RU2453031C2

RU2453031C2 - Generator plant of specified stable voltage and frequency

Info

Publication number: RU2453031C2
Application number: RU2010129782/07A
Authority: RU
Inventors: Борис Петрович Курников (RU); Борис Петрович Курников
Original assignee: Борис Петрович Курников
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-06-10
Also published as: RU2010129782A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: all power windings of electric machines are activated mainly in series through rectifiers - disjunctors and in turn with the specified phase delay, and deactivated in turn with the same phase delay, but in reverse order. As a result, output symmetrical voltage of stepped shape, which repeats the contour of sine-shaped signal, is shaped in each half-period. Phase-frequency parameters and amplitude of that signal are specified with control static generator. Non-uniformity and linearity of output voltage curve is provided with up converter circuit of constant voltage levels, which is connected to operation at intervals of activation-deactivation phases of rectifiers - disjunctors, which determines relatively low power fraction generated with high-frequency circuit of up voltage converter in common flow of output power of the plant, and hence the improved reliability at relative low cost of conversion assembly in comparison to inverter circuits of complete voltage conversion.

EFFECT: improving the quality of output voltage, and at the same time, the possibility of power buildup of generator plant due to mechanical aggregation of several power electrical machines operating from common drive motor or from several motors.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромашинным преобразователям энергии, вырабатывающим переменный ток заданной частоты и напряжения.The invention relates to electrical engineering, in particular to electrical machine energy converters generating alternating current of a given frequency and voltage.

Известны электромашинные генераторные устройства, на выходе которых параметры напряжения и частоты сохраняются стабильными при колебаниях нагрузки и изменении скоростного режима самого генератора и приводного двигателя (патент РФ №2216847, Кл. МКИ 6 H02K 47/20). Данное генераторное устройство содержит генератор переменного тока с контролируемыми параметрами, выпрямитель, преобразователь постоянного напряжения в постоянное с контролируемыми параметрами. Устройство обеспечивает дозирование потоков мощности между приводным двигателем и электромашинным генератором, с одной стороны, и между электромашинным генератором и нагрузкой с другой стороны в зависимости от состояния нагрузки. Статический преобразователь постоянного напряжения в переменное поддерживает на заданном уровне выходные параметры напряжения и частоты за счет обратных связей и текущего контроля с помощью датчиков тока и напряжения. Это позволяет в целом оптимизировать работу агрегатного комплекса. Однако к недостаткам такого рода устройств можно отнести необходимость ШИМ преобразования полного потока мощности электромашинного генератора, что при относительно высоких частотах преобразования приводит к увеличению потерь мощности в процессе высокочастотного преобразования, и, одновременно, снижению надежности и росту себестоимости устройства. Как известно, транзисторные ВЧ ключи все еще, несмотря на бурный рост IGBT-технологий, критичны к токовым перегрузкам, особенно при работе на емкостную нагрузку, требуют быстродействующих систем защиты в процессе работы, имеют ограничения по верхнему порогу токов коммутации.Known electric machine generator devices, at the output of which the voltage and frequency parameters are kept stable during load fluctuations and changes in the speed regime of the generator itself and the drive motor (RF patent No. 2216847, Cl. MKI 6 H02K 47/20). This generator device contains an alternating current generator with controlled parameters, a rectifier, a DC / DC converter with controlled parameters. The device provides dosing of power flows between the drive engine and the electric machine generator, on the one hand, and between the electric machine generator and the load on the other hand, depending on the state of the load. A static DC-to-AC converter maintains voltage and frequency output parameters at a given level due to feedbacks and current monitoring using current and voltage sensors. This allows us to optimize the operation of the aggregate complex as a whole. However, the disadvantages of such devices include the need for PWM conversion of the full power flow of an electric machine generator, which at relatively high conversion frequencies leads to an increase in power losses during high-frequency conversion, and, at the same time, a decrease in reliability and an increase in the cost of the device. As you know, transistor RF keys are still, despite the rapid growth of IGBT technologies, critical for current overloads, especially when working on capacitive loads, require high-speed protection systems during operation, and have limitations on the upper threshold of switching currents.

Установка, выполненная по схеме изобретения (пат. №2359399, РФ, кл. МКИ 6 H02K 47/20) на базе преимущественно силовых тиристоров, лишена перечисленных недостатков, но при этом не обеспечивает гармоничной формы выходного напряжения, что существенно ограничивает сферу применения подобных устройств, например, в промышленных и бытовых электросетях из-за превышения в спектре выходного сигнала высших гармоник. К достоинствам подобных устройств следует отнести простоту конструкции, надежность в работе тиристорных коммутаторов, которые легко запускаются, например, посредством оптронных ключей и самоотключаются при переходе тока через «0», возможность работы на конденсаторную нагрузку, что упрощает фильтрацию высших гармоник и делает генератор совместимым с разными нагрузками, одновременно улучшая энергетические показатели (cos f). Устройство, выполненное по схеме изобретения, близко по технической сути к заявленному и принято за прототип.The installation, made according to the scheme of the invention (US Pat. No. 2359399, RF, class MKI 6 H02K 47/20) based mainly on power thyristors, is devoid of the above disadvantages, but it does not provide a harmonious shape of the output voltage, which significantly limits the scope of application of such devices , for example, in industrial and domestic power networks due to the excess in the spectrum of the output signal of higher harmonics. The advantages of such devices include the simplicity of design, the reliability of the thyristor switches, which are easily started, for example, by means of optocouplers and turn off when the current passes through “0”, the ability to work on a capacitor load, which simplifies filtering of higher harmonics and makes the generator compatible with different loads, while improving energy performance (cos f). The device made according to the scheme of the invention is close in technical essence to the claimed one and is taken as a prototype.

Заявленная установка заданных стабильных напряжения и частоты имеет целью устранить существенные недостатки схемы прототипа, как то: нелинейность формы выходного напряжения и, дополнительно, реализовать задачу умощнения за счет наращивания количества электромашинных генераторов, одновременно используемых в каждой отдельной ее фазе.The claimed installation of the specified stable voltage and frequency is intended to eliminate the significant disadvantages of the prototype circuit, such as: non-linearity of the output voltage shape and, additionally, to realize the task of amplification by increasing the number of electric machine generators simultaneously used in each of its individual phases.

Задача решается тем, что генераторная установка, содержащая задающий статический генератор с выходными контактами отдельно для положительной и отрицательной полуволн его выходного напряжения, к которым подключены входы детекторов полярности, и для выпрямленного полного напряжения, к которым подключен управляющий вход выпрямителя-прерывателя тока, электромашинный силовой генератор, включающий в себя цепи управления возбуждением, электрически связанные контуром обратной связи по напряжению с задающим генератором, при этом силовой генератор имеет повышенную номинальную частоту преобразования относительно частоты задающего генератора, а к его выходной обмотке подключен вход выпрямителя-прерывателя тока, что к выходу выпрямителя-прерывателя тока подключен повышающий преобразователь уровня постоянного напряжения (ПН), снабженный управляющим ШИМ генератором с входом синхронизации, соединенным с выходным контактом задающего генератора, а между выходными контактами установки и выходом повышающего преобразователя уровня ПН включен управляемый переключатель полярности, соединенный по своим управляющим входам с детекторами полярности.The problem is solved in that the generator set, containing the master static generator with output contacts separately for the positive and negative half-waves of its output voltage, to which the inputs of the polarity detectors are connected, and for the rectified total voltage, to which the control input of the rectifier-current chopper is connected, is electrically powered a generator including excitation control circuits electrically connected by a voltage feedback loop with a master oscillator, while the herator has an increased nominal conversion frequency relative to the frequency of the master oscillator, and the input of the rectifier-current chopper is connected to its output winding, which is connected to the output of the rectifier-current chopper is a step-up DC-voltage converter (PN) equipped with a PWM control generator with a synchronization input connected to the output contact of the master oscillator, and between the output contacts of the installation and the output of the step-up converter of the PN level, a controlled polar STI connected by their control inputs with polarity detectors.

На чертеже, фиг.1, представлен один из возможных вариантов реализации изобретения, где: 1 - задающий статический генератор синусоидального напряжения; 2 - электромашинный силовой генератор; 3 - выпрямитель-прерыватель тока; 4 - повышающий преобразователь уровня ПН; 5 - управляемый переключатель полярности; 6 и 7 - выходные контакты задающего генератора для положительной и отрицательной полуволн его выходного напряжения; 8 - выходной контакт для выпрямленного полного напряжения задающего генератора; 9 - контур обратной связи по напряжению; 10 - вход отключения режима преобразования; 11 - схема сравнения, где: а - вход, подключенный к контакту задающего генератора для выпрямленного полного напряжения; в - вход, подключенный к выходу сглаживающего фильтра для выходного напряжения повышающего преобразователя уровня ПН; 12 - сглаживающий фильтр для выходного напряжения повышающего преобразователя уровня ПН;In the drawing, FIG. 1, one of the possible embodiments of the invention is presented, where: 1 - a master static generator of a sinusoidal voltage; 2 - electric machine power generator; 3 - rectifier-current chopper; 4 - boost converter of the PN level; 5 - controlled polarity switch; 6 and 7 - output contacts of the master oscillator for the positive and negative half-waves of its output voltage; 8 - output contact for the rectified total voltage of the master oscillator; 9 - voltage feedback loop; 10 - input disable the conversion mode; 11 is a comparison circuit, where: a is an input connected to a contact of a master oscillator for a rectified total voltage; in - the input connected to the output of the smoothing filter for the output voltage of the boost converter level MON; 12 - smoothing filter for the output voltage of the boost level converter of the PN;

На чертеже, фиг.2, представлен другой возможный вариант реализации изобретения, где в блоке 1 задающего генератора с помощью диодов V1 и V2 совместно с оптронными входами детекторов полярности 1 и 2 решается задача управления переключателем полярности 5 (фиг.1) для положительной и отрицательной полуволн синусоидального напряжения задающего генератора, и, одновременно, с помощью диодов V1* и V2* выпрямленное полное напряжение задающего генератора подается на оптронные входы 3.1 управления включением выпрямителя-прерывателя тока 2.1, а через пороговый элемент V3* - на оптронные входы 3.1* управления включением выпрямителя-прерывателя тока 2.2. Данный вариант может быть использован для двухобмоточных электрических машин, оборудованных двумя раздельными обмотками, включенными по схеме «звезда».In the drawing, FIG. 2, another possible embodiment of the invention is presented, where, in the unit 1 of the master oscillator, the diodes V1 and V2 together with the optocoupler inputs of the polarity detectors 1 and 2 solve the problem of controlling the polarity switch 5 (FIG. 1) for positive and negative half-waves of the sinusoidal voltage of the master oscillator, and, simultaneously, with the help of diodes V1 * and V2 *, the rectified total voltage of the master oscillator is supplied to the optocoupler inputs 3.1 of the control of the inclusion of the rectifier-current chopper 2.1, and sometimes th element V3 * - inputs for optronic 3.1 * control switching chopper rectifier 2.2. This option can be used for double-winding electric machines equipped with two separate windings connected according to the "star" scheme.

На чертеже, фиг.3, изображены эпюры напряжений: для выходного полного выпрямленного напряжения задающего генератора;In the drawing, figure 3, shows the plot of the voltage: for the output full rectified voltage of the master oscillator;

для управляющего ШИМ сигнала на транзисторном входе повышающего преобразователя уровня ПН;for the control PWM signal at the transistor input of the boost converter of the PN level;

для силового входа повышающего преобразователя уровня ПН в варианте двухобмоточной электрической машины (а) и (б) - двух двухобмоточных электрических машин, где φ₁ и φ₂ - фазы включения-отключения силовых тиристоров в блоках выпрямителей-прерывателей тока;for the power input of the step-up converter of the PN level in the variant of a double-winding electric machine (a) and (b) - two double-winding electric machines, where φ ₁ and φ ₂ are the on-off phases of power thyristors in rectifier-current chopper blocks;

на выходе повышающего преобразователя уровня ПН, где: вар. (а) заштрихованные сегменты ΔS1 и ΔS2 отражают согласно выражения(2ΔS+ΔS2):Sобщ. относительное значение потока мощности преобразованной ВЧ инвертором преобразователя уровня ПН; а в вар.(б), соответственно, (2ΔS1+2ΔS2+2ΔS3+ΔS4):Sобщ. Как следует из сравнения вариантов, с увеличением количества обмоток, включенных в последовательную цепь через выпрямители-прерыватели тока, нагрузка на ВЧ транзистор (V) в блоке 4 существенно уменьшается и может в зависимости от количества обмоток или одновременно используемых электрических машин достигать уровня (5…10)% от полной мощности установки.at the output of a step-up converter of the PN level, where: var. (a) the shaded segments ΔS1 and ΔS2 reflect according to the expression (2ΔS + ΔS2): Stotal. the relative value of the power flux converted by the RF inverter of the PN level converter; and in var. (b), respectively, (2ΔS1 + 2ΔS2 + 2ΔS3 + ΔS4): Stotal. As follows from a comparison of options, with an increase in the number of windings connected to the serial circuit through rectifier-current choppers, the load on the RF transistor (V) in block 4 decreases significantly and can reach a level depending on the number of windings or simultaneously used electric machines (5 ... 10)% of the total installation capacity.

Базовая часть схемы, согласно черт., фиг.1, работает следующим образом: задающий генератор 1 вырабатывает напряжение sin_ой формы, которое с контактов 6 и 7 подается на противофазные плечи диодных выпрямителей V1 и V2 через светодиодные входы детекторов полярности 1.1 и 2.1. Полное выпрямленное напряжение задающего генератора с контакта 8 подается на светодиодные цепи 3.1 управляющего оптронного входа выпрямителя-прерывателя тока. Резистор R служит для ограничения управляющего тока оптронов. При достижении амплитуды синусоидального напряжения задающего генератора уровня срабатывания оптронных ключей включаются одновременно оптронные тиристоры 3.2… в блоке 3 выпрямителя-прерывателя тока и 1.1, либо 2.1 в блоке 5 переключателя полярности, в зависимости от такта, который измеряется полупериодом выходного сигнала задающего генератора. При снижении амплитуды синусоидального напряжения ниже порога срабатывания оптронных ключей последние отключаются, возникает пауза, в течение которой ток от электрической машины 2 не поступает в нагрузку, то есть напряжение на нагрузочном конденсаторе C в блоке 5 спадает до нуля. Пауза между тактами напрямую зависит от величины выходного синусоидального напряжения задающего генератора и с его увеличением сужается, одновременно время открытого состояния оптронных ключей 3.2 в блоке выпрямителя-прерывателя тока 3 также несколько увеличивается. Таким образом, достигается заданная величина паузы тока, необходимая для надежного запирания парных тиристоров 1.1… и 2.1… в блоке 5 перед каждым последующим тактом. В том случае, если нагрузка в выходной сети установки резко прерывается и конденсатор не успевает полностью разрядиться, это не снижает надежности работы установки, так как в этом случае ток коммутации парных тиристоров в другой диагонали «H» моста ограничивается индуктивностью L преобразователя 4, а само отключение другой пары тиристоров гарантировано отключением тиристоров 3.2… в блоке выпрямителя 3 в конце каждого такта. Надежность работы схемы передачи мощности от электрической машины к нагрузке не ухудшается и при включении в работу инверторного блока 4, который начинает генерировать ВЧ импульсы тока при подаче на управляющий транзистор V импульсов с выхода ШИМ генератора, энергия импульсов самоиндукции передается через соответствующую открытую тиристорную пару в диагоналях моста на конденсатор C и в нагрузку. Конденсатор C здесь выполняет двойную функцию, служит для форсировки включения тиристорных пар и сглаживает пульсации на нагрузке. ШИМ генератор оснащен входом (а) синхронизации с задающим генератором и не вырабатывает импульсов управления в паузах рабочего тока, что исключает вероятность импульсов перенапряжения на транзисторе V блока 4 и на силовых тиристорах 1.1… и 1.2… в переходных режимах.The basic part of the circuit, according to the diagram, Fig. 1, works as follows: the master oscillator 1 generates a sin_th form voltage, which is supplied from the contacts 6 and 7 to the antiphase arms of the diode rectifiers V1 and V2 through the LED inputs of the polarity detectors 1.1 and 2.1. The full rectified voltage of the master oscillator from pin 8 is supplied to the LED circuit 3.1 of the control optocoupler input of the rectifier-current chopper. The resistor R is used to limit the control current of the optocouplers. Upon reaching the amplitude of the sinusoidal voltage of the master oscillator, the triggering level of the optocouplers simultaneously turns on the optocouplers 3.2 ... in block 3 of the rectifier-current chopper and 1.1, or 2.1 in block 5 of the polarity switch, depending on the cycle, which is measured by the half-period of the output signal of the master oscillator. When the amplitude of the sinusoidal voltage decreases below the response threshold of the optocouplers, the latter are turned off, there is a pause during which the current from the electric machine 2 does not enter the load, that is, the voltage across the load capacitor C in block 5 drops to zero. The pause between cycles directly depends on the value of the output sinusoidal voltage of the master oscillator and narrows with its increase, while the open state time of the optocouplers 3.2 in the rectifier-current chopper block 3 also increases slightly. Thus, the set value of the current pause is achieved, which is necessary for reliable locking of paired thyristors 1.1 ... and 2.1 ... in block 5 before each subsequent clock cycle. In the event that the load in the output network of the installation is abruptly interrupted and the capacitor does not have time to completely discharge, this does not reduce the reliability of the installation, since in this case the switching current of paired thyristors in the other diagonal “H” of the bridge is limited by the inductance L of converter 4, and disconnection of another pair of thyristors is guaranteed by disconnection of thyristors 3.2 ... in the rectifier unit 3 at the end of each cycle. The reliability of the operation of the power transfer circuit from the electric machine to the load does not deteriorate and when the inverter unit 4 is turned on, which starts generating HF current pulses when V pulses are supplied to the control transistor from the PWM generator output, the energy of the self-induction pulses is transmitted through the corresponding open thyristor pair in diagonals bridge to capacitor C and to the load. Capacitor C has a dual function here, serves to force the inclusion of thyristor pairs and smoothes the ripple on the load. The PWM generator is equipped with a synchronization input (a) with a master oscillator and does not generate control pulses in pauses of the operating current, which eliminates the possibility of overvoltage pulses on transistor V of block 4 and on power thyristors 1.1 ... and 1.2 ... in transient modes.

ШИМ генератор оснащен входом 10 отключения преобразования, что позволяет отслеживать входной синусоидальный сигнал и через схему сравнения 11 в случае равенства или превышения сигнала на выходе преобразователя уровня 4 после фильтрации и соответствующего масштабирования давать команду на его отключение. Частота преобразования выбирается довольно высокой, -10…30 кГц и выше, что дает высокую точность повторения формы сигнала задающего генератора. Повышающий преобразователь уровня ПН выполняет роль корректора нелинейности формы выходного напряжения и берет на себя лишь малую часть коммутационных потерь в общем потоке выходной мощности установки, поэтому данное схемное решение по сравнению с известными позволяет максимизировать общий КПД, существенно снизить себестоимость установки на единицу произведенной мощности и за счет использования простых и надежных устройств одновременно достичь высокой надежности. Схема позволяет при минимуме затрат модернизировать многие серийные электрические генераторы, например синхронные переменного тока, оснащенные вентильным блоком. Основные силовые компоненты схемы изобретения размещаются внутри электрической машины, находятся в зоне охлаждения и практически не снижают ее показатели надежности, вместе с тем новый агрегат приобретает свойства стабильных выходных параметров частоты и напряжения при изменении ее скоростных и нагрузочных факторов. Схема изобретения позволяет синхронизировать и объединять в один агрегат неопределенное число генераторов повышенных номинальных частот, имеющих дополнительные качества: малые габариты и вес.The PWM generator is equipped with a conversion shutdown input 10, which allows you to monitor the input sinusoidal signal and, through the comparison circuit 11, in case of equality or excess of the signal at the output of the level 4 converter after filtering and corresponding scaling, give the command to turn it off. The conversion frequency is selected rather high, -10 ... 30 kHz and higher, which gives high accuracy of repetition of the waveform of the master oscillator. The boosting converter of the PN level acts as a corrector of the nonlinearity of the shape of the output voltage and takes on only a small part of the switching losses in the total flow of the output power of the installation, therefore this circuit solution, in comparison with the known ones, allows to maximize the overall efficiency, significantly reduce the cost of installation per unit of produced power and through the use of simple and reliable devices at the same time achieve high reliability. The scheme allows, at a minimum cost, to upgrade many serial electric generators, for example synchronous alternating current, equipped with a valve block. The main power components of the circuit of the invention are located inside an electric machine, located in the cooling zone and practically do not reduce its reliability indicators, however, the new unit acquires the properties of stable output parameters of frequency and voltage when changing its speed and load factors. The scheme of the invention allows you to synchronize and combine into one unit an indefinite number of generators of higher nominal frequencies having additional qualities: small dimensions and weight.

Claims

1. The generator set of the specified stable voltage and frequency, containing a master static generator with output contacts separately for the positive and negative half-waves of its output voltage, to which the inputs of the polarity detectors are connected, and for the rectified total voltage, to which the control input of the rectifier-current chopper is connected, electric machine power generator equipped with control circuits of the excitation current, electrically connected by a voltage feedback loop with the output of the master nerator, while the power generator has a higher nominal conversion frequency relative to the frequency of the master oscillator, and the input of the rectifier-current chopper is connected to its output, characterized in that a step-up DC-voltage converter is connected to the output of the rectifier-current chopper, equipped with a disconnecting input connected to output contact for the rectified total voltage of the master oscillator, while between the output contacts of the installation and the output of the boost level converter DC voltage controlled polarity switch is connected, connected at its control inputs to the outputs of the polarity detectors.

2. The generator set according to claim 1, characterized in that the step-up converter of the DC voltage level is made in the form of additional sections of the rectifier-current chopper connected in the forward direction by diodes, the total number of sections being equivalent to the number of output windings of the power generator.