СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
STABILISED ELECTRIC MACHINE POWER SUPPLY SOURCE

Область техники
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания стабилизированных электромашинных источников электропитания на базе синхронных генераторов.
При использовании импульсных и непрерывных систем для управления напряжением синхронного генератора (работающего в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузки - от холостого хода до номинального значения) возникает проблема обеспечения их устойчивости как систем автоматического регулирования. Для улучшения качества вырабатываемой электроэнергии требуется уменьшение (исключение) низкочастотной модуляции напряжения синхронного генератора.
Известен источник стабилизированного электропитания на базе синхронного генератора (Мещанинов П.А. Автоматизация судовых электроэнергетических систем. Л.: Судостроение, 1970, стр.63, рис.3.5), в котором ток возбуждения генератора формируется блоком автоматического регулирования возбуждения по сигналам напряжения генератора и тока нагрузки.
Известна разновидность такого источника электропитания («Электрооборудование бронетанковой техники». Военное издательство МО СССР, 1971, стр.49, рис.2.4), в котором в качестве регулирующего элемента, включенного в цепь обмотки возбуждения генератора, использован транзистор, работающий в ключевом режиме и управляемый от блока управления, подключенного входом к выходным клеммам генератора и вырабатывающего сигнал в функции отклонения напряжения генератора.
Недостатком обоих аналогов является недостаточная устойчивость выходного напряжения синхронного генератора при изменении частоты вращения и нагрузки в широком диапазоне значений.
Наиболее близкое техническое решение, принимаемое за прототип, изложено в книге «Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования». М.: Машиностроение, 1979, стр.165-166, рис.102. Источник питания на основе синхронного генератора с обмотками статора и возбуждения содержит: нерегулируемый выпрямитель, подключенный к обмотке статора, цепь питания обмотки возбуждения, задатчик напряжения на базе стабилитрона, двухвходовой узел сравнения, регулирующее устройство, выполненное на транзисторе, ключевой элемент, выполненный по схеме составного транзистора, датчик напряжения в виде резистивного делителя, подключенный к выходу выпрямителя. В коллекторную цепь одного из транзисторов составного транзистора включен обратный диод, а в коллекторную цепь второго транзистора - обмотка возбуждения. Устройство предназначено для стабилизации напряжения синхронного генератора с помощью импульсного регулятора при изменении частоты вращения генератора и его нагрузки. Наличие жесткой коллекторной обратной связи ускоряет процессы переключения транзисторов.
Недостатком прототипа является то, что при определенных сочетаниях частоты вращения и нагрузки синхронного генератора (особенно для таких, которые используют продольные демпферные обмотки) может произойти частичная потеря устойчивости системы стабилизации напряжения (из-за появления вторичных гармоник от рассогласования частот), что приводит к возникновению низкочастотной модуляции выходного напряжения генератора и, как следствие, к ухудшению качества вырабатываемой электроэнергии.
Целью предлагаемого изобретения является создание на базе синхронного генератора - стабилизированного электромашинного источника электропитания, который будет являться устойчивой системой автоматического регулирования, вырабатывающей качественную электроэнергию за счет погашения появляющейся низкочастотной модуляции выходного напряжения синхронного генератора при его работе в широком диапазоне изменения частоты вращения и величины нагрузки.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения заключается во введении в электрическую схему электромашинного источника электропитания ряда существенных признаков, которые обеспечивают стабилизацию выходного напряжения при любых возмущениях, появляющихся при изменениях частоты вращения и величины нагрузки. К ним относятся: датчик тока возбуждения генератора и устройство изодромной отрицательной обратной связи (кратко - устройства ИООС). Изодромная (гибкая) обратная связь исключает низкочастотные модулированные колебания выходного напряжения источника электропитания.
Согласно предлагаемому изобретению стабилизированный электромашинный источник электропитания включает в себя синхронный генератор с обмотками статора и возбуждения, выпрямитель, подключенный к обмотке статора, датчик напряжения, контролирующий значение выходного напряжения, подключенный параллельно выходу выпрямителя, и устройство жесткой обратной связи. Для управления этим источником питания служат: задатчик напряжения, узел сравнения, регулирующее устройство, ключевой элемент, обратный диод. Задатчик напряжения подключен к одному из входов узла сравнения. Выход датчика напряжения подключен через устройство жесткой обратной связи ко второму входу узла сравнения. А третий вход узла сравнения соединен с выходом устройства ИООС, вход которого подключен к выходу датчика тока возбуждения. Выход узла сравнения соединен через регулирующее устройство с входом ключевого элемента, один выход которого подсоединен к отрицательному полюсу выпрямителя, а другой через резистор - к аноду обратного диода. Туда же подключен датчик тока возбуждения, который установлен последовательно с обмоткой возбуждения, которая свободным выводом подключена к катоду обратного диода и плюсовому выводу выпрямителя. Таким образом, узел сравнения сравнивает три сигнала: заданное значение выходного напряжения, фактическое значение выходного напряжения и масштабированное значение величины колебания тока возбуждения, вызванное потерей устойчивости стабилизации синхронного генератора.
Используемое устройство ИООС служит для передачи появляющихся колебаний тока возбуждения с выхода датчика тока возбуждения на третий вход узла сравнения без фазового сдвига. В конкретном исполнении устройство ИООС состоит из масштабирующего операционного усилителя, конденсатора и нескольких резисторов. Выход датчика тока возбуждения через конденсатор и резистор соединен с одним входом масштабирующего операционного усилителя, а через резисторы - с другим входом этого усилителя. Колебания тока возбуждения измеряются датчиком тока возбуждения, поступают на вход устройства ИООС, масштабируются операционным усилителем и поступают на третий вход узла сравнения. Это приводит к демпфированию автоколебаний тока возбуждения и устранению низкочастотной модуляции напряжения генератора. Постоянная времени RC-цепи выбирается такой, чтобы не вносить фазовый сдвиг в передаваемый сигнал с выхода датчика тока возбуждения на третий вход узла сравнения, то есть регулирование начинает действововать фактически сразу после появления автоколебаний.
Графические иллюстрации:
На фигуре графического изображения представлена функциональная схема стабилизированного электромашинного источника электропитания.
Осуществление изобретения
Конкретная модель предлагаемого стабилизированного электромашинного источника электропитания на базе синхронного генератора 1 содержит обмотки статора 2 и обмотку возбуждения 3, нерегулируемый выпрямитель 4, подключенный к обмоткам статора 2. Положительный полюс выпрямителя 4 подключен к точке соединения первого вывода обмотки возбуждения 3 и катода обратного диода 5. Ключевой элемент 6 первым выходом подключен к резистору 7, ускоряющему спад тока возбуждения при выключении ключевого элемента, а вторым выходом - к минусовому выводу выпрямителя 4. Узел сравнения 8 первым входом подключен к выходу задатчика напряжения 9. Параллельно выходу выпрямителя 4 подключен датчик напряжения 10, выход которого через устройство жесткой отрицательной обратной связи 11 соединен со вторым входом узла сравнения 8. Выход узла сравнения 8 подключен к входу регулирующего устройства 12, выход которого подключен к входу ключевого элемента 6. Датчик тока возбуждения 12 расположен между первым выходом ключевого элемента 6, соединенным с резистором 7, и вторым выводом обмотки возбуждения 3. Выход датчика тока возбуждения 13 подключен к устройству ИООС 14, в состав которого входят: масштабирующий операционный усилитель (далее - усилитель) 15, конденсатор 16, резисторы 17-22. Входом устройства ИООС 14 является точка соединения одной обкладки конденсатора 16 и выводом резистора 17, другой вывод которого объединен с выводами резисторов 18 и 19. Другой вывод резистора 18 соединен через резистор 20 со второй обкладкой конденсатора 16 и первым входом усилителя 15. Другой вывод резистора 19 соединен со вторым входом усилителя 15 и через резистор 21 - с выходом усилителя 15, который через резистор 22 соединен с третьим входом узла сравнения 8.
В качестве конкретных элементов описанной блок-схемы могут быть выбраны следующие:
- синхронный генератор 1 с обмотками статора и возбуждения, с демпферными продольными контурами мощностью 1 кВт на 24000 об/мин;
- нерегулируемый выпрямитель 4 - трехфазный выпрямительный модуль типа М6Д-63-400, 63 А, 400 В;
- обратный диод 5 - диод типа 2Д206В;
- ключевой элемент 6 - транзистор типа 2Т8174А, 40 А, 600 В;
- резистор 7 - резистор типа С5-47, 40 Вт, 24 Ом;
- узел сравнения 8 может являться входами операционного усилителя, на котором выполнено регулирующее устройство 12;
- задатчик напряжения 9 - стабилитрон типа Д818И;
- датчик 10 напряжения генератора - делитель напряжения на резисторах типа С2-33Н;
- устройство жесткой отрицательной обратной связи 11 может быть выполнено в виде RC-фильтра низких частот;
- регулирующее устройство 12 - операционный усилитель типа 140УД7;
- датчик тока возбуждения 13 - типа LA25 - NP/SP44;
- масштабирующий операционный усилитель 15 - операционный усилитель типа 140УД7;
- конденсатор 16 - конденсатор типа К10-47а, 50 В, 0,47 мкФ;
- резисторы 17-22 - резисторы типа С2-33Н.
Устройство работает следующим образом. При поступлении сигнала задания уровня выходного напряжения генератора с задатчика 9 на первый вход узла сравнения 8 регулирующее устройство 12 открывает ключевой элемент 6, и через обмотку возбуждения 3 генератора 1 потечет ток, создаваемый напряжением генератора 1 от остаточного магнитного потока. Пока напряжение отрицательной обратной связи, поступающее на второй вход узла сравнения 8 с выхода датчика 10 напряжения генератора через устройство жесткой отрицательной обратной связи 11, меньше сигнала задания напряжения генератора, поступающего с задатчика напряжения 9 на первый вход узла сравнения 8, ток возбуждения и напряжение генератора 1 будут нарастать лавинообразно до наступления равенства сигнала отрицательной обратной связи сигналу задания напряжения генератора. Поскольку регулирующее устройство 12 представляет из себя релейный элемент, стабилизация напряжения генератора будет происходить импульсным способом, путем изменения соотношения между включенным и выключенным состояниями ключевого элемента 6 (метод широтно-импульсного регулирования).
При появлении низкочастотных автоколебаний генератора 1, возникающих из-за частичной потери устойчивости стабилизации напряжения генератора 1 при определенных сочетаниях частоты вращения и нагрузки генератора, происходит низкочастотная модуляция напряжения генератора 1 и, следовательно, ухудшается качество вырабатываемого напряжения. Эти колебания тока возбуждения измеряются датчиком тока возбуждения 13 и с его выхода поступают на вход устройства ИООС 14, масштабируются операционным усилителем 15 и с выхода устройства ИООС 14 поступают на третий вход узла сравнения 8. Этот сигнал приводит к демпфированию автоколебаний тока возбуждения и устранению низкочастотной модуляции напряжения генератора. Причем постоянная времени RC-цепи устройства ИООС 14, определяемая номиналами конденсатора 16 и резистора 20, выбрана таким образом, что исключается фазовый сдвиг передаваемого сигнала с выхода датчика тока возбуждения 13 на третий вход узла сравнения 8. В первый момент времени сигнал пропорционален измеренному отклонению, а затем он плавно уменьшается в соответствии с уменьшением амплитуды автоколебаний в обмотке возбуждения.
Такое техническое решение стабилизации напряжения синхронного генератора позволяет представить электромашинный источник питания как систему автоматического регулирования, то есть позволяет обеспечить автоматическое устранение внезапно возникающей (при определенных сочетаниях частоты вращения генератора и величины нагрузки) низкочастотной модуляции выходного напряжения.