Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала



Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала
Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала
Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала
Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала
Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала
Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала
Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала

 


Владельцы патента RU 2580843:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам генерирования электроэнергии с регулированием по частоте и напряжению при постоянной частоте вращения вала. Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала содержит три синхронных генератора переменного тока, объединенных общим приводом, основные трехфазные обмотки статоров которых включены в три ветви таким образом, что в каждую ветвь включены последовательно по три разноименных фазных обмоток, при этом начала ветвей образуют силовой трехфазный выход с напряжением регулируемой частоты, а концы ветвей соединены в “звезду”. Технический результат состоит в снижении массогабаритных характеристик устройства и повышении надежности. 6 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и касается вопросов целенаправленного и рационального преобразования параметров электрической энергии - частоты и напряжения. Оно может быть выгодно использовано для питания различных электрических нагрузок напряжением изменяющейся частоты и амплитуды.

В практике судостроения требуется обеспечивать питанием трехфазным напряжением переменной частоты такую нагрузку, как, например, гребной электродвигатель и в то же время питание судовых потребителей электроэнергии необходимо осуществлять трехфазным напряжением с постоянной частотой 50 Гц. Временная форма напряжения в обоих случаях должна быть близка к синусоидальной.

Наиболее подходящим по технической сущности к достигаемым результатам является устройство преобразования частоты генератора переменного тока (РФ, приоритентная справка на изобретение №2012122346 от 31.05.2012 г.) - прототип. Оно позволяет получать на одном его выходе трехфазное напряжение с заданной, управляемой частотой и хорошим качеством электроэнергии и трехфазное напряжение постоянной промышленной частоты для питания судовых потребителей на другом выходе от трех генераторов переменного тока, приводимых в движение единым механическим приводом.

Однако это устройство имеет существенный недостаток - для получения напряжения управляемой частоты требуется использовать три мощных полупроводниковых циклоконвертора, что снижает его надежность, а также значительно увеличивает его габариты и стоимость.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства преобразования частоты генератора переменного тока, обеспечивающего с одного выхода питание судовых потребителей напряжением промышленной частоты и имеющего дополнительный силовой выход для питания нагрузок напряжением хорошего качества с регулируемыми частотой и амплитудой без использования мощных полупроводниковых статических преобразователей.

Это достигается тем, что в известном устройстве преобразования частоты напряжения генератора переменного тока (прототип) предлагается основные трехфазные обмотки статоров СГПТ включить в три ветви таким образом, чтобы в каждую ветвь включить последовательно по три разноименные фазные обмотки всех СГПТ, тогда начала ветвей образуют силовой трехфазный выход с напряжением регулируемой частоты, а концы ветвей объединить, образуя соединение ветвей в "звезду".

Указанная схема включения основных обмоток статоров СГПТ в три ветви позволяет получать суммарное регулируемое напряжение с заданными переменной частотой и амплитудой, а также с другого выхода - напряжение с постоянными частотой и амплитудой для питания общесудовых потребителей с возможностью независимого регулирования величины напряжения на каждом выходе устройства. Приводной вал СГПТ при этом вращается с постоянной скоростью. Напряжение переменной частоты получается при векторном сложении всех трех фазных напряжений в каждой ветви без использования циклоконверторов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, графиками и рисунками, представленными на фиг. 1÷6).

Устройство получения напряжения переменной частоты на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала (см. блок-схему на фиг. 1) содержит три СГПТ 1, 2, 3, которые механически по валу соединены так, чтобы напряжения одноименных фаз генераторов были синфазны. Основные обмотки статоров 4, 5, 6 включены пофазно в три ветви таким образом, что в каждую ветвь включены последовательно три разноименные фазные обмотки трех синхронных генераторов переменного тока (1-ая ветвь - A1, В2, C3; 2-ая ветвь - A2, B3, C1 3-я ветвь - А3, В1, С2). Начала ветвей образуют силовой трехфазный выход с напряжением регулируемой частоты, а концы ветвей объединены, образуя соединение ветвей в "звезду".

Основные обмотки возбуждения 7, 8, 9 синхронных генераторов переменного тока 1, 2, 3 соединены в "звезду" и подключены к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения (УТГН) 10, задатчик частоты 11 соединен с первым входом, а задатчик амплитуды 12 - со вторым входом УТГН.

Одноименные фазы дополнительных трехфазных обмоток 13, 14, 15 статора каждого СГНТ 1, 2, 3 соединены последовательно и подключены к судовым потребителям, получающим напряжение 3×380 В постоянной частоты 50 Гц. Дополнительные обмотки возбуждения 16, 17, 18 всех трех СГНТ 1, 2, 3 объединены в схему "открытый треугольник" и подключены к источнику регулируемого постоянного напряжения 19, вход которого соединен с дополнительным задатчиком амплитуды постоянного напряжения 20.

К первому выходу устройства 21 подключены общесудовые потребители с напряжением 3×380 В постоянной частоты 50 Гц, а ко второму выходу 22 подключены потребители с переменными параметрами частоты и напряжения.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1). СГПТ 1, 2, 3 приводятся во вращение общим приводом и вырабатывают напряжения с одинаковой частотой, соответствующей частоте вращения, и промодулированное по амплитуде, поскольку основные обмотки возбуждения 7, 8, 9 генераторов 1, 2, 3 подключены к выходам УТГН с заданной переменной частотой f2 в некотором диапазоне. В этом случае фазное напряжение на статорных обмотках 4, 5, 6, 13, 14, 15 генераторов 1, 2, 3 модулируется по амплитуде синусоидальным напряжением частотой с коэффициентом модуляции, равным 100%. Графические зависимости напряжения на основной обмотке возбуждения Uy и промодулированного напряжения Uмод фаз статора приведены на фиг. 2.

Разноименные фазы основных трехфазных обмоток 4, 5, 6 в статорах генераторов 1, 2, 3 соединены пофазно последовательно в три ветви, начала которых соединены в "звезду", а концы подключены к нагрузке, на которой формируется напряжение с переменными параметрами значения и частоты.

Схема соединения обмоток приведена на фиг. 3а. Пофазное последовательное соединение позволяет осуществлять суммирование напряжений разноименных фаз всех трех СГПТ 1, 2, 3 и выделять в результате суммирования напряжение с частотой, равной сумме f1+f2 или разности частот f1-f2. Результат суммарного или разностного выделения зависит от порядка чередования фаз выходов УТГН при подключении к обмоткам возбуждения 7, 8, 9 или порядка чередования фаз при включении основных статорных обмоток генераторов 4, 5, 6 в последовательные ветви.

Задатчик частоты подключен к первому входу УТГН и его уставка влияет на его выходную частоту, а значит и всего устройства в целом. Задатчик амплитуды подключен ко второму входу УТГН. С его помощью можно изменять величину выходного напряжения, а значит и амплитуду возбуждения, влияя таким образом на выходное напряжение с переменной частотой в нагрузке.

Одноименные фазы дополнительных трехфазных обмоток 13, 14, 15 в статорах СГНТ 1, 2, 3 соединены пофазно последовательно в три ветви, концы которых соединены в "звезду", а начала подключены к нагрузке 3×380 В, 50 Гц (фиг. 36). Последовательное соединение позволяет осуществлять суммирование напряжений одноименных фаз всех трех СГНТ 1, 2, 3. Выходное напряжение на концах ветвей немодулировано и имеет постоянную частоту f1, равную 50 Гц.

Фазное напряжение каждого СГНТ 1, 2, 3 представляет собой амплитудно модулированное напряжение (фиг. 2). Это напряжение обычно представляют в виде векторной суммы трех векторов (фиг. 4) - вектора напряжения несущей частоты f1 (а, в, с) вращающегося вокруг точки «о» с угловой частотой ω1, равной 2πf1 и двух векторов напряжений боковых частот 23, 24 с модулем, равным половине модуля вектора несущей частоты, вращающихся в противоположные стороны вокруг конца вектора напряжения несущей частоты «o1» с частотой Ω, равной 2πf2, где f2 - частота модуляции.

Угловая частота вращения каждого вектора характеризует частоту, а угол поворота - фазу соответствующего напряжения.

Поскольку направления вращения векторов напряжений несущей частоты и напряжения боковой 23 по направлению совпадают, то частота напряжения боковой 23 равна сумме f1+f2, а частота напряжения боковой 24 равна разности частот f1-f2.

На фиг. 4 в векторной форме изображены фазные напряжения всех трех СГПТ 1, 2, 3.

На фиг. 5 в векторной форме показаны фазные напряжения СГПТ 1, 2, 3, входящие в одну из последовательно включенных ветвей основных обмоток генераторов для получения напряжения переменной частоты. Результаты суммирования этих напряжений приведены на фиг. 6.

Видно, что суммирование векторов напряжений разноименных фаз с частотой ω1 приводит к взаимной компенсации напряжений с этой частотой, поскольку в трехфазной системе векторы а, в1, с11 смещены по фазе на 120 электрических градусов и равны по модулю. То же относится к составляющей напряжения боковых частот 23, 231, 2311.

В то же время составляющие с боковой частотой 24, 241, 2411 синфазны и модуль суммарного вектора утраивается. Таким образом, на концах ветви выделяется напряжение, частота которого равна разности частот: несущей (определяемой частотой вращения вала СГПТ 1, 2, 3 и числом их пар полюсов) и частоты модуляции, изменяемой задатчиком частоты.

Амплитуда напряжения возбуждения, действующая на выходе УТГН и приложенная к основным обмоткам возбуждения 7, 8, 9, определяет амплитуду боковых частот в спектре выходного напряжения СГНТ 1, 2, 3, а значит и выходного напряжения выделенной нижней боковой частоты 24+241+2411, действующей на выходе с переменными частотой и напряжением устройства.

Введение дополнительных обмоток возбуждения 16, 17, 18, питаемых постоянным током от источника регулируемого постоянного напряжения 19, позволяет изменять амплитуду только выходного напряжения с частотой 50 Гц, как в прототипе.

При нулевом постоянном токе возбуждения в дополнительных обмотках возбуждения 16, 17, 18 напряжение с частотой 50 Гц в спектре выходного напряжения СГПТ отсутствует.

Дополнительные обмотки возбуждения уложены в те же пазы ротора, что и основные обмотки возбуждения. Однако схема их включения «открытый треугольник» позволяет получать в точках подключения источника регулируемого постоянного напряжения нулевой уровень переменного напряжения, наводимого от тока основных обмоток возбуждения.

Таким образом, пофазное последовательное соединение разноименных фаз СГПТ в три ветви позволяет выделять на концах этих ветвей суммарное по частоте f1+f2 или разностное по частоте f1-f2 напряжение. Напряжения на каждой ветви будут сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120°, образуя систему трехфазного напряжения. Это приводит к появлению возможности отбора от синхронного генератора переменного тока трехфазного напряжения с переменными частотой и амплитудой.

Предлагаемое устройство, как и прототип, одновременно вырабатывает на выходе трехфазное напряжение с постоянной частотой. Временная форма напряжения на обоих силовых выходах практически синусоидальна. Наличие двух задатчиков амплитуды напряжения позволяет независимо регулировать его на каждом силовом выходе устройства.

В отличие от прототипа предлагаемое устройство не требует использования трех мощных полупроводниковых статических преобразователей параметров электроэнергии, что резко снижает массогабаритные характеристики устройства, соответственно его стоимость и увеличивает надежность при эксплуатации.

Физическая модель предложенного устройства мощностью 10 кВт при испытаниях показала полное совпадение выходных параметров напряжений с обоих выходов с расчетными величинами.

Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала, содержащее три синхронных многофазных, например трехфазных, генератора переменного тока, имеющих общий привод, обеспечивающий совпадение по частоте и амплитуде синфазные выходные напряжения всех трех синхронных генераторов переменного тока с основными и дополнительными трехфазными обмотками статоров и основными и дополнительными обмотками возбуждения роторов, а также управляющий трехфазный генератор синусоидального напряжения, задатчик частоты и первый задатчик амплитуды, источник регулируемого постоянного напряжения с дополнительным задатчиком амплитуды, причем основные обмотки возбуждения всех синхронных генераторов переменного тока соединены в “звезду” и подключены к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, выход задатчика частоты подключен к первому входу, а выход первого задатчика амплитуды подключен ко второму входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, дополнительные обмотки возбуждения в роторе каждого синхронного генератора переменного тока объединены в схему "открытый треугольник", к входным концам которого подключен источник регулируемого постоянного напряжения, вход которого соединен с дополнительным задатчиком амплитуды, причем одноименные дополнительные трехфазные обмотки статоров всех синхронных генераторов переменного тока соединены последовательно в три ветви, объединенные в “звезду” и образующие трехфазный выход со стабильными частотой и амплитудой напряжения, отличающееся тем, что основные трехфазные обмотки статоров синхронных генераторов переменного тока включены в три ветви таким образом, что в каждую ветвь включены последовательно по три разноименные фазные обмотки трех синхронных генераторов переменного тока, начала ветвей образуют силовой трехфазный выход с напряжением регулируемой частоты, а концы ветвей объединены в “звезду”.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматического регулирования возбуждения синхронных машин, чувствительных к напряжению потребителей.

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в электроэнергетических системах электроснабжения, электрических сетях для определения внутреннего индуктивного сопротивления синхронных машин.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в генераторах или двигателях постоянного или переменного тока с бесконтактной коммутацией.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для оценки корректности функционирования автоматических регуляторов возбуждения в составе бесщеточных систем возбуждения генераторов электроэнергетических систем.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления ветроэнергетической установкой. Технический результат - снижение веса и улучшение соотношения между весом и номинальной мощностью генератора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для возбуждения и пуска синхронных бесконтактных электрических машин специального назначения, например в бортовых системах переменного тока постоянной частоты 400 Гц.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе. Технический результат - увеличение частоты вращения вала электродвигателя без увеличения потребления энергоресурсов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления синхронными генераторами на предприятиях, вырабатывающих электрическую энергию.

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в системах электропривода с плавной регулировкой скорости вращения, в том числе гребного, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин.

Изобретение относится к устройствам преобразования частоты, ведомых сетью, и может быть использовано в установках, в которых требуется регулирование частоты. .

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводе для управления скоростью асинхронных электродвигателей. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в электроприводах переменного тока, управляемых оптоэлектронными изоляторами, и источниках вторичного электропитания.

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может использоваться, например, в регуляторах температуры. .

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в приемных устройствах и совмещенных приемниках спутниковой навигации с использованием прямого преобразования.

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на электроподвижном составе переменного тока для регулирования частоты вращения вентиляторов с приводными трехфазными асинхронными электродвигателями.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на электроподвижном составе переменного тока для регулирования производительности вентиляторов с приводными трехфазными асинхронными электродвигателями.

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, например удвоителям, и может быть использовано для питания высокоскоростных электроприводов деревообрабатывающей промышленности, безредукторных центрифуг, для индукционного нагрева больших металлических заготовок и т.д.

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано для питания систем автоматики и электродвигателей с повышенной частотой вращения, а также систем индукционного нагрева. Из уровня техники известны различные конструкции ферромагнитных умножителей частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники основной частоты питающей сети с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях резонансных контуров. Суть предлагаемого способа умножения частоты заключается в использовании дополнительной степени свободы структуры трансформатора с вращающимся магнитным полем и за счет резко нелинейного распределения создаваемого первичной трехфазной обмоткой магнитного потока. Таким образом, выходное напряжение формируется из отдельных полуволн, снимаемых с катушек вторичной обмотки и коммутируемых в заданной последовательности, что в результате обеспечивает умножение частоты выходного напряжения. Предлагаемое устройство реализует указанный способ умножения и позволяет получить коэффициент умножения в шесть раз, то есть при частоте питающей сети 50 Гц на выходе умножителя формируется синусоидальное напряжение частотой 300 Гц. Конструкция умножителя является технологичной и подходит для автоматизированной намотки. Техническим результатом является эффективное умножение частоты выходного напряжения, упрощение конструкции трансформатора, увеличение коэффициента полезного действия и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх