СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ВОЗБУЖДЕННОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С СЕТЬЮ
METHOD OF SYNCHRONISING EXCITED SYNCHRONOUS MACHINE WITH MAINS

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для уменьшения длительности точной синхронизации и включения синхронной машины в сеть.
Известен способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью [Константинов В.Н. Синхронизация судовых синхронных генераторов. - Л.: «Судостроение», 1965. - с.256-267], заключающийся в том, что регулируют частоту возбужденной синхронной машины до совпадения частот машины и сети, ожидают момент совпадения фаз машины и сети и включают машину в сеть в момент совпадения фаз.
Недостатком известного способа является большая длительность синхронизации синхронной машины из-за длительности подготовки частоты и большого периода между моментами возникновения условий, допускающих включение возбужденной машины в сеть.
Известен способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью [а.с. СССР №598179, H02J 3/42, 1967], заключающийся в том, что при развороте синхронной машины от нулевой частоты вращения путем фиксации действительного скольжения сравнивают его с заданным значением и, в зависимости от величины и знака полученной разности, воздействуют на изменение частоты вращения, причем заданное значение скольжения выбирают большим зоны нечувствительности регулятора скорости и меньшим половины допустимого значения скольжения по условию успешной синхронизации.
Недостатками известного способа являются трудность задания значения скольжения и большая длительность синхронизации синхронной машины из-за длительности подгонки частоты вращения синхронной машины.
Известен способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью [а.с. СССР №1043787, H02J 73/40, 1983], заключающийся в том, что регулируют частоту до получения допустимого скольжения, ожидают момент совпадения фаз и включают машину в сеть в момент совпадения фаз. При этом введены операции, обеспечивающие оптимизацию переходного процесса при установлении заданного скольжения.
Недостатком известного способа является большая длительность синхронизации, поскольку эта длительность складывается из двух последовательных во времени процессов: сначала происходит точная подгонка частоты машины (допустимое скольжение 0,05…0,2 Гц) и затем ожидание совпадения фаз на этой частоте. Точная подгонка требует малых изменений расхода топлива в приводном двигателе, в итоге процесс подгонки идет медленно и занимает минуты. Этот недостаток особенно заметен при использовании газотурбинных установок на базе авиационных двигателей, у которых время пуска от нажатия кнопки до холостого хода составляет около 2 минут. Эти установки можно использовать для экстренного восполнения дефицита мощности, но длительность синхронизации существенно ограничивает эту возможность.
Известен способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью [патент РФ №2190917, МПК 7, H02J 3/42, опубл. 10.10.2002], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что регулируют частоту напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измеряют разность фаз и включают возбужденную синхронную машину в сеть в момент совпадения фаз. При этом при частоте напряжения возбужденной синхронной машины ниже частоты сети увеличивают частоту возбужденной машины до уровня, большего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет больше частоты сети.
Недостатками известного способа являются исключение операции точной подгонки частоты машины и необходимость ожидания момента совпадения фаз.
Задачей изобретения является расширение арсенала средств аналогичного назначения и создание точного способа синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью.
1
2
2
1
Это достигается тем, что в способе синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью, так же как и в прототипе, регулируют частоту напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измеряют разность фаз и включают возбужденную синхронную машину в сеть в момент совпадения фаз. Согласно изобретению на первом подынтервале регулирования [t, t] движения ротора синхронизируемого генератора приводят скольжение к нулевому значению, для этого определяют время начала второго подынтервала регулирования t как сумму времени начала первого подынтервала регулирования t и длительности первого подынтервала регулирования , находят граничные и промежуточные значения скольжения используя выражения:
где  - небаланс мощности на валу генератора на первом подынтервале регулирования,
j
T - постоянная инерции синхронной машины,
0
ω - синхронная частота,
- длительность первого подынтервала регулирования,
- начальное значение скольжения,
p
Ks - значения коэффициентов скольжения,
K - коэффициент пропорциональности,
t - переменная времени подынтервалов регулирования,
- коэффициент скольжения в конце первого подынтервала регулирования,
- длительность второго подынтервала регулирования,
2
3
3
2
на втором подынтервале регулирования [t, t] измеряют значение разности фаз для дальнейшего движения ротора синхронизируемого генератора, регулируют разность фаз в соответствии с движением ротора синхронизируемого генератора, для этого определяют время начала третьего подынтервала регулирования t как сумму времени начала второго подынтервала регулирования t и длительности второго подынтервала регулирования  находят граничные и промежуточные значения скольжения используя выражения:
где  - небаланс мощности на валу генератора на втором подынтервале регулирования,
pT
δ - разность фаз напряжений генератора и сети (принимаем равной 0),
- разность фаз напряжений генератора и сети на втором подынтервале регулирования,
- коэффициент разности фаз напряжений генератора и сети на втором подынтервале регулирования,
- коэффициент разности фаз напряжений генератора и сети на третьем подынтервале регулирования,
- коэффициент скольжения в конце второго подынтервала регулирования,
3
T
у
на третьем подынтервале регулирования [t, t] регулируют разность фаз в соответствии с движением ротора синхронизируемого генератора, до достижения скольжения и разности фаз нулевых значений в конце всего интервала управления, для этого определяют длительность третьего подынтервала регулирования  как разность интервала регулирования T и длительностей первого  и второго  подынтервалов регулирования, находят граничные и промежуточные значения скольжения используя выражения:
где  - небаланс мощности на валу генератора на третьем подынтервале регулирования,
- значение коэффициента скольжения в конце третьего подынтервала регулирования,
- значения коэффициентов угла разности фаз в конце третьего подынтервала регулирования,
p
Кδ - значения коэффициентов угла разности фаз в конце третьего подынтервала регулирования, после чего синхронную машину включают на параллельную работу с сетью.
Точность предложенного способа заключается в том, что регулируют движение ротора синхронной машины до достижения нулевых значений скольжения и разности фаз напряжения синхронной машины и сети. Включение синхронной машины в сеть происходит посредством ее штатной системы управления, без дополнительных устройств, вносящих погрешность измерений и увеличивающих длительность процесса синхронизации.
На чертеже изображена аппаратная схема устройства, реализующего рассматриваемый способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью.
В табл.1 представлены паспортные данные исследуемого генератора ТК-6 РУЗ.
В табл.2 представлены результаты расчета движения ротора синхронизируемого генератора.
Способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг.1. Входы этого устройства связаны с измерительными трансформаторами напряжений сети и генератора (на фиг.1 не показаны), а выходы устройства подключены к выключателю синхронной машины и к ее дозатору (на фиг.1 не показаны).
Устройство (фиг.1) состоит из первого измерителя частоты напряжения 1 (ИЧН 1), второго измерителя частоты напряжения 2 (ИЧН 2) и измерителя разности фаз 3 (ИРФ), входы которых подключены к измерительным трансформаторам напряжений сети и генератора. К первому измерителю частоты напряжения 1 (ИЧН 1) последовательно подключены сумматор 4, первый нуль-орган 5 (НО 1), логический вход программатора 6, регулятор 7, выход которого подключен к дозатору синхронной машины. К первому измерителю частоты напряжения 1 (ИЧН 1) подсоединен регулятор 7. К сумматору 4 подключен программатор 6, второй нуль-орган 8 (НО 2), выход которого подсоединен ко второму логическому входу программатора 6. Ко второму измерителю частоты напряжения 2 (ИЧН 2) последовательно подключены инвертор 9, сумматор 4. К первому нуль-органу 5 (НО 1) подключен логический вход ключа 10, выход которого подключен к высоковольтному выключателю синхронной машины. К измерителю разности фаз 3 (ИРФ) подключен программатор 6, третий нуль-орган 11 (НО 3), выход которого подключен ко второму логическому входу ключа 10.
Измерители частоты напряжения 1 (ИЧН 1) и 2 (ИЧН 2) реализованы на частотомерах Ф5137. Измеритель разности фаз 3 (ИРФ) выполнен на фазометре Ф5126. Инвертор 9 и сумматор 4 реализованы на операционных усилителях 140УД17А. Программатор 6 и регулятор 7 выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53. Ключ 10 реализован на микроконтроллере ADG819BRM. Все нуль-органы 5 (НО 1), 8 (НО 2) и 11 (НО 3) выполнены на компараторах CMP402GSZ.
Для исследования был выбран синхронный генератор типа ТК-6 РУЗ, паспортные данные которого приведены в табл.1.
C
Г
На входы устройства, реализующего способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью, от измерительных трансформаторов напряжений сети и генератора подают одновременно сигналы U(t) и U(t),
С
где U(t) - мгновенные значения напряжения сети,
Г
U(t) - мгновенные значения напряжения генератора.
Г
C
C
Г
Г
jГ
C
fC
δ
jГ
fC
fC
fC
S
fГ
fC
S
SПУСК
12
1
2
ПУСК
ПУСК
s
y
j
0
pT
jГ
S
2
На вход первого измерителя частоты напряжения 1 (ИЧН 1) поступает сигнал U(t), на вход второго измерителя частоты напряжения 2 (ИЧН 2) поступает сигнал U(t), а на входы измерителя разности фаз 3 (ИРФ) поступают сигналы U(t) и U(t). С помощью измерителя частоты напряжения 1 (ИЧН 1) сигнал U(t) преобразуют в код К, пропорциональный частоте напряжения синхронной машины. С помощью измерителя частоты напряжения 2 (ИЧН 2) сигнал U(t) преобразуют в код К, пропорциональный частоте напряжения сети. С помощью измерителя разности фаз 3 (ИРФ) получают код K, пропорциональный разности фаз напряжений синхронной машины и сети. С выхода измерителя частоты напряжения 1 (ИЧН 1) код К поступает в сумматор 4 и регулятор 7. С выхода измерителя разности фаз 3 (ИРФ) код разности фаз напряжений  поступает в программатор 6 и третий нуль-орган 11 (НО 3). С выхода измерителя частоты напряжения 2 (ИЧН 2) код К поступает на инвертор 9. С помощью инвертора 9 положительное значение кода К преобразовывают в отрицательное. С выхода инвертора 9 значение кода K поступает на вход сумматора 4. С помощью сумматора 4 определяют код скольжения K как разность значений сигналов K-K. С выхода сумматора 4 код скольжения K поступает в первый нуль-орган 5 (НО 1), второй нуль-орган 8 (НО 2), программатор 6. Нуль-орган 5 (НО 1) определяет момент, когда скольжение синхронной машины относительно сети превысит величину K. Эта величина определяет момент, когда программатор начинает расчет программной траектории изменения скольжения для первого подынтервала управления t∈[t, t]. Типичное значение S=-2 Гц. Сигнал о превышении S с выхода нуль-органа 5 (НО 1) запускает программатор 6, который строит траекторию изменения скольжения при его начальном значении  равном величине K пуск измеренной в момент включения нуль-органа 5 (НО 1). В программатор 6 вводят значения интервала регулирования Т, постоянной инерции синхронной машины Т, синхронную частоту Кω=1 о.е. (314 рад/с), длительности первого подынтервала регулирования  разность фаз напряжений генератора и сети δ=0 и коэффициент пропорциональности  (48,33219467 рад/с). Программатор 6 формирует движение ротора синхронизируемого генератора посредством изменения уставки регулятора 7 частоты вращения машины, которая пропорциональна частоте генератора К, в виде некоторой функции К(t):
2
- время начала второго подынтервала регулирования t
(табл.2),
1
где t - время начала первого подынтервала регулирования.
- небаланс мощности на валу генератора  на первом подынтервале регулирования
- значение коэффициента скольжения  в конце первого подынтервала регулирования
p
- значения коэффициентов скольжения Ks на первом подынтервале регулирования.
где t - переменная времени подынтервалов регулирования.
p
ДН
Сигнал Ks поступает в регулятор 7, с помощью которого определяют код К, пропорциональный изменению расхода топлива посредством дозатора в приводе синхронной машины:
ДН
fГ
p
K=K+Ks=0,987 о.е. (табл.2).
s
2
3
s
В момент равенства частот возбужденной синхронной машины и сети, в конце первого подынтервала регулирования K=0 и срабатывает нуль-орган 8 (НО 2). В программатор 6 значение вводят значение длительности второго подынтервала регулирования  Программатор 6 строит взаимосвязанные функции изменения угла разности фаз и скольжения на втором подынтервале регулирования [t, t] при нулевом начальном значении скольжения K=0 и начальном значении угла разности фаз  равном измеренному реальному значению в момент включения нуль-органа 8 (НО 2) на измерительном входе разности фаз программатора 6:
3
- время начала третьего подынтервала регулирования t
(табл.2),
- небаланс мощности на валу генератора  на втором подынтервале регулирования
- значение коэффициента угла разности фаз  в начале третьего подынтервала регулирования
р
- значения коэффициентов угла разности фаз Кδ на третьем подынтервале регулирования
- значение коэффициента скольжения  в начале третьего подынтервала регулирования
p
- значения коэффициента скольжения Ks на третьем подынтервале регулирования
p
ДН
Сигнал Ks поступает в регулятор 7, с помощью которого определяют код К, пропорциональный изменению расхода топлива посредством дозатора в приводе синхронной машины:
ДН
fГ
p
K=K+Ks=0,9888 о.е. (табл.2).
3
T
Программатор 6 строит взаимосвязанные функции изменения угла разнос фаз и скольжения на третьем подынтервале регулирования [t, t]:
- длительности третьего подынтервала регулирования
- небаланс мощности на валу генератора  на третьем подынтервале регулирования
- значение коэффициента скольжения  в конце третьего подынтервала регулирования
p
- значения коэффициента скольжения Ks
- значения коэффициентов угла разности фаз  в конце третьего подынтервала регулирования
p
- значения коэффициентов угла разности фаз Kδ в конце третьего подынтервала регулирования
p
ДН
Сигнал Ks поступает в регулятор 7, с помощью которого определяют код К, пропорциональный изменению расхода топлива посредством дозатора в приводе синхронной машины:
ДН
fГ
p
K=K+Ks=0,99 о.е. (табл.2).
3
T
p
s
В конце третьего подынтервала регулирования [t, t], а соответственно и всего интервала регулирования Kδ=0 и K=0. Нуль-орган 11 (НО 3) определяет момент, когда разность фаз становится равной нулю и подает сигнал на замыкание высоковольтного выключателя синхронной машины. Этот сигнал проходит через ключ 10, открытый сигналом нуль-органа 5 (НО 1).
Таким образом, получен точный способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью, расширяющий арсенал средств аналогичного назначения.
Табл.1
Наименование параметра
Норма
Активная мощность, кВт
6000
Полная мощность, кВА
7500
Напряжение, В
6300
Коэффициент мощности, cosφ
0,8
Частота вращения, об/мин
3000
Момент инерции ротора, кг·м<sup>2</sup>
175
Частота, Гц
50
Табл.2
Вводимые значения:
Время t, с
Результаты расчета движения ротора синхронизируемого генератора
T<sub>j</sub>=6,5 с
ΔР<sub>p</sub>, о.е.
Ks<sub>p</sub>, о.е.
Кδ<sub>p</sub>, о.е.
t<sub>1</sub>=0 с
0
0,087
-0,04
-
t<sub>T</sub>=7; T<sub>у</sub>=7 с
0,5
0,087
-0,033
-
1
0,087
-0,027
-
δ<sub>pT</sub>=0 град.
1,5
0,087
-0,02
-
<img file="00000064.tif" he="7" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
0,087
-0,013
-
<img file="00000065.tif" he="7" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
2,5
0,087
-0,007
Результаты расчета:
3
0,087
0
90,000
K=48,33219467
3
-0,008
0
90,000
Подынтервалы управления
3,5
-0,008
0,0006
87,370
t<sub>2</sub>=3 с
4
-0,008
0,0012
79,115
t<sub>3</sub>=5 с
4,5
-0,008
0,0018
65,235
5
-0,008
0,0024
45,730
<img file="00000066.tif" he="7" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
5
0,008
0,0024
45,730
Небалансы мощностей
5,5
0,008
0,0018
26,225
<img file="00000067.tif" he="8" wi="55" img-content="undefined" img-format="tif" />
6
0,008
0,0012
12,346
<img file="00000068.tif" he="8" wi="57" img-content="undefined" img-format="tif" />
6,5
0,008
0,0006
4,091
<img file="00000069.tif" he="8" wi="55" img-content="undefined" img-format="tif" />
7
0,008
0
0