СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ФОРСИРОВКОЙ И КОРРЕКТОРОМ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ Российский патент 2024 года по МПК H02P9/14 H02P9/30 

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к регулированию возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии, передвижных электроагрегатах (ЭА) 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 не высокая форсировочная способность и как следствие невозможность пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором соизмеримых по мощности с генератором.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению 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 электронный ключ, кроме того единичный вход RS-триггера 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 а, разряды входа цифроаналогового преобразователя подключены к соответствующим разрядам выхода вычитателя, а выход - к базе транзистора, эмиттер и коллектор которого включены в рассечку между электронным ключом и внешним источником причем управляющий электрод электронного ключа соединен с прямым выходом RS-триггера /4 /.

Недостатком прототипа является возможное перераспределение реактивной мощности при параллельной работе во время переходного процесса с перегрузкой генератора.

Цель изобретения - расширение функциональны возможностей.

Цель изобретения достигается тем, что система возбуждения синхронного генератора с внешней форсировкой и корректором параллельной работы, 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 электронный ключ, кроме того единичный вход RS-триггера через первый дифференциатор подключен к выходам БОЛЬШЕ и РАВНО числового компаратора, выход МЕНЬШЕ которого связан с первым входом элемента И, а вход инвертора, 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, а выход цифроаналогового преобразователя подключен к базе транзистора, эмиттер и коллектор которого включены в рассечку между электронным ключом и внешним источником, причем управляющий электрод электронного ключа соединен с прямым выходом RS-триггера, снабжена делителем импульсов, вторым и третьим логическим элементом И, реверсивным счетчиком, вторым числовым компаратором, выключателем ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА и датчиком реактивной мощности с цифровым выходом, включенным в рассечку выходных шин генератора, разряды информационного выхода которого подключены к соответствующим разрядам первого входа второго числового компаратора, разряды второго входа которого связаны с соответствующими разрядами выхода датчика реактивной мощности параллельно работающего генератора, а выходы МЕНЬШЕ и БОЛЬШЕ числового компаратора через контакты выключателя ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА соединены соответственно с первыми входами второго и третьего логического элемента И, вторые входы которых подключены к выходу делителя импульсов, связанного входом с выходом генератора импульсов стабильной частоты, кроме того разряды выхода реверсивного счетчика соединены с соответствующими разрядами входа цифроаналогового преобразователя, а разряды входа исходного числа реверсивного счетчика - с соответствующими разрядами выхода вычитателя, его суммирующий вход - с выходом второго логического элемента, вычитающий вход - с выходом третьего логического элемента, вход записи исходного числа - с вторым входом первого логического элемента И и выходом второго дифференциатора, вход которого связан с выходом инвертора, причем сбросовый вход RS-триггер подключен к выходу первого логического элемента И.

Датчик реактивной мощности с цифровым выходом, второй числовой компаратор и их связи обеспечивают фиксацию факта неравномерного распределения реактивной мощности при параллельной работе. Делитель импульсов, второй и третий логический элемент И, реверсивный счетчик и их связи обеспечивают выравнивание реактивной мощности, параллельно работающих ЭА, во время форсировки возбуждения. Выключатель ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА и его связи исключают влияние величины реактивной мощности ЭА на форсировку возбуждения в режиме автономной работы.

На фиг. 1 представлена схема системы возбуждения синхронного генератора с внешней форсировкой и корректором параллельной работы.

Система возбуждения включает синхронный генератор 1, имеющий обмотку якоря 2 и обмотку индуктора 3, которая подключена к выходу первого выпрямителя 4, суммирующий трансформатор 5 с первичной токовой обмоткой 6, первичной обмоткой напряжения 7, вторичной обмоткой 8 и обмоткой управления 9, которая подключена к выходу корректора напряжения 10, внешний источник постоянного тока 11, электронный ключ 12, трансформатор тока 13, шунт 14, к которому подключен второй выпрямитель 15, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16, первый 17 и второй 18 регистры памяти, распределитель импульсов 19, генератор 20 импульсов стабильной частоты, вычитатель 21 и задающий регистр 22, первый числовой компаратор 23, первого дифференциатора 24, RS-триггера 25, второй дифференциатор 26, транзистор 27, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 28, формирователь-ограничитель 29, инвертор 30, первый логический элемент И 31, датчик реактивной мощности с цифровым выходом 32, второй числовой компаратор 33, делитель импульсов 34, второй 35 и третий логический элемент И, выключатель 37 ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА, реверсивный счетчик 38.

В автономном режиме, когда контакты выключателя 37 разомкнуты, система возбуждения синхронного генератора работает следующим образом.

Начальное возбуждение происходит за счет остаточного магнитного потока генератора 1. 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 нём 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)=│u₂(t)│, поступающее на вход АЦП 16. На выходе преобразователя 16 формируется код мгновенного значения входного напряжения К(t)= u(t)/ u_п, где u_п - 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 К(t) и К(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. По фронту этого сигнала дифференциатор 26 выдает импульс, который через элемент И 31 поступает на сбросовый вход триггера 25, и он переходит в состоянии, когда сигнал на его прямом выходе отсутствует. При этом поддерживается запрет на форсировку возбуждения поскольку ключ 12 закрыт.

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 приходит на управляющий электрод электронного ключа 12. Ключ 12 включается и замыкает цепь форсировки возбуждения. Одновременно код отклонения от допустимой величины приращения тока нагрузки с выхода вычитателя 21 поступает на вход исходного числа счетчика 38, в который записывается при появлении импульса на выходе дифференциатора 26, когда приращение тока нагрузки | Δi/Δt | имеет максимальную величину. С выхода счетчика 38 код поступает на вход ЦАП 28, и на его выходе появляется сигнал, уровень которого соответствует величине отклонения приращения. Уровню сигнала на выходе ЦАП 28 соответствует базовый ток I_Б транзистора 27, который открывается и по обмотке индуктора 3 дополнительно начинает протекать коллекторный ток I_К транзистора 27, который является функцией базового тока I_К =f(I_Б), и корректирует возбуждение генератора.

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 появляется сигнал на выходе инвертора 30. Появляется сигнал на выходе дифференциатора 26, который поступает на второй вход элемента И 31. На выходе элемента И 31 появляется сигнал, поступающий 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.

В режиме параллельной работы, когда контакты выключателя 37 замкнуты, система возбуждения синхронного генератора работает следующим образом. На второй вход второго числового компаратора 33 поступает код реактивной мощности параллельно работающего электроагрегата ЭА-i, который сравнивается с кодом, поступающим на первый вход компаратора 33 с выхода датчика 32 реактивной мощности ЭА.

Если реактивная мощность ЭА превышает мощность ЭА-i, то появляется сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 33, который подготавливает логический элемент И 36 по первому входу. Через делитель 34 с выхода генератора 20 начинают поступать импульсы на второй вход логический элемент И 36, проходящие на вычитающий вход счетчика 38. Код на его выходе уменьшается, что приводит к снижению уровня выходного сигнала ЦАП 28, тока базы и коллектора транзистора 27. Ток возбуждения в обмотке 3 уменьшается, что вызывает снижение реактивной мощности ЭА. Процесс уменьшения реактивной мощности ЭА прекращается с наступлением баланса реактивных мощностей ЭА и ЭА-i, когда исчезает сигнал на выходе БОЛЬШЕ компаратора 33 и закрывается логический элемент И 36.

Если реактивная мощность ЭА меньше мощности ЭА-i, то появляется сигнал на выходе МЕНЬШЕ компаратора 33, подготавливающий логический элемент И 35 по первому входу. Через второй вход логического элемента И 35 на суммирующий вход счетчика 38 начинают поступать импульсы. Код на выходе счетчика 38 и входе ЦАП возрастает. Поэтому возрастает ток базы и коллектора транзистора 27. Растет возбуждение генератора и реактивная мощность до наступления баланса реактивных мощностей, когда исчезает сигнал на выходе МЕНЬШЕ компаратора 33.

Таким образом, система возбуждения генератора имеет высокую форсировочную способность и поддерживает во время переходного процесса баланс реактивных мощностей при параллельной работе.

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 № 2790361, 2023, кл. Н 02 Р 9/14

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к регулированию возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение форсировочной способности системы возбуждения генератора и поддержание во время переходного процесса баланс реактивных мощностей при параллельной работе Система возбуждения включает синхронный генератор (1), имеющий обмотку якоря (2) и обмотку индуктора (3), которая подключена к выходу первого выпрямителя (4), суммирующий трансформатор (5) с первичной токовой обмоткой (6), первичной обмоткой напряжения (7), вторичной обмоткой (8) и обмоткой управления (9), которая подключена к выходу корректора напряжения (10), внешний источник постоянного тока (11), электронный ключ (12) подключен, трансформатор тока (13), шунт (14), к которому подключен второй выпрямитель (15), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (16), первый (17) и второй (18) регистры памяти, распределитель импульсов (19), генератор (20) импульсов стабильной частоты, вычитатель (21) и задающий регистр (22), первый числовой компаратор (23), первый дифференциатор (24), RS-триггера (25), второй дифференциатор 26, транзистор (27), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (28), формирователь-ограничитель (29), инвертор (30), первый логический элемент И (31). Система возбуждения дополнительно снабжена датчиком реактивной мощности с цифровым выходом (32), вторым числовым компаратором (33), делителем импульсов (34), вторым (35) и третьим (36) логическими элементами И, выключателем (37) ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА и реверсивным счетчиком (38). 1 ил.

Система возбуждения синхронного генератора внешней форсировкой и корректором параллельной работы, 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 электронный ключ, кроме того единичный вход RS-триггера через первый дифференциатор подключен к выходам БОЛЬШЕ и РАВНО числового компаратора, выход МЕНЬШЕ которого связан с первым входом элемента И, а вход инвертора, 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, а выход цифроаналогового преобразователя подключен к базе транзистора, эмиттер и коллектор которого включены в рассечку между электронным ключом и внешним источником, причем управляющий электрод электронного ключа соединен с прямым выходом RS-триггера отличающаяся тем, что с целью расширения функциональных возможностей снабжена делителем импульсов, вторым и третьим логическим элементом И, реверсивным счетчиком, вторым числовым компаратором, выключателем ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА и датчиком реактивной мощности с цифровым выходом, включенным в рассечку выходных шин генератора, разряды информационного выхода которого подключены к соответствующим разрядам первого входа второго числового компаратора, разряды второго входа которого связаны с соответствующими разрядами выхода датчика реактивной мощности параллельно работающего генератора, а выходы МЕНЬШЕ и БОЛЬШЕ числового компаратора через контакты выключателя ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА соединены соответственно с первыми входами второго и третьего логического элемента И, вторые входы которых подключены к выходу делителя импульсов, связанного входом с выходом генератора импульсов стабильной частоты, кроме того разряды выхода реверсивного счетчика соединены с соответствующими разрядами входа цифроаналогового преобразователя, а разряды входа исходного числа реверсивного счетчика – с соответствующими разрядами выхода вычитателя, его суммирующий вход – с выходом второго логического элемента, вычитающий вход – с выходом третьего логического элемента, вход записи исходного числа – с вторым входом первого логического элемента И и выходом второго дифференциатора, вход которого связан с выходом инвертора, причем сбросовый вход RS-триггер подключен к выходу первого логического элемента И.