АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА СИНХРОННОГО
SYNCHRONOUS GENERATOR AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR

Заявляемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано в качестве устройства для автоматического возбуждения генераторов синхронных, преимущественно тех, к которым предъявляются повышенные требования по надежности и качеству выходного напряжения.
Автоматический регулятор напряжения (ΑΡΗ) генератора синхронного предназначен для обеспечения стабильности и точности поддержания выходного напряжения синхронного генератора при помощи регулирования тока возбуждения. Кроме того, ΑΡΗ обеспечивает работу синхронного генератора в переходных и аварийных режимах, а также параллельную работу синхронных генераторов, сопоставимых по мощности, либо параллельную работу с сетью. ΑΡΗ выполняет также функции управления, защиты и сигнализации о состоянии системы возбуждения.
Из уровня техники известен синхронный генератор с ΑΡΗ и системой возбуждения от двух фазных обмоток, разработанный компаний Cummins Generator Technologies под торговой маркой Stamford (Каталог «Stamford Power»; спецификация AS440; схема электрическая принципиальная генератора синхронного Stamford; схема электрическая принципиальная ΑΡΗ генератора синхронного Stamford; форма напряжения на выходе ΑΡΗ). Фазные обмотки известного генератора синхронного состоят из двух полуобмоток, соединенных последовательно. ΑΡΗ данного генератора синхронного подключается к одной обмотке двух фаз генератора, которая одновременно является как источником входного сигнала для ΑΡΗ, так и источником питания системы возбуждения генератора синхронного. Регулирующим элементом системы возбуждения генератора синхронного с ΑΡΗ является тиристор, включенный по схеме управляемого тиристорного однополупериодного выпрямителя. В качестве поясняющего материала представлена электрическая принципиальная схема генератора синхронного Stamford. В генераторе синхронном Stamford при вращении вала генератора в роторе возбудителя наводится переменное напряжение, которое выпрямляется выпрямителем и поступает в ротор генератора. Вращающийся ротор генератора наводит переменное напряжение в обмотках U, V, W статора генератора, фазные обмотки которого состоят из двух полуобмоток. С одной полуобмотки двух фаз переменное напряжение подается на ΑΡΗ, где выпрямляется управляемым тиристорным однополупериодным выпрямителем и подается в статор возбудителя. Цикл повторяется. Выходное напряжение генератора синхронного снимается со второй полуобмотки статора. Схема электрическая принципиальная ΑΡΗ генератора синхронного Stamford работает следующим образом: напряжение с генератора подается на вход ΑΡΗ и далее на датчик напряжения и управляемый тиристорный однополупериодный выпрямитель, состоящий из тиристора VS и диода VD. Компаратор сравнивает сигнал датчика напряжения с сигналом элемента опорного напряжения и выдает сигнал ошибки в блок фазового управления. С блока фазового управления сигнал поступает на тиристор VS управляемого однополупериодного выпрямителя, который, открываясь, создает однополупериодный выпрямленный ток в обмотке статора возбудителя. Диод VD управляемого тиристорного однополупериодного выпрямителя предназначен для защиты тиристора VS от коммутационных всплесков ЭДС при коммутации катушки статора возбудителя. При изменении выходного напряжения генератора синхронного изменяется угол открытия управляемого тиристорного однополупериодного выпрямителя, а следовательно, изменяется и ток статора возбудителя на величину, необходимую для поддержания выходного напряжения генератора на заданном уровне. В качестве поясняющего материала показана форма напряжения на выходе ΑΡΗ генератора синхронного Stamford.
К недостаткам ΑΡΗ известного генератора синхронного Stamford можно отнести следующее:
- контроль напряжения генератора (см. схема электрическая принципиальная генератора синхронного Stamford) для поддержания его на заданном уровне осуществляется от одной полуобмотки двух фаз статора генератора, что не позволяет учитывать падение напряжения во второй полуобмотке при включении нагрузки и прогреве генератора, и, как следствие, ухудшение точности поддержания выходного напряжения генератора на заданном уровне;
- управляемый тиристорный однополупериодный выпрямитель (см. схема электрическая принципиальная ΑΡΗ генератора синхронного Stamford) позволяет выдать максимальный ток возбуждения статора возбудителя в два раза меньше от максимально возможного полного выпрямленного тока (см. форма напряжения на выходе ΑΡΗ), что приводит к снижению эффективности форсирования тока возбуждения при включении нагрузки, пуске асинхронного двигателя (АД) и возможных перегрузках, следствием чего является большой провал напряжения при переходных процессах;
- при работе управляемого тиристорного однополупериодного выпрямителя, от постоянной составляющей тока возбуждения в обмотках статора генератора протекает ток подмагничивания, который вызывает дополнительное нежелательное насыщение статора генератора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является автоматический регулятор напряжения генератора синхронного (патент WO 2007/036697 на изобретение, МПК Н02Р 9/38, 2007.04.05), имеющий датчик напряжения, элемент опорного напряжения, схему сравнения на компараторе, блок управления, выход для подключения обмотки статора возбудителя.
В известном решении предлагаются два варианта решения указанных выше недостатков, а именно:
- в электрическую схему введен управляемый тиристорный однополупериодный выпрямитель в режиме нормальной работы генератора синхронного и неуправляемый тиристорный трехфазный выпрямитель в режиме форсирования тока возбуждения статора возбудителя;
- в электрическую схему введен управляемый тиристорный двухполупериодный выпрямитель в режиме нормальной работы генератора и неуправляемый тиристорный трехфазный выпрямитель в режиме форсирования тока возбуждения статора возбудителя.
Во всех двух вариантах при нормальной работе генератора синхронного управляемый тиристорный одно- или двухполупериодный выпрямитель работает от блока фазового управления ΑΡΗ, а неуправляемый тиристорный трехфазный выпрямитель выключен. При этом в схему ΑΡΗ дополнительно введены два узла - датчик перегрузки и блок включения неуправляемого тиристорного трехфазного выпрямителя. При возникновении перегрузки генератора датчик перегрузки фиксирует это состоянии и выдает сигнал в блок включения неуправляемого тиристорного трехфазного выпрямителя, который в свою очередь включает неуправляемый тиристорный трехфазный выпрямитель, форсируя ток возбуждения статора возбудителя.
Недостатками известного ΑΡΗ является:
- введение в ΑΡΗ дополнительных узлов: датчика перегрузки и блока включения неуправляемого тиристорного трехфазного выпрямителя, а также самого неуправляемого тиристорного трехфазного выпрямителя, что значительно усложняет схему ΑΡΗ и соответственно увеличивает его стоимость;
- форсирование возбуждения происходит скачкообразно до максимального значения тока возбуждения, что приводит к повышению выходного напряжения генератора сверх допустимого.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является упрощение схемы ΑΡΗ при повышении точности поддержания выходного напряжения генератора синхронного и обеспечение требуемых параметров генератора при нормальных режимах работы и перегрузках.
Для решения данной задачи предлагается ΑΡΗ генератора синхронного, содержащий датчик напряжения, элемент опорного напряжения, схему сравнения на компараторе, выход для подключения обмотки статора возбудителя, в котором имеется два входа, один из которых подключен через трансформатор напряжения ко второй полуобмотке двух фаз генератора, а другой подключен к первой полуобмотке фазы генератора, при этом регулирующим элементом является транзистор, последовательно соединенный со статором возбудителя и подключенный к двухполупериодному выпрямителю, причем коммутацию транзистора от задней части предыдущей полуволны выпрямленного напряжения до передней части последующей полуволны осуществляет ШИМ-модулятор.
Предлагаемый ΑΡΗ не имеет сглаживающего электролитического конденсатора.
За счет того, что транзисторный регулирующий элемент включен в схему двухполупериодного выпрямителя, повышается эффективность форсирования тока возбуждения при включении нагрузки, пуске АД и возможных перегрузках, следствием чего является меньший провал напряжения, а также отсутствие тока подмагничивания статора генератора. Транзисторный регулирующий элемент повышает устойчивость генератора к возникновению модуляции напряжения на холостом ходе и малых нагрузках за счет увеличенного времени открытого состояния.
Заявленное изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
на фиг. 1 показана схема электрическая принципиальная генератора синхронного;
на фиг. 2 показана схема электрическая принципиальная ΑΡΗ;
на фиг. 3 показана форма напряжения на выходе ΑΡΗ.
Вход для контроля напряжения через трансформатор напряжения подключен ко второй полуобмотке двух фаз генератора (к выходу генератора). Вход для питания системы возбуждения генератора подключается к первой полуобмотке фазы генератора. В качестве источника питания системы возбуждения можно использовать как дополнительную обмотку генератора, так и генератор на постоянных магнитах GPM (при их наличии). К выходу ΑΡΗ 6 подключается обмотка статора возбудителя 7 (см. фиг. 1). Регулирующим элементом системы возбуждения генератора данного ΑΡΗ 6 является транзистор VT, подключенный последовательно с обмоткой статора возбудителя 7 к двухполупериодному выпрямителю 12, не имеющему сглаживающего электрического конденсатора.
При вращении вала генератора 1 в роторе возбудителя 2 наводится переменное напряжение, которое выпрямляется выпрямителем 3 и поступает в ротор генератора 4. Вращающийся ротор генератора 4 наводит переменное напряжение в обмотках U, V, W статора генератора 5, фазные обмотки которого состоят из первой полуобмотки и второй полуобмотки. Со второй полуобмотки двух фаз генератора (с выхода генератора) переменное напряжение через трансформатор напряжения подается на первый вход ΑΡΗ 6 для контроля напряжения генератора, на второй вход ΑΡΗ 6 подается напряжение первой полуобмотки фазы генератора для питания системы возбуждения генератора (см. фиг. 1).
В качестве источника системы возбуждения генератора можно использовать, например, дополнительную обмотку генератора или генератор на постоянных магнитах PMG при их наличии.
Переменное напряжение, подаваемое на второй вход ΑΡΗ 6, выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 12 и через транзисторный коммутатор 11 подается в статор возбудителя 7 (см. фиг. 1). Цикл повторяется.
Напряжение с генератора (см. фиг. 2) подается на первый вход ΑΡΗ 6 и далее на датчик напряжения 7. Компаратор 8 сравнивает сигнал датчика напряжения 7 с сигналом элемента опорного напряжения 9 и выдает сигнал ошибки в блок ШИМ-модулятора 10. С блока ШИМ-модулятора 10 сигнал поступает на транзистор VT транзисторного коммутатора 11, подключенного последовательно с обмоткой статора возбудителя 7 к двухполупериодному выпрямителю 12, не имеющему сглаживающего электролитического конденсатора. Транзистор VT транзисторного коммутатора 11, открываясь, создает ток в обмотке статора возбудителя 7. Диод VD транзисторного коммутатора 11 предназначен для защиты транзистора VT от коммутационных всплесков напряжения при коммутации обмотки статора возбудителя 7. При изменении выходного напряжения генератора синхронного изменяется ширина импульса открытия (время открывания) транзистора VT, а следовательно, изменяется и ток статора возбудителя 7 на величину, необходимую для поддержания выходного напряжения генератора синхронного на заданном уровне. ШИМ-модулятор 10 обеспечивает включение транзистора VT от задней части предыдущей полуволны выпрямленного напряжения до передней части последующей полуволны, образуя симметричные участки выпрямленного напряжения (см. фиг. 3).
Таким образом, в предлагаемом техническом решении контроль напряжения генератора для поддержания его на заданном уровне осуществляется от второй полуобмотки двух фаз генератора (с выхода генератора) через трансформатор напряжения, что позволяет учитывать падение напряжения в первой и во второй полуобмотках и контролировать истинное значение выходного напряжения генератора, а не его половинчатое значение, и как следствие этого улучшается точность поддержания выходного напряжения генератора от холостого хода до номинальной нагрузки.
За счет того, что транзисторный коммутатор включен в схему двухполупериодного выпрямителя, повышается эффективность форсирования тока возбуждения при включении нагрузки, пуске АД и возможных перегрузках, следствием чего является меньший провал напряжения при переходных процессах.
Применение двухполупериодного выпрямителя позволяет избежать появления тока подмагничивания статора генератора и, следовательно, его дополнительного насыщения.
Применение транзисторного коммутатора, включенного в схему двухполупериодного выпрямителя, значительно упрощает схему ΑΡΗ и его стоимость, так как отсутствует датчик перегрузки, блок включения неуправляемого тиристорного трехфазного выпрямителя и сам неуправляемый тиристорный трехфазный выпрямитель с силовыми тиристорами и диодами.
Отсутствие сглаживающего электролитического конденсатора в схеме двухполупериодного выпрямителя в сочетании с ШИМ-модулятором, который включает транзистор от задней части предыдущей полуволны выпрямленного напряжения до передней части последующей полуволны, обеспечивает устойчивую работу генератора во всем диапазоне работы от холостого хода и номинальной нагрузки до перегрузок.