УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ N-ФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОАГРЕГАТОВ Российский патент 1997 года по МПК H02P9/44 

Устройство относится к электротехнике и предназначено для стабилизации частоты генераторов переменного тока с автобалластной нагрузкой преимущественно для автономных ветро- и гидроэлектростанций относительно малой мощности (до 500 кВт).

Известны устройства, в которых автобалластная нагрузка, подключаемая параллельно полезной электрической нагрузке, обеспечивает неизменность рабочего режима системы турбина-генератор-нагрузка при наличии возмещающих воздействий как со стороны турбины, так и со стороны электрической нагрузки генератора [1; 2]
В [1] описана система стабилизации частоты микро ГЭС (электрогидроагрегата) с автобалластной нагрузкой, реализующая, так называемый, фазовый способ управления. Эта система содержит первичный двигатель (турбину), трехфазный генератор переменного тока, три группы балластных резисторов с тиристорными ключами, блок фазового (углового) регулирования, а также элементы электрической полезной нагрузки.

При изменении полезной нагрузки от нуля до номинального значения по сигналам с датчиков тока осуществляется фазовое управление тиристорами для поддержания постоянства суммарной активной мощности, рассеиваемой в полезной и балластной нагрузках генератора, чем собственно и обеспечивается стабильность частоты его выходного напряжения.

Однако в устройстве [1] вследствие фазового регулирования балластные резисторы подключаются на различных участках синусоидальной кривой, что приводит к существенному искажению формы выходного напряжения генератора.

Этот недостаток устранен в устройстве [2] которое является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству.

В состав устройства прототипа [2] входят: три группы балластных резисторов с тиристорными ключами, блок управления, датчик частоты фазных напряжений.

Отличие прототипа от аналога [1] состоит в увеличении числа тиристорно-резисторных балластных секций в каждой группе и использование, так называемого, бестокового включения тиристоров в моменты перехода соответствующих фазных напряжений через нулевые значения. Управление тиристорными ключами осуществляется дискретно в двоичном коде в функции частоты напряжения генератора. Число цифроуправляемых балластных секций (m) определяется допустимой степенью квантования балластной нагрузки по условиям обеспечения заданного качества регулирования частоты. Чем меньше секций тем "грубее" регулирование и больше амплитуда колебаний частоты выходного генератора.

Так как высокое качество регулирования частоты достигается лишь при большом числе m балластных секций, то устройство [2] является сложным.

Более того, в прототипе загрузка тиристоров по току пропорциональна двоичному коду и применение одного типа тиристоров нецелесообразно по техническим и экономическим соображениям, а использование нескольких типо-номиналов существенно снижает технологичность устройства.

Еще одним недостатком прототипа [2] как и других известных устройств, является отсутствие каналов раздельного регулирования по фазам нагрузки, что необходимо при ее асимметрии потребителя.

Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства, характеризующегося достаточной конструктивной простотой и повышенной технологичностью, а также способностью симметрировать фазные токи генератора при асимметричной нагрузке потребителя.

Предметом изобретения является устройство регулирования частоты n-фазных электроагрегатов, содержащее датчик частоты фазных напряжений, n-первых балластных групп из m-параллельно соединенных управляемых сопротивлений в каждой группе, n-блоков управления, причем первые входы блоков управления объединены и соединены с выходом датчика частоты фазных напряжений, m-выходов каждого блока управления подключены к входам управляемых сопротивлений соответствующей первой балластной группы, входы датчика частоты фазных напряжений, синхровход каждого блока управления и первый силовой вывод каждой первой балластной группы предназначены для подключения к соответствующим фазным шинам электроагрегата, а вторые силовые выводы первых балластных групп предназначены для подключения к нулевой шине электроагрегата, и введены n-вторых балластных групп с одним управляемым сопротивлением в каждой группе, которые включены параллельно соответствующим первым балластным группам, а каждый блок управления снабжен (m+1)-м выходом, который подключен к входу управляемого сопротивления соответствующей второй балластной группы.

Это позволяет упростить конструкцию и повысить технологичность устройства, обеспечивающего низкий уровень искажений фазной кривой напряжения путем оптимального сочетания "грубого" дискретного регулирования, использующего двоичный код, и "точного" регулирования с помощью дискретно-фазового управления.

Изобретение имеет развитие, заключающееся в том, что устройство содержит n-датчиков активных составляющих фазных токов, а каждый блок управления снабжен вторым входом, при этом первый входной вывод каждого датчика активной составляющей фазного тока соединен с первым силовым выводом соответствующей балластной группы, второй входной вывод каждого датчика активной составляющей фазного тока предназначен для подключения к цепи соответствующей электрической нагрузки, а выход каждого датчика активной составляющей фазного тока соединен с вторым входом соответствующего блока управления.

Это дает дополнительный эффект, так как позволяет при необходимости выравнить загрузки фаз генератора при асимметричной нагрузке потребителя.

Другим развитием предложенного решения является внутреннее выполнение каждого блока управления в виде дифференциального усилителя, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей, многоканального и одноканального формирователей импульсов, снабженных синхровходами, которые являются синхровходом блока управления, при этом входы дифференциального усилителя являются первым и вторым входами блока управления, выход дифференциального усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выходы старших разрядов которого соединены с соответствующими входами многоканального формирователя импульсов, а выходы младших разрядов подключены через цифро-аналоговый преобразователь к входу одноканального формирователя импульсов, выходы многоканального формирователя импульсов образуют m-выходов блока управления, а выход одноканального формирователя импульсов является (m+1)-м выходом блока управления.

Такое выполнение является наиболее предпочтительной реализацией сочетания "грубого" и "точного" управления балластной нагрузкой.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема устройства для случая n 3 с внутренним выполнением блока управления.

Устройство содержит датчик 1 частоты фазных напряжений три первых балластных групп 2 из m-параллельно соединенных управляемых сопротивлений в каждой группе выполненных, например, в виде балластных резисторов 3 с симисторными ключами 4, три блока 5 управления, три вторых балластных группы 6 с одним управляемым сопротивлением 3, 4 в каждой группе, три датчика 7 активных составляющих фазных токов. Первые входы блоков 5 объединены и соединены с выходом датчика 1, m -выходов каждого блока 5 подключены к входам управляемых сопротивлений 3,4 соответствующей балластной группы 2. Входы датчика 1, синхровход каждого блока 5 и первый силовой вывод каждой балластной группы 2 и параллельной ее группы 6 объединены и выведены на клеммы 8, 9, 10. Вторые силовые выводы группы 2 и 6 выведены на клемму 11. Каждый блок 5 управления снабжен (m + 1)-м входом, который подключен к входу управляемого сопротивления соответствующей балластной группы 6.

Первый входной вывод каждого датчика 7 соединен с первым силовым выводом соответствующей балластной группы 2, вторые входные выводы датчиков 7 выведены на клеммы 12, 13, 14, а выход каждого датчика 7 соединен с вторым входом соответствующего блока 5.

Блок 5 управления выполнен в виде дифференциального усилителя 15, аналого-цифрового преобразователя 16, цифро-аналогового преобразователя 17, многоканального формирователя 18 импульсов и одноканального формирователя 19 импульсов. Формирователи 18 и 19 снабжены синхровходами, которые являются синхровходом блока 5 управления. Входы дифференциального усилителя 15 являются первым и вторым входами блока 5, выход усилителя 15 соединен с входом преобразователя 16, выходы старших разрядов которого соединены с входами формирователя 18, а выходы младших разрядов подключены через преобразователь 17 к входу формирователя 19. Выходы формирователя 18 образуют m-выходов блока 5 управления, а выход формирователя 19 является (m+1)-м выходом блока 5.

Первичный двигатель (турбина ) 20, генератор 21 переменного тока с трехфазной системой обмотки статора, составляющие электроагрегат, полезная нагрузка 22 и выключатели 23, с которыми должны быть соединены клеммы 12, 13, 14, фазные шины 24, 25, 26, с которыми должны быть соединены клеммы 8, 9, 10, и нулевая шина 27, с которой должна быть соединена клемма 11, не входят в состав устройства и приведены на чертеже для пояснения принципа действия.

Устройство работает следующим образом. Напряжение регулирования содержит две составляющие: сигнал от датчика 1, пропорциональный частоте напряжений электроагрегата, и сигнал от датчика 7, пропорциональный фазной нагрузке генератора.

По сигналу датчика 1 фазных напряжений и сигналам от датчиков 7 активных составляющих фазных токов дифференциальный усилитель 15 каждого блока 5 формирует сигнал, который поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 16, на его выходах формируются дискретные сигналы в двоичном коде, пропорциональные частоте фазных напряжений генератора. При этом по старшим разрядам преобразователя 16 с помощью многоканального формирователя 18 осуществляется выработка импульсов управления симисторами 4 балластной группы 2 в моменты перехода соответствующего фазного напряжения через ноль, что обеспечивает, так называемое, "грубое" регулирование частоты.

Код младших разрядов аналого-цифрового преобразователя 16 с помощью цифро-аналогового преобразователя 17 преобразуется в сигнал постоянного тока ступенчатой формы, который поступает на вход одноканального формирования 19 импульсов фазового управления, который и осуществляет открытие симистора 4 соответствующей группы 6, обеспечивая "точное" регулирование частоты.

Именно сочетание "грубого" и "точного" регулирования позволяет уменьшить общее число балластных секций, достаточное для обеспечения заданного качества регулирования частоты, и тем самым соответственно упростить конструкцию устройства, повысить его технологичность.

При асимметричной полезной нагрузке 22, благодаря введению и представленному на фиг. 1 подключению датчиков 7, фазы генератора 21, которые загружены больше, загружаются балластной нагрузкой в меньшей степени, чем недогруженные фазы и наоборот, чем собственно и достигается дополнительный эффект, состоящий в выравнивании фазных токов генератора 21.

Датчики 7 могут быть выполнены, например, с использованием трансформаторов тока и фазовых детекторов [3] В качестве ключей управляемых сопротивлений, кроме симисторов, могут быть использованы встречно-параллельно включенные тиристоры.

Датчик 1 фазных напряжений представляет собой частотный дискриминатор с фильтром на выходе [4] Одноканальный формирователь 19 импульсов фазового управления может быть выполнен с использованием опорного сигнала пилообразной или синусоидальной формы [5] Многоканальный формирователь 18 импульсов может быть выполнен, например, как в [6]
Промышленная применимость. По схеме фиг. 1 была изготовлена опытно-промышленная партия образцов устройства.

Проведенные испытания партии изготовленных образцов на стенде малых ГЭС в научно-исследовательском институте энергетических сооружений (НИИЭС) показали, что система регулирования обеспечивает высокое качество процесса регулирования (изменение частоты в пределах ±0,5 ГЦ и содержанием высших гармоник в выходном напряжении генератора не более 5%). При этом габариты устройства по сравнению с его технической реализацией по схеме прототипа были уменьшены на 20% (за счет сокращения числа резисторно-симметричных секций с 8 до 5).

Использование: в автономных ветро- и гидроэлектростанциях. Сущность: устройство регулирования частоты n-фазных электроагрегатов содержит датчик частоты фазных напряжений, первые балластные группы из m-параллельно соединенных управляемых сопротивлений, блоки управления. В устройство введены вторые балластные группы с одним управляемым сопротивлением в каждой группе, которые включены параллельно соответствующим балластным группам. Вход управляемого сопротивления соответствующей второй балластной группы подключен к (m+1)-му выходу блока управления. Это позволяет упростить конструкцию устройства и повысить его технологичность благодаря уменьшению числа m управляемых сопротивлений одного типономинала. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство регулирования частоты n-фазных электроагрегатов, содержащее датчик частоты фазных напряжений, n первых балластных групп из m параллельно соединенных управляемых сопротивлений в каждой группе, n блоков управления, причем первые входы блоков управления объединены и соединены с выходом датчика частоты фазных напряжений, m выходов каждого блока управления подключены к выходам управляемых сопротивлений соответствующей первой балластной группы, входы датчика частоты фазных напряжений, синхровход каждого блока управления и первый силовой вывод каждой первой балластной группы предназначены для подключения к соответствующим фазным шинам электроагрегата, а вторые силовые выводы первых балластных групп предназначены для подключения к нулевой шине электроагрегата, отличающееся тем, что введены n вторых балластных групп с одним управляемым сопротивлением в каждой группе, которые включены параллельно соответствующим первым балластным группам, а каждый блок управления снабжен (m + 1)-м выходом, который подключен к входу управляемого сопротивления соответствующей второй балластной группы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит n датчиков активных составляющих фазных токов, а каждый блок управления снабжен вторым входом, при этом первый входной вывод каждого датчика активной составляющей фазного тока соединен с первым силовым выводом соответствующей первой балластной группы, второй входной вывод каждого датчика активной составляющей фазного тока предназначен для подключения к цепи соответствующей электрической нагрузки, а выход датчика активной составляющей фазного тока соединен с вторым входом соответствующего блока управления. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый блок управления выполнен в виде дифференциального усилителя, аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, многоканального и одноканального формирователей импульсов, снабженных синхровходами, которые являются синхровходом блока управления, при этом входы дифференциального усилителя являются первым и вторым входами блока управления, выход дифференциального усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выходы старших разрядов которого соединены с соответствующими входами многоканального формирователя импульсов, а выходы младших разрядов подключены через цифроаналоговый преобразователь к входу одноканального формирователя импульсов, выходы многоканального формирователя импульсов образуют m выходов блока управления, а выход одноканального формирователя импульсов является (m + 1)-м выходом блока управления.