RU2145763C1

RU2145763C1 - Combined-excitation alternator

Info

Publication number: RU2145763C1
Application number: RU98113046A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Богатырев; О.В. Вронский; Е.А. Зайцев; Н.Н. Курзин; С.Л. Санин; В.Н. Темников
Original assignee: Кубанский государственный аграрный университет
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 2000-02-20

Abstract

FIELD: electrical engineering, in particular, low and average power synchronous machines. SUBSTANCE: device has three-phase winding 1, which first terminals are connected to input of rectifier 2, which direct current input is connected in parallel to excitation winding 3 and pulse gate 4 of excitation regulator 5 with preliminary amplifier 6, and photon-coupled pair 7. Measuring unit has serial circuit of stabilizing diode 9, resistive voltage divider 10, filter capacitor 11 and additional rectifier 12, which is connected to phase terminals of winding 1 and additional excitation capacitors 13 for each phase. Device operates as follows. Residual rotor magnetization results in electromotive force in three-phase winding. Oscillating circuit of winding and capacitors 13 amplifies electromotive force leading to self excitation of alternator. Capacitance current which runs through rectifier 2 is loaded by excitation winding 3 which produces flow that increases self excitation of alternator. In idle mode, power losses are compensated by capacitance current in capacitors 13 and flow in winding 3. EFFECT: simplified design, while keeping stiff external characteristics in static and dynamic modes. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для проектирования синхронных машин малой и средней мощности, преимущественно генераторов для автономных электростанций. The invention relates to electrical engineering and can be used to design synchronous machines of low and medium power, mainly generators for autonomous power plants.

К генераторам автономных электростанций предъявляются жесткие требования по качеству выходного напряжения. Это связано с тем, что генератор должен запускать двигательную нагрузку единичной мощностью не менее 75% от мощности генератора, при этом внешняя его характеристика должна быть жесткой. Учитывая, что при пуске двигателей они потребляют реактивную мощность, необходимо в этот момент форсировать возбуждение генератора. Этого можно достичь путем положительной обратной связи по току (например а.с. СССР N 93189, 21d², 16, 1950 г. "Устройство для самовозбуждения многофазного синхронного двигателя"). В известном устройстве обмотка возбуждения включена в разрыв нулевой точки статорной обмотки через трехфазный выпрямитель. При этом ток возбуждения пропорционален току в статорной обмотке. Это устройство дает положительные результаты при использовании его для синхронных двигателей. В случае использования для генератора это устройство имеет недостатки, т.е. при активной нагрузке характеристика будет возрастающей, при индуктивной - падающей. Таким образом, внешняя характеристика будет зависеть от коэффициента мощности нагрузки. С другой стороны имеется ключ К, который шунтирует обмотку при переходных процессах, поэтому обмотка возбуждения не участвует в работе.The generators of autonomous power plants are subject to stringent requirements for the quality of the output voltage. This is due to the fact that the generator must start the motor load with a unit power of at least 75% of the generator power, while its external characteristic must be rigid. Considering that when starting the engines they consume reactive power, it is necessary at this moment to force the excitation of the generator. This can be achieved by positive current feedback (for example, AS USSR N 93189, 21d ² , 16, 1950, "Device for self-excitation of a multiphase synchronous motor"). In the known device, the field winding is included in the gap of the zero point of the stator winding through a three-phase rectifier. In this case, the excitation current is proportional to the current in the stator winding. This device gives positive results when used for synchronous motors. If used for a generator, this device has disadvantages, i.e. with active load, the characteristic will be increasing, with inductive - falling. Thus, the external characteristic will depend on the power factor of the load. On the other hand, there is a key K, which shunts the winding during transients, so the field winding is not involved in the work.

Наиболее близким по техническому решению является "Генератор переменного тока с комбинированным возбуждением" по а. с. СССР N 322831, H 02 K 19/36, 1971 г., Бюл. N 36. Closest to the technical solution is "Alternator with combined excitation" by a. with. USSR N 322831, H 02 K 19/36, 1971, Bull. N 36.

Известный генератор переменного тока с комбинированным возбуждением, содержащий постоянные магниты, трехфазную обмотку и регулятор напряжения в виде импульсного ключа, причем дополнительная обмотка возбуждения включена встречно-последовательно с основной и обе они непосредственно подключены к зажимам выпрямленного напряжения, а последовательно с основной обмоткой включен нелинейный элемент, например полупроводниковый диод. A well-known alternating current generator with combined excitation, containing permanent magnets, a three-phase winding and a voltage regulator in the form of a pulse switch, the additional excitation winding being turned on in series with the main one and both of them are directly connected to the rectified voltage terminals, and a non-linear element is connected in series with the main winding for example a semiconductor diode.

Недостатком известного устройства является наличие постоянного магнита, что вносит искажение в форму выходного напряжения. Наличие двух обмоток возбуждения включенных встречно-последовательно увеличивает массогабаритные показатели, т. к. поток этих обмоток вычитывается. Отсутствует форсирование возбуждения при питании двигательной нагрузки. A disadvantage of the known device is the presence of a permanent magnet, which introduces distortion into the shape of the output voltage. The presence of two field windings turned on in series increases the overall dimensions, since the flow of these windings is subtracted. There is no forcing of excitation when feeding a motor load.

Техническим решением предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции при жесткой внешней характеристике в статических и динамических режимах. The technical solution of the invention is to eliminate these drawbacks, namely, simplifying the design with a rigid external characteristic in static and dynamic modes.

Поставленная задача достигается тем, что генератор переменного тока с комбинированным возбуждением, содержащий статорную трехфазную обмотку, выпрямитель, регулятор возбуждения в виде импульсного ключа, первые выводы статорной трехфазной обмотки соединены со входом выпрямителя, к выходу постоянного тока которого параллельно подключена обмотка возбуждения, и импульсный ключ регулятора возбуждения выполненный с широтно-импульсным (ШИ) законом регулирования, предварительный усилитель которого выполнен с гальванической развязкой (например, на оптронной паре), а измерительный орган последнего, выполненный в виде последовательно соединенных между собой дополнительного выпрямителя, резистивного делителя напряжения и стабилитрона, включен между входом предварительного усилителя и выводами для подключения нагрузки статорной трехфазной обмотки, соединенными с дополнительными конденсаторами возбуждения по числу фаз. This object is achieved in that an alternating current generator with combined excitation, comprising a three-phase stator winding, a rectifier, an excitation regulator in the form of a pulse switch, the first stator three-phase winding leads are connected to the input of the rectifier, the excitation winding is connected in parallel to the DC output, and a pulse switch the excitation controller made with a pulse-width (SHI) regulation law, the preamplifier of which is made with galvanic isolation (e.g. example, on an optocoupler pair), and the measuring body of the latter, made in the form of an additional rectifier, a resistive voltage divider and a zener diode connected in series, is connected between the input of the pre-amplifier and the terminals for connecting the load of the stator three-phase winding connected to additional excitation capacitors by the number of phases .

Новизна технического решения обусловлена тем, что первые выводы трехфазной обмотки соединены со входом выпрямителя, к выходу постоянного тока которого параллельно подключена обмотка возбуждения, и импульсный ключ регулятора возбуждения выполненный с широтно-импульсным (ШИ) законом регулирования, предварительный усилитель которого выполнен с гальванической развязкой (например, на оптронной паре), а измерительный орган последнего, выполненный в виде последовательно соединенных между собой дополнительного выпрямителя, резистивного делителя напряжения и стабилитрона, и включен между входом предварительного усилителя и выводами для подключения нагрузки статорной трехфазной обмотки, соединенными с дополнительными конденсаторами возбуждения по числу фаз. The novelty of the technical solution is due to the fact that the first conclusions of the three-phase winding are connected to the input of the rectifier, the excitation winding is connected in parallel to the DC output of it, and the pulse switch of the excitation regulator is made with a pulse-width (SHI) regulation law, the pre-amplifier of which is galvanically isolated ( for example, on an optocoupler pair), and the measuring body of the latter, made in the form of an additional rectifier, resistive voltage separator and a zener diode, and is connected between the input of the preliminary amplifier and the terminals for connecting the load of the stator three-phase winding, connected to additional excitation capacitors in the number of phases.

По данным научно-исследовательской и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения. According to the research and patent literature, the authors are not aware of the claimed combination of features aimed at achieving the task, and this solution does not follow clearly from the prior art, which allows us to conclude that the solution corresponds to the level of the invention.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема генератора переменного тока с комбинированным возбуждением. The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of an alternating current generator with combined excitation.

Генератор содержит статорную трехфазную обмотку 1, первые выводы статорной трехфазной обмотки соединены со входом выпрямителя 2, к выходу постоянного тока которого, параллельно подключена обмотка возбуждения 3 и импульсный ключ 4 регулятора возбуждения 5 с предварительным усилителем 6 и оптронной парой 7, измерительный орган 8 содержит последовательно соединенные стабилитрон 9, резистивный делитель 10, конденсатор фильтра 11, дополнительный выпрямитель 12, соединенный с фазами статорной обмотки 1 и дополнительными конденсаторами возбуждения 13 в каждой фазе. The generator contains a three-phase stator winding 1, the first outputs of the three-phase stator winding are connected to the input of the rectifier 2, to the DC output of which, the field winding 3 and the pulse switch 4 of the field regulator 5 with preamplifier 6 and optocoupler 7 are connected in parallel, the measuring element 8 contains in series connected zener diode 9, resistive divider 10, filter capacitor 11, additional rectifier 12 connected to the phases of the stator winding 1 and additional excitation capacitors 13 in each phase.

Генератор переменного тока с комбинированным возбуждением работает следующим образом. За счет остаточного намагничивания ротора в трехфазной статорной обмотке 1 появляется ЭДС, которая за счет колебательного контура статорная обмотка - конденсаторы 13 усиливается и генератор самовозбуждается. Появившийся емкостный ток через выпрямитель 2 замыкается на обмотку возбуждения 3, которая создает поток, способствующий быстрому самовозбуждению генератора. The alternating current generator with combined excitation operates as follows. Due to the residual magnetization of the rotor in the three-phase stator winding 1, an EMF appears, which due to the oscillatory circuit of the stator winding - capacitors 13 is amplified and the generator is self-excited. The appearing capacitive current through the rectifier 2 is closed to the excitation winding 3, which creates a flow that contributes to the rapid self-excitation of the generator.

На холостом ходу потери в генераторе компенсируются за счет емкостного тока конденсаторов 13 и создающегося в обмотке 3 потока. At idle, losses in the generator are compensated by the capacitive current of the capacitors 13 and the flow created in the winding 3.

При подключении нагрузки к зажимам A, B, C обмотки статора 1 ток нагрузки через выпрямитель 2 замыкается на обмотке возбуждения 3, что вызывает увеличение потока намагничивания, а следовательно, увеличивается выходное напряжение. При определенном напряжении (зависит от положения ползунка на резистивном делителе 10) стабилитрон 9 открывается, по светодиоду 7 оптронной пары проходит ток, создается импульс управления, который усиливается предварительным усилителем 6, и импульсный ключ 4 регулятора возбуждения 5 открывается на определенное время, шунтируя обмотку возбуждения 3, в котором уменьшается ток. Это снижает поток, что приводит к уменьшению выходного напряжения. Снижается напряжение и на резистивном делителе 10, стабилитрон 9 закрывается, исчезает сигнал обратной связи. При этом весь выпрямленный ток нагрузки опять проходит через обмотку 3, и поток возбуждения снова возрастает. Таким образом, регулируется ток возбуждения и в конечном счете - выходное напряжение. When the load is connected to the terminals A, B, C of the stator winding 1, the load current through the rectifier 2 is closed on the field winding 3, which causes an increase in the magnetization flux, and therefore, the output voltage increases. At a certain voltage (depending on the position of the slider on the resistive divider 10), the zener diode 9 opens, a current passes through the LED 7 of the optocoupler pair, a control pulse is generated, which is amplified by the pre-amplifier 6, and the pulse switch 4 of the excitation regulator 5 opens for a certain time, bypassing the excitation winding 3, in which the current decreases. This reduces the flow, which leads to a decrease in the output voltage. The voltage decreases and the resistive divider 10, the zener diode 9 is closed, the feedback signal disappears. In this case, the entire rectified load current again passes through the winding 3, and the excitation flux increases again. Thus, the excitation current is regulated and ultimately the output voltage.

Импульсный ключ 4 открывается с удвоенной частотой генератора. В зависимости от выходного напряжения изменяется скважность импульсов, а следовательно, и действующее значение тока возбуждения. Чем больше выходное напряжение, тем дольше транзистор 4 открыт, меньший ток возбуждения в обмотке 4, и наоборот. Pulse key 4 opens with double the frequency of the generator. Depending on the output voltage, the duty cycle of the pulses changes, and therefore, the effective value of the excitation current. The higher the output voltage, the longer the transistor 4 is open, the lower the excitation current in the winding 4, and vice versa.

Достоинства предлагаемого синхронного генератора заключаются в следующем. The advantages of the proposed synchronous generator are as follows.

1. При подключении нагрузки срабатывает сначала "токовый" канал, за счет которого форсируется возбуждение, и только при достижении номинального напряжения срабатывает "отсечка" по напряжению. Т.е. происходит быстрая форсировка напряжения, следовательно, генератор имеет жесткую характеристику при переходных процессах. 1. When the load is connected, the "current" channel is triggered first, due to which the excitation is forced, and only when the rated voltage is reached, the "cut-off" by voltage is triggered. Those. there is a fast voltage boost, therefore, the generator has a rigid characteristic during transients.

2. Токовая обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, малую индуктивность, следовательно, генератор имеет небольшую электромагнитную постоянную. 2. The current field winding has a small number of turns, a small inductance, therefore, the generator has a small electromagnetic constant.

3. Независимо от того, какой коэффициент мощности имеет нагрузка, обратная связь по напряжению срабатывает при заданном (потенциометром) значении выходной величины и поддерживает стабильным выходное напряжение. 3. No matter what power factor the load has, voltage feedback is triggered when the output value is set (potentiometer) and the output voltage is stable.

4. Предлагаемый синхронный генератор не раз возбуждается при больших перегрузках, что важно для специальных устройств (авиация, резервные источники питания и т.д.). 4. The proposed synchronous generator is excited more than once at large overloads, which is important for special devices (aviation, backup power supplies, etc.).

5. Выпускаемые промышленностью транзисторы на токи 160-500 A позволяют создать широкий ряд мощностей данного генератора. Для увеличения мощности генератора можно включить несколько транзисторов параллельно. 5. Industrial transistors for 160-500 A currents allow you to create a wide range of capacities of this generator. To increase the power of the generator, you can turn on several transistors in parallel.

6. Регулирующий транзистор работает в дискретном режиме, что снижает потери и увеличивает КПД генератора. 6. The control transistor operates in discrete mode, which reduces losses and increases the efficiency of the generator.

7. Конденсаторы возбуждения, кроме основного назначения, улучшают форму выходного сигнала и снижают высшие гармонические составляющие. 7. Excitation capacitors, in addition to the main purpose, improve the shape of the output signal and reduce the higher harmonic components.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Генератор переменного тока с комбинированным возбуждением мощностью 6кВА испытан в лабораторных и полевых условиях. The proposed solution is industrially applicable. A 6kVA combined-field alternator has been tested in laboratory and field conditions.

Claims

An alternating current generator with combined excitation, comprising a three-phase stator winding, a rectifier, an excitation regulator in the form of a pulse switch, characterized in that some of the stator three-phase winding outputs are connected to the input of the rectifier, to the direct current output of which a field coil and a pulse excitation regulator key are connected, made with a pulse-width regulation law, the preamplifier of which is made with galvanic isolation (for example, on an optocoupler pair), and the measuring body of the latter, made in the form of an additional rectifier, a resistive voltage divider and a zener diode connected in series, is connected between the input of the preliminary amplifier and the terminals for connecting the load of the stator three-phase winding, connected to additional excitation capacitors by the number of phases.