СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H02M1/92 

Система управления системой возбуждения с повышенной стойкостью изоляции

Описание изобретения

Область техники:

Изобретение относиться к электротехнике и может быть применено для повышения надежности создаваемых систем возбуждения синхронных электрических машин. Изобретение позволяет упростить разработку систем возбуждения, упрощает профилактический контроль системы в процессе эксплуатации и способствует большей унификации компонентов систем возбуждения разных мощностей.

Уровень техники:

Развитие систем возбуждения происходило на основании аккумулирования достижений силовой электроники, микропроцессорной техники и теории электрических аппаратов. При этом, при создании систем возбуждения, объединялись узлы, детали и компоненты, имеющие широкое распространение в промышленности без учета особых требований, предъявляемых к системам возбуждения. К особенностям систем возбуждения следует отнести необходимость обеспечить высокую надежность функционирования при одновременном решении сложных вычислительных задач процесса регулирования, задач помехозащищенного управления мощными тиристорными преобразователями и задач управления коммутационными аппаратами, коммутирующими значительные токи и напряжения. При этом, применяют такие конструкторские решения, как разнесение микропроцессорных вычислительных мощностей со слаботочными цепями и сильноточных цепей тиристорных преобразователей и коммутационных аппаратов. При таких решениях, надежность системы возбуждения в целом, определяется обеспечением электромагнитной совместимости разных устройств, обеспечением процесса проведения периодических проверок и испытаний.

Для детального рассмотрения проблем схемной реализации существующих систем возбуждения выделим в их структуре следующие группы элементов:

1. Группу источников питания (трансформаторы, аккумуляторные батареи, преобразователи уровней напряжения);

2. Группу устройств регулирования и управления (регуляторы, контроллеры управления, панели управления операторов, локальные схемы автоматики);

3. Группу коммутационных аппаратов (контактор устройства гашения поля, контактор шунтирования ротора, контактор начального возбуждения, автоматы рабочего и резервного ввода, контакторы системы охлаждения);

4. Группу силовых полупроводниковых ключей (тиристоры тиристорных силовых выпрямительных мостов, тиристоры разрядников защиты ротора от перенапряжения).

Все указанные выше группы связанны проводными связями, объединяющими устройства в единую систему. При этом, в системе используются как устройства большой мощности, являющиеся источниками помех (коммутационные аппараты, полупроводниковые ключи), так и устройства малой потребляемой мощности, с низкими энергиями сигналов управления (группа устройств регулирования и управления), а также устройства, связывающие мощные и маломощные элементы - устройства группы источников питания. Конструкторская задача уменьшения влияния групп друг на друга решается конструкторами индивидуально, для каждой системы, исходя из своих собственных правил, и всегда является неким компромиссом, возможным для создаваемой системы.

Задача изобретения состоит в выработке решения, позволяющего упростить построение схемы системы возбуждения, избежав при этом конфликтов при реализации требований разных групп. Наиболее близкую к предлагаемому изобретению попытку решить изложенные задачи можно рассмотреть в патенте на изобретение RU 2421866. Указанное изобретение решает схожие задачи для высоковольтных преобразователей устройств плавного пуска и регулирования скорости высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей. При использовании указанного изобретения для систем возбуждения невозможно полностью решить поставленные технические задачи, поскольку задача управления системой возбуждения включает в себя, помимо задачи управления тиристорами, задачу управления коммутационными аппаратами. Предлагаемое изобретение отличает направленность на решение задач систем возбуждения и наличие общего микропроцессорное устройство управления, как для силовых полупроводниковых ключей, так и для коммутационных аппаратов. Так же, важным отличием, является то, что в указанном изобретении не решаются задачи минимизации повреждений оборудования при аварийных выходах из строя тиристоров и коммутационных аппаратов, а так же задачи обеспечения возможности периодического проведения испытаний изоляции элементов силовой части схемы. В предлагаемом же изобретении, решению этих задач придается особое значение.

Раскрытие изобретения

В основе изобретения лежат современные достижения радиоэлектроники, такие как:

1. Промышленное освоение производства волоконно-оптической кабельной продукции и как результат, снижение стоимости реализации волоконно-оптических каналов связи. Волоконно-оптические патч-корды и разъемы для их подключения являются стандартными изделиями выпускаемыми предприятиями в широкой номенклатуре.

2. Промышленное освоение производства транзисторов, изготовленных по карбид-кремниевой технологии. В таких транзисторах снижена вероятность электрического пробоя, возросли рабочие температуры, а также существенно снижены потери на коммутацию, что позволяет увеличить диапазон их рабочих частот, вследствие чего снижаются массогабаритные показатели индуктивных и емкостных компонентов схем.

3. Появление нанокристаллических материалов на основе железа, позволяющих создать магнитопроводы, работающие на высоких частотах с низкими потерями;

4. Появление одноплатных компьютеров большой вычислительной мощности, позволяющих решить все необходимые вычислительные задачи в одном вычислительном узле, что избавляет от необходимости работы с несколькими видами прикладного пользовательского программного обеспечения.

Исходя из последних достижений техники, возникают предпосылки создания новой системы управления системой возбуждения с повышенной стойкостью изоляции, при использовании которой были бы решены следующие технические задачи:

1. Обеспечено решение задач электромагнитной совместимости на схемном уровне, не зависимо от частных конструкторских решений по размещению оборудования и коммутационных связей;

2. Обеспечена возможность проведения периодических проверок изоляции силовой части системы возбуждения, путем проведения высоковольтных испытаний без создания угроз повреждения низковольтных цепей регулирующей и управляющей частей системы;

3. Обеспечена возможность отказа от локальных микропроцессорных узлов, размещаемых в силовой части, таких как схема импульсно фазового управления, схема управления тиристорами разрядника ротора, устройств управления охлаждением и становиться возможен переход на единый центр решения задач регулирования и управления;

4. Задачи локализации распространения аварийных повреждений на всю систему при повреждении одного из узлов системы возбуждения.

Следует отметить, что поставленные выше задачи возникли не сразу, а появились также в процессе эволюции систем возбуждения. На ранних стадиях развития систем возбуждения, при использовании релейно-контакторной логики и магнитных усилителей в контуре регулирования, системы были устойчивы воздействиям помех и единичным высоковольтным импульсам напряжения. Проблемы накапливались постепенно, при переносе в конструкции систем возбуждения решений из других отраслей, без их адаптации к специфике систем возбуждения. Этому также способствовали также экономические условия, когда, в силу незначительности рынка систем возбуждения, было не целесообразно производить мелкосерийное устройство узкоспециализированных устройств, а выгодно применить узел из общепромышленной серии. Предлагаемое изобретение решает изложенные выше технические задачи.

Предметом изобретения является система управления системой возбуждения принципиально отличающаяся от всех, применяемых ранее тем, что содержит разделение доставки до объектов управления сигнала управления и энергии, для осуществления управления. При этом доставка сигналов управления реализуется только с использованием волоконно-оптических линий связи, а доставка энергии осуществляется с помощью создания в пределах системы возбуждения изолированной электрической сети переменного тока высокой частоты. Выделение такой сети является существенным условием повышения стойкости изоляции, поскольку использование высоких частот позволяет применить компактные трансформаторные гальванические развязки с высоким уровнем изоляции.

Принцип разделения и обособления для каждого объекта управления - тиристора или коммутационного аппарата - информационных сигналов, поступающих по оптическому каналу и каналов поступления энергии (электропитания), служащих для энергетического воздействия на объект при реализации управления, позволяет исключить взаимное электромагнитное влияние по цепям питания или цепям управления различных тиристоров или коммутационных аппаратов друг на друга. Полное исключение электрических сигналов управления и переход на оптические каналы управления позволяет:

1. Обеспечить идеальную помехоустойчивость;

2. Унифицировать выходы управления и регулирования - все выходы контрольно-регулирующего устройства выполняются с одним типом оптического разъема соединителя и одним типом источника излучения. Становиться возможным объединения регулирующей части (регулятора, в классическом понимании) и контроллера управления в едином устройстве, без разделения программного обеспечения и без необходимости пересылки друг другу части сигналов;

3. Значительно упрощается наладка - в случае простейшей диагностики возможно визуально определить наличие излучения по тому или иному каналу управления. При этом, не требуются приборы для измерения, например, уровней напряжения и тока, а также проведение анализа спектра сигнала на предмет формы его полезной составляющей. Так же просто проверяется и приемная часть - с помощью тестового источника излучения - единого для всех объектов управления в составе системы возбуждения.

На приведенной на Фиг. 1 структурной схеме, предлагаемой изобретением, раздельные в классических системах возбуждения устройства регулирования и управления, вырождаются в единое микропроцессорное устройство управления 1. Такое решение стало возможным, прежде всего, с появлением микропроцессоров с высоким быстродействием, позволяющих, решить все функциональные задачи в едином устройстве, а также благодаря использованию волоконно-оптических каналов связи, позволяющих передавать сигналы управления на большие расстояния без задержки. Использование единого микропроцессорного устройства управления позволяет также решить задачу использования только одного вида прикладного программного обеспечения микропроцессора, что позволяет упростить задачу эксплуатации системы возбуждения. Все каналы управления и регулирования формируются в виде оптического излучения и передаются к объектам управления индивидуальными волоконно-оптическими линиями связи 2.

Канал поступления энергии к объектам управления, или канал электропитания, остается единственным критическим, с точки зрения надежности, конструктивным звеном. Угрозы функционированию представляют взаимные электромагнитные помехи, а также возможные в процессе эксплуатации локальные снижения изоляции. Для максимального ослабления данных факторов в изобретении используется схема электропитания объектов управления (тиристоров и коммутационных аппаратов) с использованием общей для всех устройств шины питания переменным напряжением в диапазоне частот от 50 до 1000 килогерц. Источником такого напряжения является преобразователь переменного тока 3. Преобразователь представляет собой инвертор, получающий питание от имеющихся в наличии источников постоянного и выпрямленного переменного тока промышленной частоты. При современном развитии техники, для построения инвертора, наиболее рационально использовать транзисторы, изготовленные по карбид-кремниевой технологии. Данный тип прибора позволяет без увеличения потерь повысить частоту напряжения магистрали питания, что положительно сказывается на массогабаритных показателях элементов схемы возбуждения.

К выходу преобразователя подключается шина питания 4, общая для всех устройств системы возбуждения. Подключение нагрузок к шине питания осуществляется через индивидуальные для каждого объекта управления или потребителя конденсаторы связи 5. Изобретение предусматривает для подключения каждой нагрузки к шине число конденсаторов равное числу проводников шины. Использование конденсаторов связи при подключении нагрузок к шине решает следующие технические задачи:

1. При повреждениях изоляции, не позволяет токам, имеющим опасные по величине постоянные и низкочастотные (промышленной частоты) составляющие токов, из зоны повреждения, проникать в неповрежденные части системы;

2. При возможных коротких замыканиях в цепях нагрузок позволяет избежать критического снижения напряжения на шине питания;

3. Позволяет проводить испытание изоляции постоянным повышенным испытательным напряжением без предварительной разборки схемы и без создания угроз повреждения электронных компонентов.

Для непосредственного воздействия на объекты управления, такие как, коммутационные аппараты 6 и силовые полупроводниковые ключи 7, применены модули 8, объединяющие в один конструктивный блок схему электропитания и приемник оптического сигнала управления с каскадом усиления. По аналогии с гидравликой, пневматикой и рядом других отраслей техники в предлагаемом изобретении модули 8 названы «бустерами управления». Схема электропитания бустера, включает в себя, в общем случае, двухобмоточный высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого подключается к конденсаторам связи, а вторичная - к выпрямителю, выпрямитель, выполненный по мостовой или нулевой схеме, и сглаживающий конденсатор, осуществляющий фильтрацию высокочастотных составляющих в выпрямленном напряжении. Для обеспечения максимальной надежности, электрические проводники, связывающие бустер с объектом управления, выполняются максимально короткими. Возможен также промышленный выпуск тиристоров и коммутационных аппаратов со встроенным управляющим бустером. Выбором коэффициента трансформации и класса изоляции трансформатора бустера, а так же подбором емкости конденсаторов связи возможно получение необходимых для каждого объекта управления величин напряжения при подключении к общей шине питания.

Изобретение может иметь вариантные исполнения, направленные на повышение надежности функционирования. Так, в одном из вариантов реализации изобретения возможно применение мкропроцессорного управляющего устройства имеющего одну или несколько повторяющих его копий резервирующих друг друга, с идентичными функциями и структурой, излучатели которых формируют синхронные световые потоки в оптические каналы управления. Такой вариант позволяет системе функционировать при отказе микропроцессора. Также возможно вариантное исполнение изобретения, когда свет от источников излучения разделяется на полупрозрачном зеркале и следует до приемника по взаиморезервируемым оптическим каналам связи, объединяясь на приемнике. Такой вариант изобретения будет более стоек к повреждениям каналов волоконно-оптической связи. При желании увеличить надежность передачи энергии к объектам управления возможно вариантное исполнение изобретения с использованием изолированной электрической сети переменного тока высокой частоты с числом фаз более чем одна, например двух или трех фазной.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена схема управления системой возбуждения соответствующая способу построения, заявленному изобретением.

На чертеже представлено:

1 - микропроцессорное устройство управления;

2 - волоконно-оптические линии связи

3 - преобразователь переменного тока;

4 - шина питания;

5 - конденсаторы связи;

6 - коммутационные аппараты;

7 - силовые полупроводниковые ключи;

8 - бустеры управления;

Осуществление изобретения

Осуществление системы управления, предлагаемой изобретением, связано как с применением промышленно выпускаемых компонентов, таких как волоконно-оптические линии связи, коммутационные аппараты, силовые полупроводниковые ключи, микропроцессорное устройство управления, так и с созданием новых устройств, таких как, преобразователь переменного тока, бустеры управления. Вместе с тем, создание новых устройств не представляет технологических сложностей, поскольку представляет собой объединение в необходимые конструкции отработанных в производстве компонентов и узлов. Так, применение высокочастотной электрической цепи для осуществления гальванической развязки находит широкое применение в схемотехнике построения энергосберегающих ламп и зарядных блоков питания бытовых устройств, а использование волоконно-оптических линий связи находит широкое применение при построении структурированных кабельных сетей связи предприятий и схемотехнически хорошо отработано при производстве сетевых коммутаторов. Повышение частоты сети источников электропитания позволяет отказаться от применения электролитических конденсаторов, что способствует увеличению сроков служб создаваемых систем возбуждения. Использование изобретения конструкторами систем возбуждения позволяет более просто создавать системы возбуждения высокого качества.

Источники информации

1. Патент на изобретение RU 2421866. УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ ТИРИСТОРАМИ.

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено при конструировании систем возбуждения синхронных электрических машин повышенной надежности. Технический результат заключается в улучшении электромагнитной совместимости системы управления возбуждением. Согласно изобретению система управления системой возбуждения содержит микропроцессорное устройство управления, формирующее оптические импульсы управления, передаваемые по волоконно-оптическим линиям связи, изолированную электрическую сеть переменного тока высокой частоты, к которой, через конденсаторы связи, подключены приемные модули, объединяющие в один конструктивный блок схему электропитания и приемник оптического сигнала управления с каскадом усиления, осуществляющие в соответствии с оптическими импульсами подачу энергии из сети переменного тока высокой частоты к управляющим цепям коммутационных аппаратов и тиристорных ключей. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система управления системой возбуждения, отличающаяся улучшенными свойствами изоляции, позволяющими упростить процесс периодических высоковольтных испытаний и снижающая вероятность массового повреждения оборудования при аварии, включающая в себя микропроцессорное устройство управления, формирующее оптические импульсы управления, передаваемые по волоконно-оптическим линиям связи, изолированную электрическую сеть переменного тока высокой частоты, к которой, через конденсаторы связи, подключены приемные модули, объединяющие в один конструктивный блок схему электропитания и приемник оптического сигнала управления с каскадом усиления, осуществляющие в соответствии с оптическими импульсами подачу энергии из сети переменного тока высокой частоты к управляющим цепям коммутационных аппаратов и тиристорных ключей.

2. Система управления системой возбуждения по п. 1, отличающаяся тем, что микропроцессорное устройство управления имеет одну или несколько повторяющих его копий резервирующих друг друга, с идентичными функциями и структурой, излучатели которых формируют синхронные световые потоки в оптические каналы управления.

3. Система управления системой возбуждения по п. 1, отличающаяся тем, что для части волоконно-оптических линий связи организовано разделение светового потока и передача частей потока по дублированным линиям с последующим объединением в месте приема оптического сигнала.

4. Система управления системой возбуждения по п. 1, отличающаяся тем, что изолированная электрическая сеть переменного тока высокой частоты выполнена многофазной.