Следящие системы автоматического управления напряжением асинхронного генератора и перспективы их развития

УДК 001+376:004

СЛЕДЯЩИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ

А

© В.А. Пионкевич1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены системы регулирования напряжения aсинхронных генераторов с учетом их преимуществ и недостатков. Сформулированы перспективы развития систем автоматического управления напряжением асинхронного генератора на основе современных микроконтроллеров с программируемой логикой и силовыми полупроводниковыми приборами: тиристорами, симисторами, транзисторами. Координация систем автоматического управления режимами различных источников распределенной генерации между собой представляется как фактор, не учтенный в современных изолированных и централизованных системах электроснабжения промышленных предприятий и сельскохозяйственных объектов.

Ключевые слова: aсинхронный гeнератор; системы автоматического управления; регулятор напряжения; микроконтроллеры; координация систем автоматического управления; источник распределенной генерации.

AUTOMATIC VOLTAGE CONTROL SERVO SYSTEMS OF INDUCTION GENERATORS AND THEIR DEVELOPMENT PROSPECTS V.A. Pionkevich

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article considers voltage regulation systems of induction generators with regard to their advantages and disadvantages. It outlines the development prospects of automatic voltage control servo systems of an induction generator on the basis of modern microcontrollers with programmable logic and power semiconductors: thyristors, bilateral triode switches, transistors. Coordination of the systems of automatic control of operation modes of different distributed generation sources between each other is treated as an unaccounted factor in contemporary autonomous and centralized power supply systems of industrial enterprises and agricultural facilities.

Keywords: induction generator; automatic control systems; voltage regulator; microcontrollers; coordination of automatic control systems; source of distributed generation.

Введение

Асинхронные машины широко применяются в промышленности и сельском хозяйстве. Причина столь широкого применения заключается в простоте их конструкции, надежности, удобстве эксплуатации, высоком КПД. Асинхронная машина обратима, то есть возможен режим работы в качестве двигателя или генератора. Работа асинхронной машины в режиме генератора требует, чтобы к валу ротора машины была подведена механическая энергия. В качестве первичного двигателя в данном случае могут выступать ветро- и гидротурбины, двигатели внутреннего сгорания. Также к статорной обмотке асинхронной машины необходимо подключить управляемый источник реактивной мощности. В качестве простейшего источника реактивной мощно-

сти могут использоваться батареи конденсаторов для обеспечения асинхронной машины реактивным емкостным током и ее самовозбуждения.

До недавнего времени широкое использование aсинхронных машин с корот-козамкнутым ротором в генераторном режиме сдерживалось отсутствием технологий для реализации упрaвляемого источник реактивной мощности. В случае использования обычных конденсаторных батарей возникает проблема, вызванная отсутствием автоматического управления напряжением. К статорной обмотке aсин-хронного генератора подключается нaгруз-ка, затем через определенный промежуток времени нагрузка изменяется; как правило, пропорционально нагрузке меняется и потребляемый ток. Хаотическое поведение

1Пионкевич Владимир Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: pionkevichva@istu.edu

Pionkevich Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: pionkevichva@istu.edu

нагрузки вызвано технологическими процессами, а также особенностями потребителей коммунально-бытовой сферы. Изменение режима по току и напряжению - это постоянный динамический процесс, требующий наличия так называемых следящих систем автоматического управления режимом работы асинхронного генератора. В общем случае при изменении нагрузки, подключенной к генератору, требуется изменить величину емкости конденсаторов, подключенных к статорной обмотке асинхронного генератора. Системы автоматического управления напряжением предназначены для поддержания напряжения генератора на заданном уровне с учетом мощности и характера нагрузки.

Анализ систем автоматического управления напряжением асинхронного генератора

В данной работе анализируются системы автоматического управления напряжением асинхронного генератора с учетом их преимуществ и недостатков, а также рассматриваются перспективы развития современных систем автоматического управления на современной элементной базе цифровой техники.

Широко известен способ регулирования напряжения асинхронного генератора, основанный на отключении и подключении части конденсаторных батарей к статорной обмотке. Способ основан на отключении и подключении части конденсаторных батарей к статорной обмотке. Данный способ морально устарел и не эффективен, но важно отметить, что при постоянной величине емкости конденсаторных батарей можно регулировать напряжение путем изменения величины напряжения на конденсаторах возбуждения.

Второй способ - регулирование напряжения за счет подключения к статорной обмотке насыщающегося дросселя, забирающего определенную емкость конденсаторов, идущую на компенсацию его реактивной мощности. Устойчивость работы асинхронного генератора и уменьшение колебаний напряжения достигаются компенсацией реактивной мощности дросселя

конденсаторами при изменении нагрузки. Высвобожденная реактивная мощность идет на собственные нужды генератора. Насыщение дросселя уменьшается, магнитная проницаемость и индуктивность увеличиваются, а потребляемый реактивный ток уменьшается. При уменьшении нагрузки генератора и увеличении напряжения на дросселе эти явления происходят в обратном порядке. Подробно изучить работу асинхронного генератора с насыщенным дросселем можно при помощи круговой диаграммы проводимостей, рассмотренной в [1].

Используется также регулирование напряжения включением дополнительных конденсаторов последовательно с нагрузкой. Нагрузка запитывается не напрямую от генератора, а через конденсаторы, включенные последовательно с нагрузкой. Для различных по характеру нагрузок получают ряд значений напряжений на статорной обмотке и на нагрузке. По данным напряжениям строят кривые их зависимости от мощности нагрузки. Изменяя величины емкостей последовательно и параллельно включенных конденсаторов, исследуя работу генератора при каждой из них, получают ряд кривых, по которым подбирается наиболее рациональное сочетание значений конденсаторов.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) емкости возбуждения: при этом способе часть конденсаторов периодически подключается и отключается от статорной обмотки генератора для регулирования напряжения. Существуют варианты схем с ШИМ емкости [2, 3]:

1. С периодом коммутации, большим и кратным периоду генерируемого тока;

2. Схемы высокочастотной коммутации, когда период включения меньше периода переменного напряжения.

Коммутируемая емкость Сд во всех

режимах больше емкости постоянно включенных конденсаторов. Схемы с высокочастотной ШИМ емкости можно разделить на два типа: без подзаряда емкости (рис. 1, а);

иг ± с,

Схема Схема

ШИМ ШИМ

(----1

-L-V Ц

!—Л— I

± с ur ± с,

Г

""1 _!_V J_

'А-

= = с

Схема подзаряда

R„,

Ur ± с

± с

Г сд

иг ф Сп

д

-п/1-О

Ф с

U

0

0,25 0,5 0,75 1

Р 0,5 0,25 0

0,25 0,5 0,75 1

е ж "Э з

Рис. 1. Схемы регулирования напряжения с высокочастотной коммутацией емкостей. Схема коммутации: а - без подзаряда; б - с устройством подзаряда. Эквивалентные схемы: в - без подзаряда; г, д - с подзарядом. Активные потери: ж - в схеме без подзаряда; з - с подзарядом; е - векторная диаграмма напряжений и токов в схеме без подзаряда

с подзарядом емкости (рис. 1, д). В эквивалентной схеме устройства без подзаряда коммутируемого конденсатора ключевой элемент представлен в виде двух сопротивлений - прямого Я и обратного Яобр -

сопротивлений ключа и идеального ключевого элемента, шунтирующего обратное сопротивление (рис. 1, б). Потери в схемах высокочастотной коммутации конденсаторов возбуждения по сравнению с потерями в устройствах без подзаряда примерно равны и составляют около 40% от регулируемой реактивной мощности возбуждения [4].

При использовании тиристорного регулятора реактивного тока с фазовым управлением емкость конденсаторов выбирается так, чтобы обеспечить реактивным током генератор с активно индуктивной нагрузкой. При изменении нагрузки регулятор вырабатывает индуктивный ток, компенсирующий часть емкостного тока конденсаторов. Существуют три варианта подобного регулятора: встречно-параллельно включенные тиристоры, которые подклю-

чают к обмоткам статора один, два дросселя или резистор (см. рис. 2). Фазовое управление тиристорами симметрично в каждый полупериод фазного напряжения для обеспечения плавного изменения индуктивного тока устройства. Схемы отличаются рабочим диапазоном угла открытия тиристоров. При коммутации одного дросселя изменение тока осуществляется в диапазоне 90°<^< 180° и

270° < а2 < 360°. Ток через дроссель носит

дискретный характер.

Индуктивный характер тока можно обеспечить, шунтируя статорные обмотки генератора в конце каждого полупериода резисторами. Возникающие импульсы тока размагничивают генератор, вызывая эффект подключения индуктивной нагрузки. Рабочий диапазон открытия тиристоров в такой схеме не должен превышать 60°.

Перспективы развития систем автоматического управления

Перспективен регулятор напряжения на основе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). С целью улучшения формы

а

б

в

г

д

генерируемого напряжения и снижения потерь в регуляторе целесообразно использовать несколько блоков конденсаторов для управления реактивным током возбуждения. Коммутацию блоков конденсаторов рационально осуществлять при помощи дискретного устройства, обеспечивающего необходимую емкость возбуждения. Основным элементом цифрового регулятора является аналого-цифровой преобразователь (АЦП), состоящий из реверсивного счетчика, код выхода которого изменяется

импульсным блоком управления в зависимости от состояния ноль-органа, реагирующего на разность сигналов от датчика напряжения и от цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Работой АЦП управляет генератор тактовых импульсов, который удобно синхронизировать с напряжением асинхронного генератора.

Ряд представленных способов регулирования напряжения, в частности, с помощью отключения и подключения части конденсаторных батарей к статорной об-

Г. гГ

Т

J3!

Zн

Рис. 2. Регулирование реактивного тока тиристорами, коммутирующими дроссели или резисторы - функциональные схемы регуляторов [4]

б

Рис. 3. Схемы цифрового регулятора напряжения асинхронного вида: а - в развернутом виде; б - структурная схема; АГ - асинхронный генератор; БК - блок конденсаторов; РС - реверсивный счетчик; БУ - блок управления; ГТИ - генератор тактовых импульсов; НО - ноль-орган; ДН - датчик напряжения; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

C

L

мотке, изменением напряжения на конденсаторах возбуждения, устарели и обладают серьезными недостатками, такими как отсутствие автоматизации, низкое быстродействие и надежность при эксплуатации. Широтно-импульсная модуляция емкости возбуждения с использованием низкочастотного блока конденсаторных батарей не позволяет добиться требуемого качества регулирования напряжения, хотя способ является простым по технической реализации. Тиристорный регулятор индуктивного тока с фазовым управлением обладает недостатком, связанным с искажением реактивного тока возбуждения, что, в свою очередь, приводит к искажениям синусоидальности формы кривой напряжения асинхронного генератора и требует применения фильтров. При коммутации стопроцентной активной нагрузки максимальное отклонение напряжения не превышает при этом 18% от номинального значения, а длительность переходного процесса составляет не более 0,1 с. Данный способ обладает существенными недостатками, связанными со значительными потерями на шунтирующих резисторах и возникновением нелинейных искажений напряжения асинхронного генератора. Регулятор напряжения асинхронного генератора на основе аналого-цифровых преобразователей обладает плохой помехоустойчивостью, сложностью разработки и настройки.

Существует техническое решение для регулирования напряжения асинхронного генератора на основе релейных схем. В зависимости от тока нагрузки, характера нагрузки с помощью релейной схемы производится выбор величины емкости конденсаторов возбуждения. Силовая часть данной схемы может быть реализована на базе элементов силовой преобразовательной техники, то есть на основе тиристоров, транзисторов. А наличие подобных элементов силовой электроники вызывает искажение формы кривой питающего напряжения, что, в свою очередь, потребует использования фильтров.

Кроме нормальных эксплуатационных режимов работы асинхронного генера-

тора на разные по характеру нагрузки, может возникнуть ряд аварийных и ненормальных режимов, таких как возникновение коротких замыканий различных видов на нагрузке, перегрузка генератора по току, что способно вызвать развозбуждение генератора и перебои в электроснабжении нагрузок, запитанных от шин асинхронного генератора. Все рассмотренные выше регуляторы не обладают механизмом распознавания аварийного или ненормального режима работы, следовательно, при их возникновении могут сработать только релейная защита либо автоматический выключатель; автоматизация управления режимом работы в данном случае полностью отсутствует.

Заключение

Мы отметили, что ряд способов автоматического регулирования напряжения асинхронного генератора возможно комбинировать: например, схему регулятора на основе тиристорного регулятора емкостного тока с регулятором на основе аналого-цифровых преобразователей. Современные микропроцессорные системы с гибкой логикой работы позволяют использовать программный код на языке программирования С ++ как замену элементов цифровых устройств. В качестве силовой части подобного регулятора можно применить тиристоры, симисторы и другие современные силовые полупроводниковые приборы. Для реализации такого регулятора необходимы знания по работе с микроконтроллерами, а также знания принципов действия современных полупроводниковых приборов. Данная система автоматического управления обладает возможностью интеграции нескольких источников электрической энергии с асинхронными генераторами в изолированную систему электроснабжения или централизованную электроэнергетическую систему. Особенно актуальна разработка подобных систем автоматического управления для парка источников распределенной генерации различного вида с целью решения задач координации их систем автоматического управления.

Статья поступила 12.01.2016 г.

Библиографический список

1. Зубков Ю.Д. Асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением. Алма-Ата: Изд-во Академии наук Казахской ССР, 1949. 113 с.

2. Постников И.М. Теория и методы расчета асинхронных турбогенераторов. Киев: Наук. думка, 1977. 175 с.

3. Бояр-Созонович С.П., Кузнецов А.А., Гинтул Н.В. Использование цифрового регулятора для стабили-

зации напряжения бесконтактного асинхронного генератора // Электромашиностроение и электрооборудование. 1975. Вып. 20. С. 75-78. 4. Вишневский Л.В., Пасс А.Е. Системы управления асинхронными генераторными комплексами. Киев; Одесса: Лыбидь, 1990. 168 с.

УДК 621.315.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ АЛТАЙ - ИТАТСКАЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ТРЕХФАЗНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ

© Н.В. Сизганов1, Е.Ю. Сизганова2, Р.А. Петухов3, В.В. Шевченко4

Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

Рассмотрено построение модели воздушной линии ВЛ-1106 Алтай - Итатская, выполненной в габаритах 1150 кВ, для исследования переходных процессов, возникающих при ликвидации коротких замыканий, с помощью трехфазного автоматического повторного включения (ТАПВ). Такие коммутации включения-отключения активно-индуктивного тока могут происходить при работе ТАПВ-линий с перекомпенсацией фазных емкостей. Ключевые слова: апериодическая составляющая тока; воздушная линия (ВЛ); коммутационные перенапряжения; подстанция; трехфазное автоматическое повторное включение (АПВ); шунтирующие реакторы; элега-зовые выключатели.

ALTAY-ITATSKAYA ELECTRICITY TRANSMISSION MODELING TO STUDY THREE-PHASE AUTO-RECLOSE REGIMES

N.V. Sizganov, E.Yu. Sizganova, R.A. Petukhov, V.V. Shevchenko

Siberian Federal University,

79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.

The paper deals with the modeling of the overhead transmission line of TL-1106 Altay-Itatskaya implemented in the value of 1150 kV intended for the research of transient process that takes place under the liquidation of short-circuits by means of three-phase auto-reclosing (TPAR). Such switching on-off of the active-inductive current can occur in TPAR lines operation with the overcompensation of phase capacitors.

Keywords: aperiodic component of current; (overhead) transmission line (TL); commutation overvoltages; substation; three-phase autoreclosing; shunt reactors; SF6 circuit-breakers.

Введение

Короткие замыкания (КЗ), возникающие на воздушных линиях (ВЛ) 330-750 кВ, после кратковременного отключения ВЛ в большинстве случаев самоустраняются. Эффективным средством повышения

надежности электрических систем является трехфазное автоматическое повторное включение (ТАПВ) линий электропередачи. Для осуществления ТАПВ требуется не только быстродействующая релейная защита, но и надежные выключатели, имею-

1

Сизганов Никита Вячеславович, магистрант, e-mail: vitz1234@gmail.com Sizganov Nikita, Master's Degree student, e-mail: vitz1234@gmail.com

2Сизганова Евгения Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: YSizganova@sfu-kras.ru

Sizganova Evgeniya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: YSizganova@sfu-kras.ru

Петухов Роман Алексеевич, старший преподаватель кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: rom_pet1@mail.ru

Petukhov Roman, Senior Lecturer of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: rom_pet1@mail.ru

4Шевченко Вадим Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: vdmsh@yandex.ru

Shevchenko Vadim, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: nosova@istu.irk.ru