СИСТЕМА ВОЗДУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНЕЙ ФОРСИРОВКОЙ
SYSTEM OF SYNCHRONOUS GENERATOR EXCITATION WITH EXTERNAL BOOSTING

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 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 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 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/.
Недостатком прототипа является большое число элементов системы и их связей, что отрицательно сказывается на ее надежности.
Цель изобретения - повышение надежности путем уменьшения числа элементов и их связей.
Цель изобретения достигается тем, что 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, 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, снабжены дешифратором с соответствующими разрядами входа которого соединены разряды выхода вычитателя, причем, младшие n выходов дешифратора соединены с первым входом элемента И, а остальные (m-n) выходов связаны с единичным входом триггера, причем число n соответствует коду предельно допустимого приращения тока нагрузки генератора.
Дешифратор осуществляет оценку величины приращения тока генератора. Его связи n младших выходов с первым входом элемента И поддерживает запрет на форсировку возбуждения в нормальных режимах работы генератора. Связи остальных (m-n) разрядов выхода с единичным входом триггера включают форсировку возбуждения, когда приращение тока генератора превышает критическую величину. Соответствие числа n коду предельно допустимого приращения тока нагрузки генератора обеспечивает качественную оценку тока.
На фиг.1 представлена схема системы возбуждения синхронного генератора с внешней форсировкой.
доп
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. Для обеспечения условий фазового компаундирования трансформатор 4 имеет магнитный шунт, который отделяет обмотку 7 от других обмоток на сердечнике трансформатора. Параллельно индуктору 3 через электронный ключ 12 подключен внешний источник постоянного тока 11, например, стартерная аккумуляторная батарея. Последовательно с обмоткой якоря 2 включен трансформатор тока 13. В цепь его вторичной обмотки включен шунт 14, к которому подключен второй выпрямитель 15. Его напряжение подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16. Информационные входы первого 17 и второго 18 регистров памяти соединены с АЦП 16, а их входы записи - с распределителем импульсов 19, на вход которого подключен генератор импульсов 20 стабильной частоты. Выходы вычитателя 21 подключены к входам дешифратора 22. Нагрузка генератора подключается к зажимам 23 и 24. Старшие (m-n) разрядов выхода дешифратора 22 подключены к счетному входу RS-триггера 25, сбросовый вход которого связан с выходом второго дифференциатора 26. Входы логического элемента ИЛИ 27 соединены с прямым выходом триггера 25 и шиной ПУСК 28, а выход - с управляющим входом электронного ключа 12. Формирователь-ограничитель 29 входом подключен к выпрямителю 15, а выходом через инвертор 30 - ко второму входу логического элемента 31 И, первый вход которого подключен к n младшим выходам дешифратора 22. Число n соответствует коду предельно допустимого приращения (Δi/Δt) тока нагрузки генератора.
Система возбуждения синхронного генератора работает следующим образом.
Начальное возбуждение происходит за счет остаточного магнитного потока генератора 1. При недостаточном остаточном магнитном потоке подается короткий сигнал на шину 28 ПУСК. Он через логический элемент ИЛИ 27 поступает на управляющий вход ключа 12, который, открываясь, кратковременно подключает индуктор 3 генератора к внешнему источнику 11. Генератор 1 возбуждается, 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.
Для повышения точности регулирования на обмотку управления 8 трансформатора 5 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 i(t) нагрузки генератора, протекающего по первичной обмотке трансформатора 13.
2
Ток i(t) вторичной обмотки трансформатора тока 13
2
i(t)=i(t)/k, где k - коэффициент трансформации трансформатора 13,
протекая по шунту 14, производит на нем падение напряжения
2
2
u(t)=i(t)r, где r - сопротивление шунта 14,
2
которое подается на вход выпрямителя 15. На выходе выпрямителя 15 появляется пульсирующее напряжение u(t)=|u(t)|, поступающее на вход АЦП 16. На выходе преобразователя 16 формируется код мгновенного значения входного напряжения
n
n
K(t)=u(t)/u, где u - шаг квантования АЦП 16.
Этот код 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=l/f появляются импульсы, которые 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, соответствующий текущему приращению тока нагрузки |Δi/Δt| за фиксированный промежуток времени Δt. Он поступает на вход дешифратора 22. При этом появляется сигнал на одном из m выходов дешифратора 22.
Если текущее приращение тока нагрузки не превышает допустимой величины, то сигнал появляется на одном из выходов дешифратора 22 с номерами от 1 до n и триггер 25 остается в состоянии, когда сигнал на его прямом выходе отсутствует. При этом форсировка возбуждения не производится.
Если текущее приращение тока нагрузки генератора превышает допустимую величину, то появляется сигнал на одном из выходов дешифратора 22 с номерами от (n+1) до m, который поступает на единичный вход триггера 25. Триггер 25 переводится в состояние, при котором появляется сигнал на его прямом выходе. Этот сигнал через элемент ИЛИ 27 поступает на управляющий вход ключа 12. Ключ 12 открываясь, подключает к обмотке индуктора 3 внешний источник 11, обеспечивая форсировку возбуждения. При снижении тока нагрузки до допустимых значений, например, после завершения процесса пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, появляется сигнал на одном из выходов дешифратора 22 с номерами от 1 до n, который подготавливает элемент И 31 по первому входу. В момент времени, когда мгновенное значение тока близко к нулевому значению и наблюдается максимальное приращения тока, появляется сигнал на выходе инвертора 30, который поступает на второй вход элемента И 31. На выходе элемента И 31 появляется сигнал и через дифференциатор 26 поступает сигнал на сбросовый вход триггера 25, который меняет свое состояние. Сигнал на прямом выходе триггера 25 исчезает. Закрывается ключ 12, отключая внешний источник 11 от обмотки 3 индуктора генератора.
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 и осуществляется по приращению тока генератора, еще до критического снижения напряжения. При этом надежность системы повышается за счет замены задающего регистра, числового компаратора и дифференциатора на один дешифратор.
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. Патент на изобретение по заявке №2010149367/07 (071322) от 02.12.2010 г. Положительное решение от 05.12.2010 г., кл. Н02Р 9/14.