Генератор регулируемой частоты

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН Н 02 К п 1 р ЕТЕНИЯ ЬСТ во СССР1975,омеханичеи часто.20. МОЙ ЧАСТОТЫтся к автономитания, час 54) ГЕН 57) Изо ым исто РАТОР РЕГУЛИР ретение откос никам электро рых регулируе рости вращени ся независиЦелью изоб тота кот о от ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВ,У 736282, кл. Н 02 К 19/3Радин В.И. и др. Электкие устройства стабилизациты. - М.: Энергия, 1981,8014712 ретения является улучшение энергетических характеристик и упрощение генератора. Генератор содержит управляемый вентильный выпрямитель 25, ккоторому подключена многофазная обмотка 26 синхронного генератора. Управляемый выпрямитель 25 подключенк нагрузке через переключатель 38полярности, управляющие электродывсех вентилей 1-12 подключены к программно-счетному устройству, осущест-,вляющему программный счет импульсов,поступающих от датчика 31 угла поворота ротора 32. Последний может бытьвыполнен в виде дополнительной обмотки 33 генератора. 8 ил.Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к генераторам автономных систем электропнтания, где требуется получать регулируемую частоту напряжения, не зависящую от скорости вращения генератора.11 елью .изобретения является улучшение энергетических характеристики упрощение генератора, 10На Фиг,1 представлена электрическая схема генератора; на фиг.2 - кривые напряжений, на фиг.3 - примеррегулирования напряжения; на фиг.4вариант конструкции магнитопровода; 15на фиг5 и 6 - диаграммы программуправления на фиг.7 - напряжения итоки при работе на индикаторную нагрузку; на Фиг.8 - структурная схема ,генератора. 20Генератор регулируемой частоты(фиг.1) содержит катодную группу вентилей (тиристоров) 1-2 и аноднуюгруппу вентилей 13-24 управляемоговыпрямителя 25, подключенного к ш= 25=12-Фазной якорной обмотке 26 синхронного генератора 27, Эта обмотка26 уложена в 24-х пазах 28 статора29 и состоит из 24-х секций 30. Всесекции 30 соединены последовательно, 30 причем каждые две секции 30 образуют одну фазу (1 -12) генератора 27, так что все двенадцать фазных обмоток 26 соединены последовательно (многоугольником) . К каждой точке их соединения подключены два вентиля в од вентиль катодной группы 1-12 и один - анодной группы 13-24.Кроме якорной обмотки 26 статор 29 содержит дискретный датчик 31 40 угла поворота и частоты вращения ротора 32, выполненный в виде дополнительной обмотки ЗЗ управления, состоящей из катушек 34, охватывающих по одному зубцу 35 статора 29 и сое 45 диненных последовательно. Число отсчетных элементов дискретного датчика 31.выполнено в К раз кратным удвоенному числу Фаз ш якорной обмотки 26. Датчик 31 создает не только тактовые импульсы с частотои 2 шКы, но50 и отсчетные импульсы частоты вращения ы.Ротор 32 генератора может быть выполнен явнополюсным, например, с по" стоянным магнитом, но может быть и55 неявнополюсным. Один полюсный наконечник 36 ротора 32 выполнен с одним зубцом 37. Межцу общими точками анодной 13- 24 и катодной 1-12 групп вентилей включен переключатель 38 полярности, Он выполнен в виде трансформатора 39 со средней точкой первичной обмотки 40, концы которой подключены к тириеторам 4 1 и 42, а к вторичной обмотке 43 подключена нагрузка 44. Обратные диоды 45 и 46 могут быть включены при индуктивной нагрузке дчя обеспечения коммутации тиристоров 4 1 и 42. Может быть использована любая другая переключающая схема, позволяющая изменять полярность выпрямленного напряжения на нагрузке 44,Датчик. 31 своим выходом подключен к программно-счетному устройству 47.Программно-счетное устройство 47 содержит столько счетных каналов (не показаны), сколько предусмотрено программ типа фиг.5 и 6, Счетные каналы могут быть выполнены независимыми на базе счетных устройств или могут организовываться микропроцессором. Счетные каналы представляют собой электронные коммутаторы в электронные аналоги шагового искателя, например кольцевые регистры. Входы каждого счетного канала соединены с датчиком 31 угла поворота ротора 32. Число счетных элементов в каждомсчетном канале, например число разрядов кольцевого регистра, равно наименьшему общему кратному периодов выходной и синхронной частот, выраженных в тактах счета, т.е. равно наимень,шему общему кратному чисел 2 шК и 12 шК, где 4 - отношение периода выходной частоты к периоду синхронной частоты. Например, для реализации программы фиг,5 - для получения =1,5 при К=1 - число счетных элементов счетного канала должно быть равно наименьшему общему кратному числу .2 ш=24 и Зш=36, т,е. равно числу 72 тактов кольцевой шкалы на Фиг.5.Отдельные входы каждого счетного канала (например, установочные входы регистра) соединены с блоком 48 задания программ. Выходы счетных каналов объединены в каналы управления вентилями, которые соединены с управляющими электродами вентилей 1-24, 41, 42 и число которых равно числу управляемых вентилей.Если выбор программы должен производиться автоматически при стабилизации частоты, то генератор может30 147125 быт ь дополнен ( на Фиг . 8 пунктиром), задающим импульсным генератором 49 (генератором стабилизируемой частоты) и блоком 50 сравнения частот (или периодов) импульсов датчика 31 и зада 5 ющего генератора 48, последний управляет блоком 48 задания программ. Статор может быть выполнен с дополнительными зубцами 51.10Генератор приводится во вращение двигателем 52. Работа генератора осуществляется следующим образом. Пояснения (Фиг.2) сделаны в предложении, что нагрузка 44 чисто активная, а трансформатор 39 идеальный с коэффициентом трансформации, равным единице. В верхней части фиг.2 тонкими линиями изображены синусоидальные Фазные напряжения синхронного генерато ра угловой частоты о, причем цифрами 1-12 и 13-24 обозначены номера тиристоров катодной и анодной групп,. на которые подаются эти напряжения. За начало отсчета ы С=О принят мо мент прохождения через нуль напряжения первой Фазы генератора. Ниже друг под другом изображены шестнадцать напряжений различных частот (правая сторона Фиг.2 продолжает левую) на первичной обмотке трансформатора 33, причем для каждой кривой к оси времени примыкают две графы, в которых указаны номера тиристоров, включенных на интервалах.Первая из этих кривых показывает получение на нагрузке напряжения примерно половинной частоты. В момент ы=Г/12 включают тиристор 4, анодный потенциал которого с этого момента начинает увеличивается от нуля, и тиристор 17, катодный потенциал которого с этого момента начинает уменьшаться от нуля, Одновременно включают и тиристор 4 1, так что с этого момента к первичной обмотке трансформатора 39 и, соответственно, к нагрузке 44 приложено условно положительное напряжение. Далее, тиристор 4 остается включенным до того момента ыс=237/12, пока его анодное 50 напряжение не упадет до нуля, так как никаких других тиристоров катодной группы.не включают. В анодной группе тиристор 17 включен через интервал Г/6, после чего включают 55 тиристор 18, катодный потенциал которого становится меньше, а тиристор 17 автоматически выключается, Далее включают тиристоры 19-24, 13-15, каж;дый из которых проводит интервал96 и выключается, как в мостовомнеуправляемом выпрямителе,Таким образом, к первичной обмотке 40 трансформатора 39 приложенолинейное напряжение между четвертойфазой и всеми другими Фазами, выделенное в верхней части фиг.2 (слева)жирной линией и образующее положительную полуволну выходного напряжения. Это напряжение к моменту ,.С==23 К/12 уменьшается до нуля и в этотмомент тиристор 15 автоматически выключается, после чего сразу включают тиристоры 42, 3 и 16. Тиристор 3остается включенным, пока его анодное напряжение положительно, таккак никаких других тиристоров катодной группы не включают, а в аноднойгруппе через каждые /6 включают тоттиристор, у которого катодный потенциал становится ниже, а предыдущийтиристор автоматически выключается.Поэтому с момента ы=2317/12 к первичной обмотке 40 трансформатора 39(и, соответственно, к нагрузке 44приложено в обратном направлении напряжение между третьей фазой (3 ) ивсеми другими фазами. К моменту ыС==45 Й/12 это напряжение уменьшаетсядо нуля, тиристор 42 автоматическивыключается, после чего включают тиристор 41 и начинается новый полупериод выходного напряжения - оно образуется линейным напряжением междувторой Фазой (2) и остальными, ит.д. Период выходного напряжения равен 4471/12 (частота 6/11 синхроннойчастоты ы).Вторая кривая показывает получение большей частоты выходного напряжения, В начале положительного полупериода включают тиристор 41, тиристор4 и сразу тиристор 18 (тиристор 17 невключают) с того момента и С=2 7(/12,когда линейное напряжение междусоответствующими фазами четвертойи шестой (4) и (6) начинаетувеличиваться от нуля. Далее ноложительная полуволна выходного напряжения Формируется как описано, т.е.линейным напряжением между четвертой Фазой (4 ) и остальными Фазами,пока оно не уменьшится до нуля вмо;мент ы с=237/12. С этого моментатиристор 41 выключается, включаюттиристор 42 и формируют отрицатель 5 14 ную полуволну выходного напряжения описанным образом, т.е. линейным на) пряжением между третьей фазой (3 ) и остальными фазами, с той разницей, что в момент у=41/12 не включают тиристор 14, а оставляют включенным тиристор 13 до того момента )4= =44 Т/12, пока, линейное напряжение между фазами 3 и 1 положительно, после чего тиристоры 3,13,42 автоматически выключаются и включают тиристоры 1, 15, 41 и т.д. Период образуемой кривой выходного напряжения равен 42/12.Третья кривая показывает получение еще большей выходной частоты. Начало положительной полуволны формируется как и в предыдущем случае, но в конце положительной полуволны в момент у=21/12 не включают тиристор 15, а оставляют включенным тиристор 14.до того момента ы с =22/12, пока линейное напряжение между четвертой и второй фазами (4 ) и (2) не упадет до нуля. С этого момента тиристоры 4, 14 и 41 выключаются и включают тиристоры 2, 1 б и 42, так как с этого момента напряжение начинает увеличиваться от нуля. Далее в катодной группе оставляют включенным тиристор 2, а в анодной группе включают по очереди тиристоры с минимальным катодным потенциалом, причем тиристор 13 не включают, )а тиристор 24 оставляют включенным до того момента йС=42/12, когда линейное напряжение между второй и двенадцатой фазами (2) и (12) не уменьшается до нуля. С этого момента выключаются тиристоры 2, 24 и 12, включаются тиристоры 12, 14 и 31 и формируется следующая положительная полуволна выходного напряжения. Период образуемой кривой равен 40/12,Аналогичным образом формируются выходнье напряжения других частот - кривые этих напряжений показаны на фиг.2 друг под другом с указанием номеров тиристоров, включенных на интервалах. Для первой из кривых на правой стороне фиг.2 сверху показаны фазные напряжения, равность которых . составляет выходное напряжение (эти фазные напряжения выделены жирной линией от других фазных напряжений). Третья кривая на правой стороне фиг.2 - напряжение синхронной часто-, ты генератора, последующие кривые - частоты выше синхронной, причем пое 71258 6следняя из показанных кривых имеетпериод 141)/12 (частота 12/7 синхронной частоты).Формирование напряжений выходных.частот вплоть до синхронной показано на фиг.2 путем переключений тиристоров в моменты естественной комму,тации, отстоящие на /ш=)/12 (нулевые углы управления). Лля таких пере,ключений программы следования управляющих импульсов могут быть полученыпутем выбора определенных импульсовот генератора импульсов фиксированной 15частоты 2 ш),)=24)д . Формирование напряжения частот выше синхронйой можно осуществить такой же коммутациейтиристоров, как показано на фиг,2(правая сторона, внизу) тонкой пунктирной линией. Однако для улучшенияформы кривой выходного напряжениямогут быть использованы более дробныепереключения, т.е. внутри интервалов/ш - именно такие переключения показаны сплошными линиями для последнихпяти кривых на фиг.2. Лля таких переключений исходная фиксированная (тактовая) частота генератора управляющих импульсов должна быть в К разбольше (для последних кривых фиг.2)К=З) .Таким образом, показано получениевыходного напряжения регулируемойчастоты (ниже и выше синхронной)дискретность регулирования периода ЗБ 2 ш - путем естественной коммутациивентилей управляемого выпрямителя25, При этом частота регулируется вшироком диапазоне (в примере фиг.2диапазон регулирования 12/7:б/11 ыпревышает 3:1).На фиг.З показано регулированиевыходного напряжения при неизменнойего частоте (равной од/1/5 - пятаякривая на Фиг.2); такое регулирова Ь ние может быть использовано при отсутствии регулирования возбуждениясинхронного генератора (например,магнитоэлектрического), В катоднойгруппе в положительном полупериоде б 0 включен тиристор 4, в отрицательномполупериоде - тиристор 1. Номеравключенных тиристоров в анодной группе определяются различными линия.ми - сплошной, пунктирной, штрих-пунк тирной, точечной (фиг.З). Номеравключенных тиристоров анодной группыуказаны на интервалах, обозначенныхтакими же линиями. Причем, на фиг.3показаны некоторые из возможных ком 1471258бинаций Формирования выходного напряжения заданной частоты.Формирование выходного напряжениятребуемой частоты и амплитуды осуще 5ствляется программой подачи управляющих импульсов на управляющие электроды тиристоров. Источником импульсов является дискретный датчик 31,Зубец 37 ротора 32 деформирует кривую 10магнитной индукции под полюсным наконечником 36, вследствие чего в катушке 34 дополнительной обмотки 33 привращении ротора 32 индуцируется импульс напряжения, Поскольку все 2 шкатушек 34 соединены последовательно,то за один оборот ротор 32 в дополнительной обмотке 33 индуцируются 2 шимпульсов (частота 2 тпа ), причем принеобходимости обмотка 33 может бытьдополнена формирователем фронта импульса (как в индукторных генераторах импульсов). Если необходимо увеличить мощность системы управления,то зубец 37 может быть выполнен и 25на втором полюсном наконечнике 36.Полюсные наконечники 36 могут бытьвыполнены и с несколькими зубцами37, шаг которых равен шагу по зубцам35 статора 29, 30При переключениях с более коротким интервалом (тактом), чем К/ш,как показано для последних кривыхфиг.2, статор 29 выполняется с кратным числом. более мелких зубцов 51.В качестве примера на фиг.4 показано выполнение статора 29 с удвоеннымчислом зубцом 51 при том же числепазов 28, занятых обмоткой 28 (засчет добавления мелких пазов 51 безобмотки), В этом случае число импуль 40сов в дополнительной обмотке 33 ста-.тора 29 за один оборот ротора 32 удваивается и частота .следования импульсов становится 4 ш ы (интервалмежду ними ц/2 тп),45Дополнительная обмотка 33 статора 29 является разновидностью датчика угла поворота ротора, поворот ротора на каждые й/ш радиан отмечается; тактовым импульсом, преимущество 50,такого датчика в том, что он одновременно является источником энергии для управляющих электродов тиристоров. Однако в качестве датчика 31угла поворота ротора 32 может быть 55использован другой датчик, напримерфотоэлектрический с высокой разрешающей способностью. Общее требованиек датчику 31 угла поворота ротора 32 состоит в том, что число его отсчетных элементов, например число катушек 34 в дополнительной обмотке 33 статора 29 или число отверстий в Фотоэлектрическом датчике должно быть кратно 2 ш,Программно-счетное устройство 47 состоит из известных логических исчетных элементов, осуществляет счеттактовых импульсов, поступающих отдатчика 31 угла и передачу их науправляющие электроды тиристоров всоответствии с заданной программой.Каждой кривой выхадного напряжениясоответствует своя программа. В качестве примера на Фиг.5 и 6 представ"лены программы. соответствующие получению двух кривых напряжения частоты и/1,5, изображенных на фиг.3соответственно сплошной и пунктирнойлиниями. Обе программы даны в видекольцевых диаграмм, чтобы нагляднопоказать их цикличность. Один тактсчета программно-счетного устройства47, равный У/ш=Т/12, соответствуетодному делению кольцевой шкалы. Всякольцевая шкала включает 4 18=72 такта для обеих диаграмм - это полный цикл счета программно-счетного устройства 47, содержащий все возможные взаимные включения вентилей 1-24 анодной и катодной групп. Управляющие импульсы подаются в начале каждого такта и те вентили, номера которых обозначены на диаграмме, Начало отсчета тактов указано привязкой цикла к моменту и=О прохождения через нуль напряжения первой фазы генератора.Для каждой выходной частоты программа содержит и очередность и периодичность подключения каждого тиристора, Например, из диаграммы фиг.5 видно, что программа частоты ю/1,5 с полным напряжением содержит следующую периодичность счета: для тиристоров 13, 16, 19, 22 - 24+22+26=72 тактов, для остальных тиристоров анодной группы - 24+48 тактов, для тиристоров переключателя полярности - 18 тактов, для четырех тиристоров катодной группы - 72 такта, От датчиков 31 и 30 угла на каждый оборот ротора поступает отсчетный импульс ис=О, Если программно-счетное устройство 47,отрабатывает заданную программу, например программу Фиг.5, то с первым отсчетным импульсом начинается счет тактовых импульсов. После трех9 147125 тактов пропускается импульс и 19-й, 4-й и 26-й каналы управления соответствующими вентилями, которые далее включаются с заданной периодичностью, после семи тактов включается 20-й ка 5 нал управления тиристором 20 и т.д., а через 72 такта цикл повторяется.На фиг.7 показаны кривые напряжения и токов с учетом индуктивности нагрузки для той же выходной частоты ы /1,5. Принято сое Ц= 0,7 (ц = Г/4) на синхронной частоте. На Фиг.7 изображены друг под другом шесть кривых; напряжение на первичной 40 (или вторичной 43) обмотке трансформатора 34, ток первичной обмотки 40, ток тиристора 41, ток тиристора 42, ток диода 45, ток диода 461 20Перед моментом ш = Ю 4, когда линейное напряжение между седьмой и четвертой фазами (7) и (4 ) должно изменять знак, проводят тиристоры 7, 16 и .42. После изменения полярности 25 напряжения начинает проводить обратный диод 46 и ток первичной обмотки ф, 40 переходит с тиристора 42 на диод 46, а включенные перед этим тиристо ры 7, 16 и 42 автоматически выключаются (ток диода 46 для них встречный). Пока ток через диод 46 поддерживается энергией,накопленной в индуктивности нагрузки 44, включающей рассеяние трансформатора 39 (в рассматриваемом помере интервал й= д/4), 35 тиристоры выпрямителя 25 включаться не могут и линейное напряжение на трансформатор 39 не подается. И с момента ыс=92, когда линейное напряжение генератора становится больше ф ЭДС самоиндукции и диод 46 перестает проводить, могут включиться тиристо. ры 4, 19, .41 с момента й=7 К/4, когда напряжение между фазами 4.и 1 изменяет знак, аналогичным образом ток 45 нагрузки переводится с тиристора 41 на обратный диод 45 так, что очередныетиристоры 1, 16 и 42 могут включиться также через интервал Т/4 и т.д. Непрерывный ток нагрузки (2-я кривая фиг.7) замыкается часть полу- периода через тиристор (3-я или 4"я . кривая), а часть полупериода через обратный диод (остальные кривые), Следовательно, при индуктивной на грузке происходит задержка включения части вентилей, что должно быть учтено программой - задержкой такта включения очередного вентиля 10Предлагаемый генератор, по сравнению с известным улучшает массо-габаритные показатели, уменьшает индуктивное сопротивление и тем самым улучшает условия коммутации вентиль- ного преобразователя.Так как выходная частота генератора находится вблизи синхронной час 1 тоты, синхронный генератор может, быть выполнен на меньшую частоту при той же скорости вращения.Управление частотой осуществляется при нулевых углах управления вентилями. Если для формирования кривыхнекоторых частот (выше синхронной)используются ненулевые углы управления, то только на вершинах кривых,поэтому дополнительная реактивнаямощность, потребляемая выпрямителем,может быть или исключена, или сведена к ьжнимуму. Это позволяет такжеуменьшить установленную мощность синхронного генератора.Улучшенная Форма кривой выходногонапряжения позволяет полностью илив значительной степени отказаться отвыходного Фильтра, т.е. упростить силовую схему и улучшить КПД генератора. Устранение высокочастотных гармоник улучшает работу синхронного генератора.Система управления упрощается, так как функционально выполняет более простые операции счета импульсов по программе и не должна Формировать углы управления вентильными группами и согласовывать их работу. Кроме того, поЛностью дискретная система управления, не выполняющая аналоговых операций, имеет преимущество в точности и помехоустойчивости, более предпочтительна в системах с автономным генератором.Формула изобретенияГенератор регулируемой частоты, содержащий ротор и статор с ш-Фазной обмоткой, подключенной к управляемому выпрямителю с анодной и катодной группами вентилей, соединенными с выходными клеммами, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей, упрощения генератора, он снабжен дискретным датчиком угла поворота и частоты вращения ротора с числом отсчетных элементов, в К раз кратнымудвоенному числу Лаз якорной обмотки,блоком задания программ и программно-счетным устройством, выполненнымсо счетными каналами в виде электронных коммутаторов, число которых равно числу предусмотренных программблока задания программ, число счетныхэлементов в каждом счетном каналевыполнено равным наименьшему общемукратному чисел 2 шК и 2 шК, гдеотношение периода выходной частотынапряжения к периоду синхронной частоты, входы счетных каналов соединены с выходами датчика угла поворотаи частоты вращения и с блоком заданияпрограммы, а выходы счетных каналов 5объединены в каналы управления вентилями, число которых равно числууправляемых вентилей, между аноднойи катодной вентильными группами вы прямителя включен дополнительно введенный вентильный переключатель полярности, соединенный с выходнымиклеммами.1471258 Й ЗТ 2 Ж О оставитель В.Трегубо ехред Л.Сердюкова орректор С.Цекмар едактор Г.Волкова СССР оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина,10 Заказ 16 ВНИИПИ Г Я ж1фиг. 7 4/53 Тираж 645 Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5