УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ АСИНХРОНИЗИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Область техники
Полезная модель относится к области электротехники и, в частности, к устройствам для управления возбуждением электрических машин (генераторов и компенсаторов). При наличии, по меньшей мере, двух роторных обмоток, сдвинутых относительно друг друга по окружности ротора на некоторый угол χ, может осуществляться продольно-поперечное возбуждение машины, управление которым позволяет регулировать активную и реактивную мощности (электромагнитный момент и напряжение) статора. Генераторы и компенсаторы с парой сдвинутых на угол χ роторных обмоток в отличие от синхронных электромашин (имеющих одну роторную обмотку) получили название асинхронизированных (АС-машины). Они используются для повышения статической и динамической устойчивости энергосистем.
Уровень техники
В случае ортогонального расположения роторных обмоток (χ=90°) и равенства их электрические параметров управление возбуждением АС-машин осуществляется наиболее просто. Однако, выполнение пары роторных обмоток, сдвинутых на угол χ≠90° и/или имеющих неравные электрические параметры, дает конструктивные и технологические преимущества АС-машине. Это создает потребность в устройстве управления возбуждением, универсальном по отношению к углу сдвига и электрическим параметрам роторных обмоток.
Известно устройство управления возбуждением АС-машины, выполненное с возможностью формирования регулирующих воздействий на две ортогональные составляющие поля возбуждения ротора и преобразования сформированных регулирующих воздействий в воздействия
на токи пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами. [1]. Устройство [1] снабжено выходами для подключения к управляющим входам возбудителей роторных обмоток и информационными входами для подключения к датчикам токов в роторных обмотках, углового положения ротора, опорного сигнала, активной мощности и напряжения статора. Регулирующие воздействия формируются по сигналам с указанных датчиков и обеспечивают независимое регулирование электромагнитного момента (активной мощности) и напряжения (реактивной мощности) АС-машины, имеющей пару ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами.
Недостаток известного устройства - оно не универсально в отношении систем роторных обмоток, поскольку в случаях неортогонального расположения обмоток и/или неравенства их электрических параметров не обеспечивает независимое регулирование активной и реактивной мощностей АС-машины.
Сущность полезной модели
Задача полезной модели - сохранив возможности прототипа в отношении АС-машин с ортогональным расположением роторных обмоток с равными электрическими параметрами, обеспечить независимость регулирования активной и реактивной мощностей АС-машин с роторными обмотками, расположенными неортогонально и/или имеющими неравные электрические параметры.
Технический результат состоит в универсальности устройства, т.к. предлагаемая полезная модель способна управлять возбуждением АС-машин с разными системами роторных обмоток, характеризующимися различными соотношениями электрических параметров обмоток и различными значениями угла χ.
Предметом полезной модели является устройство управления возбуждением асинхронизированной электрической машины с парой роторных обмоток, смещенных относительно друг друга на угол сдвига,
содержащее подключенные к системной магистрали блок цифровой обработки и интерфейсный блок, снабженный выходами, предназначенными для подключения к управляющим входам возбудителей роторных обмоток, информационными входами - для подключения к датчикам токов в роторных обмотках, углового положения ротора, опорного сигнала, активной мощности и напряжения статора, установочным входом - для ввода данных, при этом интерфейсный блок выполнен с возможностью сопряжения с сигналами указанных датчиков и формирования сигналов управления возбудителями роторных обмоток из сигналов, поступающих по системной магистрали от блока цифровой обработки, который выполнен с возможностью формирования регулирующих воздействий на две ортогональные составляющие поля возбуждения ротора и преобразования указанных регулирующих воздействий в эквивалентные воздействия на токи роторных обмоток, угол сдвига и электрические параметры которых соответствуют данным, введенным по установочному входу.
Это позволяет решить поставленную задачу и получить указанный выше технический результат.
Развития и уточнения полезной модели предусматривают:
- выполнение блока цифровой обработки с возможностью интегрирования взвешенной разности токов в роторных обмотках при формировании регулирующего воздействия на одну из ортогональных составляющих поля возбуждения ротора;
- выполнение блока цифровой обработки с возможностью промежуточного преобразования указанных регулирующих воздействий в воздействия на токи эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами;
- выполнение блока цифровой обработки с возможностью вычисления токов эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток и интегрирования взвешенной разности вычисленных токов при формировании регулирующего воздействия на одну из ортогональных составляющих поля возбуждения ротора;
- выполнение блока цифровой обработки с возможностью ограничения на неравных уровнях максимальных напряжений на роторных обмотках и максимальных токов в них.
Осуществление полезной модели
Фиг.1 иллюстрирует пример осуществления полезной модели с учетом ее развитии и уточнений. На фиг.1 показаны:
- пара 1 роторных обмоток асинхронизированной электрической машины, смещенных по окружности ротора на угол χ;
- возбудители 2, питающие роторные обмотки;
- системная магистраль (общая шина) 3;
- блок 4 цифровой обработки, подключенный к общей шине 3;
- соединенный с шиной 3 интерфейсный блок 5, выходы 6 которого подключены к управляющим входам возбудителей 2, питающих роторные обмотки;
a
b
- информационные входы 7 блока 5, подключенные к датчикам 8 токов i и i, в роторных обмотках пары 1;
- информационный вход 9 блока 5, подключенный к датчику 10 углового положения β ротора;
0
ст
ст
- информационные входы 11, 12 и 13 блока 5, подключенные к датчикам опорного сигнала θ, активной мощности P и напряжения U статора асинхронизированной электрической машины соответственно (эти датчики на фиг.1 не показаны);
- установочный вход 14 блока 5, предназначенный для ввода данных.
Кроме того, фиг.1 иллюстрирует на функциональном уровне работу программируемого блока 4 (он выполняет функцию двухканального автоматического регулятора) и содержит:
y
x
- блоки 15 и 16 формирования воздействий u и u, регулирующих активную мощность (электромагнитный момент) и реактивную мощность (напряжение) соответственно;
y
x
d
q
- двухканальный блок 17 промежуточного преобразования регулирующих воздействий u и u в воздействия u и u на токи эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами;
d
q
a
b
- двухканальный блок 18 преобразования управляющих воздействий u и u в сигналы u и u управления возбуждением;
- двухканальный блок 19 ограничения токов и напряжений возбуждения;
- блок 20 выбора режима работы;
a
b
d
q
- двухканальный блок 21 преобразования значений токов i и i, измеряемых датчиками 8, в значения токов i и i эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами.
Устройство работает следующим образом.
a
b
0
ст
ст
На входы 7, 9, 11, 12 и 13 блока 5 поступают аналоговые сигналы соответствующих датчиков токов i и i в роторных обмотках, углового положения β ротора, опорного сигнала θ, активной мощности P статора, напряжения U статора. Блок 5 осуществляет сопряжение с сигналами, поступающими от датчиков, включая аналого-цифровое преобразование и выдает цифровые значения соответствующих сигналов через магистраль 3 в блок 4.
Блок 4, обрабатывает полученные цифровые значения в соответствии с запрограммированными функциями двухканального автоматического регулятора, константы и параметры которого соответствуют введенным по входу 14 данным. Результаты цифровой обработки блок 4 выдает через магистраль 3 в блок 5, который формирует (например, с использованием цифро-аналогового преобразования) на выходах 6 соответствующие сигналы управления возбудителями 2.
0
0
а
b
а
b
По входу 14, в частности, задаются уставки регулирования Р, U, и параметры χ, x и x пары 1, где x и x индуктивные сопротивления рассеяния соответствующих обмоток возбуждения.
Блок 4 выполняет функции двухканального автоматического регулятора следующим образом.
y
ст
Формирование управляющего воздействия u по каналу регулирования активной мощности Р осуществляет блок 15, обрабатывающий значение Р,
y
значение δ, формируемое в блоке 17, и значение Δ, формируемое в блоке 20. При этом u формируется в виде суммы:
0
1
2
3
где δ - угловое положение ротора в системе координат, связанной с фазой опорного сигнала θ; s - значение скольжения, вычисляемое как производная от величины δ по времени, а значения коэффициентов k, k, k регулирования активной мощности могут быть запрограммированы или введены по входу 14.
x
0
ст
Формирование управляющего воздействия u по каналу регулирования реактивной мощности осуществляет блок 16, обрабатывающий значения U и U в соответствии с операторным выражением, включающим пропорциональную, интегральную и дифференциальную части:
4
5
6
где p - оператор, k, k, k - программируемые или вводимые по входу 14 коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих выражения (2), некоторые из которых в частных случаях могут быть равны нулю.
y
x
Как видно из выражений (1) и (2), сформированные управляющие воздействия u и u не зависят друг от друга.
0
0
0
y
x
d
q
Функциональный блок 17 формирует значение δ=β-β, где β цифровое значение сигнала с датчика 10, а β соответствует фазе опорного сигнала θ, поступающего на вход 11. Затем в блоке 17 система воздействий u и u преобразуется в эквивалентную ортогональную систему воздействий u и u по формулам:
d
x
y
u=-usinδ+ucosδ;
q
x
y
u=-ucosδ+usinδ.
d
q
a
b
Функциональный блок 18 преобразует систему воздействий u и u в цифровые значения сигналов u и u управления возбуждением, которые соответствуют требуемым токам роторных обмоток, по формулам:
a
d
q
u=u·cosγ-u·sinγ;
b
d
q
u=u·cos(χ-γ)+u·sin(χ-γ),
где γ - угол, вычисленный в блоке 21 по формуле
y
a
b
a
b
d
q
В блоке 20 формируется величина Δ, представляющая собой интегральную часть пропорционально-интегрального управляющего воздействия u на выходе блока 15. В отличие от прототипа, где аналогичная составляющая формируется в результате интегрирования разности измеряемых токов i и i, (благодаря чему разность этих токов в установившемся режиме близка к нулю), в предлагаемом устройстве величина Δ формируется в результате интегрирования взвешенной разности измеряемых токов i и i. или токов i и i, которые вычисляются в блоке 21.
вар
Выбор одного из двух указанных вариантов формирования Δ в зависимости от типа возбуждаемой АС-машины осуществляется путем ввода соответствующей константы С по входу 14.
a
b
При формировании Δ по первому варианту блок 20 интегрирует взвешенную разность измеряемых токов i и i по следующему операторному выражению:
7
8
a
b
Коэффициенты k, и k вводятся по входу 14 или программируются, а значения измеряемых токов i и i поступают в устройство с датчиков 8 по входам 7.
7
8
Коэффициент k является параметром регулирования, а коэффициент k определяет соотношение токов в установившемся режиме (когда взвешенная разность токов стремится к нулю) и выбирается равным 1 в случае идентичности роторных обмоток.
Разница токов в роторных обмотках (требуемая, например, из-за неравенства номинальных токов обмоток или потерь в них) может быть обеспечена и при втором варианте формирования величины Δ.
d
q
При формировании Δ по второму варианту блок 20 интегрирует взвешенную разность вычисленных в блоке 21 токов i и i в соответствии с выражением:
9
10
10
8
9
Коэффициенты k и k вводятся по входу 14 или программируются. При этом коэффициент k (как и k) определяет соотношение токов в установившемся режиме, a k является параметром регулирования.
d
q
a
b
Значения токов i и i, обрабатываемые блоком 20, вычисляются в блоке 21 с использованием значений измеряемых датчиками 8 токов i и i, по формулам:
d
a
b
i=i·cosγ+i·cos(χ-γ);
q
a
b
i=-i·sinγ+i·sin(χ-γ).
d
q
a
b
Сформированное описанным образом по значениям вычисленных токов i и i воздействие Δ поддерживает соответствующее соотношение токов i и i, протекающих в роторных обмотках в установившемся режиме.
a
b
a
b
a
b
амах
bмаx
a
b
amax
bmax
Блок 19 обеспечивает двухканальное ограничение токов i и i и напряжений на роторных обмотках на уровнях, задаваемых раздельно для каждого канала. При этом в каждом канале измеренный ток i (i), соответствующий значению u (u), полученному в блоке 18, сравнивается с максимальным для данного канала значением тока i (i), которое задается при программировании или вводится по входу 14. Величина, соответствующая превышению тока над максимальным значением, умноженная на задаваемый для каждого канала коэффициент, вычитается из величины u (u), а полученная разность, представляющая собой значение напряжения на соответствующей обмотке, ограничивается сверху на уровне U (U), задаваемой отдельно для каждой роторной обмотки.
ao
bo
ao
bo
Ограниченные описанным образом цифровые значения u и u, соответствуют токам роторных обмоток, задаваемым блоком 4, выполняющим функцию автоматического регулятора. Значения u и u передаются через общую шину 3 в блок 5, где преобразуются в соответствующие сигналы на выходах 6 управления возбудителями 3.
Как видно из изложенного, заявленное устройство способно обеспечить управление возбуждением практически любой АС-машины, пара роторных обмоток которой соответствует введенным данным. Это доказывает, что заявленной полезной моделью достигается указанный выше технический результат. А именно: устройство универсально по отношению к парам роторных обмоток, характеризующимися различными значениями угла χ и различными (в том числе равными) электрическими параметрами обмоток.
Источники информации
1. И.А.Лабунец, А.П.Лохматов, Ю.Г.Шакарян. Режимы работы, статические и динамические характеристики асинхронизированных турбогенераторов. Изд. АН УССР, Киев, 1987. стр.17-18, рис.5.