УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА
DEVICE TO CONTROL OUTPUT VOLTAGE OF POWER GENERATOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству управления выходным напряжением электрогенератора переменного тока, имеющего генераторную обмотку, обмотку возбуждения и намагничивающую обмотку, в частности относится к устройству управления выходным напряжением электрогенератора переменного тока, позволяющему улучшить искажения формы колебания выходного напряжения.
Существующий уровень техники
В качестве устройства управления выходным напряжением электрогенератора, как показано, например, в описании Патента 1, известен автоматический регулятор напряжения электрогенератора переменного тока, имеющего генераторную обмотку и обмотку возбуждения, намотанные на статоре, намагничивающую обмотку, намотанную на роторе, который вращается приводом, и выпрямитель, который выпрямляет ток, генерируемый на упомянутой обмотке возбуждения, и подает этот ток на упомянутую намагничивающую обмотку, при этом регулятор стабилизирует на заранее заданном уровне напряжение, выдаваемое с генераторной обмотки, управлением тока, который образуется на упомянутой обмотке возбуждения.
В устройствах управления выходным напряжением такого типа в качестве способа улучшения искажений формы выходного напряжения, выдаваемого с генераторной обмотки электрогенератора, используется изменение числа обмоток в соответствующих зазорах статорных обмоток, а также фазовый сдвиг и демпфирующая обмотка, что позволяет получить на выходе почти синусоидальную форму напряжения.
Как показано, например, в описании Патента 2, для снижения пульсаций момента в синхронных машинах, асинхронных машинах и др. при их использовании в качестве двигателя или для улучшения формы напряжения при использовании этих машин в качестве электрогенераторов, фазовый сдвиг создается формированием слоя электромагнитных стальных пластин, скрученных вокруг ротора или зазора. Применение фазового сдвига создает эффект снижения пульсаций момента и улучшения формы генерируемого напряжения за счет подавления резких изменений магнитного потока, электромагнитно связанного с обмоткой.
Что касается демпфирующей обмотки, то для этого, как показано, например, в описании Патента 3, в магнитных полюсах ротора на равных расстояниях между собой образовано несколько зазоров одинаковой формы, в эти зазоры вставлены проводящие стержни одинаковой формы из меди или латуни, а оба конца проводящих стержней запаяны в замкнутые кольца, образуя тем самым демпфирующую обмотку. Хотя демпфирующая обмотка, предназначенная для таких целей, как предотвращение рыскания, подавление обратного фазового тока и т.п., расположена на железном сердечнике замкнутого магнитного полюса электрогенератора с вращающимися замкнутыми полюсами, форма выходного напряжения может быть улучшена расположением демпфирующей обмотки с некоторым ее смещением от центра железного сердечника с замкнутыми магнитными полюсами.
Описание Патента 1 выложенная патентная заявка Японии №8-140400
Описание Патента 2 выложенная патентная заявка Японии №2004-248422
Описание Патента 3 выложенная патентная заявка Японии №4-172933
Краткое изложение сущности изобретения
Технические проблемы
Однако при описанном выше конфигурировании обмотки с целью улучшения формы выходного напряжения управление формой напряжения реализуется только при том условии, что нагрузка заранее задана, и поэтому в случае, когда коэффициент нагрузки электрогенератора отличается от заданного значения, коэффициент искажений совершенно не улучшается или же возникают даже условия для его ухудшения.
Кроме того, здесь возникает проблема того, что для реализации фазового сдвига и демпфирующей обмотки необходимы определенные технологические затраты и потому стоимость изготовления возрастает.
Таким образом, требуется устройство управления выходным напряжением электрогенератора, использующее такой способ улучшения коэффициента искажений, который был бы эффективен при произвольных условиях по нагрузке и не приводил бы к увеличению производственных затрат.
Целью настоящего изобретения, предложенного с позиции описанных выше обстоятельств, является предоставление устройства управления выходным напряжением электрогенератора, которое является универсальным и может быть реализовано при небольших затратах, обеспечивая при этом улучшение искажений формы выходного напряжения электрогенератора переменного тока.
Решение проблемы
Для достижения описанной выше цели настоящее изобретение, в соответствии с первой особенностью (пункт 1), отличается тем, что в устройстве управления выходным напряжением электрогенератора (1), который имеет генераторную обмотку (2) и обмотку возбуждения (3), намотанные на статоре, намагничивающую обмотку (5), намотанную на роторе (4), который вращается приводом, и выпрямитель (12), который выпрямляет ток, генерируемый упомянутой обмоткой возбуждения (3) и подает этот ток на упомянутую намагничивающую обмотку (5), имеется функциональный блок формирования намагничивающего тока (20), который подает намагничивающий ток на упомянутую намагничивающую обмотку (5) регулировкой момента времени формирования выходного сигнала ШИМ (широтно-импульсная модуляция).
Второй особенностью настоящего изобретения является то, что в устройстве управления выходным напряжением электрогенератора, в соответствии с пунктом 1, упомянутый функциональный блок формирования намагничивающего тока (20) содержит:
блок определения напряжения (22), который определяет выходное напряжение, генерируемое на упомянутой генераторной обмотке (2),
блок записи эталонного колебания (21), который записывает в качестве эталонного колебания синусоиду, коэффициент искажений которой составляет 0%,
блок сравнения (23), который сравнивает упомянутое выходное напряжение с упомянутым эталонным колебанием,
блок формирования (24), который увеличивает/уменьшает задержку момента формирования упомянутого выходного сигнала ШИМ, базируясь на результате, полученном упомянутым блоком сравнения (23).
Третьей особенностью настоящего изобретения по пункту 2, является то, что в устройстве управления выходным напряжением электрогенератора, в соответствии с пунктом 1, сравнение выходного напряжения с эталонным колебанием упомянутым блоком сравнения (23) осуществляется синхронно с моментом времени возбуждения упомянутого электрогенератора (1).
Четвертой особенностью настоящего изобретения по пункту 3, является то, что в устройстве управления выходным напряжением электрогенератора по пункту 1 упомянутый функциональный блок формирования намагничивающего тока (20) содержит блок записи табличных данных (25), в котором записываются моменты формирования сигналов ШИМ, в которые минимизируются коэффициенты искажений, определенные из ранее вычисленных данных коэффициентов искажений для различных типов рабочих условий упомянутого электрогенератора (1), и которые являются внутренними данными упомянутых различных типов рабочих условий, и определяет моменты времени формирования упомянутого намагничивающего тока в соответствии с упомянутыми внутренними данными, определяемыми в зависимости от различных типов рабочих условий упомянутого электрогенератора (1).
Пятой особенностью настоящего изобретения по пункту 4, является то, что в устройстве управления выходным напряжением электрогенератора по пункту 3 определение моментов формирования намагничивающего тока осуществляется в соответствии с внутренними данными, определяемыми в зависимости от различных типов рабочих условий электрогенератора (1), и проводится синхронно с моментами времени возбуждения упомянутого электрогенератора (1).
Преимущественные эффекты изобретения
В соответствии с настоящим изобретением, имеющим первую особенность (пункт 1), когда намагничивающий ток течет в намагничивающую обмотку (5), то регулированием момента времени формирования выходного сигнала ШИМ посредством функционального блока формирования намагничивающего тока 20, можно совместить начальные фазы ШИМ формирования намагничивающего тока с моментами времени, когда корректируются коэффициенты искажений, и тем самым становится возможным отрегулировать коэффициент искажений так, что он будет на точке минимума.
В соответствии с настоящим изобретением, имеющим вторую особенность, коэффициент искажений выходного напряжения можно улучшить тем, что форма выходного напряжения, выдаваемого электрогенератором (1), сравнивается с формой записанного эталонного напряжения, а намагничивающий ток управляется увеличением/уменьшением задержки момента формирования выходного сигнала ШИМ так, что разность между формой выходного напряжения и формой эталонного напряжения минимизируется.
В соответствии с настоящим изобретением, имеющим третью особенность, коэффициент искажений выходного напряжения может быть улучшен на каждом заранее заданном постоянном цикле тем, что сравнение выходного напряжения с эталонным колебанием осуществляется синхронно с моментом возбуждения электрогенератора (1).
В соответствии с настоящим изобретением, имеющим четвертую особенность, коэффициент искажений выходного напряжения может быть улучшен тем, что при управлении намагничивающим током определяется задержка моментов формирования сигналов ШИМ, ранее записанных в блоке записи табличных данных (25) в соответствии с рабочими условиями электрогенератора (1), по внутренним данным, при которых становится минимальным коэффициент искажений.
В соответствии с настоящим изобретением, имеющим пятую особенность, коэффициент искажений выходного напряжения может быть улучшен на каждом заранее заданном постоянном цикле тем, что моменты формирования намагничивающего тока определяются в соответствии с внутренними данными и синхронно с моментами возбуждения электрогенератора (1)
Краткое описание фигур чертежей
Фиг.1 - изображение, разъясняющее конфигурацию основных компонентов генератора, содержащего устройство управления выходным напряжением электрогенератора, в соответствии с одним осуществлением настоящего изобретения.
Фиг.2 - изображение временной диаграммы формирования намагничивания, на котором показаны моменты времени сигналов ШИМ, соответствующих форме колебания выходного напряжения электрогенератора, создаваемого устройством управления выходным напряжением настоящего изобретения.
Фиг.3 - изображение блок-схемы для получения моментов формирования намагничивания в устройстве управления выходным напряжением настоящего изобретения.
Фиг.4 - изображение графика, который показывает взаимосвязь между фазой сигнала ШИМ и коэффициентом искажений выходного напряжения при соответствующей нагрузке в устройстве управления выходным напряжением настоящего изобретения.
Фиг.5 - изображение блок-схемы, которая показывает другой пример конфигурации схемы формирования намагничивающего тока в устройстве управления выходным напряжением электрогенератора настоящего изобретения.
Описание осуществлений изобретения
Далее со ссылками на фигуры чертежей будет детально описано настоящее изобретение. На Фиг.1 представлено изображение, разъясняющее конфигурацию основных компонентов электрогенератора, содержащего устройство управления выходным напряжением в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения.
Электрогенератор 1 представляет собой известный генератор переменного тока и содержит генераторную обмотку 2 и обмотку возбуждения 3, намотанные на статоре, и намагничивающую обмотку 5, намотанную на роторе 4. На роторе 4 установлен постоянный магнит 6 для генерации тока возбуждения.
Ротор 4 синхронно вращается приводным двигателем (не показан). К маховому колесу 7 двигателя, которое синхронно вращается посредством коленчатого вала относительно ротора 4, прикреплен постоянный магнит 8, а обмоткой определения фазы двигателя 9, расположенной вблизи махового колеса 7, считывается момент возбуждения двигателя определением фазового угла двигателя.
Намагничивающая обмотка 5 подсоединена через щетку 11 к автоматическому регулятору напряжения (АРН) 10. Автоматический регулятор напряжения 10 содержит выпрямитель 12, к входам которого подсоединены оба конца обмотки возбуждения 3, конденсатор 13, расположенный между выпрямителем 12 и землей, и предназначенный для сглаживания выходного напряжения выпрямителя 12, запирающий диод 14, подсоединенный параллельно намагничивающей обмотке 5, транзистор 15 для питания намагничивающей обмотки 5 намагничивающим током при отпирании и запирании транзистора, и схему формирования намагничивающего тока (функциональный блок формирования намагничивающего тока) 20 для управления широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) намагничивающего тока. Один конец намагничивающей обмотки 5 подсоединен к выходу выпрямителя 12, а другой конец намагничивающей обмотки 5 подсоединен к коллектору транзистора 15.
Запирающий диод 14 устанавливается для сглаживания намагничивающего тока и подавления выбросов напряжения, которые возникают в момент прекращения подачи напряжения в случае, когда намагничивающий ток, проходящий в намагничивающую обмотку 5, управляется ШИМ.
Схема формирования намагничивающего тока 20 содержит блок записи эталонного колебания 21 для записи синусоиды (эталонное колебание), представляющей собой эталон, блок определения напряжения 22 для определения формы колебания выходного напряжения генератора 1, блок сравнения 23 для сравнения эталонного колебания с формой колебания выходного напряжения и блок формирования 24, который подает сигнал формирования на транзистор 15.
Блок записи эталонного колебания 21 прежде всего вычисляет синусоидальное колебание, коэффициент искажений которого предварительно принимается за 0%, и записывает это синусоидальное колебание в качестве эталонного колебания.
Блок определения напряжения 22 подсоединен к генераторной обмотке 2 для определения выходного напряжения генератора 1.
Блок сравнения 23 вычисляет разность δ между эталонным колебанием и формой колебания выходного напряжения. Упомянутая разность δ между эталонным колебанием и формой колебания выходного напряжения определяется как δ=∫ (выходное напряжение - эталонное синусоидальное колебание) dt и соответствует области наклонных линий формы колебания выходного напряжения, показанной на Фиг.2.
При вычислении разности δ между эталонным колебанием и формой колебания выходного напряжения, которое проводит блок сравнения 23 (сравнение выходного напряжения с эталонным колебанием), постоянным магнитом 8, прикрепленным к маховому колесу 7, определяется фазовый угол двигателя (момент времени возбуждения), эта величина задается в качестве опорного момента То (сигнал определения фазы двигателя на Фиг.2) и определяется начальный момент Tf ШИМ возбуждения магнитного поля управлением запаздывания, используя для этого опорный момент То в качестве момента начала отсчета.
Разность δ между эталонным колебанием и формой колебания выходного напряжения вычисляется блоком сравнения 23 синхронно с моментом возбуждения двигателя, введением для этого опорного момента времени с обмотки определения фазы двигателя 9, а также вычислением и заданием вычисленного момента времени разности 8 в каждый последующий момент времени момента возбуждения двигателя.
Блок формирования 24 регулирует момент времени формирования выходного сигнала ШИМ увеличением или уменьшением задержки момента формирования намагничивающего поля Tf с тем, чтобы минимизировать разность δ между эталонным колебанием и формой колебания выходного напряжения, а также подает намагничивающий ток на намагничивающую обмотку 5 управлением отпирания и запирания транзистора 15 подачей сигнала ШИМ на базу транзистора 15.
Увеличение/уменьшение задержки момента формирования намагничивающего поля Tf проводится в соответствии с блок-схемой, показанной на Фиг.3.
Намагничивающий ток управляется задержкой начального момента времени Tf сигнала ШИМ, формирующего намагничивающий ток, относительно опорного момента времени То. В качестве начального значения величины задержки относительно опорного момента времени То предварительно задается Tf0.
n
Сначала при вычислении момента времени (момент времени первого возбуждения) вычисляется разность δ между эталонным колебанием и формой колебания выходного напряжения (этап 31).
Затем величина, полученная добавлением заданного значения dt, которая является заранее заданной константой, к начальному значению Tf0 величины задержки опорного момента времени То, задается в качестве нового начального момента времени формирования намагничивающего поля Tf (этап 32).
n+1
При следующем вычислении момента времени (момент времени третьего возбуждения) вычисляется разница δ между эталонным колебанием и формой колебания выходного напряжения (этап 33).
n
n+1
n+1
n
n+1
n
n+1
Когда δ сравнивается с δ (этап 34) и δ оказывается больше, чем δ, то δ заменяется на δ (этап 35), а величина, полученная прибавлением заранее заданной величины dt к Tf в предыдущий момент вычисления (момент времени вычисления δ), задается в качестве нового значения момента времени Tf формирования магнитного поля (этап 32).
n
n+1
n+1
n
n+1
n
n+1
Когда δ сравнивается с δ (этап 34) и δ оказывается больше, чем δ, то δ заменяется на δ (этап 36), а величина, полученная вычитанием заранее заданной величины dt из Tf в предыдущий момент вычисления (момент времени вычисления δ), задается в качестве нового значения момента времени Tf формирования магнитного поля (этап 37).
После этого последовательно (в каждый последующий момент времени возбуждения) настраивается (увеличивается или уменьшается) задержка момента времени формирования Tf сигнала ШИМ, который управляет намагничивающим током, повторением операций таким образом, чтобы минимизировалась разность δ между эталонным колебанием и формой колебания выходного напряжения.
Далее будет описана работа схемы формирования намагничивающего тока 20, показанной на Фиг.1.
Когда ротор 4 вращается двигателем или аналогичным приводом, то магнитным полем постоянного магнита 6 индуцируется ток в обмотке возбуждения 3. Этот ток выпрямляется выпрямителем 8 и подается на намагничивающую обмотку 5 в качестве постоянного тока возбуждения.
Когда в генераторе 1 током, проходящим по намагничивающей обмотке 5, индуцируется ток в генераторной обмотке 2, то магнитным полем, создаваемым этим током, на намагничивающей обмотке 5 индуцируется обратная электродвижущая сила. Поскольку ток, проходящий по намагничивающей обмотке 5, увеличивается/уменьшается этой обратной электродвижущей силой, то выходное напряжение генераторной обмотки 2 изменяется.
Напряжение (выходное напряжение генератора 1), возникающее на генераторной обмотке 2, определяется в соответствии с током, проходящим по намагничивающей обмотке 5. Кроме того, известно, что коэффициент искажений выходного напряжения изменяется фазой (моментом времени) сигнала ШИМ, управляющего намагничивающим током.
0
1
2
3
Заметим, что если компоненты постоянного тока напряжения переменного тока с несинусоидальной формой колебания обозначить через V, V, V, V… (соответствующие действующие значения), то коэффициент искажений (k%) представляет собой отношение полных гармоник и основного колебания и вычисляется по следующему уравнению.
[Уравнение 1]
Таким образом, данное осуществление изобретения обеспечивает управление таким образом, что форма колебания выходного напряжения принудительно приближается к эталонному колебанию определением выходного напряжения генераторной обмотки 2, сравнением формы колебания выходного напряжения с эталонным колебанием схемой формирования намагничивающего тока (функциональный блок формирования намагничивающего тока) 20 и изменяемой настройкой задержки момента формирования сигнала ШИМ.
То есть, коэффициент искажений выходного напряжения может быть улучшен изменяемой настройкой момента времени формирования сигнала ШИМ, являющегося намагничивающим током намагничивающей обмотки 5, и принудительным приближением формы колебания выходного напряжения, возникающего на генераторной обмотке 2, к форме эталонного колебания.
Например, когда к генератору 1 подсоединены различные нагрузки А, В, С и D, то даже в случае, если фазы моментов формирования выходных сигналов ШИМ, коэффициенты искажений которых, минимизированные к соответствующим нагрузкам, различаются, как это показано на Фиг.4, моменты формирования выходных сигналов ШИМ настраиваются схемой управления намагничивающим током 20 так, что начальные фазы сигналов ШИМ управления намагничивающим током могут быть совмещены с моментами корректировки искажений формы колебания. В результате, коэффициент искажений выходного напряжения может принимать минимальное значение в соответствии с данной нагрузкой,
На Фиг.5 показан другой пример осуществления схемы формирования намагничивающего тока (функционального блока формирования намагничивающего тока) 20. В то время как схема формирования намагничивающего тока 20 на Фиг.1 определяет момент времени формирования намагничивающего тока, последовательно определяя форму выходного напряжения и сравнивая форму выходного напряжения с эталонным колебанием (метод вычисления через форму колебания выходного напряжения), в настоящем примере осуществления изобретения определение момента формирования намагничивающего тока проводится с использованием заранее записанных внутренних данных (табличные данные), т.е. методом ссылки на табличные данные.
А именно, схема формирования намагничивающего тока 20 содержит блок записи табличных данных 25 для записи моментов времени формирования сигналов ШИМ, как совокупности элементов табличных данных, блок определения рабочих условий 26 для определения различных типов условий работы электрогенератора 1, блок выбора табличных данных 27 для определения момента формирования выбором табличных данных в соответствии с различными типами рабочих условий электрогенератора 1 и блок формирования 26 для подачи управляющих сигналов на транзистор 15 в момент формирования, определенный по табличным данным.
Блок записи табличных данных 25 предварительно получает в качестве рабочих условий данные о коэффициентах искажений формы синусоидального колебания выходного напряжения электрогенератора 1 при использовании различных нагрузок, данные о коэффициентах использования мощности нагрузки, данные о числе оборотов двигателя и другие данные и хранит моменты времени формирования сигналов ШИМ, при которых минимизируются коэффициенты искажения выходного напряжения, соответствующие различным типам рабочих условий, в виде совокупности элементов табличных данных.
Блок определения рабочих условий 26 подсоединен к генераторной обмотке 2 и определяет выходное напряжение электрогенератора 1. Кроме того, блок определения рабочих условий 26 определяет различные типы рабочих условий электрогенератора 1, такие как токи нагрузки, коэффициенты использования мощности нагрузки, число вращений двигателя и другие данные соответствующими сенсорами (не показаны), которые установлены на электрогенераторе 1.
Блок выбора табличных данных 27 выбирает табличные данные, минимизирующие коэффициенты искажений при конкретных рабочих условиях в соответствии с различными типами рабочих условий электрогенератора 1, определенных блоком определения рабочих условий 26, и устанавливает моменты времени формирования намагничивающего тока.
Табличные данные, которые соответствуют рабочему состоянию в данный момент времени, выбираются синхронно с моментами возбуждения при каждом новом моменте времени возбуждения двигателя вводом опорного момента времени в блок выбора табличных данных 27 из обмотки определения фазы двигателя 9.
Блок формирования 24 обеспечивает управление отпиранием/запиранием транзистора 15 подачей сигнала ШИМ на базу транзистора 15 в момент времени формирования, когда выдается сигнал ШИМ в соответствии с табличными данными, выбранными блоком выбора табличных данных 27, и посылает намагничивающий ток на намагничивающую обмотку 5.
В соответствии с различными типами осуществления схемы формирования намагничивающего тока (функционального блока формирования намагничивающего тока) 20, описанными выше, когда намагничивающий ток посылается на намагничивающую обмотку 5, момент времени формирования выходного сигнала ШИМ регулируется схемой формирования намагничивающего тока 20. Поэтому начальные фазы ШИМ формирования намагничивающего тока совмещаются с моментами времени, в которые корректируется искажение формы колебания, и коэффициент искажений выходного напряжения электрогенератора 1 может быть улучшен за счет принудительного приближения выходного напряжения к форме синусоидального колебания.
Следовательно, при улучшении искажений формы выходного колебания электрогенератора переменного тока становится возможным улучшить коэффициент искажений выходного напряжения регулировкой момента формирования выходного сигнала ШИМ посредством схемы формирования намагничивающего тока 20, и поэтому такое улучшение может быть получено только изменением программы, без использования дополнительных аппаратных компонентов, в результате чего улучшение коэффициента искажений носит универсальный характер, и такое улучшение может быть реализовано с небольшими затратами.
Список ссылок
1 - электрогенератор
2 - генераторная обмотка
3 - обмотка возбуждения
4 - ротор
5 - намагничивающая обмотка
6 - постоянный магнит
7 - маховое колесо
8 - постоянный магнит
9 - обмотка определения фазы двигателя
10 - автоматический регулятор напряжения (АРН)
12 - выпрямитель
14 - запирающий диод
20 - схема формирования намагничивающего тока (функциональный блок формирования намагничивающего тока)
21 - блок записи эталонного колебания
22 - блок определения напряжения
23 - блок сравнения
24 - блок формирования
25 - блок записи табличных данных
26 - блок определения рабочих условий
27 - блок выбора табличных данных