Автономная система электроснабжения

Автономная система электроснабжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОИЖОМУ С ВТВЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Соцналнстнческнк

Рклублнк (ц807472 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) ЗаЯвлено 180579 (21) 2768174/24-07

<Я1М. Кл.

HP 9/42

H 02 М 5/27»

Н 02 Л 3/00 с присоединением заявки Н9

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 230281. бюллетень Й9 7

И) НЖ 621.316.726 (088. 8) Дата опубликования описания 230281

В.И.Сенько, В.M.Ñêoá÷åíêo, Н.П.Макаренк)з, А.A.Øòóðáèí, Г.В.Филинов и В.И.Овдин ч ..7

1;.:: (72) Авторы изобретения (7! ) Заявитель (54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМР ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть ис- . пользовано при построении автономных систем электроснабжения (СЭС) подвижных объектов с переменной ско5 ростью вращения вала электрического генератора для улучшения качества выходной энергии, для защиты цепей нагрузки от перенапряжений во время переходных процессов в генераторе, а также при построении. сетевых стабилизаторов переменного напряжения с повышенными динамическими характеристиками.

Известны СЭС, содержащие синхронный генератор, подключенный к его выходу преобразователь частоты на ключах с двухсторонней проводимостью и систему управления, обеспечивающую заданный алгоритм управления ключами 20 преобразователя частоты (1) и (2) .

Недостатками известных СЭС являются относительная сложность системы управления в варианте с электронным сумматором частот и низкое качество выходной энергии за счет присутствия широкого спектра высших гармоник. в выходном напряжении. Коэффициент гармоник выходного напряжения СЭС равен 14,6%. 30

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является СЭС, содержащая синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала, преобразователь частоты, подключенный к обмоткам этого генератора, и систему управления, выполненную в виде эталонного генератора, сумматора частот синхронного и эталонного генераторов, умножителя частоты, входом подключенного к выходу сумматора частот, и блока формирования управляющих напряжений, выходами подключенного ко входам управления преобразователя частоты, а входом — к выходу умножителя частоты (3).

Недостатком известной СЭС является низкое качество выходной энергии при .воздействии на нее возмущений со стороны нагрузки (резких набросов и сбросов нагрузки) и со стороны синхронного генератора (резкого отклонения выходного напряжения генератора от номинального значения). При резком набросе (или сбросе) нагрузки зависимость выходного напряжения от тока нагрузки в такой СЭС определяется стабильностью выходного напряжения синхронного генератора и жесткостью внешней характеристики преоб-

807472 разователя частоты. При этом (осо- мирования управляющих напряжений, узбенно при импульсной нагрузке, изме- . ла выделения сигнала рассогласования, няющейся практически от нулевого зна- дв 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. Форм ды 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- 20 чен синхронизирующий узел, дешифраре путем высокого быс родействия 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 делитеного напряжения. 25 ля частоты и вход синхронизирующего

Поставленная 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- р() на фиг. 2 — то же, простейшего варикам этого генератора, и систему управ- анта преобразователя частоты (при ления, выполненную в виде эталонного К=3); на фиг. 3 - то 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 З5 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- 4О то же, узла си(хронизации блока форком формирования эталонного напряже- мирования эталонного напряжения; на ния, одним входом связанного с выхо- фи . 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- 45 няющие принцип формирования эталонноного 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 5О ла выделения сигнала рассогласования. преобразователь частоты выполнен в Предлагаемая автономная СЭС содервиде К амплитудно-импульсных модуля- жит синхронный генератор 1 с перементоров (K кратно числу фаз синхРонного ной с.:оростью 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- 3 управления, выполненную в виде эта55 димостью 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 суммавходы силовых ключей образуют входы dO тора 5 частот, и блока 7 формировауправления преобразователя. ния управляющих напряжений, выходами

Блок фЬрмирования управляющих HRII подключенного ко входам 8 .управления ряжений 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- 65 :тоты. Кроме того, автономная СЭС со807472 держит блок 10 формирования эталонно

1 го напряжения, одним входом 11 свяранный с выходом 12 преобразователя частоты 2, другим входом 13 соединенный с выходом эталонного генератора 4, а выходом подключенный ко второму входу 14 блока 7 формирования управляющих напряжений, причем третий вход 15 блока 7 формирования управляющих напряжений соединен с выходом 12 преобразователя 2 частоты.

Преобразователь 2 частоты выполнен в виде К амплитудно-импульсных модуляторов 16 (на фиг. 2 показан . пример выполнения простейшего преобразователя частоты при К=З, а в общем случае К кратно числу фаз синхронного генератора), построенных по схеме однофазного инвертора в виде двух стоек 17 и 18 силовых ключей 19 с двухсторонней проводимостью. Входные выводы амплитудно-импульсных модуляторов 16 подключены к фазам 20, 21 и 22 и нулевой нейтрали 23 синхронного генератора 1, а выходы нагружены на трансформаторы 24, соединенные последовательно выходные обмотки которых образуют выход 12 преобразователя 2 частоты. Управляющие входы силовых ключей 19 образуют входы 8 управления преобразователя

2 частоты.

Блок 7 формирования управляющих напряжений выполнен в виде распределителя .25 импульсов, вход которого образует первый 9 из укаэанных вхо- дов этого блока, узла 26 выделения сигнала рассогласования, два входа которого образуют второй 14 и третий

15 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 из входов 30 фазосдвигающего узла 27, другие входы 31 которого соединены с выходами распределителя 25 импульсов. Усилительно-развязывающие узлы

28 и 29 соответственно подключены к выходам распределителя 25 импульсов и фазосдвигающего узла 27.

Блок 10 формирования эталонного напряжения выполнен в виде соединенных последовательно делителя 32 частоты, к установочному входу 33 которого подключен синхронизирующий узел

34, дешифратора 35 и узла 36 синтеза эталонного напряжения. Вход синхронизирующего узла 34 и тактовый вход делителя 32 частоты образуют соответственно входы 11 и 13 блока 10 формирования эталонного напряжения.

Один из возможных вариантов схемной реализации блока 10 формирования эталонного напряжения.

Делитель 32 частоты может быть выполнен на комбинированных триггерах (на фиг. 5 представлен пример схемной реализации делителя частоты с коэффициентом деления, равным 12) и содержит входной триггер 37, кольцевой сдвигающий счетчик 38 и парафазный сдвигающий регистр 39. Выходы триггеров Q2 — Q7 и Q2 — Ql образуют выходы делителя 32 частоты.

Дешифратор 35 выполнен на логических элементах 2И-НЕ. Выходы У1-У6 яв® ляются выходами дешифратора 35.

Узел 36 синтеза эталонного напряжения может быть выполнен в виде коммутатора на полевых транзисторах

40, соединяющих общую нагрузку 41 с резисторами делителя 42 напряжения, подключенного в точках 43 и 44 к стабилизированному источнику питания.

Управляющие цепи полевых транзисторов

40 соединены с выходами импульсных усилителей 45, входы которых образу20 ют входы узла 36 синтеза эталонного напряжения.

Синхронизирующий узел 34, подключенный к установочному входу 33 делителя 32 частоты, может быть выполнен в виде компаратора 46 на операционном усилителе, выходом связанного через нормирующую цепь 47 со входом схемы 48 выделения фронтов импульсов компаратора 46.

Узел 26 выделения сигнала рассогласования блока 7 формирования управляющих напряжений может быть реализован в виде аналогового делителя напряжения, выйолненного по схеме 49 делителя-умножителя типа логарифмантилогарифм, либо в виде разностного усилителя.

Принцип работы предлагаемой автономной СЭС основан на пафазной амплитудно-импульсной модуляции выходного

40 m-фазного переменного напряжения синхронного генератора 1 с частотой fq вспомОгательными И раз сдвинутыми друг относительно друга m-фазными переменными напряжениями типа меандр

45 с частотой fry с последующим геометрическим суммированием промодулированных напряжений. При этом на управляющие входы 8 ключей 19 первых стоек (например 17) амплитудно-импульсных модуляторов 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 управляющие входы 8 ключей 19 вторых стоек 18 с выходов фазосдвигающего узла 27 блоЬО ка 7 формирования управляющих напряжений через усилительно-развязывающий узел 29 поступают управляющие напряжения типа меандр с частотой f, фазовый сдвиг которых относительно

65 соответствующих выходных импульсов

807472

I 8 фиг. не показаны) выходным напряжением 75 преобразователя 2 частоты. В случае использования в качестве узла

26 выделения сигнала рассогласования аналогового делителя напряжения,собранного по схеме 49, на выходе последнего формируется сигнал рассогласования 76 в виде постоянного уровня

77, амплитуда которого пропорциональна отношению амплитуд напряжения 75 с выхода преобразователя 2 частоты (Е 1) и эталонного напряжения 71 (Е ) в любой момент времени периода их следования. Сигнал рассогласования

76 несет информацию об отклонении. мгновенного значения напряжения 75 с выхода преобразователя 2 частоты от эталонного напряжения 72. Величина установившихся пульсаций уровня напряжения 77 сигнала рассогласования

76 зависит от степени приближения формы многоступенчатого напряжения 72 к форме выпрямленного синусоидального напряжения.

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 преобразователя 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. IIpH этом на выходах Ql — Ql входного триггера 37, на выходах Q2i — Q4 и

Q2 — Q4 кольцевого сдвигающего счет- 15 чика 38, а также на выходах Q5 — Q7. и Q5 — Q7 парафазного сдвигающего регистра 39 соответственно формируются импульсные напряжения 51-64. Импульсные напряжения 51-64 с выходов Щ

Q2 — Q7 и Q2 — Q7 дел. теля 32 частоты поступают на соответствующие входы дешифратора 35, на выходах Уl — Уб. которого формируются последовательности импульсов 65-70. Последователь- 2 ности импульсов 65-70 подаются на

5 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 преобразователя 2 частоты достигается тем, что триггеры делителя 32 час-. тоты принудительно устанавливаются в состояния, соответствующие началу формирования многоступенчатого напря- 4р жения 72, совпадающему по фазе с началом развертывания выходного напряжения преобразователя 2 частоты. Для поинудительной установки триггеров делителя 32 частоты в указавные состояния служит синхронизирующий узел

34, вырабатывающий Импульсы синхронизации 73, представляющие собой короткие импульсы 74, совпадающие с момента-ли перехода через нулевое значение выходного напряжения преобразователя 50

2 частоты. Первый импульс 74 импульсов синхронизации 73 устанавливает триггеры делителя 32 частоты в состояния, соответствующие началу формирования многоступенчатого напряжения 55

72, совпадающему по фазе с началом развертывания выходного напряжения преобразователя 2 частоты (момент времени ti) .

Эталонное напряжение 71 поступает щ на вход 14 блока 7 формирования управляющих напряжений, где сравнивается с уменьшенным по амплитуде и выпрямленным (с помощью согласующего транс- форматора и Выпрямителя, которые на 6

В результате геометрического суммирования промодулированных напряже ний на выходе преобразователя 2 частоты, который является одновременно и выходом автономной С3С, формируется квазисинусоидальное напряжение, 807472

10 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,позволяет улучшить качество выходной энергии во время переходных процессов в синхронном генераторе в предлагаемой автономной СЭС по сравнению с известной, а также защитить цепи наг- 15 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 амплитудноимпульсных, 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,Fo напряжения.

ЗО

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- 40 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, отличающаяся 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- 40 ванного с выходом преобразователя частоты, другим входом соединенного с выходом эталонного генератора, а выходом подключенного ко второму вхо.ду блока формирования управляющих Я налряжений, причем третий вход блока формирования управляющих напряжений соединен с выходом преобразователя частоты.

2. СЭС по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что преобразователь частоты выполнен в виде К амплитудно-импульсных модуляторов (К кратно числу фаз синхронного генератора), выполненных по схеме однофазного инвертора в виде двух стоек силовых ключей с двухсторонней проводимостью и нагруженных на трансформаторы, последовательно соединенные выходные обмотки которых образуют выход преобразователя, причем управляющие входы силовых ключей образуют входы управления преобразователя.

3. СЭС по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что блок формирования управляющих напряжений выполнен в виде распределителя импульсов, вход которого образует первый из укаэанных входов блока формирования управляющих напряжений, узла выделения сигнала рассогласования,два входа которого .образуют второй и третий из указанных входов этого блока, фазосдвигающего узла и двух усилительно-развязывающих узлов, выходы которых образуют выходы блока формирования управляющих напряжений, причем узел выделения сигнала рассогласования выходом связан с одним из входов фазосдвигающего узла, другие входы которого соединены с выходами распредельтеля 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 и ч. а ю щ а я с я тем, что блок формирования эталонного напряжения выполнен в виде соединенных последовательно делителя частоты, к установочному входу которого подключен синхрониэирующий узел, дешифратора и узла синтеза эталонного напряжения, выход которого образует выход блока формирования эталонного напряжения, причем .тактовый вход делителя частоты и вход синхронизирующего узла образуют входы блока формирования эталонного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мыцык Г.С. Исследование и разработка способов преобразования электроэнергии с помощью статических преобразователей. Дис. на соиск. учен. стелени канд. техн. наук. М., МЭИ, 1972, с. 383-397.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2495993/24-07, кл. Н 02 P 9/42, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР

9 603087, кл. И 02 Р 9/42, 1978.

8074 72

73

ЙИ1)

52(а )

ЮЗ (62)

54 (42)

Я(63)

56(ЙЗ

57(04

5б (64

59 (Иб бО(ао

И(а7)

62 (Й7

63(Й 5

64(Q5) б5 (91) бб.(92)

67(УЗ) бЬ (Ю б9 (Ю

70 (96)

7f

Фиа 10

807472

7(Составитель Г.йыцык

Редактор И.Николайчук Техред М.Федорнак КорректорН.Бабинец

Заказ 309/83 Тираж 741 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4