Устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных ветроэнергетических установках. Технический результат заключается в повышении качества стабилизации напряжения статора асинхронизированного синхронного генератора при изменении частоты вращения его ротора, нагрузки потребителей и внутренних переменных самого генератора. Для этого в устройстве для управления асинхронизированным синхронным генератором для формирования необходимых корректирующих сигналов введены шесть преобразователей координат (8), (14), (15), (16), (17) и (26), векторный анализатор (9), пять сумматоров (10), (13), (18), (20) и (23), задатчик (11) напряжения, три интегратора (12), (19) и (24), усилитель (21), четыре блока умножения (22), (29), (30) и (31), задающий генератор (25), выпрямитель (27) и аккумуляторная батарея (28). Введение коррекции позволит компенсировать влияние указанных выше величин и стабилизировать напряжение статора асинхронизированного синхронного генератора с высокой точностью. 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электрическими машинами переменного тока, статорная обмотка которых подключена к потребителям электроэнергии, а роторная получает питание от регулируемого преобразователя частоты, в частности в ветроэнергетике для управления асинхронизированными синхронными генераторами автономных ветроэнергетических установок.
Известно устройство для управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, содержащее двигатель двойного питания, третий арифметический блок, частотный компаратор, управляемый аналоговый коммутатор, второй интегратор, второй сумматор, умножители, блок преобразований токов статора и датчик фазных токов статора (см. авт. св. СССР 1610589, БИ 44, 1991). Недостаток известного решения заключается в невозможности стабилизации напряжения статора асинхронизированного синхронного генератора при изменении частоты вращения его ротора, нагрузки потребителей и внутренних переменных самого генератора, т.к. в данном устройстве рассматривается работа двигателя двойного питания, а не автономного асинхронизированного синхронного генератора. Известно также устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором, содержащее преобразователь частоты, подключенный к роторной цепи асинхронизированного синхронного генератора, датчики тока и напряжения статорной цепи асинхронизированного синхронного генератора, датчик частоты вращения, установленный на роторе асинхронизированного синхронного генератора, последовательно соединенные датчик углового положения ротора, непосредственно связанный с ротором асинхронизированного синхронного генератора и формирователь гармонических функций частоты скольжения (см. авт. св. СССР 1399885, БИ 20, 1986). Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Однако в этом устройстве не обеспечивается стабилизация напряжения статора асинхронизированного синхронного генератора, т. к. в данном устройстве рассматривается работа асинхронизированного синхронного генератора параллельно с мощной сетью. Поэтому устройство-прототип нельзя использовать для качественной стабилизации выходного напряжения автономной установки. В этом случае изменение частоты вращения ротора, нагрузки потребителей или внутренних переменных самого генератора приводит к изменению напряжения статора асинхронизированного синхронного генератора (выходного напряжения ветроэнергетической установки). Поэтому должны быть сформированы дополнительные сигналы управления, обеспечивающие компенсацию вредного влияния указанных выше параметров на напряжение статора асинхронизированного синхронного генератора. Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение качественной стабилизации напряжения статора асинхронизированного синхронного генератора при изменении частоты вращения его ротора, нагрузки потребителей и внутренних переменных самого генератора. Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительных сигналов управления, подаваемых на входы преобразователя частоты, компенсирующих вредное воздействие изменений частоты вращения ротора, нагрузки потребителей и внутренних переменных генератора на качество стабилизации выходного напряжения генератора. Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором, содержащее преобразователь частоты, подключенный к роторной цепи асинхронизированного синхронного генератора, датчики тока и напряжения статорной цепи асинхронизированного синхронного генератора, датчик частоты вращения, установленный на роторе асинхронизированного синхронного генератора, последовательно соединенные датчик углового положения ротора, непосредственно связанный с ротором асинхронизированного синхронного генератора, и формирователь гармонических функций частоты скольжения, дополнительно вводятся последовательно соединенные первый преобразователь координат, подключенный тремя входами к трем соответствующим выходам датчика напряжения статорной цепи, векторный анализатор, первый сумматор, второй вход которого подключен к выходу задатчика напряжения, первый интегратор, второй сумматор, второй преобразователь координат и третий преобразователь координат, три выхода которого подключены к трем управляющим входам преобразователя частоты, последовательно соединенные четвертый преобразователь координат, подключенный тремя входами к трем соответствующим выходам датчика тока статорной цепи, пятый преобразователь координат, третий сумматор, второй интегратор и четвертый сумматор, соединенный выходом со вторым входом второго преобразователя координат, а вторым входом - с выходом третьего сумматора, последовательно соединенные усилитель, вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения, и первый блок умножения, подключенный выходом к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные пятый сумматор, первый вход которого подключен ко второму выходу пятого преобразователя координат, а второй вход - к выходу векторного анализатора, и третий интегратор, соединенный выходом со вторым входом второго сумматора, третий вход которого подключен к выходу пятого сумматора, последовательно соединенные задающий генератор и шестой преобразователь координат, два выхода которого соединены соответственно с третьим и четвертым входами второго преобразователя координат, а третий и четвертый входы - с соответствующими выходами формирователя гармонических функций частоты скольжения, последовательно соединенные выпрямитель, подключенный входами к статорным обмоткам асинхронизированного синхронного генератора, и аккумуляторная батарея, питающая преобразователь частоты, а также второй, третий и четвертый блоки умножения, первые входы которых подключены к выходу усилителя, причем третий и четвертый входы пятого преобразователя координат соединены с соответствующими выходами задающего генератора, второй вход первого блока умножения соединен с выходом третьего интегратора и вторым входом третьего сумматора, второй вход второго блока умножения соединен с выходом второго интегратора и третьим входом пятого сумматора, а выход - с четвертым входом второго сумматора, второй вход третьего блока умножения соединен с выходом пятого сумматора, а выход - с четвертым входом четвертого сумматора, второй вход четвертого блока умножения соединен с выходом третьего сумматора, а выход - с пятым входом второго сумматора. Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с известными аналогами и прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Заявленная совокупность признаков, приведенная в отличительной части формулы изобретения, позволяет стабилизировать напряжение статора асинхронизированного синхронного генератора при изменениях частоты вращения ротора, нагрузки потребителей электроэнергии и внутренних переменных самого генератора, что в результате позволяет получить высокое качество стабилизации выходного напряжения ветроэнергетической установки. Блок-схема предлагаемого устройства для управления асинхронизированным синхронным генератором представлена на чертеже. Устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором содержит преобразователь частоты 1, подключенный к роторной цепи асинхронизированного синхронного генератора 2, датчики тока 3 и напряжения 4 статорной цепи асинхронизированного синхронного генератора 2, датчик 5 частоты вращения, установленный на роторе асинхронизированного синхронного генератора 2, последовательно соединенные датчик 6 углового положения ротора, непосредственно связанный с ротором асинхронизированного синхронного генератора 2, и формирователь 7 гармонических функций частоты скольжения, последовательно соединенные первый преобразователь 8 координат, подключенный тремя входами к трем соответствующим выходам датчика 4 напряжения статорной цепи, векторный анализатор 9, первый сумматор 10, второй вход которого подключен к выходу задатчика 11 напряжения, первый интегратор 12, второй сумматор 13, второй преобразователь 14 координат и третий преобразователь 15 координат, три выхода которого подключены к трем управляющим входам преобразователя частоты 1, последовательно соединенные четвертый преобразователь 16 координат, подключенный тремя входами к трем соответствующим выходам датчика 3 тока статорной цепи, пятый преобразователь 17 координат, третий сумматор 18, второй интегратор 19 и четвертый сумматор 20, соединенный выходом со вторым входом второго преобразователя 14 координат, а вторым входом - с выходом третьего сумматора 18, последовательно соединенные усилитель 21, вход которого подключен к выходу датчика 5 частоты вращения, и первый блок 22 умножения, подключенный выходом к третьему входу четвертого сумматора 20, последовательно соединенные пятый сумматор 23, первый вход которого подключен ко второму выходу пятого преобразователя 17 координат, а второй вход - к выходу векторного анализатора 9, и третий интегратор 24, соединенный выходом со вторым входом второго сумматора 13, третий вход которого подключен к выходу пятого сумматора 23, последовательно соединенные задающий генератор 25 и шестой преобразователь 26 координат, два выхода которого соединены соответственно с третьим и четвертым входами второго преобразователя 14 координат, а третий и четвертый входы - с соответствующими выходами формирователя 7 гармонических функций частоты скольжения, последовательно соединенные выпрямитель 27, подключенный входами к статорным обмоткам асинхронизированного синхронного генератора 2, и аккумуляторная батарея 28, питающая преобразователь частоты 1, а также второй 29, третий 30 и четвертый 31 блоки умножения, первые входы которых подключены к выходу усилителя 21, причем третий и четвертый входы пятого преобразователя 17 координат соединены с соответствующими выходами задающего генератора 25, второй вход первого блока 22 умножения соединен с выходом третьего интегратора 24 и вторым входом третьего сумматора 18, второй вход второго блока 29 умножения соединен с выходом второго интегратора 19 и третьим входом пятого сумматора 23, а выход - с четвертым входом второго сумматора 13, второй вход третьего блока 30 умножения соединен с выходом пятого сумматора 23, а выход - с четвертым входом четвертого сумматора 20, второй вход четвертого блока 31 умножения соединен с выходом третьего сумматора 18, а выход - с пятым входом второго сумматора 13. На чертеже введены следующие обозначения: I1х, I1y - проекции тока статора на соответствующие оси координат;![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496908.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496909.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496910.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496911.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496912.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где U1x, U1y, U2x, U2y - проекции напряжений статора и ротора на соответствующие оси координат; I2x, I2y - проекции тока ротора на соответствующие оси координат;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496913.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496914.gif)
где Ктп - коэффициент передачи преобразователя частоты; Ттп - постоянная времени преобразователя частоты. Дифференциальные уравнения, описывающие совместную работу асинхронизированного синхронного генератора 2 и преобразователя частоты 1, имеют вид:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496915.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496917.gif)
Скорректированные управляющие сигналы Ukx и Uky формируют проекции напряжения статора асинхронизированного синхронного генератора U1x, U1y, то есть формируют выходное напряжение ветроэнергетической установки. К качеству этого напряжения, поступающего к потребителям электроэнергии, предъявляются достаточно высокие требования. Однако параметры этих уравнений (1), а следовательно, и проекции напряжения статора асинхронизированного синхронного генератора зависят от ряда существенно изменяющихся в процессе работы ветроэнергетической установки величин: частоты вращения ротора
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
Ux = Kpeз
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8747.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где Кpeг - коэффициент передачи регулятора, обеспечивающего скомпенсированной системе требуемые показатели качества. Задающий генератор 25 вырабатывает эталонные сигналы sin(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496918.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496919.gif)
который затем интегрируется третьим интегратором 24. Усилитель 21 имеет коэффициент усиления рn, равный числу пар полюсов. Первый положительный вход второго сумматора 13 (со стороны первого интегратора 12) имеет коэффициент усиления, равный
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496920.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496921.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496922.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496923.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496924.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496925.gif)
Первый положительный вход четвертого сумматора 20 (со стороны второго интегратора 19) имеет коэффициент усиления
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496926.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496927.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496928.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496929.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496930.gif)
Управляющие сигналы Ukx и Uky поступают на входы второго преобразователя 14 координат, который, используя информацию, получаемую от шестого преобразователя 26 координат, преобразует проекции скорректированных управляющих сигналов Ukx, Uky из системы координат x, y в роторную систему координат d, q. А затем третий преобразователь 15 координат преобразует указанные сигналы из двухфазных координат в трехфазные, подавая соответствующие сигналы на управляющие входы преобразователя частоты 1. Управляющие сигналы Ukx (2) и Uky (3) обеспечивают компенсацию влияния изменяющихся частоты вращения ротора, параметров нагрузки и внутренних переменных асинхронизированного синхронного генератора на напряжение его статорной цепи и превращают уравнения (1) с существенно переменными параметрами в уравнения вида:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496931.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/49/496932.gif)
Как видно из уравнений (4), введенная коррекция обеспечивает компенсацию не всех изменяющихся переменных. Однако, как показали результаты проведенных исследований, влияние оставшихся нескомпенсированных переменных на качество стабилизации напряжения статора асинхронизированного генератора незначительно и им можно пренебречь. Таким образом, за счет дополнительного введения первого 8, второго 14, третьего 15, четвертого 16, пятого 17 и шестого 26 преобразователей координат, векторного анализатора 9, первого 10, второго 13, третьего 18, четвертого 20 и пятого 23 сумматоров, задатчика 11 напряжения, первого 12, второго 19 и третьего 24 интеграторов, усилителя 21, первого 22, второго 29, третьего 30 и четвертого 31 блоков умножения, задающего генератора 25, выпрямителя 27 и аккумуляторной батареи 28 удалось компенсировать вредное влияние изменяющихся частоты вращения ротора асинхронизированного синхронного генератора, параметров нагрузки и переменных самого генератора на качество напряжения статора указанного генератора. Это позволяет стабилизировать выходное напряжение ветроэнергетической установки с высокой точностью.
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/981.gif)
РИСУНКИ
Рисунок 1