RU2103800C1

RU2103800C1 - Switchable steady-speed synchronous generator

Info

Publication number: RU2103800C1
Application number: RU96116554A
Authority: RU
Inventors: Николай Кузьмич Колесников; Сергей Васильевич Семергей; Николай Валерьевич Руденко; Михаил Васильевич Сажнев
Original assignee: Николай Кузьмич Колесников; Сергей Васильевич Семергей; Николай Валерьевич Руденко; Михаил Васильевич Сажнев
Priority date: 1996-08-13
Filing date: 1996-08-13
Publication date: 1998-01-27

Abstract

FIELD: steady-frequency voltage generation for variable-speed power-generating unite. SUBSTANCE: generator has multicoil closed field winning designed as DC machine armature winding. At rotor speed other than synchronous, generator output frequency is regulated by using speed governor with leads of diametrically opposite coils of field winding sequentially connected to controlled DC current supply at commutation frequency proportional to slip frequency and to number of coils per pole pair. EFFECT: improved speed control range within which generated voltage frequency is maintained constant. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерирования напряжения стабильной частоты в электроэнергетических установках с переменной скоростью вращения вала приводного двигателя, например в ветроэнергетических установках, малых гидроэлектростанциях, дизель-электроустановках с регулированием частоты вращения в зависимости от нагрузки, в электроустановках с приводом от маршевого двигателя. The invention relates to electrical engineering and can be used to generate a stable frequency voltage in electric power plants with a variable rotational speed of the drive motor shaft, for example, in wind power plants, small hydropower plants, diesel-electric plants with speed control depending on the load, in electric installations with a marching drive engine.

Известен электромеханический преобразователь энергии с полупроводниковым коммутатором [1] , в котором вращение магнитного потока статора создается в результате согласованного с вращением ротора последовательного подключения секций обмотки статора к источнику постоянного тока с помощью управляемых прлупроводниковых вентилей. Данная машина надежна в работе, однако при использовании ее в режиме генератора переменного тока стабильной частоты (при переменной скорости вращения ротора) коммутатором, выступающим в этом случае в качестве преобразователя частоты, будет преобразовываться полный поток выходной мощности машины, что обусловливает завышенную установленную мощность вентилей и снижает КПД устройства. Known is an electromechanical energy converter with a semiconductor switch [1], in which the rotation of the stator magnetic flux is created as a result of the series connection of the stator winding sections to the DC source that is coordinated with the rotation of the rotor using controlled semiconductor valves. This machine is reliable in operation, however, when it is used in the mode of an alternating current generator with a stable frequency (at a variable rotor speed), a switch acting in this case as a frequency converter will convert the total output power stream of the machine, which leads to an oversized installed power of the valves and reduces the efficiency of the device.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является генератор переменного тока [2], предназначенный для производства переменного электрического тока постоянной частоты при переменной скорости вращения вала приводного двигателя и содержащий полупроводниковый коммутатор, замкнутую многосекционную обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности статора, соединены последовательно-согласно, а их выводы подключены через полупроводниковый коммутатор к управляемому источнику постоянного тока, датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора. Однако данное устройство не обеспечивает стабилизацию частоты выходного напряжения в широком диапазоне изменения скорости вращения вала генератора, поскольку в этом устройстве отсутствуют признаки, направленные на возможность поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения, диаметрально противоположных выводов секций многосекционной замкнутой обмотки возбуждения к источнику постоянного ток. The closest set of essential features to the proposed device is an alternating current generator [2], designed to produce an alternating electric current of constant frequency at a variable rotational speed of the drive motor shaft and containing a semiconductor switch, a closed multi-section excitation winding, the sections of which are uniformly distributed around the stator circumference, connected in series according to, and their conclusions are connected through a semiconductor switch to a controlled source a DC sensor, a speed sensor mechanically coupled to the generator shaft. However, this device does not provide stabilization of the frequency of the output voltage in a wide range of changes in the rotation speed of the generator shaft, since there are no signs in this device aimed at the possibility of alternately connecting a switch with a switching frequency proportional to the sliding frequency, diametrically opposite conclusions of sections of a multi-section closed field winding to a constant source current.

Изобретение направлено на расширение рабочего диапазона изменения скорости вращения вала устройств генерирования электроэнергии стабильной частоты с переменной скоростью вращения привода. The invention is aimed at expanding the operating range of the shaft rotation speed of the stable frequency power generating devices with a variable speed of rotation of the drive.

Сущность изобретения состоит в том, что от известного генератора предлагаемый коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты, содержащий датчик частоты вращения, механически связанный с валом генератора, управляемый источник постоянного тока, полупроводниковый коммутатор, силовой вход которого связан с выходом управляемого источник постоянного тока, многосекционную замкнутую обмотку возбуждения, секции которой равномерно распределены по окружности индуктора, соединены последовательно-согласно, а их выводы подключены к выходам полупроводникового коммутатора, регулятор возбуждения, выход которого связан с входом управляемого источника постоянного тока, датчик напряжения, выход которого связан с первым входом регулятора возбуждения, а вход - с выходом генератора, задатчик напряжения, выход которого связан с вторым входом регулятора возбуждения, отличается тем, что расширение рабочего диапазона изменения скорости вращения вала генератора достигается за счет того, что в него дополнительно введены задатчик частоты и регулятор частоты, первый вход которого соединен с выходом задатчика частоты, а второй - с выходом датчика частоты вращения, а выходы регулятора частоты связаны с управляющими входами полупроводникового коммутатора, выполненного с возможностью поочередного подключения коммутатором с частотой коммутации, пропорциональной частоте скольжения и числу секций обмотки возбуждения на пару полюсов, диаметрально противоположных выводов секций обмотки возбуждения к управляемому источнику постоянного тока, причем в состав регулятора частоты входят схема сравнения и компаратор, первые входы которых соединены с выходом задатчика частоты, а вторые - с выходом датчика частоты, управляемый генератор импульсов, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, распределитель импульсов, первый вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, а второй - с выходом компаратора, выходы распределителя импульсов связаны с соответствующими управляющими входами полупроводникового коммутатора. The essence of the invention lies in the fact that from a known generator, the proposed switched synchronous generator of stable frequency, comprising a speed sensor mechanically coupled to the generator shaft, a controlled constant current source, a semiconductor switch, the power input of which is connected to the output of a controlled constant current source, a multi-section closed winding excitations, sections of which are uniformly distributed around the circumference of the inductor, are connected in series according to, and their conclusions are connected to the output I will give a semiconductor switch, an excitation regulator whose output is connected to the input of a controlled direct current source, a voltage sensor whose output is connected to the first input of the excitation regulator, and an input - to the output of the generator, a voltage regulator whose output is connected to the second input of the excitation regulator that the expansion of the working range of the rotation speed of the generator shaft is achieved due to the fact that an additional frequency adjuster and a frequency regulator are introduced into it, the first input of which it is single with the output of the frequency setter, and the second with the output of the speed sensor, and the outputs of the frequency controller are connected to the control inputs of the semiconductor switch, configured to alternately connect the switch with a switching frequency proportional to the slip frequency and the number of sections of the field winding for a pair of poles diametrically opposite the conclusions of the sections of the field winding to a controlled constant current source, and the frequency controller includes a comparison circuit and a comparator, first the inputs of which are connected to the output of the frequency setter, and the second to the output of the frequency sensor, a controlled pulse generator, the input of which is connected to the output of the comparison circuit, a pulse distributor, the first input of which is connected to the output of the controlled pulse generator, and the second to the output of the comparator, the outputs of the distributor pulses are associated with the corresponding control inputs of the semiconductor switch.

На фиг. 1 представлена схема коммутируемого синхронного генератора стабильной частоты, на фиг. 2 - схема регулятора частоты. In FIG. 1 is a diagram of a switched synchronous stable frequency oscillator; FIG. 2 is a diagram of a frequency controller.

Коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты (фиг. 1) содержит два контура регулирования. Первый контур служит для стабилизации выходной частоты генератора 1 с многосекционной замкнутой обмоткой возбуждения 2 и включает в себя датчик частоты вращения 3, механически связанный с валом 4 генератора 1, регулятор частоты 5, полупроводниковый коммутатор 6 и генератор 1. Задание требуемой выходной частоты осуществляется с помощью задатчика частоты 7, сигнал с которого поступает на первый вход регулятора частоты 5. Информация о текущей частоте вращения вала 4 поступает с датчика частоты 3 на второй вход регулятора частоты 5. Второй контур служит для стабилизации генерируемого напряжения и включает датчик напряжения 8, своим входом подключенный к выходу 9 генератора 1, регулятор возбуждения 10, управляющий источником постоянного тока 11, полупроводниковый коммутатор 6 и генератор 1. Задание требуемого значения выходного напряжения осуществляется с помощью задатчика напряжения 12, сигнал с которого поступает на второй вход регулятора возбуждения 10. The switched synchronous generator of stable frequency (Fig. 1) contains two control loops. The first circuit serves to stabilize the output frequency of the generator 1 with a multi-section closed field winding 2 and includes a speed sensor 3 mechanically connected to the shaft 4 of the generator 1, a frequency controller 5, a semiconductor switch 6 and a generator 1. The desired output frequency is set using frequency setter 7, the signal from which is supplied to the first input of frequency regulator 5. Information about the current frequency of rotation of shaft 4 is supplied from frequency sensor 3 to the second input of frequency regulator 5. Second circuit puddle to stabilize the generated voltage and includes a voltage sensor 8, connected to the output 9 of the generator 1 by its input, an excitation regulator 10, which controls the direct current source 11, a semiconductor switch 6 and generator 1. The desired value of the output voltage is set using the voltage regulator 12, the signal from which it enters the second input of the excitation controller 10.

Регулятор частоты 5 (фиг. 1, 2) служит для управления ключами полупроводникового коммутатора 6, для чего в составе последнего имеются схема сравнения 13, управляемый генератор импульсов 14, компаратор 15 и распределитель импульсов 16. The frequency controller 5 (Fig. 1, 2) is used to control the keys of the semiconductor switch 6, for which the latter includes a comparison circuit 13, a controlled pulse generator 14, a comparator 15 and a pulse distributor 16.

Задатчик частоты 7, задатчик напряжения 12, регулятор возбуждения 10, датчик частоты вращения 3, датчик напряжения 8, схема сравнения 13 и компаратор 15 могут быть реализованы по известным схемам, в том числе и с применением цифровой техники. В качестве управляемого генератора импульсов 14 может использоваться, например, преобразователь напряжения в частоту. Распределитель импульсов 16 может быть выполнен на основе реверсивных сдвиговых регистров. Полупроводниковый коммутатор 6 представляет собой коммутатор на полностью управляемых ключах двустороннего действия и может быть реализован с использованием комплементарных транзисторных пар. Число ключей двустороннего действия коммутатора 6 соответствует числу m соединенных с его выходами секций обмотки возбуждения 2, которое является кратным числу полюсов 2p. Обмотка возбуждения 2 конструктивно может быть выполнена по типу якорной обмотки машины постоянного тока. Вращение магнитного потока возбуждения при частотах вращения ротора, отличных от синхронной, в предлагаемом устройстве создается в результате согласованного с частотой скольжения последовательного подключения секций обмотки возбуждения 2 к источнику постоянного тока 11 аналогично созданию вращающегося магнитного потока статора в известном электромеханическом преобразователе энергии с полупроводниковым коммутатором. Обмотка якоря генератора 1 может быть выполнена в обычных для синхронных машин исполнениях. Frequency adjuster 7, voltage adjuster 12, excitation regulator 10, speed sensor 3, voltage sensor 8, comparison circuit 13 and comparator 15 can be implemented according to known schemes, including using digital technology. As a controlled pulse generator 14, for example, a voltage to frequency converter can be used. The pulse distributor 16 can be made on the basis of reversible shift registers. The semiconductor switch 6 is a switch on fully managed double-acting keys and can be implemented using complementary transistor pairs. The number of double-acting keys of the switch 6 corresponds to the number m of sections of the field winding 2 connected to its outputs, which is a multiple of the number of poles 2p. The field winding 2 can be structurally designed as an anchor winding of a DC machine. The rotation of the magnetic flux of the excitation at rotational frequencies of the rotor other than synchronous, in the proposed device is created as a result of the serial connection of the sections of the field winding 2 to the direct current source 11, which is consistent with the sliding frequency, similar to the creation of a rotating stator magnetic flux in a known electromechanical energy converter with a semiconductor switch. The winding of the armature of the generator 1 can be performed in the usual versions for synchronous machines.

Электропитание системы возбуждения генератора 1 может осуществляться как от выхода 9 устройства с использованием в качестве источника постоянного тока 11 управляемого выпрямителя (режим самовозбуждения коммутируемого синхронного генератора стабильной частоты), так и от некоторого независимого источника, например от отдельного электромашинного возбудителя, находящегося на одном валу 4 с генератором 1. The power supply of the excitation system of the generator 1 can be carried out both from the output 9 of the device using a controlled rectifier as a constant current source 11 (self-excitation mode of a switched synchronous generator of stable frequency), and from some independent source, for example, from a separate electric machine exciter located on one shaft 4 with generator 1.

Рассмотрим работу устройства (фиг. 1, 2). Consider the operation of the device (Fig. 1, 2).

В исходном состоянии на выходах задатчиков частоты 7 и напряжения 12 имеют место сигналы, соответствующие требуемым значениям частоты и напряжения на выходе генератора 1, а на одном из выходом распределителя импульсов 16 должен присутствовать сигнал управления полупроводниковым коммутатором 6, удерживающий в открытом состоянии соответствующую пару полупроводниковых ключей и тем самым обеспечивающий подключение выводов диаметрально противоположных секций обмотки возбуждения 2 к управляемому источнику постоянного тока 11. При работе устройства на вторые входы устройства сравнения 13 и компаратора 15 поступает информация с датчика частоты вращения 3, а на первые - с задатчика частоты 7. Сигнал с выхода схемы сравнения 13 поступает на вход управляемого генератора импульсов 14, на выходе которого возникают прямоугольные импульсы управления с частотой следования, пропорциональной величине этого сигнала, то есть пропорциональной модулю скольжения. Импульсы управления поступают на первый (тактовый) вход распределителя импульсов 16, на второй вход которого поступает сигнал с выхода компаратора 15, управляющий в зависимости от знака скольжения направлением распределения импульсов. В зависимости от этого направления полупроводниковым коммутатором 6 осуществляется подключение выводов диаметрально противоположных секций обмотки возбуждения 2 к управляемому источнику постоянного тока 11 поочередно либо в направлении, совпадающем с направлением вращения вала 4, если частота вращения последнего выше синхронной, либо в противоположном направлении, если частота вращения вала 4 ниже синхронной. При вращении ротора генератора 1 с синхронной частотой сигнал на выходе схемы сравнения 13 отсутствует, и импульсов на выходе управляемого генератора импульсов 14 нет, следовательно, состояния выходов распределителя импульсов 16 не меняются и открытой остается та пара полупроводниковых ключей коммутатора 6, на управляющий вход которой поступает сигнал с одного из выходов распределителя импульсов 5. В этом случае генератор 1 работает как обычный синхронный генератор. In the initial state, at the outputs of the frequency and voltage regulators 7 and voltage 12, there are signals corresponding to the required values of the frequency and voltage at the output of the generator 1, and at one of the output of the pulse distributor 16 there must be a control signal of the semiconductor switch 6, which keeps the corresponding pair of semiconductor switches open and thereby ensuring the connection of the diametrically opposite sections of the field winding 2 to a controlled DC source 11. When operating The second inputs of the comparison device 13 and the comparator 15 receive information from the speed sensor 3, and the first from the frequency adjuster 7. The signal from the output of the comparison circuit 13 is fed to the input of a controlled pulse generator 14, at the output of which rectangular control pulses with a frequency following proportional to the magnitude of this signal, that is, proportional to the slip modulus. The control pulses are fed to the first (clock) input of the pulse distributor 16, the second input of which receives a signal from the output of the comparator 15, which controls, depending on the sign of slip, the direction of the pulse distribution. Depending on this direction, the semiconductor switch 6 connects the terminals of diametrically opposite sections of the field winding 2 to the controlled constant current source 11 alternately either in the direction coinciding with the direction of rotation of the shaft 4 if the speed of the latter is higher than synchronous, or in the opposite direction if the speed of rotation shaft 4 below synchronous. When the rotor of the generator 1 is rotated with a synchronous frequency, there is no signal at the output of the comparison circuit 13, and there are no pulses at the output of the controlled pulse generator 14, therefore, the states of the outputs of the pulse distributor 16 do not change and that pair of semiconductor switches of switch 6 remains open, to the control input of which a signal from one of the outputs of the pulse distributor 5. In this case, the generator 1 operates as a conventional synchronous generator.

Стабилизация генерируемого напряжения в предлагаемом устройстве осуществляется с помощью регулятора возбуждения 10 известными способами. The stabilization of the generated voltage in the proposed device is carried out using the excitation controller 10 by known methods.

Таким образом, предлагаемый коммутируемый синхронный генератор стабильной частоты позволяет обеспечивать поддерживание постоянства частоты на его выходе в расширенном диапазоне изменения частот вращения вала. Thus, the proposed switched synchronous generator of stable frequency allows you to maintain the constancy of the frequency at its output in an extended range of changes in the frequency of rotation of the shaft.

Claims

A switched synchronous stable frequency generator, comprising a speed sensor mechanically connected to the generator shaft, a controlled DC source, a semiconductor switch, the power input of which is connected to the output of a controlled constant current source, a multi-section closed field winding, the sections of which are uniformly distributed around the circumference of the indicator, are connected in series according to, and their conclusions are connected to the outputs of the semiconductor switch, the excitation regulator, the output of which knitted with the input of a controlled constant current source, a voltage sensor, the output of which is connected to the first input of the excitation regulator, and an input with the output of the generator, a voltage regulator, the output of which is connected to the second input of the excitation regulator, characterized in that the frequency adjuster and the regulator are additionally introduced into it frequency, the first input of which is connected to the output of the frequency setter, and the second to the output of the speed sensor, and the outputs of the frequency controller are connected to the control inputs of the semiconductor switch with the ability to alternately connect the switch with a switching frequency proportional to the slip frequency and the number of sections of the field winding per pair of poles, diametrically opposite conclusions of the sections of the field coil to a controlled DC source, and the frequency controller includes a comparison circuit and a comparator, the first inputs of which are connected to the output of the frequency setter, and the second with the output of the frequency sensor, a controlled pulse generator, the input of which is connected to the output of the comparison circuit, pulse generator, the first input of which is connected to the output of a controlled pulse generator, and the second
with the output of the comparator, the outputs of the pulse distributor are connected to the corresponding control inputs of the semiconductor switch.