СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С МОНОВЕНТИЛЬНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ СТАТОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SYNCHRONOUS GENERATOR WITH MONOVENTILE REGULATOR OF STATOR VOLTAGE

Изобретение относится к электротехнике и может служить для регулирования параметров электроэнергии на выходе синхронных генераторов в составе автономных источников электропитания (дизель, ветро, газо, турбо-генераторов и др.).
Основным предназначением регулятора статорного напряжения синхронных генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением (СМГ) служит стабилизация выходного напряжения в реальных условиях работы под нагрузкой с меняющейся частотой вращения ротора. В связи с отсутствием обмотки возбуждения в схемах СМГ, решение данной задачи может достигаться созданием в статорных обмотках импульсно-регулируемой вольтодобавки, способствующей появлению режима подмагничивания статора. Условием данного режима служит опережающая фаза тока статорных обмоток генератора (см., например, Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины: Учебник для вузов. - М. 1981). В большинстве случаев требуется, чтобы необходимое изменение конструкции не приводило к заметному усложнению автономного источника, для чего регулятор должен быть выполнен с применением минимального количества управляемых полупроводниковых вентилей.
В схеме ближайшего аналога (см. Патент РФ №2294592 (МПК HO2p1/16, опубл. 27.02. 2007) электрическая машина переменного тока оснащена импульсным регулятором статорного напряжения в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) с включенными по схеме звезды первичными обмотками, первыми выводами присоединенными к статорным обмоткам генератора, а вторыми выводами объединенными в нулевую точку звезды, роль которой выполняет транзисторный ключ на выходе трехфазного диодного моста, входными зажимами присоединенного к указанным вторым выводам первичных обмоток ВДТ, вторичные обмотки которого соединены последовательно с цепями нагрузки и статорными обмотками СМГ.
Недостатком прототипа является невозможность создания режима подмагничивания генератора за счет регулирования напряжения с опережающей фазой тока в статорных обмотках электрической машины. Данный недостаток ограничивает возможности стабилизации напряжения СМГ под нагрузкой. Предлагаемое решение направлено на устранение указанного недостатка с применением лишь одного управляемого вентиля, названного в связи с этим моновентилем.
Технический результат достигается соответствующим присоединением первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора к фазам статорных обмоток синхронного генератора. Согласно предлагаемому решению, первичную обмотку фазы А ВДТ следует присоединить к фазе С генератора, в то время, как первичная обмотка фазы В трансформатора должна быть присоединена к фазе А генератора, а первичная обмотка фазы С трансформатора - к фазе В указанного источника.
mp
м
м
тр
При этом технический результат состоит в том, что удается получить симметричную систему результирующих выходных напряжений трехфазного источника, диапазон возможного изменения амплитуды и фазы которых определяется коэффициентом трансформации К=E/ΔE и степенью широтно-импульсной модуляции напряжения ВДТ γ=0÷1. При соответствующем выборе К и изменении у возможно не только регулировать напряжение, но и получать любое значение опережающей фазы выходного напряжения и тока источника относительно ЭДС статорных обмоток генератора.
А
1М
М
mp
1А
1В
1С
1A
1B
C
1А
1С
1В
1А
1С
1В
mр
i
1А
1В
1С
оп
-1
Предлагаемая схема силовых цепей СМГ с моновентильным импульсным регулятором приведена на фиг. 1. Для пояснения принципа действия регулятора на фиг. 2, а представлены векторные диаграммы результирующего напряжения в фазе А источника с опережением ϕ=-30, -60, -90 эл. град.. На фиг. 2, б приведены расчетные зависимости фазы - ϕ (кривая 1) и относительного значения результирующего напряжения Е/Е (кривая 2) на выходе источника в функции коэффициента трансформации ВДТ К. На диаграммах фиг. 3 приведены результаты компьютерного моделирования фазных ЭДС Е, Е, Е и токов i, i, i генератора, а так же результирующих фазных напряжений на выходе источника Е+ΔЕ, Е+ΔЕ, Е+ΔЕ, полученные для случая К=1, γ=0.5 на частоте модуляции 3 кГц с опережающей фазой тока ϕ=π/6, где ΔЕ, ΔЕ, ΔЕ - напряжения вольтодобавки во вторичных обмотках ВДТ. Здесь же показаны управляющие импульсы f(t) для транзисторного ключа, выработка которых осуществляется традиционным сравнением управляющего x(t) и опорного x(t) сигналов.
оп
Устройство на фиг. 1 содержит синхронный генератор 1 с магнитоэлектрическим возбуждением (СМГ), трехфазные статорные обмотки которого (А,В,С) подключены к некоторой обобщенной нагрузке 2 (Нагр., Выпр., Акк-ор, АД) с помощью последовательно включенных вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 3 (ВДТ). Включенные по схеме звезды, первичные обмотки ВДТ первыми выводами присоединены к статорным обмоткам СМГ. Своими вторыми выводами эти обмотки объединены в нулевую точку звезды, роль которой выполняет единственный транзисторный ключ VT1 (моновентиль) в составе широтно-импульсного регулятора (ШИР) 4. Транзисторный ключ VT1 располагается на выходе вспомогательного диодного моста, входными зажимами присоединенного к вторым выводам первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора. Для защиты полупроводниковых элементов регулятора от коммутационных перенапряжений параллельно транзистору VT1 подключен полярный конденсатор фильтра С1 с разрядным резистором. Полагается, что выработка управляющих импульсов f(t) для транзисторного ключа осуществляется традиционным способом на основе сравнения управляющего x(t) и периодически изменяющегося опорного x(t) сигнала высокой частоты.
Положительной особенностью моновентильного регулятора является возможность одновременного регулирования напряжения вольтодобавки во всех трех фазах ВДТ с помощью одного транзисторного ключа. Этот процесс обеспечивается высокочастотным переключением транзистора VT1, выполняющего функции нулевой точки в схеме соединения первичных обмоток ВДТ звездой. В результате выходное результирующее напряжение трехфазного источника получается сложением нерегулируемого напряжения генератора и регулируемого напряжения вольтодобавочного трансформатора соседних фаз:
mp
м
м
Можно видеть, что в результате этого сложения выходное напряжение источника сохраняет симметричную форму, при этом диапазон регулирования величины и фазы напряжения определяется коэффициентом трансформации ВДТ К=Е/ΔЕ и степенью модуляции напряжения вольтодобавки γ=0÷1. Прибегая к векторному изображению результирующего напряжения в одной из фаз источника на рис. 2, а
Ам
м
mp
Ам
м
mp
1м
mp
mp
-1
-1
*
убеждаемся, что векторным сложением нерегулируемого напряжения генератора фазы А и регулируемого напряжения вольтодобавки фазы С трансформатора   удается получить различные значения амплитуды и опережающей фазы результирующего напряжения и тока на выходе источника. Пределы регулирования указанных параметров при γ=1 составляют Е=0.87Е, Δϕ=-π/6 при К=0.5 до Е≥1.7Е, Δϕ≥|-π/2| при К≥2. Для подтверждения на фиг. 2, б приведены расчетные зависимости максимальных значений модуля Е(К) и опережающей фазы -ϕ(К) основной гармоники выходного напряжения источника. Для расчетов использовались выражения амплитуды и фазы основной гармоники результирующего напряжения в виде
1A
1B
1C
mp
i
В качестве иллюстрации на фиг. 3 приведены кривые трехфазного напряжения и тока активно-индуктивной нагрузки i(t), i(t), i(t) при К=1, γ=0.5 с опережающей фазой ϕ=-π/6. Полученная с помощью уравнений (3) кривая основной гармоники результирующего напряжения фазы А показана в качестве примера сплошной линией. Данные кривые демонстрируют высокое качество получаемого тока в фазах нагрузки. Благодаря высокой частоте переключений, кривые токов активно-индуктивной нагрузки имеют квазисинусоидальную форму, по содержанию высших гармоник удовлетворяющую действующему в стране стандарту ГОСТ 32145-2013. Положительным свойством устройства следует назвать предельную простоту импульсного регулятора в связи с наличием в его схеме минимального числа управляемых полупроводниковых вентилей.
Таким образом, поставленная задача стабилизации параметров электроэнергии магнитоэлектрического генератора за счет получения опережающей фазы выходного напряжения и тока решается в этой схеме без усложнения конструкции и ухудшения качества кривой выходного тока. Указанное достоинство расширяет области возможного применения генератора, в том числе в качестве источника питания бытовых электропотребителей малой и средней мощности.