RU2797038C1

RU2797038C1 - Vehicle alternator excitation current regulator

Info

Publication number: RU2797038C1
Application number: RU2023103416A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Кузнецов; Константин Степанович Перфильев; Яков Владимирович Чупин; Вячеслав Юрьевич Евсеев
Filing date: 2023-02-15
Publication date: 2023-05-31

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention can be used to control the excitation current of auxiliary or traction vehicle generators. The vehicle generator excitation current regulator is provided with a main excitation current generation channel containing the first rectifier connected to the three phases of the synchronous generator, a filtering vessel, a step-down voltage converter, and a backup excitation current generation channel containing a DC voltage source, a full-wave converter with fully controlled valves and back-to-back diodes, the second rectifier, the first and second current sensors. The main and backup channels for generating the excitation current are connected in series and are controlled by the control system based on feedback signals from the first and second current sensors in the pulse-width modulation mode.

EFFECT: increased reliability of the vehicle generator excitation current regulator by creating a backup excitation channel and ensuring automatic transition to the emergency excitation mode, as well as excluding electromechanical converters from the excitation circuit.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования тока возбуждения вспомогательного или тягового генераторов транспортного средства.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to control the excitation current of auxiliary or traction vehicle generators.

Известно устройство регулирования возбуждения тягового генератора с независимым возбуждением от возбудителя переменного тока с регулированием напряжения посредством управляемого выпрямителя (тепловозы с передачей переменно-постоянного тока), которая снабжена устройством аварийного возбуждения. При установке соответствующего переключателя в положение «Аварийное возбуждение» его контакты шунтируют тиристоры управляемого выпрямителя возбуждения. Управляемый выпрямитель возбуждения становится неуправляемым и через его диоды, включенные в четыре плеча, ток синхронного возбудителя выпрямляется для питания обмотки возбуждения тягового генератора (В.И. Вилькевич «Автоматическое управление электрической передачей и электрические схемы тепловозов», М. Транспорт, 1987, стр. 154-156).A device for regulating the excitation of a traction generator with independent excitation from an AC exciter with voltage regulation by means of a controlled rectifier (locomotives with AC-DC transmission), which is equipped with an emergency excitation device, is known. When the corresponding switch is set to the "Emergency excitation" position, its contacts shunt the thyristors of the controlled excitation rectifier. The controlled excitation rectifier becomes uncontrollable and through its diodes included in four arms, the synchronous exciter current is rectified to power the excitation winding of the traction generator (V.I. Vilkevich “Automatic control of electrical transmission and electrical circuits of diesel locomotives”, M. Transport, 1987, p. 154-156).

Недостатком устройства регулирования возбуждения тягового генератора является его низкая надежность, обусловленная тем, что при возникновении внештатной ситуации включение устройства аварийного возбуждения осуществляется вручную, а ток возбуждения становится нерегулируемым. При этом переход в режим аварийного возбуждения возможен только при отказе блока управления управляемого выпрямителя.The disadvantage of the traction generator excitation control device is its low reliability, due to the fact that in the event of an emergency, the emergency excitation device is turned on manually, and the excitation current becomes unregulated. In this case, the transition to the emergency excitation mode is possible only if the control unit of the controlled rectifier fails.

Известен регулятор тока возбуждения, в котором для питания независимой обмотки возбуждения тягового генератора применен возбудитель, конструктивно объединенный со вспомогательным генератором в двухмашинный агрегат. В свою очередь возбудитель также имеет две обмотки возбуждения: независимую и размагничивающую. Независимая обмотка питается синхронным подвозбудителем через аппараты автоматического управления. Размагничивающая обмотка получает питание от цепей управления. Синхронный подвозбудитель получает возбуждение от вспомогательного генератора. При этом реализуется каскадная схема, при которой процесс регулирования осуществляется не в цепи обмотки возбуждения тягового генератора, а в более слаботочной цепи независимой обмотки возбуждения возбудителя (А.Г. Иоффе ж. «Локомотив» №4, 2022 г., стр. 27 - 32 «Электрическая схема тепловоза ТЭ10М»).Known excitation current regulator, in which to power an independent excitation winding of the traction generator, a pathogen is used that is structurally combined with an auxiliary generator into a two-machine unit. In turn, the exciter also has two excitation windings: independent and demagnetizing. The independent winding is fed by a synchronous subexciter through automatic control devices. The demagnetizing winding is powered by the control circuits. The synchronous subexciter is energized by an auxiliary generator. In this case, a cascade scheme is implemented, in which the control process is carried out not in the excitation winding circuit of the traction generator, but in a more low-current circuit of an independent excitation winding of the exciter (A.G. Ioffe, Lokomotiv No. 4, 2022, p. 27 - 32 "Electrical diagram of the diesel locomotive TE10M").

Недостатками известного регулятора тока возбуждения являются наличие большого количества электротехнических элементов и преобразователей, а также сложность системы управления, что приводит к снижению его надежности.The disadvantages of the known excitation current controller are the presence of a large number of electrical elements and converters, as well as the complexity of the control system, which leads to a decrease in its reliability.

Известен реверсивный возбудитель на полностью управляемых вентилях для генератора физической модели, принятый за прототип, содержащий двухполупериодный преобразователь напряжения на полностью управляемых вентилях и встречно-включенных диодах, к входу которого параллельно подключены выпрямитель и сглаживающий конденсатор, а к выходу параллельно подключен вход датчика напряжения, выход которого подключен к входу системы управления, выходы системы управления подключены к полностью управляемым вентилям, а в выходную цепь преобразователя напряжения включен датчик тока, вход которого подключается к обмотке возбуждения генератора, а выход подключен к входу системы управления (Патент RU №144222, МПК H02P 9/30, опубл. 10.08. 2014 г.).A reversible exciter on fully controlled valves for a physical model generator is known, taken as a prototype, containing a full-wave voltage converter on fully controlled valves and back-to-back diodes, to the input of which a rectifier and a smoothing capacitor are connected in parallel, and a voltage sensor input is connected in parallel to the output, output which is connected to the input of the control system, the outputs of the control system are connected to fully controlled valves, and the current sensor is connected to the output circuit of the voltage converter, the input of which is connected to the excitation winding of the generator, and the output is connected to the input of the control system (Patent RU No. 144222, IPC H02P 9 /30, published on August 10, 2014).

Недостатком реверсивного возбудителя генератора физической модели является отсутствие защиты устройства при возникновении внештатных ситуаций.The disadvantage of the reversible exciter of the physical model generator is the lack of device protection in case of emergency situations.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности регулятора тока возбуждения генератора транспортного средства за счет создания резервного канала возбуждения и обеспечения автоматического перехода в режим аварийного возбуждения, а также исключения из схемы возбуждения электромеханических преобразователей.The technical result of the invention is to increase the reliability of the vehicle generator excitation current regulator by creating a backup excitation channel and ensuring automatic transition to the emergency excitation mode, as well as excluding electromechanical converters from the excitation circuit.

Указанный технический результат достигается тем, что в регуляторе тока возбуждения генератора транспортного средства, содержащем первый выпрямитель, выходы которого шунтированы фильтрующим конденсатором, а входы подключены к трем фазам синхронного генератора с обмоткой возбуждения, двухполупериодный преобразователь на полностью управляемых вентилях и встречно-включенных диодах, в диагональ которого последовательно включены первый датчик тока и первичная обмотка силового трансформатора, при этом выход первого датчика тока подключен к системе управления, а вторичная обмотка силового трансформатора подключена к входам второго выпрямителя, собранного на диодах, дополнительно для регулирования основного и создания резервного каналов возбуждения к входам двухполупериодного преобразователя на полностью управляемых вентилях и встречно-включенных диодах подключен источник постоянного напряжения, а к выходам первого выпрямителя подключен понижающий преобразователь напряжения, выходы которого шунтированы обратным диодом, причем положительный выход понижающего преобразователя напряжения подключен к одному из входов обмотки возбуждения синхронного генератора, другой вход которой через второй датчик тока подключен к отрицательному выходу второго выпрямителя, положительный выход которого соединен последовательно с отрицательным выходом понижающего преобразователя напряжения, при этом система управления выполнена с возможностью получения сигналов обратной связи от первого и второго датчиков тока и осуществления управлениея двухполупериодным преобразователем на полностью управляемых вентилях и встречно-включенных диодах и понижающим преобразователем напряжения.The specified technical result is achieved by the fact that in the excitation current controller of the vehicle generator, containing the first rectifier, the outputs of which are shunted by a filter capacitor, and the inputs are connected to three phases of a synchronous generator with an excitation winding, a full-wave converter with fully controlled valves and back-to-back diodes, in the diagonal of which is connected in series with the first current sensor and the primary winding of the power transformer, while the output of the first current sensor is connected to the control system, and the secondary winding of the power transformer is connected to the inputs of the second rectifier assembled on diodes, in addition to regulating the main and creating a backup excitation channels to the inputs a full-wave converter on fully controlled valves and back-to-back diodes, a constant voltage source is connected, and a step-down voltage converter is connected to the outputs of the first rectifier, the outputs of which are shunted by a reverse diode, and the positive output of the step-down voltage converter is connected to one of the inputs of the excitation winding of the synchronous generator, the other input which, through the second current sensor, is connected to the negative output of the second rectifier, the positive output of which is connected in series with the negative output of the step-down voltage converter, while the control system is configured to receive feedback signals from the first and second current sensors and control the full-wave converter on fully controlled valves and back-to-back diodes and a step-down voltage converter.

На фигуре представлена блок-схема регулятора тока возбуждения генератора транспортного средства.The figure shows a block diagram of the vehicle generator excitation current regulator.

Регулятор тока возбуждения генератора транспортного средства содержит первый выпрямитель 1, выходы которого шунтированы фильтрующим конденсатором 2, а входы подключены к трем фазам синхронного генератора 3 с обмоткой вожбуждения 3.1, двухполупериодный преобразователь 4 на полностью управляемых вентилях 4.1…4.4 и встречно-включенных диодах 4.5…4.8 (Далее по тексту - двухполупериодный преобразователь), в диагональ которого последовательно включены первый датчик 4.9 тока и первичная обмотка 4.10.1 силового трансформатора 4.10. Выход первого датчика 4.9 тока подключен к системе управления 5, а вторичная обмотка 4.10.2 силового трансформатора 4.10 подключена к входам второго выпрямителя 6, собранного на диодах 6.1…6.4. Регулятор тока возбуждения генератора транспортного средства дополнительно снабжен источником 7 постоянного напряжения, подключенного к входам двухполупериодного преобразователя 4 и понижающим преобразователем 8 напряжения, входы которого подключены к выходам первого выпрямителя 1, а выходы шунтированы обратным диодом 9. Положительный выход понижающего преобразователя 8 напряжения подключен к одному из входов обмотки возбуждения 3.1 синхронного генератора 3, другой вход которой через второй датчик 10 тока подключен к отрицательному выходу второго выпрямителя 6, положительный выход которого соединен последовательно с отрицательным выходом понижающего преобразователя 8 напряжения. Система управления 5 выполнена с возможностью получения сигналов обратной связи от первого 4.9 и второго 10 датчиков тока и осуществления управлением двухполупериодным преобразователем 4 и понижающим преобразователем 8 напряжения.The excitation current regulator of the vehicle generator contains the first rectifier 1, the outputs of which are shunted by a filter capacitor 2, and the inputs are connected to three phases of a synchronous generator 3 with an excitation winding 3.1, a full-wave converter 4 on fully controlled valves 4.1 ... 4.4 and back-to-back diodes 4.5 ... 4.8 (Hereinafter referred to as a full-wave converter), in the diagonal of which the first current sensor 4.9 and the primary winding 4.10.1 of the power transformer 4.10 are connected in series. The output of the first current sensor 4.9 is connected to the control system 5, and the secondary winding 4.10.2 of the power transformer 4.10 is connected to the inputs of the second rectifier 6, assembled on diodes 6.1...6.4. The excitation current regulator of the vehicle generator is additionally provided with a DC voltage source 7 connected to the inputs of a full-wave converter 4 and a voltage buck converter 8, the inputs of which are connected to the outputs of the first rectifier 1, and the outputs are shunted by a reverse diode 9. The positive output of the voltage buck converter 8 is connected to one from the inputs of the excitation winding 3.1 of the synchronous generator 3, the other input of which is connected through the second current sensor 10 to the negative output of the second rectifier 6, the positive output of which is connected in series with the negative output of the down converter 8 voltage. The control system 5 is configured to receive feedback signals from the first 4.9 and second 10 current sensors and control the full-wave converter 4 and the step-down converter 8 voltage.

Фильтрующий конденсатор 2 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения c первого выпрямителя 1. На локомотиве в качестве источника 7 постоянного напряжения может использоваться бортовая сеть или стартер-генератор, или аккумуляторная батарея. Двухполупериодный преобразователь 4 представляет собой мостовой инвертор напряжения, который формирует регулируемое переменное напряжение. Полностью управляемые вентили 4.1…4.4, шунтированные встречно-включенными диодами 4.5…4.8 представляют собой IGBT - модули. Силовой трансформатор 4.10 обеспечивает гальваническую развязку обмотки возбуждения 3.1 от источника 7 постоянного напряжения. Понижающий преобразователь 8 напряжения осуществляет снижение напряжения с первого выпрямителя 1 до величины, необходимой для формирования заданного значения тока возбуждения. Система управления 5 представляет собой микропроцессорную систему управления, которая управляет двухполупериодным преобразователем 4 и понижающим преобразователем 8 напряжения в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Первый выпрямитель 1, фильтрующий конденсатор 2 и понижающий преобразователь 8 напряжения образуют основной канал формирования тока возбуждения синхронного генератора 3, а источник 7 напряжения, двухполупериодный преобразователь 4 и второй выпрямитель 6 образуют резервный канал, при этом оба канала включены последовательно, что обеспечивает автоматическое переключение каналов при возникновении аварийной ситуации.The filter capacitor 2 is designed to smooth out voltage ripples from the first rectifier 1. On the locomotive, the on-board network or starter-generator, or storage battery can be used as a source 7 of constant voltage. Full-wave converter 4 is a bridge voltage inverter that generates an adjustable alternating voltage. Fully controlled valves 4.1…4.4 shunted with back-to-back diodes 4.5…4.8 are IGBT modules. Power transformer 4.10 provides galvanic isolation of the excitation winding 3.1 from the source 7 DC voltage. Step-down converter 8 voltage reduces the voltage from the first rectifier 1 to the value required to generate the set value of the excitation current. The control system 5 is a microprocessor control system that controls the full-wave converter 4 and the voltage buck converter 8 in pulse-width modulation (PWM) mode. The first rectifier 1, the filter capacitor 2 and the step-down voltage converter 8 form the main channel for generating the excitation current of the synchronous generator 3, and the voltage source 7, the full-wave converter 4 and the second rectifier 6 form a backup channel, with both channels connected in series, which ensures automatic channel switching in the event of an emergency.

Регулятор тока возбуждения генератора транспортного средства работает следующим образом.The vehicle generator excitation current regulator operates as follows.

До появления напряжения на выходе синхронного генератора 3, напряжение от источника 7 постоянного напряжения поступает на двухполупериодный преобразователь 4, где преобразуется в переменное напряжение, которое со вторичной обмотки 4.10.2 силового трансформатора 4.10 поступает на входы второго выпрямителя 6. Постоянное напряжение с положительного и отрицательного выходов второго выпрямителя 6 через обратный диод 9 и второй датчик 10 тока запитывает обмотку возбуждения 3.1 синхронного генератора 3. По сигналу обратной связи со второго датчика 10 тока система управления 5 управляет двухполупериодным преобразователем 4 в режиме ШИМ - модуляции и формирует заданное значение тока обмотки возбуждения 3.1. При работе в данном режиме максимальное значение тока возбуждения ограничено мощностью и напряжением источника 7 постоянного напряжения. После начала работы синхронного генератора 3, его трехфазное переменное напряжение выпрямляется первым выпрямителем 1, фильтруется конденсатором 2 и поступает на вход понижающего преобразователя 8 напряжения. При этом обратный диод 9 запирается, а понижающий преобразователь 8 напряжения и второй выпрямитель 6 включаются последовательно. Система управления 5 продолжает поддерживать заданный ток в обмотке возбуждения 3.1 за счет ШИМ регулирования напряжения на выходе понижающего преобразователя 8 напряжения. Одновременно система управления 5 снижает до минимума напряжение с выхода двухполупериодного преобразователя 4, переводя его в режим «горячего» резервирования.Before the appearance of voltage at the output of the synchronous generator 3, the voltage from the DC voltage source 7 is supplied to the full-wave converter 4, where it is converted into AC voltage, which is supplied from the secondary winding 4.10.2 of the power transformer 4.10 to the inputs of the second rectifier 6. DC voltage from positive and negative outputs of the second rectifier 6 through the reverse diode 9 and the second current sensor 10 feeds the excitation winding 3.1 of the synchronous generator 3. Based on the feedback signal from the second current sensor 10, the control system 5 controls the full-wave converter 4 in the PWM modulation mode and generates the set value of the current of the excitation winding 3.1 . When operating in this mode, the maximum value of the excitation current is limited by the power and voltage of the DC voltage source 7 . After the start of operation of the synchronous generator 3, its three-phase alternating voltage is rectified by the first rectifier 1, filtered by the capacitor 2 and fed to the input of the step-down converter 8 voltage. In this case, the reverse diode 9 is blocked, and the step-down converter 8 and the second rectifier 6 are connected in series. The control system 5 continues to maintain a given current in the excitation winding 3.1 due to PWM voltage regulation at the output of the step-down converter 8 voltage. At the same time, the control system 5 reduces the voltage from the output of the full-wave converter 4 to a minimum, putting it into the "hot" standby mode.

При выходе из строя любого из элементов, запитанных от синхронного генератора 3, система управления 5 будет формировать ток аварийного возбуждения регулированием выходного напряжения двухполупериодного преобразователя 4. В процессе работы при возникновении аварийной ситуации система управления 5 будет поддерживать заданный ток возбуждения регулированием напряжения на выходе понижающего преобразователя 8 напряжения. При этом ток в обмотке возбуждения 3.1 замкнется по цепи: второй датчик 10 тока, диоды 6.1…6.4 второго выпрямителя 6, отрицательный и положительный выходы понижающего преобразователя 8 напряжения. В процессе работы переход с основного канала возбуждения на резервный и обратно осуществляется в автоматическом режиме.If any of the elements powered by the synchronous generator 3 fails, the control system 5 will generate an emergency excitation current by regulating the output voltage of the full-wave converter 4. During operation, in the event of an emergency, the control system 5 will maintain the specified excitation current by regulating the voltage at the output of the step-down converter 8 voltage. In this case, the current in the excitation winding 3.1 closes in the circuit: the second current sensor 10, the diodes 6.1 ... 6.4 of the second rectifier 6, the negative and positive outputs of the voltage reduction converter 8. During operation, the transition from the main excitation channel to the backup channel and vice versa is carried out automatically.

Таким образом, заявленный технический результат, а именно - повышение надежности, достигается за счет:Thus, the claimed technical result, namely the increase in reliability, is achieved by:

- регулирования основного и создания резервного каналов формирования тока возбуждения синхронного генератора 3;- regulation of the main and creation of a backup channel for the formation of the excitation current of the synchronous generator 3;

- обеспечения автоматического перехода в режим аварийного возбуждения при возникновении внештатной ситуации;- ensuring automatic transition to the emergency excitation mode in the event of an emergency situation;

- исключения из схемы возбуждения электромеханических преобразователей.- exclusions from the excitation circuit of electromechanical converters.

Предлагаемый регулятор тока возбуждения генератора транспортного средства испытан в составе тепловоза 2ТЭ116УМ и показал свою надежность и эффективность.The proposed regulator of the excitation current of the generator of the vehicle was tested as part of the locomotive 2TE116UM and showed its reliability and efficiency.

Claims

The excitation current regulator of the vehicle generator, containing the first rectifier, the outputs of which are shunted by a filter capacitor, and the inputs are connected to three phases of a synchronous generator with an excitation winding, a full-wave converter on fully controlled valves and back-to-back diodes, the diagonal of which is connected in series with the first current sensor and the primary winding of the power transformer, while the output of the first current sensor is connected to the control system, and the secondary winding of the power transformer is connected to the inputs of the second rectifier assembled on diodes, characterized in that in order to regulate the main and create a backup excitation channel to the inputs of a full-wave converter on fully controlled A constant voltage source is connected to the valves and back-to-back diodes, and a step-down voltage converter is connected to the outputs of the first rectifier, the outputs of which are shunted by a reverse diode, and the positive output of the step-down voltage converter is connected to one of the inputs of the excitation winding of the synchronous generator, the other input of which is through the second current sensor connected to the negative output of the second rectifier, the positive output of which is connected in series with the negative output of the step-down voltage converter, while the control system is configured to receive feedback signals from the first and second current sensors and control the full-wave converter on fully controlled valves and back-to-back diodes and step down converter.