СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ АСИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ
METHOD FOR CONTROL OF AUTONOMOUS ASYNCHRONOUS GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электроснабжения автономных объектов, требующих стабильную сеть переменного тока при переменной скорости вращения вала генератора.
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 генератором с вентильным преобразователем в цепи ротора, заключающийся в воздействии сигналом по отклонению выходного напряжения генератора на инвертор 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 ПИ-регулятор с блоком ограничения, формируют сигнал задания амплитуды синусоидального напряжения, задают желаемую частоту вращения магнитного поля статора генератора, измеряют частоту вращения ротора генератора и вычисляют сумму этих частот, пропорционально которой формируют сигнал задания частоты напряжения на выходе инвертора, формируют сигналы задания мгновенных значений трехфазных напряжений на выходе инвертора, смещенных относительно друг друга на угол 2π/3, подают эти синусоидальные сигналы на первые входы трехфазных релейно-гистерезисных регуляторов напряжения, измеряют сигналы мгновенных значений фазных напряжений на инвертора, 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 инвертора сигналы управления, коммутируют ключевые элементы инвертора и добиваются снижения отклонения между заданными и измеренными сигналами фазных напряжений на выходе инвертора до значения, меньшего чем пороговый уровень [2].
Недостатком этого способа является низкий коэффициент полезного действия установки при пониженной электрической нагрузке на выходе генератора из-за снижения в этом режиме энергетических показателей источника механической мощности.
Целью изобретения является повышение коэффициента мощности установки.
В предлагаемом способе управления автономным асинхронным генератором с вентильным преобразователем в цепи ротора, содержащим выпрямитель и инвертор, соединенные через сглаживающий реактор, заключающемся в воздействии на вентильный преобразователь при отклонении от заданного значения выходного напряжения генератора и поддержании постоянной частоты выходного напряжения при переменной скорости вращения ротора, причем частота напряжения на выходе преобразователя отличается от частоты выходного напряжения генератора на величину, пропорциональную скорости вращения ротора, в функции сигнала отклонения выходного напряжения генератора формируют сигнал задания мгновенных значений трех фазных выходных напряжений инвертора, задают желаемую частоту вращения магнитного поля статора генератора, измеряют частоту вращения ротора генератора, на основе сформированных сигналов задания амплитуды и частоты, формируют сигналы задания мгновенных значений фазных выходных напряжений инвертора, смещенные относительно друг друга на угол 2π/3, подают эти синусоидальные сигналы на первые входы трех фазных релейно-гистерезисных регуляторов напряжений, измеряют сигналы мгновенных фазных значений выходных напряжений инвертора, подают эти сигналы на вторые входы фазных релейно-гистерезисных регуляторов, в каждом релейно-гистерезисном регуляторе определяют отклонение между заданными и измеренными сигналами фазных выходных напряжений инвертора, 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 трехфазных выходных напряжений инвертора до значения, меньшего, чем пороговый уровень, вычисляют разность частот вращения магнитного поля статора и частоты вращения ротора генератора, пропорционально которой формируют сигнал задания частоты синусоидального напряжения на выходе вентильного преобразователя, регулируют напряжение на выходе выпрямителя, для чего определяют действующее значение напряжения на выходе инвертора, и в функции этого напряжения формируют сигнал управления выпрямителем, после появления напряжения на выходе выпрямителя отключают аккумуляторную батарею, измеряют ток на выходе генератора и измеренный сигнал подают на вход регулятора скорости вращения генератора, уменьшают скорость вращения вала генератора при снижении выходного тока генератора, максимально допустимую угловую частоту вращения генератора ограничивают на уровне 90% от желаемой скорости вращения поля статора.
В предлагаемом способе управления автономным асинхронным генератором повышен коэффициент полезного действия установки, вырабатывающей электроэнергию.
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 переменную 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. К силовому входу инвертора 4 параллельно с обмоткой ротора подключены конденсаторы 7. Для начального запуска автономного асинхронного генератора параллельно выпрямителю включена аккумуляторная батарея 8, которую отключают после запуска установки. 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 датчика 15 выходного напряжения генератора 1. Частотный вход формирователя 10 соединен с выходом сумматора 16, первый вход которого соединен с выходом блока задания выходной частоты 17, второй вход сумматора 16 соединен с выходом пропорционального блока 18, вход которого соединен с выходом датчика 19 частоты вращения ротора, установленного на одном валу с генератором 1 и источником механической энергии 2. Три фазных выхода инвертора 4 соединены с входом блока 20 определения действующего значения напряжения на выходе инвертора 4. Выход блока 20 соединен с входом блока управления 21, выход которого соединен с входом регулируемого выпрямителя 5. На выходе генератора 1 установлен датчик тока 23, выход которого соединен с входом регулятора скорости 22, выход которого соединен с источником механической энергии вращения 2. Аккумуляторная батарея 8 включена параллельно выпрямителю 5 через контакт 24.
Управление автономным асинхронным генератором осуществляется следующим образом. При пуске контакт 24 замкнут, аккумуляторная батарея питает инвертор 4. Порядок чередование фаз в роторе генератора выбран таким образом, что электромагнитное поле, создаваемое током ротора, вращается в ту же сторону, что и ротор.
Частоту напряжения на выходе инвертора 4 формируют в соответствии с формулой
1
p
n
где ω* - задаваемая частота напряжения статора; ω - частота вращения ротора; p - число пар полюсов генератора.
Ограничитель частоты вращения, входящий в состав источника механической энергии, обеспечивает выполнение условия
при этом частота вращения ротора должна быть меньше частоты вращения магнитного поля в воздушном зазоре генератора
p
p
p
n
p
n
1
Ротор генератора вращается источником механической мощности 2 с угловой частотой вращения ω, причем максимально допустимую угловую частоту вращения источника механической мощности 2, и соответственно ротора, ограничивают величиной, при которой ω, умноженное на число пар полюсов генератора (ω ⋅ p), не превышает 90% желаемой круговой частоты напряжения на выходе генератора 1 (ω ⋅ p ≤ 0,9ω*).
p
n
1
2
1
2
1
Если ω ⋅ p = 0,9ω*, то круговая частота ЭДС и тока ротора составляет ω = 0,1ω*. При реализации значений круговой частоты напряжения ротора ω≥0,1ω* обеспечивается формирование вентильным преобразователем синусоидального вида трехфазных токов, ротора требуемого качества, а также обеспечивается требуемое быстродействие при регулировании частоты тока ротора. При указанных соотношениях частота ЭДС и тока ротора всегда меньше частоты напряжения статора генератора. Чем меньше частота тока ротора, тем меньше индуктивное сопротивление обмотки ротора, что позволяет снизить требуемое выходное напряжение инвертора и использовать вентильный преобразователь меньшей мощности.
При первоначальном запуске автономный инвертор тока 4 преобразует постоянное напряжение от аккумуляторной батареи 8 в трехфазное напряжение, подаваемое в ротор автономного асинхронного генератора 1. Конденсаторы 7 обеспечивают фильтрацию выходного напряжения инвертора. Под действием этого напряжения протекает ток ротора и формируется вращающееся электромагнитное поле в воздушном зазоре автономного асинхронного генератора 1. Направление вращения электромагнитного поля, создаваемого током ротора, совпадает с направлением вращения ротора. В результате этого наводится ЭДС в обмотке статора. При появлении выходного напряжения автономного асинхронного генератора 1 появляется напряжение на входе регулируемого выпрямителя 5, который теперь вырабатывает выпрямленное напряжение и обеспечивает питание автономного инвертора 4. Контакт 24 размыкается, аккумуляторная батарея 8 отключается. Регулируемый выпрямитель 5, обеспечивает заданное значение входного напряжения в выпрямленной цепи. Пульсации тока в выпрямленной цепи сглаживаются реактором 6.
1
p
n
Сигнал задания частоты напряжения генератора ω* подается с выхода блока задания 17 на положительный вход первого блока сравнения 16, а на его отрицательный вход подают сигнал ω ⋅ p. Полученный на выходе блока сравнения 16 сигнал w2 является желаемой круговой частотой напряжения и тока ротора, его подают на частотный вход блока формирователя фазных напряжений 10.
На амплитудный вход блока фазных напряжений 10 подают 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.
2a
2b
2c
2a
2b
2c
Блок 14 вырабатывает задание на амплитуду выходного напряжения генератора 1, которое сравнивается в блоке сравнения 13 с рассчитанным в блоке 15 значением амплитуды выходного напряжения генератора 1, определяемым на основе измеренных мгновенных значений трехфазных напряжений генератора 1. Сигнал отклонения на выходе блока сравнения 13 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 4, сдвинутые относительно друг друга на угол 2π/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 ω*, 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:
затем полученные сигналы поступают на входы блоков гистерезиса, работающих по следующему алгоритму:
где Δ - модуль гистерезиса, задаваемый из условия точности поддержания напряжения.
Формируемые фазные напряжения на выходе инвертора 4 имеют два граничных значения - верхнее и нижнее, отличающиеся от заданной синусоиды напряжения на величину Δ, 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.
Автономный инвертор 4, выполнен с внутренним контуром регулирования мгновенных значений фазных напряжений, он управляется фазными релейно-гистерезисными регуляторами напряжения 9, которые осуществляют переключения ключей инвертора в момент достижения порогового уровня отклонения между заданным и измеренным мгновенными значениями напряжения ротора. За счет такого управления 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.
Измеряют с помощью датчиков мгновенные значения фазных напряжений на выходе инвертора, определяют в блоке 20 действующее значение напряжения на выходе инвертора, определяют в блоке 21 требуемое напряжение на выходе регулируемого выпрямителя 5. и формируют сигнал управления выпрямителем 5.
В случае уменьшения электрической нагрузки на выходе генератора 1, уменьшается момент на валу генератора, и источник механической энергии вращения 2, в качестве которого может быть, например турбина или дизельная установка, испытывает меньшее сопротивление вращению со стороны генератора 1. Для повышения коэффициента полезного действия источника механической энергии вращения 2 при уменьшении момента нагрузки необходимо снижать его скорость вращения. Для этого с помощью датчика тока 23 измеряют ток на выходе генератора, измеренное значение подают на вход регулятора скорости вращения 22 источника механической энергии вращения 2. Регулятор 22 регулирует скорость вращения источника механической энергии вращения 2 до уровня, при котором источник механической энергии будет иметь наибольший коэффициент полезного действия.
2
1
При быстром изменении электрической нагрузки на выходе генератора, сопровождающемся изменением частоты вращения ротора и кратковременным изменением частоты и амплитуды выходного напряжения генератора 1, осуществляется автоматическое воздействие на автономный инвертор 4, приводящее к изменением круговой частоты напряжения ω на выходе инвертора 4, в результате, в соответствии с формулой (1), частота напряжения на выходе генератора ω устанавливается на заданном уровне. При этом воздействие на управляемый выпрямитель 5 обеспечивает необходимый уровень напряжения в выпрямленной цепи для получения необходимого уровня напряжения на выходе инвертора 4. В результате стабилизируется частота и амплитуда выходного напряжения генератора 1.
Автоматическое управление напряжением выпрямителя позволяет повысить точность поддержания амплитуды и частоты напряжения на выходе генератора при резком изменении электрической нагрузки, например, при включении и отключении потребителей электроэнергии.
При пониженной установившейся электрической нагрузке на выходе генератора регулятор 22 регулирует скорость источника механической энергии 2, снижая угловую скорость вращения при уменьшении электрической нагрузки. За счет этого повышается коэффициент полезного действия установки.
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 №2606643. Способ управления автономным асинхронным генератором. МКП Н02Р 9/02, 9/48. Опубл 10.01.2017. Бюл. №1.