СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С УПРАВЛЯЕМОЙ ДВУНАПРАВЛЕННОЙ ВНЕШНЕЙ ФОРСИРОВКОЙ
SYNCHRONOUS GENERATOR EXCITATION SYSTEM WITH CONTROLLED BIDIRECTIONAL EXTERNAL BOOST

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к регулированию возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии, передвижных электроагрегатов и электростанциях.
Известны системы возбуждения синхронных генераторов, содержащие регуляторы напряжения (угольные, импульсные, вибрационные) /1/.
Недостатком этих систем является невысокое быстродействие, так как регуляторы производят регулирование по отклонению напряжения.
Известны системы возбуждения синхронных генераторов, содержащие элементы компаундирования (резисторы,
автотрансформаторы, суммирующие трансформаторы) /2/.
Недостатком этих систем является невысокая точности, так как они производят регулирование по главному возмущающему фактору, не учитывая остальные возмущения.
Известны комбинированные системы возбуждения синхронного генератора, содержащие суммирующий трансформатор, осуществляющий фазовое компаундирование и корректор напряжения, осуществляющий управление компаундированием /3/.
Их недостатком является не высокая форсировочная способность и, как следствие, невозможность пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором соизмеримых по мощности с генератором.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является система возбуждения синхронного генератора, содержащая синхронный генератор, суммирующий трансформатор и корректор напряжения, вход которого подключен к обмотке якоря генератора, а выход - к обмотке управления суммирующего трансформатора, вторичная обмотка которого через первый выпрямитель подключена к обмотке индуктора синхронного генератора, первичная обмотка тока трансформатора включена последовательно с обмоткой якоря генератора, а первичная обмотка напряжения подключена к зажимам генератора, а параллельно обмотке индуктора генератора подключен внешний источник постоянного тока через электронный ключ, управляющий электрод которого подключен к выходу элемента ИЛИ, связанного первым входом с шиной ПУСК, а вторым входом - с прямым выходом триггера, единичный вход которого через первый дифференциатор подключен к выходам БОЛЬШЕ и РАВНО числового компаратора, выход МЕНЬШЕ которого связан с первым входом элемента И, выход которого через второй дифференциатор соединен со сбросовым входом триггера, а второй вход с - выходом инвертора, подключенного входом к выходу формирователя-ограничителя, вход которого связан с выходом второго выпрямителя, который подключен входом к потенциальным зажимам шунта, включенного в цепь вторичной обмотки трансформатора тока, первичная обмотка которого соединена последовательно с обмоткой якоря генератора, кроме того выход второго выпрямителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, разряды выхода которого связаны с соответствующими разрядами информационных входов первого и второго регистров памяти, входы записи которых соединены соответственно с первым и вторым выходом распределителя импульсов, подключенного входом к выходу генератора импульсов стабильной частоты, при этом соответствующие разряды выходов первого и второго регистров памяти подключены соответственно к первому и второму входам вычитателя, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами первого входа числового компаратора, разряды второго входа которого связаны с соответствующими разрядами выхода задающего регистра /4/.
Эта система возбуждения имеет высокую форсировочную способность при набросе нагрузки генератора. Однако не влияет на возбуждение при сбросе нагрузки и может допускать перерегулировку возбуждения.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем повышения точности и форсировочной способности при сбросе нагрузки.
Цель изобретения достигается тем, что система возбуждения синхронного генератора с управляемой двунаправленной внешней форсировкой, содержащая внешний источник постоянного тока, первый и второй выпрямители, шунт, формирователь-ограничитель, первый RS-триггер, первый и второй дифференциаторы, первый и второй регистры памяти, задающий регистр, аналого-цифровой преобразователь, генератор стабильных импульсов, распределитель импульсов, вычитатель, первый числовой компаратор, первый электронный ключ, логический элемент НЕ, первый логический элемент И, первый логический элемент ИЛИ, связанный первым входом с шиной ПУСК, синхронный генератор, суммирующий трансформатор и корректор напряжения, вход которого подключен к обмотке якоря генератора, а выход - к обмотке управления суммирующего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к входу первого выпрямителя, первичная обмотка тока суммирующего трансформатора включена последовательно с первичной обмоткой трансформатора тока и обмоткой якоря генератора, а первичная обмотка напряжения подключена к зажимам генератора, причем единичный вход первого RS-триггера, связан с выходом первого дифференциатора, а сбросовый вход с выходом второго дифференциатора, подключенного входом к выходу первого логического элемента И, первый вход которого связан с выходом больше первого числового компаратора, а второй вход с выходом логического элемента НЕ, подключенного входом к выходу формирователя-ограничителя, вход которого связан с выходом второго выпрямителя, который подключен входом к потенциальным зажимам шунта, включенного в цепь вторичной обмотки трансформатора тока, кроме того выход второго выпрямителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, разряды выхода которого связаны с соответствующими разрядами информационных входов первого и второго регистров памяти, входы записи которых соединены соответственно с первым и вторым выходом распределителя импульсов, подключенного входом к выходу генератора импульсов стабильной частоты, при этом соответствующие разряды выходов первого и второго регистров памяти подключены соответственно к первому и второму входам вычитателя, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами первого входа числового компаратора, разряды второго входа которого связаны с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, снабжена вторым, третьим и четвертым логическим элементом И, вторым логическим элементом ИЛИ, третьим, четвертым и пятым дифференциатором, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым электронным ключом, вторым RS-триггером, вторым и третьим числовым компаратором, элементом задержки, резистором, транзистором, цифроаналоговым преобразователем, третьим и четвертым регистром памяти, разряды выхода которого подключены к соответствующим разрядам первого входа третьего компаратора, разряды второго входа которого связаны с соответствующими разрядами входа четвертого и выхода третьего регистра памяти, а выходы БОЛЬШЕ и РАВНО - с первым входом третьего логического элемента И, выход МЕНЬШЕ - с первым входом второго логического элемента И, второй вход которого связан с вторым входом третьего логического элемента И и выходом третьего дифференциатора, подключенного входом к выходу МЕНЬШЕ второго числового компаратора, выходы БОЛЬШЕ и РАВНО которого подключены к входу четвертого дифференциатора, связанного выходом с входом записи третьего регистра памяти, разряды информационного входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода аналого-цифрового преобразователя и первого входа второго числового компаратора, разряды второго входа которого связаны с соответствующими разрядами выхода третьего регистра памяти, сбросовый вход которого подключен к выходу второго логического элемента ИЛИ, соединенного первым входом с шиной ПУСК и сбросовым входом четвертого регистра памяти, а вторым входом - с выходом элемента задержки, связанного входом с входом записи четвертого регистра памяти и выходом пятого дифференциатора, вход которого соединен с выходом логического элемента НЕ и первым входом четвертого логического элемента И, второй вход которого подключен к выходам МЕНЬШЕ и РАВНО первого компаратора, а выход - к входу первого дифференциатора, кроме того, выход второго логического элемента И, связан с единичным входом второго RS-триггера, сбросовый вход которого соединен с выходом третьего логического элемента И, инверсный выход - с первым входом, а прямой выход - со вторым входом шестого электронного ключа, первый выход которого соединен с управляющими входами четвертого и пятого электронного ключа, а второй выход - со вторым входом первого логического элемента ИЛИ, связанного первым входом с шиной ПУСК, а выходом - с управляющими входами третьего и второго электронного ключа, причем управляющий вход шестого электронного ключа подключен к инверсному выходу первого RS-триггера, подключенного прямым выходом к управляющему входу первого электронного ключа, связанного входом с входами третьего и четвертого электронного ключа и положительным полюсом первого выпрямителя, отрицательный полюс которого подключен к первому зажиму индуктора, соединенного вторым зажимом с выходами первого, второго и пятого электронного ключа, вход которого связан с первым зажимом резистора, выходом третьего электронного ключа и отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, положительный полюс которого соединен с коллектором транзистора, эмиттер которого подключен ко второму зажиму резистора, выходу четвертого и входу второго электронного ключа, кроме того база транзистора подключена к выходу цифроаналогового преобразователя, разряды входа которого связаны с соответствующими разрядами выхода вычитателя.
Второй, третий, четвертый, пятый и шестой электронные ключи и их связи обеспечивают изменение направления форсировки возбуждения.
Второй RS-триггер, второй и третий логические элементы И и их связи задают направление форсировки. Третий регистр памяти, второй чистовой компаратор, третий и четвертый дифференциаторы, элемент задержки и второй логический элемент ИЛИ обеспечивают измерение и хранение последующего кода амплитуды тока нагрузки. Четвертый регистр памяти, пятый дифференциатор и их связи служат для записи и хранения предыдущего кода амплитуды тока нагрузки. Третий числовой компаратор обеспечивает анализ характера изменения тока нагрузки для установления направления форсировки. Резистор, транзистор и цифроаналоговый преобразователь осуществляют дозирование форсировки.
На фиг. 1 представлена схема системы возбуждения синхронного генератора, на фиг. 2 - эпюры сигналов на основных элементах схемы.
Система возбуждения включает синхронный генератор 1, имеющий обмотку якоря 2 и обмотку индуктора 3, которая подключена к выходу первого выпрямителя 4, суммирующий трансформатор 5, имеющий четыре обмотки: первичную токовую 6; первичную обмотку напряжения 7; вторичную обмотку 8 и обмотку управления 9, подключенную к выходу корректора напряжения 10, внешний источник постоянного тока 11, например, стартерная аккумуляторная батарея первый электронный ключ 12, трансформатор тока 13, шунт 14, к которому подключен второй выпрямитель 15, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, первый 17 и второй 18 регистры памяти, распределитель импульсов 19, генератор импульсов 20 стабильной частоты, вычитатель 21, задающий регистр 22, первый числовой компаратор 23, первый дифференциатор 24, RS-триггер 25, второй дифференциатор 26, первый логический элемент ИЛИ 27, шина ПУСК 28, формирователь-ограничитель 29, инвертор 30, первый логический элемент И 31, второй 32 и третий логические элементы И, второй логический элемент ИЛИ 34, третий 35, четвертый 36 и пятый 37 дифференциаторы, второй 38, третий 39, четвертый 40, пятый 41 и шестой 42 электронные ключи, второй RS-триггер 43, второй 44 и третий 45 числовые компараторы, элемент задержки 46, третий 47 и четвертый 48 регистры памяти, резистор 49, транзистор 50, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 51 и четвертый логический элемент И 52.
Система возбуждения синхронного генератора работает следующим образом.
Для начального возбуждения генератора 1 подается короткий сигнал на шину 28 ПУСК, одновременно обнуляются регистры памяти 47 и 48. Сигнал с шины 28 ПУСК через логический элемент ИЛИ 27 поступает на управляющие входы ключей 38 и 39, которые, открываясь, кратковременно включают в цепь индуктора 3 генератора внешний источник 11. Генератор 1 возбуждается и на якорной обмотке 2 появляется напряжение, которое подается на обмотку напряжения 7 суммирующего трансформатора 4. По обмотке 7 начинает протекать ток и появляется магнитодвижущая сила (МДС) обмотки 7. Под ее действием возникает магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке 8 электродвижущую силу (ЭДС). Она поступает на вход выпрямителя 4 и по обмотке индуктора 3 через ключ 12 протекает ток возбуждения, обеспечивающий заданный уровень напряжения на холостом ходу и при малых нагрузках.
При подключении к зажимам генератора 1 нагрузки протекающий по обмоткам якоря 2 ток порождает реакцию якоря, которая стремится изменить напряжение. Одновременно ток нагрузки протекает по токовой обмотке 6 трансформатора 5 и появляется МДС обмотки 6, которая геометрически складывается с МДС обмотки 7. Результирующая МДС возрастает при активной и индуктивной нагрузке и уменьшается при емкостной нагрузке. Соответственно изменяется магнитный поток трансформатора 5, ЭДС во вторичной обмотке 8 и ток возбуждения генератора 1 в обмотке индуктора 3. Этим компенсируется действие реакции якоря, и напряжение генератора остается на прежнем уровне.
Для повышения точности регулирования на обмотку управления 8 трансформатора 4 подается ток с выхода корректора напряжения 10. Если напряжение генератора, по какой-либо причине увеличилось, то возрастает выходной ток корректора 10, протекающий по обмотке 8. При этом насыщение стали сердечника трансформатора 5 увеличивается, а электромагнитная передача из первичных обмоток 6 и 7 во вторичную обмотку 8 уменьшается. ЭДС обмотки 8 снижается, ток возбуждения уменьшается, и напряжение генератора восстанавливается на прежнем уровне. Если напряжение генератора снизилось, то насыщение стали трансформатора также снижается, а электромагнитная передача и ток возбуждения возрастают, стабилизируя напряжение на заданном уровне.
Одновременно с процессами, описанными выше, анализируется величина тока нагрузки i(t), протекающего по первичной обмотке трансформатора 13.
2
2
2
п
п
Ток вторичной обмотки трансформатора тока 13 i(t)=i(t)/k, где k - коэффициент трансформации трансформатора 1, протекая по шунту 14, производит на нем падение напряжения u(t)=i(t)r, где r - сопротивление шунта 14, которое подается на вход выпрямителя 15. На выходе выпрямителя 15 появляется пульсирующее напряжение  X15 (фиг. 2), поступающее на вход АЦП 16. На выходе преобразователя 16 формируется код X16 (фиг. 2) мгновенного значения входного напряжения K(t)=u(t)/u, где u - шаг квантования АЦП 16.
доп
Этот код Х16 по существу является кодом мгновенного значения тока нагрузки генератора. Он подается на информационные входы регистров памяти 17 и 18. С выхода генератора 20 импульсы стабильной частоты f поступают на вход распределителя 19. На его выходах попеременно через фиксированный промежуток времени Δt=1/f появляются импульсы, которые попеременно поступают на входы записи регистров 17 и 18. В результате в регистры памяти 17 и 18 записываются коды K(t) и K(t+Δt) соответствующие мгновенным значениям тока нагрузки i(t) и i(t+Δt) для смежных моментов времени отличающихся на At. Коды поступают на входы вычитателя 21. На его выходе появится код Х21, соответствующий текущему приращению тока нагрузки ⎢Δi/Δt⎢ за фиксированный промежуток времени Δt. Он поступает на вход компаратора 23, где сравнивается с кодом Х22 допустимого приращения тока (Δi/Δt), который поступает с выхода задающего регистра 22 на второй вход компаратора 23.
(1)
Если текущее приращение тока нагрузки не превышает допустимой величины, то появляется сигнал Х23 на выходе МЕНЬШЕ или РАВНО компаратора 23, который подается не вход элемента И 52. Когда И 52 открывается по фронту его выходного сигнала дифференциатор 24 выдает импульс, переводящий триггер 25 в единичное состояние. Сигнал Х25(1) с прямого выхода триггера 25 открывает электронный ключ 12, выводящий из работы цепь форсировки и подключающий обмотку возбуждения 3 к выпрямителю 4.
Из каждой полуволны тока нагрузки формирователь-ограничитель 29 вырабатывает прямоугольный импульс Х29, который поступает на вход элемента НЕ 30. Каждую половину периода в моменты времени, когда мгновенное значение тока практически равно нулю, а приращение тока максимально, на выходе элемента НЕ 30 появляется короткий импульс Х30 поступающий на входы элементов И 31 и 52, подготавливая их по первому входу.
(2)
Если текущее приращение тока нагрузки больше допустимой величины, то появляется сигнал Х23 на выходе БОЛЬШЕ компаратора 23, открывающий элемент ИЗ 1. По фронту сигнала с выхода элемента ИЗ 1 дифференциатор 26 выдает импульс, переводящий триггер 25 в нулевое состояние. При этом сигнал на его прямом выходе исчезает, выключая ключ 12, а на инверсном - появляется, открывая ключ 42 для указания направления форсировки.
m
m
m(i+1)
m(i+1)
С началом каждой полуволны X15 тока нагрузки по фронту импульса Х30 с выхода элемента НЕ 30 дифференциатор 37 вырабатывает импульс Х37, который походит через элемент задержки 46 и элемент ИЛИ 34 и обнуляет регистр памяти 47 и на второй вход компаратора 44 поступает нулевой код Х47. На первый вход компаратора 44 подается возрастающий код X16 мгновенного значения тока с выхода АЦП 16. Появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 44, который поступает на вход дифференциатора 36. Импульс с выхода дифференциатора 36 поступает на вход записи регистра памяти 47 и производит в него запись кода мгновенного значения тока. По мере роста мгновенного значения тока производится перезапись кода X16 тока в регистр памяти 47. Процесс перезаписи производится до момента записи кода амплитуды тока нагрузки I. С началом очередной полуволны X15 тока нагрузки импульс Х37 с выхода дифференциатора 37 осуществляет запись кода Х47 амплитуды тока I(i) с выхода регистра 47 в регистр памяти 48 откуда он подается на первый вход компаратора 45. Тот же импульс с задержкой времени через элемент задержки 46 и элемент ИЛИ 34 обнуляет регистр 47, обеспечивая формирование последующего кода Х47 амплитуды тока нагрузки I, который подается на второй вход компаратора 45. После записи в регистр 47 амплитуды последующего значения тока I, появляется сигнал на выходе МЕНЬШЕ компаратора 44, по фронту которого дифференциатор 35 выдает импульс поступающий на первые входы элементов И 32 и 33.
m(i)
m(i+1)
Если I<I, что возникает при набросе нагрузки, появляется сигнал на выходе МЕНЬШЕ компаратора 45 и через элемент И 32 проходит сигнал на единичный вход триггера 43. Сигнал с прямого выхода триггера 43 проходит элемент ИЛИ 27 и открывает ключи 39 и 38, которые подключают к выпрямителю 4 последовательно согласно внешний источник 11, что вызывает увеличение возбуждения.
m(i)
m(i+1)
Если I>I, что возникает при сбросе нагрузки, появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 45. Через элемент И 33 проходит сигнал сбросовый вход триггера 43, который сигналом с инверсного выхода включает ключи 40 и 41. Внешний источник 11 подключается встречно последовательно к выпрямителю 4, что уменьшает напряжение и ток возбуждения.
Б
К
К
Б
К
49
49
3
4
4
Для исключения чрезмерной коррекции возбуждения вводится управление форсировкой, для чего источник 11 подключается через транзистор 50. Управление форсировкой осуществляется следующим образом. С выхода вычитателя 21 код приращения тока нагрузки поступает на вход ЦАП 51. На выходе ЦАП 51 появляется напряжение, величина которого соответствует величине приращения тока нагрузки. Это напряжение определяет величину базового тока I транзистора 50. Коллекторный ток I транзистора 50, являющийся функцией базового тока I=ƒ(I), протекая по резистору 49 он вызывает на резисторе падение напряжения ΔU=I⋅R, где R - сопротивление резистора 49. Напряжение на обмотке 3 возбуждения равно U=U±ΔU, где U - напряжение на выходе выпрямителя 4. Причем знак (+) соответствует набросу нагрузки, а знак (-) - сбросу нагрузки.
Отключение цепи форсировки происходит, когда приращение тока нагрузки снижается до допустимой величины и появляется сигнал на выходе МЕНЬШЕ или РАВНО компаратора 23, а триггер 25 переводится в единичное состояние.
Таким образом, предложенная система возбуждения генератора имеет высокую форсировочную способность, ограниченную лишь параметрами внешнего источника 11. Она обладает высоким быстродействием форсировки возбуждения, которое определяется частотой генератора 20 импульсов стабильной частоты. При этом обеспечивается дозированная двунаправленная форсировка возбуждения, как при набросе, так и при сбросе нагрузки генератора.
Источники информации
1. Полянский В.Ф., Попов А.В. Электрооборудование судов и предприятий: Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1989, с. 233-236.
2. Сугаков В.Г., Хватов О.С. Основы автоматического регулирования выходных электрических параметров Часть 2. Автоматическое регулирование напряжения автономных источников электрической энергии. Учебное пособие для вузов. - Кстово: НВВИКУ (ВУ), 2007, с. 44-52.
3. Сугаков В.Г., Хватов О.С. Системы автоматического регулирования параметров электрической энергии судовых электростанций. Часть 2. Автоматическое регулирование напряжения судовых источников электрической энергии. Учебное пособие. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2011, с. 59-95.
4. Система возбуждения синхронного генератора. Описание изобретения к патенту RU 2470454, кл. Н02Р 9/14, 2012.