УСТРОЙСТВО, ИМИТИРУЮЩЕЕ ЭЛЕКТРОННЫМ СПОСОБОМ БЕСКОНТАКТНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР, И СТЕНД ПРОВЕРКИ И НАСТРОЙКИ БЛОКОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ, ЗАЩИТЫ И УПРАВЛЕНИЯ
DEVICE SIMULATING AN ELECTRONIC NON-CONTACT SYNCHRONOUS GENERATOR, AND TEST BENCH AND ADJUSTMENT OF REGULATION, PROTECTION AND CONTROL UNITS

Изобретения относятся к цифровой системе управления и регулирования с аналоговыми выходами и могут быть использованы для проверки и настройки блоков регулирования, защиты и управления систем электропитания переменного тока.
Данная группа изобретений относится к объектам, один из которых предназначен для использования другого.
Настройка и проверка блоков регулирования, защиты и управления является энергозатратным и трудоемким процессом. Во-первых, это связано с тем, что данный блок работает только совместно с бесконтактным синхронным генератором. Для обеспечения работы генератора необходим энергоемкий редукторный стенд, который обеспечивает вращение генератора в его номинальном диапазоне частот. Во-вторых, испытания блока регулирования, защиты и управления включают проверку его работоспособности в различных режимах работы генератора: под нагрузкой (в этом случае на нагрузке рассеивается много энергии), на холостом ходу, при отказах, приводящих к снижению и повышению фазного напряжения и частоты. В-третьих, проверка блока включает проведение испытаний в различных условиях эксплуатации (при высокой и низкой температурах, повышенной влажности и вибрации, в условиях внешнего электромагнитного воздействия и др.). Испытания блоков в таких режимах проводятся в сертифицированных лабораториях, в которых находятся специальные камеры, создающие данные внешние условия, и аппаратура измерения, регистрирующая изменение параметров проверяемого блока. Как правило, в таких лабораториях отсутствует редукторный стенд с установленным на нем генератором, необходимым для работы данного блока, что значительно усложняет процесс проверки блоков, так как для этого необходимо либо перевозить редукторный стенд (его мобильный вариант) в данную лабораторию, либо, что более вероятно, перевозить саму камеру к редукторному стенду и приглашать сертифицированных специалистов для проведения данного вида испытаний.
В настоящее время известно устройство для проверки и регулировки блоков регулирования напряжения, описанное в патенте Калужского приборостроительного завода «Тайфун» [1]. Особенностью указанного устройства является то, что для его работы необходим бесконтактный синхронный генератор, обеспечивающий питанием все цепи проверяемого блока, а также массивный и шумный редукторный стенд, включающий редуктор и электропривод, со своей системой управления и охлаждения, необходимый для обеспечения вращения ротора генератора в рабочем диапазоне.
Первое изобретение направлено на создание устройства, которое заменяло бы работу бесконтактного синхронного генератора математической моделью, основанной на зависимости между током обмотки возбуждения возбудителя и выходным напряжением генератора в условиях вариации нагрузки генератора и частоты вращения его ротора.
Для решения данной задачи и достижения технического результата предложено устройство, которое электронным способом имитирует работу бесконтактного синхронного генератора. На фиг. 1 изображены составные части (блоки) данного устройства с их названием:
1. Входной выключатель;
2. Блок предохранителей;
3. Выпрямитель;
4. Сглаживающий фильтр;
5. Трехфазный инвертор, формирующий напряжение переменного тока частоты 800 Гц с амплитудой выпрямленного сетевого напряжения;
6. 3 понижающих трансформатора, предназначенных для снижения уровня переменного напряжения частоты 800 Гц до номинального значения фазного напряжения подвозбудителя 28 В;
7. 3 фильтра низкой частоты 800 Гц (фильтры НЧ 800 Гц), предназначенных для выделения синусоидального напряжения 28 В 800 Гц в трех фазах;
8. Двуполярный блок питания, обеспечивающий питанием усилители НЧ;
9. 3 усилителя низкой частоты, усиливающих низковольтное напряжение переменного тока частоты 400 Гц до амплитуды выходного напряжения двуполярного блока питания;
10. 3 повышающих трансформатора, предназначенных для повышения уровня переменного напряжения частоты 400 Гц до номинального значения фазного напряжения генератора 115 В;
11. 3 фильтра низкой частоты (фильтры НЧ 400 Гц), предназначенных для выделения синусоидального напряжения 115 В 400 Гц в трех фазах;
12. Блок питания собственных нужд, обеспечивающий питанием функциональные узлы цифровой вычислительной системы;
13. Цифровая вычислительная система (ЦВС);
14. Имитатор обмотки возбуждения возбудителя (имитатор ОВВ), представляющий собой эквивалентную данной обмотке активно-индуктивную нагрузку.
Электропитание 1 ф 220 В 50 Гц из розетки через входной выключатель 1 и блок предохранителей 2 подается на двуполярный блок питания 8, блок питания собственных нужд 12 и выпрямитель 3. Блок питания собственных нужд 12 обеспечивает питанием функциональные узлы ЦВС 13, на вход которой также поступает сигнал от имитатора ОВВ 14. Выпрямленное сетевое напряжение после выпрямителя 3 и сглаживающего фильтра 4 поступает на вход трехфазного инвертора, который по командам с ЦВС 13 формирует высокочастотное трехфазное напряжение по форме, близкое к синусоидальному. После прохождения каждой фазы через три понижающих трансформатора 6 и три фильтра НЧ 800 Гц 7 формируется синусоидальное трехфазное напряжение 48/28 В 800 Гц, соответствующее номинальному напряжению подвозбудителя бесконтактного синхронного генератора. Низковольтные сигналы переменного тока 400 Гц по каждой фазе от ЦВС 13 поступают на свой вход усилителя НЧ 9, где они усиливаются и после прохождения через трансформаторы 10 и фильтры низкой частоты 400 Гц 11 преобразуются в синусоидальное трехфазное напряжение частоты 400 Гц амплитуды, соответствующей значению тока в цепи имитатора ОВВ.
Имитатор ОВВ позволяет проверить работу силовых ключей блока регулирования, защиты и управления на активно-индуктивную нагрузку, соответствующей реальной ОВВ генератора, и реализует инерционность работы возбудителя генератора при изменении управляющих сигналов с блока.
ЦВС 13 предназначена для:
1) формирования трехфазного напряжения переменного тока частоты 400 Гц, амплитуда которого пропорциональна поступающему в него сигналу тока ОВВ в соответствии с моделью генератора и которая зависит от подключаемой к генератору нагрузки, - имитация основного генератора;
2) формирования трехфазного напряжения переменного тока 48/28 В 800 Гц - имитация подвозбудителя.
ген
овв
Реализация математической зависимости выходного напряжения генератора u от тока ОВВ i возможно двумя способами:
1. Приведение этой зависимости к линейному виду с расчетными коэффициентами усиления в зависимости от подключаемой нагрузки. При простоте технической реализации данного способа его недостатками являются то, что не учитываются постоянные времени демпферной, якорной обмоток и обмотки возбуждения генератора, а также насыщение магнитной цепи генератора.
2. Путем моделирования электромагнитной системы генератора на основе системы дифференциальных уравнений Горева-Парка и учитывающей насыщение генератора. При этом устраняются недостатки, указанные в первом пункте, но алгоритм вычисления значительно усложняется и требует хорошей вычислительной мощности от ЦВС. Ниже подробно описывается этот вариант.
Структурная схема ЦВС 13 представлена на фиг. 2. Данная ЦВС содержит: измеритель тока обмотки ОВВ 1, сигнал которого поступает от имитатора ОВВ; измеритель напряжения фаз генератора 2 и измеритель напряжения фаз подвозбудителя 3, являющиеся сигналами обратной связи по соответствующим фазным напряжениям генератора 115 В 400 Гц и подвозбудителя 28 В 800 Гц; микроконтроллер 4, который выдает цифровой сигнал на трехканальный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 5 для формирования трехфазного синусоидального напряжения частоты 400 Гц и широтно-импульсный сигнал на драйвер 6, формирующий трехфазное переменное напряжение частоты 800 Гц силовыми ключами трехфазного инвертора; система индикации и отображения параметров 7, в который поступает информация об измеренных параметрах генератора и режиме его работы.
Микроконтроллер 4 выполняет следующие функции:
овв
ƒ
1. Осуществляет зависимость между током обмотки возбуждения возбудителя i и напряжением возбуждения u генератора. Возбудитель отличается от основного генератора тем, что в нем отсутствует демпферная обмотка, нагрузочные режимы генератора не приводят к насыщению магнитопровода возбудителя. С учетом того, что постоянная времени ОВВ создается имитатором ОВВ, данная зависимость является линейной и определяется выражением:
где  - коэффициент усиления возбудителя при номинальной частоте вращения ротора генератора;
- относительная частота вращения ротора генератора;
ƒ
r - активное сопротивление обмотки возбуждения генератора.
ген
ƒ
2. Вычисляет математическую зависимость между выходным напряжением генератора u и напряжением его возбуждения u на основе уравнений Горева-Парка. Различные методы расчета и моделирования синхронных генераторов подробно описаны в [2], [3], [4]. В данном случае используется система дифференциальных уравнений 5-го порядка в осях d, q следующего вида:
d
q
где ψ и ψ - потокосцепления по продольной и поперечной осям соответственно;
a
d
a
q
ψ и ψ - потокосцепления реакции якоря по продольной и поперечной осям;
ƒ
ψ - потокосцепление обмотки возбуждения;
rd
rq
ψ и ψ - потокосцепления демпферных контуров по продольной и поперечной осям;
s
ƒs
x и x - индуктивные сопротивления рассеяния статорной обмотки и обмотки возбуждения соответственно;
rds
rqs
x и x - индуктивные сопротивления рассеяния демпферных контуров по продольной и поперечной осям;
a
d
a
q
x и x - индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной и поперечной осям;
r - активное сопротивление обмотки статора;
d
q
u и u - напряжения по продольной и поперечной осям, определяющие выходное напряжение генератора по формуле:
Формулы для расчета токов вычисляются, исходя из потокосцеплений:
d
q
где i и i - токи по продольной и поперечной осям соответственно;
ƒ
i - ток обмотки возбуждения;
rd
rq
i и i - токи демпферных контуров по продольной и поперечной осям.
d
q
Для упрощения расчетов можно использовать упрощенную модель, в которой не учитываются быстрозатухающая апериодическая составляющая тока якоря генератора (трансформаторная э.д.с.) по осям d и q (pψ=0, pψ=0) в статорных уравнениях. Тогда система дифференциальных уравнений упростится до 3-го порядка и примет вид:
δ
ƒ
3. Учитывает насыщение генератора. При учете насыщения для уменьшения числа функциональных блоков, использующих нелинейности, вместо зависимости ψ=ƒ(i) используется , где  - результирующее потокосцепление через воздушный зазор (фиг. 3).
При влиянии насыщения на реактивность по поперечной оси принимается во внимание то, что для явнополюсной машины насыщение полюсов сказывается лишь на продольной составляющей потока и тот факт, что путь магнитного потока по поперечной оси в ферромагнитных участках магнитопровода значительно короче пути потока по продольной оси, поэтому на составляющую э.д.с., обусловленной поперечной составляющей результирующего потока в зазоре, сказывается лишь насыщение стали статора. Исходя из этого, при моделировании насыщения по поперечной оси используются выражения:
d
q
4. Имитирует подключение активно-индуктивной нагрузки. Без учета трансформаторной э.д.с. (pψ=0, pψ=0) система уравнений активно-индуктивной нагрузки выглядит следующих образом:
d
d
q
u=ri+xi;
q
q
d
u=ri-xi.
5. Генерирует широтно-импульсный сигнал на драйвер для формирования трехфазного переменного напряжения 48/28 В 800 Гц.
6. Выдает на трехканальный ЦАП цифровой сигнал для формирования трехфазного переменного напряжения частоты 400 Гц амплитуды, соответствующей значению тока ОВВ согласно математической модели генератора.
7. Регулирует задаваемые амплитуды выходных трехфазных напряжений переменного тока 400 Гц и 800 Гц по сигналам обратной связи с измерителя напряжения фаз генератора 2 и измерителя напряжения фаз подвозбудителя 3 соответственно.
Сущность второго изобретения заключается в том, что в его составе отсутствуют энергоемкий редукторный стенд, что значительно снижает энергозатратность процесса проверки и настройки блоков регулирования, защиты и управления и повышает оперативность проведения испытаний этих блоков в различных условиях эксплуатации (при высокой и низкой температурах, повышенной влажности и вибрации, в условиях внешнего электромагнитного воздействия и др.).
На фиг. 4 представлена структурная схема стенда проверки блоков регулирования, защиты и управления, который включает в себя устройство, имитирующее электронным способом бесконтактный синхронный генератор, и пульт управления 15. Принцип работы данного стенда заключается в следующем. Трехфазное напряжение переменного тока 48/28 В частоты 800 Гц с трех фильтров НЧ 800 Гц 7 поступает на блок регулирования, защиты и управления (вход от подвозбудителя генератора). На выходе проверяемого блока формируется напряжение постоянного тока, которое поступает на имитатор ОВВ 14. Протекаемый в цепи имитатора ОВВ ток измеряется ЦВС 13, которая на основе математической зависимости определяет выходное напряжение генератора, соответствующее данному току ОВВ, и выдает трехфазный переменный сигнал частоты 400 Гц низкого напряжения на три усилителя НЧ 9 (по фазам). В этом усилителе сигнал по каждой фазе усиливается, и каждый из них поступает на свой повышающий трансформатор 10, а затем на фильтр НЧ 400 Гц 11. В результате формируется трехфазное напряжение переменного тока частоты 400 Гц, которое поступает на блок регулирования, защиты и управления (вход от точки регулирования) и соответствует измеренному значению тока ОВВ. В случае работоспособности и правильной настройки блока регулирования, защиты и управления трехфазное напряжение на выходе устройства по частоте 400 Гц будет соответствовать номинальному значению генератора - 200/115 В.
Пульт управления 15 предназначен для выбора имитируемого генератора и задания режимов его работы: выбор характера нагрузки (с различным cos ϕ), включение и отключение этой нагрузки, повышение и понижение частоты вращения генератора, повышение и понижение фазного напряжения, создание обрывов и имитация коротких замыканий в силовых и цепях управления блока. Изменяя частоту сигналов генератора 400 Гц и подвозбудителя 800 Гц (в замкнутой схеме - с использованием контура обратной связи по току ОВВ), а также амплитуду выходного напряжения генератора (в разомкнутой схеме - при отключении контура тока ОВВ) в пределах работы проверяемого блока, можно проверять срабатывание защит по повышению и снижению частоты и амплитуды выходного напряжения генератора проверяемого блока. Кроме того, пульт управления 15 выдает сигнал на включение данного блока и принимает от него диагностические сигналы его работы.
Источники информации
1. Патент РФ №2464698 от 01.04.2010 «Управляемый электронным способом асинхронный электродвигатель и устройство для проверки и регулировки блоков регулирования напряжения».
2. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.: Энергия, 1980. 210 с.
3. Константинов В.Н. Синхронизация судовых синхронных генераторов. Теория и методы расчета. Л.: «Судостроение», 1978. 216 с.
4. Веретенников Л.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы. Л.: «Судостроение», 1975. 375 с.