Устройство для стабилизации частоты и напряжения автономных бесконтактных генераторов

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для регулирования частоты и напряжения бесконтактных асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением и синхронных генераторов с постоянными магнитами ветроэнергетических установок и малых гидроэлектростанций.

Известно устройство для стабилизации частоты и напряжения асинхронного генератора (а.с. СССР № 675570, 1979 г.), содержащее задающий генератор, инвертор, генератор треугольных колебаний, компаратор, измеритель отклонения напряжения и первичный источник возбуждения. Недостатками устройства являются низкий КПД, качество электроэнергии и не обеспечение стабилизации напряжения в несимметричных режимах работы.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для стабилизации частоты и напряжения автономного асинхронного генератора (по патенту РФ № 2216097, 2003 г.), состоящее из трехфазного непосредственного преобразователя частоты с регулируемым углом сдвига фаз на входе выходного фильтра и системы управления, в состав которой входят три блока формирования управляющих сигналов, трансформаторы тока и напряжения, блок косинусной синхронизации, задающий генератор и регулятор частоты. Недостатком устройства является низкая надежность работы из-за использования дополнительных силовых цепей искусственной коммутации силовых полупроводниковых приборов и сложности системы управления, обеспечивающей стабилизацию напряжения за счет изменения угла сдвига фаз на входе преобразователя.

Техническим решением предлагаемого изображения является повышение надежности работы устройства стабилизации частоты и напряжения автономных бесконтактных генераторов.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для стабилизации частоты и напряжения автономных бесконтактных генераторов, содержащее конденсаторы возбуждения, непосредственный преобразователь частоты с регулируемым углом сдвига фаз, выходной фильтр, блок трансформаторов тока и напряжения, блок косинусной синхронизации, задающий генератор частоты и три блока формирования управляющих сигналов, согласно изобретению стабилизатор частоты и напряжения генератора, содержащий конденсаторы возбуждения, непосредственный преобразователь частоты, выходной фильтр, блок трансформаторов тока, блок косинусной синхронизации, задающий генератор частоты и три блока формирования управляющих сигналов, отличающееся тем, что содержит блок стабилизации напряжения, состоящий из выпрямителя, транзистора и системы управления, причем вход выпрямителя через конденсаторы возбуждения подключен к выходу генератора, а его выход соединен с эмиттер-коллекторным переходом транзистора, управляющие выводы которого соединены с выходом системы управления, вход которой соединен с выходными выводами через трансформаторно-выпрямительный блок, вход непосредственного преобразователя частоты подключен к выводам генератора, соединенным с блоком косинусной синхронизации, выходы которого соединены с первыми входами блоков формирования управляющих сигналов, выходы которых соединены с управляющими входами непосредственного преобразователя частоты, вход выходного фильтра соединен с выходом непосредственного преобразователя частоты, а выход через блок трансформаторов тока соединен с выходными выводами для подключения нагрузки, выходы блока трансформаторов тока соединены с третьими входами блоков формирования управляющих сигналов, каждый из которых содержит первый и второй компараторы, первый и второй логические элементы И, первый и второй распределители импульсов и датчик тока, первые входы первого и второго компараторов являются первыми входами блоков формирования управляющих сигналов, а их вторые входы являются вторыми входами блоков формирования управляющих сигналов, которые соединены с выходом задающего генератора частоты, выходы первого и второго компараторов соединены с первыми входами первого и второго логических элементов И, вторые входы которых соединены с первым и вторым выхододами датчика тока соответственно, вход которого является третьим входом блоков формирования управляющих сигналов, выходы первого и второго логических элементов И через первый и второй соответственно распределители импульсов подключены к управляющим входам непосредственного преобразователя частоты.

Новизна заявленного технического решения обусловлена тем, что в устройстве применяется естественная коммутация силовых полупроводниковых приборов непосредственного преобразователя частоты и блок стабилизации напряжения, что упрощает конструкцию силовой части преобразователя, а также блоков формирования управляющих сигналов и, таким образом, позволяет повысить надежность работы устройства стабилизации частоты и напряжения автономных бесконтактных генераторов.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана функциональная схема устройства, а на фиг.2 - диаграммы напряжений и тока, поясняющие принцип его работы по стабилизации частоты.

Устройство для стабилизации частоты и напряжения автономных бесконтактных генераторов содержит (фиг.1) бесконтактный генератор 1, последовательно соединенные непосредственный преобразователь частоты 2, выходной фильтр 3, блок трансформаторов тока 4, выходные выводы 5, выход генератора соединен также с конденсаторами возбуждения 6, которые соединены с блоком стабилизации напряжения 7, содержащим выпрямитель 8, силовой транзистор 9, систему управления 10, вход которой соединен с выходными выводами 5 преобразователя через трансформаторно-выпрямительный блок 11; блок косинусной синхронизации 12 соединен с выходом генератора 1 и с блоками формирования управляющих сигналов 13, 14 и 15, с которыми соединен также задающий генератор частоты 16; каждый блок формирования управляющих сигналов 13, 14, 15 содержит первый и второй компараторы 17 и 18, первый и второй логические элементы И 19 и 20, первый и второй распределители импульсов 21 и 22, датчик тока 23.

На примере блока формирования управляющих сигналов 13 (фиг.1) рассмотрим работу устройства по стабилизации частоты.

На первый вход первого и второго компараторов 17 и 18 (фиг.1) поступают косинусные синхронизирующие кривые положительного U_пт и отрицательного U_ОТ типов соответственно (фиг.2, а - жирные кривые) от блока косинусной синхронизации 12 (фиг.1), являющиеся источником опорного сигнала. На вторые входы первого и второго компараторов 17 и 18 от задающего генератора частоты 16 поступает ведущий сигнал синусоидальной формы U_ЗГ (фиг.2, а). При равенстве напряжений косинусных синхронизирующих кривых и задающего генератора в компараторах 17 и 18 формируются импульсы управления U_у1 и U_у2 (фиг.2, б), которые поступают на первые входы первого и второго логических элементов И 19 и 20 соответственно. Для обеспечения естественной коммутации силовых полупроводниковых приборов непосредственного преобразователя частоты необходимо, чтобы каждый раз, когда ток нагрузки имеет положительную полярность, на выходе непосредственного преобразователя частоты формировались кривые напряжения положительного типа, а когда ток нагрузки отрицательной полярности - кривые напряжения отрицательного типа (Джюджи Л., Пели Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты. Пер. с англ. - М: Энергоатомиздат, 1983, - 400 с., с 37-41). Поэтому при положительной полярности тока нагрузки i_п (фиг.2г) датчик тока 23 (фиг.1) подает сигнал на первый логический элемент И 19, а при отрицательной полярности тока нагрузки i_о (фиг.2г) - на второй логический элемент И 20. Импульсы управления через первый или второй распределители импульсов 21 или 22 соответственно поступают на управляющие электроды силовых полупроводниковых приборов непосредственного преобразователя частоты 2 (фиг.1), на выходе которого поочередно будут формировать кривые напряжения положительного U_ПТ и отрицательного U_ОТ типов соответственно (фиг.2 в), т.е. из участков входного напряжения U_BХ будет формироваться выходное напряжение

U_ВЫХ (фиг.2, в).

Таким образом, частота желаемого выходного напряжения U_ЖЕЛ (фиг.2, в) соответствует частоте напряжения задающего генератора U_ЗГ (фиг.2, а) и при дестабилизирующих факторах она будет соответствовать частоте задающего сигнала U_ЗГ и изменяться не будет.

Блок стабилизации напряжения 7 (фиг.1) работает следующим образом. К примеру, напряжение на выходных выводах 5 уменьшилось, с выхода трансформаторно-выпрямительного блока 11 в систему управления 10 поступает сигнал напряжения постоянного тока, который пропорционален выходному напряжению. Система управления 10, сравнивая этот сигнал с эталонным, увеличивает время открытого состояния транзистора 9, тем самым увеличивает величину емкостного тока и обеспечивает компенсацию реактивной мощности, что приводит к стабилизации напряжения на выходе генератора 1 и соответственно устройства стабилизации частоты и напряжения.

Использование непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией силовых вентилей и блока стабилизации напряжения выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как упрощается конструкция и повышается соответственно надежность его работы.

Устройство для стабилизации частоты и напряжения генератора, содержащее конденсаторы возбуждения, непосредственный преобразователь частоты, выходной фильтр, блок трансформаторов тока, блок косинусной синхронизации, задающий генератор частоты и три блока формирования управляющих сигналов, отличающееся тем, что содержит блок стабилизации напряжения, состоящий из выпрямителя, транзистора и системы управления, причем вход выпрямителя через конденсаторы возбуждения подключен к выходу генератора, а его выход соединен с эмиттер-коллекторным переходом транзистора, управляющие выводы которого соединены с выходом системы управления, вход которой соединен с выходными выводами через трансформаторно-выпрямительный блок, вход непосредственного преобразователя частоты подключен к выводам генератора, с которыми также соединен блок косинусной синхронизации, выходы которого соединены с первыми входами блоков формирования управляющих сигналов, выходы которых соединены с управляющими входами непосредственного преобразователя частоты, вход выходного фильтра соединен с выходом непосредственного преобразователя частоты, а выход через блок трансформаторов тока соединен с выходными выводами для подключения нагрузки, выходы блока трансформаторов тока соединены с третьими входами блоков формирования управляющих сигналов, каждый из которых содержит первый и второй компараторы, первый и второй логические элементы И, первый и второй распределители импульсов и датчик тока, первые входы первого и второго компараторов являются первыми входами блоков формирования управляющих сигналов, а их вторые входы являются вторыми входами блоков формирования управляющих сигналов, которые соединены с выходом задающего генератора частоты, выходы первого и второго компаратора И соединены с первыми входами первого и второго логических элементов И, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходом датчика тока соответственно, вход которого является третьим входом блоков формирования управляющих сигналов, выходы первого и второго логических элементов И через первый и второй соответственно распределители импульсов подключены к управляющим входам непосредственного преобразователя частоты.