СИСТЕМА ФОРСИРОВКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОНОМНОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА, ВХОДЯЩЕГО В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ И СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
SYSTEM FOR BOOSTING EXCITATION OF SELF-CONTAINED SYNCHRONOUS GENERATOR INCLUDED IN ELECTRICAL SYSTEM, USING ENERGY ACCUMULATORS BASED ON STORAGE BATTERIES AND HIGH-POWER SUPERCAPACITORS

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к регулированию возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии, передвижных электроагрегатах 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 кампаундирования (резисторы, автотрансформаторы, суммирующие трансформаторы) [2].
Недостатком этих систем является невысокая точность, 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 невысокая 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 общий электронный ключ, управляющий электрод которого подключен к выходу элемента ИЛИ, связанного первым входом с шиной ПУСК, а вторым входом - с прямым выходом триггера, сбросовый вход которого через второй дифференциатор соединен с выходом элемента И, второй вход которого через инвертор подключен 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, снабжена N параллельно включенными секциями, введенными между внешним источником постоянного тока и общим электронным ключом, при этом каждая секция имеет последовательно включенные резистор и секционный электронный ключ, подключенный управляющим электродом к соответствующему разряду выхода вычитателя, причем сопротивление резистора i-той секции определяется выражением Ri=R1/2(i-1), где R1 - сопротивление резистора первой секции, а параллельно секциям включен ограничительный резистор [4].
Недостатком прототипа является неэффективность форсировки возбуждения синхронного генератора при глубоких провалах напряжения (ПН), которые возникают в системах внутреннего электроснабжения промышленных потребителей из-за коротких замыканий (КЗ) на воздушных линиях в питающих сетях напряжением 110 кВ и выше. Из-за электрических связей между шинами распределительных устройств системообразующих подстанций снижение напряжения при КЗ распространяется на каждую секцию соответствующей промышленной главной понизительной подстанции и высокая чувствительность технологий к качеству электроэнергии даже на временных интервалах длительностью десятые доли секунды делает актуальной проблему снижения воздействия возмущающих факторов.
Задачей изобретения является разработка системы форсировки возбуждения автономного синхронного генератора, входящего в электротехнический комплекс, с использованием накопителей энергии на основе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности, в которой устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является ограничение глубины ПН на выводах генератора при КЗ в электрической сети или при пусках электродвигателей.
Технический результат достигается тем, что система форсировки возбуждения автономного синхронного генератора, входящего в электротехнический комплекс, с использованием накопителей энергии на основе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности, 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 генератора, первичная обмотка трансформатора тока включена последовательно с обмоткой якоря генератора, а вторичная обмотка, соединена с блоком логических элементов управления системой возбуждения, выход которой подключен параллельно обмотке индуктора генератора, а первичная обмотка трансформатора напряжения подключена к зажимам синхронного генератора, согласно настоящему изобретению параллельно обмотке индуктора, с целью ограничения глубины провалов напряжения на выводах генератора при КЗ в электрической сети или при пусках электродвигателей подключен накопитель, состоящий из двух параллельно соединенных блоков, первый из которых состоит из n-аккумуляторных батарей, последовательно соединенных с n-аккумуляторными батареями, второй блок состоит из «-суперконденсаторов, часть «-аккумуляторных батарей первого блока через электронный ключ на входе и электронный ключ на выходе, подключенные к системе управления, входы которой соединены с трансформатором тока и с трансформатором напряжения, вход которого подключен к выводам синхронного генератора, при этом часть «-аккумуляторных батарей соединена параллельно обмотке индуктора на напряжение, соответствующее напряжению форсировки возбуждения синхронного генератора, оба блока подключены через управляемый инвертор и фильтр высших гармоник к выводам синхронного генератора.
Параллельно подключенная к обмотке индуктора часть накопителя электроэнергии обеспечит ограничения глубины ПН на выводах генератора при КЗ в электрической сети или при пусках электродвигателей.
На чертеже представлена схема системы форсировки возбуждения автономного синхронного генератора, входящего в электротехнический комплекс, с использованием накопителей энергии на основе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности.
Цифрами на чертеже обозначены:
1 - синхронный генератор;
2 - обмотка якоря;
3 - обмотка индуктора;
4 - выпрямитель;
5 - суммирующий трансформатор;
6 - первичная токовая обмотка суммирующего трансформатора;
7 - первичная обмотка напряжения суммирующего трансформатора;
8 - вторичная обмотка;
9 - обмотка управления;
10 - корректор напряжения;
11 - трансформатор тока;
12 - совокупность логических элементов управления форсировкой;
13 - электронный ключ на входе накопителя;
14 - накопитель, состоящий из «-аккумуляторных батарей»;
15 - накопитель, состоящий из m-аккумуляторных батарей;
16 - блок, состоящий из n-аккумуляторных батарей, последовательно соединенных с m-аккумуляторными батареями;
17 - электронный ключ на выходе накопителя;
18 - блок, состоящий из.s-суперконденсаторов;
19 - управляемый инвертор;
20 - фильтр высших гармоник;
21 - система управления;
22 - трансформатор напряжения;
Система возбуждения включает синхронный генератор 1, имеющий обмотку якоря 2 и обмотку индуктора 3, которая подключена к выходу первого выпрямителя 4. Суммирующий трансформатор 5 имеет четыре обмотки: первичную токовую 6, которая включена последовательно с обмоткой якоря 2; первичную обмотку напряжения 7, которая подключена к зажимам генератора; вторичную обмотку 8 питания индуктора 3 и обмотку управления 9, подключенную к выходу корректора напряжения 10. С целью повышения точности форсировки возбуждения включен блок логических элементов 12, представляющий собой в обобщенном виде совокупность логических элементов, представленных в патенте [4]. Для обеспечения условий фазового компаундирования трансформатор 5 имеет магнитный шунт, который отделяет обмотку 7 от других обмоток на сердечнике трансформатора. Последовательно обмотке якоря подключен трансформатор тока 11, вторичная обмотка которого, соединена с блоком логических элементов управления системой возбуждения 12, выход которой подключен параллельно обмотке индуктора генератора 3, а первичная обмотка трансформатора напряжения 22 подключена к зажимам синхронного генератора 1, параллельно обмотке индуктора 3, подключены два блока, первый блок 16 состоит из n-аккумуляторных батарей 14, последовательно соединенных с m-аккумуляторными батареями 15, и второй блок 18, состоящий из s-суперконденсаторов. N-аккумуляторные батареи 14 блока 16 через электронный ключ 13 на входе и электронный ключ 17 на выходе подключены к системе управления 21, входы которой соединены с трансформатором тока 11 и с трансформатором напряжения 22, вход которого подключен к выводам синхронного генератора 1, при этом n-аккумуляторных батарей 14 соединены параллельно обмотке индуктора 3 на напряжение, соответствующее напряжению форсировки возбуждения синхронного генератора 1, оба блока подключены через управляемый инвертор 19 и фильтр высших гармоник 20 к выводам синхронного генератора 1.
Система возбуждения автономного синхронного генератора работает следующим образом.
Начальное возбуждение происходит за счет остаточного магнитного потока генератора 1. При недостаточном остаточном магнитном потоке, в случае ПН≤0,8 Uном подается короткий импульс на систему состоящую из логических элементов 12 и систему управления 21, от трансформатора тока 11 и трансформатора напряжения 22 оттуда на вход электронных ключей 13 и 17, которые подключаясь, кратковременно подключают индуктор 3 генератора 1 к n-аккмуляторным батареям 14.
Генератор 1 возбуждается и на якорной обмотке 2 появляется напряжение, которое подается на обмотку напряжения 7 суммирующего трансформатора 5. 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 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.
Накопители работают в двух режимах: нормальном (постоянный заряд) и аварийном (разряд). При нормальном режиме заряженная аккумуляторная батарея подзаряжается малым током от сети, восполняя потерю емкости в результате саморазряда. При аварийном режиме, когда ПН≥0,7Uном или при пуске электродвигателей, когда резко увеличивается ток, накопители, состоящие из n-аккумуляторных батарей 14, m-аккумуляторных батарей 15 и s-суперконденсаторов 18, начинают выдавать запасенную энергию через управляемый инвертор 19 и фильтры 20 на выводы синхронного генератора 1. При этом происходит стремительный разряд s-суперконденсаторов 18, т.к. их время отклика значительно меньше, чем у n-аккумуляторных батарей 14, последовательно соединенных с m-аккумуляторными батареями 15, тем самым происходит ограничение ПН.
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: Стр. : 8 RU 2 523 005 С1 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. Патент РФ №2523005 от 20.07.2014 г.