УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE OF ALTERNATE CURRENT GENERATOR FREQUENCY TRANSFORMATION

Изобретение относится к области электротехники и касается вопросов преобразования параметров электрической энергии - частоты и напряжения. Оно может быть использовано для питания различных электрических нагрузок напряжением изменяющейся частоты и амплитуды.
В практике судостроения требуется обеспечить питание трехфазным напряжением переменной частоты такую нагрузку, как, например, гребной электродвигатель, в то же время питание судовых потребителей электроэнергии должно осуществляться трехфазным напряжением с постоянной частотой 50 Гц. Форма напряжения и в первом, и во втором случае должна быть близка к синусоидальной.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату и предлагаемому устройству является устройство преобразования частоты и напряжения генератора переменного тока (патент РФ №2337461 от 27.10.2008 г.), которое позволяет получить трехфазное напряжение с заданной, управляемой частотой и хорошим качеством электроэнергии от трех генераторов переменного тока, приводимых в движение единым механическим приводом, - прототип. Частота выходного напряжения в этом устройстве задается маломощным управляющим генератором, а мощные синхронные генераторы переменного тока генерируют промодулированное по амплитуде выходное напряжение с постоянной несущей частотой, определяемой частотой вращения приводного вала.
Однако это устройство имеет недостаток, заключающийся в том, что отбор мощности для питания судовых потребителей невозможен, т.к. напряжение на выходе генераторов с частотой 50 Гц промодулировано по амплитуде.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства преобразования частоты генератора переменного тока, обеспечивающего отбор мощности для питания судовых потребителей путем создания дополнительного силового выхода для снятия регулируемого напряжения с неизменной частотой и амплитудой.
Это достигается тем, что в известное устройство преобразования частоты напряжения генератора переменного тока, содержащее три синхронных, многофазных, например трехфазных, генератора переменного тока, имеющих общий привод, обеспечивающий совпадение по частоте и амплитуде синфазных выходных напряжений всех трех синхронных генераторов переменного тока, три многофазно-однофазных циклоконвертера с непосредственной связью нулевой или мостовой схемы, системы управления тиристорами, управляющий трехфазный генератор синусоидального напряжения, задатчик частоты и задатчик амплитуды; при этом выходы каждого синхронного генератора переменного тока подключены к силовым входам соответствующего многофазно-однофазного циклоконвертера, а обмотки возбуждения всех трех синхронных генераторов переменного тока соединены в "звезду" и подключены к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, эти же выходы подключены к входам систем управления циклоконвертерами, а выход задатчика амплитуды подключен ко второму входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, по изобретению введены дополнительные обмотки возбуждения, расположенные на роторе каждого синхронного генератора переменного тока, источник регулируемого постоянного напряжения, дополнительный задатчик амплитуды и по одной дополнительной трехфазной обмотке, расположенной на статоре каждого синхронного генератора переменного тока.
Введение дополнительных обмоток возбуждения в ротор каждого синхронного генератора переменного тока, источника регулируемого постоянного напряжения, управляемого задатчиком амплитуды и по одной дополнительной трехфазной обмотке, расположенной на статоре каждого синхронного генератора переменного тока, позволяет получить с дополнительных обмоток статоров регулируемое напряжение с постоянной частотой и стабильной амплитудой для питания общесудовых потребителей, а также с другого выхода (как в прототипе) - напряжения с переменной частотой для питания, например, гребного электродвигателя с возможностью независимого регулирования величины напряжения на каждом выходе устройства.
y
м
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - схема соединения дополнительных обмоток статора, соединенных в "звезду", на фиг.3 - формы кривых напряжений на обмотке управления (U) и промодулированного (U) напряжения фаз статора, на фиг.4 - промодулированные фазные напряжения в векторном виде в синхронных генераторах переменного тока 1, 2, 3, на фиг.5 - напряжения в векторном виде в фазах А синхронных генераторов переменного тока 1, 2, 3, на фиг.6 - результаты суммирования векторов напряжений одной из фаз синхронных генераторов переменного тока (фазы А).
Устройство преобразования частоты генератора переменного тока содержит синхронные генераторы переменного тока 1, 2, 3, которые механически соединены так, чтобы напряжения одноименных фаз были синфазны и трехфазные обмотки статора (основные) подключены к соответствующим силовым входам каждого из многофазно-однофазных циклоконвертеров 4, 5, 6. 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 10, задатчик частоты 11 соединен с первым входом, а задатчик амплитуды 12 - со вторым входом управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10. Системы управления циклоконвертерами 13, 14, 15 подключены к выходу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10. Одноименные фазы дополнительных трехфазных обмоток 16, 17, 18 статора каждого синхронного генератора переменного тока 1, 2, 3 соединены последовательно и подключены к судовым потребителям, получающим напряжение 3×3 80 В неизменной частоты 50 Гц, в то же время дополнительные обмотки возбуждения 19, 20, 21 трех синхронных генераторов переменного тока 1, 2, 3 объединены в схему "открытый треугольник" и подключены к источнику регулируемого постоянного напряжения 22, вход которого соединен с дополнительным задатчиком амплитуды 23.
Устройство работает следующим образом (см. фиг.1).
1
2
2
Синхронные генераторы переменного тока 1, 2, 3 вырабатывают напряжения с одинаковой частотой f=50 Гц и промудулированное по амплитуде, причем они приводятся во вращение общим приводом. Основные обмотки возбуждения 7, 8, 9 синхронных генераторов переменного тока 1, 2, 3 подключаются к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10 с заданной переменной частотой f. В этом случае напряжение на выходах синхронных генераторов переменного тока модулируется по амплитуде синусоидальным напряжением частотой f с коэффициентом модуляции 100%.
На силовой вход каждого многофазно-однофазного циклоконвертера 4, 5, 6 подается амплитудно-модулированное трехфазное напряжение с выхода соответствующего синхронного генератора переменного тока 1, 2, 3.
Напряжения каждой фазы управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10 подключаются одновременно к основной обмотке возбуждения 7, 8, 9 какого-либо синхронного генератора переменного тока 1, 2, 3 и к входу системы управления соответствующего циклоконвертера 13, 14, 15. Таким образом, амплитудная модуляция напряжения на входе многофазно-однофазного циклоконвертера и управление циклоконвертером производятся одним и тем же напряжением управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10. Учитывая, что напряжение на выходе циклоконвертера синфазно управляющему напряжению, и тот факт, что на силовом входе циклоконвертера в предлагаемой схеме действует напряжение, амплитудно-модулированное по синусоидальному закону, форма кривой выходного напряжения циклоконвертера будет близка к синусоидальной.
2
В результате на выходе каждого многофазно-однофазного циклоконвертера 4, 5, 6 формируется напряжение с частотой f и формой, близкой к синусоиде. Поскольку модуляция в синхронных генераторах переменного тока и управление циклоконвертерами осуществляется напряжениями управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10, сдвинутыми на 120°, выходное напряжение предлагаемого устройства является трехфазным.
Задатчик частоты 11 подключен к первому входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10, и его уставка влияет на выходную частоту управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, а значит, и всего устройства в целом. Задатчик амплитуды 12 подключается ко второму входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10. С его помощью можно изменять величину его выходного напряжения, а значит, и амплитуду возбуждения, влияя, таким образом, на величину выходного напряжения с переменной частотой в нагрузке.
Одноименные фазы дополнительных трехфазных обмоток 16, 17, 18 в статорах синхронных генераторов переменного тока 1, 2, 3 соединены пофазно последовательно в три ветви, начала которых соединены в "звезду", а концы подключены к нагрузке 3×3 80 В, 50 Гц. Схема соединения приведена на фиг.2. Такое пофазное соединение позволяет осуществить суммирование напряжений одноименных фаз всех трех синхронных генераторов переменного тока 1, 2, 3.
1
1
1
1
2
2
Фазное напряжение каждого синхронного трехфазного генератора переменного тока 1, 2, 3 представляет собой амплитудно-модулированное напряжение, форма которого изображена на фиг.3. Это напряжение может быть представлено в виде вектора напряжения несущей частоты f, вращающегося с угловой частотой ω=2πf и двух векторов боковых частот, вращающихся с частотой ω±Ω, где f- угловая частота модуляции (Ω=2πf). На фиг.5 показаны в векторном виде напряжения фазы А синхронных генераторов переменного тока 1, 2, 3.
На фиг.4 изображены в векторной форме фазные выходные напряжения всех трех синхронных генераторов переменного тока.
Результаты суммирования напряжений одной из фаз, например А, приведены на фиг.6.
Аналогичные процессы в фазах "В" и "С" синхронных генераторов переменного тока позволяют сформировать трехфазную систему несущей частоты синхронных генераторов переменного тока.
1
1
Видно, что суммирование векторов напряжений с частотой ω1 приводит к утроению значения фазного напряжения с частотой f1=50 Гц одного синхронного генератора переменного тока. В то же время составляющие с частотами ω+Ω и ω-Ω взаимно компенсируются.
Введение дополнительных обмоток возбуждения 19, 20, 21, питаемых постоянным током от источника регулируемого постоянного напряжения 22, позволяет изменять амплитуду только выходного напряжения с частотой 50 Гц.
Можно показать, что при нулевом постоянном токе возбуждения в дополнительных обмотках возбуждения 19, 20, 21 напряжение с частотой 50 Гц в спектре выходного напряжения синхронного генератора переменного тока отсутствует.
Дополнительные обмотки возбуждения 19, 20, 21 уложены в те же пазы ротора, что и основные обмотки возбуждения 7, 8, 9. Однако схема их включения (открытый треугольник) позволяет получить в точках подключения источника регулируемого постоянного напряжения 22 нулевой уровень переменного напряжения, наводимого от тока основных обмоток возбуждения 7, 8, 9.
1
Таким образом, введение дополнительных обмоток возбуждения на ротор синхронного генератора переменного тока с последующим пофазным суммированием напряжений статора приводит к появлению возможности отбора от синхронного генератора переменного тока трехфазного напряжения с неизменной частотой f=50 Гц и амплитудой.
При этом устройство, как и прототип, одновременно вырабатывает трехфазное напряжение с переменной частотой.
Форма напряжения на обоих силовых выходах - близка к синусоидальной.
Наличие двух задатчиков амплитуды позволяет независимо регулировать напряжение на каждом силовом выходе устройства.