коммутируемый синхронный генератор с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения

Формула изобретения

Коммутируемый синхронный генератор с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения, содержащий датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора, управляемый источник постоянного тока, полупроводниковый коммутатор, силовой вход которого связан с выходом управляемого источника постоянного тока, многосекционную замкнутую обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности индуктора, соединены последовательно согласно, а их выводы подключены к выходам полупроводникового коммутатора, выполненного с возможностью поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения и числу секций обмотки возбуждения на пару полюсов, диаметрально противоположных выводов секций обмотки возбуждения к выходу управляемого источника постоянного тока, регулятор возбуждения, выход которого связан с входом управляемого источника постоянного тока, датчик напряжения, выход которого связан с первым входом регулятора возбуждения, а вход - с выходом генератора, задатчик напряжения, выход которого связан со вторым входом регулятора возбуждения, задатчик частоты, схему сравнения, компаратор, причем первые входы схемы сравнения и компаратора соединены с выходом задатчика частоты, а вторые - с выходом датчика частоты вращения, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, и распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом компаратора, отличающийся тем, что в него с целью экстремального управления несинусоидальностью генерируемого напряжения дополнительно введены датчик несинусоидальности напряжения, вход которого соединен с выходом генератора, вычислитель, вход которого соединен с выходом датчика несинусоидальности напряжения, делитель частоты, вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, а выход - со вторым входом распределителя импульсов, и схема регулирования длительности импульсов, тактовый вход которой соединен с выходом управляемого генератора импульсов, установочный вход - с выходом вычислителя, а управляющие входы - с соответствующими выходами распределителя импульсов, выходы схемы регулирования длительности импульсов связаны с соответствующими управляющими входами полупроводникового коммутатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерирования напряжения стабильной частоты в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала приводного двигателя, например в ветроэнергетических установках, малых гидроэлектростанциях, дизель-электроустановках с регулированием частоты вращения в зависимости от нагрузки, в электроустановках с приводом от маршевого двигателя.

Известен электромеханический преобразователь энергии с полупроводниковым коммутатором [Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978, с.235], в котором вращение магнитного потока статора создается в результате согласованного с вращением ротора последовательного подключения секций обмотки статора к источнику постоянного тока с помощью управляемых полупроводниковых вентилей. Данная машина надежна в работе, однако при использовании ее в режиме генератора переменного тока стабильной частоты (при переменной скорости вращения ротора) коммутатором, выступающим в этом случае в качестве преобразователя частоты, будет преобразовываться полный поток выходной мощности машины, что обусловливает завышенную установленную мощность вентилей, снижает КПД устройства и вносит большие искажения в форму кривой генерируемого напряжения.

Известен также генератор переменного тока [FR, патент, 2303410, кл. Н02F 9/14, 1976], предназначенный для производства переменного электрического тока постоянной частоты при переменной скорости вращения вала приводного двигателя и содержащий полупроводниковый коммутатор, замкнутую многосекционную обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности статора, соединены последовательно-согласно, а их выводы подключены через полупроводниковый коммутатор к управляемому источнику постоянного тока, датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора. Но это устройство не обеспечивает стабилизацию частоты выходного напряжения и минимизацию несинусоидальности этого напряжения при изменении скорости вращения вала генератора в широком диапазоне, поскольку в этом устройстве отсутствуют признаки, направленные на возможность поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения, диаметрально противоположных выводов секций многосекционной замкнутой обмотки возбуждения к источнику постоянного тока.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты [RU, патент, 2103800, Н02Р 9/42, 1998], содержащий датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора, управляемый источник постоянного тока, полупроводниковый коммутатор, силовой вход которого связан с выходом управляемого источника постоянного тока, многосекционную замкнутую обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности индуктора, соединены последовательно согласно, а их выводы подключены к выходам полупроводникового коммутатора, выполненного с возможностью поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения и числу секций обмотки возбуждения на пару полюсов, диаметрально противоположных выводов секций обмотки возбуждения к выходу управляемого источника постоянного тока, регулятор возбуждения, выход которого связан с входом управляемого источника постоянного тока, датчик напряжения, выход которого связан с первым входом регулятора возбуждения, а вход - с выходом генератора, задатчик напряжения, выход которого связан со вторым входом регулятора возбуждения, задатчик частоты, схему сравнения, компаратор, причем первые входы схемы сравнения и компаратора соединены с выходом задатчика частоты, а вторые - с выходом датчика частоты вращения, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, и распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом компаратора. Достоинством прототипа является возможность поддерживания постоянства частоты генерируемого им переменного электрического напряжения в широком диапазоне изменения частот вращения. В то же время наличие коммутаций секций обмотки возбуждения данной электрической машины, обусловленное принципом ее действия, влечет за собой некоторое ухудшение качества формы кривой генерируемого напряжения за счет появления в нем нежелательных гармоник, состав которых зависит как от частоты вращения вала, так и от величины и характера случайным образом изменяющейся нагрузки. Однако рассматриваемое устройство не обеспечивает минимизацию искажений формы кривой выходного напряжения, поскольку в прототипе отсутствуют признаки, направленные на реализацию такой возможности.

Изобретение направлено на уменьшение искажений формы кривой генерируемого напряжения в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала приводного двигателя на базе коммутируемого синхронного генератора.

Сущность изобретения состоит в том, что от известного коммутируемого синхронного генератора стабильной частоты предлагаемый коммутируемый синхронный генератор с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения, содержащий датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора, управляемый источник постоянного тока, полупроводниковый коммутатор, силовой вход которого связан с выходом управляемого источника постоянного тока, многосекционную замкнутую обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности индуктора, соединены последовательно согласно, а их выводы подключены к выходам полупроводникового коммутатора, выполненного с возможностью поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения и числу секций обмотки возбуждения на пару полюсов, диаметрально противоположных выводов секций обмотки возбуждения к выходу управляемого источника постоянного тока, регулятор возбуждения, выход которого связан с входом управляемого источника постоянного тока, датчик напряжения, выход которого связан с первым входом регулятора возбуждения, а вход - с выходом генератора, задатчик напряжения, выход которого связан со вторым входом регулятора возбуждения, задатчик частоты, схему сравнения, компаратор, причем первые входы схемы сравнения и компаратора соединены с выходом задатчика частоты, а вторые - с выходом датчика частоты вращения, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, и распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом компаратора, отличается тем, что уменьшение искажений формы кривой генерируемого напряжения достигается за счет того, что в него с целью экстремального управления несинусоидальностью этого напряжения дополнительно введены датчик несинусоидальности напряжения, вход которого соединен с выходом генератора, вычислитель, вход которого соединен с выходом датчика несинусоидальности напряжения, делитель частоты, вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, а выход - со вторым входом распределителя импульсов, и схема регулирования длительности импульсов, тактовый вход которой соединен с выходом управляемого генератора импульсов, установочный вход - с выходом вычислителя, а управляющие входы - с соответствующими выходами распределителя импульсов, выходы схемы регулирования длительности импульсов связаны с соответствующими управляющими входами полупроводникового коммутатора.

На фиг.1 представлена схема коммутируемого синхронного генератора с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения. Схема содержит три контура регулирования.

Первый контур служит для стабилизации выходной частоты генератора 1 с многосекционной замкнутой обмоткой возбуждения 2 и включает в себя датчик частоты вращения 3, механически связанный с валом 4 генератора 1, схему сравнения 5, управляемый генератор импульсов 6, делитель частоты 7, распределитель импульсов 8, схему регулирования длительности импульсов 9, полупроводниковый коммутатор 10 и генератор 1. Задание требуемой выходной частоты осуществляется с помощью задатчика частоты 11, сигнал с которого поступает на первый вход схемы сравнения 5. Информация о текущей частоте вращения вала 4 поступает с датчика частоты вращения 3 на второй вход схемы сравнения 5. Определение направления коммутации выводов многосекционной замкнутой обмотки возбуждения 2 осуществляется с помощью компаратора 12, на первый вход которого с выхода задатчика частоты 11 подается сигнал о требуемой выходной частоте, на второй вход с выхода датчика частоты вращения 3 поступает сигнал о текущей частоте вращения, а выход компаратора 12 соединен с первым входом распределителя импульсов 8.

Второй контур обеспечивает стабилизацию генерируемого напряжения и содержит датчик напряжения 13, своим входом подключенный к выходу 14 генератора, регулятор возбуждения 15, управляющий источником постоянного тока 16, полупроводниковый коммутатор 10 и генератор 1. Требуемое значение выходного напряжения устанавливается с помощью задатчика напряжения 17, сигнал с которого поступает на второй вход регулятора возбуждения 15.

Третий контур необходим для уменьшения искажений формы кривой генерируемого напряжения путем реализации экстремального управления и включает датчик несинусоидальности напряжения 18, своим входом подключенный к выходу 14 генератора 1, вычислитель 19, вход которого соединен с выходом датчика несинусоидальности напряжения 18, схему регулирования длительности импульсов 9, установочный вход которой связан с выходом вычислителя 19, полупроводниковый коммутатор 10 и генератор 1.

На фиг.2 изображены эпюры выходных напряжений делителя частоты 7 (фиг.1) - u_ДЧ, распределителя импульсов 8 - u_РИ1, u_РИ2 , u_РИ3, ..., u_РИm-1 , u_РИm и схемы регулирования длительности импульсов 9 - u_СРД1 u_СРД2 , u_СРД3, ..., u_СРДm-1 , u_CPm, причем последние эпюры для наглядности показаны для двух случаев: сплошной линией - при длительности импульсов t_и1, когда импульсы соседних выходов перекрывают друг друга в течение времени t _пр, а пунктирными линиями - при длительности импульсов t_и2, когда между импульсами соседних выходов имеются паузы длительностью t_пз.

На фиг.3 приведена блок-схема поискового алгоритма работы вычислителя 19 (фиг.1), обеспечивающего экстремальное управление несинусоидальностью формы кривой генерируемого устройством напряжения. На блок-схеме обозначено: N₀ - двоичный код вычислителя 19, соответствующий длительности импульсов на выходе схемы регулирования длительности импульсов 9 t_и=t _иРИ, где t_иРИ - длительность импульсов на выходе распределителя импульсов 8, т.е. когда t _пр=t_пз=0 (фиг.2); N _min, N_max - двоичные коды, задающие соответственно минимальное и максимальное значения относительной длительности импульсов _и=t_и/t _иРИ; U_N - напряжение, поступающее на вход вычислителя 19 (фиг.1) с выхода датчика несинусоидальности напряжения 18 при двоичном коде N, выданном с выхода вычислителя 19 на установочный вход схемы регулирования длительности импульсов 9; а U_N-1, U_N+1 - напряжения, поступающие на вход вычислителя с выхода датчика несинусоидальности 18 соответственно при уменьшении и увеличении этого двоичного кода N на единицу.

Схема сравнения 5 (фиг.1), управляемый генератор импульсов 6, делитель частоты 7, распределитель импульсов 8 и компаратор 12 в совокупности представляют собой регулятор частоты, служащий для управления ключами полупроводникового коммутатора 10. Задатчик частоты 11, задатчик напряжения 17, регулятор возбуждения 15, датчик частоты вращения 3, датчик напряжения 13, схема сравнения 5 и компаратор 12 могут быть реализованы по известным схемам, в том числе и с применением цифровой техники. В качестве управляемого генератора импульсов 6 может использоваться, например, преобразователь напряжения в частоту интегрального исполнения. Распределитель импульсов 8 может быть выполнен на основе реверсивных сдвиговых регистров. Полупроводниковый коммутатор 10 построен на полностью управляемых ключах двустороннего действия, которые могут быть реализованы с использованием комплементарных транзисторных пар. Число ключей двустороннего действия коммутатора 10 соответствует числу m соединенных с его выходами секций обмотки возбуждения 2, которое является кратным числу полюсов 2р. Обмотка возбуждения 2 конструктивно может быть выполнена по типу якорной обмотки машины постоянного тока.

Датчик несинусоидальности напряжения 18 (фиг.1) в своем составе содержит режекторный фильтр и прецизионный выпрямитель: режекторный фильтр необходим для подавления в третьем контуре регулирования основной гармоники генерируемого напряжения, снимаемого с выхода 14 генератора 1, а прецизионный выпрямитель обеспечивает получение средневыпрямленного значения напряжения, содержащего в своем составе гармоники, оставшиеся после подавления режекторным фильтром основной из них. Режекторный фильтр и прецизионный выпрямитель реализуются по известным схемам, в том числе и с применением цифровой техники.

Вычислитель 19 (фиг.1) обеспечивает экстремальное управление несинусоидальностью формы кривой генерируемого напряжения, может быть выполнен по известным схемам, в том числе и с применением цифровой техники, реализующим соответствующие методы нахождения экстремума [Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. - М.: Высш. шк., 1989, с.142-162]. На вход вычислителя 19 подается средневыпрямленное напряжение с выхода прецизионного выпрямителя, входящего в состав датчика несинусоидальности генерируемого напряжения 18. Это средневыпрямленное напряжение используется для косвенной оценки степени несинусоидальности формы кривой генерируемого напряжения, а целью управления является обеспечение минимума этого средневыпрямленного напряжения во всем диапазоне изменения как частоты вращения вала, так и величины и характера случайной нагрузки.

Схема регулирования длительности импульсов 9 (фиг.1, 2) обеспечивает формирование управляющего параметра в третьем контуре регулирования. Для чего на установочный вход этой схемы с выхода вычислителя 19 поступает соответствующий код N, задающий требуемую длительность t_и импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора 10 на ее выходах, то есть требуемое значение управляющего параметра. Код N, поступающий на установочный вход, записывается в двоичные счетчики, имеющиеся в составе схемы регулирования длительности импульсов 9, а импульсы, поступающие на тактовый вход данной схемы с выхода управляемого генератора импульсов 6, с каждым тактом увеличивают код счетчиков, при этом переполнение счетчиков вызывает формирование заднего фронта импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора 10 на выходах схемы регулирования длительности импульсов 9, а формирование переднего фронта этих импульсов происходит при поступлении импульсов на управляющие входы схемы регулирования длительности импульсов 9 с соответствующих выходов распределителя импульсов 8. Таким образом, большему двоичному коду N соответствует меньшая длительность импульсов управления ключами и наоборот, причем изменение длительности этих импульсов производится с дискретностью, зависящей от разрядности счетчиков, а следовательно определяющей и точность экстремального управления несинусоидальностью формы кривой генерируемого напряжения. Согласование работы счетчиков схемы регулирования длительности импульсов 9 и распределителя импульсов 8, необходимое при изменении частоты импульсов на выходе управляемого генератора импульсов 6, обеспечивается делителем частоты 7.

Вращение магнитного потока возбуждения при частотах вращения ротора, отличных от синхронной, в предлагаемом устройстве создается в результате согласованного с частотой скольжения последовательного подключения секций обмотки возбуждения 2 (фиг.1) к источнику постоянного тока 16 аналогично созданию вращающегося магнитного потока статора в известном коммутируемом синхронном генераторе стабильной частоты [RU, патент, 2103800, Н02Р 9/42, 1998]. Обмотка якоря генератора 1 может быть выполнена в обычных для синхронных машин исполнениях, а электропитание системы возбуждения генератора 1 может осуществляться как от выхода 14 устройства с использованием в качестве источника постоянного тока 16 управляемого выпрямителя (режим самовозбуждения коммутируемого синхронного генератора с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения), так и от некоторого независимого источника, например от отдельного электромашинного возбудителя, находящегося на одном валу 4 с генератором 1.

Работа устройства заключается в следующем.

Очевидно, что принцип формирования кривой выходного напряжения в коммутируемом синхронном генераторе аналогичен составлению кривой выходного напряжения из участков следующих друг за другом кривых входного напряжения в непосредственных полупроводниковых преобразователях частоты [Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты / Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, - 1983. - 400 с.], поскольку коммутируемый синхронный генератор в общем случае можно рассматривать как совокупность m условных синхронных генераторов, при этом кривая генерируемого напряжения с желаемой частотой формируется из участков кривых m-фазной симметричной системы напряжений [Семергей С.В. Оценка качества выходного напряжения коммутируемого синхронного генератора // Известия вузов. Электромеханика, - 2004. - №4, с.21-24]. Однако при реализации этого принципа имеют место коммутационные процессы, которые обуславливают присутствие искажающих гармоник в генерируемом напряжении, т.е. некоторую несинусоидальность формы его кривой. Причем в коммутируемом синхронном генераторе гармонический состав выходного напряжения зависит как от частоты коммутации выводов секций обмотки возбуждения, т.е. от частоты вращения вала, так и от величины и характера случайным образом изменяющейся нагрузки. Кроме этого гармонический состав генерируемого напряжения будет зависеть от взаимного соотношения по времени момента отключения текущей пары выводов секций обмотки возбуждения от источника постоянного тока и момента подключения к нему следующей очередной пары выводов. Следовательно, управляя указанными моментами, можно изменять гармонический состав генерируемого напряжения.

С целью минимизации искажений синусоидальной формы кривой выходного напряжения в настоящем устройстве реализуется экстремальное регулирование: устройство рассматривается как однопараметрический экстремальный объект, в котором несинусоидальность формы кривой генерируемого им напряжения определяется выражением

x=J( , ₁, ₂, ₃),

где - управляющий настраиваемый параметр, в качестве которого выступает длительность импульсов управления t _и ключами полупроводникового коммутатора 10, формируемых схемой регулирования длительности импульсов 9 (фиг.1, 2), т.е. =t_и;

₁(t), ₂(t), ₃(t) - неопределенные параметры, зависящие от частоты коммутации выводов секций обмотки возбуждения 2, от величины электрической нагрузки на выходе 14 генератора 1 и от характера этой нагрузки.

Для оценки несинусоидальности формы кривой генерируемого напряжения в устройстве с помощью датчика несинусоидальности напряжения 18 (фиг.1) подавляется первая гармоника U₁ выходного напряжения и обеспечивается получение результирующего средневыпрямленного значения всех искажающих гармоник U_dиг, т.е. x=U_dиг.

Изменение длительности t_и импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора 10 на выходах схемы регулирования длительности импульсов 9 (фиг.1, 2) обеспечивается подачей на установочный вход этой схемы соответствующего кода N с выхода вычислителя 19 (фиг.1, 3).

Собственно экстремальное управление осуществляется вычислителем 19, может быть реализовано разными методами, в частности на основе шаговых алгоритмов, и поясняется приведенной на фиг.3 блок-схемой простейшего варианта поискового алгоритма. Из блок-схемы видно, что экстремальное управление в устройстве позволяет без идентификации ₁(t)... ₃(t) минимизировать U _dиг путем нахождения соответствующего кода N, а после нахождения экстремума регулируемой величины около этого экстремума устанавливаются некоторые колебания. Величина этих колебаний, а значит, точность управления, будет определяться разрядностью имеющихся в составе схемы регулирования длительности импульсов 9 двоичных счетчиков, в которые записывается код N, поступающий на установочный вход этой схемы. А разрядность указанных счетчиков будет определять коэффициент деления делителя частоты 7.

Стабилизация генерируемого напряжения в предлагаемом устройстве осуществляется с помощью регулятора возбуждения 15 известными способами, а стабилизации выходной частоты генератора - аналогично прототипу [RU, патент, 2103800, Н02Р 9/42, 1998].

Таким образом, предлагаемый коммутируемый синхронный генератор с экстремальным управлением несинусоидальностью напряжения позволяет обеспечить уменьшение искажений формы кривой генерируемого напряжения в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала приводного двигателя.