УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ
DEVICE FOR GENERATOR SYNCHRONISING WITH ELECTRIC MAINS

Техническое решение относится к устройствам управления генератором и схемам защиты электрических машин, в частности к устройствам синхронизации генератора, и может быть использовано на электростанциях для синхронизации генератора с сетью и его автоматического включения в сеть, а также на подстанциях для включения на параллельную работу двух систем переменного тока, с обеспечением защиты генератора от асинхронного режима работы.
Известно реле контроля синхронизма [1], содержащее две обмотки с включенными резисторами, два однополупериодных выпрямителя, соединенных со входами обмоток, балластным резистором и сглаживающим конденсатором в каждом выпрямителе. Реле обеспечивает контроль синхронизации генератора с сетью и удержание ключа включения генератора при превышении угла сдвига фаз между напряжениями генератора и сети выше установленного значения, а также при исчезновении одного из напряжений.
Недостатком аналога является низкая точность установки угла сдвига и зависимость угла от параметров компонент схемы.
Известно реле контроля синхронизма [2], содержащее три компаратора, исполнительный элемент, два RS-триггера, три формирователя импульса, три элемента ИЛИ, счетчик импульсов, элемент И, генератор тактовых импульсов, формирователь сигнала геометрической разности напряжений генератора и сети. Реле обеспечивает удержание ключа включения генератора от сети при превышении разности фаз между напряжениями генератора и сети выше установленного значения.
Недостатком аналога является сложность электрической схемы, низкая точность установки разности сдвига фаз.
В качестве прототипа выбрано устройство синхронизации генератора с электрической сетью [3]. Устройство содержит детекторы фаз напряжения генератора и электрической сети, ключи цепи подключения генератора к сети и сигналов рассогласования частот генератора и сети, таймер, микроконтроллер, соединенный с таймером, детекторами фаз и ключами. Устройство обеспечивает измерение с помощью таймера периода частоты генератора и сети, разности фаз напряжений и выдачу сигналов рассогласования частот генератора и сети. При достижении допустимой скорости скольжения, вычисленной на основании разницы частоты генератора и сети, в момент равенства фаз напряжений устройство подключает генератор к сети, с учетом времени срабатывания цепи подключения генератора к сети.
Недостатком устройства являются недостаточная надежность и сбоеустойчивость, отсутствие контроля напряжения генератора и защиты генератора от асинхронного режима работы после подключения к сети.
Задачей технического решения являются повышение надежности и сбоеустойчивости устройства, контроль напряжения генератора и его защита от асинхронного режима работы после подключения к сети.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве синхронизации генератора с электрической сетью, содержащем детекторы фаз напряжения генератора и электрической сети, ключи цепи подключения генератора к сети и сигналов рассогласования частоты генератора и сети, микроконтроллер, соединенный с датчиками фаз и ключами, в котором микроконтроллер содержит программу вычисления скорости скольжения и при достижении допустимой скорости скольжения подключает генератор к сети в момент равенства фаз напряжений с учетом времени срабатывания цепи подключения генератора к сети, предусмотрены следующие отличия: выход микроконтроллера соединен с ключом цепи подключения генератора к сети через интегратор, введены измерительные преобразователи напряжения сети и генератора, соединенные со входами микроконтроллера, введены ключи сигналов рассогласования напряжений генератора и сети, соединенные с выходами микроконтроллера, также введен резервный канал, идентичный основному, содержащий микроконтроллер, интегратор, ключи цепи подключения генератора к сети и сигналов рассогласования частоты и напряжения генератора и сети, где выходы ключей цепи подключения генератора в каналах соединены последовательно, а выходы остальных ключей - параллельно, кроме этого микроконтроллеры соединены друг с другом каналами последовательного обмена и линиями перезапуска и содержат программу, которая формирует импульсный сигнал подключения генератора к сети на входе интегратора, измеряет напряжение генератора и сети, управляет ключами сигналов рассогласования напряжения генератора и сети, разрешая подключение генератора к сети при допустимом напряжении генератора относительно напряжения сети.
Кроме того, предложенное устройство синхронизации генератора с электрической сетью отличается тем, что дополнительно введен преобразователь сигнала датчика скорости вращения генератора, а микроконтроллеры содержат программу контроля синхронности работы генератора в сети, которая контролирует частоту вращения генератора и отключает генератор от сети, если частота скольжения частоты генератора относительно частоты сети превысит допустимое значение.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, резервирование каналов обеспечивает повышение надежности устройства, а также выявление сбоев в работе устройства, перезапуск позволяет восстановить работу канала, в котором произошел сбой, контроль напряжений обеспечивает отсутствие больших переходных токов в момент подключения генератора к сети, контроль частоты скольжения генератора после его подключения к сети защищает генератор от асинхронного режима работы.
Техническая сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг. 1, содержащей структурную схему устройства, и фиг. 2, содержащей временные диаграммы напряжений с детекторов фаз напряжений генератора и сети.
Предложенное устройство синхронизации генератора с электрической сетью изображено на фиг. 1. Устройство содержит детекторы фаз 1, 2 напряжений генератора и электрической сети, измерительные преобразователи 3, 4 напряжений генератора и электрической сети, преобразователь 5 сигнала датчика скорости вращения генератора и два идентичных канала. Каждый канал содержит микроконтроллер 6 (13), интегратор 7 (14) и ключи 8 (15) подключения генератора к сети, ключи 9 (16), 10 (17), 11 (18) и 12 (19) сигналов рассогласования частоты и напряжения генератора и сети. Входы микроконтроллера 6 (13) соединены с выходами датчиков фазы 1 (2), измерительных преобразователей 3, 4 и преобразователя 5. Микроконтроллер 6 (13) соединен с ключом 8 (15) через интегратор 7 (14), другие выходы микроконтроллера непосредственно соединены с ключами 9 (16), 10 (17), 11 (18) и 12 (19). Выходы ключей 8 и 15 соединены последовательно, остальные - параллельно. Микроконтроллеры 6 и 13 связаны друг с другом двумя перекрестными каналами параллельного обмена и линиями перезапуска.
Детекторы фазы напряжения 1 и 2 обеспечивают преобразование входных напряжений генератора и сети в прямоугольные сигналы логического уровня, подаваемые на входы микроконтроллеров 6 и 13.
Измерительные преобразователи 3 и 4 обеспечивают преобразование входных напряжений генератора и сети в аналоговые сигналы, подаваемые на входы микроконтроллеров 6 и 13.
Преобразователь 5 сигнала датчика скорости вращения генератора обеспечивает преобразование частоты вращения генератора в прямоугольные сигналы логического уровня, подаваемые на входы микроконтроллеров 6 и 13.
Интегратор 7 (14) представляет собой RC цепь, которая преобразует импульсный сигнал от микроконтроллера в потенциальный сигнал включения ключа 8 (15). При нарушении работы микроконтроллера импульсный сигнал перестает формироваться и ключ размыкается.
Микроконтроллеры 6 и 13 содержат идентичную программу, которая обеспечивает контроль частоты и напряжения генератора и сети, выдает сигналы рассогласования частоты и напряжения генератора относительно сети, если их значение выше или ниже допусков относительно частоты и напряжения сети.
Программа обеспечивает подключение генератора к сети в момент равенства фаз напряжения генератора и сети, если частота скольжения частоты генератора и напряжение относительно частоты и напряжения сети находится в допустимых пределах.
Программа обеспечивает контроль частоты вращения генератора и выявляет асинхронный режим работы генератора, когда из-за разницы частот напряжений генератора и сети смещение фаз напряжений достигает 360° и происходит так называемый "проворот". Генератор отключают от сети, если период проворота становится меньше заданного временного интервала.
Проворот определяют с использованием эффекта стробоскопа (фиг. 2). В предлагаемом техническом решении сигнал генератора с частотой fг стробируют сигналом частоты сети fc. Результирующая частота сигнала проворота равна разности частот генератора и сети. Для измерения длительности периода проворота используется частота сети.
Каждый микроконтроллер контролирует работу другого с использованием канала межпроцессорного обмена. При обнаружении рассогласования в работе каналов питание с ключей цепи подключения генератора снимается и генератор отключается от сети.
Техническим результатом предложенного технического решения является повышение надежности и сбоеустойчивости работы устройства, исключение бросков тока при подключении генератора к сети, а также контроль частоты скольжения, что позволяет использовать устройство для защиты генератора от асинхронного режима работы после его подключения к сети.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 884033.
2. Патент РФ 2224320.
3. Патент США 4249088 - прототип.