Автономная система генерирования электроэнергии

союз сОВетскихСОИАЛИСТИЧЕСКИ СРЕСПУБЛИК 5 О, 177 Ц 5)5 Н 02 Р 9/4 ГОсудАРстВенный комитетПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ИДЕТЕЛЬСТВ ВТОРСКОМУ тактными генераторами. Автономнаяма генерирования электроэнергиижит асинхронную машину 1 с силвыводами 2-4, вентильный преобртель (ВП) 5, нуль-орган 6, буферный ксатор 7, датчик напряжения 8, первторой 23 и третий 15 ключи, источэлектроэнергии постоянного тока.рователь 11 импульсов управления Вмент сравнения 12, пороговый элемелогические элементы НЕ 14, ИЛИ-НЕВЯ-триггер 18, пропорциональноральное регулирующее звено 19, генимпульсов 20, регулируемый стабилтока 24. 2 ил. иту 9 46 ИРОстемах есконЪ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1403334, кл. Н 02 Р 9/08, Н 021986 г,Авторское свидетельство СССРВ 1568203, кл. Н 02 Р 9/44, 1988,(54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ГЕНЕВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ(57) Использование; в автономных сиэлектроснабжения с асинхронными б систе- содеровыми азоваонден оый 9, нлк 10 форми- П, элент 13, 16, 17, интегератор иэатортоте вращения. 10 20 25 30 40 БО Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электрической энергии в автономных системах электроснабжения с асинхронными бесконтактными генераторами в условиях переменной частоты вращения приводного двигателя.Известна автономная система генерирования электроэнергии (АСГЭ), содержащая асинхронную машину(АМ), вентильный преобразователь, выполненный по схеме автономного инвертора напрякения (АИН), Начальное возбуждение АСГЭ осуществляется за счет энергии, запасенной в аккумуляторной батарее, подключенной к выводам постоянного тока АИН, Недостатком устройства являются большие массогабариты и высокая стоимость аккумуляторов.Известна автономная система генерирования электроэнергии (1), содержащая асинхронную машину, вентильный преобразователь, пороговый элемент, подсоединенный к выводам буферного конденсатора, Начальное возбуждение осуществляется за счет энергии, вырабатываемой дополнительным микрогенератором и запасенной в буферном конденсаторе, путем подачи управляющих импульсов на вентильный преобразователь при срабатывании порогового элемента.Наиболее близка к предлагаемой автономная система генерирования электроэнергии (2), содержащая асинхронную машину, вентильный преобразователь с формирователем импульсов и генератором тактовых импульсов регулируемой частоты, датчиком напряжения, пропорционально- интегральное регулирующее (ПИР) звено, а также дополнительный синхронный генератор с выпрямителем и пороговым элементом, выполненным в виде электромагнитного реле. Начальное возбуждение АСГЭ осуществляется за счет энергии, запасенной в буферном конденсаторе, заряжаемом от дополнительного синхронного генератора. После срабатывания реле синхронный генератор служит датчиком частоты вращения (тахогенератором), напряжение на выходы выпрямителя почти пропорционально частоте вращения вала АСГЭ. Начальное возбуждение АСГЭ осуществляется путем подачи импульсов управления на вентили АИН в момент срабатывания порогового элемента. В условиях переменной частоты вращения приводного двигателя необходимо устанавливать частоту импульсов управления приблизительно равной синхронной частоте вращения ротора асинхронной машины,В устройстве-прототипе информация о частоте вращения вырабатывается тахогенератором, Однако наличие буферного конденсатора, вносящего в цепь измерения большую постоянную времени, приводит к снижению надежности начального возбуждения АСГЭ при быстроизменяющейся часЦелью изобретения является повышение надежности работы устройства в режиме начального возбуждения,Указанная цель достигается тем, что в автономную систему генерирования электроэнергии, содеркащую асинхронную машину; силовые выводы которой подключены к выводам переменного тока вентильного преобразователя, выполненного по схеме автономного инвертора напряжения с выводами постоянного тока, подключенными к буферному конденсатору, датчику напряжения, и через первый ключ связанными с источникогл электроэнергии постоянного тока,формирователь импульсов управления вентильного преобразователя, вход для тактовых сигналов которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, управляющим входом связанного через пропорционально-интегральное регулирующее звено с выходом элемента сравнения, первый вход- к задатчику уставок напряжения, второй и третий ключи, дополнительно введены ЙЯ-триггер, первый и второй логические элементы ИЛИ-НЕ, логический элементЕ,нуль-орган, пороговый элемент, формирователь импульсов управления вентип,ного преобразователя выполнен с входом разрешения подачи сигналов управления, а генератор тактовых импульсов выполнен на однопереходном транзисторе, конденсаторе, втором ключе, резисторе и регулируемом стабилизаторе тока, вход управления которым связан с выходом пропсрционально-интегрально регулирующего звена, а вывод питания - с плюсовым выводом источника питания, а выход подсоединен к базовому выводу однопереходного транзистора и через параллельно соединенные конденсатор и коммутационную цепь второго ключа к нулевому выводу источника питания, связанному с эмиттерным выводом однопереходного транзистора, коллекторный вывод которого соединен со входом для тактовых сигналов формирователя импульсов управления вентипьного преобразователя и через резистор - с плюсовым выводом источника питания, управляющая цепь второго ключа подключена к вьходу первого логического элемента ИЛИ-НЕ с первым входом, соединенным с выходом нуль-органа, подсоединенного входами к5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 силовым выводам асинхронной машины, со вторым входом, соединенным через логический элемент НЕ к выходу порогового элемента, вход которого подсоединен к выходу датчика напряжения, с третьим входом, подключенным к прямому выходу ВЯ-триггера, инверсный выход которого соединен с первым входом второго логического элемента ИЛИ-НЕ, 8-вход с коллекторным выводом однопереходного транзистора, а В-вход связан с выходом логического элемента НЕ и вторым входом второго логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен ко входу разрешения подачи сигнала управления формирователя импульсов управления вентильным преобразователем, первый вывод коммутационной цепи третьего ключа соединен с минусовым выводом источника питания, второй - с входом пропорционально-интегрального регулирующего звена, а управляющая цепь - с выходом логического элемента НЕ,Начальное возбуждение происходит автоматически в момент времени, когда синхронная частота вращения вала АСГЭ оказывается равной частоте ГТИ, деленной на коэффициент, равный численно количеству вентилей АИН.Функциональная схема АСГЭ приведена на фиг.1; временные диаграммы напряжений и токов в точках схемы представлены на фиг.2; на фиг.2, а - напряжение Ос на буферном конденсаторе 7, а также на выходе датчика напряжения 8; на фиг,2, б - напряжение на выходе логического элемента НЕ 14; на фиг.2, в - напряжение на выходе ПИР звена 19; на фиг.2, г - ток во входной цепи регулируемого стабилизатора тока 24; на фиг,2, д - напряжение на В-входе ВЯ триггера 18; на фиг.2, е, ж - напряжение на прямом и инверсном выходах ВЯ-триггера 18; на фиг.2, з - напряжение на выходе ФСИ 6; на фиг.2, и - на выходе элемента ИЛИ - НЕ 16; на фиг,2, к - на времязадающем конденсаторе 22; на фиг.2, л - на выходе ГТИ 20; на фиг.2, м - на выходе второго логического элемента ИЛИ - НЕ 17; на фиг,2, н-т - на управляющих входах вентилей АИН 5,АСГЭ содержит АМ 1 с силовыми выводами 2-4, вентильный преобразователь 5, нуль-орган 6, буферный конденсатор 7, датчик напряжения 8, первый ключ 9, источник 10 электроэнергии постоянного тока, формирователь 11 импульсов управления вентильного преобразователя, элемент сравнения 12, пороговый элемент 13, логический элемент НЕ 14. третий ключ 15, первый 16 и второй 17 логические элементы ИЛИ-НЕ, ВЯ-триггер 18, пропорциональноинтегральное регулирующее звено 19. генератор тактовых импульсов 20, однопереходной транзистор 21, конденсатор 22, второй ключ 23. регулируемый стабилизатор тока 24, Силовые выводы 2 - 4 АМ подключены к выводам переменного тока вентильного преобразователя 5, выполненного по схеме автономного инвертора напряжения с выводами постоянного тока, подключенными к буферному конденсатору 7, датчику напряжения 8 и через первый ключ 9 связанными с источником 10 электроэнергии постоянного тока. Формирователь 11 импульсов управления вентильного преобразователя,входом для тактовых сигналов соединен с выходом генератора тактовых импульсов 20 и управляющим входом связан через про порционально-интегральное регулирующее звено 19 с выходом элемента сравнения 12, первый вход которого подсоединен к выходу датчика напряжения 8, а второй вход - к задатчику уставки напряжения, формирователь импульсов управления вентильного преобразователя выполнен с входом разрешения подачи сигналов управления, а генератор тактовых импульсов выполнен на однопереходном транзисторе 21, конденсаторе 22, втором ключе 23 резистора и регулируемом стабилизаторе тока 24, вход управления которым связан с выходом пропорционально-интегрального регулирую- щего звена 19, вывод питания - с плюсовым выводОм источника питания, а выход подсоединен к базовому выводу однопереходнаго транзистора 21 и через параллельно соединенные конденсатор 22 и коммутационную цепь второго. ключа 23 - к нулевому выводу источника питания, связанному с эмиттерным вь 1 водом однопереходного транзистора, коллекторный вывод которого соединен с входом для тактовых сигналов формирователя импульсов управления вентильного преобразователя и через резистор - с плюсовым выводом источника питания, управляющая цепь второго ключа подключена к выходу первого логического элемента ИЛИНЕ 16 с первым входом, соединенным с выходом нуль-органа 6, подсоединенного входами к силовым выводам асинхронной машины 1, с вторым входом, подсоединенным через логический элемент НЕ 14 к выходу порогового элемента 13, вход которого подсоединен к выходу датчика напряжения 8 стретьим входом, подключенным к прямому выходу ВЯ-триггера 18, инверсный выход которого соединен с первым входом второго логического элемента ИЛИ-НЕ 17, Я-вход - с коллекторным выводом однопереходного транзистора 21, а В-вход связан с выходом логического элемента НЕ 14 и вторым вхо 177445850 тор 7, датчик напряжения 8, элемент сравнения 12, ПИР звено 19, регулируемый стабилизатор тока 24, релаксационный генератор на элементах 21 и 22, ФИУ 11, вентильный преобразователь 5, частота 55 переключения вентилей в котором снижается, Это приводит к увеличению отрицагельного скольжения, вызывает возрастание напряжения до заданного значения, Рассмотренная цепь обратной связи действует при работе АСГЭ в установившемся и передом второго логического элемента ИЛИ-НЕ17, выход которого подключен к входу разрешения подачи сигналов управления формирователя импульсов управлениявентильным преобразователем, первый вывод коммутационной цепи третьего ключа15 соединен с минусовым выводом источника питания, второй вывод - со входом пропорционал ь но-интегральногорегулирующего звена, а управляющая цепь- с выходом логического элемента НЕ 14.АСГЭ работает следующим образом.При пуске раскручивают вал асинхронной машины до частоты й(12) йЬом, гдесоном - номинальная частота, а затем в момент 10 замыкают первый ключ 9 (см,фиг,1).Происходит заряд буферного конденсатора7(см.фиг.2,а). В момент времени т 1 напряжение Ос на конденсаторе 7 достигает величины Оср, происходит срабатывание порогового элемента 13.11 роинвертированный логическим элементом НЕ 14 сигнал изображен на 2, б,Сигнал низкого уровня на входе третьегоключа 15 приводит к его запиранию, на выходе ПИР звена 19 начинает линейно снижаться (фиг.2, в). Одновременно в момент 11происходит подача нулевого импульса най-вход ВЯ-триггера 18 (фиг,2, д), что вызывает появление на его прямом выходе сигналанизкого уровня (фиг.2, е), а на инверсном -высокого уровня (фиг,2, ж). Снижение напряжения на выходе ПИР звена 19 вызывает пропорциональный прирост тока навходе регулируемого стабилизаторе тока 24ГТИ 20,При.вращении вала асинхронной машины(АМ) 1 в невозбужденном состоянии, благодаря остаточной намагниченности роторав обмотках статора индуцируется систематрехфазных ЭДС с частотой, равной частотевращения ротора, деленной на число парполюсов Рп . 1=2 лаРп и амплитудой отдолей до единиц вольт. В этом режиме АМ1 не работает как синхронный генератор спостоянными магнитами(но с очень слабыммагнитным потоком).На выходе нуль-органа наблюдаютсякороткие импульсы низкого уровня в моменты времени, когда ЭДС одной из трех фазсистемы переходит через нуль, таким образом, частота синхронизирующих импульсовна выходе элемента 6 Ь=3.2 1= 61(см.фйг.2, з).Синхронизирующие импульсы подаются на вход первого логического элементаИЛИ-НЕ 16, на другие входы которого подаются сигналы с выхода элемента НЕ 14 ипрямого выхода ВЯ-триггера, Начинал с мо 5 10 15 20 25 30 35 40 мента времени 12 проинвертированные синхронизирующие импуль начинают поступать на управляющий вход второго ключа 23. вызывал периодический разряд конденсатора 22 (фиг,2,к).По мере увеличения зарядного тока, поступающего с регулируемого стабилизатора тока 24 (фиг.2, г), амплитуда колебания напряжения на конденсаторе 22 возрастает (фиг.2, к), В момент времени 2 напряжение на конденсаторе 22 успевает дорасти до величины, равной напрякению внутреннего пробоя Ог однопереходного транзистора 21. На его коллекторном выводе появляется сигнал низкого уровня, что приводит к установке ВЯ-триггера 18 в состояние, когда на его прямом и инверсном выходах появляютсл, соответственно, высокий и низкий уровни (см,фиг,2, е,ж). Высокий уровень на прямом выходе ВЯ-триггера 18 приводит к блокированию первого элемента ИЛИ-НЕ 16, так что на его выходе может быть только низкий уровень, а следовательно, в 1 орой ключ 23 будет закрыт, Низкий уровень на инверсном выходе ЯЯ-триггера 18 в сочетании с низким уровнем на выходе элемента НЕ 14 приводит к появлению на выходе второго логического элемента ИЛИ - НЕ 17 сигнала высокого уровня (фиг.2, м). разрешаю щего работу Ф ИУ 11. Однс временно с приходом разрешающего сигнала на другой вход ФИУ 11 начинают поступать импульсы с выхода ГТИ 20 (фиг,2,л). Поскольку второй ключ 23 не мокет быпгь открыт, на начавшийся процесс вентильного возбуждения (фиг.2, а) цепи подачи синхронизирующих импульсов не оказывает влияния.На фиг,2, н-т изображены импульсы управления вентильными преобразователями 5 в режиме вентильного возбукдения.Поскольку момент времени 12 соответствует равенству частот синхронизирунщих импульсов и ГТИ, включение вентилей происходит в режиме холостого хода асинхронной машины, Как видно из фиг.2, а, возникает некоторая просадка напряжения Ос на конденсаторе 7. Поэтому вступает в действие обратнал связь по цепи: конденса 1774458 10ходных режимах наброса - сброса нагрузки. Предположим, что нагрузки АСГЭ в какой-то момент отключилась, происходит рост напряжения на силовых выводах 2-4 АМ 1, и выводах постоянного тока вентильного преобразователя 5, и конденсаторе 7, на выходе датчика напряжения 8, следовательно, и на выходе элемента сравнения 12, Т.к, ПИР звено 19 производит инвертирование сигнала, напряжение на его выходе плавно уменьшается, это приводит к возрастанию выходного управляющего тока регулируемого стабилизатора тока 24. Зарядный ток времязадающего конденсатора 22 увеличивается, поэтому частота релаксационного генератора растет, следовательно, возрастает скольжение, уменьшается, возмущение по напряжению убывает до нуля.Третий ключ 15 обеспечивает отрицательное напряжение на входе ПИР звена 19 с тем, чтобы к моменту срабатывания порогового элемента 13 на выходе ПИР звена было максимальное положительное напряжение (поскольку необходимо последующее его снижение),Устройство обеспечивает надежное автоматическое начальное возбуждение автономной системы генерирования электроэнергии в условиях существенного изменения частоты вращения приводного двигателя, что уменьшает время вхождения в установившийся режим.Формула изобретенияАвтономная система генерирования электроэнергии, содержащая асинхронную машину, силовые выводы которой подключены к выводам переменного тока вентиль- ного преобразователя, выполненного по схеме автономного инвертора напряжения с выводами постоянного тока, подключенными. к буферному конденсатору, датчику напряжения и через первый ключ связанными с источником электроэнергии постоянного тока, формирователь импульсов управления вентильного преобразователя, вход для тактовых сигналов которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов с управляющим входом, связанным через пропорционально-интегральное регулирующее звено с выходом элемента сравнения, первый вход которого подсоединен к выходу датчика напряжения, а второй вход - к задатчику уставки напряжения, 5 10 15 20 коммутационную цепь второго ключа - к нулевому выводу источника питания. свя- занному с эмиттерным выводом однопереходного транзистора, коллекторный вывод которого соединен с входом для тактовых сигналов формирователя импульсов управления вентильного преобразователя и через резистор - с плюсовым выводом исто ника питания, управляющая цепь второго ключа подключена к выходу первого логического элемента ИЛИ - НЕ с первым входом, ссединенным с выходом нуль-органа, подсоединенного входами к силовым выводам асинхронной машины, с вторым входом, соединенным через логический элемент НЕ с выходом порогового элемента, вход которого подсоединен к выходу датчика напряжения, с третьим входом, подключенным к прямому выходу КЗ-триггера, инверсный выход которого соединен с первым входом второго логического элемента ИЛИ - НЕ, Я- вход - с коллекторным выводом однопереходного транзистора, а В-вход связан с выходом логического элемента НЕ и вторым входом второго логического элемента ИЛИ - НЕ, выход которого подключен к входу разрешения подачи сигналов управлния формирователя импульсов управления вентильным преобразователем, первый вывод коммутационной цепи третьего ключа соединен с минусовым выводом источник питания, второй вывод - с входом пропорционально-интегрального регулирующего звена, а управляющая цепь - с выходом логического элемента НЕ. 25 30 35 40 45 50 55 второй и третий ключи, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повышения надежности работы в режиме начального возбуждения, введены ВЯ-триггер, первый и второй логические элементы ИЛИ-НЕ, логический элемент НЕ, нуль-орган, пороговый элемент, формирователь импульсов управления вентильного преобразователя выполнен с входом разрешения подачи сигналов управления, а генератор тактовых импульсов выполнен на однопереходном транзисторе. конденсаторе. втором ключе, резисторе и регулируемом стабилизаторе тока, вход управления которым связан с выходом пропорционально-интегрального регулирующего звена, вывод питания - с плюсовым выводом источника питания, а выход подсоединен к базовому выводу однопереходного транзистора и через параллельно соединенные конденсатор иСоставитель А. АкимоТехред М,Моргентал р С, Патрушева Редак Гроизводственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород. ул,Гагарина, Ю акаэ 3933 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 1 13035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб., 4/5