ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА СТАБИЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ
GENERATOR SET WITH FIXED FREQUENCY

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромашинным преобразователям энергии, вырабатывающим переменный ток заданной частоты и напряжения.
Известны генераторы стабильной частоты при переменной скорости вращения приводного двигателя (М.Л.Костырев, А.И.Скороспешкин. «Автономные асинхронные генераторы с вентильным возбуждением». М., Энергоиздат, 1993 г.), в которых стабильность выходной частоты обеспечивается с помощью специальных устройств электроники.
Известен также «Автономный каскадный генератор стабильной частоты» (патент РФ №2095926, кл. МКИ 6 H02K 47/20), обеспечивающий стабильность выходных параметров частоты тока и амплитуды напряжения. Установка, выполненная по схеме изобретения, содержит задающий статический генератор, вырабатывающий переменный ток стабильной частоты для возбуждения вращающегося магнитного поля в первой электрической машине каскадного генератора. Роторная обмотка первой электрической машины соединена с роторной обмоткой второй электрической машины, причем роторы первой и второй электрических машин механически связаны общим валом, а между выходом генератора и задающим генератором выполнена обратная связь по напряжению. Такое схемное решение обеспечивает стабильность параметров выходного напряжения и частоты генератора при изменении скорости вращения приводного вала, однако, наличие двух электрических машин существенно ухудшает массогабаритные показатели генератора, приводит к его удорожанию.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой генераторной установке является «Машинно-вентильный источник напряжения стабильной частоты» (Авт. свидетельство СССР №1310996 А1, кл. МКИ Н02Р 9/42), содержащий задающий статический генератор и электромашинный силовой генератор, включающий в себя цепи управления возбуждением, электрически связанные контуром обратной связи по напряжению с задающим генератором. Установка, выполненная по схеме изобретения, позволяет уменьшить мощность задающего генератора за счет использования части мощности силового генератора для создания совместно с задающим генератором суммарного тока возбуждения, достаточного для формирования магнитного потока требуемой интенсивности в выходных обмотках силового генератора в условиях изменения скорости вращения приводного вала. Контур обратной связи по напряжению, образованный цепью из последовательно включенных между выходом силового генератора и обмоткой возбуждения силового генератора вентильного преобразователя и стабилизатора переменного напряжения, способствует стабилизации выходного напряжения силового генератора в условиях колебаний нагрузки и скоростного режима приводного вала. Однако следует отметить, что в случае необходимости существенного расширения диапазона частот вращения приводного вала (в два-три раза и более) мощность, необходимая для поддержания режима стабильного напряжения на выходе силового генератора, будет соизмерима с его выходной мощностью, что обусловлено, например, при снижении оборотов уходом с полосы резонансных частот (45…60) Гц силовой электрической машины. Это, в свою очередь, потребует умощнения стабилизатора переменного напряжения и, в конечном результате, ухудшит массогабаритные и энергетические показатели установки. Кроме того, синхронные генераторы промышленной частоты (50…60) Гц сами по себе имеют значительные массу и габариты.
Изобретение решает задачу уменьшения машинной массы, улучшения энергетических показателей, в частности увеличение показателя удельной мощности генератора до 0,25 кВт/кг, уменьшение мощности задающего генератора до (6…7) Вт/кВт выходной мощности, при этом скоростной режим приводного двигателя может изменяться в пределах от 25% до 100% его номинального значения при сохранении стабильности параметров выходного напряжения и частоты генератора. Одновременно устройство генератора по схеме изобретения позволяет изменять в широких пределах параметры частоты и выходного напряжения без ухудшения качества их стабилизации.
сил.
зад.
Задача решается тем, что силовой генератор имеет повышенную номинальную частоту преобразования относительно частоты задающего генератора в соотношении: f=(3…12)f, а между его выходными клеммами и выходными контактами установки последовательно включен управляемый выпрямитель с функцией переключателя полярности, соединенный по управляющему входу через детектор полярности с выходом задающего генератора, дополнительно, задающий генератор выполнен с возможностью регулирования частоты и изменения амплитуды выходного напряжения.
На чертеже представлен один из вариантов реализации изобретения, где 1 - задающий статический генератор; 2 - электромашинный силовой генератор; 3 - цепи управления возбуждением; 4 - контур обратной связи по напряжению; 5, 6, 7 - выходные клеммы силового генератора; 8.1, 8.2 - выпрямитель-переключатель полярности; 9.1, 9.2 - детектор полярности; 10.1, 10.2 - выходные контакты установки; 11, 12 - интегрирующая RC цепь; 13 - элемент сравнения с прямым - с и инверсным - d входами; 14, 15 - транзисторный ключ и регулирующий резистор в цепи управления током возбуждения.
зад.
сил.
зад
Задающий статический генератор 1 вырабатывает напряжение заданной частоты и амплитуды, например заданный параметр частоты f=50 Гц, содержит на выходе трансформатор с бифилярной вторичной обмоткой и диодный выпрямитель. Выпрямленное пульсирующее напряжение с выхода генератора 1 поступает через отсекающий диод и интегрирующую RC цепь на прямой вход - с элемента сравнения 13 контура 4 обратной связи по напряжению; на другой инверсный вход - d элемента сравнения 13 с выхода генератора 2 поступает выпрямленное и сглаженное напряжение, равное по амплитуде выходному напряжению установки. При снижении выходного напряжения генератора 2 ниже уровня напряжения на прямом входе элемента сравнения 13 на выходе последнего формируется положительный потенциал, в результате чего включается транзисторный ключ 14. Ток в обмотке возбуждения ОВГ генератора 2 возрастает, одновременно растет напряжение на выходе генератора 2 - клеммы 5, 6, 7. Выпрямленное напряжение с выхода блока 8.2 поступает на RC цепь контура обратной связи по напряжению - блок 4. Переключатель полярности выполнен по трехфазной мостовой двунаправленной схеме на оптронных тиристорах. Сигналы управления включением тиристоров формируются поочередным включением светодиодов 1-1 и 2-2 детекторов полярности 9.1 и 9.2 в каждом полупериоде. На выходных контактах 10.1 и 10.2 установки в процессе переключения оптронных тиристоров блока 8.1 формируются положительные и отрицательные импульсы напряжения, приближенные по форме к синусоиде. В каждом полупериоде импульс выходного напряжения складывается из нескольких униполярных импульсов выходного напряжения силового генератора, работающего на повышенной частоте, превышающей частоту задающего генератора более чем в три раза. Данное условие необходимо для сокращения паузы между импульсами выходного напряжения до уровня 3 мс и менее. Чем выше разница частот задающего и силового генераторов, тем короче может быть установлена пауза между положительным и отрицательным импульсами выходного напряжения и тем выше качество выходного напряжения. Верхний предел серийных промышленных генераторов ограничивается частотами 400, 600 Гц, следовательно, диапазон рабочих частот может быть определен в пределах 150…600 Гц. Частота преобразования силового генератора непосредственно связана с частотой вращения его приводного вала. Таким образом, проектные показатели изменения скорости привода, не влияющие на стабильность выходного напряжения на заданной частоте 50 Гц, имеют соотношение f=(3…12)f. Генераторная установка, выполненная по схеме изобретения, содержит один силовой электромашинный агрегат повышенной частоты, что означает существенное снижение массы и габаритов установки, например в случае использования синхронного генератора постоянного тока в качестве агрегата повышенной частоты (150…600) Гц, имеющего многовитковую обмотку возбуждения, достигается не только снижение машинной массы генератора до 0,25 кВт/кГ, но и уменьшение мощности задающего генератора до уровня (6…7) Вт на каждый кВт выходной мощности установки. При этом скоростной режим работы силового генератора может быть задан в диапазоне частот (1500…6000) об/мин. Стабилизация амплитуды выходного напряжения обеспечивается системой обратной связи по напряжению, интегрирующие цепи которой задают необходимую степень устойчивости регулирования при перепадах нагрузки.
В случае снижения частоты задающего генератора, например, от 50 Гц до 1,0 Гц выходная частота установки также будет изменяться в том же диапазоне, изменение амплитуды выходного напряжения задающего генератора позволяет изменять эквивалентно выходное напряжение установки, - все это существенно расширяет функциональные возможности установки, позволяет использовать ее, дополнительно, для регулируемого электропривода, плавного пуска электродвигателей, стабилизации скорости вращения выходных нагрузок и другого.
В качестве входного приводного механизма установки могут быть использованы ветряные и водяные колеса, валы отбора мощности автомобилей и тракторов, что во многих случаях позволяет автономно использовать изобретение без агрегатирования установки с ДВС.