RU2216097C2

RU2216097C2 - Voltage and frequency regulator for off-line induction generator

Info

Publication number: RU2216097C2
Application number: RU2001123027/09A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Богатырев; О.В. Григораш; Н.Н. Курзин; В.Н. Павлов; Ю.М. Стрелков; А.С. Креймер
Original assignee: Кубанский государственный аграрный университет
Priority date: 2001-08-15
Filing date: 2001-08-15
Publication date: 2003-11-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; induction generator voltage and frequency regulation. SUBSTANCE: device affording regulation of off-line induction generator voltage and frequency has induction generator connected to field capacitors; series-connected frequency changer, output filter, current transformers unit, potential transformers unit, and output terminals; cosine synchronization unit connected to induction generator output and to control signal shaping units; connected to the latter are also master frequency oscillator and frequency regulator. Each control-signal shaping unit has first, second, and third pulse shapers, two AND gates, two pulse distributors, two pulse amplifiers, sawtooth voltage generator, voltage divider, current sensor, and type-of-curve generator. EFFECT: reduced mass of field capacitors, enhanced regulation quality in asymmetric modes of operation. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для стабилизации частоты и напряжения автономных асинхронных генераторов. The invention relates to devices designed to stabilize the frequency and voltage of autonomous asynchronous generators.

Известно устройство (см. а. с. СССР 877773, Н 02 Р 9/46), которое выполнено на базе фазных групп полупроводниковых выключателей и управляемого дросселя, но имеет недостатки: не обеспечивает стабилизацию частоты асинхронного генератора, имеет низкий кпд, большую массу и габариты. A device is known (see a.s. USSR 877773, H 02 P 9/46), which is made on the basis of phase groups of semiconductor switches and a controlled inductor, but has drawbacks: it does not stabilize the frequency of the asynchronous generator, has a low efficiency, a large mass and dimensions.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для стабилизации частоты и напряжения асинхронного генератора по а.с. СССР 675570, Н 02 Р 9/46, содержащее конденсаторы возбуждения, задающий генератор, инвертор. Стабилизация напряжения осуществляется за счет воздействия инвертора на величину среднего тока возбуждения генератора, рабочая частота напряжения генератора устанавливается с помощью задающего генератора. Closest to the technical solution is a device for stabilizing the frequency and voltage of an asynchronous generator according to AS USSR 675570, H 02 P 9/46, containing field capacitors, master oscillator, inverter. The voltage is stabilized by the inverter acting on the average excitation current of the generator, the operating frequency of the generator voltage is set using the master oscillator.

Недостатками устройства являются повышенная масса конденсаторов возбуждения, устройство не позволяет регулировать выходную частоту напряжения генератора и стабилизировать его напряжение в несимметричных режимах работы. The disadvantages of the device are the increased mass of the excitation capacitors, the device does not allow you to adjust the output frequency of the voltage of the generator and stabilize its voltage in asymmetric operating modes.

Техническим решением поставленной задачи является уменьшение массы конденсаторов возбуждения асинхронного генератора, улучшение регулировочных свойств устройства в несимметричных режимах работы и обеспечение возможности регулирования частоты напряжения генератора. The technical solution to this problem is to reduce the mass of the excitation capacitors of the asynchronous generator, improve the adjusting properties of the device in asymmetric operating modes and provide the ability to control the frequency of the voltage of the generator.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для стабилизации частоты и напряжения автономного асинхронного генератора, содержащее конденсаторы возбуждения, задающий генератор, инвертор, дополнительно вместо инвертора имеет преобразователь частоты с регулируемым входным углом сдвига фаз, выходной фильтр, блок трансформаторов тока, трансформаторов напряжения, блок косинусной синхронизации, задающий генератор частоты, регулятор частоты и три блока формирования управляющих сигналов, причем вход преобразователя частоты с регулируемым входным углом сдвига фаз подключен к выводам асинхронного генератора, с которыми также соединены блок конденсаторов возбуждения и входы блока косинусной синхронизации, выходы которого соединены с первыми входами блоков формирования управляющих сигналов, выходы которых соединены с управляющими входами преобразователя частоты с регулируемым входным углом сдвига фаз, вход выходного фильтра соединен с выходом преобразователя частоты с регулируемым входным углом сдвига фаз, а выход через блок трансформаторов тока соединен с выводами для подключения нагрузки, к которым также подключены входы трансформаторов напряжения, а его выходы и выходы блока трансформаторов тока соединены с третьими и четвертыми соответственно входами блоков формирования управляющих сигналов, каждый из которых содержит первый, второй и третий формирователи импульсов, первый и второй логические элементы И, первый и второй распределители импульсов, первый и второй усилители импульсов, генератор пилообразного напряжения, делитель напряжения, датчик тока и генератор типа кривой, первые входы первого и второго формирователей импульсов являются первыми входами блоков формирования управляющих сигналов, а их вторые входы являются вторыми входами блоков формирования управляющих сигналов, которые соединены с выходом задающего генератора, который соединен с регулятором частоты, вход делителя напряжения является третьим входом блоков формирования управляющих сигналов, а их четвертый вход является входом датчика тока и генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен с первым входом третьего формирователя импульсов, второй вход которого соединен с выходом делителя напряжения, выход третьего формирователя импульсов подключен к первому входу генератора типа кривой, второй вход которого соединен с выходом датчика тока, два выхода генератора типа кривой соединены со вторыми входами первого и второго логических элементов И соответственно, первые входы которых соединены с выходами первого и второго соответственно формирователей импульсов, выходы первого и второго логических элементов И через соответствующие первый и второй распределители импульсов, первый и второй усилители импульсов подключены к управляющим входам преобразователя частоты с регулируемым входным углом сдвига фаз. This object is achieved in that the device for stabilizing the frequency and voltage of an autonomous asynchronous generator, containing excitation capacitors, a master oscillator, an inverter, additionally, instead of an inverter, has a frequency converter with an adjustable input phase angle, an output filter, a block of current transformers, voltage transformers, a cosine block synchronization, a master frequency generator, a frequency regulator and three control signal generation blocks, and the input of the frequency converter with an adjustable input phase angle is connected to the terminals of the asynchronous generator, which are also connected to the block of field capacitors and inputs of the cosine synchronization block, the outputs of which are connected to the first inputs of the control signal generation units, the outputs of which are connected to the control inputs of the frequency converter with an adjustable input phase angle, the input filter output is connected to the output of the frequency converter with an adjustable input phase angle, and the output through the block of current transformers is connected to the output Dams for connecting the load, to which the inputs of the voltage transformers are also connected, and its outputs and outputs of the block of current transformers are connected to the third and fourth respectively inputs of the blocks for generating control signals, each of which contains the first, second and third pulse shapers, the first and second logic elements And, the first and second pulse distributors, the first and second pulse amplifiers, a sawtooth voltage generator, a voltage divider, a current sensor and a curve type generator, the first input The first and second pulse shapers are the first inputs of the control signal generation blocks, and their second inputs are the second inputs of the control signal generation blocks, which are connected to the output of the master oscillator, which is connected to the frequency regulator, the input of the voltage divider is the third input of the control signal generation blocks, and their fourth input is the input of a current sensor and a sawtooth generator, the output of which is connected to the first input of the third pulse shaper s, the second input of which is connected to the output of the voltage divider, the output of the third pulse shaper is connected to the first input of the curve type generator, the second input of which is connected to the output of the current sensor, two outputs of the curve type generator are connected to the second inputs of the first and second logic elements And, accordingly, the first the inputs of which are connected to the outputs of the first and second pulse shapers, respectively, the outputs of the first and second logic elements AND through the corresponding first and second pulse distributors s, the first and second pulse amplifiers are connected to the control inputs of the frequency converter with an adjustable input phase angle.

Новизна технического решения обусловлена тем, что за счет конструктивных особенностей функциональной схемы устройства обеспечивается уменьшение массы конденсаторов возбуждения АГ, улучшение регулировочных свойств устройства в несимметричных режимах работы и обеспечение возможности регулирования частоты напряжения генератора. The novelty of the technical solution is due to the fact that due to the design features of the functional circuit of the device, it is possible to reduce the mass of AG excitation capacitors, improve the adjusting properties of the device in asymmetric operating modes and provide the ability to control the frequency of the generator voltage.

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. According to the scientific, technical and patent literature, the authors are not aware of the claimed combination of features aimed at achieving the task, and this solution does not follow clearly from the prior art, which allows us to conclude that the solution meets the level of the invention.

Сущность решения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана структурная схема устройства для стабилизации частоты и напряжения автономного асинхронного генератора; на фиг. 2 - диаграммы токов и напряжений, поясняющие принцип его работы по стабилизации напряжения. The essence of the solution is illustrated by the drawing, where figure 1 shows a structural diagram of a device for stabilizing the frequency and voltage of an autonomous asynchronous generator; in FIG. 2 - diagrams of currents and voltages, explaining the principle of its work on voltage stabilization.

Устройство для стабилизации частоты и напряжения автономного асинхронного генератора содержит (фиг. 1) асинхронный генератор 1, соединенный с конденсаторами возбуждения 2, последовательно соединенные преобразователь частоты 3, выходной фильтр 4, блок трансформаторов тока 5, блок трансформаторов напряжения 6, выходные зажимы 7, блок косинусной синхронизации 8 соединен с выходом асинхронного генератора 1 и с блоками формирования управляющих сигналов 9, 10, 11, с которыми соединен также задающий генератор частоты 12 и регулятор частоты 13; каждый блок формирования управляющих сигналов 9, 10, 11 содержит первый, второй и третий формирователи импульсов 14, 15, 16, два логических элемента И 17 и 18, два распределителя импульсов 19 и 20, два усилителя импульсов 21 и 22, генератор пилообразного напряжения 23, делитель напряжения 24, датчик тока 25, генератор типа кривой 26. A device for stabilizing the frequency and voltage of a self-contained asynchronous generator contains (Fig. 1) an asynchronous generator 1 connected to field capacitors 2, a frequency converter 3, an output filter 4, a block of current transformers 5, a block of voltage transformers 6, output terminals 7, a block, connected in series cosine synchronization 8 is connected to the output of the asynchronous generator 1 and to the blocks for generating control signals 9, 10, 11, which are also connected to the master frequency generator 12 and the frequency controller 13; each control signal generating unit 9, 10, 11 contains the first, second and third pulse shapers 14, 15, 16, two logic elements And 17 and 18, two pulse distributors 19 and 20, two pulse amplifiers 21 and 22, a sawtooth voltage generator 23 , voltage divider 24, current sensor 25, curve type generator 26.

Принцип стабилизации напряжения асинхронного генератора в предлагаемом устройстве заключается в регулировании реактивной мощности, потребляемой генератором, за счет изменения угла сдвига фаз на входе преобразователя частоты. Изменение угла сдвига фаз происходит путем непрерывного смещения участков кривых выходных напряжений положительного и отрицательного типов, формирующихся преобразователем частоты, относительно полярности тока нагрузки. При этом угол сдвига фаз на входе преобразователя может изменяться от -90^o до +90^o (Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. - 400 с., с. 36-37).The principle of stabilizing the voltage of an asynchronous generator in the proposed device is to regulate the reactive power consumed by the generator by changing the phase angle at the input of the frequency converter. The phase angle changes by continuously shifting the sections of the curves of the output voltages of the positive and negative types formed by the frequency converter, relative to the polarity of the load current. In this case, the phase angle at the input of the converter can vary from -90 ^o to +90 ^o (Dzhuji L., Pelly B. Power semiconductor frequency converters: Theory, characteristics, application. Transl. From English. - M.: Energoatomizdat. - 400 S., p. 36-37).

Устройство для стабилизации частоты и напряжения автономного асинхронного генератора работает следующим образом. A device for stabilizing the frequency and voltage of an autonomous asynchronous generator operates as follows.

Косинусные синхронизирующие кривые с выхода блока косинусной синхронизации 8 (фиг. 1) поступают на первые входы формирователей импульсов 14, 15 блоков формирования управляющих сигналов 9, 10, 11, на вторые входы которых поступает опорный сигнал синусоидальной формы от задающего генератора 12. Частота опорного сигнала определяет частоту выходного напряжения асинхронного генератора. Частота сигнала задающего генератора, при необходимости, может изменяться регулятором частоты 10. Cosine synchronization curves from the output of the cosine synchronization block 8 (Fig. 1) are supplied to the first inputs of the pulse shapers 14, 15 of the control signal generation blocks 9, 10, 11, the second inputs of which receive a sinusoidal reference signal from the master oscillator 12. The frequency of the reference signal determines the frequency of the output voltage of the asynchronous generator. The frequency of the signal of the master oscillator, if necessary, can be changed by the frequency controller 10.

Работу блоков формирования управляющих сигналов, обеспечивающих стабилизацию выходного напряжения асинхронного генератора, рассмотрим на примере блока 9, формирующего импульсы для фазы А. При равенстве напряжений косинусных синхронизирующих кривых и задающего генератора в формирователях импульсов 14, 15 формируется сигнал, который с их выходов поступает на первые входы логических элементов И 17, 18, на вторые входы которых поступает сигнал от генератора типа кривой 26. В зависимости от величины выходного напряжения на выходе выходного фильтра 4 генератор типа кривой 26 подает сигнал на соответствующий логический элемент И 17 или 18. Так, в номинальном режиме работы устройства сигнал о полярности тока нагрузки i_н через датчик тока 25 (фиг. 2, а, б) поступает на второй вход генератора типа кривой 26, на первый вход которого поступают импульсы от третьего формирователя импульсов 16. Импульсы на выходе третьего формирователя импульсов 16 формируются тогда, когда выходное напряжение постоянного тока u_вых, обратно пропорциональное выходному напряжению фазы А асинхронного генератора, от делителя напряжения 24 будет равно напряжению u_гпн от генератора пилообразного напряжения 23 (фиг. 2, в, г). При этом работа генератора пилообразного напряжения 23 синхронизирована с полярностью тока нагрузки i_н (фиг.2, а, в). Генератор типа кривой 26 подает сигнал на логический элемент И 17 в том случае, когда ток нагрузки имеет положительную полярность, а на логический элемент И 18, когда ток нагрузки отрицательной полярности. Причем сигналы от генератора типа кривой 26 подаются в момент времени формирования импульсов на выходе формирователя импульсов 16. В результате генератор типа кривой 26 определяет временные участки, на которых должны формироваться кривые напряжений положительного u_пт и отрицательного u_от типов (фиг.2, д, е). С выходов логических элементов И 17 или 18 через соответствующие распределители импульсов 19 или 20 и усилители импульсов 21 или 22 управляющие сигналы поступают на силовые ключи преобразователя частоты с регулируемым входным углом сдвига фаз, на выходе которого формируются кривые напряжений положительного или отрицательного типов.Let us consider the operation of the control signal generation blocks providing stabilization of the output voltage of the asynchronous generator using the example of block 9, which generates pulses for phase A. If the voltages of the cosine synchronizing curves and the master oscillator are equal, a signal is generated in the pulse shapers 14, 15, which is fed to their first outputs the inputs of the logic elements And 17, 18, the second inputs of which receive a signal from a generator of the type of curve 26. Depending on the magnitude of the output voltage at the output of the output filter Trace 4 a curve type 26 generator generates a signal to the corresponding logical element I 17 or 18. So, in the nominal operation mode of the device, the signal about the polarity of the load current i _n passes through the current sensor 25 (Fig. 2, a, b) to the second input of the type generator curve 26, the first input of which receives pulses from the third pulse shaper 16. The pulses at the output of the third pulse shaper 16 are formed when the output DC voltage u _o , inversely proportional to the output voltage of phase A of the asynchronous generator, from d voltage selector 24 will be equal to the voltage u _GPN from the sawtooth voltage generator 23 (Fig. 2, c, d). In this case, the operation of the sawtooth voltage generator 23 is synchronized with the polarity of the load current i _n (Fig.2, a, c). A curve type generator 26 provides a signal to the AND gate 17 when the load current has positive polarity, and to the AND gate 18 when the load current is negative polarity. Moreover, the signals from the type of curve 26 generator are supplied at the time of pulse formation at the output of the pulse shaper 16. As a result, the type of curve 26 generator determines the time sections on which the positive u _pt and negative u voltage curves _{of the} types should be formed (Fig. 2, e, e). From the outputs of the logic elements AND 17 or 18, through the corresponding pulse distributors 19 or 20 and pulse amplifiers 21 or 22, the control signals are fed to the power switches of the frequency converter with an adjustable input phase angle, at the output of which voltage curves of positive or negative types are formed.

Если, например, напряжение на выводах 7 увеличится (фиг.1), уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения 24 (фиг.2, в, пунктирная прямая). Произойдет смещение участков, формирующих кривые напряжений положительного и отрицательного типов (фиг.2, д, е, участки показаны пунктирным импульсом). Время формирования кривой напряжения положительного типа при положительной полярности тока нагрузки увеличится от t₁ до t₂ (фиг.2, а, д), а значит угол опережения входного тока преобразователя частоты относительного фазного напряжения уменьшится, что приведет к уменьшению напряжения на выводах асинхронного генератора и выводах 7 соответственно.If, for example, the voltage at the terminals 7 increases (FIG. 1), the voltage at the output of the voltage divider 24 decreases (FIG. 2, c, dashed line). There will be a shift of the sections forming the voltage curves of the positive and negative types (Fig.2, d, e, the sections are shown by a dashed pulse). The formation time of the positive type voltage curve with a positive polarity of the load current will increase from t ₁ to t ₂ (Fig. 2, a, d), and therefore the lead angle of the input current of the frequency converter of the relative phase voltage will decrease, which will lead to a decrease in the voltage at the terminals of the asynchronous generator and conclusions 7, respectively.

Использование преобразователя частоты с регулируемым входным углом сдвига фаз выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как совместная работа асинхронного генератора с преобразователем частоты с регулируемым углом сдвига фаз позволяет исключить дополнительные конденсаторы возбуждения генератора, используемые для компенсации реактивной мощности нагрузки, а значит уменьшить их массу и габариты, кроме того, улучшаются регулировочные свойства устройства в несимметричных режимах работы и обеспечивается возможность регулирования частоты напряжения генератора. The use of a frequency converter with an adjustable input phase angle favorably distinguishes the proposed device from the known one, since the combined operation of an asynchronous generator with a frequency converter with an adjustable phase angle makes it possible to exclude additional generator excitation capacitors used to compensate for the reactive power of the load, and therefore reduce their mass and dimensions, in addition, improves the adjusting properties of the device in asymmetric operating modes and provides the opportunity regulating the frequency of the generator voltage.

Claims

A device for stabilizing the frequency and voltage of an asynchronous generator, containing excitation capacitors, a master oscillator, characterized in that it contains a frequency converter with an adjustable input phase angle, an output filter, a unit of current transformers, voltage transformers, a cosine synchronization unit, a frequency generator, a frequency controller and three blocks for generating control signals, the input of a frequency converter with an adjustable input phase angle being connected to the terminals of the asynchronous gene a rotor, to which excitation capacitors and inputs of the cosine synchronization block are connected, the outputs of which are connected to the first inputs of the control signal generation blocks, the outputs of which are connected to the control inputs of the frequency converter with an adjustable input phase angle, the input filter output is connected to the output of the frequency converter with an adjustable the input angle of the phase shift, and the output through the block of current transformers is connected to the terminals for connecting the load, to which the transformer inputs are also connected voltage, and its outputs and outputs of the block of current transformers are connected to the third and fourth inputs of the control signal generation blocks, each of which contains the first, second and third pulse shapers, the first and second logical elements And, the first and second pulse distributors, the first and second pulse amplifiers, sawtooth voltage generator, voltage divider, current sensor and curve type generator, the first inputs of the first and second pulse shapers are the first inputs of the block in the formation of control signals, and their second inputs are the second inputs of the control signal generation blocks, which are connected to the output of the master oscillator, which is connected to the frequency regulator, the input of the voltage divider is the third input of the control signal generation blocks, and their fourth input is the input of the current sensor and a sawtooth voltage generator, the output of which is connected to the first input of the third pulse shaper, the second input of which is connected to the output of the voltage divider, the third output its pulse shaper is connected to the first input of the curve type generator, the second input of which is connected to the output of the current sensor, the two outputs of the curve type generator are connected to the second inputs of the first and second logic elements And, accordingly, the first inputs of which are connected to the outputs of the first and second pulse shapers, the outputs of the first and second logic elements And through the corresponding first and second pulse distributors, the first and second pulse amplifiers are connected to the control inputs of the Frequency browser with adjustable input phase angle.