СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНЕЙ ДВУНАПРАВЛЕННОЙ ФОРСИРОВКОЙ
EXCITATION SYSTEM OF SYNCHRONOUS GENERATOR WITH EXTERNAL TWO-DIRECTIONAL 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 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/.
Эта система возбуждения имеет высокую форсировочную способность при набросе нагрузки генератора. Однако не влияет на возбуждение при сбросе нагрузки.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем повышения форсировочной способности при сбросе нагрузки.
Цель изобретения достигается тем, что система возбуждения синхронного генератора с внешней двунаправленной форсировкой, Система возбуждения синхронного генератора с внешней двунаправленной форсировкой, содержащая внешний источник постоянного тока, первый и второй выпрямители, шунт, формирователь-ограничитель, первый RS-триггер, первый и второй дифференциаторы, первый и второй регистры памяти, задающий регистр, аналого-цифровой преобразователь, вычитатель, первый числовой компаратор, первый электронный ключ, логический элемент НЕ, первый логический элемент И, первый логический элемент ИЛИ, связанный первым входом с шиной ПУСК, синхронный генератор, суммирующий трансформатор и корректор напряжения, вход которого подключен к обмотке якоря генератора, а выход - к обмотке управления суммирующего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к входу первого выпрямителя, первичная обмотка тока суммирующего трансформатора включена последовательно с первичной обмоткой трансформатора тока и обмоткой якоря генератора, а первичная обмотка напряжения подключена к зажимам генератора, причем выход второго выпрямителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, разряды выхода которого связаны с соответствующими разрядами информационных входов первого регистра памяти, при этом соответствующие разряды выходов первого регистра памяти подключены соответственно к первому входу вычитателя, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами первого входа числового компаратора, разряды второго входа которого связаны с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, кроме того выход второго выпрямителя подключен к входу формирователя-ограничителя, связанного выходом с входом логического элемента НЕ, снабжена вторым логическим элементом И, вторым логическим элементом ИЛИ, элементом задержки, вторым числовым компаратором, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым электронным ключом, вторым RS-триггером, инверсный выход которого соединен с управляющим входом первого электронного ключа, прямой выход - с вторыми входами первого и второго логического элемента И, сбросовый вход - с первым выходом третьего электронного ключа, а единичный вход - с вторым выходом третьего электронного ключа, второй вход которого подключен к выходу БОЛЬШЕ первого числового компаратора, соединенного выходами РАВНО и МЕНЬШЕ с первым входом третьего электронного ключа, управляющий вход которого связан с выходом второго дифференциатора, и управляющим входом второго электронного ключа, первый вход которого соединен с выходом признака отрицательной разности вычитателя, второй вход - с выходом признака положительной разности вычитателя, второй выход - с единичным входом второго RS-триггера, а первый выход - со сбросовым входом второго RS-триггера, прямой выход которого подключен к первому входу второго логического элемента И, а инверсный выход - к первому входу первого логического элемента И, связанного выходом с вторым входом первого логического элемента ИЛИ, первый вход которого подключен к сбросовому входу второго регистра памяти и к первому входу второго логического элемента ИЛИ, выход которого соединен со сбросовым входом первого регистра памяти, а второй вход - с выходом элемента задержки, вход которого связан с выходом логического элемента НЕ и входом записи второго регистра памяти, разряды информационного входа которого связаны с соответствующими разрядами выхода первого регистра памяти и разрядами второго входа второго числового компаратора, выход БОЛЬШЕ которого подключен к входу первого дифференциатора, связанного выходом с входом записи первого регистра памяти, выходы МЕНЬШЕ и РАВНО - к входу второго дифференциатора, а разряды второго входа - к соответствующим разрядам выхода аналог-цифрового преобразователя, кроме того входы первого, пятого и шестого электронного ключа связаны с положительным полюсом первого выпрямителя, отрицательный полюс которого подключен к первому зажиму индуктора, соединенного вторым зажимом с выходами первого, четвертого и седьмого электронного ключа, вход которого связан с выходом пятого электронного ключа и отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, положительный полюс которого соединен с выходом шестого электронного ключа и входом четвертого электронного ключа, связанного управляющим входом с управляющим входом пятого электронного ключа и выходом первого логического элемента ИЛИ, а управляющие входы шестого и седьмого соединены с выходом второго логического элемента И.
Четвертый, пятый, шестой и шестой электронные ключи и их связи обеспечивают изменение направления форсировки возбуждения. Второй RS-триггер, второй логический элемент И, второй и третий электронные ключи и их связи задают направление форсировки. Второй числовой компаратор, второй логический элемент ИЛИ, элемент задержки и их связи обеспечивают измерение амплитуды тока нагрузки для анализа характера его изменения.
На фиг. 1 представлена схема системы возбуждения синхронного генератора, на фиг. 2 - эпюры сигналов на основных элементах схемы.
Система возбуждения включает синхронный генератор 1, имеющий обмотку якоря 2 и обмотку индуктора 3, которая подключена к выходу первого выпрямителя 4, суммирующий трансформатор 5, имеющий четыре обмотки: первичную токовую 6; первичную обмотку напряжения 7; вторичную обмотку 8 и обмотку управления 9, подключенную к выходу корректора напряжения 10, внешний источник постоянного тока 11, например, стартерная аккумуляторная батарея первый электронный ключ 12, трансформатор тока 13, шунт 14, к которому подключен второй выпрямитель 15, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, первый 17 и второй 18 регистры памяти, первый 19 и второй 20 логический элемент, вычитатель 21, задающий регистр 22, первый числовой компаратор 23, первый дифференциатор 24, RS-триггер 25, второй дифференциатор 26, первый логический элемент ИЛИ 27, шина ПУСК 28, формирователь-ограничитель 29, инвертор 30, второй RS-триггер 31, элемент задержки 32, второй числовой компаратор 33, второй 34, третий 35, четвертый 36, пятый 37, шестой 38 и седьмой 39 электронный ключ, второй логический элемент ИЛИ 40.
Система возбуждения синхронного генератора работает следующим образом.
Для начального возбуждения генератора 1 подается короткий сигнал на шину 28 ПУСК. Одновременно схема приводится в исходное состояние: обнуляются регистры памяти 17 и 18, и на инверсном выходе триггера 25 появляется сигнал. Сигнал с шины 28 ПУСК через логический элемент ИЛИ 27 поступает на управляющие входы ключей 36 и 37, которые, открываясь, кратковременно включают в цепь индуктора 3 генератора внешний источник 11. Генератор 1 возбуждается и на якорной обмотке 2 появляется напряжение, которое подается на обмотку напряжения 7 суммирующего трансформатора 4. 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 через ключ 12 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 нагрузки i(t), протекающего по первичной обмотке трансформатора 13.
2
2
2
2
п
п
Ток вторичной обмотки трансформатора тока 13 i(t)=i(t)/k, где k - коэффициент трансформации трансформатора 1, протекая по шунту 14, производит на нем падение напряжения u(t)=i(t)r, где r - сопротивление шунта 14, 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 (фиг. 2) мгновенного значения входного напряжения К(t)=u(t)/u, где u - шаг квантования АЦП 16.
Этот код X16 по существу является кодом мгновенного значения тока нагрузки генератора. Возрастающий код X16 с выхода АЦП 16 поступает на первый вход компаратора 33. На первый вход компаратора 33 подан нулевой код с входа регистра памяти 17. Поэтому появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 33. По фронту этого сигнала дифференциатор 24 выдает импульс на вход записи регистра памяти 17, в который записывается текущий код X16 мгновенного значения тока. По мере роста кода X16 на выходе АЦП 16 происходит перезапись кода в регистр памяти 17 и на его выходе формируется код X17 амплитуды тока нагрузки. После записи кода текущей амплитуды в регистр памяти 17 перезапись прекращается и появляется сигнал на выходе РАВНО и МЕНЬШЕ компаратора 33. Одновременно пульсирующее напряжение X15 с выхода выпрямителя 15 подается на вход формирователя-ограничителя 29, который вырабатывает прямоугольный импульс Х29, поступающий на вход элемента НЕ 30. На выходе элемента НЕ 30 с началом каждой половины волны тока появляется короткий импульс Х30. Этот импульс Х30 записывает в регистр памяти 18 код X17 с выхода регистра памяти 17 и на выходе регистр памяти 18 появляется код X18 предыдущей амплитуды тока нагрузки. С задержкой времени импульс Х30 с выхода элемента НЕ 30 через элемент задержки 32 проходит через элемент ИЛИ 40 и производит сброс регистра памяти 17, подготавливая его к формированию очередного кода амплитуды тока нагрузки.
m(i)
m(i+1)
В результате каждую половину периода формируются предыдущий код X18 амплитуды тока I на выходе регистра памяти 18 и последующий кода X17 амплитуды тока нагрузки I, на выходе регистра памяти 17.
m
m(i)
m(i+1)
m
доп
Эти коды X17 и X18 поступают на входы вычитателя 21 и на его выходе появляется код Х21 разности предыдущий и последующий амплитуды тока нагрузки ΔI=I-I (приращение амплитуды за половину периода), который поступает на первый вход компаратора 23. На второй вход компаратора 23 с выхода задатчика 22 подается код Х22 допустимой разности амплитуд тока ΔI., при которых не требуется форсированного изменения возбуждения.
m
m
доп.
(2)
(2)
Если приращение амплитуды тока не превышает допустимую величину ΔI≤ΔI и форсировка не требуется, то появляется сигнал Х23 на выходе РАВНО или МЕНЬШЕ компаратора 23. В момент завершения формирования очередного кода амплитуды тока, импульсом Х26 триггер 25 переводится в нулевое состояние, и сигнал Х25 с его инверсного выхода поступает на управляющий вход ключа 12, который открываясь напрямую подключает выпрямитель 4 к индуктору 3.
m
m
доп.
(1)
(1)
Если приращение амплитуды тока превышает допустимую величину ΔI>ΔI и требуется форсировка, то появляется сигнал Х23 на выходе БОЛЬШЕ компаратора 23. В момент завершения формирования очередного кода амплитуды тока, когда появляется импульс Х26 на выходе дифференциатора 26, открывается ключ 35 и триггер 25 переводится в единичное состояние. Сигнал Х25 с прямого выхода триггера 25 подготавливает по вторым входам элементы И 19 и 20.
m(i)
m(i+1)
(-)
(2)
При набросе нагрузки предыдущая амплитуда тока меньше последующей I<I и код X17 больше кода X18, поэтому код Х21 разности на выходе вычитателя 21 имеет отрицательный знак. В момент завершения формирования кода амплитуды тока импульсом Х26 с выхода дифференциатора 26 кратковременно открывается ключ 34 и сигналом Х21 с выхода признака отрицательной разности вычитателя 21 триггер 31 переводится в нулевое состояние. Сигналом Х31 с инверсного выхода триггера 31 открывается элемент И 19, и с его выхода через элемент ИЛИ 27 подается сигнал X19 на управляющие входы ключей 36 и 37. Эти ключи 36 и 37 открываются и включают последовательно согласно внешний источник 11 с выпрямителем 4, обеспечивая форсированное увеличение возбуждения при набросе нагрузки.
m(i)
m(i+1)
(+)
(1)
При сбросе нагрузки предыдущая амплитуда тока больше последующей I>I и код X17 меньше кода X18, поэтому код Х21 разности на выходе вычитателя 21 имеет положительный знак. Сигналом Х21 с выхода признака положительной разности вычитателя 21 триггер 31 переводится в единичное состояние. Сигнал Х31 с прямого выхода триггера 31 открывает элемент И 20, сигналом Х20 с выхода которого включаются ключи 38 и 39. Эти ключи 38 и 39 включают внешний источник 11 последовательно встречно с выпрямителем 4, что обеспечивает форсированное снижение возбуждения при сбросе нагрузки.
Таким образом, предложенная система возбуждения генератора имеет высокую форсировочную способность, ограниченную лишь параметрами внешнего источника 11. При этом обеспечивается двунаправленная форсировка возбуждения, как при набросе, так и при сбросе нагрузки генератора.
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. Система возбуждения синхронного генератора. Описание изобретения к патенту RU 2470454, кл. Н02Р 9/14, 2012.