УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ПО ЧАСТОТЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫХОДЕ МНОГОФАЗНОГО ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА
DEVICE FOR OBTAINING FREQUENCY ADJUSTED VOLTAGE AT OUTPUT OF MULTIPHASE AC GENERATOR WITH CONSTANT ROTATION FREQUENCY OF SHAFT

Изобретение относится к области электротехники и касается вопросов целенаправленного и рационального преобразования параметров электрической энергии - частоты и напряжения. Оно может быть выгодно использовано для питания различных электрических нагрузок напряжением изменяющейся частоты и амплитуды.
В практике судостроения требуется обеспечивать питанием трехфазным напряжением переменной частоты такую нагрузку, как, например, гребной электродвигатель и в то же время питание судовых потребителей электроэнергии необходимо осуществлять трехфазным напряжением с постоянной частотой 50 Гц. Временная форма напряжения в обоих случаях должна быть близка к синусоидальной.
Наиболее подходящим по технической сущности к достигаемым результатам является устройство преобразования частоты генератора переменного тока (РФ, приоритентная справка на изобретение №2012122346 от 31.05.2012 г.) - прототип. Оно позволяет получать на одном его выходе трехфазное напряжение с заданной, управляемой частотой и хорошим качеством электроэнергии и трехфазное напряжение постоянной промышленной частоты для питания судовых потребителей на другом выходе от трех генераторов переменного тока, приводимых в движение единым механическим приводом.
Однако это устройство имеет существенный недостаток - для получения напряжения управляемой частоты требуется использовать три мощных полупроводниковых циклоконвертора, что снижает его надежность, а также значительно увеличивает его габариты и стоимость.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства преобразования частоты генератора переменного тока, обеспечивающего с одного выхода питание судовых потребителей напряжением промышленной частоты и имеющего дополнительный силовой выход для питания нагрузок напряжением хорошего качества с регулируемыми частотой и амплитудой без использования мощных полупроводниковых статических преобразователей.
Это достигается тем, что в известном устройстве преобразования частоты напряжения генератора переменного тока (прототип) предлагается основные трехфазные обмотки статоров СГПТ включить в три ветви таким образом, чтобы в каждую ветвь включить последовательно по три разноименные фазные обмотки всех СГПТ, тогда начала ветвей образуют силовой трехфазный выход с напряжением регулируемой частоты, а концы ветвей объединить, образуя соединение ветвей в "звезду".
Указанная схема включения основных обмоток статоров СГПТ в три ветви позволяет получать суммарное регулируемое напряжение с заданными переменной частотой и амплитудой, а также с другого выхода - напряжение с постоянными частотой и амплитудой для питания общесудовых потребителей с возможностью независимого регулирования величины напряжения на каждом выходе устройства. Приводной вал СГПТ при этом вращается с постоянной скоростью. Напряжение переменной частоты получается при векторном сложении всех трех фазных напряжений в каждой ветви без использования циклоконверторов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, графиками и рисунками, представленными на фиг. 1÷6).
1
2
3
2
3
1
3
1
2
Устройство получения напряжения переменной частоты на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала (см. блок-схему на фиг. 1) содержит три СГПТ 1, 2, 3, которые механически по валу соединены так, чтобы напряжения одноименных фаз генераторов были синфазны. Основные обмотки статоров 4, 5, 6 включены пофазно в три ветви таким образом, что в каждую ветвь включены последовательно три разноименные фазные обмотки трех синхронных генераторов переменного тока (1-ая ветвь - A, В, C; 2-ая ветвь - A, B, C 3-я ветвь - А, В, С). Начала ветвей образуют силовой трехфазный выход с напряжением регулируемой частоты, а концы ветвей объединены, образуя соединение ветвей в "звезду".
Основные обмотки возбуждения 7, 8, 9 синхронных генераторов переменного тока 1, 2, 3 соединены в "звезду" и подключены к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения (УТГН) 10, задатчик частоты 11 соединен с первым входом, а задатчик амплитуды 12 - со вторым входом УТГН.
Одноименные фазы дополнительных трехфазных обмоток 13, 14, 15 статора каждого СГНТ 1, 2, 3 соединены последовательно и подключены к судовым потребителям, получающим напряжение 3×380 В постоянной частоты 50 Гц. Дополнительные обмотки возбуждения 16, 17, 18 всех трех СГНТ 1, 2, 3 объединены в схему "открытый треугольник" и подключены к источнику регулируемого постоянного напряжения 19, вход которого соединен с дополнительным задатчиком амплитуды постоянного напряжения 20.
К первому выходу устройства 21 подключены общесудовые потребители с напряжением 3×380 В постоянной частоты 50 Гц, а ко второму выходу 22 подключены потребители с переменными параметрами частоты и напряжения.
2
y
мод
Устройство работает следующим образом (фиг. 1). СГПТ 1, 2, 3 приводятся во вращение общим приводом и вырабатывают напряжения с одинаковой частотой, соответствующей частоте вращения, и промодулированное по амплитуде, поскольку основные обмотки возбуждения 7, 8, 9 генераторов 1, 2, 3 подключены к выходам УТГН с заданной переменной частотой f в некотором диапазоне. В этом случае фазное напряжение на статорных обмотках 4, 5, 6, 13, 14, 15 генераторов 1, 2, 3 модулируется по амплитуде синусоидальным напряжением частотой с коэффициентом модуляции, равным 100%. Графические зависимости напряжения на основной обмотке возбуждения U и промодулированного напряжения U фаз статора приведены на фиг. 2.
Разноименные фазы основных трехфазных обмоток 4, 5, 6 в статорах генераторов 1, 2, 3 соединены пофазно последовательно в три ветви, начала которых соединены в "звезду", а концы подключены к нагрузке, на которой формируется напряжение с переменными параметрами значения и частоты.
1
2
1
2
Схема соединения обмоток приведена на фиг. 3а. Пофазное последовательное соединение позволяет осуществлять суммирование напряжений разноименных фаз всех трех СГПТ 1, 2, 3 и выделять в результате суммирования напряжение с частотой, равной сумме f+f или разности частот f-f. Результат суммарного или разностного выделения зависит от порядка чередования фаз выходов УТГН при подключении к обмоткам возбуждения 7, 8, 9 или порядка чередования фаз при включении основных статорных обмоток генераторов 4, 5, 6 в последовательные ветви.
Задатчик частоты подключен к первому входу УТГН и его уставка влияет на его выходную частоту, а значит и всего устройства в целом. Задатчик амплитуды подключен ко второму входу УТГН. С его помощью можно изменять величину выходного напряжения, а значит и амплитуду возбуждения, влияя таким образом на выходное напряжение с переменной частотой в нагрузке.
1
Одноименные фазы дополнительных трехфазных обмоток 13, 14, 15 в статорах СГНТ 1, 2, 3 соединены пофазно последовательно в три ветви, концы которых соединены в "звезду", а начала подключены к нагрузке 3×380 В, 50 Гц (фиг. 36). Последовательное соединение позволяет осуществлять суммирование напряжений одноименных фаз всех трех СГНТ 1, 2, 3. Выходное напряжение на концах ветвей немодулировано и имеет постоянную частоту f, равную 50 Гц.
1
1
1
1
2
2
Фазное напряжение каждого СГНТ 1, 2, 3 представляет собой амплитудно модулированное напряжение (фиг. 2). Это напряжение обычно представляют в виде векторной суммы трех векторов (фиг. 4) - вектора напряжения несущей частоты f (а, в, с) вращающегося вокруг точки «о» с угловой частотой ω, равной 2πf и двух векторов напряжений боковых частот 23, 24 с модулем, равным половине модуля вектора несущей частоты, вращающихся в противоположные стороны вокруг конца вектора напряжения несущей частоты «o» с частотой Ω, равной 2πf, где f - частота модуляции.
Угловая частота вращения каждого вектора характеризует частоту, а угол поворота - фазу соответствующего напряжения.
1
2
1
2
Поскольку направления вращения векторов напряжений несущей частоты и напряжения боковой 23 по направлению совпадают, то частота напряжения боковой 23 равна сумме f+f, а частота напряжения боковой 24 равна разности частот f-f.
На фиг. 4 в векторной форме изображены фазные напряжения всех трех СГПТ 1, 2, 3.
На фиг. 5 в векторной форме показаны фазные напряжения СГПТ 1, 2, 3, входящие в одну из последовательно включенных ветвей основных обмоток генераторов для получения напряжения переменной частоты. Результаты суммирования этих напряжений приведены на фиг. 6.
1
1
11
1
11
Видно, что суммирование векторов напряжений разноименных фаз с частотой ω приводит к взаимной компенсации напряжений с этой частотой, поскольку в трехфазной системе векторы а, в, с смещены по фазе на 120 электрических градусов и равны по модулю. То же относится к составляющей напряжения боковых частот 23, 23, 23.
1
11
В то же время составляющие с боковой частотой 24, 24, 24 синфазны и модуль суммарного вектора утраивается. Таким образом, на концах ветви выделяется напряжение, частота которого равна разности частот: несущей (определяемой частотой вращения вала СГПТ 1, 2, 3 и числом их пар полюсов) и частоты модуляции, изменяемой задатчиком частоты.
1
11
Амплитуда напряжения возбуждения, действующая на выходе УТГН и приложенная к основным обмоткам возбуждения 7, 8, 9, определяет амплитуду боковых частот в спектре выходного напряжения СГНТ 1, 2, 3, а значит и выходного напряжения выделенной нижней боковой частоты 24+24+24, действующей на выходе с переменными частотой и напряжением устройства.
Введение дополнительных обмоток возбуждения 16, 17, 18, питаемых постоянным током от источника регулируемого постоянного напряжения 19, позволяет изменять амплитуду только выходного напряжения с частотой 50 Гц, как в прототипе.
При нулевом постоянном токе возбуждения в дополнительных обмотках возбуждения 16, 17, 18 напряжение с частотой 50 Гц в спектре выходного напряжения СГПТ отсутствует.
Дополнительные обмотки возбуждения уложены в те же пазы ротора, что и основные обмотки возбуждения. Однако схема их включения «открытый треугольник» позволяет получать в точках подключения источника регулируемого постоянного напряжения нулевой уровень переменного напряжения, наводимого от тока основных обмоток возбуждения.
1
2
1
2
Таким образом, пофазное последовательное соединение разноименных фаз СГПТ в три ветви позволяет выделять на концах этих ветвей суммарное по частоте f+f или разностное по частоте f-f напряжение. Напряжения на каждой ветви будут сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120°, образуя систему трехфазного напряжения. Это приводит к появлению возможности отбора от синхронного генератора переменного тока трехфазного напряжения с переменными частотой и амплитудой.
Предлагаемое устройство, как и прототип, одновременно вырабатывает на выходе трехфазное напряжение с постоянной частотой. Временная форма напряжения на обоих силовых выходах практически синусоидальна. Наличие двух задатчиков амплитуды напряжения позволяет независимо регулировать его на каждом силовом выходе устройства.
В отличие от прототипа предлагаемое устройство не требует использования трех мощных полупроводниковых статических преобразователей параметров электроэнергии, что резко снижает массогабаритные характеристики устройства, соответственно его стоимость и увеличивает надежность при эксплуатации.
Физическая модель предложенного устройства мощностью 10 кВт при испытаниях показала полное совпадение выходных параметров напряжений с обоих выходов с расчетными величинами.