RU2580843C2

RU2580843C2 - Device for obtaining frequency adjusted voltage at output of multiphase ac generator with constant rotation frequency of shaft

Info

Publication number: RU2580843C2
Application number: RU2013150302/07A
Authority: RU
Inventors: Георгий Михайлович Свиридов; Дмитрий Борисович Горелов; Федор Владимирович Скворцов; Александр Александрович Павлов
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2016-04-10
Also published as: RU2013150302A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, particularly to electric power generation systems with adjusted frequency and voltage at constant RPM. Device for producing voltage of adjustable frequency at output of multiphase AC generator with constant shaft rotation frequency includes three synchronous AC generators, combined with common drive, main stator three-phase windings thereof are connected in three branches so that in each branch three opposite phase windings are connected in series, while origins of branches form three-phase power output with controlled frequency voltage, and ends of branches are Y (star) connected.

EFFECT: technical result consists in reduction of weight and overall dimensions, higher reliability.

1 cl, 6 dwg

Description

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.The invention relates to the field of electrical engineering and relates to the issues of purposeful and rational conversion of electric energy parameters - frequency and voltage. It can be advantageously used to power various electrical loads with voltage of varying frequency and amplitude.

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.In the practice of shipbuilding, it is required to provide a load such as, for example, a propeller electric motor with three-phase voltage of a variable frequency, and at the same time, ship power consumers must be supplied with a three-phase voltage with a constant frequency of 50 Hz. The temporary form of stress in both cases should be close to sinusoidal.

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.The most suitable in technical essence to the achieved results is a device for converting the frequency of an alternating current generator (RF, priority information for the invention No. 2012122346 dated 05/31/2012) - a prototype. It allows receiving at its one output a three-phase voltage with a given, controlled frequency and good quality of electric power and a three-phase voltage of constant industrial frequency for supplying ship consumers at the other output from three alternating current generators, driven by a single mechanical drive.

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.However, this device has a significant drawback - to obtain a voltage of controlled frequency it is required to use three powerful semiconductor cycloconverters, which reduces its reliability, and also significantly increases its size and cost.

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.The objective of the invention is to provide a device for converting the frequency of an alternating current generator that provides power to ship consumers from an industrial frequency voltage from one output and has an additional power output to supply loads of good quality voltage with adjustable frequency and amplitude without using powerful semiconductor static converters.

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".This is achieved by the fact that in the known device for converting the frequency of the voltage of an alternating current generator (prototype), it is proposed to include the main three-phase windings of the SGPT stators in three branches so that three unlike phase windings of all SGPTs are connected in series to each branch, then the branches begin to form a three-phase power output with voltage of adjustable frequency, and combine the ends of the branches, forming a connection of the branches in a "star".

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.The indicated circuit for switching on the main windings of SSPT stators in three branches allows obtaining the total adjustable voltage with specified variable frequency and amplitude, as well as from another output - voltage with constant frequency and amplitude for supplying general ship consumers with the possibility of independent regulation of the voltage value at each output of the device. The drive shaft SGPT while rotating at a constant speed. Variable frequency voltage is obtained by vector addition of all three phase voltages in each branch without the use of cycloconverters.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, графиками и рисунками, представленными на фиг. 1÷6).The essence of the invention is illustrated by the diagram, graphs and drawings shown in FIG. 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".A device for obtaining a variable frequency voltage at the output of a multiphase alternating current generator with a constant shaft rotation frequency (see the block diagram in Fig. 1) contains three SGPTs 1, 2, 3, which are mechanically connected along the shaft so that the voltage of the same phases of the generators are in phase . The main windings of stators 4, 5, 6 are phase-wise connected in three branches so that each opposite branch includes three unlike phase windings of three synchronous alternators (1st branch - A ₁ , B ₂ , C ₃ ; 2nd branch - A ₂ , B ₃ , C ₁ 3rd branch - A ₃ , B ₁ , C ₂ ). The beginnings of the branches form a power three-phase output with a voltage of adjustable frequency, and the ends of the branches are combined, forming a connection of the branches into a "star".

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.The main excitation windings 7, 8, 9 of synchronous alternators 1, 2, 3 are connected in a "star" and connected to the outputs of the control three-phase sinusoidal voltage generator (UTGN) 10, the frequency control unit 11 is connected to the first input, and the amplitude control unit 12 is connected to the second input of the UTGN.

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.The phases of the same three-phase additional windings 13, 14, 15 of the stator of each SGNT 1, 2, 3 are connected in series and connected to ship consumers receiving voltage of 3 × 380 V constant frequency of 50 Hz. Additional field windings 16, 17, 18 of all three GHSNs 1, 2, 3 are combined into an open triangle circuit and connected to a regulated constant voltage source 19, the input of which is connected to an additional constant voltage amplitude adjuster 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.The first output of the device 21 is connected to ship-wide consumers with a voltage of 3 × 380 V at a constant frequency of 50 Hz, and the second output 22 is connected to consumers with variable frequency and voltage parameters.

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 U_y и промодулированного напряжения U_мод фаз статора приведены на фиг. 2.The device operates as follows (Fig. 1). GGPT 1, 2, 3 are driven by a common drive and generate voltages with the same frequency corresponding to the speed of rotation, and modulated in amplitude, since the main excitation windings 7, 8, 9 of the generators 1, 2, 3 are connected to the outputs of the UTGN with a given variable frequency f ₂ in a certain range. In this case, the phase voltage across the stator windings 4, 5, 6, 13, 14, 15 of the generators 1, 2, 3 is modulated in amplitude by a sinusoidal voltage with a frequency with a modulation factor of 100%. Graphical dependences of the voltage on the main field winding U _y and the modulated voltage U _mode of the stator phases are shown in FIG. 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.The opposite phases of the main three-phase windings 4, 5, 6 in the stators of the generators 1, 2, 3 are connected in phase in series to three branches, the beginnings of which are connected in a "star", and the ends are connected to a load at which a voltage is formed with variable parameters of value and frequency.

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.The connection diagram of the windings is shown in FIG. 3a. A phase-by-phase serial connection allows summing the voltages of the opposite phases of all three SGPTs 1, 2, 3 and isolating the voltage with a frequency equal to the sum f ₁ + f ₂ or the frequency difference f ₁ -f ₂ as a result of summing. The result of the total or difference selection depends on the phase sequence of the outputs of the UTGN when connected to the field windings 7, 8, 9 or the phase sequence when the main stator windings of the generators 4, 5, 6 are connected in series.

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.The frequency adjuster is connected to the first input of the UTGN and its setting affects its output frequency, and therefore the entire device as a whole. The amplitude adjuster is connected to the second input of the UTGN. With it, you can change the magnitude of the output voltage, and hence the amplitude of the excitation, thus affecting the output voltage with a variable frequency in the load.

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.The same phases of the additional three-phase windings 13, 14, 15 in the stators of the СГНТ 1, 2, 3 are connected in phase in series to three branches, the ends of which are connected in a "star", and the beginning is connected to a load of 3 × 380 V, 50 Hz (Fig. 36) . Serial connection allows the summation of the voltages of the phases of the same name of all three GHSNs 1, 2, 3. The output voltage at the ends of the branches is unmodulated and has a constant frequency f ₁ equal to 50 Hz.

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.The phase voltage of each GHS 1, 2, 3 is the amplitude modulated voltage (Fig. 2). This voltage is usually represented as the vector sum of three vectors (Fig. 4) - the vector of the carrier frequency voltage f ₁ (a, b, c) rotating around the point “o” with an angular frequency ω ₁ equal to 2πf ₁ and two voltage vectors of side frequencies 23, 24 with a module equal to half the module of the vector of the carrier frequency, rotating in opposite directions around the end of the voltage vector of the carrier frequency "o ₁ " with a frequency Ω equal to 2πf ₂ , where f ₂ is the modulation frequency.

Угловая частота вращения каждого вектора характеризует частоту, а угол поворота - фазу соответствующего напряжения.The angular frequency of rotation of each vector characterizes the frequency, and the angle of rotation is the phase of the corresponding voltage.

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.Since the directions of rotation of the vectors of the voltage of the carrier frequency and the voltage of the side 23 in the direction coincide, the frequency of the voltage of the side 23 is equal to the sum of f ₁ + f ₂ , and the frequency of the voltage of the side 24 is equal to the frequency difference f ₁ -f ₂ .

На фиг. 4 в векторной форме изображены фазные напряжения всех трех СГПТ 1, 2, 3.In FIG. 4, the phase voltages of all three SGPTs 1, 2, 3 are shown in vector form.

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.In FIG. 5 in a vector form the phase voltages of the SGBP 1, 2, 3 are shown, which are included in one of the series-connected branches of the main windings of the generators to obtain a voltage of variable frequency. The results of summing these voltages are shown in FIG. 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.It is seen that the summation of the stress vectors of the opposite phases with a frequency of ω ₁ leads to mutual compensation of stresses with this frequency, since in the three-phase system the vectors a, ¹ , c ¹¹ are phase shifted by 120 electrical degrees and are equal in magnitude. The same applies to the voltage component of the side frequencies 23, 23 ¹ , 23 ¹¹ .

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.At the same time, the components with a lateral frequency of 24, 24 ¹ , 24 ^{11 are in} phase and the absolute value of the vector is tripled. Thus, a voltage is allocated at the ends of the branch whose frequency is equal to the frequency difference: the carrier (determined by the rotation frequency of the SHPT shaft 1, 2, 3 and the number of their pole pairs) and the modulation frequency changed by the frequency setter.

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.The amplitude of the excitation voltage acting on the output of the UTGN and applied to the main excitation windings 7, 8, 9 determines the amplitude of the side frequencies in the spectrum of the output voltage of the SGNT 1, 2, 3, and therefore the output voltage of the allocated lower side frequency 24 + 24 ¹ +24 ¹¹ , acting at the output with variable frequency and voltage of the device.

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.The introduction of additional field windings 16, 17, 18, fed by direct current from a source of adjustable constant voltage 19, allows you to change the amplitude of only the output voltage with a frequency of 50 Hz, as in the prototype.

При нулевом постоянном токе возбуждения в дополнительных обмотках возбуждения 16, 17, 18 напряжение с частотой 50 Гц в спектре выходного напряжения СГПТ отсутствует.At zero direct current excitation in the additional field windings 16, 17, 18 voltage with a frequency of 50 Hz in the spectrum of the output voltage of the SGBP is absent.

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.Additional field windings are stacked in the same rotor slots as the main field windings. However, the “open triangle” switching circuit allows them to obtain at the point of connection of a controlled constant voltage source a zero level of alternating voltage induced from the current of the main excitation windings.

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.Thus, the phase-by-phase serial connection of the opposite phases of the GGPT in three branches makes it possible to isolate at the ends of these branches the total frequency f ₁ + f ₂ or the frequency difference f ₁ -f ₂ voltage. The voltages on each branch will be shifted in phase relative to each other by 120 °, forming a three-phase voltage system. This leads to the possibility of selection from a synchronous alternator of three-phase voltage with variable frequency and amplitude.

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.The proposed device, like the prototype, simultaneously produces a three-phase voltage at a constant frequency output. The temporary form of voltage at both power outputs is almost sinusoidal. The presence of two voltage amplitude adjusters allows you to independently adjust it at each power output of the device.

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.Unlike the prototype, the proposed device does not require the use of three powerful semiconductor static converters of electric energy parameters, which sharply reduces the overall dimensions of the device, respectively, its cost and increases reliability during operation.

Физическая модель предложенного устройства мощностью 10 кВт при испытаниях показала полное совпадение выходных параметров напряжений с обоих выходов с расчетными величинами.The physical model of the proposed device with a power of 10 kW during testing showed a complete coincidence of the output voltage parameters from both outputs with the calculated values.

Claims

A device for obtaining a frequency-controlled voltage at the output of a multiphase alternating current generator with a constant rotational speed of the shaft, containing three synchronous multiphase, for example three-phase, alternating current generators having a common drive, ensuring the frequency and amplitude coincidence of the common-mode output voltages of all three synchronous alternating current generators with main and additional three-phase windings of stators and main and additional excitation windings of rotors, as well as the control three-phase a sinusoidal voltage generator, a frequency master and a first amplitude master, an adjustable constant voltage source with an additional amplitude master, and the main excitation windings of all synchronous alternating current generators are connected to a “star” and connected to the outputs of a three-phase sinusoidal voltage generator, the output of a frequency master is connected to the first input, and the output of the first amplitude adjuster is connected to the second input of the control three-phase sinusoidal generator voltages, additional field windings in the rotor of each synchronous alternator are combined into an “open triangle” circuit, to the input ends of which is connected a regulated constant voltage source, the input of which is connected to an additional amplitude adjuster, and the additional three-phase windings of the same stators of all synchronous alternators are connected sequentially in three branches, combined into a “star” and forming a three-phase output with a stable voltage frequency and amplitude This is characterized by the fact that the main three-phase windings of the stators of synchronous alternators are included in three branches so that three unlike three-phase windings of three synchronous alternators are connected in series to each branch, the beginning of the branches form a three-phase power output with an adjustable frequency voltage, and the ends of the branches are united in a “star".