RU2213409C2

RU2213409C2 - Method for controlling off-line induction generator

Info

Publication number: RU2213409C2
Application number: RU2001111597A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Мещеряков; А.Б. Иванов; А.И. Куликов
Original assignee: Липецкий государственный технический университет
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2003-09-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; power supply to equipment requiring high stability of ac mains at variable speed of prime mover. SUBSTANCE: method for controlling induction generator incorporating valve-type converter in rotor circuit involves actuating valve-type converter by signal responding to output voltage deviations. In the process switching frequency of converter valves is set in compliance with standard generator voltage and frequency error Proposed method provides for maintaining constant the frequency and voltage level at induction generator output with varying speed of prime mover. EFFECT: facilitated procedure. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для энергоснабжения объектов, требующих стабильную сеть переменного тока при переменной скорости вращения первичного двигателя. The invention relates to electrical engineering and can be used to power objects that require a stable AC network at a variable speed of rotation of the primary engine.

Известны асинхронные машины, управляемые тиристорными преобразователями по цепи статора генератора или полностью управляемые по цепи ротора (М.М. Ботвинник и Ю. Г. Шакарян "Управляемая машина переменного тока", изд. "Наука", 1969 г. ). Известны также автономные асинхронные генераторы (авторское свидетельство СССР 543121; МКИ Н 02 Р 9/44, 26.03.73), в которых сигнал по отклонению выходного напряжения генератора воздействует на инвертор в цепи ротора, а частоту коммутации вентилей преобразователя в статорной цепи задают постоянной. Asynchronous machines are known that are controlled by thyristor converters along the generator stator circuit or are completely controlled along the rotor circuit (MM Botvinnik and Yu. G. Shakaryan "Controlled AC Machine", published by "Science", 1969). Autonomous asynchronous generators are also known (USSR author's certificate 543121; MKI N 02 P 9/44, March 26, 73), in which the signal for the deviation of the generator output voltage acts on the inverter in the rotor circuit, and the switching frequency of the converter valves in the stator circuit is set constant.

В указанном способе асинхронная машина начинает работать в генераторном режиме, лишь когда скорость вращения первичного двигателя превышает синхронную скорость используемой асинхронной машины. Когда скорость ниже синхронной, асинхронная машина работает в двигательном режиме, потребляя энергию от автономного инвертора. Таким образом диапазон рабочих скоростей автономного генератора, построенного по этому способу, имеет ограничение снизу. In this method, an asynchronous machine starts to operate in a generator mode only when the rotation speed of the primary motor exceeds the synchronous speed of the used asynchronous machine. When the speed is lower than synchronous, the asynchronous machine operates in motor mode, consuming energy from an autonomous inverter. Thus, the range of operating speeds of an autonomous generator constructed by this method has a lower limit.

В предлагаемом способе асинхронная машина работает в генераторном режиме (далее автономный асинхронный генератор) при любой скорости вращения первичного двигателя, отличной от нуля. Это достигается тем, что осуществляют управление напряжением преобразователя в цепи ротора по отклонению выходного напряжения автономного асинхронного генератора от заданного, а частоту коммутации его вентилей задают выше частоты сети на величину, пропорциональную скорости вращения ротора. In the proposed method, an asynchronous machine operates in a generator mode (hereinafter stand-alone asynchronous generator) at any rotation speed of the primary motor other than zero. This is achieved by controlling the voltage of the converter in the rotor circuit by deviating the output voltage of the autonomous asynchronous generator from the set one, and the switching frequency of its valves is set higher than the mains frequency by an amount proportional to the rotor speed.

На чертеже показано устройство для реализации данного способа. Входной вал автономного асинхронного генератора 1 соединен с источником механической энергии вращения 2, имеющий переменную скорость вращения. В цепь фазного ротора автономного асинхронного генератора 1 включен автономный инвертор напряжения 3, питающийся от нерегулируемого выпрямителя 4, вход которого подключен к выходной цепи автономного асинхронного генератора. Для начального запуска автономного асинхронного генератора параллейно выпрямителю включена аккумуляторная батарея 5. Управление напряжением автономного инвертора осуществляют от регулятора напряжения 6, на вход которого поступает сигнал рассогласования между напряжением сети U₁ и напряжением задания U_з1. Частоту ω₂ коммутации вентилей задают генератором 7, управляемым от регулятора частоты 8, на вход которого поступает сигнал рассогласования между частотой выходного напряжения ω₁ и частотой ω_з1 опорного генератора 9.The drawing shows a device for implementing this method. The input shaft of the autonomous asynchronous generator 1 is connected to a source of mechanical energy of rotation 2, having a variable speed of rotation. An autonomous voltage inverter 3 is included in the phase rotor circuit of the autonomous asynchronous generator 1, powered by an unregulated rectifier 4, the input of which is connected to the output circuit of the autonomous asynchronous generator. For the initial start-up of an autonomous asynchronous generator, a battery 5 is connected in parallel to the rectifier. The voltage of the autonomous inverter is controlled by a voltage regulator 6, the input of which receives a mismatch between the mains voltage U ₁ and the reference voltage U _s1 . The switching frequency ω _{2 of the} valves is set by a generator 7, controlled by a frequency controller 8, to the input of which a mismatch signal between the frequency of the output voltage ω ₁ and the frequency ω _{s1 of the} reference generator 9 is received.

Управление автономным асинхронным генератором осуществляется следующим образом. При первоначальном запуске автономный инвертор напряжения 3 преобразует постоянное напряжение от аккумуляторной батареи 5 в трехфазное напряжение, подаваемое в ротор автономного асинхронного генератора 1. Под действием этого напряжения формируется вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре автономного асинхронного генератора. В результате этого наводится ЭДС в обмотках статора. При этом порядок чередования фаз в роторе выбран таким образом, что электромагнитное поле в воздушном зазоре вращается в сторону, противоположенную направлению вращения ротора, тогда частота выходного напряжения ω₁ будет определяться формулой:
ω₁ = ω₂-ω_p,
где ω₂ - частота коммутации вентилей ротора;
ω_p - скорость вращения ротора.Management autonomous asynchronous generator is as follows. Upon initial start-up, the stand-alone voltage inverter 3 converts the direct voltage from the battery 5 into a three-phase voltage supplied to the rotor of the stand-alone asynchronous generator 1. Under the influence of this voltage, a rotating magnetic field is formed in the air gap of the stand-alone asynchronous generator. As a result of this, EMF is induced in the stator windings. In this case, the phase sequence in the rotor is selected so that the electromagnetic field in the air gap rotates in the direction opposite to the direction of rotation of the rotor, then the frequency of the output voltage ω ₁ will be determined by the formula:
ω ₁ = ω ₂ -ω _p ,
where ω ₂ - switching frequency of the rotor valves;
ω _p - rotor speed.

Если частота выходного напряжения ω₁ отличается от частоты ω_з1 опорного генератора 9, то напряжение на выходе регулятора частоты 8 будет изменяться, вызывая изменение частоты выходного напряжения генератора 7, который и определяет частоту коммутации вентилей. Таким образом изменяется частота коммутации вентилей и, как следствие, изменяется частота выходного напряжения автономного асинхронного генератора в сторону уменьшения рассогласования на входе регулятора частоты 8. В конечном итоге частота выходного напряжения ω₁ устанавливается равной частоте опорного генератора ω_з1, которая поддерживается неизменной. Если величина выходного напряжения U₁ (на обмотках статора) отличается от заданного U_з1, то из-за возникающего рассогласования происходит изменение напряжения на выходе регулятора 6, который изменяет величину выходного напряжения преобразователя 3. Это приведет к изменению тока ротора, что вызовет изменение потока намагничивания и, в конечном итоге - изменение напряжения на обмотках статора в сторону уменьшения рассогласования. При появлении выходного напряжения автономного асинхронного генератора появляется напряжение на выходе выпрямителя 4, который теперь обеспечивает питание автономного инвертора напряжения 3 и подзарядку аккумуляторной батареи 5.If the frequency of the output voltage ω ₁ differs from the frequency ω _{z1 of the} reference generator 9, then the voltage at the output of the frequency regulator 8 will change, causing a change in the frequency of the output voltage of the generator 7, which determines the switching frequency of the valves. Thus, the switching frequency of the valves changes and, as a result, the frequency of the output voltage of the autonomous asynchronous generator changes in the direction of decreasing the mismatch at the input of the frequency controller 8. Ultimately, the frequency of the output voltage ω _{1 is} set equal to the frequency of the reference generator ω _s1 , which is kept constant. If the magnitude of the output voltage U ₁ (on the stator windings) differs from the specified U _z1 , then due to a mismatch occurs, the voltage at the output of the regulator 6 changes, which changes the output voltage of the converter 3. This will lead to a change in the rotor current, which will cause a change in flow magnetization and, ultimately, a change in voltage on the stator windings in the direction of reducing the mismatch. When the output voltage of the autonomous asynchronous generator appears, the voltage appears at the output of the rectifier 4, which now provides power to the autonomous voltage inverter 3 and recharging the battery 5.

При изменении скорости вращения первичного двигателя 2, изменяется частота и напряжение на выходе автономного асинхронного генератора. В результате появляется рассогласование на входах регуляторов частоты и напряжения, которые воздействуют на автономный инвертор напряжения 3 и устраняют это рассогласование, за счет изменения частоты и напряжения на выходе автономного инвертора напряжения 3. С целью обеспечения регулирования выходной частоты и выходного напряжения автономный инвертор напряжения работает в режиме широтноимпульсного модулирования (ШИМ). When changing the speed of rotation of the primary motor 2, the frequency and voltage at the output of the autonomous asynchronous generator changes. As a result, there is a mismatch at the inputs of the frequency and voltage regulators, which act on the autonomous voltage inverter 3 and eliminate this mismatch by changing the frequency and voltage at the output of the autonomous voltage inverter 3. In order to ensure regulation of the output frequency and output voltage, the autonomous voltage inverter operates in pulse width modulation (PWM) mode.

В данном устройстве автономный инвертор напряжения обеспечивает поток возбуждения автономного асинхронного генератора, а энергия подается в сеть при вращающемся роторе за счет энергии, отбираемой с вала источника механической энергии вращения. И только в режиме, когда ротор не вращается, энергия подается в сеть за счет энергии, потребляемой от автономного инвертора напряжения. Таким образом, при любой скорости вращения, отличной от нуля, автономный асинхронный генератор, согласно предложенному способу, будет работать в генераторном режиме. При этом, согласно вышеуказанной формуле, частота коммутации вентилей автономного инвертора не будет ниже требуемой частоты сети, что упрощает практическую реализацию системы управления автономным инвертором напряжения. In this device, a stand-alone voltage inverter provides a flow of excitation of a stand-alone asynchronous generator, and the energy is supplied to the network when the rotor rotates due to the energy taken from the shaft of the source of mechanical rotation energy. And only in the mode when the rotor does not rotate, energy is supplied to the network due to the energy consumed from the autonomous voltage inverter. Thus, at any rotation speed other than zero, the autonomous asynchronous generator, according to the proposed method, will work in the generator mode. Moreover, according to the above formula, the switching frequency of the valves of the autonomous inverter will not be lower than the required frequency of the network, which simplifies the practical implementation of the control system of the autonomous voltage inverter.

Claims

A method of controlling an autonomous asynchronous generator with a valve converter in the rotor circuit, which consists in applying a signal to deviate the generator output voltage to the valve converter and maintaining a constant frequency of the output voltage at a variable rotor speed, characterized in that the switching frequency of the converter valves is set by the mismatch of the output voltage frequencies and a reference oscillator forming a constant frequency, the switching frequency of the converter gates I exceed the network frequency by an amount proportional to the rotor speed.