СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНЕЙ ФОРСИРОВКОЙ
EXCITATION CONTROL SYSTEM OF SYNCHRONOUS GENERATOR WITH EXTERNAL FORCING

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 не высокая форсировочная способность и как следствие невозможность пуска асинхронных двигателей с коротко-замкнутым ротором соизмеримых по мощности с генератором.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является система возбуждения синхронного генератора с внешней форсировкой, 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, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами входа дешифратора, младшие n выходов которого 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 /4/.
Недостатком прототипа является отсутствие форсировки возбуждения при сбросе нагрузки.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения форсировки при набросе и сбросе нагрузки.
Цель изобретения достигается тем, что система регулирования возбуждения синхронного генератора с внешней форсировкой, 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, кроме того к первому входу элемента ИЛИ, подключена шина ПУСК, а сбросовый вход первого RS-триггера через первый формирователь коротких импульсов соединен с выходом первого элемента И, второй вход которого через первый 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 входа дешифратора, младшие n выходов которого соединены с первым входом первого элемента И, а остальные (m-n) выходов связаны с единичным входом триггера, причем число n соответствует коду предельно допустимого приращения тока нагрузки генератора снабжена вторым, третьим, четвертым и пятым логическим элементом И, шиной СБРОС, первым и вторым числовым компаратором, вторым формирователем коротких импульсов, первым и вторым элементами задержки, вторым RS-триггером, вторым источником постоянного тока, третьим и четвертым регистрами памяти, вторым и третьим электронным ключом, включенным между обмоткой индуктора генератора и положительным зажимом первого источника постоянного тока, а управляющий вход третьего электронного ключа подключен к выходу второго инвертора, связанного входом с управляющим входом второго электронного ключа и выходом четвертого логического элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу второго RS-триггера, а первый вход связан с прямым выходом первого RS-триггера и первым входом пятого логического элемента И, выход которого через второй вход логического элемента ИЛИ соединен с управляющим входом первого электронного ключа, а второй вход - с прямым выходом второго RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу второго логического элемента И, связанного первым входом с выходом БОЛЬШЕ второго числового компаратора, разряды первого входа которого связаны с соответствующими разрядами входа четвертого регистра памяти, второго входа первого числового компаратора разрядами и разрядами выхода третьего регистра памяти, вход записи которого подключен к выходу БОЛЬШЕ первого числового компаратора, связанного выходом МЕНЬШЕ со входом второго формирователя коротких импульсов, а разрядами первого входа - с соответствующими разрядами выхода аналого-цифрового преобразователя и разрядами входа третьего регистра памяти, сбросовый вход которого соединен с выходом первого элемента задержки, связанного входом с выходом второго формирователя коротких импульсов, с входом второго элемента задержки и вторыми входами второго и третьего логического элемента И, выход которого подключен к сбросовому входу второго RS-триггера, а первый вход - к выходу МЕНЬШЕ второго числового компаратора, разряды второго входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода четвертого регистра памяти, вход записи которого подключен к выходу второго элемента задержки, а сбросовый вход связан со сбросовым входом третьего регистра памяти и шиной СБРОС, кроме того параллельно третьему электронному ключу подключены последовательно соединенные второй электронный ключ и второй источник постоянного тока, ЭДС которого направлена встречно напряжению первого выпрямителя.
Первый числовой компаратор, третий регистр памяти, второй формирователь коротких импульсов, первый элемент задержки и их связи обеспечивают измерение амплитуды тока нагрузки. Второй числовой компаратор, четвертый регистр памяти, второй элемент задержки, второй, третий, четвертый и пятый логические элементы И, второй RS-триггер и их связи устанавливают необходимое направление форсировки. Второй и третий электронные ключи, второй инвертор, второй источник постоянного тока и их связи обеспечивают форсировку при сбросе нагрузки.
На фиг. 1 представлена схема системы регулирования возбуждения синхронного генератора с внешней форсировкой, на фиг. 2 - эпюры сигналов на основных элементах схемы.
доп
Система возбуждения (фиг. 1) 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 5 имеет магнитный шунт, который отделяет обмотку 7 от других обмоток на сердечнике трансформатора. Внешний источник постоянного тока 11, например, стартерная аккумуляторная батарея, подключен параллельно индуктору 3 через электронный ключ 12. 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 первого формирователя 26 коротких импульсов. Второй вход логического элемента ИЛИ 27 соединен с шиной ПУСК 28, а выход - с управляющим входом электронного ключа 12. Формирователь-ограничитель 29 входом подключен к выпрямителю 15, а выходом через первый инвертор 30 - ко второму входу первого логического элемента 31 И, первый вход которого подключен к n младших выходов дешифратора 22, а выход к входу первого формирователя 26 коротких импульсов. Число n соответствует коду предельно допустимого приращения (Δi/Δt) тока нагрузки генератора. Кроме того схема содержит второй 32, третий 33, четвертый 34 и пятый 35 логические элементы И, первый 36 и второй 37 числовые компараторы, второй формирователь 38 коротких импульсов, первый 39 и второй 40 элементы задержки, второй RS-триггер 41, второй инвертор 42, второй источник 43 постоянного тока, третий 44 и четвертый 45 регистры памяти, второй 46 и третий 47 электронные ключи и шину 48 СБРОС. Время задержки у первого элемента 39 больше, чем время задержки у второго элемента 40 задержки.
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 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.
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 i(t) нагрузки генератора, протекающего по первичной обмотке трансформатора 13.
2
Ток i(t) вторичной обмотки трансформатора 13 тока
2
i(t)=i(t)/k, где k - коэффициент трансформации трансформатора 13. Этот ток, 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)| X15 (фиг. 2), поступающее на вход АЦП 16. На выходе преобразователя 16 формируется код X16 мгновенного значения входного напряжения
n
n
X16=u(t)/ u, где u - шаг квантования АЦП 16.
Этот код X16 по существу является кодом мгновенного значения тока нагрузки генератора, который анализируется по двум каналам. Первый канал определяет амплитуду тока и тенденцию его изменения (сброс или наброс нагрузки). Второй канал проводит оценку скорости изменения тока для принятия решения о необходимости форсировки.
Перед работой с шины СБРОС 48 подается сигнал на сбросовые входы регистров памяти 44 и 45, на выходе которых устанавливается нулевой код. При включении нагрузки на выходе АЦП 16 появляется код X16, поступающий на первый вход компаратора 36, на второй вход которого подан нулевой код с выхода регистра памяти 44. Появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 36 и в регистр 44 записывается код мгновенного значения тока с выход АЦП 16. Процесс перезаписи кодов Х44 (фиг. 2) в регистр 44 продолжается до момента записи кода первой амплитуды, после чего появляется сигнал на выходе МЕНЬШЕ компаратора 36. По фронту этого сигнала формирователь коротких импульсов 38 выдает короткий сигнал Х38. Сигналом Х40 с выхода элемент задержки 40 в регистр памяти 45 переписывается код первой амплитуды с выхода регистра 44. После чего с выдержкой времени, обусловленной сигналом Х39 с выхода элемента задержки 39, регистр 44 обнуляется, готовясь к формированию кода второй амплитуды тока. Перед этим код Х44 с выхода регистра 44 поступающий на первый вход компаратора 37, сравнивается с кодом Х45 первой амплитуды тока, поданным на второй вход компаратора 37 с выхода регистра 45. При последующих циклах измерения амплитуды тока к моменту их завершения на выходе регистра 45 присутствует код Х45 амплитуды в предыдущий момент времени, а на выходе регистра 44 присутствует код Х44 (фиг. 2) амплитуды в текущий момент времени.
1
2
(1)
При набросе нагрузки (фиг. 2 интервал времени t-t) код Х44 на выходе регистра 44 больше кода Х45 на выходе регистра 45, поэтому появляется сигнал Х37 на выходе БОЛЬШЕ компаратора 37, который подготавливает элемент И 32 по первому входу. После завершения цикла измерения амплитуды тока сигнал Х38 с выхода формирователя 38 поступает на второй вход элемента И 32. Появляется сигнал Х32 на выходе элемента И 32, поступающий на единичный вход RS-триггера 41, у которого появляется сигнал на прямом выходе.
3
4
(2)
Когда происходит сброс нагрузки (фиг. 2 интервал времени t-t), код Х44 на выходе регистра 44 меньше кода Х45 на выходе регистра 45, поэтому появляется сигнал Х37 на выходе МЕНЬШЕ компаратора 37, который подготавливает элемент И 33 по первому входу. При завершении очередного цикла измерения амплитуды тока сигнал Х38 с выхода формирователя 38 поступает на второй вход элемента И 33, подготовленного по первому входу. Появляется сигнал Х33 на выходе элемента И 33, поступающий на сбросовый вход RS-триггера 41, у которого появляется сигнал на инверсном выходе.
Таким образом, если происходит наброс нагрузки, то сигнал присутствует на прямом выходе RS-триггера 41, а если сброс - то на инверсном выходе.
20
20
Одновременно производится оценка скорости изменения тока. С выхода АЦП 16 код мгновенного значения тока подается на информационные входы регистров памяти 17 и 18. С выхода генератора 20 импульсы стабильной частоты ƒ поступают на вход распределителя 19. На его выходах попеременно через фиксированный промежуток времени Δt=1/ƒ появляются импульсы, которые поступают на входы записи регистров 17 и 18. В результате в регистры памяти 17 и 18 записываются коды К(t) и К(t+Δt) соответствующие мгновенным значениям тока нагрузки i(t) и i(t+Δt) для смежных моментов времени отличающихся на Δt. 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 пи 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, подготавливающий элементы И 34 и 35 по первым входам.
При набросе нагрузки открывается элемент И 35. Сигнал с его выхода через элемент ИЛИ 27 поступает на управляющий вход ключа 12, который открывается и подключает источник постоянного тока 11 к индуктору через ключ 47, открытый сигналом с выхода инвертора 42. Происходит форсированное увеличение возбуждения генератора. 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 с выхода формирователя 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.
При сбросе нагрузки сигналами с прямого выхода RS-триггера 25 и инверсного выхода RS-триггера 41 открывается элемент И 34. Сигнал с его выхода поступает на вход инвертора 42, закрывающего ключ 47. Одновременно сигнал с выхода элемента И 34 открывает ключ 46, который включает встречно напряжению выпрямителя 4 источник постоянного тока 43 в цепь обмотки 3 индуктора генератора. Возбуждение генератора форсированно снижается.
Таким образом, предложенная система возбуждения генератора имеет высокую форсировочную способность при сбросе и набросе нагрузки.
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 RU 2510698, кл. Н02Р 9/14, 2014.