Способ регулирования напряжения генератора мобильной электростанции
METHOD FOR REGULATING VOLTAGE OF GENERATOR OF MOBILE POWER PLANT

Заявленные технические решения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к области автоматического регулирования напряжения генераторов и могут быть использованы в электропитании объектов, в частности в мобильных электростанциях для компенсации отклонения напряжения генератора во время переходных процессов в режиме непериодического включения нагрузки.
Известен способ регулирования напряжения синхронного генератора, в котором регулирование во время переходного процесса осуществляется путем формирования напряжения форсировки с опережением момента коммутации нагрузки (Ю.П. Васильев, Ю.И. Максимов, В.А, Михайлов и др., Патент СССР №385383, МПК Н02Р 9/14, опубл. 29.05.1973, бюл. №25). Недостатком данного способа регулирования напряжения является существенное усложнение системы управления напряжением генератора, а также непостоянное соответствие напряжения форсировки подключаемой нагрузке.
Известен способ автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности электростанции, в котором с целью стабилизации напряжения у потребителя при изменении нагрузки, уставки регуляторов возбуждения генератора автоматически изменяют пропорционально потребляемой мощности. Недостатком данного способа регулирования напряжения является отсутствие возможности плавного регулирования напряжения генератора пропорционально потребляемой мощности. (А.Г. Москалев, Патент СССР №143893, опубл. 06.02.1962 г., бюл. №1).
Известен способ регулирования напряжения в электрической сети, в котором с целью повышения эффективности регулирования путем предотвращения недопустимого повышения уровня напряжения при любых изменениях входных токов, контролируют напряжение токовой компенсации, сравнивают его с заданным пределом и при достижении этого предела поддерживают его на максимально допустимом уровне. (В.М. Слодарж, Патент СССР № SU 1473003, МПК H02J 3/12, опубл. 15.04.1989, бюл. №14). Недостатком данного способа регулирования напряжения является возможность использования только в стационарных сетях с большими значениями мощности, а также необходимость применения силового автотрансформатора.
Общими недостатками вышеуказанных способов являются:
1. недостаточный уровень регулирования выходного напряжения при изменении нагрузки;
2. критические изменения параметров качества электроэнергии.
Устранение указанных недостатков позволит обеспечить стабильную работу приемников электрической энергии при изменении нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу (прототипом), является устройство для автоматического регулирования частоты и активной мощности (В.А. Бабушкин, М.Я. Каплан Патент СССР № SU 1007174, МПК Н02Р 9/04, H02J 3/46 опубл. 23.03.83, бюл. №11), в котором регулирование частоты и активной мощности осуществляется путем воздействия на исполнительное устройство импульсами заданной длительности со скважностью, пропорциональной отклонению частоты от заданной характеристики.
Устройство - прототип работает следующим образом.
Формируется импульс τ, длительность которого пропорциональна величине активной мощности. Сформированный таким образом импульс τ вместе с входным импульсом T/2 поступает на схему совпадения, на выходе которой формируется импульс длительностью T/2 - τ (из входного импульса T/2 вырезается τ).
В момент достижения заданного количества импульсов, которое вместе с частотой дополнительного генератора определяют крутизну зависимости регулирующего воздействия на исполнительное устройство, например, электродвигатель, от величины разности частот, соответствующий счетчик формирует импульс, который расширяется в расширителе импульсов до оптимальной для управления исполнительным электродвигателем величины. Этот импульс поступает на исполнительное устройство, осуществляющее подгонку частоты в соответствующую сторону.
Недостатком указанного прототипа является малая точность регулирования, а также отсутствие регулирования при изменении реактивной составляющей мощности.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявляемого способа регулирования выходного напряжения генератора электростанции, является обеспечение автоматического регулирования выходного напряжения независимо от динамики изменения нагрузки и ее характера.
В заявленном способе указанный технический результат достигается тем, что регулирование выходного напряжения генератора электростанции осуществляется путем сравнения среднего значения напряжения последовательности импульсов, соответствующих текущему значению напряжения генератора за интервал времени [0; 2π] с заданным уровнем постоянного напряжения, пропорционального номинальному значению выходного напряжения генератора.
ВД
Для этого задается уровень постоянного напряжения, пропорциональный номинальному значению напряжения генератора, а также определяется длительность управляющих импульсов, соответствующих текущему значению напряжения на выходе генератора в интервале времени [0; 2π]. Длительность управляющих импульсов определяется интервалами, на которых амплитуда синусоидального напряжения (напряжения сети) больше амплитуды опорных треугольных импульсов. Частота следования опорных треугольных импульсов определяется теоремой Котельникова (должно обеспечиваться выполнение условия, при котором частота дискретизации должна быть хотя бы в 2 раза выше, чем частота самого сигнала (синусоиды)). Применительно к текущей задаче, наиболее эффективным значением частоты следования треугольных импульсов (дискретизации) является 100 Гц. Данное значение выбрано не случайно, т.к. оно, с одной стороны, отвечает требованиям теоремы Котельникова, а, с другой стороны, является «проходным» для обмоток возбуждения генератора и не создает предпосылок для возникновения паразитной амплитудной модуляции. Уровень напряжения полученных прямоугольных импульсов задается одинаковым и стабильным для всего времени работы. Полученное интегральное значение длительности управляющих импульсов за заданный интервал времени сравнивается с заданным уровнем постоянного напряжения, пропорционального номинальному значению выходного напряжения генератора. В случае снижения напряжения на выходе генератора, в систему возбуждения генератора подается напряжение вольтодобавки +U, необходимое для повышения напряжения на выходе генератора до значения, при котором будет выполнено условие равенства среднего значения длительности управляющих импульсов с заданным уровнем постоянного напряжения, пропорционального номинальному значению выходного напряжения генератора.
ВД
Аналогичный алгоритм реализуется при снижении нагрузки. В этом случае в систему возбуждения генератора подается напряжение вольтодобавки -U.
При работе регулятора необходимо выполнение следующего условия: амплитуда опорных треугольных импульсов должна находиться в пределах изменения напряжения нагрузки (трансформированного, или полученного с делителя).
Благодаря новой совокупности существенных признаков способа регулирования выходного напряжения генератора электростанции и введенной последовательности действий, основанной на сравнении среднего значения импульсов, соответствующих текущему значению напряжения генератора за интервал времени [0; 2π] с заданным уровнем постоянного напряжения, пропорционального номинальному значению выходного напряжения генератора, обеспечивается стабильная работа приемников электрической энергии при воздействии переходных процессов нагрузки.
Сущность предлагаемого способа регулирования напряжения генератора электростанции состоит в том, что регулирование осуществляется путем подачи на систему возбуждения генератора напряжения вольтодобавки, полученного в результате сравнения среднего значения напряжения импульсов, соответствующих текущему значению напряжения генератора за интервал времени [0; 2π] с заданным уровнем постоянного напряжения, пропорционального номинальному значению выходного напряжения генератора.
Заявленный способ регулирования напряжения генератора мобильной электростанции поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1а - временные диаграммы опорного сигнала треугольной формы и синусоидального напряжения сети генератора (номинального и текущего);
на фиг. 1б - уровень постоянного напряжения, пропорционального номинальному значению выходного напряжения генератора;
на фиг. 1в - прямоугольные управляющие импульсы, соответствующие текущему значению сети генератора;
на фиг. 2 - структурная схема для реализации способа. Соответствующими номерами обозначены следующие блоки:
1 - синусоида, соответствующая текущему значению напряжения нагрузки (трансформированного, или полученного с делителя);
2 - генератор опорных треугольных импульсов;
3 - устройство сравнения значений уровня напряжений опорных треугольных импульсов и синусоиды, соответствующей текущему значению напряжения нагрузки;
4 - формирователь импульсов, соответствующих текущему значению напряжения на выходе генератора в интервале времени [0; 2π];
5 - формирователь среднего значения (интегратор);
6 - формирователь уровня постоянного напряжения, соответствующего номинальному значению выходного напряжения генератора;
7 - устройство сравнения среднего значения длительности импульсов, соответствующих текущему значению напряжения на выходе генератора с постоянным напряжением, соответствующим номинальному значению выходного напряжения генератора;
ВД
8 - формирователь напряжения вольтодобавки +U;
ВД
9 - формирователь напряжения вольтодобавки -U;
10 - обмотка возбуждения;
11 - генератор;
12 - линия обратной связи.
ВД
ВД
Специфика реализации способа регулирования выходного напряжения генератора электростанции такова, что с целью осуществления регулирования реализуется следующая последовательность действий: задают уровень постоянного напряжения, соответствующий номинальному значению напряжения генератора (задатчик уровня 6), а также определяют длительность управляющих импульсов, соответствующих текущему значению напряжения на выходе генератора в заданном интервале времени [0; 2π] (формирователь импульсов 4). Длительность управляющих импульсов определяется интервалами, на которых амплитуда синусоидального напряжения 1 (напряжения сети) больше амплитуды опорных треугольных импульсов 2 (устройство сравнения 3). Уровень напряжения полученных прямоугольных импульсов задается одинаковым и стабильным для всего времени работы. Полученное интегральное значение длительности управляющих импульсов (формирователь среднего значения 5) за заданный интервал времени сравнивается с уровнем постоянного напряжения, соответствующим номинальному значению напряжения генератора (устройство сравнения 7). В случае уменьшения напряжения на выходе генератора, в обмотку возбуждения генератора 10 подается напряжение вольтодобавки +U (формирователь +U 8), необходимое для повышения напряжения на выходе генератора до значения, при котором будет выполнено условие равенства среднего значения длительности управляющих импульсов с заданным уровнем постоянного напряжения, пропорционального номинальному значению выходного напряжения генератора. Также, для дополнительной стабилизации напряжения генератора 11 и подачи управляющих воздействий введена обратная связь 12.
ВД
ВД
Аналогичный алгоритм реализуется при снижении нагрузки. В этом случае в систему возбуждения генератора подается напряжение вольтодобавки -U (формирователь -U 9).
Таким образом, заявляемый способ регулирования напряжения генератора электростанции обладает существенным положительным эффектом, позволяющим осуществлять автоматическое регулирование выходного напряжения независимо от характера нагрузки и динамики изменения ее параметров, и, соответственно, обеспечить стабильную работу приемников электрической энергии при воздействии переходных процессов нагрузки.
Литература
1. Веселовский А.П., Будко П.А., Бурьянов О.Н., Винограденко A.M. Особенности систем управления вентильных преобразователей // Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях: тезисы докладов II межвузовской НПК (Санкт-Петербург, Военная академия связи, 2017 г.). Санкт-Петербург. 2017. С. 150-154.
2. Веселовский А.П., Будко П.А., Винограденко A.M., Косарева Л.И. Регулирование напряжения в преобразователях высокочастотными импульсами с изменяющейся скважностью // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. №8 (19). С. 516-522.
3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: ACADEMA, 2006. - 265 с: ил.
1 - синусоида, соответствующая текущему значению напряжения нагрузки (трансформированного, или полученного с делителя);
2 - генератор опорных треугольных импульсов;
3 - устройство сравнения значений уровня напряжений опорных треугольных импульсов и синусоиды, соответствующей текущему значению напряжения нагрузки;
4 - формирователь импульсов, соответствующих текущему значению напряжения на выходе генератора в интервале времени [0; 2π];
5 - формирователь среднего значения (интегратор);
6 - формирователь уровня постоянного напряжения, соответствующего номинальному значению выходного напряжения генератора;
7 - устройство сравнения среднего значения длительности импульсов, соответствующих текущему значению напряжения на выходе генератора с постоянным напряжением, соответствующим номинальному значению выходного напряжения генератора;
ВД
8 - формирователь напряжения вольтодобавки +U;
ВД
9 - формирователь напряжения вольтодобавки -U;
10 - обмотка возбуждения;
11 - генератор;
12 - линия обратной связи.