СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ СТАБИЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТОЙ

Полезная модель относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использована при построении систем генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты и постоянной величины напряжения, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии (СПЭЭ). Первичными источниками с нестабильными параметрами напряжения служит синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и переменной частотой вращения вала. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на статический преобразователь, подключенный параллельно выходным выводам синхронного генератора, и выходной силовой низкочастотный фильтр.
сг
сг
Для указанного применения систем генерирования важным показателем является масса всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Масса системы генерирования системы со статическим преобразователем электрической энергии в значительной степени определяется величиной коэффициента мощности синхронного генератора (χ) и величиной тока статического преобразователя, поэтому возникает задача повышения величины χ и снижения величины тока статического преобразователя.
Известна система генерирования стабильного напряжения переменного тока с изменяющейся частотой, которая содержит бесконтактный генератор с комбинированным возбуждением и статический преобразователь для регулирования тока возбуждения [Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Т.1, под ред. С.А.Грузкова. - М.: Издательство МЭИ, 2005 г. с.180-184]. Повышенные массогабаритные показатели электромеханического преобразователя и высокая трудоемкость изготовления ограничивают применение таких систем.
Кроме того, известна система генерирования стабильного напряжения переменного тока с изменяющейся частотой [Патент РФ на полезную модель №81609 от 05.12.2008. Опубликован 20.03.2009, Бюл. №8], которая является прототипом, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов с трехфазной обмоткой на статоре, соединенной по схеме звезда, источник реактивного тока, фильтр, к входам которого присоединены выходные выводы генератора, выходные выводы источника реактивного тока присоединены параллельно выходам генератора.
Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет источника реактивного тока (представляющий собой статический преобразователь электрической энергии), величина и фаза которого относительно выходного напряжения генератора изменяются в функции частоты вращения вала генератора и величины нагрузки. Функциональная схема такой системы приведена на фиг.1
р
н
н
нmax
нном
нном
Данная система обладает недостатком. В зависимости от алгоритма управления и способа выбора параметров ток реактивного источника (I) может более чем в два раза превышать ток нагрузки (I), а коэффициент мощности генератора может быть значительно меньше единицы. Это наглядно иллюстрируется результатами математического моделирования системы, отраженными на графиках (фиг.2), которые получены для системы генерирования с cosφ=1, максимальным током равным I=1.5 I и построены для режима с максимальной частотой выходного напряжения, здесь I - номинальный ток системы генерирования. Большое значение тока источника реактивного тока приводит к значительному уменьшению коэффициента мощности синхронного генератора. Все это увеличивает его массу и габариты системы генерирования.
Задача полезной модели - снижение массы синхронного генератора за счет повышения его коэффициента мощности и снижения величины тока статического преобразователя электрической энергии.
Поставленная задача достигается тем, что в известной системе генерирования стабильного напряжения переменного тока с изменяющейся частотой, содержащей синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов с трехфазной обмоткой на статоре, соединенной по схеме звезда, трехфазный источник реактивного тока, трехфазный фильтр, в каждую выходную фазу введены две индуктивно связанные катушки, два разноименных вывода которых соединены между собой и соединены с входным выводом соответствующей фазы фильтра, выходной вывод которого предназначен для подключения потребителя стабильного напряжения переменной частоты, один из двух свободных выводов индуктивно связанных катушек соединен с выходным выводом соответствующей фазы синхронного генератора, а второй из двух свободных выводов индуктивно связанных катушек соединен с выходным выводом соответствующей фазы источника реактивного тока.
Схема предлагаемой системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока приведена на фиг.3.
Система генерирования включает синхронный генератор (1) с возбуждением от постоянных магнитов и трехфазной системой обмоток на статоре, соединенной по схеме звезда, с выходными выводами: a, b, c; трехфазный источник реактивного тока (2); трехфазный фильтр (3); шесть катушек, попарно индуктивно связанных (4, 5, 6, 7, 8, 9).
Выходные выводы генератора (a, b, c) соединены с тремя соответствующими входными вводами катушек (4, 6, 8), которые попарно индуктивно связаны соответственно с катушками (5, 7, 9) и их выходные выводы соединены с разноименными в индукционном [Основы теории цепей: Учебник для вузов / Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. - 5-е изд., перераб. - М-: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.: ил.] смысле входными вводами катушек (5, 7, 9), а также с входными вводами трехфазного фильтра (3). Выходные выводы катушек (5, 7, 9) соединены с выводами трехфазного источника реактивного тока (2). Выходные выводы трехфазного фильтра (3) подключены к трехфазному потребителю стабильного напряжения переменной частоты.
d
q
сг
d
q
0
Предлагаемая система функционирует следующим образом. Для пояснения работы воспользуемся упрощенной схемой замещения одной фазы системы генерирования (фиг.4), полагая, что токи и напряжения в схеме не содержат высших гармоник, фильтр (3) не оказывает существенного влияния на процессы в системе, в синхронном генераторе магнитные проводимости по продольной и поперечной осям отличаются незначительно. На фиг.3: L≈L=L, где L и L - индуктивности синхронного генератора по продольной и поперечной осям соответственно; E - ЭДС холостого хода синхронного генератора.
р
н
р
н
Процесс стабилизации напряжения наглядно иллюстрируется с помощью векторных диаграмм фиг.5а, б, которые построены для схемы фиг.4 с использованием символического метода. На фиг.5а показан режим, когда ток источника реактивного тока (i) отстает по фазе на угол  от напряжения u, это имеет место при необходимости уменьшить напряжение на нагрузке. На фиг.56 показан режим, когда ток источника реактивного тока (i) опережает по фазе на угол  от напряжения u, это имеет место при необходимости увеличить напряжение на нагрузке.
1
н
нmax
нном
сг
сг
сг
Последовательное включение с выходом синхронного генератора индукционно связанных катушек, как это показано на фиг.3, приводит к увеличению эквивалентного выходного сопротивления в сечении по входным вводам фильтра (3) за счет индуктивности L катушки (4), кроме этого, последовательно с выходным напряжением генератора включается трансформаторная ЭДС величина, которой зависит от соотношения , два этих фактора приводят к снижению величины тока источника реактивного тока, необходимого для стабилизации напряжения у потребителя. Это также приводит к существенному повышению величины коэффициента мощности синхронного генератора. На фиг.6 приведены результаты математического моделирования, которые получены для системы генерирования с cosφ=1, максимальным током равным I=1.5 I, графики построены для режима с максимальной частотой выходного напряжения. Сравнение графиков на фиг.2 и фиг.4 показывает, что введение индуктивно связанных катушек позволяет значительно уменьшить величину тока источника реактивного тока (статического преобразователя электрической энергии) и увеличить значение коэффициента мощности синхронного генератора (χ). Учитывая, что источник реактивного тока, как правило, реализуется на базе транзисторных схем инверторов напряжения или тока, то их масса и габариты при постоянной величине напряжения практически пропорциональны величине тока. Масса и габариты синхронного генератора пропорциональны полной мощности (S), потребляемой от генератора, учитывая что , то при заданной активной мощности потребителя, приходим к выводу существенного уменьшения массы и габаритов генератора с повышением величины χ.
Таким образом, предложенная система генерирования стабильного напряжения переменного тока с изменяющейся частотой, имеет меньшую массу синхронного генератора за счет повышения коэффициента мощности синхронного генератора и уменьшения величины тока статического преобразователя электрической энергии.