В цепь фазного ротора автономного асинхронного генератора 1 включен регулируемый преобразователь 3, содержащий последовательно соединенные по цепи постоянного тока автономный инвертор тока 4, регулируемый выпрямитель 5, сглаживающий реактор 6. Регулируемый выпрямитель 5 регулирует напряжение на входе инвертора 4. К силовому выходу инвертора 4 параллельно с обмоткой ротора подключены конденсаторы 7. Силовой вход регулируемого выпрямителя 5 подключен к выходной цепи автономного асинхронного генератора. Для начального запуска автономного асинхронного генератора параллельно выпрямителю включена аккумуляторная батарея 8. Управление напряжением на выходе автономного инвертора тока 4 осуществляется с помощью с релейно-гистерезисных регуляторов фазных напряжений 9, имеющих внутренние узлы сравнения входных сигналов. Первые входы релейно-гистерезисных регуляторов фазных напряжений 9 соединены с фазными выходами формирователя 10, вырабатывающего сигналы задания мгновенных значений напряжения на выходе инвертора, вторые входы релейно-гистерезисных регуляторов фазных напряжений 9 соединены с фазными выходами инвертора 4. Амплитудный вход формирователя 10 соединен с выходом блока ограничения 11, вход которого соединен с выходом пропорционально-интегрального регулятора напряжения 12, а его вход соединен с выходом узла сравнения 13. Положительный вход узла сравнения 13 соединен с выходом блока задания выходного напряжения генератора 14, отрицательный вход узла сравнения 13 соединен с выходом определителя амплитуды 15 выходного напряжения генератора 1, выход определителя амплитуды выходного напряжения 15 соединен с выводами 16 обмоток статора генератора 1. Первый выход блока задания постоянной угловой скорости вращения ротора 17 соединен с входом источника механической энергии вращения 2, а второй выход блока задания постоянной угловой скорости вращения ротора 17 соединен с входом пропорционального блока 18, выход которого соединен с положительным входом блока сравнения 20, отрицательный вход которого соединен с выходом блока задания частоты выходного напряжения статора 19, а выход блока сравнения 20 соединен с частотным входом формирователя 10. Выход блока ограничения 11 соединен также с выходом блока задания входного напряжения инвертора 21, выход которого соединен с первым положительным входом сумматора 22, выход которого подключен к регулятору напряжения 23, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого выпрямителя 5. К отрицательному входу сумматора 22, подключен выход датчика напряжения 24, входы которого подключены к входам инвертора 4.
Управление автономным асинхронным генератором осуществляется следующим образом. Ротор генератора вращается источником механической мощности с постоянной скоростью. При первоначальном запуске автономный инвертор тока преобразует постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в трехфазное напряжение, подаваемое в ротор автономного асинхронного генератора. Под действием этого напряжения формируется вращающееся электромагнитное поле в воздушном зазоре автономного асинхронного генератора. В результате этого наводится ЭДС в обмотке статора. При появлении выходного напряжения автономного асинхронного генератора 1 появляется напряжение на выходе регулируемого выпрямителя 5, который теперь обеспечивает питание автономного инвертора 4 и подзарядку аккумуляторной батареи 8. Регулируемый выпрямитель 5, обеспечивает заданное значение входного тока инвертора 4. Для поддержания достаточного значения тока в выпрямленной цепи в регулируемом выпрямителе 5 может быть выполнен внутренний замкнутый контур регулирования тока. Пульсации тока в выпрямленной цепи сглаживаются реактором 6.
Порядок чередование фаз в роторе выбран таким образом, что электромагнитное поле в воздушном зазоре вращается в ту же сторону, что и ротор.
Частоту напряжения на выходе инвертора 4 формируют в соответствии с формулой
, (1)
где - задаваемая частота напряжения статора.
Сигнал с выхода блока задания желаемой частоты напряжения статора 17 умножают в пропорциональном блоке 18 на коэффициент, равный числу пар полюсов генератора и поучают сигнал , из полученного результата вычитают заданное значение желаемой частоты напряжения статора , получаемое из блока 19, и определяют желаемую частоту тока ротора. На входы блока 10 подают с блока сравнения 20 сигнала задания частоты и с блока 11 сигнал задания амплитуды напряжения ротора и формируют в блоке 10 синусоидальные сигналы задания на фазные напряжения ротора. Требуемое трехфазное напряжение ротора получают на выходе инвертора 4. Любое изменение сигнала задания частоты на выходе генератора, поступающее из блока 19, сопровождается изменением частоты напряжения на выходе инвертора 4, в соответствии с формулой (1), в результате частота напряжения на выходе генератора регулируется по заданному закону.
2a
2b
2с
2а
2в
2c
Блок 14 вырабатывает задание на амплитуду выходного напряжения генератора 1, которое сравнивается в блоке сравнения 13 с измеренным датчиками 16, и рассчитанным в блоке 15 значением амплитуды выходного напряжения генератора 1. Сигнал отклонения преобразуется ПИ-регулятором 12 в сигнал задания на амплитуду выходного напряжения инвертора и поступает через блок ограничения 11 на амплитудный вход формирователя 10, который формирует сигнал задания на синусоидальные фазные напряжения на выходе инвертора 3, сдвинутые относительно друг друга на угол 2/3. Эти сигналы задания мгновенных значений фазных напряжений u*, u*, u* поступают на первые входы релейно-гистерезисных регуляторов напряжения 9 в виде синусоидального сигнала требуемой амплитуды U* и частоты *, на вторые входы регуляторов 9 поступают мгновенные значения фазных напряжений u, u, u, измеряемые на выходе инвертора 4. В фазных регуляторах 9 на выходах элементов сравнения получаем разницу между заданным и действительным значениями напряжения в фазах:
(2)
затем полученные сигналы поступают на входы блоков гистерезиса, работающих по следующему алгоритму:
(3)
где  - модуль гистерезиса, задаваемый из условия точности поддержания напряжения.
Формируемые фазные напряжения на выходе инвертора 3 имеют два граничных значения - верхнее и нижнее, отличающиеся от заданной синусоиды напряжения на величину , в пределах которых в любой момент времени должно находиться напряжение на выходе инвертора 4. Если отклонение между заданным и измеренным сигналами превышает пороговый уровень, релейно-гистерезисных регулятор вырабатывает сигнал, поступающий в инвертор, и осуществляются коммутация соответствующих ключей инвертора, в результате чего происходит уменьшение рассогласования и напряжение на выходе инвертора входит в допустимую зону отклонения. При нарушении верхней границы напряжения переключается ключ в соответствующем плече автономного инвертора 4, и формируется отрицательный импульс тока, который разряжает соответствующий фазный конденсатор 7, понижая напряжение на нем. В случае нарушения нижней границы напряжения переключается ключ в другом плече автономного инвертора 4, и формируется положительный импульс тока, который заряжает соответствующий фазный конденсатор 7, повышая напряжение на нем.
В блоке 21 задания напряжения на входе инвертора 4, на вход которого с блока ограничения 11 поступает сигнал задания амплитуды напряжения ротора, определяют желаемое напряжение на входе инвертора 4. Этот сигнал подают на положительный вход блока сравнения 22, на отрицательный вход которого подают сигнал с датчика 24 входного напряжения инвертора 4. Сигнал с блока сравнения 22 поступает на регулятор напряжения 23, который вырабатывает сигналы управления ключевыми элементами регулируемого выпрямителя 5.
Автономный инвертор 4, выполненный с внутренним контуром регулирования мгновенных значений фазных напряжений, управляется фазными релейно-гистерезисными регуляторами напряжения 9, которые осуществляют переключения ключей инвертора в момент достижения порогового уровня отклонением между заданным и измеренным мгновенными значениями напряжения ротора. В устройстве, реализующем предложенный способ управления автономным асинхронным генератором, достигается близкая к синусоиде форма напряжения и тока в обмотке ротора, что обеспечивает высокое качество напряжения на выходе автономного асинхронного генератора с минимальным уровнем гармоник.
Изменения сигналов задания частоты и амплитуды выходного напряжения генератора воздействуют на автономный инвертор 4, изменение сигнала задания амплитуды также воздействует на регулируемый выпрямитель 5, и заданный закон регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения генератора поддерживается за счет изменения частоты и напряжения на выходе автономного инвертора 4.
Список литературы:
1. Патент РФ № 2213409. Способ управления автономным асинхронным генератором. МКП. Н02Р 9/00, 9/48. Опубл. 27.09.2003. Бюл. №27.
2. Патент РФ № 2539347. Способ управления автономным асинхронным двигателем. МКП Н02Р 9/44, 9/48. Опубл 20.01.2015. Бюл. №2.