SU758460A1 - Автономна система электроснабжени стабильной частоты - Google Patents

Description

. Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении автономных систем электроснабжения (СЭС) подвижных объектов с переменной скоростью вращения вала электрического генератора для получения квазисинусоидального напряжения стабильной частоты.

Известны СЭС, содержащие синхронный генератор и подключенный к его выходу преобразователь частоты, выполнен— ¹¹ ный в виде комплекта инверторных ячеек на управляемых ключах [1] , [2]и [3].

Недостатками известных автономных СЭС являются низкое качество выходноI го напряжения и отсутствие возможности рекуперации реактивной энергии при активно-индуктивной нагрузке. Кроме того, данные автономные СЭС предусматривают использование нулевого вывода синхронного генератора, что не всегда является возможным, а также включают в себя два комплекта сглаживающих фильтров, что существенно ухудшает jaaccora2 баритные показатели и понижает КПД автономных СЭС в целом.

Наиболее близкая предлагаемой_?СЭС содержит трехфазный генератор и подключенный к нему преобразователь частоты в виде шести согласующих трансформаторов и шести инверторных ячеек на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, причем выходные выводы всех инверторных ячеек соединены последовательно £4j.

К недостаткам такой СЭС следует отнести наличие согласующих трансформаторов и чрезмерно большое число инверторных ячеек, что приводит не только к ухудшению массогабаритнык показателей автономной СЭС, но и к ухудшению ее энергетических показателей, т. е. КПД, в связи с резким увеличением последовательности включенного в выходной цепи числа полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью.

Цель изобретения — упрощение и улучшение качества выходного напряжения.

Указанная цель достигается тем, что в автономной системе электроснабжения, содержащей m - фазный генератор с переменной скоростью вращения вала, инверторные ячейки по числу фаз генератора, выполненные на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, причем к силовому входу каждой инверторной ячейки подключена якорная обмотка одной из фаз генератора, а выходы этих инверторных ячеек соединены последовательно, образуя выходные выводы СЭС, а также блок управления ключами инверторных ячеек, обеспечивающий заданную выходную частоту СЭС, якорная обмотка каждой фазы генератора выполнена с отпайками, подсоединенными через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двухсторонней проводимостью к выходным выводам соответствующей инверторной ячейки. Кроме того, блок управления автономной СЭС вы' полнен в виде последовательно соединенных задатчика частоты, умножителя частоты, делителя частоты, первого распределителя импульсов на rri каналов, собранного по пересеченной схеме, логического узла и узла гальванической развязки и усиления, выходы которого образуют выходы блока управления, а также второго распределителя импульсов, входом подключенного к выходу умножителя, а выходами - ко входам логического ₍ узла.

На фиг. 1 представлена функциональная схема СЭС; на фиг. 2 - то же, блока управления; на фиг. 3 - схема логического узла в составе блока управления; на фиг. 4 — диаграммы, поясняющие возможный вариант формирования импульсов управления ключами инверторных ячеек (иначе модуляторов); на фиг. 5 диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения СЭС.

Автономная СЭС (фир. 1) содержит три идентичных амплитудно-импульсных модулятора 1, 2 и 3, входами подключенных к отпайкам якорных обмоток соответствующих фаз генератора и выполненных на полностью управляемых ключах 4-9 с двухсторонней проводимостью. (В качестве примера показано формирование однофазного напряжения при использовании трехфазного генератора и наличии шести ключей в каждом модуляторе).. Выходные выводы модуляторов 1, 2, 3. соединенье последовательно и образуют один из выходов автономной СЭС.

(фиг. 4), с вЫхо12 на вход рас17 на его выходе представленные

Блок управления (фиг. 2) содержит последовательно соединенные задатчик частоты 10, сумматор частоты 11, умножитель частоты 12, делитель частоты 13, трехканальный распределитель импульсов 14, собранный по пересчетной схеме, логический узел 15, узел гальванической развязки и усиления 16 и второй распределитель импульсов 17, входом подключенный к выходу умножителя частоты 12, а выходами - ко входам логического узла 15. В состав логического узла 15 (фиг. 3) входят, например три комплекта логических схем 18 и 19, необходимых для формирования алгоритма управления ключами модуляторов 1, 2 и 3.

При частоте выходного напряжения трехфазного генератора, равной и частоте управления ключами 4-9 модуляторов 1, 2 и 3, равной на выходе автономной СЭС формируется квазисинусо— идальное напряжение, частота основной гармоники которого равна £ .

При поступлении импульсов, представленных на диаграмме 4-1 да умножителя частоты пределителя импульсов формируются импульсы, на диаграммах 4—2 — 4—7. Одновременно импульсы с выхода умножителя 12 после делителя частоты 13 (диаграмма 4-8) поступают на вход трехканального распределителя 14, на выходе которого формируются напряжения 4—9 — 4-11. Выходные импульсы распределителей 14 и 17 являются исходными при формировании необходимого алгоритма управления ключами 4-9 (фиг. 1) модуляторов 1, 2 и 3.

На фиг. 3 представлен конкретный пример выполнения логического узла 15, который содержит три комплекта логических схем 18 и 19, причем на выходах схем 18 формируются импульсы управления ключами 4 и 5 модуляторов 1, 2, 3 (фиг. 1), а на выходах логических схем 19 — импульсы управления ключами 6—9. Так например, на диаграммах 4-12 и

4— 13 (фиг. 4) представлены импульсы управления ключами 4 и 5 модулятора 1, а на диаграммах 4-14 — 4-17 - импульсы управления, соответственно, ключами 6-9 модулятора 1. Аналогично на диаграммах 4—18 - 4-29 показаны импульсы управления ключами 4-9 модуляторов и 3. На фиг. 5 показаны диаграммы

5— 1 — 5—6, иллюстрирующие формирование напряжений на выходах модуляторов 1, 2, 3 и результирующее напряжение

5-7 после их суммирования. Коэффициент гармонии этого напряжения R^U^ ^χ0,16 9.

Выполнение якорных обмоток каждой фазы генератора с отпайками, подсоединенными через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двухсторонней проводимостью к выходным выво дам инверторных ячеек, выгодно отличает предлагаемую СЭС от известных. При равных условиях по числу фаз генератора и по числу ключей предлагаемая СЭС 'по сравнению с известной позволяет заметно уменьшить искажения выходного напряжения (примерно вдвое), исключить согласующие трансформаторы и за и счет этого существенно улучшить массогабаритные показатели.

Кроме того, такая СЭС обладает повышенным КПД, так как в любой момент времени в преобразовательном тракте включено последовательно соединенных ключей вдвое меньше» чем в прототипе, т. е. потери уменьшены в 2 раза. Например, при Н_БЬ|_Х 115 В и при исполь- ₂₅ зовании кремниевых силовых транзисторов в преобразовательном тракте КПД автономной СЭС повышается на 5%.

Приведенный в качестве иллюстрация - _3Q алгоритм переключения ключей модуляторов, с точки зрения минимизации искажений, не является наилучшим. Такое же значение ((Jχ) =0,169 может быть получено и с помощью четырехключевых модуляторов (в этом случае обмотки генератора выполняют без отпаек). При одной отпайке в фазных обмотках генератора и при шестиключевых модуляторах можно получить R _г(ц^) =0,091, а при двух отпайках и восьмиключевых модуляторах 0,07. Повышенное качество выходного напряжения СЭС позволяет существенно уменьшить установленную мощность выходных фильтров или вообще от них отказаться.

Claims (4)

1. Изобретение относитс  к преобразовательной технике и может быть использовано при построении автономных систем электроснабжени  (СЭС) подвижных объек тов с переменной скоростью вращени  вала электрического генератора дл  полу- чени  квазисинусоидального напр жени  стабильной частоты. Известйы СЭС, содержащие синхронный генератор и подключенный к его выходу преобразователь частоты, выполненный в виде комплекта инверторных  чеек на управл емых ключах ij , 2|и з. Недостатками известных автономных СЭС  вл ютс  низкое качество выходного напр жени  и отсутствие возможностн рекуперации реактивной энергии при активно-индуктивной нагрузке. Кроме того, данные автономные СЭС предусматривают использование нулевого вывода синхронного генератора, что не всегда  вл етс  возможным, а также включают в себ  два комплекта сглаживающих фильтров , что существенно ухудшает jsiaccoraбаритные показатели и понижает КПД автономных СЭС в целом. Наиболее близка  предлагаемой,СЭС содержит трехфазный генератор и подключенный к нему преобразователь частоты в виде щести согласующих трансформаторов и шести инверторных  чеек на полностью управл емых ключах с двухсторонней проводимостью, причем выходные выводы всех инверторных  чеек соединены последовательно 4j. К недостаткам такой СЭС следует отнести наличие согласующих трансформаторов и чрезмерно большое число инвер- торных  чеек, что приводит не только к ухудшению массогабаритных показателей автономной СЭС, но и к ухудшению ее энергетических показателей, т. е. КПД, в св зи с резким увеличением последовательности включенного в выходной цепи числа полностью управл емых ключей с двухсторонней проводимостью. Цель изобретени  - упрощение и улучшение качества выходного напр жени . Указанна  цель достигаетс  тем, что в автономной системе электроснабжени , содержащей m -фазный генератор с переменной скоростью вращени  вала, инвер торные  чейки по числу фаа генератора, выполненные на полностью управл емых ключах с двухсторонней проводимостью, причем к силовому входу каждой инвер- торной  чейки подключена  корна  обмот ка одной из фаз генератора, а выходы этих инверторных  чеек соединены последовательно , образу  выходные выводы СЭС, а также блок управлени  клк)чами инверторных  чеек, обеспечивающий заданную выходную частоту СЭС,  корна  обмотка каждой фазы генератора выполнена с отпайками, подсоединенными через дополнительно введенные полностью управл емые ключи с двухсторонней проводимостью к выходным выводам соответ ствующей инверторной  чейки. Кроме того , блок управлени  автономной СЭС выполнен в виде последовательно соединенных задатчика частоты, умножител  частоты , делител  частоты, первого распре- делител  импульсов на ГХ1 каналов, собранного по пересеченной схеме, логического узла и узла гальванической разв зки и усилени , выходы которого образуют выходы блока управлени , а также второго распределител  импульсов, входом подключенного к выходу умножител  а выходами - ко входам логичес1сого узла. На фиг. 1 представлена функциональна  схема СЭС; на фиг. 2 - то же, блока управлени ; на фиг. 3 - схема логического узла в составе блока управлени ; на фиг. 4 - диаграммы, по сн ющие возможный вариант формировани  импуль сов управлени  ключами инверторных  чеек (иначе модул торов); на фиг. 5 диаграммы , по сн ющие формирование выходного напр жени  СЭС. Автономна  СЭС (фир. 1) содержит три идентичных амплитудно-импульсных модул тора 1, 2 и 3, входами подключе ных к отпайкам  корных обмоток соотве ствующих фаз генератора и выполненных на полностью управл емых ключах 4-9 с двухсторонней проводимостью. (В качестве примера показано формирование однофазного напр жени  при использовании трехфазного генератора и наличии шести ключей в каждом модул торе).. Выходные вьшоды модул торов 1, 2, 3 соединешй последовательно и образуют один из выходов автономной СЭС. Блок управлени  (фиг. 2) содержит последовательно соединенные задатчик частоты 10, сумматор частоты 11, умножитель частоты 12, делитель частоты 13, трехканальный распределитель импульсов 14, собранный по пересчетной схеме, логический узел 15, узел гальванической разв зки и усилени  16 и второй распределитель импульсов 17, входом подключенный к выходу умножител  частоты 12, а выходами - ко входам логического узла 15. В состав логического узла 15 (фиг. 3) вход т, например три комплекта логических схем 18 и 19, необходимых дл  формировани  алгоритма управлени  ключами модул торов 1, 2 и 3. При частоте выходного напр жени  трехфазного генератора, равной .и частоте управлени  ключами 4-9 модул торов 1, 2 и 3, равной ,,, на выходе автономной СЭС формируетс  квазисинусоидальное напр жение, частота основной гармоники которого равна -fc . При поступлении импульсов, представленных на диаграмме 4-1 (фиг. 4), с выхода умножител  частоты 12 на вход распределител  импульсов 17 на его выхода формируютс  импульсы, представленные на диаграммах 4-2 - 4-7. Одновременно импульсы с выхода умножител  12 после делител  частоты 13 (диаграмма 4-8) поступают на вход трехканального распределител  14, на выходе которого формируютс  напр жени  4-9 - 4-11. Выходные импульсы распределителей 14 и 17  вл ютс  исходными при формировании необходимого алгоритма управлени  клю- ча|Ми 4-9 (фиг. 1) модул торов 1, 2 и 3. На фиг. 3 представлен конкретный пример выполнени  логического узла 15, который содержит три комплекта логических схем 18 и 19, причем на выходах схем 18 формируютс  импульсы управлени  ключами 4 и 5 модул торов 1, 2, 3 (фиг. 1), а на выходах логических схем 19 - импульсы управлени  ключами 6-9. Так например, на диаграммах 4-12 и 4-13 (фиг. 4) представлены импульсы управлени  ключами 4 и 5 модул тора 1, а на диаграммах 4-14 - 4-17 - импульсы уиоавлени , соответственно, ключами 6-9 модул тора 1. Аналогично на диаграммах 4-18 - 4-29 показаны импульсы управлени  ключами 4-9 модул торов 2 и 3. На фиг. 5 показаны диаграммы 5-1 - 5-6, иллюстрирующие формирование напр жений на выходах модул торов 1, 2, 3 и результирующее напр жение 5-7 после их суммировани . Коэффициен гармонии этого напр жени  К ,16 Выполнение  корных обмоток каждой фазы генератора с отпайками, подсоединенными через дополнительно введенные полностью управл емые ключи с двухсторонней проводимостью к выходным выво дам инверторных  чеек, выгодно отличае предлагаемую СЭС от известных. При ра ных услови х по числу фаз генератора и по числу ключей предлагаема  СЭС по сравнению с известной позвол ет заметно уменьшить искажени  выходного напр жени  {примерно вдвое), исключить согласующие трансформаторы и за счет этого существенно улучшить массогабаритные показатели. Кроме того, така  СЭС обладает повышенным КПД, так как в любой момент времени в преобразовательном тракте включено последовательно соединенных ключей вдвое меньше чем в прототипе, т. е. потери уменьшены в 2 раза. Например , при 115 В и при использовании кремниевых силовых транзисторов в преобразовательном тракте КПД автономной СЭС повышаетс  на 5%. Приведенный в качестве иллюстрацес-а алгоритм переключени  ключей модул то ров, с точки зрени  минимизации искаже ний, не  вл етс  наилучшим. Такое же значение (иt) -0,169 может быть получено и с помощью четырехключевых модул торов (в этом случае обмотки генератора выполн ют без отпаек). При одной отпайке в фазных обмотках генера тора и при шестиключевых модул торах можно получить .U|) -0,091, а при двух отпайках и восьмиключевых модул торах - If p/UiO 0,07. Повышенное качество выходного напр жени  СЭС позво л ет существенно уменьшить установленную мощность выходных фильтров или вообще от них отказатьс . Формула изобретени  1. Автономна  система электроснабжени  стабильной частоты, содержаща  -ч})азный генератор с переменной скоростью вращени  вала, инверторные  чейки по числу фаз генератора, выполненные на полностью управл емых ключах; с двухсторонней проводимостью, а также блок управлени  ключами инварторных  чеек, причем к силовому входу каждой инвер- торной  чейки подключена  корна  обмотка одной из фаз генератора, а выходы этих инверторных  чеек соединены последовательно , образу  выходные выводы СЭС, отличающа с  тем, что, с целью упрощени  и улучшени  качества выходного напр жени ,  корна  обмотка каждой фазы генератора выполнена с отпайками, подсоединенными через дополнительно введенные полностью управл емые ключи с двухсторонней проводимостью к выходные выводам соответствующей инверторной  чейки. 2.Система по п. 1, отличающа с  тем, что блок управлени  выполнен в виде последовательно соединенных за датчика частоты, змножител  часготы , делител  частоты, первого распределител  импульсов на гп каналов, соб- paHHQtx) по пересчетной схеме, логического узла и узла гальванической разв зки и усилени , выходы которого образуют выходы блока управлени , причем выход умножител  св зан с соответствующими входами логического узла через второй распределитель импульсов. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР N9 414693, кл. Н 02 m 5/48, 1974.
2. 2., Патент ГДР № 61311 по кл. 21 (. 1968.
3. 3.Патент США № 3378756, л. 322-32, 1968.
4. 4.Авторское свидетельство СССР о за вке № 2495993/24-07.

   фаг.

   /5

   ffi

   2 /г//,./,;

   ф1/г.г

   /V

   -/Tii t in и II I п 11 им и и .

   -ДНпоп

   ФигЛ