АВТОМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА Советский патент 1957 года по МПК G06G7/63 

Предметом изобретения является автоматическая модель синхронного генератора, воспроизводящая стационарные и нестационарные режимы этого генератора, предназначенная для изучения работы электроэнергетических систем.

Моделирование сложных электроэнергетических систем осуществляется с помощью моделей (расчетных столов), в которых синхронные генераторы системы воспроизводятся с помощью различного типа фазо- и потенциалрегуляторов, с ручной регулировкой.

Известны также модели, построенные по принципу физического подобия.

Недостатком первого типа моделей (расчетных столов) является необходимость расчета и установки вручную величин и фаз э. д. с, синхронных машин для каждого момента времени нестационарного процесса, а недостатком других - непрерывность воспроизведения нестационарных процессов и невозможность задержать этот процесс на то или иное время.

Предлагаемая модель синхронного генератора, состоящая из нескольких динамометров, фазорегулятора, ламповых усилителей, потенциометров и вспомогательных деталей, позволяет осуществить новый тип установки для моделирования сложных электроэнергетических систем, отличающейся прежде всего тем, что воспроизводимый нестационарный процесс может быть остановлен на любой промежуток времени и затем вновь продолжен с того же момента, на котором он был остановлен.

С этой целью (см. фиг. 1). синхронная машина моделируется продольной переходной реактивностью x′d и двумя напряжениями, одно из которых пропорционально Iq(xd-x′d) и непрерывно следует изменению поперечного тока синхронной машины, а другое, сдвинутое на 90° по отношению к первому, пропорционально продольной переходной э. д. с. - Е′d. При этом э. д. с. - E′d с помощью динамометров автоматически изменяется по фазе - при изменении активной нагрузки или воздействий регулятора частоты, а по величине - при изменении реактивной нагрузки или воздействии регулятор напряжения.

Схема изменен э. д. с. - E′d выполнена таким образом, что при торможении подвижной системы динамометров или при отключении связи подвижной системы динамометров с управляемыми ими ползунками потенциометров изменение E′d прекращается и сохраняется режим, соответствующий данному моменту. При снятии торможения или включении связи динамометров с потенциометрами нестанционарный процесс продолжается с того же момента, на котором он был остановлен.

Как показано на фиг. 2 (схема предлагаемой модели), напряжение, пропорциональное E′d, снимается с потенциометра 1, а напряжение, пропорциональное Iq(xd-x′d), - с потенциометра 2, на который подается напряжение от проектора 3, 4, воспроизводящего проекцию вектора тока генератора на э. д. с. - E′d.

В качестве проектора может быть использована схема, показанная на фиг. 2, состоящая из индуктора 3 и ваттметра 4, либо любая из известных схем со статистическими или механическими преобразователями.

К рамке ваттметра 4 подается напряжение от трансформатора 5 через усилитель 6 мощности. Рамка находится в магнитном поле катушек, обтекаемых током от усилителя 7 тока. Фаза тока в рамке ваттметра с помощью сопротивления 8 подбирается такой, чтобы момент, развиваемый рамкой, был пропорционален току Iq, т.е. проекции тока генератора на вектор э. д. с. - E′d.

Рамка ваттметра механически связана с рамкой индуктора 3, которая находится в поле, создаваемом напряжением трансформатора 5, усиленном в усилителе 6. Поле индуктора 3 сдвинуто по фазе таким образом, чтобы напряжение, снимаемое с потенциометра 2, было сдвинуто по отношению к напряжению, снимаемому с потенциометра 1, на 90°.

Напряжения, снимаемые с потенциометров 1 и 2, подаются на вход усилителя мощности 9, стабилизированного известным способом так, чтобы величина выходного напряжения, а также его фаза по отношению к напряжению входа не зависела от нагрузки.

Потенциометр 1 имеет два ползунка, один из которых управляется динамометром I и служит для изменения э. д. с. при изменении скорости и демпферного момента ротора моделируемого генератора, а другой управляется динамометром III и служит для воспроизведения влияния процессов в цепи возбуждения синхронной машины.

Динамометр III имеет две ваттметровые системы, одна из которых - задающая питается от постоянного источника тока 10, а другая - следящая питается от усилителя 7 тока и усилителя 6 мощности, причем фаза магнитных потоков следящей системы сдвинута с помощью фазосдвигающей цепочки, не показанной по схеме, таким образом, что вращающий момент этой системы получается пропорциональным продольной составляющей нагрузочного тока генератора.

В установившемся режиме моменты обеих ваттметровых систем динамометра III направлены навстречу и уравновешивают друг друга.

При увеличении тока Id, вызванного, например, коротким замыканием на клеммах а, б, через которые модель подключается к внешней сети, момент следящей ваттметровой системы увеличится и диск динамометра придет во вращение, увлекая ползунок потенциометра 1. При этом движение ползунка потенциометра 1 будет уменьшать снимаемое с него напряжение, воспроизводя действие наведенных токов в роторе синхронной машины.

Динамометр III имеет электромагнитный демпфер 11, с помощью которого может быть установлена нужная скорость движения диска и таким образом воспроизведена нужная постоянная времени ротора синхронной машины.

Для момента, предшествующего короткому замыканию, когда система была уравновешена, можно написать:

М_след=М_зад=кId_нач.

При возникновении короткого замыкания возникает ток и избыточный момент:

ΔM=М_cлед-М_зад=кId_к.з=к Id_нач.

Так как Ed_к.з=E′d+Id_к.з(xd+x′d)

и Ed_нач=E′d+Id_нач(xd+x′d),

то ΔM=кI_к.з-кI_нач=Ed_к.з=Ed_нач.

Скорость диска, вследствие малой его инерции и хорошего демпфирования, пропорциональна избыточному моменту, т.е.

С другой стороны, благодаря связи диска динамометра III с ползунком потенциометра 1, движение которого вызывает изменение, можно написать, что

E′d=с+к2∫ωdt,

откуда

или, принимая во внимание формулу (1),

что соответствует уравнению затухания э. д. с. при коротком замыкании.

Для моделирования возбудителя синхронной машины предусмотрен динамометр IV, имеющий также две ваттметровых системы, одна из которых питается от постоянного источника тока 10, а другая питается от лампового усилителя 12, управляемого регулятором напряжения 13 или его моделью.

В установившемся режиме моменты обеих ваттметровых систем уравновешивают друг друга.

При снижении напряжения на клеммах а, б вследствие, например, короткого замыкания диск динамометра придет во вращение, заставляя двигаться ползунки потенциометров 14 и 15.

Движение ползунка потенциометра 15 придает экспотенциальный закон скорости движения диску динамометра IV, а движение ползунка, потенциометра 14 в соответствии с этим законом изменяет момент задающей системы динамометра III, воспроизводя, таким образом, эффект изменения возбуждения.

Изменение скорости вращения вектора э. д. с. синхронной машины осуществляется с помощью динамометров I и II, воздействующих на фазорегулятор 16.

Динамометр I имеет две. ваттметровых системы, одна из которых - задающая питается от постоянного источника тока и создает момент, пропорциональный мощности, развиваемой турбиной, а другая - следящая создает момент направленный, в установившемся режиме, навстречу первому и равный мощности, отдаваемой генератором, для чего к этой системе подводится напряжение и ток выходной цепи устройства.

Если мощность выходной цепи устройства вследствие, например, посадки напряжения на клеммах а, б, вдруг уменьшится, диск динамометра I начнет вращаться, увлекая ползунки потенциометра 16 и 1. При этом движение ползунка потенциометра 1 воспроизводит изменение величины э. д. с. синхронной машины вследствие изменения скорости ротора генератора, а движение ползунка потенциометра 16 вызовет движение диска динамометра II и изменение фазы э. д. с. синхронной машины. Увеличение фазы вызовет увеличение мощности выходной цепи устройства и увеличение мощности, развиваемой следящей системой динамометра I, и замедление вращения диска, когда мощность выходной цепи устройства достигает первоначального значения, диск динанометра I остановится.

Однако диск динамометра II будет вращаться с максимальной скоростью, поскольку ползунок потенциометра 17 до этого момента все время перемещался. Поскольку фаза напряжения фазорегулятора будет продолжать увеличиваться, то будет увеличиваться и мощность выходной цепи устройства, которая теперь станет больше первоначальной и диск динамометра начнет вращаться в обратную сторону, увлекая в обратную сторону и ползунки потенциометров 17 и 1. Скорость углового перемещения вектора выходного напряжения фазорегулятора 16 начнет уменьшаться, затем, перейдя через нулевое значение, станет отрицательной. Колебательный процесс будет повторяться, но все с меньшей амплитудой, что определяется наличием движения ползунка потенциометра 1, связанного с диском динамометра I.

Скорость вращения диска первого динамометра

где Р_след и Р_зад - моменты, развиваемые следящей и задающей системами динамометра.

Диск динамометра I связан с ползунком потенциометра 17, от которого питается одна из обмоток динамометра II, поэтому скорость вращения диска динамометра II может быть выражена уравнением

откуда

Диск второго динамометра связан с ротором фазорегулятора, воспроизводящего E′d, поэтому скорость изменения фазы будет пропорциональна скорости диска динамометра II.

Диск динамометра I воздействует, кроме потенциометра 17, еще на потенциометр 1, вызывая изменение E′d и соответствующее изменение мощности, выдаваемой моделью генератора. Величина этого изменения, таким образом, пропорциональна числу оборотов, сделанному диском динамометра I.

В результате уравнение движения для вектора E′d может быть написано так:

что соответствует уравнению движения ротора синхронной машины с учетом демпферного момента.

Для воспроизведения регулятора скорости турбины задающая система динамометра I связывается с диском динамометра I, который перемещает ползунок потенциометра 18. Напряжение, снимаемое с последнего, изменяется при движении диска динамометра I в соответствии с характеристикой Р=f(ω) регулятора скорости.

Связь дисков динамометров с ползунками может быть либо непосредственной через червячную передачу либо, в целях уменьшения трения, с помощью известных фоторелейных или иных усилительных схем.

1. Автоматическая модель синхронного генератора, воспроизводящая стационарные и нестационарные режимы этого генератора, отличающаяся тем, что, с целью ускорения и облегчения исследований режимов электрических систем и устойчивости параллельной работы генераторов, воспроизводимый нестационарный процесс электрической системы может быть в любой момент остановлен с сохранением режима в момент остановки и вновь возобновлен с того же момента при помощи системы электромеханических приборов, которая позволяет осуществить изменение э. д. с. синхронной машины таким образом, что при торможении подвижной системы электромеханических приборов прекращается и сохраняется режим, соответствующий данному моменту, а при снятии торможения нестационарный процесс продолжается с того момента, на котором он был остановлен.

2. Автоматическая модель по п. 1, отличающаяся тем, что для воспроизведения изменения величины э. д. с. синхронной машины и действия регулятора возбуждения эти процессы имитируются с помощью динамометров, одна из обмоток которых питается от потенциометров, причем ползунки последних для получения экспотенциального характера изменения процесса связываются с диском динамометров.

3. Автоматическая модель по п. 1, отличающаяся тем, что для изменения фазы э. д. с. генератора применены два динамометра, один из которых изменяет скорость вращения. другого пропорционально относительной скорости вращения ротора синхронной машины, а другой изменяет относительное положение ротора фазорегулятора соответственно изменению относительного положения ротора моделируемой синхронной машины.

4. Автоматическая модель по п. 1, отличающаяся тем, что для учета демпферных моментов и изменения э. д. с. синхронной машины соответственно изменению скорости ее ротора один из динамометров по п. 3 изменяет э. д. с. генератора пропорционально скорости ротора.

5. Автоматическая модель по п. 1. отличающаяся тем, что, с целью моделирования постоянной времени, постоянная времени цепи возбуждения воспроизводится электромагнитным торможением динамометров.