СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОАГРЕГАТОМ С АСИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ
METHOD OF DRIVING ELECTRIC AGGREGATE WITH ASYNCHRONOUS GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике, в частности, к способу управления электроагрегатом с асинхронным генератором, может быть использовано в автономных и стационарных электроагрегатах и электростанциях с асинхронными генераторами, использующими конденсаторное возбуждение.
Уровень техники
8
Известно устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного асинхронного генератора, в котором имеется трехфазная группа некоммутируемых конденсаторов и несколько групп (в данном случае три) коммутируемых конденсаторов. Группы коммутируемых конденсаторов подключаются к обмоткам статора генератора при снижении напряжения генератора из-за подключения увеличивающейся нагрузки. Снижение напряжения генератора оценивается датчиком в виде трехфазного выпрямителя, нагруженного на измерительное сопротивление, с части которого измеряется напряжение. В качестве коммутационных устройств применяют трехфазные электронные ключи в виде оптоэлектронных трехфазных реле переменного тока. В устройстве реализован способ управления асинхронным генератором путем подключения к обмоткам генератора дополнительных разряженных батарей трехфазных конденсаторов в зависимости от усредненной величины трехфазного напряжения генератора с дополнительным контролем фазы напряжений генератора, для включения конденсаторов в момент перехода фазного напряжения через "ноль". Трехфазный электронный ключ подключает дополнительные фазные конденсаторы возбуждения, первоначально находящиеся в разряженном состоянии и в последующих режимах в различной степени заряженности. (см. пат. РФ №237639, МПК  Н02Р 9/46, "Устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного генератора"/ Богатырев Н.И. и др. // Бюл. 2009 №32).
Недостатки способа, реализованного в устройстве:
- измеряемое и опорное напряжение устройства контроля напряжения имеют пульсацию, что снижает точность поддержания напряжения;
- низкая стабильность напряжения;
- выключение конденсаторов оптоэлектронными трехфазными реле происходит в момент перехода тока через "ноль", при этом на конденсаторе остается заряд, который при очередном включении в "нулевой" фазе напряжения приводит к ударным тока разряда конденсаторов;
- при подключении незаряженных конденсаторов в "нулевой" фазе напряжения генератор заряжает конденсаторы в течение 1/4 периода;
- генератор, кроме подключенной нагрузки, дополнительно нагружается, заряжая разряженные, подключаемые дополнительно конденсаторы, нарушается баланс мощностей в системе "генератор - конденсаторы возбуждения - нагрузка", из-за недостатка реактивной и активной мощности генератора это может нарушать устойчивость работы как генератора, так и приводного двигателя;
- при неравномерной нагрузке фаз возможна несимметрия напряжения фаз, что не контролируется датчиком, измеряющим усредненную величину трехфазного напряжения только по линейным напряжениям;
- включение всех конденсаторов только в треугольник исключает возможность коррекции несимметрии фазных напряжений:
- в заявленном устройстве на рис. 1, 2 отсутствуют элементы устройства, обеспечивающие контроль перехода напряжения через "ноль";
- устройство не имеет обязательного вывода звезды обмоток генератора, являющейся нейтральным проводом.
Известно устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного многофункционального асинхронного генератора, в котором генератор содержит низковольтную обмотку статора, которая соединена в "звезду" с выводом нулевой точки, а с другой стороны имеет первые выходные выводы для низковольтной нагрузки, к которой присоединен выпрямитель для питания нагрузки постоянного тока; также к выводам низковольтной нагрузки присоединена высоковольтная обмотка, к фазам которой подключена батарея некоммутируемых конденсаторов самовозбуждения, а также через трехфазный электронный ключ батарея коммутируемых конденсаторов возбуждения, устройство контроля напряжения высоковольтной обмотки и выводы для высоковольтной нагрузки. Устройство контроля напряжения по величине трехфазного выпрямленного напряжения оценивает уровень напряжения и подает один общий сигнал на трехфазный электронный ключ. Трехфазный электронный ключ, выполненный в виде оптоэлектронного трехфазного реле, подключает одновременно дополнительные конденсаторы возбуждения. В данном устройстве реализован способ управления, аналогичный тому, который рассмотрен в предыдущем аналоге, а именно: способ управления асинхронным генератором путем подключения к обмоткам генератора дополнительных разряженных батарей трехфазных конденсаторов в зависимости от усредненной величины трехфазного напряжения генератора с дополнительным контролем фазы напряжений генератора, для включения конденсаторов в момент перехода фазного напряжения через "ноль".
8
Трехфазный электронный ключ подключает дополнительные фазные конденсаторы возбуждения, первоначально находящиеся в разряженном состоянии и в последующих режимах в различной степени заряженности. (см. пат. РФ №2457612, МПК  Н02Р 9/46, "Устройство для регулирования и стабилизации напряжения автономного многофункционального асинхронного генератора" / Богатырев Н.И. и др. //. Бюл. 2012 №21).
Недостатки способа, реализованного в устройстве:
- измеряемое и опорное напряжение устройства контроля напряжения имеют пульсацию, что снижает точность поддержания напряжения;
- выключение конденсаторов оптоэлектронными трехфазными реле происходит в момент перехода тока через "ноль", при этом на конденсаторе остается заряд, который при очередном включении в "нулевой" фазе напряжения приводит к ударному току разряда конденсатора;
- при подключении незаряженных конденсаторов в "нулевой" фазе напряжения генератор заряжает конденсаторы в течение 1/4 периода;
- генератор, кроме подключенной нагрузки, дополнительно нагружается, заряжая разряженные, подключаемые дополнительно конденсаторы, нарушается баланс мощностей в системе "генератор - конденсаторы возбуждения - нагрузка" из-за недостатка реактивной и активной мощности генератора, это может нарушать устойчивость работы как генератора, так и приводного двигателя;
- при неравномерной нагрузке фаз возможна несимметрия напряжения фаз, что не контролируется датчиком измеряющим усредненную величину трехфазного напряжения только по линейным напряжениям;
- включение всех конденсаторов только в треугольник исключает возможность коррекции несимметрии фазных напряжений;
- в заявленном устройстве на рис. 1, 2 отсутствует элементы устройства, обеспечивающие контроль перехода напряжения через "ноль".
Известен ряд способов управления АГ:
- подмагничиванием магнитопровода статора;
- изменением емкости конденсаторов;
- подключением индуктивных или активных сопротивлений;
- применением нелинейных конденсаторов (варикондов).
(См. стр. 39 Асинхронные генераторы для автономных электроэнергетических установок. М. НТФ "Энергопрогресс" 88 с. 2004 г.).
Недостатками данных способов являются:
- низкая стабильность напряжения;
- усложнение устройства;
- увеличенные потери энергии,
- отсутствие варикондов с значительной емкостью;
- низкие скорости динамических процессов в системе «асинхронный генератор - конденсаторы возбуждения - нагрузка» при включении нагрузки.
Известны устройства электрогенераторные системы фирм "EISMANN, GEKO" с асинхронными генераторами. В этих электростанциях, например 2801 Е-А/МНВА, 9001 ЕД - AA/SEBA, Н-9000Е и др., используются асинхронные генераторы мощностью от 2,5 до 9,0 кВт. Устройства содержат одну группу постоянно подключенных конденсаторов к генератору и вторую, подключаемую при увеличении нагрузки. Способ управления, реализованный в этих устройствах, основан на подключении дополнительных конденсаторов контактором при снижении напряжения генератора. Дальнейшее увеличение мощности агрегатов сдерживается ограниченными возможностями применяемого способа управления, (см. каталоги фирм "EISMANN" и "GEKO", www.metallwarenfabik.com).
Недостатки способа управления, реализованного в устройствах этих фирм, идентичны описанным в вышеприведенных описаниях аналогов, чем и обусловлен ограниченный диапазон мощностей выпускаемых электроагрегатов.
Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому эффекту, принимаемый авторами за прототип, является способ дискретной системы управления асинхронным генераторным комплексом с цифровым регулятором напряжения, работающим при постоянной частоте вращения приводного двигателя. Способ реализует ступенчатое регулирования величины емкости конденсаторов возбуждения, подключаемых к асинхронному генератору при изменении напряжения одной из фаз, вызванной изменением величины нагрузки.
Асинхронный генератор содержит один некоммутируемый трехфазный блок конденсаторов самовозбуждения, и несколько (пять) коммутируемых блоков конденсаторов возбуждения, и две системы управления. Первая система управления контролирует величину напряжения только одной из фаз и, в зависимости от его величины, включает-выключает трехфазные оптотиристорные коммутаторы подключения конденсаторов возбуждения на фазные обмотки генератора. Вторая система осуществляет управление устройством пуска асинхронных электродвигателей от автономного асинхронного генератора. Эта система выполняет ограничение пускового тока подключенного электродвигателя и за счет этого снижает провал напряжения генератора. Исполнительная часть второй системы управления также состоит из трехфазного оптотиристорного коммутатора (в описании не раскрыто, что управление пуском электродвигателя с ограничением пускового тока осуществляется, предположительно, фазовым регулированием величины тока). Каждый блок конденсаторов возбуждения трехфазный соединен в звезду без соединения с нейтралью асинхронного генератора. Конденсаторы фаз последовательно с токоограничивающим резистором подключаются к фазным обмоткам генератора посредством пар встречно параллельно соединенных оптотиристоров. Дополнительно вместо оптотиристоров конденсаторы могут вручную подключаться выключателем (см. Вишневский Л.В., Пасс А.Е. Системы управления асинхронными генераторными комплексами, Киев, "Лыбидь", 1990, 167 с. раздел 3.5 Рис 3.8, 3.9).
Недостатками данного способа являются:
- невозможность получения стабильной частоты генератора при переменной нагрузке, так как частота вращения приводного двигателя неизменна, а преобразующее магнитное поле имеет скольжение;
- нестабильная выходная частота генератора, зависящая от величины нагрузки, так как частота вращения приводного двигателя постоянна;
- контроль величины напряжения осуществляется только по одной фазе;
- отсутствует измерение величин токов;
- отсутствует раздельный контроль величин токов нагрузки и возбуждения;
- искажения напряжения при перезарядах конденсаторов;
- при неравномерной нагрузке фаз возможно нарушение симметрии напряжений фаз;
- применение трех полюсных шунтирующих выключателей, включаемых вручную, приводит к недопустимым броскам тока зарядки конденсаторов;
- дополнительные потери энергии и неэффективное использование конденсаторов возбуждения из-за последовательно включенных токоограничивающих резисторов;
- невозможность независимого, по фазного включения конденсаторов;
- успешность пуска электродвигателя не контролируется;
- нет соединения конденсаторов с нейтралью генератора, что исключает возможности симметрирования системы напряжений фаз;
- пуск электродвигателя осуществляется при несинусоидальном токе, что отрицательно сказывается на работе как двигателя, так и всей системы асинхронного генератора;
- отсутствует взаимосвязь между двумя системами управления по передаче управления.
Подводя итог известных способов, можно заключить, что все известные способы реализуют изменение величины емкости конденсаторов, подключаемых к асинхронному генератору при подключении нагрузки.
Раскрытие изобретения
Задачей предполагаемого изобретения является разработка способа управления электроагрегатом с асинхронным генератором, обладающим:
- повышеной динамической устойчивостью при включении больших нагрузок;
- повышеной стабильностью напряжения;
- уменьшенной длительностью переходных процессов;
- отсутствием автоколебаний системы из-за броска коммутационного тока;
- повышенным качеством электроэнергии (отклонений напряжения и частоты);
- сниженной несимметрией напряжения при несимметричной нагрузке фаз;
- уменьшеным нагревом обмоток из-за избыточного емкостного тока возбуждения.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению динамической устойчивости при включении больших нагрузок, повышению стабильности напряжения, уменьшению длительности переходных процессов, устранении автоколебаний системы из-за броска коммутационного тока, повышении качества электроэнергии (отклонений напряжения и частоты), снижения несимметрии напряжения при несимметричной нагрузке фаз, уменьшении нагрева обмоток из-за избыточного емкостного тока возбуждения.
Технический результат достигается за счет того, что конденсаторы фазных блоков форсирования возбуждения предварительно поочередно заряжают до амплитудного значения напряжения фаз генератора импульсно-ступенчатым методом двунаправленными ключами переменного тока, причем в двух фазах конденсаторы заряжены напряжением одной полярностью, а в третьей фазе заряжены напряжением противоположной полярности; при включении нагрузки фазные заряженные конденсаторы форсирования возбуждения подключают к соответствующей фазе генератора в момент времени достижения амплитудного значения напряжения данной фазы совпадающий также по полярности с напряжением конденсатора, причем первоочередность подключения конденсаторов определяется фазой с ближайшим максимумом напряжения; при отключении нагрузки конденсаторы форсирования возбуждения отключают с соблюдением чередования достижения максимумов напряжения фаз в моменты времени достижения максимума напряжения соответствующей фазы; требуемую величину емкости подключаемых фазных блоков конденсаторов выбирают по значению мощности определяемой контроллером системы управления по данным измерения напряжения генератора, тока нагрузки и фазовых углов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен способ управления электроагрегатом с асинхронным генератором. Принципиальная электрическая схема силовой части электроагрегата с асинхронным генератором.
На фиг. 2 - то же, процесс заряда конденсаторов форсирования возбуждения.
На фиг. 3 - то же, процесс включения фазных конденсаторов форсирования возбуждения.
На фиг. 4 - то же, блок-схема системы управления.
Осуществление изобретения
Способ управления электроагрегатом с асинхронным генератором реализуется, например, устройством, содержащим силовую часть (см. фиг. 1) и систему управления (см. фиг. 4). Силовая часть содержит первичный двигатель 1 который валом соединен с ротором 2, расположенным в статоре 4. На роторе 2 расположена короткозамкнутая обмотка 3, а на статоре 4 расположены три фазные обмотки 5, соединенные в звезду с выведенной общей точкой звезды (нейтралью). К фазным обмоткам 5 присоединены конденсаторы 6 начального самовозбуждения асинхронного генератора, имеющие малую емкость. К фазным обмоткам 5 подключаются блоки фазных емкостей 7 обеспечивающие дополнительное форсирование возбуждения генератора. Подключение блоков фазных емкостей 7 осуществляется электронными ключами 8. Электронные ключи 8 переменного тока выполнены из двух параллельно включенных ветвей. Одна ветвь проводит положительную полу волну тока, а вторая - отрицательную. Каждая ветвь управляемого электронного ключа 8 содержит последовательно согласно включенные транзистор 9 и диод 10. Фазные конденсаторы 11 дополнительного форсирования возбуждения управляемыми электронными ключами 8 переменного тока подключаются к фазным обмоткам 5 генератора. Применение транзистора 9 обеспечивает включение и выключение конденсаторов 11 в требуемый момент времени. В известных способах управления для коммутации используют тиристоры, которые выключают цепь только в момент перехода тока через «ноль». В электроагрегатах с асинхронными генераторами для плавности регулирования напряжения используется несколько блоков фазных емкостей 7 два и более, в данном случае второй 12. Электронный ключ 8 одной ветвью обеспечивает небольшим импульсным током плавный ступенчатый заряд конденсаторов 11 форсирования возбуждения напряжением требуемой полярности. В рабочем режиме нагрузки работают обе ветви электронного ключа 8. Подготовленный к работе электроагрегат включается автоматически контактором 13. На выходные зажимы контактора 13 подключается нагрузка 14. При необходимости подключения нагрузки с большим начальным током до включения контактора 13 сопротивления 15 обеспечивают предварительное ограничение тока нагрузки 14.
Система управления электроагрегатом с асинхронным генератором реализуется, например, устройством, блок-схема которого представлена на фиг. 4. Устройство содержит датчик тока 16 в фазных обмотках 5 генератора, датчик тока 17 величины реактивного тока конденсаторов возбуждения, датчик тока 18 величины тока нагрузки. Измерительное устройство 19 величин напряжения, частоты и тока генератора. Преобразователи согласования информации напряжения 20, тока 21 и частоты 22 генератора.
н
Дифференцирующее устройство 23, определяющее скорость изменения тока нагрузки (dI/dt). Датчик частоты вращения 24 ротора 2 (n). Микропроцессорное устройство 25 управления электроагрегатом. Актуатор 26 управления первичным двигателем 1. Каналы 27 управления электронными ключами 8 и канал 28 управления актуатором 26.
Способ работает следующим образом.
При пуске первичного двигателя 1 электроагрегата (см. фиг. 1) вращается ротор 2 асинхронного генератора с заданной частотой вращения (n). За счет остаточного намагничивания магнитопровода ротора 2 в обмотках 5 статора 4 генератора наводится небольшая электродвижущая сила. Обмотка 5 статора 4 и короткозамкнутая обмотка 3 ротора 2 обладают индуктивностью. За счет подключенных к обмоткам 5 статора конденсаторов 6 образуется колебательный контур самовозбуждения, в котором суммарная индуктивность обмоток 3 ротора 2 и обмоток 5 статора 4 изменяются по периодическому закону из-за вращения ротора 2. Переменная индуктивность контура и наличие электродвижущей силы в обмотках 5 статора 4 приводят к возбуждению вынужденных колебаний в контуре и интенсивному самовозбуждению асинхронного генератора, включающего элементы 2, 3, 4, 5. Энергия для вынужденных колебаний в контуре поступает от первичного двигателя 1. В фазных обмотках 5 статора 4 происходит плавное нарастание напряжения.
Напряжение достигает значения напряжения холостого хода на обмотках 5 генератора, определяемого параметрами индуктивности и емкости конденсаторов 6 в контуре самовозбуждения.
В автономных асинхронных генераторах обязательно используются дополнительные фазные блоки 7, 12 с конденсаторами 11, подключаемые электронными ключами 8 при включении нагрузки 14 для форсирования возбуждения генератора. Дополнительные блоки 7, 12 конденсаторов 11 форсирования возбуждения (обычно их не 2, как в описании заявки, а несколько) первоначально не подключены к обмоткам 5 статора 4 генератора. В известных способах и устройствах конденсаторы 11 разряжены. В предлагаемом способе конденсаторы 11 предварительно заряжены. Заряд дополнительных конденсаторов 11 форсирования возбуждения осуществляется одной из ветвей электронного ключа 8 переменного тока.
0
1
1
2
3
2
4
5
m
На фиг. 2 представлен процесс заряда конденсатора 11, например, подключаемого к фазе U генератора. Конденсатор 11 разряжен полностью и напряжение на нем равно нулю. Подключение конденсатора производится транзистором 9 в момент Т, при этом напряжение на фазе U также равно нулю. С возрастанием напряжения U растет ток и напряжение конденсатора 11. В момент времени T производится отключение конденсатора 11 транзистором 9, при этом конденсатор заряжен до напряжения U. На следующей положительной полуволне в момент времени Т при равенстве напряжений конденсатора 11 и фазы U производится очередное подключение конденсатора. При этом ток заряда равен нулю. Продолжается заряд конденсатора, в момент времени Т производится отключение. Напряжение на конденсаторе увеличилось до U. Аналогично на участке времени Т - Т и достигается уровень заряда конденсатора до амплитудного значения U. Плавно возрастающее напряжение на конденсаторах 11 обеспечивается небольшими импульсами тока заряда, что не нарушает работу генератора. Такой метод заряда конденсаторов 11 исключает коммутационные потери включения транзисторов 9 и диодов 10. Конденсаторы 11 фаз блоков 7, 12 заряжаются поочередно от обмоток 5 возбужденного генератора.
Отключение полностью заряженных конденсаторов 11 до амплитудного напряжения обмоток 5 производится в момент достижения амплитудного значения напряжения соответствующей фазной обмотки 5 генератора. После заряда конденсаторов 11 всех блоков 7, 10 они остаются в отключенном положении электронными ключами 8 от обмоток 5 генератора. Электроагрегат с асинхронным генератором подготовлен для работы и контактор 13 генератора включается. Нагрузка 14 подключается к электроагрегату своими коммутационными аппаратами.
При длительном отсутствии нагрузки и незначительном снижении напряжения на конденсаторах 11 за счет саморазряда, производится их компенсирующий дозаряд кратковременным включением электронных ключей 8 на напряжение соответствующей фазы в момент, близкий к амплитудному значению, и выключением после прохождения максимума напряжения соответствующей фазы генератора.
Возможна реализация способа управления по двум вариантам алгоритмов заряда фазных конденсаторов 11 в блоке и их подключения к обмоткам 5 генератора.
cu
cv
cw
0
в
1
2
Первый вариант алгоритма (см. фиг. 3) основан на заряде фазных конденсаторов 11 блока до амплитудного напряжения различной полярности. Используются две фазы одной полярности а третья - противоположной, например, конденсаторы 11 на фазе U заряжаются положительно U и на фазе V заряжаются положительно U, а на фазе W заряжаются отрицательно - U. Длительность времени между крайними контролируемыми амплитудами напряжений фаз обмоток 5 в этом варианте составляет 33 мс. Интервал времени между подключениями заряженных фазных конденсаторов 11 к соответствующим фазам обмоток 5 составит 16.5 мс. После подключения нагрузки 14 в произвольный момент времени например t (см. фиг. 3) через интервал t включается конденсатор 11 фазы с ближайшим максимумом напряжения, в данном случае фаза U в момент t. Далее, за ним включается конденсатор 11 следующей фазы - W в момент t. И далее, третий конденсатор 11 фазы V в момент времени 13. Максимальная длительность паузы между подключением нагрузки и подключением первого заряженного конденсатора 11 не превышает 16.5 мс.
cu
cv
cw
Второй возможный вариант алгоритма подключения (см. Фиг. 3) основан на предварительном заряде всех трех фазных конденсаторов 11 фазного блока до амплитудного напряжения одной полярности, например, на фазе U заряжается положительно U и на фазе V заряжается положительно U, и на фазе W также заряжается положительно U. Аналогично можно все конденсаторы 11 зарядить отрицательно.
Длительность времени между крайними контролируемыми положительными амплитудами напряжений фаз обмоток 5 во втором варианте составляет 66 мс. Интервал времени между подключениями заряженных фазных конденсаторов 11 к соответствующим фазам обмоток 5 составит 33 мс.
0
в
1
3
4
После подключения нагрузки 14 в произвольный момент времени, например, t (см. фиг. 3) через интервал t в момент t включается конденсатор 11 фазы с ближайшим максимумом напряжения, в данном случае U, за ним включается конденсатор 11 следующей фазы V в момент t и далее - третий конденсатор фазы W в момент t. Максимальная длительность паузы между подключением нагрузки 14 и первого заряженного конденсатора 11 не превышает 33 мс.
Очевидно, что первый вариант алгоритма обеспечит лучшие динамические характеристики переходного процесса при включении нагрузки из-за минимального времени подключения конденсаторов 11 форсирования возбуждения.
Одновременное подключение к обмоткам 5 генератора незаряженных конденсаторов 11 (которое выполняется в известных способах) существенно усложняет и ухудшает динамические характеристики переходного процесса при включении нагрузки 14. Это обусловлено тем, что подключаемые конденсаторы 11 требуется зарядить до уровня напряжения каждой фазы в данный момент времени. Это дополнительно нагружает генератор и может приводить к его перегрузке. При этом конденсаторы 11 являются дополнительной нагрузкой, снижающей устойчивость возбуждения генератора.
n
Приведем пример. К трехфазному асинхронному генератору необходимо добавить конденсаторы емкостью 100 мкф на фазу. Это необходимо при подключении нагрузки к генератору примерно 5 кВт. Для заряда конденсатора при действующем напряжении 380 В необходима энергия 15,1 дж. Так как зарядка будет происходить за время  периода, то требуется дополнительная мощность генератора (источника) 3 кВт. На три фазы суммарная дополнительная нагрузка составит 9 кВт. Таким образом, к генератору помимо основной нагрузки 5 кВт добавляется еще кратковременная зарядная 9 кВт. Следовательно, генератор потеряет возбуждение, и нарушится работа электроагрегата. Вторая проблема состоит в том, что разряженный конденсатор 11, включаемый в момент амплитудного напряжения, создает бросок тока заряда конденсатора и может достигать 200 I. В данном случае это составит 2.2 кА. Естественно, асинхронный генератор таких ударных нагрузок не может принять, и нарушается его устойчивость возбуждения. Асинхронный генератор не имеет существенного запаса по перегрузке в отличие от синхронного.
Применение предлагаемого способа управления устраняет эти проблемы. В системе должен обеспечиваться баланс активных и реактивных мощностей в данный момент включения нагрузки 14 и конденсаторов 11. Если баланс нарушается, система выходит из устойчивого состояния и генератор переходит в режим срыва возбуждения, и напряжение становится равным нулю. Известные способы и устройства, в частности, фирм "EISMANN" и "GEKO", основанные на использовании заранее завышенных параметров емкости конденсаторов. Однако этот способ приводит к избыточному нагреву обмоток 5 генератора емкостным током и конкретному заниженному пределу подключаемой нагрузки. Этим обусловлено предельное низкое значение мощности (до 9 кВт) электроагрегатов с асинхронными генераторами этих фирм. В предлагаемом способе конденсаторы предварительно заряжены, поэтому дополнительная мощность от генератора не потребляется и ударные токи заряда конденсаторов 11 исключаются полностью. Кроме того, заряженные конденсаторы 11 являются дополнительным источником реактивной мощности для нагрузки 14 и улучшают динамику принятия больших нагрузок 14 асинхронным генератором.
Рассмотрим, как осуществляется управление электроагрегатом при предлагаемом способе (см. фиг. 4). Управление осуществляется микроконтролером по многоконтурной системе. Первый контур, состоящий из элементов 1-24-25-28-26-1, осуществляет контроль и регулирование частоты вращения первичного двигателя 1 и связанного с ним ротора 2 асинхронного генератора. Второй контур, состоящий из элементов 16-19-20-21-22-25-27-8, осуществляет контроль и регулирование суммарного тока, напряжения и частоты генератора. Третий контур (17-25-27-8-9) осуществляет контроль и регулирование суммарного тока конденсаторов 11, напряжение заряженных конденсаторов 11. Четвертый контур (18-23-25-27-8) осуществляет контроль величины тока нагрузки 14 и его производную, определяет необходимую емкость конденсаторов 11 для данной нагрузки 14.
На холостом ходу электроагрегата, до подключения нагрузки 14, управление осуществляется по внутреннему контуру. Частота вращения первичного двигателя 1 измеряется датчиком 24 и передается в микроконтроллерную систему управления 25. По обратной связи 28 система управления 25 дает команду актуатору 26 по количеству подаваемого топлива в первичный двигатель 1 для стабилизации частоты вращения.
При нагрузке электроагрегата измерительное устройство 17 оценивает величину тока в обмотках 5 генератора, величину напряжения и частоту. Величина тока измеряется трансформатором тока 16 и передается в измерительное устройство 19. Измерительное устройство 19, преобразованное по величине значения напряжения, тока и частоты по каналам связи 20, 21, 22 передает информацию в устройство управления 25. При подключении нагрузки 14 производится измерение датчиками 18, 23 значения тока нагрузки 14 и скорости ее нарастания, напряжения фаз и угла фазового сдвига между током и напряжением. Эти данные поступают в микроконтроллер 25. Микроконтроллер 25 определяет активную и реактивную составляющие подключенной нагрузки 14 и определяет необходимую дополнительную емкость конденсаторного блока 7, 12 для подключения. Определяется, в какой из фаз максимум напряжения достигается ранее. К обмотке этой фазы подключается согласно заряженный конденсатор 11 в момент достижения максимума напряжения данной фазы. Затем аналогично подключаются конденсаторы 11 других фаз. При этом происходит добавление реактивной мощности в систему «генератор - нагрузка» и поддержание требуемого уровня напряжения и реактивной мощности форсирования возбуждения в генераторе. Это необходимо, так как при подключении нагрузки происходит резкое возрастание потребления реактивной и активной мощности и снижение напряжения. Если в системе «генератор - нагрузка» окажется недостаток генерируемой мощности, произойдет срыв возбуждения генератора и напряжение упадет до нуля. Подключение предварительно заряженных конденсаторов 11 эквивалентно подключению дополнительной генерирующей мощности, обеспечивающей баланс активных и реактивных мощностей в системе «генератор - нагрузка». При традиционном известном способе подключения конденсаторов 11 без предварительного заряда приводит к тому, что подключенный конденсатор 11 сам оказывается дополнительной нагрузкой для генератора из-за необходимости его заряда и избыточно нагружает генератор, что приводит к срыву возбуждения.
н
При подключении нагрузки 14 возрастают активная и реактивная мощности, потребляемые от генератора. При этом увеличивается скольжение магнитного поля асинхронного генератора и снижается частота напряжения. При неизменной частоте вращения приводного двигателя 1 происходит снижение частоты напряжения генератора. Для поддержания стабильной частоты генератора необходимо увеличение частоты вращения первичного двигателя 1. Обратная связь по частоте генератора воздействует на актуатор 26, управляющий подачей дополнительного топлива и корректирующий частоту вращения первичного двигателя 1. Скорость процесса нарастания потребляемых мощностей велика, поэтому подключение дополнительных заряженных конденсаторов должно производиться с минимальным временем. Для ускорения получения информации о нагрузке определяется не только величина тока, но и скорость (dI/dt) нарастания тока (нагрузки).
Поскольку ближайшие друг за другом следующие максимумы напряжения фаз генератора имеют различную полярность, поэтому по первому варианту управления конденсаторы 11 также имеют соответствующую полярность заряда. Угол включения крайних фаз составляет 120 градусов или 33.3 мс. Такое малое время включения заряженных конденсаторов 11 обеспечивает динамическую устойчивость генератора даже при подключении предельно большой нагрузки 14 разного характера, в том числе и асинхронного электродвигателя.
На этой же системе управления возможна программная реализация упрощенного второго алгоритма управления с большей длительностью подключения конденсаторов 11, когда конденсаторы 11 фаз заряжены напряжением одной полярности. В этом варианте алгоритма управления длительность коммутации конденсаторов 11 составит 240 градусов или 66.6 мс, то есть он немного уступает предыдущему.
При подключении соизмеримого по мощности электродвигателя к электроагрегату контактор 13 генератора предварительно отключен, и ограниченный пусковой ток электродвигателя идет через шунтирующий контактор 13 сопротивления 15. По мере возрастания частоты вращения электродвигателя происходит снижение пускового тока. Исполнительный блок по команде микроконтроллерной системы управления 25 включает контактор 13 генератора, исключив шунтирующие сопротивления 15 из цепи питания электродвигателя.
При отключении нагрузки 14 процесс отключения конденсаторов 11 осуществляется в обратном порядке. В ближайший максимум напряжения фазы отключается конденсатор 11 одной фазы, затем по очереди аналогично - в других фазах. Это обеспечивает плавное снижение избытка реактивной мощности и не допускает бросков нарастания напряжения генератора при сбросе (отключении) нагрузки. Отключение конденсаторов 11 происходит при нуле тока в цепи, то есть без коммутационных потерь в транзисторе 9 и диоде 10. При этом конденсаторы 11 вновь подготовлены к работе.
Уменьшение скольжения магнитного поля генератора из-за снижения нагрузки увеличивает частоту генератора. Датчик частоты генератора 22 обратной связи по частоте генератора через микроконтроллерную систему управления 25 воздействует на актуатор 26 и снижает подачу топлива и частоту вращения первичного двигателя.
Известные способы и устройства контролируют только величину напряжения без оценки характера нагрузки 14 (активной, реактивной составляющей) и скорости ее нарастания, что не допускает точного определения потребной для подключения емкости конденсаторов 11. Это ухудшает динамику электроагрегата.
В предлагаемом способе оцениваются характер и скорости нарастания нагрузки 14, что позволяет улучшить динамику электроагрегата и увеличить стабильность напряжения генератора.
Аналогично осуществляется предлагаемый способ управления электроагрегатом с однофазным асинхронным генератором.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет следующие преимущества:
- повышенная динамическая устойчивость при включении больших нагрузок;
- повышенная стабильность напряжения;
- повышенное качеством электроэнергии (отклонений напряжения и частоты);
- уменьшен нагрев обмоток из-за избыточного емкостного тока возбуждения и др.