Контактор ускоренного гашения поля ротора синхронной машины
CONTACTOR OF ACCELERATED DAMPING OF ROTOR FIELD OF SYNCHRONOUS MACHINE

Область техники:
Контактор относится к области электротехники, а именно - к системам возбуждения синхронных машин, а именно, к устройствам гашения магнитного поля ротора синхронных машин. Время гашения поля является критичным параметром, от которого зависит степень повреждения синхронной машины в случае коротких замыканий в цепях статора. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения - обеспечение минимального времени гашения поля синхронной машины максимально простым и надежным устройством.
Уровень техники:
Техническая задача гашения поля состоит в быстром извлечении энергии магнитного поля ротора и гашении ее или возврате назад, к источнику питания. Классический способ гашения поля предусматривает отключение обмотки возбуждения синхронной машины от источника тока и подключение ее к резистору, на котором и происходит рассеяние энергии магнитного поля в виде тепла. При этом процесс не является оптимальным, поскольку величина резистора является величиной постоянной, обеспечивая максимальное рассеивание энергии только в начальный момент, при максимальном токе роторной обмотки и максимальном напряжении на изоляции ротора. При снижении тока, в силу постоянства сопротивления резистора, происходит снижение напряжения, что приводит к снижению выделяемой на резисторе энергии и затягиванию процесса гашения.
Для увеличения скорости гашения поля, в цепи гашения, могут применяться нелинейные резисторы (варисторы), обеспечивающие квазистабильное напряжение в определенном диапазоне токов. Такое решение показано в патенте RU 134373 «Устройство гашения поля генератора». Однако, широкого распространения нелинейные резисторы не получили по ряду причин, в числе которых, высокая стоимость, значительные габариты, значительный разброс и нестабильность характеристик. До сих пор, электрическая дуга, в силу нелинейной характеристики горения дуги, созданная в специальном электрическом аппарате, является наиболее эффективным способом гашения энергии магнитного поля ротора. Наиболее совершенным на текущий момент таким устройством, осуществляющим гашение поля, является автомат гашения поля, разработанный Осипом Броном [1]. Подобный аналог, с упрощенной схемой горения дуги, выпускает компания General Electric под торговой маркой Gerapid. С появлением полупроводниковых преобразователей постоянного тока появилась возможность гашения поля переводом питающего обмотку преобразователя в режим инвертирования, когда полупроводниковый преобразователь возвращает магнитную энергию, накопленную в роторе, обратно в сеть. Такой способ, получивший распространение в конце 20 века обеспечивал быстрое бездуговое гашение, но имел один существенный недостаток - при наличии повреждений в ближней к синхронной машине зоне не удается обеспечить процесс инвертирования по причине искажений напряжений статора, а сама энергия, извлеченная из ротора, поступает к месту повреждения, усиливая аварию. Это является причиной того, что классический способ гашения на резистор используется до сих пор, обеспечивая максимальную надежность протекания процесса гашения. При этом, время гашения поля сильно варьируется, поскольку энергия, накопленная в магнитном поле ротора, пропорциональна току ротора во второй степени. Поскольку в генераторах имеются форсировочные режимы, при которых возможен двойной ток ротора, то энергия, которую необходимо погасить, может отличаться в четыре раза. В силу этого, появляются решения, связанные с изменением величины резистора гашения путем коммутации его частей. Одно из таких решений описано в патенте RU 2282925 «Способ и устройство гашения магнитного поля обмотки возбуждения синхронной машины (варианты)». Это решение использует тиристорную коммутацию резистора и блок логики, реализующий электронную схему управления тиристорами. Данное решение может быть принято за прототип, поскольку изобретение так же реализует идею ступенчатой коммутации резистора гашения в ходе процесса гашения. Основным отличием изобретения от прототипа, обеспечивающими высокую надежность и простоту реализации являются:
1. Использование многостержневого контактора специальной конструкции, обмотка которого обтекается током ротора, а моменты включения нескольких имеющихся групп контактов строго соотносятся с величиной тока ротора;
2. Отсутствие схем управления.
Главным достоинством контактора является простота конструкции, заключающаяся в использовании минимального количества элементов которые имеют стабильные, легко проверяемые характеристики. На контактор не оказывают значительного влияния такие внешние факторы как электромагнитные помехи, радиация, температурные и влажностные условия. Еще одним из достоинств изобретения является стабильность характеристик и возможность их контроля при периодических проверках и в процессе эксплуатации.
Раскрытие изобретения:
Новизна контактора состоит в том, что в его конструкция объединяет в себе все необходимые элементы для обеспечения быстрого и надежного гашения поля. Основу конструкции составляют оригинальный многостержневой магнитопровод и распределенная на нем обмотка - решение, не используемое ранее.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема устройства контактора, на фиг. 2 и фиг. 3 показана принципиальная электрическая схема подключения контактора к цепям ротора синхронной машины, на фиг. 4 - результаты моделирования распределения магнитных потоков в магнитопроводе контактора, на фиг. 5 - графики снижения тока ротора при использовании контактора и без его использования, на фиг. 6 - напряжения на обмотке возбуждения, при использовании контактора и без его использования. На данных чертежах рассмотрен пример реализации изобретения в случае реализации контактора с четырьмя контактными группами, но необходимо заметить, что для реализации изобретения число стержней с воздушным зазором и соответственно, число контактных групп должно быть не меньше двух. Увеличение числа контактных групп способствует увеличению скорости гашения поля.
В изобретении (фиг. 1) используется многостержневой магнитопровод из магнитомягкого материала, состоящий из холостого ярма 1 и ярма с обмотками 2, соединенных между собой одним непрерывным стержнем 3 и стержнями 4 имеющими воздушный промежуток, в котором находятся подвижные части стержня 5, меняющие свое положение в зависимости от величины магнитного потока, протекающего через стержень. Подвижная часть 5 каждого стержня 4 механически связана с подвижным контактом своей контактной группы. Контактные группы 6, 7, 8, 9 подключены ка секциям резистора гашения поля. В отсутствии магнитного потока через стержень, подвижная часть магнитопровода находиться в исходном положении с максимальным воздушным зазором на пути протекания магнитного потока стержня. Увеличиваясь, магнитный поток, протекающий через стержень, вызывает силу, стремящуюся изменить положение подвижной части так, чтобы уменьшить воздушный зазор. Конструкцией контактора предусмотрено наличие пружин 10, препятствующих изменению положения подвижных частей под действием магнитной силы и стремящихся вернуть подвижную часть в исходное положение в отсутствии магнитного потока. При большем значении магнитного потока, протекающего через стержень, подвижная часть стержня перемещается так, что вызывает замыкание контактов своей контактной группы. При меньшем значении магнитного потока, действующей силы недостаточно для противодействия пружине и пружина возвращает подвижную часть в исходное положение, размыкая контакты своей контактной группы. Таким образом, статус контактов каждой контактной группы определяется величиной магнитного потока связанного с ней стержня. Перемещение подвижной части может носить как возвратно-поступательный, так и вращательный характер, что не является существенным признаком реализации изобретения. Обмотки 11, 12, 13, 14 обтекаемые током ротора, расположены на ярме магнитопровода между стержнями. Это приводит к тому, что магнитодвижущая сила, вызываемая током ротора, увеличивается с каждой последующей обмоткой вдоль ярма по направлению от непрерывного стержня и вызывает в каждом последующем стержне больший по величине магнитный поток. Так создается зависимость количества замкнутых контактных групп от величины тока ротора. Обмотки могут быть включены как последовательно, так и параллельно. Число обмоток соответствует числу контактных групп. Обмотки включены согласно и распределены по ярму в пространствах между стержнями. Варьируя воздушные зазоры и число витков можно получать желаемые характеристики зависимости числа замкнутых контактов от тока.
Обмотки могут быть включены как параллельно, так и последовательно. На фиг. 2 показано параллельное включение обмоток контактора. Такой способ является более предпочтительным для синхронных машин большой мощности, когда сложно изготовить обмотки на большой ток. В таком случае ток ротора равными долями распределяется по обмоткам и его максимальная величина уменьшается кратно числу обмоток, что позволяет выполнить обмотки на меньший ток, более компактными. Последовательное соединение, более простое в реализации, показанное на фиг. 3 рекомендуется к применению при небольших токах ротора. На фиг. 2 и фиг. 3, обмотка 15 синхронной машины 16 подключена к источнику возбуждения 17 через нормально открытые контакты контактора 18. Контактор 18 является классическим контактором, реализующим способ гашения поля на резистор, и имеет механически связанные три контакта - два нормально разомкнутых для подключения обмотки ротора к источнику возбуждения и третий, нормально замкнутый контакт, для подключения резистора гашения к обмотке ротора. Контакторы типа 18 выпускаются промышленностью и не имеют каких-либо особенностей. Резистор гашения, на котором в случае аварийного отключения, энергия магнитного поля, запасенная в роторе, преобразуется в тепло, состоит из последовательно включенных секций резисторов 19, 20, 21, 22, 23. Изобретение, представлено контактными группами 6, 7, 8, 9 и обмотками 11, 12, 13, 14. Магнитодвижущая сила, создаваемая протеканием тока ротора по обмоткам 11, 12, 13, 14, вызывает в стержнях магнитопровода магнитные потоки ступенчато отличающиеся друг от друга. При рассмотрении данных чертежей примем, что контакты контактных групп 6, 7, 8, 9 при нарастании тока ротора срабатывают последовательно, при этом контакт 9 срабатывает при наименьшем токе, а контакт 6 при токе, близком к максимальному расчетному. В случае нормальной работы синхронной машины, при включении контактора 18, на обмотку ротора подается напряжение от источника возбуждения 17. Нормально замкнутый контакт контактора 18 размыкается, отключая цепь последовательно включенных резисторов гашения 19, 20, 21, 22, 23. В зависимости от режима работы синхронной машины, источником питания создается ток ротора необходимой величины. Протекание тока ротора через обмотки 11, 12, 13, 14 приводит к тому, что контакты 6, 7, 8, 9 переходят в замкнутое состояние, шунтируя резисторы 20, 21, 22, 23, в результате чего при максимальном токе ротора величина сопротивления цепи гашения определяется величиной резистора 19. При поступлении команды на гашение поля синхронной машины, главными контактами контактора 18 производиться отключение источника питания от ротора, при этом замкнувшийся нормально замкнутый контакт контактора 18 подключает ротор к цепи резистора гашения. Величина резистора 19 подбирается так, чтобы напряжение на выводах обмотки ротора было максимально возможным, но безопасным для изоляции ротора при максимальном токе ротора. На начальном этапе гашения, когда ток имеет максимальную величину, в цепи гашения имеется только резистор 19, поскольку остальные резисторы зашунтированы контактами 6, 7, 8, 9. По мере рассеивания энергии ротора ток начинает уменьшаться. Уменьшение тока приводит к тому, что контакт 6 размыкается, поскольку приводится в действие от подвижной части стержня магнитопровода имеющего минимальный поток. После размыкания контакта 6 ток ротора начинает протекать по цепи гашения состоящей из резисторов 19 и 20. Увеличение сопротивления цепи приводит к увеличению напряжения на обмотке, что при снижении тока позволяет компенсировать снижение величины рассеиваемой мощности и увеличить скорость гашения поля. При дальнейшем снижении тока происходит размыкание контакта 7, с включением в цепь гашения резистора 21. При еще большем снижении тока, происходит размыкание контакта 8, с включением в цепь гашения резистора 22. Последним, в процессе гашения, размыкается контакт 9. Стабильность характеристик срабатывания и возврата контактов 6, 7, 8, 9 в зависимости от тока ротора позволяет подобрать величины резисторов 20, 21, 22, 23 так, чтобы обеспечить близкие к максимальным для данного тока уровни напряжений ротора, обеспечив тем самым ускоренное рассеивание магнитной энергии ротора и ускоренное гашение поля машины. Процесс гашения поля заканчивается при наибольшей величине резистора гашения подключенного к обмотке ротора.
На фиг. 4 представлен фрагмент результатов математического моделирования пространственного распределения магнитных потоков в магнитопроводе контактора. Расчетные векторы 24 отображают величину магнитного потока в магнитопроводе - направление векторов совпадает с направлением магнитного потока, а размер вектора пропорционален его величине.
На фиг. 5 представлены графики расчета изменения тока ротора синхронного генератора в случаях классического гашения поля на резистор 25 и в случае применения изобретения 26. Сравнение графиков показывает, что применение изобретения позволяет значительно уменьшить время гашения поля.
На фиг. 6 представлены графики расчета напряжения ротора синхронного генератора в случаях классического гашения поля на резистор 27 и в случае применения изобретения 28. Сравнение графиков показывает, что применение изобретения приводит к скачкообразному возрастанию величин напряжения в моменты отключения контактов, поддерживая величину напряжения близкую к максимально возможной, что ускоряет процесс гашения поля.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схема устройства контактора.
На схеме обозначено:
Позиция 1 - холостое ярмо магнитопровода;
Позиция 2 - ярмо магнитопровода с обмотками;
Позиция 3 - непрерывный стержень магнитопровода;
Позиция 4 - стержни магнитопровода с воздушными промежутками;
Позиция 5 - подвижные части стержней магнитопровода с воздушными промежутками;
Позиции 6, 7, 8, 9 - контактные группы, состоящие из неподвижного контакта и подвижного контакта, соединенного с подвижной частью стержня;
Позиция 10 - пружины;
Позиция 11, 12, 13, 14 - обмотки;
Фиг. 2 - принципиальная электрическая схема включения контактора в цепь ротора синхронной машины с параллельным соединением обмоток контактора.
На схеме обозначено:
Позиция 15 - обмотка возбуждения, установленная на роторе синхронной машины;
Позиция 16 - источник возбуждения машины;
Позиция 17 - контактор гашения, имеющий механически связанные два главных нормально открытых контакта, отключающие ротор от источника возбуждения и один нормально закрытый контакт подключения ротора к резистору гашения;
Позиции 19, 20, 21, 22, 23 - секции резистора гашения;
Позиции 6, 7, 8, 9 - контактные группы контактора ускоренного гашения поля ротора;
Позиция 11, 12, 13, 14 - обмотки контактора ускоренного гашения поля ротора.
Фиг. 3 - принципиальная электрическая схема включения контактора в цепь ротора синхронной машины с последовательным включением обмоток контактора.
На схеме обозначено:
Позиция 15 - обмотка возбуждения, установленная на роторе синхронной машины;
Позиция 16 - источник возбуждения машины;
Позиция 17 - контактор гашения, имеющий механически связанные два главных нормально открытых контакта, отключающие ротор от источника возбуждения и один нормально закрытый контакт подключения ротора к резистору гашения;
Позиции 19, 20, 21, 22, 23 - секции резистора гашения;
Позиции 6, 7, 8, 9 - контактные группы контактора ускоренного гашения поля ротора;
Позиция 11, 12, 13, 14 -обмотки контактора ускоренного гашения поля ротора.
Фиг. 4 - фрагмент результатов математического моделирования пространственного распределения магнитных потоков в магнитопроводе контактора.
На фрагменте модели обозначено:
Позиция 24 - расчетные векторы, вписанные в модель магнитопровода и отображающие величину магнитного потока в магнитопроводе - размер вектора пропорционален величине протекающего магнитного потока в точке размещения вектора.
Фиг. 5 - графики расчета изменения тока ротора синхронного генератора во времени. Горизонтальная ось - ось времени, с началом отсчета от момента отключения от источника возбуждения. По вертикальной оси отложен ток обмотки ротора.
На графиках показано:
Позиция 25 - график изменения тока ротора при использовании классического гашения поля на резистор;
Позиция 26 - график изменения тока ротора при использовании изобретения.
Фиг. 6 - графики расчета изменения напряжения ротора синхронного генератора во времени. Горизонтальная ось - ось времени, с началом отсчета от момента отключения от источника возбуждения. По вертикальной оси отложено напряжение на выводах обмотки ротора.
Позиция 27 - график изменения напряжения ротора при использовании классического гашения поля на резистор;
Позиция 28 - график изменения напряжения ротора при использовании изобретения.
Осуществление изобретения
Изобретение реализуется стандартным оборудованием и технологиями, имеющимися в электротехнической промышленности и используемыми для создания электрических аппаратов. Особенно перспективным, применительно к изобретению, является использование отработанной технологии гашения дуги на контактах в вакууме. Использование в изобретении хорошо известных и отработанных технологий позволяет реализовать изобретение в короткие сроки в промышленных масштабах. Работоспособность изобретения подтверждена цифровой моделью, выполненной в программном обеспечении, реализующем пространственное моделирование электромагнитных полей.
1. Брон О.Б. Автоматы гашения поля, Госэнергоиздат, 1961 г.
2. Патент RU 2282925 «Способ и устройство гашения магнитного поля обмотки возбуждения синхронной машины (варианты)»
3. Патент RU 134373 «Устройство гашения поля генератора».