Автономная система генерирования электроэнергии

Автономная система генерирования электроэнергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в автономных системах электроснабжения с асинхронными бесконтактными генераторами. Автономная система генерирования электроэнергии содержит асинхронную машину 1 с силовыми выводами 2-4, вентильный преобразователь (ВП) 5, нуль-орган 6, буферный конденсатор 7, датчик напряжения 8, первый 9, второй 23 и третий 15 ключи, источник 10 электроэнергии постоянного тока, формирователь 11 импульсов управления ВП, элемент сравнения 12, пороговый элемент 13, логические элементы НЕ 14, ИЛИ-НЕ 16,17, RS-триггер 18, пропорционально-интегральное регулирующее звено 19, генератор импульсов 20, регулируемый стабилизатор тока 24. 2 ил.

союз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕ СКАТ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 Р 9/44

ГОсудАРстВенный комитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4808605/07 (22) 02.04,90 (46) О?,11.92. Бюл. N. 41 (71) Самарский политехнический институт им.B.Â. Куйбышева (72) А.Н. Штанов (56) Авторское свидетельство СССР

N 1403334, кл. Н 02 P 9/08, Н 02 P 9/46, 1986 r, Авторское свидетельство СССР (Ф 1568203, кл. Н 02 P 9/44, 1988, (54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (57) Использование: в автономных системах электроснабжения с асинхронными бескон. Ж „, 1774458 Д1 тактными генераторами. Автономная система генерирования электроэнергии содержит асинхронную машину 1 с силовыми выводами 2-4, вентильный преобразователь (ВП) 5. нуль-орган 6, буферный конден. сатор 7, датчик напряжения 8, первый 9, второй 23 и третий 15 ключи, источнлк 10 электроэнергии постоянного тока. формирователь 11 импульсов управления ВП, элемент сравнения 12, пороговый элемент 13, логические элементы НЕ 14, ИЛИ-НЕ 16, 17, RS-триггер 18, пропорционально-интегральное регулирующее звено 19, генератор импульсов 20, регулируемый стабили-:втор тока 24. 2 ил.

1774458 тоте вращения.

20

30

50

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 напря>кения (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, пропорциональноинтегральное 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, содер>кащую 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 источником 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

RS-триггер, первый и второй логические элементы ИЛИ-НЕ, логический элемент Е, нуль-орган, пороговый элемент, формирователь импульсов управления вентипного преобразователя выполнен с входом разрешения подачи сигналов управления, а генератор тактовых импульсов выполнен на однопереходном транзисторе, конден саторе, 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 дпя 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 к

1774458

10

20

35

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 RS-триггера, инверсный выход которого соединен с первым входом второго логического элемента

ИЛИ-НЕ, $-вход с коллекторным выводом однопереходного транзистора, à R-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 Uc 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 R-входе RS триггера 18; на фиг.2, е, ж - напряжение на прямом и инверсном выходах RS-триггера

18; на фиг.2, з — напряжение на выходе

ФСИ 6; на фиг.2, и — на выходе элемента

ИЛИ вЂ” 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 вЂ” 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-HE, RS-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 Rpo порционально-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 выводом 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 напряженио.

8 стретьим входом, подключенным к прямому выходу RS-триггера 18, инверсный выход которого соединен с первым входом втс рого логического элемента ИЛИ-HE 17, S-вход— с коллекторным выводом однопереходного транзистора 21, а R-вход связан с выходом логического элемента НЕ 14 и вторым вхо1774458 дом второго логического элемента ИЛИ-НЕ

17, выход которого подключен к входу разрешения подачи сигналов управления формирователя импульсов управления вентильным преобразователем, первый вывод коммутационной цепи третьего ключа

15 соединен с минусовым выводом источника питания, второй вывод — со входом пропорционал ь но-интегрального регулирующего звена, а управляющая цепь — с выходом логического элемента НЕ 14.

АСГЭ работает следующим образом.

При пуске раскручивают вал асинхронной машины до частоты а (1...2) в о, где

WoM — номинальная частота, а затем в момент to замыкают первый ключ 9 (см,фиг,1).

Происходит заряд буферного конденсатора

7(см.фиг.2,а). В момент времени t< напряжение Uc на конденсаторе 7 достигает величины Ucp, происходит срабатывание порогового элемента 13. !роинвертированный логическим элементом НЕ 14 сигнал изображен на 2, б.

Сигнал низкого уровня на входе третьего ключа 15 приводит к его запиранию, на выходе ПИР звена 19 начинает линейно снижаться (фиг.2, в). Одновременно в момент t< происходит подача нулевого импульса на

R-вход RS-триггера 18 (фиг.2, д), что вызывает появление на его прямом выходе сигнала низкого уровня (фиг.2, е), а на инверсном— высокого уровня (фиг.2, ж). Снижение напряжения на выходе ПИР звена 19 вызывает пропорциональный прирост тока на входе регулируемого стабилизаторе тока 24

ГТИ 20.

При.вращении вала асинхронной машины (АМ) 1 в невозбужденном состоянии, благодаря остаточной намагниченности ротора в обмотках статора индуцируется система трехфазных ЭДС с частотой, равной частоте вращения ротора, деленной на число пар полюсов Рп, f=2 ла/Рп и амплитудой от долей до единиц вольт. В этом режиме АМ

1 не работает как синхронный генератор с постоянными магнитами (но с очень слабым магнитным потоком).

На выходе нуль-органа наблюдаются короткие импульсы низкого уровня в моменты времени, когда ЭДС одной из трех фаз системы переходит через нул ь, таким образом, частота синхронизирующих импульсов на выходе элемента 6 f =3-2 f= 6f (см. фйг.2, з).

Синхронизирующие импульсы подаются на вход первого логического элемента

ИЛИ-HF 16, на другие входы которого подаются сигналы с выхода элемента НЕ 14 и прямого выхода RS-триггера, Начинал с мо50 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 пере5

45 мента времени t2 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, r), амплитуда колебания напряжения на конденсаторе 22 возрастает (фиг.2, к), В момент времени tz напряжение на конденсаторе 22 успевает дорасти до величины, равной напря>кению внутреннего пробоя UT однопереходного транзистора 21.

На его коллекторном выводе появляется сигнал низкого уровня, что приводит к установке RS-триггера 18 s состояние, когда на его прямом и инверсном выходах появляютсл, соответственно, высокий и низкий уровни (см.фиг.2, е,ж). Высокий уровень на прямом выходе RS-триггера 18 приводит к блокированию первого элемента ИЛИ-НЕ

16, так что на его выходе может быть только низкий уровень, а следовательно, в1орой ключ 23 будет закрыт, Низкий уровень на инверсном выходе RS-триггера 18 в сочетании с низким уровнем на выходе элемента

НЕ 14 приводит к появлению на выходе второго логического элемента ИЛИ вЂ” НЕ 17 сигнала высокого уровня (фиг .2, м). разрешающего работу ФИУ 11. Однсвременно с приходом разрешающего сигнала на другой вход ФИУ 11 начинают поступать импульсы с выхода ГТИ 20 (фиг,2,л). Поскольку второй ключ 23 не мо>кет быпгь открыт, на начавшийся процесс вентильного возбуждения (фиг.2, a) цепи подачи синхронизирующих импульсов не оказывает влияния.

На фиг,2, >н-т изображены импульсы управления вентильными преобразователями

5 в режиме вентильного возбу>кдения.

Поскольку момент времени tg соответствует равенству частот синхронизирун>щих импульсов и ГТИ, включение вентилей происходит в режиме холостого хода асинхронной машины, Kav видно из фиг.2, а, возникает некоторая просадка напряжения

U< на конденсаторе 7. Поэтому вступает в действие обратнал связь по цепи: конденса1774458

5

20 ходных 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 изобретения

Автономная система генерирования электроэнергии, содержащая 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 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, 25

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 RS-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 г 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 и 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 вЂ” НЕ с первым входом, сс единенным 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 RS-триггера, инверсный выход которого соединен с первым входом второго логического элемента ИЛИ вЂ” НЕ, Sвход — с коллекторным выводом однопереходного транзистора, à R-вход связан с выходом логического элемента НЕ и вторым входом второго логического элемента ИЛИ—

НЕ, выход которого подключен к входу разрешения подачи сигналов управл ния 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.

a) г1 а) и ж!

uJ

А, 2. Л.

Редактор

Заказ 3933 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Г1роизводственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород. y»,Ãàãàðèíà, 101

AJ

U л/

/)

qj 0

У л/ 0

Р/ о у Uy

Составитель А. Акимов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор С, Патрушева