Автономная система электроснабжения

.Николайчук Техред М.федорнак КорректорН.Бабин Редакт филиал ППП ффПатентфф, г. Ужгород, ул. Проектн каз 309/83 Тираж 741 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, РаУразователя частоты. При этом (осо- мирования управляющих напряжений, узбенно при импульсной нагрузке, изме- , ла выделения сигнала рассогласования, няющейся практически от нулевого зна- два входа которого образуют второй и чения до максимального) на выходе третий из указанных входов этого блосинхронного генератора возникает пе- ка, фазосдвигающего узла и двух усиреходный процесс, характер которого 5 лительно-развязывающих узлов, выхозависит от характера нагрузки. Формды которых образуют выходы блока Форогибающей этого переходного процесса мирования управляющих напряжений, повторяется на выходе СЭС, что значи- причем узел выделения сигнала рассогтельно ухудшает качество ее выходной ласования выходом связан с одним из энергии, Кроме того, нагрузку .такой о вхОдов фазосдвигающего узла, другие автономной СЭС приходится рассчиты- входы которого соединены с выходами вать с большим запасом по напряжению, распределителя импульсов, а усилитак как во время переходных режимов тельно-развязывающие узлы соответстк ней прикладывается напряжение, в венно подключены к выходам фазосдвинесколько раз превышающее номинальное гающего узла и распределлтеля импульвыходное напряжение СЭС. сов.Цель изобретения - улучшение ка- Блок формирования эталонного напчества выходной энергии автономной ряжения выполнен в виде соединенных СЭС, а также защита цепей нагрузки последовательно делителя частоты, к от перенапряжений во время переход- установочному входу которого подклюных процессов в синхронном генерато чен синхронизирующий узел, дешифраре путем высокого бысродействия от- тора и узла синтеза эталонного напряработки возмущающих воздействий пре- . жения, выход которого образует выход образователем частоты в режиме авто- блока формирования эталонного напряматического регулирования его выход- жения, причем, тактовый вход делите- ного напряжения. ля частоты и вход синхронизирующегоПоставленная цель достигается тем, Узла образуют входы блока формировачто автономная СЭС, содержащая синх- ния эталонного напряжения.ронный генератор с переменной ско- На фиг. 1 представлена структурростью вращения вала, преобразова- ная схема предлагаемого устройства; тель частотЫ, подключенный к обмот- рр на Фиг. 2 - то же, простейшего варикам этого генератора, и систему упРав- анта преобразователя частоты (при ления, выполненную в виде эталонного К=З); на фиг. 3 вто же, блока формигенератора, сумматора частот синхрон- рования управляющих напряжений; на ного и эталонного генераторов, умно- фиг. 4 - то же, блока формирования жителя частоты, входом подключенного З 5 эталонного напряжения; на Фиг. 5 .к выходу сумматора частот, и блока пример выполнения делителя частотк Формирования управляющих напряжений блока формирования эталонного напрявыходами подключенного ко входам уп- жения; на Фиг. 6 - то же, дешифраторавления преобразователя частоты, а ра; на фиг. 7 - то же, узла синтеза первым входом - к выходу уиножителя эталонного напряжения; на фиг. 8 частоты, дополнительно снабжена бло-то же, узла си(хронизации блока форком формирования эталонного напряже- мирования эталонного напряжения; на ния, одним входом связанного с выхо- фиг, 9 - то же, узла рассогласования дом преобразователя частоты, дРугим блока ФОрмирования управляющих напрявходом соединенного с выходом эталон- жений; на фиг, 10 - диаграммы, пояс- ного. Генератора, а выходомоподключен няющие принцип формирования эталонно- ного ко второму входу блока Формиро- го напряжения; на фиг. 11 - то же, вания управляющих напряжений, причем поясняющие принцип выделения сигнала третий вход блока Формирования Управ- рассогласования при одном из возможляющих напряжений соединен с выходом ных вариантов схемной реализации уэпреобразователя частоты. При этом р ла выделения сигнала рассогласования. преобразователь частоты выполнен в Предлагаемая автономная СЭС содервиде К амплитудно-импульсных модуля- жит синхронный генератор 1 с перемен- торов (К кратно числу фаз синхРонного ной скоростью вращения вала, преобрагенератора), выполненных по схеме од- зователь 2 частоты, подключенный к нофазного инвертора в виде двух стоек обмоткам этого генератора, и систему силовых ключей с двухсторонней прово управления, выполненную в виде эта 55димостью и нагруженных на трансформа- лонного генератора 4, сумматора 5 торы, последовательно соединенные вы- частот синхронного 1 и эталонного 4 ходные обмотки которых образуют выход генераторов, умножителя 6 частоты, преобразователя, причем управляющие входом подключенного к выходу сумма- входы силовых ключей образуют входы 60 тора 5 частот, и блока 7 формировауправления преобразователя,ния управляющих напряжений, выходамиБлок ФЬрмирования управляющих нап- подключенного ко входам 8 .управленияряжений выполнен в виде распРеделите- преобразователя 2 частоты, а первым ля импульсов, вход которого образует ,входом 9. - к выходу умножителя 6 часпервый из указанных входов блока фор ,тоты. Кроме того, автономная СЭС содержит блок 10 формирования эталонно1го напряжения, одним входом 11 свяранный с выходом 12 преобразователячастоты 2, другим входом 13 соединенный с выходом эталонного генератора 4, а выходом подключенный ковторому входу 14 блока 7 формирования управляющих напряжений, причемтретий вход 15 блока 7 формированияуправляющих напряжений соединен свыходом 12 преобразователя 2 частоты.Преобразователь 2 частоты выполнен в виде К амплитудно-импульсныхмодуляторов 16 (на фиг. 2 показан .пример выполнения простейшего преобразователя частоты при К=З, а в общем случае К кратно числу фаз синхронного генератора), построенных посхеме однофазного инвертора в видедвух стоек 17 и 18 силовых ключей 19с двухсторонней проводимостью. Входные выводы амплитудно-импульсных модуляторов 16 подключены к фазам 20,21 и 22 и нулевой нейтрали 23 синхро(ного генератора 1, а выходы нагружены на трансформаторы 24, соединенные последовательно выходные обмотки которых образуют выход 12 преобразователя 2 частоты. Управляющиевходы силовых ключей 19 образуютвходы 8 управления преобразователя2 частоты,Блок 7 формирования управляющихнапряжений выполнен в виде распределителя .25 импульсов, вход которогообразует первый 9 из укаэанных вхо-дов этого блока, узла 26 выделениясигнала рассогласования, два входакоторого образуют второй 14 и третий15 из укаэанных входов блока 7 формирования управляющих напряжений,Фазосдвигающего узла 27 и двух усилительно развязывающих узлов 28 и 29,Узел 26 выделения сигнала рассогласованчя выходом связан с одним извходов 30 Фазосдвигающего узла 27,другие входы 31 которого соединеныс выходами распределителя 25 импульсов. Усилительно-развязывающие узлы28 и 29 соответственно подключенык выходам распределителя 25 импульсов и фазосдвнгающего узла 27.Блок 10 формирования эталонногонапряжения выполнен в виде соединенных последовательно делителя 32 частоты, к установочному входу 33 которого подключен синхронизирующий узел34, дешифратора 35 и узла 36 синтезаэталонного напряжения. Вход синхронизирующего узла 34 и тактовый входделителя 32 частоты образуют соответственно входы 11 и 13 блока 10 формирования эталонного напряжения.Один из возможных вариантов схемной реализации блока 10 формированияэталонного напряжения.Делитель 32 частоты может бытьвыполнен на комбинированных триггерах (на фиг. 5 представлен примерсхемной реализации делителя частотыс коэффициентом деления, равным 12)и содержит входной триггер 37, кольцевой сдвигающий счетчик 38 и парафазный сдвигающий регистр 39. Выходытриггеров 2 - 7 и Я - (71 образуют выходы делителя 32 частоты.Дешифратор 35 выполнен на логических элементах 2 И-НЕ. Выходы У 1-У 6 яв ляются выходами дешифратора 35.Узел 36 синтеза эталонного напряжения может быть выполнен в видекоммутатора на полевых транзисторах40, соединяющих общую нагрузку 41 срезисторами делителя 42 напряжения,5 подключенного в точках 43 и 44 к стабилизированному источнику питания.Управляющие цепи полевых транзисторов40 соединены с выходами импульсныхусилителей 45, входы которых образу 20 ют входы узла 36 синтеза эталонногонапряжения.Синхронизирующий узел 34, подключенный к установочному входу 33 делителя 32 частоты, может быть выполненв виде компаратора 46 на операционном усилйтеле, выходом связанного через нормирующую цепь 47 со входом схемы 48 выделения фронтов импульсовкомпаратора 46.Узел 26 выделения сигнала рассогласования блока 7 Формирования управляющих напряжений может быть реализован в виде аналогового делителя напряжения, выйолненного по схеме 49делителя-умножителя типа логарифмантилогарифм, либо в виде разностного усилителя,Принцип работы предлагаемой автономной СЭС основан на пофазной амплитудно-импульсной модуляции выходного40 в-фазного переменного напряжения синхронного генератора 1 с частотой ЙвспомОгательными И раз сдвинутымидруг относительно друга в-фазнымипеременными напряжениями типа меандр4 с частотой Г с последующим геометрическим суммированием промодулированных напряжений, При этом на управляющие входы 8 ключей 19 первых стоек(например 17) амплитудно-импульсныхмодуляторов 16 преобразователя 2 частоты с выходов распределителя 25 импульсов блока 7 Формирования управляющих напряжений через усилительноразвязывающий узел 28 поступают сдвинутые друг относительно друга на фиксированный фазовый угол соответствующие управляющие напряжения типа меандр с частотой Й, а на управляющиевходы 8 ключей 19 вторых стоек 18 свыходов Фазосдвигающего узла 27 блоЬО ка 7 Формирования управляющих напряжений через усилительно-развязывающий узел 29 поступают управляющие напряжения типа меандр с частотой Г,фазовый сдвиг которых относительно65 соответствующих выходных импульсовФиг. не показаны) выходным напряжением 75 преобразователя 2 частоты. Вслучае использования в качЕстве узла26 выделения сигнала рассогласованияаналогового делителя напряжения,собранного по схеме 49, на выходе последнего Формируется сигнал рассогласования 76 в виде постоянного уровня77, амплитуда которого пропорциональна отношению амплитуд напряжения 75с выхода преобразователя 2 частоты(Е 1) и эталонного напряжения 71 (Е)в любой момент времени периода ихследования. Сигнал рассогласования76 несет информацию об отклонении. мгновенного значения напряжения 75 свыхода преобразователя 2 частоты отэталонного напряжения 72. Величинаустановившихся пульсаций уровня напряжения 77 сигнала рассогласования76 зависит от степени приближения Формы многоступенчатого напряжения 72 к форме выпрямленного синусоидальногонапряжения.Сигнал рассогласования 76 поступает на один вход 30 фазосдвигающего узла, на другие входы 31 которого подаются импульсные напряжения типа меандр с фиксированным фазовым сдвигом друг относительно друга с выходов распределителя 25 импульсов. На выходе фазосдвигающего узла 27 формируются импульсные напряжения типа меандр, величина сдвига фаз которых относительно соответствующих импульсов с выхода распределителя 25 импульсов пропорциональна отклонению мгновенного значения выходного напряжения поеоразователя 2 частоты (напряжения 75) относительно эталонного напряжения 71.Импульсные напряжения типа меандр с выходов распределителя 25 импульсов и фазосдвигающего узла 27 через усилительно-развязывающие узлы 28 и 29 поступают на входы 8 управления преобразователя 2 частоты. При этом в результате амплитудно-импульсной модуляции Фазных напряжений синхронного генератора 1 указанными импульсными напряжениями типа меандр на выходах К амплитудно-импульсных модуляторов 16 преобразователя 2 формируются промодулированные напряжения с определенной.скважностью, величина которой зависит от величины сигнала рассогласования 76, т.е. от отклонения мгновенного значения выходного напряжения преобразователя 2 частоты относительно эталонного напряжения 71. распределителя 25 импульсов зависит от величины сигнала рассогласования между выходным напряжением преобразователя 2 частоты и выходным напряжением (эталонным) блока 10 формирования эталонного напряжения.Принцип формирования эталонного напряжения в предлагаемой автономной СЭС.На тактовый вход 13 делителя 32 частоты блока 10 формирования эталонного напряжения поступают импульсы напряжения 50 с выхода эталонного генератора 4 системы 3 управления. При этом на выходах 01 - 01 входного триггера 37, на выходах 02- 04 и 02" - 04 кольцевого сдвигающего счет чика 38, а также на выходах 05 - 07. и 05 - Я 7 парафазного сдвигающего регистра 39 соответственно формируются импульсные напряжения 51-64, Импульсные напряжения 51-64 с выходов Щ 02 - 07 и 02 - 07 дел.теля 32 частоты поступают на соответствУющие входы дешифратора 35, на выходах У 1 - Уб которого Формируются последовательности импульсов 65-70. Последователь ности импульсов 65-70 подаются на5 входы узла 36 синтеза эталонного напряжения, на выходе которого формируется эталонное напряжение 71, представляющее собой, например, знакопостоянное многоступенчатое напряжение 72, по Форме приближающееся к форме двухполупериодного выпрямленного синусоидального напряжения.Жесткая синхронизация эталонного напряжения 71 с выходным напряжением З 5преобразователя 2 частоты достигается тем, что триггеры делителя 32 частоты принудительно устанавливаются в состояния, соответствующие началу формирования многоступенчатого напря О жения 72, совпадающему по фазе с началом развертывания выходного напряжения преобразователя 2 частоты. Для поинудительной установки триггеров делителя 32 частоты в указанные состояния служит синхронизирующий узел 34, вырабатывающий Импульсы синхронизации 73, представляющие собой короткие импульсы 74, совпадающие с моментамии перехода через нулевое значение выходного напряжения преобразователя 502 частоты. Первый импульс 74 импульсов синхронизации 73 устанавливает триггеры делителя 32 частоты в состояния, соответствующие началу Формирования многоступенчатого напряжения 5572, совпадающему по фазе с началомразвертывания выходного напряженияпреобразователя 2 частоты (момент времени 1) .Эталонное напряжение 71 поступает щна вход 14 блока 7 формирования управляющих напряжений, где сравниваетсяс уменьшенным по амплитуде и выпрямленным (с помощью согласующего транс-форматора и выпрямителя, которые на 65 В результате геометрического суммирования промодулированных напряжет ний на выходе преобразователя 2 частоты, который является одновременно и выходом автономной СЭС, Формируется квазисинусоидальное напряжение,налряжений, причем третий вход блокаФормирования управляющих напряженийсоединен с выходом преобразователячастоты.2. СЭС по п. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что преобразовательчастоты выполнен в виде К амплитудно-импульсных модуляторов (К кратночислу фаз синхронного генератора),выполненных по схеме однофазного инвертора в виде двух стоек силовыхключей с двухсторонней проводимостьюи нагруженных на трансформаторы, последовательно соединенные выходныеобмотки которых образуют выход преобразователя, причем управляющие входысиловых ключей образуют входы управления преобразователя.3. СЭС по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ а яс я тем, что блок формирования управляющих напряжений выполнен в виде распределителя импульсов, вход которого образует первыйиз укаэанных входов блока формирования управляющих напряжений, узла выделения сигнала рассогласования,двавхода которого образуют второй и третий из указанных входов этого блока,фазосдвигающего узла и двух усилительно-развязывающих узлов, выходыкоторых образуют выходы блока формирования управляющих напряжений, причем узел выделения сигнала рассогласования выходом связан с однимизвходов фазосдвигающего узла, другиевходы которого соединены с выходамираспредельтеля импульсов, а усилительно-развязывающие узлы соответст-,.венно подключены к выходам фазосдвигающего узла и распределителя импульсов.4. СЭС по пп. 1, 2 и 3, о т л ич а ю щ а я с я тем, что блок Формирования эталонного напряжения выполнен в виде соединенных последовательно делителя частоты, к установочномувходу которого подключен синхрониэирующий узел, дешифратора и узла синтеза эталонного напряжения, выходкоторого образует выход блока Формирования эталонного напряжения, причем тактовый вход делителя частоты ивход синхронизирующего узла образуютвходы блока формирования эталонногонапряжения.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Мыцык Г,С. Исследование и разработка способов преобразования электроэнергии с помощью статическихпреобразователей. Дис. на соиск.учен. стелени канд. техн. наук. М.,МЭИ, 1972, с. 383-397.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке У. 2495993/24-07,кл. Н 02 Р 9/42, 1977.3. Авторское свидетельство СССРМ 603087, кл, Н 02 Р 9/42, 1978. Формула изобретения 1. Автономная система электроснабжения (СЭС), содержащая синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала, преобразователь частоты, подключенный к обмоткам этого генератора, и систему управления, выпол- . ненную в виде последовательно соеди ненных эталонного генератора, сумматора частот синхронного и эталонного гечераторов, умножителя частоты, входом подключенного к выходу сумматора частот, и блока формирования управляющих напряжений, выходами подключенного ко входам управленйя преобразователя частоты, а первым входом - к выходу умножителя частоты, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью улучшения качества выходной энергии, а также защиты цепей нагрузки от перенапряжений во время переходных процессов в синхронном генераторе путем высокого быстродействия отработки возмущающих воздействий преобразователем частоты в режиме автоматического регулирования его вы", ходного напряжения, она дополнительно снабжена блоком формирования эталонного напряжения, одним входом свя ванного с выходом преобразователя частоты, другим входом соединенного с выходом эталонного генератора, в выходом подключенного ко второму вхо,ду блока Формирования управляющих 65 величина которого стабилизируется по отклонению его мгновенного значения.Дополнительное введение в автономную СЭС блока формирования эталонного напряжения, одним входом связанного с выходом преобразователя частоты, другим входом соединенного с выходом эталонного генератора, а выходом подключенного ко второму входу блока формирования управляющих напряжений, третий вход которого соединен с выходом преобразователя частоты,позво ляет улучшить качество выходной энергии во время переходных процессов в синхронном генераторе в предлагаемой автономной СЭС по сравнению с известной, а также защитить цепи наг рузки от перенапряжений. Если в известной системе длительность переходного процесса при 100-ном набросе напряжения на входе преобразователя частоты равна 0,9 с и в течение 0,3 с к нагрузке прикладывается 100-ное перенапряжение, то в предлагаемой автономной СЭС, преобразователь частоты которой содержит 18 амплитудно- импульсных, модуляторов, длительность переходного процесса лри выходной частоте 10000 Гц составляет 1 мс, а амплитуда перенапряжения на нагрузке в течение этого времени не превышает 30 от номинальной величины выходно 1 го напряжения.ЗО