СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ, ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, МАЛЫХ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
VOLTAGE STABILISER FOR ASYNCHRONOUS GENERATORS FOR SELF-CONTAINED POWER SUPPLIES, WIND DRIVEN POWER PLANTS, SMALL HYDROELECTRIC POWER STATIONS

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для регулирования и стабилизации напряжения асинхронных генераторов, применяемых в автономных системах электроснабжения, ветроэнергетических установках (ВЭУ), малых гидроэлектростанциях (миниГЭС).
С очевидным преимуществом (малая стоимость, простота конструкции, надежность и т.д.) асинхронные генераторы (АГ) имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что без дополнительных устройств, стабилизирующих напряжение, АГ имеют крутопадающую внешнюю характеристику. Поэтому для регулирования и стабилизации напряжения АГ необходимы дополнительные устройства.
Известно устройство для автоматической стабилизации напряжения автономного асинхронного генератора по а.с. СССР № 469200, 1975 г., состоящее из конденсаторов возбуждения, дополнительных конденсаторов, выпрямительного моста, управляемого электромагнита и его исполнительного органа, управляемого полупроводникового ключа и его исполнительного органа и чувствительного элемента по напряжению.
Недостатком устройства является большая масса конденсаторов возбуждения и низкая надежность работы.
Известно устройство (см. а.с. СССР № 477512, 1975 г.) содержащее батареи конденсаторов, измерительный трансформатор с выпрямителем, ключевые элементы, схему широтно-импульсного управления ключами, два источника постоянного тока и развязывающий усилитель. Устройство имеет недостатки: большая масса и габариты, низкий КПД.
Наиболее близким по техническому решению является устройство для стабилизации напряжения асинхронного генератора (см. патент RU № 2262182, H02 9/46, опубл. 10.10.2005 г. Бюл. № 28). Известное устройство для стабилизации напряжения асинхронного генератора содержит блок трех однофазных повышающих трансформаторов, первичные обмотки которых подключены к конденсатору возбуждения, вторая группа вторичных обмоток подключена к параллельно соединенным дополнительному конденсатору и с встречно-параллельно соединенным тиристорам; входы системы управления устройством соединены с выходом асинхронного генератора и выводами конденсатора возбуждения, а выход - с управляющими входами тиристоров; в состав системы управления входят трансформаторно-выпрямительный блок, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, датчик полярности напряжения, логические элементы И, усилители импульсов.
Недостатком устройства является сложность схемы управления, искажение формы выходного напряжения асинхронного генератора, вносимое тиристорами.
Техническим решением поставленной задачи является упрощение схемы управления и повышение качества выходного напряжения.
Поставленная задача достигается тем, что в стабилизатор напряжения асинхронных генераторов для автономных источников, ВЭУ и миниГЭС, содержащий конденсаторы возбуждения, три однофазных трансформатора с первичными и вторичными обмотками, согласно изобретению введены три дискретных регулятора возбуждения, каждый со схемой управления и электронными ключами в виде оптоэлектронных однофазных реле переменного тока с контролем фазы коммутируемого напряжения через «ноль», например 5П19.10ТМ, а первичные обмотки каждого однофазного трансформатора имеют, как минимум, одну отпайку, причем первые выводы первичных обмоток и первые выводы вторичных обмоток этих трансформаторов соединены с выводами асинхронного генератора, вторые выводы вторичных обмоток соединены с конденсаторами возбуждения, вторые выводы первичных обмоток и их отпайки через электронные ключи соединены с нулевым выводом асинхронного генератора и с нулевым выводом конденсаторов возбуждения, схема управления дискретных регуляторов состоит из последовательно соединенных выпрямителя для измерения амплитуды напряжения сети и контроля перехода синусоиды через ноль, компаратора напряжения и логического компаратора, причем входы оптоэлектронных однофазных реле соединены с выходом выпрямителя и логического компаратора.
Новизна технического решения обусловлена тем, что дополнительно введены три дискретных регулятора возбуждения, каждый со схемой управления и электронными ключами в виде оптоэлектронных однофазных реле переменного тока с контролем фазы коммутируемого напряжения через «ноль», например 5П19.10ТМ, а первичные обмотки каждого однофазного трансформатора имеют, как минимум, одну отпайку, причем первые выводы первичных обмоток и первые выводы вторичных обмоток этих трансформаторов соединены с выводами асинхронного генератора, вторые выводы вторичных обмоток соединены с конденсаторами возбуждения, вторые выводы первичных обмоток и их отпайки через электронные ключи соединены с нулевым выводом асинхронного генератора и с нулевым выводом конденсаторов возбуждения, схема управления дискретных регуляторов состоит из последовательно соединенных выпрямителя для измерения амплитуды напряжения сети и контроля перехода синусоиды через ноль, компаратора напряжения и логического компаратора, причем входы оптоэлектронных однофазных реле соединены с выходом выпрямителя и логического компаратора.
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.
Устройство стабилизации напряжения асинхронных генераторов для автономных источников, ВЭУ и миниГЭС содержит (см. чертеж) асинхронный генератор 1 с выводами для подключения нагрузки 2, 3, 4, три однофазных трансформатора 5, 6, 7 (пунктиром показан магнитопровод) с первичными обмотками 8, 9, 10, 11, 12, 13, имеющие отпайки 14, 15, 16 и вторичными обмотками 17, 18, 19, конденсаторы возбуждения 20, 21, 22, три однотипных дискретных регулятора возбуждения 23, 24, 25 с электронными ключами, например оптронными симисторами или тиристорами 26, 27, и последовательно соединенные выпрямитель 28 для измерения амплитуды напряжения сети и контроля перехода синусоиды через ноль, компаратор напряжения 29, логический компаратор 30.
Первые выводы первичных обмоток 8, 10, 12 и первые выводы вторичных обмоток 17, 18, 19 однофазных трансформаторов 5, 6, 7 соединены с выводами для подключения нагрузки 2, 3, 4 асинхронного генератора 1, вторые выводы вторичных обмоток 17, 18, 19 соединены с конденсаторами возбуждения 20, 21, 22, вторые выводы первичных обмоток 9, 11, 13 и отпайки этих обмоток 14, 15, 16 через силовые элементы, например оптронные симисторы 26, 27 однотипных дискретных регуляторов возбуждения 23, 24, 25, соединены с нулевым проводом N асинхронного генератора 1 и конденсаторов возбуждения 20, 21, 22; входы оптронных симисторов 26, 27 соединены с выпрямителем 28 и логическим компаратором 30.
В качестве электронных ключей 26 и 27 (симисторов или тиристоров) применяются оптоэлектронные однофазные реле переменного тока с контролем фазы коммутируемого напряжения через «ноль», например 5П19.10ТМ или аналогичные (см. http://www.proton-impyls.ru).
Устройство стабилизации напряжения асинхронных генераторов для автономных источников, ВЭУ и миниГЭС работает следующим образом.
При вращении ротора асинхронного генератора (АГ) 1 за счет остаточного намагничивания он самовозбуждается от конденсаторов возбуждения 20, 21, 22. Конденсаторы 20-22 выбираются таким образом, чтобы при холостом ходе напряжение на выводах 2, 3, 4 было номинальным. Это напряжение поступает на выпрямитель 28, где выпрямляется и подается на компаратор напряжения 29, сравнивается с эталонным и далее на логический компаратор 30, т.к. оно номинальное, то сигнал управления не подается на оптронные симисторы со схемой управления 26, 27, они закрыты и в первичной обмотке 12, 13 (аналогично и в обмотках 10, 11 и 8, 9) ток отсутствует, вторичные обмотки 17, 18, 19 не оказывают влияние на работу АГ 1.
При подключении нагрузки напряжение на выводах 2, 3, 4 и на выпрямителе 28 снижается. В компараторе 29 оно сравнивается с эталонным напряжением и компаратор 29 подает сигнал на логический компаратор 30, который анализирует величину изменения напряжения и формирует сигнал управления, который подается на оптронные симисторы 27. Симисторы 27 открываются и в первичной обмотке 12, 13 (аналогично и в обмотках 10, 11 и 8, 9) протекает ток. Во вторичной обмотке 19 (аналогично и в обмотках 17 и 18) появляется напряжение, которое суммируется с напряжением АГ, что увеличивает напряжение на конденсаторах возбуждения 20, 21, 22 и, как следствие, их емкостную энергию, которая пропорциональна квадрату напряжения.
При дальнейшем снижении напряжения на зажимах 2, 3, 4 логический компаратор 30 отключает симисторы 27 и подает сигнал на включение симисторов 26. В этом случае еще больше возрастает напряжение на конденсаторах 20, 21, 22. За счет возрастания емкостной энергии напряжение асинхронного генератора 1 стабилизируется.
Переключение симисторов 26 и 27 происходит в момент перехода синусоиды напряжения через ноль, что исключает появления помех в выходном напряжении АГ.
Достоинство устройства заключается в следующем.
1. Силовые элементы 26 и 27 подключаются при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют гармонические составляющие тока и напряжения, а также коммутационные перенапряжения и помехи.
2. Диапазон (глубина) регулирования и стабилизации напряжения зависти от соотношения витков вторичной и первичной обмоток и количества отпаек. Чем больше отпаек, тем выше стабильность напряжения.
3. По обмоткам трансформаторов проходит только емкостный ток конденсаторов, поэтому их мощность и мощность регуляторов незначительна.
4. Регулирование напряжения происходит независимо в каждой фазе, что позволяет подключать несимметричную нагрузку.