СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ВОЗБУЖДЕННОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С СЕТЬЮ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК H02J3/42 H02P9/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при подключении к энергосистеме возбужденной синхронной машины, преимущественно электрогенератора.

Известен способ синхронизации, состоящий в регулировании частоты возбужденной синхронной машины до совпадения частот машины и сети, ожидании момента совпадения фаз машины и сети и включении машины в сеть в момент совпадения фаз [В.Н. Константинов. Синхронизация судовых синхронных генераторов. Л., "Судостроение", 1965, с.256-267].

Недостатком этого способа является большая длительность синхронизации из-за длительности подготовки частоты и большого периода между моментами возможного подключения к сети.

Наиболее близок к изобретению способ синхронизации возбужденной синхронной машины, состоящий в регулировании частоты до получения допустимого скольжения, ожидании момента совпадения фаз и включении машины в сеть в момент совпадения фаз. При этом введены операции, обеспечивающие оптимизацию переходного процесса при установлении заданного скольжения [А.с. СССР 1043787, Н 02 J 73/40, 1983]. Этот способ принят за прототип.

Недостаток прототипа состоит в большой длительности синхронизации, поскольку эта длительность складывается из двух последовательных во времени процессов: сначала происходит точная подгонка частоты машины (допустимое скольжение 0,05. . . 0,2 Гц, т.е. частота должна поддерживаться с точностью 0,1%) и затем ожидание совпадения фаз на этой частоте. Точная подгонка требует малых изменений расхода топлива в приводном двигателе, в итоге процесс подгонки идет медленно и занимает минуты. Этот недостаток особенно заметен при использовании газотурбинных установок на базе авиационных двигателей, у которых время пуска от нажатия кнопки до холостого хода составляет 2 мин. Эти установки можно использовать для экстренного восполнения дефицита мощности, но длительность синхронизации серьезно ограничивает эту возможность.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в уменьшении длительности синхронизации.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе синхронизации возбужденной электрической машины, при котором регулируют частоту напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измеряют разность фаз, включают машину в сеть в момент совпадение фаз, согласно изобретению при частоте напряжения возбужденной синхронной машины ниже, чем частота сети, увеличивают частоту напряжения возбужденной синхронной машины до уровня большего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет больше частоты сети.

Кроме того, указанный технический результат достигается также тем, что в способе синхронизации возбужденной синхронной электрической машины с сетью, при котором регулируют частоту напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измеряют разность фаз и включают машину в сеть в момент совпадения фаз, согласно изобретению при частоте напряжения возбужденной синхронной машины выше, чем частота сети, уменьшают частоту напряжения возбужденной синхронной машины до уровня меньшего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет меньше частоты сети.

Кроме того, изменение частоты напряжения возбужденной синхронной машины производят с постоянным ускорением, не превышающим половины квадрата частоты скольжения.

При этом для повышения точности синхронизации вычисляют вторую производную разности фаз и определяют момент совпадения фаз при постоянной второй производной разности фаз.

Способ исключает операцию точной подгонки частоты машины. Для обеспечения минимального толчка при включении машины в сеть определяющей является не разность частот, и тем более не постоянство этой разности, чего добивались в прототипе, а совпадение фаз, что может быть достигнуто и при переменной частоте машины. При росте частоты машины, начиная от частоты сети, проходится весь диапазон малых скольжений и имеется достаточно времени для совпадения фаз.

Как правило, включение в сеть происходит при первом совпадении фаз при частоте напряжения возбужденной синхронной машины, большей частоты сети. Изменение частоты напряжения возбужденной машины с постоянным ускорением наиболее естественно, т.к. соответствует увеличению расхода топлива в приводном двигателе на постоянную величину, т.е. тоже без длительных переходных процессов. Равноускоренное движение ротора машины учитывается предлагаемым расчетом момента совпадения фаз и уменьшает толчок при подключении к сети.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - осциллограмма синхронизации в соответствии с предлагаемым способом.

Устройство содержит измерители частоты напряжения возбужденной синхронной машины 1, измеритель частоты сети 2 и измеритель разности фаз 3. Токовые выходы измерителей подключены к многоканальному аналого-цифровому преобразователю 4, выходы каналов 5, 6, 7 которого подключены к электронно-вычислительной машине 8. Программа электронно-вычислительной машины содержит сумматор 9, вычислитель 10, нуль-органы 11 и 12, интегратор 13, регулятор 14 и ключ 15.

Выход канала 5 и выход канала 7 соединены с входами сумматора 9, выход которого связан с входами нуль-органов 11 и 12. Выход нуль-органа 11 связан с входом запуска интегратора 13, выход которого связан с входом уставки регулятора 14. Вход регулируемой величины регулятора 14 соединен с выходом канала 5, а выход регулятора 14 связан с входом цифроаналогового преобразователя 16.

Выход нуль-органа 12 связан с управляющим входом ключа 15, через который дискретный сигнал с выхода вычислителя 10 проходит на управление выключателем, соединяющим машину с сетью (не показан). Второй выход ключа 15 связан с входом сброса интегратора 13.

Устройство работает следующим образом. Напряжение возбужденной машины поступает на измеритель 1 частоты этого напряжения, где преобразуется в сигнал постоянного тока, пропорциональный частоте напряжения возбужденной синхронной машины. Аналогично в измерителе 2 образуется сигнал тока, пропорциональный частоте сети. В измерителе 3 образуется токовый сигнал, пропорциональный разности фаз машины и сети. Он может быть получен, например, следующим образом: в интервале от перехода через ноль напряжения машины до перехода через ноль напряжения сети импульсы генератора высокой частоты подаются на счетчик, результат счета переписывается в регистр и преобразуется в аналоговый токовый сигнал; цикл повторяется в каждом периоде напряжения машины. Эти токовые сигналы в аналого-цифровом преобразователе 4 преобразуются в коды Kf_к, Kf_с, K_pϕ соответственно.

Далее коды Kf_г и Kf_с поступают на суммирующий и вычитающий входы 9 сумматора, который выделяет код скольжения K_s, поступающий на входы нуль-органов 11 и 12. Нуль-орган 11 определяет момент, когда скольжение машины относительно сети превысит величину S_min. Эта величина отрицательная, и она определяет момент, начиная с которого режим разгона ротора машины сменяется увеличением ее частоты с постоянным ускорением. Как правило, это постоянное ускорение меньше скорости разгона. Величина скольжения S_min подбирается так, чтобы режим постоянного ускорения установился до сравнения частоты напряжения возбужденной синхронной машины и частоты сети. Типичное значение S_min= -0,1 Гц.

Сигнал о превышении S_min с выхода нуль-органа 11 запускает интегратор 13, который вырабатывает линейно-возрастающую уставку на регулятор 14 частоты вращения машины, которая пропорциональна частоте f_r; частота вращения синхронной машины будет возрастать с постоянным ускорением до прекращения работы интегратора 13. Во время работы интегратора 13 изменяется код К_ДН на выходе регулятора 14 и через дозатор 16 увеличивается расход топлива в приводе синхронной машины.

В момент равенства частот возбужденной синхронной машины и сети код скольжения K_s= 0 и срабатывает нуль-орган 12. Режим постоянного ускорения длится до достижения максимального скольжения S_max, допустимого по условиям точной синхронизации, типичное значение S_max=0,2...0,3 Гц. Ускорение возбужденной синхронной машины должно быть таким, чтобы при любых начальных условиях фазы напряжений машины и сети совпали раньше, чем будет достигнуто S_max. В самом неблагоприятном случае совпадения фаз в момент равенства частоты напряжения возбужденной синхронной машины и частоты сети это условие выполняется, когда постоянное ускорение не превышает половины квадрата максимального скольжения:

Определение момента совпадения фаз по изменению K_pϕ проводится в вычислителе 10, в котором определяется при каждом i - измерении K_pϕ также скорость и ускорение
Интервал до совпадения фаз определяется из решения уравнения

где t - время от момента измерения до момента совпадения фаз.

Когда это время станет равным времени срабатывания выключателя, соединяющего машину с сетью, вычислитель 10 выдает команду на замыкание этого выключателя. Эта команда проходит через ключ 15, открытый сигналом нуль-органа 12 с момента равенства частот f_r и f_c, где f_c - частота напряжения сети.

Команда вычислителя проходит также на вход сброса интегратора 13.

На фиг. 2 представлено изменение параметров в типичном эксперименте с синхронизацией предлагаемым способом. Кривая 17 отображает частоту напряжения возбужденной синхронной машины, кривая 18 - частоту сети, кривая 19 - разность фаз, кривая 20 - ток фазы А, кривая 21 - активную мощность машины.

Как видно на фиг.2, до момента t₁ происходил начальный разгон машины, а с момента t₁ - изменение частоты 17 напряжения возбужденной синхронной машины с постоянным ускорением. При этом разность фаз 19 меняется по закону квадратичной параболы. В момент t₂ частота 17 напряжения возбужденной синхронной машины сравнивается с частотой 18 сети и с этого момента происходит уменьшение разности фаз 19 и рассчитывается время подачи команды на замыкание выключателя. В момент t₃ разность фаз близка к нулю, замыкается выключатель. Возникает небольшой толчок тока 20 (около 5% номинального тока машины), и на этом синхронизация заканчивается. Качание ротора машины (видимое по току и мощности 21) затухает за один период.

Для газотурбинной установки мощностью 20 МВт среднее за 15 пусков время синхронизации предложенным способом не превышает 20 с.

Таким образом, в результате использования предлагаемого изобретения длительность синхронизации сокращается в несколько раз.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для снижения длительности точной синхронизации и включения синхронной машины в сеть. Технический результат заключается в уменьшении длительности синхронизации. В способе синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью подключенная машина возбуждается при подходе к подсинхронной частоте, затем задается непрерывное изменение частоты напряжения возбуждающей синхронной машины так, чтобы при этом изменении она перешла частоту сети, после этого перехода прогнозируется момент совпадения фаз, и в этот момент возбужденная синхронная машина включается в сеть. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ синхронизации возбужденной синхронной машины, включающий регулирование частоты напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измерение разности фаз и включение возбужденной синхронной машины в сеть в момент совпадения фаз, отличающийся тем, что при частоте напряжения возбужденной синхронной машины ниже частоты сети увеличивают частоту напряжения возбужденной машины до уровня, большего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет больше частоты сети. 2. Способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью, включающий регулирование частоты напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измерение разности фаз и включение возбужденной синхронной машины в сеть в момент совпадения фаз, отличающийся тем, что при частоте напряжения возбужденной синхронной машины выше частоты сети снижают частоту напряжения возбужденной синхронной машины до уровня, меньшего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет меньше частоты сети. 3. Способ синхронизации по п.1 или 2, отличающийся тем, что изменение частоты напряжения возбужденной синхронной машины производят с постоянным ускорением, не превышающим половины квадрата допустимого максимального скольжения. 4. Способ синхронизации по п.3, отличающийся тем, что вычисляют вторую производную разности фаз и определяют момент совпадения фаз при постоянной второй производной разности фаз.