СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С УПРАВЛЯЕМОЙ ВНЕШНЕЙ ФОРСИРОВКОЙ Российский патент 2014 года по МПК H02P9/14 H02P9/26 H02P9/30 H02P9/38 

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 невысокая форсировочная способность и как следствие невозможность пуска асинхронных двигателей с коротко-замкнутым 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/.

Недостатком прототипа является возможность перевозбуждения генератора, поскольку по факту превышения допустимой величины приращения тока нагрузки, возбуждение увеличивается всегда на одну и ту же величину, которая определяется параметрами внешнего источника.

Цель изобретения - повышения точности форсировки возбуждения.

Цель изобретения достигается тем, что система возбуждения синхронного генератора с управляемой внешней форсировкой, 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 общий электронный ключ, управляющий электрод которого подключен к выходу элемента ИЛИ, связанного первым входом с шиной ПУСК, а вторым входом - с прямым выходом триггера, сбросовый вход которого через второй дифференциатор соединен с выходом элемента И, второй вход которого через инвертор подключен 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, снабжена N параллельно включенными секциями, введенными между внешним источником постоянного тока и общим электронным ключом, при этом каждая секция имеет последовательно включенные резистор и секционный электронный ключ, подключенный управляющим электродом к соответствующему разряду выхода вычитателя, причем сопротивление резистора i-той секции определяется выражением R_i=R₁/2^(i-1), где R₁ - сопротивление резистора первой секции, а параллельно секциям включен ограничительный резистор.

Параллельно включенные секции, введенные между внешним источником постоянного тока и общим электронным ключом, обеспечивают управление с необходимой степенью точности форсировки возбуждения в зависимости от приращения тока нагрузки генератора. Зависимость сопротивление резистора i-й секции от сопротивления резистора первой секции в соответствии с выражением R_i=R₁/2^(i-1), обеспечивают одинаковое приращение проводимости цепи форсировки возбуждения при изменении на единицу кода тока нагрузки на выходе вычитателя во всем диапазоне регулирования. При этом приращение проводимости цепи форсировки возбуждения при изменении на единицу кода тока нагрузки на выходе вычитателя составляет Δq=1/R₁. Ограничительный резистор, включенный параллельно секциям, создает цепь начального возбуждения.

На фиг.1 представлена схема системы возбуждения синхронного генератора с управляемой внешней форсировкой.

Система возбуждения включает синхронный генератор 1, имеющий обмотку якоря 2 и обмотку индуктора 3, которая подключена к выходу первого выпрямителя 4. Суммирующий трансформатор 5 имеет четыре обмотки: первичную токовую 6, которая включена последовательно с обмоткой якоря 2; первичную обмотку напряжения 7, которая подключена к зажимам генератора; вторичную обмотку 8 питания индуктора 3 и обмотку управления 9, подключенную к выходу корректора напряжения 10. Для обеспечения условий фазового компаундирования трансформатор 5 имеет магнитный шунт, который отделяет обмотку 7 от других обмоток на сердечнике трансформатора. Параллельно индуктору 3 через общий электронный ключ 12 подключен внешний источник постоянного тока 11, например стартерная аккумуляторная батарея. Последовательно с обмоткой якоря 2 включен трансформатор тока 13. В цепь его вторичной обмотки включен шунт 14, к которому подключен второй выпрямитель 15. Его напряжение подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16. Информационные входы первого 17 и второго 18 регистров памяти соединены с выходами АЦП 16, а их входы записи - с распределителем импульсов 19, на вход которого подключен генератор 20 импульсов стабильной частоты. Выходы вычитателя 21 и задающего регистра 22 подключены соответственно к первому и второму входам числового компаратора 23. На выходе задающего регистра 22 устанавливают код максимально допустимого приращения тока нагрузки. Выходы БОЛЬШЕ и РАВНО числового компаратора 23 подключены к входу первого дифференциатора 24. Его выход подключен к единичному входу RS-триггера 25, сбросовый вход которого связан с выходом второго дифференциатора 26. Входы логического элемента ИЛИ 27 соединены с прямым выходом триггера 25 и шиной ПУСК 28, а выход - с управляющим входом общего электронного ключа 12. Формирователь-ограничитель 29 входом подключен к выпрямителю 15, а выходом через инвертор 30 - ко второму входу логического элемента И 31, первый вход которого подключен к выходу МЕНЬШЕ числового компаратора 23. Между общим электронным ключом 12 и внешним источником постоянного тока 11 введены N параллельно соединенных секций. Секции включают с первого 32-1 по N-ый 32-N резисторы и с первого 33-1 по N-ый 33-N секционные электронные ключи. Сопротивление R резистора 32-i i-й секции определяется выражением R_i=R₁/2^(i-1), где R₁ - сопротивление резистора 32-1 первой секции. Параллельно секциям включен ограничительный резистор 34 импульса начального возбуждения.

Система возбуждения синхронного генератора работает следующим образом.

Начальное возбуждение происходит за счет остаточного магнитного потока генератора 1. При недостаточном остаточном магнитном потоке подается короткий импульс на шину 28 ПУСК. Он через логический элемент ИЛИ 27 поступает на управляющий вход ключа 12, который, открываясь, кратковременно подключает индуктор 3 генератора к внешнему источнику 11 через ограничительный резистор 34. Генератор 1 возбуждается и на якорной обмотке 2 появляется напряжение, которое подается на обмотку напряжения 7 суммирующего трансформатора 5. 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 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 9 трансформатора 5 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 i(t) нагрузки генератора, протекающего по первичной обмотке трансформатора 13.

Ток i₂(t) вторичной обмотки трансформатора тока 13 i₂(t)=i(t)/k, где k - коэффициент трансформации трансформатора 13, протекая по шунту 14, производит на нем падение напряжения

u₂(t)=i₂(t)r, где r - сопротивление шунта 14, которое подается на вход выпрямителя 15. На выходе выпрямителя 15 появляется пульсирующее напряжение $$u(t)=\left|u_2(t)\right|$$ , поступающее на вход АЦП 16. На выходе преобразователя 16 формируется код мгновенного значения входного напряжения

K(t)=u(t)/u_n, где u_n - шаг квантования АЦП 16.

Этот код по существу является кодом мгновенного значения тока нагрузки генератора. Он подается на информационные входы регистров памяти 17 и 18. С выхода генератора 20 импульсы стабильной частоты f поступают на вход распределителя 19. На его выходах попеременно через фиксированный промежуток времени Δt=1/f появляются импульсы, которые поступают на входы записи регистров 17 и 18. В результате в регистры памяти 17 и 18 записываются коды K(t) и K(t+Δt), соответствующие мгновенным значениям тока нагрузки i(t) и i(t+Δt) для смежных моментов времени, отличающихся на Δt. Коды поступают на входы вычитателя 21. На его выходе появится код, соответствующий текущему приращению тока нагрузки |Δi/Δt| за фиксированный промежуток времени Δt. Он поступает на первый вход числового компаратора 23, где сравнивается с кодом допустимого приращения тока нагрузки, поступающим на второй вход компаратора 23 с выхода задающего регистра 22. При этом появляется сигнал на одном из выходов компаратора 23.

Если текущее приращение тока нагрузки не превышает допустимой величины, то сигнал появляется на выходе МЕНЬШЕ компаратора 23 и подготавливает элемент И 31 по первому входу. В момент времени когда мгновенное значение пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя 15 приближается к нулю, сигнал на выходе формирователя-ограничителя 29 исчезает. Появляется сигнал на выходе инвертора 30, который через элемент И 31 поступает на вход дифференциатора 26. Сигнал с выхода дифференциатора 26 подается на сбросовый вход триггера 25, и он переходит в состояние, когда сигнал на его прямом выходе отсутствует. При этом форсировка возбуждения не производится.

Если текущее приращение тока нагрузки генератора превышает допустимую величину или равно ей, то появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ или РАВНО числового компаратора 23, который поступает на вход дифференциатора 24. Сигнал с выхода дифференциатора 24 переводит триггер 25 в единичное состояние. Сигнал с прямого выхода триггера 25 через элемент ИЛИ 27 приходит на управляющий электрод электронного ключа 12. Ключ 12 включается и замыкает цепь форсировки возбуждения. По обмотке индуктора 3 дополнительно начинает протекать ток форсировки, величина которого определяется напряжением внешнего источника 11 и проводимостью цепи форсировки, которая зависит от того, сколько и какие резисторы 32 включены. Включение резисторов 32-1…32-N производится ключами 31-1…33-N, управляющие электроды которых подключены к соответствующим разрядам выхода компаратора 21. Если, например, приращение тока нагрузки достигает запредельной величины, то на выходе компаратора 21 появляется единичный код. На управляющее электроды электронных ключей 31-1……33-N поступают сигналы и они, открываясь, включают все резисторы 32-1…32-N, обеспечивая максимальную проводимость и максимальный ток форсировки, что препятствует провалу напряжения. При меньших значениях приращений тока нагрузки на выходе компаратора 21 появляются меньшие по величине коды, и происходит закрытие части ключей 33 и отключение части резисторов 32. При этом уменьшаются проводимость и ток цепи форсировки в соответствии с кодом приращения тока нагрузки. Изменение кода приращения тока нагрузки на единицу приводит к изменению проводимости цепи форсировки на величину, равную проводимости первой секции Δq=1/R₁, где R₁ - сопротивление резистора 32-1.

При снижении тока нагрузки до допустимых значений, например после завершения процесса пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором появляется сигнал на выходе МЕНЬШЕ компаратора 23, который подготавливает элемент И 31 по первому входу. В момент времени, когда мгновенное значение тока близко к нулевому значению и наблюдается максимальное приращения тока, появляется сигнал на выходе инвертора 30, который поступает на второй вход элемента И 31. На выходе элемента И 31 появляется сигнал и через дифференциатор 26 поступает сигнал на сбросовый вход триггера 25, который меняет свое состояние. Сигнал на прямом выходе триггера 25 исчезает. Закрывается ключ 12, отключая цепь форсировки с внешним источником 11 от обмотки 3 индуктора генератора.

Таким образом, предложенная система возбуждения генератора имеет высокую форсировочную способность. Степень форсировки возбуждения является функцией максимального приращения тока нагрузки генератора, что обеспечивает высокое быстродействие и точность, исключая возможность перерегулирования. Точность форсировки определяется разрядностью компаратора 32 и количеством резисторов 32.

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. Патент на изобретение по заявке №2010149367/07(071322) от 02.12.2010. Положительное решение от 5.12.11, кл. Н02Р 9/14.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии. Техническим результатом является повышение точности форсировки возбуждения. В системе возбуждения синхронного генератора параллельно индуктору (3) подключен внешний источник постоянного тока (11) через общий электронный ключ (12). Последовательно с обмоткой якоря (2) включен трансформатор тока (13), к которому подключен шунт (14) и второй выпрямитель (15). Система возбуждения содержит аналого-цифровой преобразователь (16), два регистра памяти (17,18), распределитель импульсов (19), генератор импульсов (20) стабильной частоты, вычитатель (21), задающий регистр (22), числовой компаратор (23), два дифференциатора (24,26), RS-триггер (25), логический элемент ИЛИ (27), шина ПУСК (28), формирователь-ограничитель (29), инвертор (30), логический элемент И (31), с первого 32-1 по N-й 32-N резисторы и с первого 33-1 по N-й 33-N секционные электронные ключи. Сопротивление R_i резистора 32-i определяется выражением R_i=R₁/2^(i-1), где R₁ - сопротивление резистора 32-1. 1 ил.

Система возбуждения синхронного генератора с управляемой внешней форсировкой, 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 трансформатора подключена к зажимам генератора, параллельно обмотке индуктора которого включен внешний источник постоянного тока через общий 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 отличающаяся тем, что с целью повышения точности форсировки возбуждения снабжена N параллельно включенными секциями, введенными между внешним источником постоянного тока и общим электронным ключом, при этом каждая секция имеет последовательно включенные резистор и секционный электронный ключ, подключенный управляющим электродом к соответствующему разряду выхода вычитателя, причем сопротивление резистора i-й секции определяется выражением R_i=R₁/2^(i-1), где R₁ - сопротивление резистора первой секции, а параллельно секциям включен ограничительный резистор.