Устройство гашения магнитного поля синхронной машины

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для быстрого выведения энергии, запасенной в обмотке возбуждения синхронной машины и может быть использовано для гашения магнитного поля синхронных генераторов и двигателей.
Известны ряд технических решений по гашению магнитного поля синхронной машины, описанных в научно-технической литературе [Брон О.Б. Автоматы гашения магнитного поля. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 138 с.- (Библиотека по автоматике. Вып. 34)], и патентах [СН 403046 А1 от 15.06.1966, ЕР 2063524 А1 от 27.05.2009, RU 134373 C1 от 05.06.2013].
Недостатками этих устройств являются: высокая дуговая нагрузка на контактную систему коммутационного аппарата, сложность конструкции и высокая стоимость.
В устройстве по патенту RU 2488940 C1 от 03.04.2012 решена проблема снижения дуговой нагрузки на контактную систему, но время гашения магнитного поля, как и в устройстве [Авторское свидетельство СССР №235150, 1968 г.], значительно больше, чем для предыдущих изобретений. Кроме этого, устройство по патенту RU 2488940 C1 от 03.04.2012 может привести к аварии при пробое ключа короткозамыкателя.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, описанное в патенте RU 2282925 С1 от 19.04.2005 (прототип). Устройство состоит из включенных последовательно обмотки возбуждения синхронной машины и тиристорного возбудителя между выводом «-» которого и выводом обмотки возбуждения включен коммутационный аппарат. Параллельно выводам обмотки возбуждения подключены: короткозамыкатель, последовательно соединенные тиристорный коммутатор и разделенный на части резистор. Части резистора шунтируются тиристорными замыкателями. Тиристорные замыкатели и короткозамыкатель управляются блоком логики, измеряющим напряжение на выводах обмотки возбуждения. При поступлении команды на гашение поля сначала отключается коммутационный аппарат. После его отключения, когда напряжение на выводах обмотки сменит знак, блок логики измеряет это напряжение, сравнивает его величину с максимальной уставкой и на основе этого включает тиристорные замыкатели, шунтирующие части резистора, подключенного параллельно обмотке, тем самым снижая напряжение. При снижении напряжения ниже минимальной уставки блоком логики включается короткозамыкатель, шунтирующий обмотку возбуждения. Тиристоры замыкателей отключаются. После отключения короткозамыкателя блок логики снова включает необходимое число замыкателей для поддержания напряжения в заданных пределах.
Прототип обладает следующими недостатками:
- не принято никаких мер по сокращению времени горения дуги в коммутационном аппарате;
- при отказе блока логики ни один из замыкателей не включается и обмотка возбуждения не шунтируется, что приводит к появлению недопустимых перенапряжений и повреждению изоляции генератора;
- при отказе типа «обрыв» в цепи «тиристорный коммутатор - резисторы» обмотка возбуждения не шунтируется, что приводит к появлению недопустимых перенапряжений и повреждению изоляции генератора;
- при пробое короткозамыкателя в цепи постоянного тока образуется устойчивое короткое замыкание;
- устройство не защищает от импульсных перенапряжений, так как время реакции на перенапряжение определяется выполнением множества операций блока логики и импульсной характеристикой датчика напряжения.
Технической задачей полезной модели является снижение времени гашения поля синхронной машины за счет ограничения напряжения на выводах обмотки возбуждения устройством, сопротивление которого изменяется ступенчато поддерживая напряжение на выводах обмотки возбуждения в заданных пределах.
Техническая задача решается за счет того, что устройство гашения магнитного поля обмотки возбуждения синхронной машины, содержащее коммутационный аппарат, включенный последовательно с обмоткой возбуждения и тиристорным возбудителем, и подключенную параллельно обмотке возбуждения, цепь защиты от перенапряжений, состоящую из последовательно включенных активного сопротивления и коммутатора, содержащего тиристорный разрядник из двух параллельных встречно включенных тиристоров и включенных параллельно разряднику контактов контактора, согласно полезной модели, параллельно выводам обмотки возбуждения дополнительно подключено устройство, состоящее из параллельно включенных цепей: цепи короткозамыкателя, состоящей из последовательно включенных полупроводникового защитного диода, подключенного катодом к положительной шине обмотки возбуждения, трех цепей гашения, состоящих из последовательно включенных резисторов с линейным сопротивлением, параллельно которым включен конденсатор, и одно операционного тиристора, подключенного анодом к отрицательной шине обмотки возбуждения, между управляющим электродом, анодом и катодом которого включено пороговое устройство. Кроме того, устройство отличается тем, что содержит более трех цепей гашения.
Устройство полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема устройства, на фиг. 2 показан графики изменения напряжения и тока обмотки возбуждения при гашении поля, на фиг. 3 показан график изменения напряжения на выводах обмотки напряжения, поясняющий процессы включения и отключения одно операционных тиристоров в гасящих цепях.
Устройство состоит (фиг. 1) из последовательно включенных тиристорного возбудителя (преобразователя) 1, быстродействующего коммутационного аппарата 2 и обмотки возбуждения 3 синхронного генератора, параллельно выводам которой подключены: цепь защиты от перенапряжений, состоящая из последовательно включенных резистора самосинхронизации 4 и тиристорного разрядника 5, шунтируемого контактами контактора самосинхронизации 6; цепи короткозамыкателя, состоящей из последовательно включенных быстродействующего короткозамыкателя 7, подключенного одним выводом к отрицательной шине обмотки возбуждения и управляемого устройством управления 8, и защитного диода 9 подключенного катодом к положительной шине обмотки возбуждения; не менее трех цепей гашения (№1, 2, 3), состоящих из последовательно включенных резистора 10 (в цепи №2, соответственно, - 11, в цепи №3 - 12) с параллельным ему конденсатором 13 (для цепей №2 и №3 -14, 15), и тиристора 16 (соответственно в цепях №2 и №3 - 17, 18), подключенного анодом к отрицательной шине обмотки возбуждения, между управляющим электродом, анодом и катодом которого включено пороговое устройство 19 (для тиристоров цепей №2 и №3 - 20, 21).
Устройство гашения магнитного поля работает следующим образом.
0
ƒ
ƒ
1
2
2
1
3
2
4
ƒ3
MAX
5
При поступлении команды на гашение поля от внешних устройств защиты генератора или органов управления оператором одновременно выдаются сигналы на: перевод тиристорного возбудителя 1 (фиг. 1) в режим инвертирования, отключение коммутационного аппарата 2 и включение ключа короткозамыкателя 7, управляемого устройством управления 8, что соответствует моменту времени t на фиг. 2. При смене знака напряжения u(t) на выводах обмотки возбуждения 3 за счет перевода тиристорного возбудителя 1 в режим инвертирования или зажигания дуги в коммутационном аппарате 2 открывается диод 9 и ток обмотки возбуждения i(t) замыкается через цепь короткозамыкателя (момент времени t на фиг. 2). За счет того, что постоянная времени цепей тиристорного возбудителя 1 на три-четыре порядка меньше таковой для обмотки возбуждения 3, дуга в коммутационном аппарате 2 гаснет быстро. После отключения коммутационного аппарата 2 устройство управления 8 отключает ключ короткозамыкателя 7 (момент времени t на фиг. 2 и t на фиг. 3, где этот момент показан подробнее). Напряжение на выводах обмотки возбуждения 3 начинает возрастать. При достижении напряжением величины уставки U (см. фиг. 2 и фиг. 3) порогового устройства 19 первой гасящей цепи, заданной его настройками, оно срабатывает и включает тиристор 16 (момент времени t на фиг. 2 и фиг. 3). Обмотка возбуждения 3 шунтируется резистором 10 первой гасящей цепи. Напряжение на выводах обмотки возбуждения 3 скачкообразно уменьшается, но продолжает возрастать. При достижении напряжением величины U уставки порогового устройства 20 второй гасящей цепи, заданной его настройками, оно включает тиристор 17 (момент времени t на фиг. 2 и фиг. 3) и обмотка возбуждения шунтируется параллельно включенными резисторами 10 и 11 первой и второй гасящих цепей. Процесс включения тиристоров гасящих цепей продолжается до тех пор, пока величина напряжения на выводах обмотки возбуждения перестанет достигать уставок (U и т.д.) пороговых устройств (элементы 19, 20, и 21) следующих ступеней и ограничится на заданной величине U (момент времени t на фиг. 2 и фиг. 3).
SW
6
ON
7
8
9
10
11
12
Через интервал времени (Δt на фиг. 2 и фиг. 3) устройство управления 8 включает ключ короткозамыкателя 7 (момент времени t на фиг. 2 и фиг. 3). Обмотка возбуждения 3 шунтируется на время At (фиг. 2 и фиг. 3) цепью короткозамыкателя (элементы 7 и 9) и напряжение на ее выводах становится близким к нулю. За счет заряженных конденсаторов 13, 14, 15 отключаются тиристоры 16, 17, 18 гасящих цепей. Далее, устройством управления 8 отключается ключ 7 короткозамыкателя (момент времени t на фиг. 2 и фиг. 3) и процесс включения тиристоров гасящих цепей повторяется, но с тем отличием, что ток обмотки возбуждения меньше, чем в предыдущий момент отключения ключа короткозамыкателя 7, и количество включенных гасящих цепей будет меньше для поддержания той же величины напряжения. Моменты включения ключа короткозамыкателя 7 повторяются несколько раз за все время гашения поля (t, t, t, t на фиг. 2) до тех пор, пока гарантированно не будет погашено поле и в работе не остается одна гасящая цепь. Тогда (момент времени t на фиг. 2) включается контактор самосинхронизации 6, шунтирующий обмотку возбуждения на резистор самосинхронизации 4. При возникновении недопустимых перенапряжений срабатывает тиристорный разрядник 5 и обмотка шунтируется резистором самосинхронизации 4 независимо от режима работы остальных частей устройства.
MAX
1
2
3
Так как время гашения поля зависит от среднего значения напряжения на выводах обмотки возбуждения, задаваемого, в том числе, разницей между величиной U и значениями уставок U, U и U, то количество гасящий цепей может быть больше трех с целью уменьшения времени гашения магнитного поля.
Таким образом, за счет предварительного шунтирования обмотки возбуждения существенно снижается время горения дуги в коммутационном аппарате; за счет того, что последовательно с ключом короткозамыкателя 7 установлен защитный диод 9, пробой короткозамыкателя не приводит к короткому замыканию на выводах тиристорного преобразователя 1; за счет того, что гасящие цепи включены параллельно, при потере проводимости одной из них обмотка 3 не расшунтируется и не возникают перенапряжения, за счет того, что включение тиристоров (16, 17, 18) гасящих цепей происходит только по сигналам от пороговых устройств (19, 20, 21), не имеющих внешних источников питания и дополнительных сигналов управления, включение гасящих цепей происходит только при превышении напряжением уставки и без задержек времени, чем достигается надежность защиты от перенапряжений; за счет того, что параллельно обмотке возбуждения включена цепь защиты от перенапряжений с резистором самосинхронизации 4 и тиристорным разрядником 5, шунтируемым контактами контактора самосинхронизации 6, обмотка 3 защищается от перенапряжений во всех режимах синхронной машины - асинхронный ход, короткое замыкание на выводах статора и разрушение гасящих цепей.