Автоматические регуляторы напряжения синхронных генераторов и способы их технической реализации

литой короткозамкнутой обмоткой ротора / В.Ф. Сивокобыленко, В.А. Павлюков, Ю.Н. Папазов, А.В. Железняков // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ / Под общей ред. академика НАН Украины Г.Г. Пивняка.- Донецк: УкрНИИВЭ, 2008. - С. 152 - 162.

Аннотации:

Разработана математическая модель для анализа статических и динамических режимов работы ПЭД с ЛМКО ротора, на базе Т-образной схемы замещения, отличающаяся учётом потерь мощности в стали, с учётом

зависимости от тока индуктивных сопротивлений рассеяния статора, ротора и ветви намагничивания.

Ключевые слова: погружной

асинхронный электродвигатель, литая медная короткозамкнутая обмотка, математическая модель.

A mathematical model is developed for the analysis of the static and dynamic modes of operations of SEM with CSCW rotor on the base of the L-equivalent circuit with account losses of power in steel.

Keywords: submersible asynchronous electric motor, cast copper short-circuited winding, mathematical model

УДК 62-523

РАК АН., САЦЮК

к.т.н., А.В.,

ЛЫКОВ А.Г.,

доцент

старший преподаватель

Автоматические регуляторы напряжения синхронных генераторов и способы их технической реализации

Rak A.N., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Automatic voltage regulators for synchronous generators and methods for their technical implementation

Введение

Качество электроэнергии,

вырабатываемой судовыми

электроэнергетическими системами (СЭЭС), определяется стабильностью таких параметров как напряжение и частота.

При переменной нагрузке СЭЭС происходит изменение вырабатываемой

мощности синхронных генераторов, работающих параллельно. Такой характер работы влияет на изменение напряжения и частоты системы в целом, что отрицательно сказывается на качестве производимой электроэнергии и моторесурсе приводных дизель-генераторов. Особенно это проявляется при неординарных ситуациях: сбросе-набросе большой нагрузки, включении

мощных потребителей, соизмеримых с мощностью генератора. При аварийных ситуациях, коротких замыканиях -возможен выход генератора из синхронизма, потеря устойчивости, мощная дуга и выведение электроэнергетической системы из строя.

Точность компенсации внешнего воздействия непосредственно

определяется точностью задания характеристик и измерения

воздействий.

Цель работы

Целью исследования является

разработка схемы регулирования

режимами работы синхронного генератора.

Основной материал

Автоматическое управление

процессом производства и

распределения электроэнергии на морских судах предполагает прежде всего автоматическое регулирование напряжения и частоты и, связанных с ними реактивной и активной мощностей синхронных генераторов (СГ) (реактивной мощности синхронных компенсаторов).

Напряжение и частота тока, применяемых в условиях производства электроэнергии на судовых

электростанциях являются основными показателями качества электрической энергии, которые в соответствии с требованиями Российского морского регистра судоходства РС приведены в [1] и табл. 1.

Таблица 1

Допустимые отклонения параметров питания_

Параметры Отклонение от номинальных значений

Длительное, % К] )атковременное

% Время, с

Напряжение (переменный ток) Частота +6...-10 +5 +20 +10 1,5 5

Напряжение (постоянный ток) +10 5 10 Циклическое отклонение Пульсации

Примечание. При питании от аккумуляторной батареи: длительное изменение напряжения должно находиться в пределах от +30 до -25% для оборудования, питающегося от аккумуляторной батареи, подключенной к зарядному устройству; длительное изменение напряжения должно находиться в пределах от -20 до -25% для оборудования, не подключенного к батарее во время зарядки.

На рис. 1 для примера показана элементарная энергосистема с дизелем (Д), генератором (Г), линией

электропередачи с сопротивлением Zл и шинами, от которых питаются электроэнергией потребители. В

идеальных условиях напряжение и частота у потребителей должны быть неизменными и равными номинальным значениям ипр.ном; /ном. Для выполнения этого требования напряжения в различных точках энергосистемы должны быть различными, а частота переменного тока должна оставаться одинаковой.

В частности, напряжение иг на выводах генератора должно изменяться в зависимости от тока в линии 1л в соответствии с известным равенством:

иГ _ иПР.НОМ + 1Л ' ^ Л .

В процессе работы энергетической системы непрерывно происходят

изменения потребляемой и

соответственно выдаваемой

генераторами мощности. При отсутствии регулирования эти изменения мощности вызывают отклонения от нормальных значений напряжения и частоты и приводят к ухудшению качества электрической энергии, передаваемой потребителям. Поэтому на дизеле и генераторе устанавливаются автоматические

устройства регулирования частоты (АРЧ) и напряжения (АРН) Устройство АРЧ должно автоматически

поддерживать неизменной частоту вращения, а устройство АРН автоматически изменять напряжение генератора в соответствии с (1).

Рис. 1. Схема элементарной энергосистемы

Изменения напряжения и частоты особенно резко проявляются в аварийных условиях, например при коротких замыканиях в сети, при внезапных отключениях генераторов большой мощности и т.п. В этих условиях нарушается баланс между мощностью, подводимой к дизелям, и мощностью, отдаваемой генераторами. В результате отдельные генераторы могут получать значительные ускорения по отношению к другим и выходить из синхронизма. Опыт эксплуатации энергетических систем показывает, что с точки зрения устойчивой работы энергосистемы быстродействующее

регулирование частоты вращения и особенно напряжения имеет

исключительно важное значение.

Аварии с нарушением

устойчивости энергетических

автономных систем в современных условиях приносят значительный вред работе судовых механизмов и оборудования.

Современные генераторы

оснащены автоматическими

регуляторами напряжения. Но ситуация осложняется еще и тем, что все известные фирмы-производители

современных генераторов, например SIEMENS, не предоставляют никакой

информации о регуляторах кроме их типа. Во всей имеющейся технической документации они представляются в виде системы «черный ящик» (ЧЯ), а в лучшем случае в виде структурных схем [2, 3].

Для поддержания надлежащего уровня напряжения и частоты в энергосистеме необходимо производить соответствующие изменения

напряжения возбуждения генераторов для восстановления напряжения и подачи топлива дизеля для восстановления частоты.

Совокупность мероприятий,

обеспечивающих поддержание

напряжения, частоты и нагрузок генераторов и линий электропередачи на заданном уровне или изменение их по заранее заданному закону, и

составляет предмет автоматического регулирования основных электрических величин в энергосистемах.

Автоматический регулятор

напряжения, как правило, состоит из следующих основных явно или неявно выраженных частей и элементов (рис. 2):

- измерительной части (ИЧ), формирующей значение и знак отклонения регулируемой величины от заданного значения (сигнал по отклонению, например Диг) и другие сигналы;

- усилителя (У), в общем случае операционного;

- логической части (ЛЧ), координирующей прохождение сигналов измерительной части и операционного усилителя;

Рис. 2. Функциональная схема автоматического регулятора

- исполнительного элемента (ИЭ), производящего регулирующим

воздействием (РВ) соответствующие изменения первичного фактора, воздействующего на возвращение регулируемой величины к ее первоначальному или другому заданному значению.

Измерительная часть может состоять из нескольких измерительных органов. В измерительную часть обычно входит так называемый задающий элемент, устанавливающий заданное (предписанное) значение регулируемой величины, например игзад, для сравнения с ее действительным значением. В автоматических системах

регулирования всегда имеются цепи отрицательных обратных связей (ООС), стабилизирующих процесс

регулирования; элементы статизма, обеспечивающие определенную

характеристику регулирования;

устройства распределения активной и

реактивной нагрузки генераторов и др.

Конструктивные исполнения

элементов, частей и их сочетание в различных типах автоматических регуляторов очень разнообразны.

Автоматическая система

регулирования может находиться или в состоянии установившегося

устойчивого равновесия, или в процессе перехода от одного установившегося состояния к другому. Всякое новое состояние устойчивого равновесия может наступить: или когда регулируемая величина вернется к своему первоначальному значению (предшествующему переходному

процессу) или когда регулируемая величина примет какое-то новое значение в соответствии с заданным знаком ее изменения.

В [2] и на рис. 3 приведены характеристики регулирования СГ. В случае (рис. 3, а) регулирование получается зависимым, а в случае рис. 3, б - независимым.

и/ин, о.е.

1,0

0 1,0

0,6 0,8

1,0 1/1н, о.е.

0

сояр

ист=4%

и/ин, о.е.

Шн, о.е.

б

Рис. 3. Характеристики регулирования СГ: а - статическая; б - астатическая

Статическая характеристика

регулирования СГ описывается выражением:

Шст = 4 1 - о2р •

1 £

1 Н

где cosф - значение коэффициента мощности генератора, указывается в паспортной табличке генератора. Как показывает опыт практической эксплуатации генераторов, как правило,

0

а

cosф=1.

Например, при = 0,8; — = 1;

1и

Шст = 4 1- оф- (—) = 4 1 - 0,82 -1 = 2,4,%

При регулировании по

статической

характеристике (рис. 3, а) каждому новому значению тока статора /8 соответствует свое, новое

установившееся значение регулируемой величины иг.

Для поддержания в допустимых пределах уровня выходного напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до

номинального значения используются системы автоматического

регулирования напряжения,

структурные схемы которой приведены на рис. 4 и рис. 5.

Текущее значение выходного напряжения от напряжения снимается с помощью трансформатора напряжения TV и преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя В1 и сглаживающего фильтра Ф1. дальнейшей работы системы.

Полученное постоянное

напряжение сравнивается в компараторе Ком1 с выходным сигналом генератора линейно-изменяющего напряжения (ГЛИН).

Н

Рис. 4. Структурная схема аналогового автоматического регулятора напряжения

Рис. 5. Структурная схема аналогового автоматического регулятора напряжения -стабилизатора напряжения

В результате чего на выходе компаратора Ком1 формируются прямоугольные импульсы с постоянным периодом и изменяющейся

длительностью в зависимости от уровня постоянного напряжения (реализуется принцип широтно-импульсной

модуляции). Выходной сигнал компаратора приводится к требуемому уровню с помощью ограничителя напряжения ОН (при необходимости) и управляет работой транзисторного ключа Кл, включенного

последовательно с обмоткой двигателя, и который, в свою очередь, управляет

величиной тока, потребляемого от источника питания ИП. Регулирование напряжения производится при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения. Контроль величины тока нагрузки осуществляется с помощью трансформатора тока ТТ, выходной сигнал которого

преобразуется в постоянное напряжение с помощью выпрямителя В2 и сглаживающего фильтра Ф2. Полученное постоянное напряжение, пропорциональное току нагрузки, сравнивается в компараторе Ком2 с опорным, соответствующему

номинальному значению тока нагрузки. При превышении текущего значения тока нагрузки над номинальным компаратор Ком2 срабатывает и запрещает работу транзисторного ключа.

Выше были рассмотрены аналоговые способы регулирования возбуждения СГ.

Регулировка тока возбуждения в индуктор СГ осуществляется регулятором, который построен на базе микропроцессорного устройства.

Основной задачей регулятора является:

- опрос выходного напряжения и на статоре;

- опрос выходного тока в статоре 1а ;

- генерация ШИМ сигнала и регулировка тока возбуждения по закону представленном на графике (рис. 6);

- отслеживать и выявлять предаварийный режим работы системы.

Принципиальная схема

представлена на рис. 7.

Основным узлом решающей задачи регулятора является

высокопроизводительный 8-разрядный микроконтроллер (МК) серии AVRAtmega48.

Посредством микросхемы DD3 через внутренний АЦП (порт ADC5)MK осуществляет опрос тока в статорной обмотке. Микросхема DD3

представляет собой бесконтактный датчик Холла марки ACS758LCB-300B, который рассчитан на ток измерения до 300 А. Элементы Tri, R2, R3 обеспечивают контроль уровня фазного напряжения. Этот сигнал поступает на вход третьего канала внутреннего АЦП МК (порт ADC3).

Рис. 7. Принципиальная схема регулятора тока возбуждения в синхронном генераторе

Для управления током

возбуждения индуктора МК генерирует ШИМ сигнал (порт ОСОВ) (рис. 8). Силовым ключом, который усиливает сигнал от МК, был выбран ЮВТ транзистор КЛН60№0С2. Данный транзистор способен коммутировать напряжения 600 В, ток 300 А и работать в импульсном режиме на частотах до 2 КГц. С учетом особенностей МК и силовой части схемы при номинально напряжении индуктора 64В, схема (рис. 7) способна регулировать напряжения с точностью ±970мкВ.

Для надежного управления транзистором КСН60№0С2 был выбран драйвер IGBTSKYPER32.

Кроме оптимальных

коммутационных

показателей драйвер отслеживает критический ток, напряжения и температуру на транзисторе. В случае их превышения схема оповещает МК сигналом (порт АОС1) предаварийного режима и отключает регулятор.

Рис. 8 Широтноимпульсный модулированный сигнал на затворе ключа

Выводы

1. Рассмотренные выше аналоговые схемы, применяемые для регулирования напряжения имеют ряд недостатков, наиболее существенными из которых являются:

- сравнительно невысокая точность, определяемая соотношением диапазона изменения напряжений полезных сигналов и уровнями помех, дрейфа нуля усилителей и т.п., например, при диапазоне изменения информационных сигналов от -10 В до +10 В и уровне различных помех в схеме от -0,1 до +0,1 В относительная погрешность устройства не может быть менее, что зачастую недопустимо;

- для перенастройки параметров или изменения алгоритма функционирования необходимо изменить схему устройства (т.е. вносить в него аппаратные изменения).

2. Преодоление этих недостатков можно осуществить с помощью цифрового способа представления и обработки информации. Цифровая реализация регулятора напряжения позволяет:

- избежать влияния помех (уровень которых обычно не превышает десятых долей вольта);

- применение численных методов обработки информации позволяет достичь практически любой (заданной) точности;

- перенастройка параметров схемы достигается не за счет изменения его аппаратной части, а за счет изменения программной.

Список литературы:

1. Правила классификации и постройки морских судов. Часть XI. Электрическое оборудование. НД №2 -020101-087. Российский морской регистр судоходства. Электронный аналог печатного издания, утвержденного 30.09.15. Санкт-Петербург, 2016. - 130 с.

2. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: Учеб. Пособие для студентов вузов. - М.: Высш. школа, 1982. - 272с., ил.

3. Operating Instructions Synchronous Generator. Common items. Instruction Manual. Hyundai heavy industries Co., Ltd. Электронный ресурс.

Аннотации:

В статье проведён анализ существующих схем методов управления синхронными генераторами. Рассмотрен опыт разработки и апробирована схема автоматического управлением режимами работы синхронного генератора.

Ключевые слова: характеристики погрузок, крупноразмерные

металлоконструкции, сцепные транспортеры, схемы погрузок, железная дорога.

The article analyzes the existing schemes of control methods for synchronous generators. The experience of development is considered and the scheme for automatic control of the operating modes of the synchronous generator is tested.

Keywords: loading characteristics, large-sized steel structures, coupling transporters, loading schemes, railroad.