RU2072622C1

RU2072622C1 - Synchronous generator voltage regulator

Info

Publication number: RU2072622C1
Application number: RU94021406A
Authority: RU
Inventors: А.В. Петров; В.А. Крюков; Е.Г. Шестаковский; В.В. Канавин
Original assignee: Конструкторское бюро автотранспортного оборудования; Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1997-01-27
Also published as: RU94021406A

Abstract

FIELD: electric engineering. SUBSTANCE: device has compound resistors 1, converters 2, regulation element 3 and control unit 4. One terminal of main windings 5 of generator is connected to output terminals and in each phase they are connected to star connection together with additional windings 6 and compound resistors 1. Second terminals of additional windings 6 are connected to rectifier 7 through regulation element 3 which is connected to generator excitation winding 8. Commutators 2 are connected in parallel to compound resistors 1 and are controlled by signals from control unit 4, which is connected to output terminals of generator. Second terminals of compound resistors 1 are connected to each other. EFFECT: increased efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области регулирования выходных характеристик электрических машин и может быть использовано для регулирования напряжения синхронных генераторов, например, в электроагрегатах. The invention relates to the field of regulation of the output characteristics of electrical machines and can be used to control the voltage of synchronous generators, for example, in electrical units.

Известен регулятор напряжения (патент США N 3899731, кл. 322-25), содержащий токовые трансформаторы, включенные последовательно с нагрузкой в каждую фазу генератора. Выходные обмотки указанных трансформаторов объединены на входе трехфазного выпрямителя, включенного последовательно со вторым выпрямителем, питаемым от дополнительных обмоток генератора и подключенным через регулирующий элемент к обмотке возбуждения генератора. Данный регулятор позволяет обеспечивать требуемое качество выходного напряжения генератора как в статических, так и в динамических режимах нагрузки. Регулирование осуществляется с высоким КПД благодаря использованию токовых трансформаторов. Но применение указанных трансформаторов, работающих на частоте 50 Гц, ухудшает массо-габаритные показатели регулятора и увеличивает его стоимость, что снижает его потребительские свойства. Known voltage regulator (US patent N 3899731, CL 322-25) containing current transformers connected in series with the load in each phase of the generator. The output windings of these transformers are combined at the input of a three-phase rectifier, connected in series with the second rectifier, fed from additional generator windings and connected through the control element to the generator excitation winding. This regulator allows you to provide the required quality of the output voltage of the generator in both static and dynamic load conditions. Regulation is carried out with high efficiency due to the use of current transformers. But the use of these transformers operating at a frequency of 50 Hz degrades the mass and overall performance of the regulator and increases its cost, which reduces its consumer properties.

Известны также регуляторы напряжения (Электрооборудование бронетанковой техники./ Под ред. проф. А.С. Белоновского, Военное издательство Министерства обороны СССР, 1976, с. 49, рис.2.4), у которых в качестве регулирующего элемента, включенного в цепь обмотки возбуждения, использован транзистор, работающий в ключевом режиме и управляемый от блока управления, подключенного входом к выходным клеммам генератора и вырабатывающего сигнал в функции отклонения напряжения генератора. Voltage regulators are also known (Electrical equipment of armored vehicles. / Ed. By Prof. A.S. Belonovsky, Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR, 1976, p. 49, Fig. 2.4), for which, as a control element, is included in the excitation circuit , a transistor operating in key mode and controlled from a control unit connected by an input to the output terminals of the generator and generating a signal as a function of the voltage deviation of the generator is used.

Такое техническое решение уменьшает потери в регулирующем элементе и несколько повышает КПД регулятора. This technical solution reduces losses in the regulatory element and slightly increases the efficiency of the regulator.

Наиболее близким к предлагаемому является регулятор напряжения синхронного генератора (патент ФРГ N 1241529, кл. 21 d² 6), содержащий компаундирующие резисторы, выпрямитель, регулирующий элемент, а генератор имеет основные и дополнительные обмотки и обмотку возбуждения, причем в каждой фазе компаундирующий резистор, основная обмотка генератора и дополнительная обмотка генератора соединены в звезду, вторые выводы основных обмоток подключены к выходным клеммам генератора, вторые выводы дополнительных обмоток генератора подключены к выпрямителю, выход которого подключен к обмотке возбуждения генератора через регулирующий элемент, а вторые выводы компаундирующих резисторов соединены между собой. В качестве регулирующего элемента использован переменный резистор.Closest to the proposed voltage regulator is a synchronous generator (German patent N 1241529, class 21 d ² 6), containing compounding resistors, a rectifier, a regulating element, and the generator has main and additional windings and an excitation winding, and in each phase a compounding resistor, the main winding of the generator and the additional winding of the generator are connected to a star, the second conclusions of the main windings are connected to the output terminals of the generator, the second conclusions of the additional windings of the generator are connected to straighten Liu, whose output is connected to the field winding of the generator through a control member, and the second terminals of resistors compounding interconnected. As a regulatory element, a variable resistor is used.

Данный регулятор обеспечивает требуемое качество выходного напряжения генератора во всех режимах статических и динамических, включая набросы нагрузки, запуски двигателей и т.п. Однако, постоянное присутствие в силовой цепи активного сопротивления компаундирующих резисторов приводит к значительным потерям энергии, что снижает КПД регулятора, требует принятия мер по отводу тепла, ухудшает массо-габаритные показатели регулятора, требует увеличения мощности приводного (первичного) двигателя генераторной установки. This regulator provides the required quality of the generator output voltage in all static and dynamic modes, including load surges, engine starts, etc. However, the constant presence in the power circuit of the active resistance of compounding resistors leads to significant energy losses, which reduces the efficiency of the controller, requires measures to remove heat, worsens the mass-dimensional characteristics of the controller, requires an increase in the power of the drive (primary) engine of the generating set.

Целью изобретения является улучшение потребительских свойств регулятора напряжения синхронного генератора за счет повышения его КПД. The aim of the invention is to improve the consumer properties of the voltage regulator of a synchronous generator by increasing its efficiency.

Цель достигается тем, что в регуляторе напряжения синхронного генератора параллельно компаундирующим резисторам подключены коммутаторы, управляющие входы которых соединены с вторым выходом блока управления. Генератор имеет основные и дополнительные обмотки и обмотку возбуждения. Регулятор содержит компаундирующие резисторы, выпрямитель, регулирующий элемент и блок управления. При этом в каждой фазе генератора компаундирующий резистор, основная обмотка генератора и дополнительная обмотка генератора соединены в звезду. Вторые выводы компаундирующих резисторов соединены между собой, вторые выводы основных обмоток подключены к выходным клеммам генератора, а вторые выводы дополнительных обмоток генератора подключены к выпрямителю, выход которого подключен к обмотке возбуждения генератора через регулирующий элемент. Вход регулирующего элемента подключен к выходу блока управления, вход которого подключен к выходным клеммам генератора. The goal is achieved by the fact that in the voltage regulator of the synchronous generator parallel to the compounding resistors are connected switches, the control inputs of which are connected to the second output of the control unit. The generator has primary and secondary windings and field windings. The regulator contains compounding resistors, a rectifier, a regulating element and a control unit. In this case, in each phase of the generator, a compounding resistor, the main winding of the generator and the additional winding of the generator are connected to a star. The second leads of the compounding resistors are interconnected, the second leads of the main windings are connected to the output terminals of the generator, and the second leads of the additional windings of the generator are connected to the rectifier, the output of which is connected to the excitation winding of the generator through a control element. The input of the control element is connected to the output of the control unit, the input of which is connected to the output terminals of the generator.

Новым в регуляторе напряжения является то, что параллельно компаундирующим резисторам подключены коммутаторы, входы управления которых соединены с блоком управления. New in the voltage regulator is that switches are connected in parallel with the compounding resistors, the control inputs of which are connected to the control unit.

Введение коммутаторов, шунтирующих компаундирующие резисторы, позволяет использовать последние короткое время, например, только при пусках асинхронных двигателей соизмеримой с генератором мощности, когда в цепи нагрузки генератора протекают токи, в 6-9 раз превосходящие номинальные токи данного двигателя. В подобных режимах для поддержания выходного напряжения генератора в заданных пределах, а также для обеспечения гарантированного пуска двигателей необходимо осуществлять подпитку цепей возбуждения генератора дополнительной энергией ("форсировка" возбуждения), чему и служат компаундирующие резисторы, включенные в цепь возбуждения последовательно с дополнительными обмотками генератора и обтекаемые токами нагрузки. По завершению пускового режима указанная подпитка не требуется, т.к. напряжения дополнительных обмоток хватает для обеспечения требуемого тока возбуждения, поэтому в предлагаемом техническом решении компаундирующие резисторы шунтируются коммутаторами по сигналу блока управления, вырабатываемому при соответствующем отклонении выходного напряжения генератора. Последнее позволило при сохранении высокого качества регулирования обеспечить повышение КПД регулятора напряжения за счет того, что в статических режимах работы компаундирующие резисторы не обтекаются током и потери мощности в них отсутствуют. Как следствие, улучшаются массо-габаритные показатели, т. к. уменьшаются потери, улучшается отвод тепла, требуется меньшая мощность генератора и его приводного двигателя. Все это улучшает потребительские свойства регулятора. The introduction of switches shunting compounding resistors allows the use of the last short time, for example, only when starting induction motors commensurate with the power generator, when currents flowing in the generator load circuit 6–9 times higher than the rated currents of this motor. In such modes, in order to maintain the generator output voltage within the specified limits, as well as to ensure guaranteed starting of the engines, it is necessary to feed the generator excitation circuits with additional energy (“boosting” the excitation), which is what compound resistors included in the excitation circuit in series with additional generator windings and streamlined loads. Upon completion of the start-up mode, the indicated recharge is not required, because the voltage of the additional windings is enough to provide the required excitation current, therefore, in the proposed technical solution, the compounding resistors are shunted by the switches according to the signal of the control unit generated with a corresponding deviation of the generator output voltage. The latter made it possible, while maintaining a high quality of regulation, to increase the efficiency of the voltage regulator due to the fact that in static operating modes compounding resistors are not surrounded by current and there are no power losses in them. As a result, the overall dimensions are improved, since losses are reduced, heat dissipation is improved, and less power is required for the generator and its drive motor. All this improves the consumer properties of the regulator.

На фиг.1 представлена электрическая схема регулятора напряжения синхронного генератора; на фиг.2 один из вариантов ее практического выполнения. Figure 1 presents the electric circuit of the voltage regulator of a synchronous generator; figure 2 one of the options for its practical implementation.

Регулятор напряжения (фиг.1) содержит компаундирующие резисторы 1, коммутаторы 2, включенные параллельно резисторам 1, регулирующий элемент 3 и блок управления 4. Основные обмотки 5 генератора одними выводами подсоединены к выходным клеммам и в каждой фазе вместе с дополнительными обмотками 6 генератора и компаундирующими резисторами 1 включены в звезду, вторые выводы дополнительных обмоток 6 подключены к выпрямителю 7, через регулирующий элемент 3 соединенному с обмоткой возбуждения 8 генератора. Входы управления коммутаторов 2 подключены к выходу блока управления 4, входом подключенного к выходным клеммам генератора. При практическом выполнении регулятора (фиг. 2) коммутаторы 2 могут быть выполнены, например, на оптосимисторах VS1-VS3, регулирующий элемент 3 на составном оптотранзисторе VT1, VT2, а блок управления 4 на компараторах напряжения DA1, DA2, управляющих ключами на транзисторах VT3, VT4, включенных в цепи управления оптосимисторами VS1-VS3 и оптотранзистора VT2. Делители напряжения, выполненные на резисторах R1, R2 и R3, R4, совместно с источником опорного напряжения на стабилитроне VD1 определяют пороги срабатывания коммутаторов 2 и уровень регулирования напряжения, осуществляемого регулирующим элементом 3, работающим в релейном режиме. Трансформатор TV служит для потенциальной развязки силовых и управляющих цепей. От его вторичных обмоток питаются выпрямитель обратной связи по напряжению (U) и источник питания (+Е) блока управления 4. The voltage regulator (Fig. 1) contains compounding resistors 1, switches 2 connected in parallel with resistors 1, a regulating element 3 and a control unit 4. The main windings 5 of the generator are connected to the output terminals with one terminal and in each phase together with additional windings 6 of the generator and compounding resistors 1 are included in the star, the second conclusions of the additional windings 6 are connected to the rectifier 7, through the control element 3 connected to the excitation winding 8 of the generator. The control inputs of the switches 2 are connected to the output of the control unit 4, the input connected to the output terminals of the generator. In the practical implementation of the controller (Fig. 2), the switches 2 can be performed, for example, on optocouplers VS1-VS3, the control element 3 on a composite optotransistor VT1, VT2, and the control unit 4 on voltage comparators DA1, DA2, which control the keys on transistors VT3, VT4 included in the control circuit of the optosimistors VS1-VS3 and the optotransistor VT2. The voltage dividers made on resistors R1, R2 and R3, R4, together with the voltage reference on the zener diode VD1, determine the thresholds of the switches 2 and the level of voltage regulation carried out by the regulating element 3 operating in relay mode. The TV transformer is used for potential isolation of power and control circuits. The voltage feedback rectifier (U) and the power supply (+ E) of the control unit 4 are fed from its secondary windings.

Регулятор напряжения синхронного генератора работает следующим образом. The voltage regulator of the synchronous generator operates as follows.

Пусть в исходный момент времени генератор работает в статическом режиме (на холостом ходу, под постоянной или медленно меняющейся нагрузкой) и поддержание его выходного напряжения обеспечивается за счет энергии, получаемой от дополнительных обмоток 6 благодаря работе регулирующего элемента 3 и блока управления 4. При этом выходное напряжение генератора находится в пределах допустимого отклонения от установленного значения, поэтому блок управления 4 обеспечивает замкнутое состояние коммутаторов 2, и ток нагрузки протекает через коммутаторы, падение напряжения на которых незначительно. Let the generator at the initial moment of time operate in static mode (at idle, under a constant or slowly changing load) and maintain its output voltage due to the energy received from the additional windings 6 due to the operation of the regulating element 3 and the control unit 4. At the same time, the output the generator voltage is within the permissible deviation from the set value, therefore, the control unit 4 provides a closed state of the switches 2, and the load current flows through the switch Ora, the voltage drop which is negligible.

В произвольный момент времени осуществляется, например, пуск асинхронного двигателя соизмеримой с генератором мощности. В выходных цепях генератора возникают значительные токи, которые превосходят номинальный ток генератора. Величина, а также скорость нарастания этого тока приводят к тому, что мгновенное значение тока возбуждения не соответствует значению тока нагрузки, и поэтому напряжение на выходе генератора уменьшается, вызывая по сигналу блока управления соответствующее срабатывание регулирующего элемента 3 и подачу на обмотку возбуждения 8 генератора практически всего напряжения дополнительных обмоток 6. Однако ввиду того, что величина напряжения на дополнительных обмотках 6 оказывается недостаточной для обеспечения нужного тока возбуждения и, следовательно, напряжения на выходе генератора, последнее продолжает уменьшаться и по достижению им определенного, наперед заданного порогового значения, блок управления 4 выдает сигнал управления, размыкающий коммутаторы 2, и ток генератора начинает протекать через компаундирующие резисторы. Возникающее при этом на компаундирующих резисторах 1 напряжение, пропорциональное току нагрузки генератора, суммируясь с напряжением на дополнительных обмотках, увеличивает напряжение возбуждения, ускоряет нарастание тока возбуждения, что приводит к увеличению напряжения на выходе генератора и обеспечивает пуск подключенного электродвигателя. При достижении напряжением на выходе генератора определенного порогового значения блок управления 4 подает сигнал на замыкание коммутаторов 2 и далее регулятор напряжения обеспечивает статический режим работы генератора. At an arbitrary point in time, for example, the induction motor is started commensurate with the power generator. Significant currents occur in the output circuits of the generator that exceed the rated current of the generator. The magnitude, as well as the slew rate of this current, leads to the fact that the instantaneous value of the excitation current does not correspond to the value of the load current, and therefore the voltage at the output of the generator decreases, causing the corresponding response of the regulating element 3 and applying to the excitation winding 8 of the generator practically everything voltage of the additional windings 6. However, due to the fact that the voltage value on the additional windings 6 is insufficient to provide the desired field current and, therefore, quently, the output voltage of the generator, the latter continues to decrease and reaches a certain preassigned threshold value, the control unit 4 outputs a control signal, the break switches 2 and the generator current begins to flow through resistors compounding. The voltage arising at the same time on the compounding resistors 1, proportional to the load current of the generator, summing up with the voltage on the additional windings, increases the excitation voltage, accelerates the increase in the excitation current, which leads to an increase in the voltage at the generator output and ensures the start of the connected electric motor. When the voltage at the generator output reaches a certain threshold value, the control unit 4 gives a signal to close the switches 2 and then the voltage regulator provides a static mode of operation of the generator.

Таким образом, благодаря введению коммутаторов, включенных параллельно компаундирующим резисторам и управляемых от блока управления, стало возможным повысить КПД регулятора. Эффект достигается исключением непроизводительных затрат энергии, вызванных работой компаундирующих резисторов в статических режимах работы генератора с учетом того, что статический режим работы является для генератора определяющим, а динамические режимы составляют крайне незначительную долю общего времени работы. Если, например, электродвигатель запускается за 1 с, а частота его пусков 20 в час, то относительное время динамического режима составит 1 х 20 х 100/3600 0,56% длительность статического режима составит 99,4% а потери энергии в компаундирующих резисторах по сравнению с постоянным их включением уменьшатся в 99,4/0,56 177,5 раз, и можно считать, что потери в компаундирующих резисторах практически отсутствуют. Thus, thanks to the introduction of switches connected in parallel with compounding resistors and controlled from the control unit, it became possible to increase the efficiency of the controller. The effect is achieved by eliminating the overhead of energy caused by the operation of compounding resistors in the static modes of the generator, taking into account the fact that the static mode of operation is crucial for the generator, and dynamic modes account for an extremely small fraction of the total operating time. If, for example, the electric motor starts in 1 s, and its starting frequency is 20 per hour, then the relative time of the dynamic mode will be 1 x 20 x 100/3600 0.56%, the duration of the static mode will be 99.4% and the energy loss in the compounding resistors Compared with their constant inclusion, they will decrease by 99.4 / 0.56 177.5 times, and we can assume that there are practically no losses in the compounding resistors.

Claims

1. The voltage regulator of a synchronous generator having primary and secondary windings and an excitation winding, comprising compounding resistors, a rectifier, a regulating element and a control unit, wherein in each phase a compounding resistor, the main generator winding and the additional generator winding are connected to a star, the second conclusions of the main windings connected to the output terminals of the generator, the second conclusions of the additional windings of the generator are connected to the rectifier, the output of which is connected to the excitation winding of the generator torus through a control element connected by an input to the output of the control unit, the input of which is connected to the output terminals of the generator, and the second terminals of the compounding resistors are interconnected, characterized in that the switches connected in parallel to the compounding resistors are introduced into it.

2. The controller according to claim 1, characterized in that the control inputs of the switches are connected to the second output of the control unit.