СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ Российский патент 1997 года по МПК H02P9/44 

Изобретение относится к получению и преобразованию электроэнергии, а именно к способам управления асинхронными генераторами с короткозамкнутым ротором, работающими в условиях изменяющейся локальной нагрузки, и может быть использовано в энергетике, например в малых ГЭС и ветроэлектростанциях.

Известен способ управления асинхронным генератором (АГ) с короткозамкнутым ротором, возбуждаемым от источника реактивной мощности, заключающийся в подключении к генератору дополнительной регулируемой нагрузки (автобалласта), при изменении которой выходное напряжение генератора стабилизируют в функции величины отклонения его от заданного (номинального) значения [1]
Однако независимо от источника реактивной мощности, используемого в указанном АГ, данный способ не позволяет обеспечить постоянно действующего контроля за рабочими параметрами АГ, что снижает его надежность и может привести к выходу его из строя.

Известен наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способ управления асинхронным генератором с нагрузками по переменному и постоянному токам, включающий возбуждение генератора от источника реактивной мощности, многофазное выпрямление выходного напряжения, измерение величины выходного напряжения, сравнение его с величиной опорного напряжения, формирование сигнала рассогласования указанных величин в виде последовательности импульсов длительностью, соответствующей выходному напряжению АГ, и преобразование его в последовательность управляющих величиной нагрузки по постоянному току импульсов [2]
Недостатком данного способа, как и предыдущего, является пониженная надежность АГ вследствие отсутствия контроля за отклонением параметров АГ от допустимых значений, что исключает возможность выполнения предаварийных и аварийных ситуаций АГ и, следовательно, может привести к выходу его из строя.

Кроме того, такой способ не обеспечивает требуемое качество стабилизации выходного напряжения из-за регулирования системы управления на любые кратковременные "флуктуационные" выбросы или провалы выходного напряжения АГ, что приводит к излишним включениям или выключениям нагрузки по постоянному току и снижению динамической помехоустойчивости системы управления АГ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности АГ и качества стабилизации его выходного напряжения за счет обеспечения выявления предаварийных ситуаций АГ и повышения динамической помехоустойчивости его системы управления.

Технический результат достигается тем, что при способе управления асинхронным генератором с нагрузками по переменному и постоянному токам, включающем возбуждение генератора от источника реактивной мощности, многофазное выпрямление выходного напряжения, измерение величины выходного напряжения, сравнение ее с величиной опорного напряжения, формирование сигнала рассогласования указанных величин и преобразование его в последовательность управляющих величиной нагрузки по постоянному току импульсов, согласно изобретению сигнал рассогласования формируют в виде последовательности импульсов длительностью, равной времени превышения пульсаций выпрямленного выходного напряжения над опорным, и паузами между указанными импульсами, равными времени превышения опорного напряжения над пульсациями выпрямленного напряжения, при этом управляющие импульсы формируют из указанных импульсов длительностью импульса или паузы, превышающей заданную минимальную пороговую величину длительности импульса сигнала рассогласования или его паузы, в виде запаздывающей последовательности импульсов относительно последовательности импульсов сигнала рассогласования на эту заданную величину, одновременно с преобразованием импульсов сигнала рассогласования в управляющие импульсы значения длительностей импульсов и пауз сигнала рассогласования сравнивают с заданными предельно допустимыми их значениями, и при превышении любой из них заданного значения отключают нагрузку по переменному току и источник реактивной мощности.

Использование в качестве сигнала рассогласования сигнала в виде последовательности импульсов длительностью, равной времени превышения пульсаций выпрямленного выходного напряжения над опорным, и паузами между указанными импульсами, равными времени превышения опорного напряжения над пульсациями выпрямленного, а таже сравнение длительностей импульсов и их пауз с заданными предельно допустимыми значениями и отключение АГ в случае превышения этих значений позволяет обеспечить постоянный контроль за длительностью импульсов и пауз управляющих импульсов и выявить не только ситуацию отклонения выходного напряжения от допустимого значения, но и то, в течение какого времени наблюдается это изменение, что позволяет выявить предварительные ситуации и избежать аварии АГ, а следовательно, повысить надежность АГ по сравнению с прототипом.

Преобразование импульсов сигнала рассогласования в управляющие указанным образом позволяет в течение времени задержки управляющего импульса сигнала рассогласования определить величину длительности импульса или паузы последнего и в случае их уменьшения относительно заданной минимальной пороговой величины длительности импульса сигнала рассогласования или его паузы исключить его формирование в управляющий импульс, как помеху, что исключает реагирование системы управления на кратковременные выбросы или провалы выходного напряжения АГ и лишние переключения нагрузки по постоянному току и повышает динамическую помехоустойчивость системы управления АГ и стабилизацию выходного напряжения по сравнению с прототипом.

Сравнение предлагаемого способа со способом-прототипом показывает, что он отличается от последнего тем, что сигнал рассогласования формируют в виде последовательности импульсов длительностью, равной времени превышения пульсаций выпрямленного выходного напряжения над опорным, и паузами между указанными импульсами, равными времени превышения опорного напряжения над пульсациями выпрямленного напряжения, при этом управляющие импульсы формируют из указанных импульсов длительностью импульса или паузы, превышающей заданную минимальную пороговую величину длительности импульса сигнала рассогласования или его паузы, в виде запаздывающей последовательности импульсов относительно последовательности импульсов сигнала рассогласования на эту заданную величину, и одновременно с преобразованием импульсов сигнала рассогласования в управляющие импульсы значения длительностей импульсов или пауз сигнала рассогласования сравнивают с их заданными предельно допустимыми значениями, и при превышении любой из них заданного значения отключают нагрузку по переменному току и источник реактивной мощности.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна".

Сравнение изобретения с другими известными в данной области техническими решениями позволяет сделать вывод, что оно вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критерию "изобретательский уровень".

Возможность реализации данного изобретения в асинхронных генераторах, используемых в энергетике, например в малых ГЭС и ветроэлектростанциях, обеспечивает ему критерий "промышленная применимость".

На фиг. 1 представлено устройство для реализации предлагаемого способа: блок схема АГ с системой управления; на фиг. 2 графическое представление импульсов сигнала рассогласования U_ср, где τ₁ длительность импульса сигнала рассогласования, τ₂ длительность паузы между указанными импульсами; на фиг. 3 то же, управляющих импульсов U_у, где τ₃ -длительность управляющего импульса, τ₄ длительность его паузы, t₁ время запаздывания управляющих импульсов относительно импульсов сигнала рассогласования, равное минимальной пороговой величине длительности импульса сигнала рассогласования или паузы; на фиг. 4 графическое изображение процесса формирования импульсов сигнала рассогласования и пауз при изменении выпрямленного выходного напряжения U_вых относительно опорного напряжения U_оп, при этом кривая 1 выпрямленное выходное напряжение относительно порогового уровня, кривая 2 форма сигнала рассогласования на выходе компаратора; кривая 3 запаздывающие на t₁ управляющие импульсы; на фиг. 5 графическое изображение процесса регулирования в различных режимах АГ при изменении полезной нагрузки: а) в режиме средней нагрузки; б) в режиме, близком к перегрузке; в) в режиме, близком к холостому ходу, где U_ср12 сигнал рассогласования на выходе интегратора 12; на фиг. 6 внешняя характеристика АГ, где I₁ выходной ток генератора 1 при полностью отключенной внешней нагрузке; при этом вся мощность "сбрасывается" в балласт 7; I₃ выходной ток генератора 1 при максимальной внешней нагрузке и полностью отключенной балластной нагрузке 7; I₂ промежуточное значение выходного тока генератора (нормальный режим работы I₁ < I₂ < I₃).

Предложенный способ реализуют с помощью устройства, изображенного на фиг. 1
Устройство включает АГ 1, источник реактивной мощности (ИРМ) 2, выполненный, например, в виде системы фазных емкостей, и нагрузку по переменному току 3 (полезная нагрузка), соединенные через автоматические выключатели 4 и 5, а также трехфазный мостовой выпрямитель 6, выполняющий функцию датчика напряжения. С мостовым выпрямителем 6 соединена нагрузка по постоянному току R_б7 (автобалласт) через управляющий коммутатор 8. С коммутатором 8 соединена система управления АГ 1. Система управления 9 включает источник опорного напряжения АГ 1. Система управления 9 включает источник опорного напряжения 10, соединенный с одним из выходов компаратора 11, второй вход которого соединен с выпрямителем 6. Выход компаратора 11 соединен с входом интегратора 12 и анализаторами длительности импульсов и пауз 14 и 15, выполненными, например, на основе интеграторов со сбросом и компараторов (на чертеже не указаны).

Выход интегратора 12 соединен с триггером Шмидта 13, который соединен с коммутатором 8.

Выходы анализаторов 14 и 15 соединены через логический элемент ИЛИ 17 с входом блока управления 18, который соединен с выключателями 4 и 5.

Управление асинхронным генератором осуществляют следующим образом.

К обмоткам статора АГ 1 через выключатель 4 подключает ИРМ 2, и после появления выходного напряжения (U_вых) к АГ 1 подключают через выключатель 5 нагрузку по переменному току R_н 3. Вырабатываемое АГ 1 выходное трехфазное напряжение U_выхI выпрямляют трехфазным мостовым выпрямителем 6 и получают постоянное выпрямленное напряжение U_выхII с пульсациями, соответствующими трехфазному мостовому выпрямлению. Выпрямленное напряжение U_выхII сравнивают с опорным напряжением U_оп от источника 10. В результате сравнения с помощью компаратора 11 формируют последовательность импульсов сигнала рассогласования (см. фиг. 2, 3) длительностью τ₁, равной времени превышения пульсаций выпрямленного выходного напряжения АГ U_выхII над опорным U_оп и с длительностью пауз τ₂ времени превышения опорного напряжения над пульсациями выпрямленного U_выхII.

Сформированную таким образом последовательность импульсов сигнала рассогласования преобразуют в управляющие импульсы с помощью интегратора 12 и триггера Щмидта 13.

При этом управляющие импульсы формируют только из импульсов сигнала рассогласования с длительностью импульса τ₁ или паузы τ₂, превышающей заданную величину t₁ минимальную пороговую величину длительности импульса или паузы сигнала рассогласования. При τ₁, τ₂ > t₁ последовательность управляющих импульсов формируют в виде запаздывающей последовательности импульсов относительно импульсов сигнала рассогласования на величину t₁ (см. фиг. 3).

Одновременно с формированием управляющих импульсов длительности импульсов сигнала рассогласования и их пауз сравнивают с заданными предельно допустимыми значениями t₂ длительности импульса или паузы последовательности импульсов сигнала рассогласования в анализаторах 14 и 15 соответственно.

В случае превышения заданного значения t₂ любой из этих величин через блок управления 18 отключают с помощью выключателей 4 и 5 ИРМ 2 и полезную нагрузку R_н3 и, следовательно, АГ 1 (на фиг. 4 эти случаи не показаны).

Величину времени t₁ выбирают в пределах нескольких процентов периода напряжения сети.

Максимально допустимое время t₂ выбирают, исходя из допустимого времени, в течение которого генератор может работать с перегрузкой или перенапряжением (секунды или десятки секунд).

В процессе настройки системы управления 9 получают внешнюю характеристику АГ 1 (см. фиг. 6), и с ее помощью определяют оптимальные значения реактивной мощности возбуждения (она определяется коэффициентом мощности cosΦ генератора и нагрузки R_н3 и сопротивления автобалласта P_б7 [1]
Диапазон регулирования напряжения определяется требованиями качества электроэнергии (например 232-198В), что соответствует изменению тока нагрузки I_н от нуля до максимальной величины, и, соответственно, изменению среднего тока автобалласта I_б от максимальной до нуля (средний ток I_б от максимальной до нуля (средний ток I_б, так как мощность, потребляемая автобалластом, определяется шириной управляющих импульсов).

При уменьшении или увеличении полезной нагрузки R_н3 напряжение U_выхI АГ растет (относительно номинального U_ном) или падает, что приводит к увеличению или уменьшению длительности (ширины) t₁ управляющих импульсов.

При возрастании нагрузки по переменному току R_н3 и снижении U_выхI длительность импульса сигнала рассогласования τ₁ уменьшается, а его паузы τ₂ увеличивается. Если τ₁ < t₁ а τ₂ < t₁ (заданной минимальной пороговой величины указанного импульса или его паузы), то нагрузка по постоянному току R_б7 не подключается, и в полезную нагрузку R_н3 может быть отдана дополнительная мощность. С другой стороны, при снижении нагрузки по переменному току R_н3 и возрастании U_выхI длительность паузы импульса τ₂ уменьшается, а длительность импульса τ₁ - увеличивается. Если τ₂ < t₁ (τ₁ > t₁), то отключение сопротивления автобалласта R_б7 лишь усугубит увеличение U_выхI, а его неотключение позволяет удержать U_выхI в заданном диапазоне. Одновременный контроль длительностей импульсов сигнала рассогласования и их пауз за превышением заданных предельно допустимых значений t₂ и последующие отключения автобалласта R_б7 и ИРМ позволяет определить и исключить предаварийные ситуации АГ.

На фиг. 5 (а, б, в) проиллюстрированы режимы работы АГ (режим средней нагрузки, перегрузки и холостого хода).

Режим средней нагрузки (фиг. 5,а) соответствует вышеописанному примеру. В режиме перегрузки триггер Шмидта 13 воспринимает выход под сигнал интегратора 12 как "0" (фиг. 5,б), поэтому управляющие импульсы не будут поступать на R_б7, т. е. сопротивление автобалласта R_б7 будет отключено. В режиме холостого хода (фиг. 5,в) триггер Шмидта 13 воспринимает выходной сигнал интегратора 12 как "1". В этом случае идет постоянное включение балласта R_б7.

Таким образом, предлагаемое изобретение за счет использования в качестве сигнала рассогласования сигнала в виде сформированной указанным образом последовательности импульсов, а также за счет указанного формирования управляющих импульсов из последовательности импульсов сигнала рассогласования позволяет обеспечить постоянный контроль за отклонением параметров АГ над допустимыми значениями, что позволяет выявить предаварийные ситуации и, следовательно, повысить надежность АГ по сравнению с прототипом.

Кроме того, предлагаемый способ исключает реагирование системы управления АГ на кратковременные выбросы или провалы выходного напряжения и, следовательно, лишние переключения нагрузки по постоянному току, что повышает динамическую помехоустойчивость системы управления АГ и стабилизацию выходного напряжения по сравнению с прототипом.

Использование: в энергетике, например в малых ГЭС, ветроэлектростанциях и автономных электростанциях малой мощности. Сущность: при способе управления асинхронным генератором, возбуждение которого осуществляют от источника реактивной мощности, многофазно выпрямляют выходное напряжение, измеряют величины выходного напряжения, сравнивают ее с величиной опорного напряжения, формируют сигнал рассогласования указанных величин и преобразуют его в последовательность управляющих величиной нагрузки по постоянному току импульсов, сигнал рассогласования формируют в виде последовательности импульсов длительностью, равной времени превышения пульсаций выпрямленного выходного напряжения над опорным, и паузами между указанными импульсами, равными времени превышения опорного напряжения над пульсациями выпрямленного выходного напряжения, при этом управляющие импульсы формируют из указанных импульсов длительностью импульса или паузы, превышающей заданную минимальную пороговую величину длительности импульса сигнала рассогласования на эту заданную величину. Одновременно с преобразованием импульсов сигнала рассогласования в управляющие импульсы значения длительности импульсов сигнала рассогласования или пауз сравнивают с заданными предельно допустимыми значениями длительности импульса или паузы последовательности импульсов рассогласования, а при превышении любой из них заданного значения отключают нагрузку по переменному току и источник реактивной мощности. Это позволяет повысить надежность асинхронного генератора и качество стабилизации выходного напряжения генератора. 6 ил.

Способ управления асинхронным генератором с нагрузками по переменному и постоянному токам, включающий возбуждение генератора от источника реактивной мощности, многофазное выпрямление выходного напряжения, измерение величины этого напряжения, сравнение ее с величиной опорного напряжения, формирование сигнала рассогласования указанных величин и преобразование его в последовательность управляющих величиной нагрузки по постоянному току импульсов, отличающийся тем, что сигнал рассогласования формируют в виде последовательности импульсов с длительностью, равной времени превышения пульсаций выпрямленного выходного напряжения над опорным и паузами между указанными импульсами, равными времени превышения опорного напряжения над пульсациями выпрямленного напряжения, при этом управляющие импульсы формируют из указанных импульсов с длительностью импульса или паузы, превышающей заданную минимальную пороговую величину длительности импульса сигнала рассогласования или его паузы, в виде запаздывающей последовательности импульсов относительно последовательности импульсов сигнала рассогласования на эту заданную величину, одновременно с преобразованием импульсов сигнала рассогласования в управляющие импульсы значения длительностей импульсов или пауз сигнала рассогласования сравнивают с заданными предельно допустимыми их значениями и при превышении любой из них заданного значения отключают нагрузку по переменному току и источник реактивной мощности.