Способ регулирования возбуждения асинхронизированной синхронной машины и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК H02P5/34 

Изобретение относится к электротехнике, к регуляторам возбуждения асинхрони- зированных синхронных машин, первичная обмотка которых подключена к сети переменного тока, а вторичная получает питание от регулируемого преобразователя частоты. Оно может быть использовано в электроэнергетике для управления турбо- и гидрогенераторами продольно-поперечного возбуждения, а также в других отраслях промышленности, где используются подобные электрические машины.

Целью изобретения является снижение потерь мощности в роторе.

Цель достигается тем, что в известном способе регулирования возбуждения асин- хронизированной синхронной машины, при котором измеряют значения фазных токов и напряжений статора и ротора по измеренным значениям фазных токов и напряжений ротора формируют ток, пропорциональный фактическому значению демпферного тока с последующим формирующего управляющего воздействия, сформированное упомянутое значение тока сравнивают с ранее вычисленным значением, пропорциональным оптимальному с точки зрения потерь мощности в роторе значению демпферного тока по следующей зависимости:

Vl

I Ы

2Xoff

f

X | 2 J 1 - cos arctgrD

(ir+1)

4-А

г I

zx oa

где ID - значение пропорциональной оптимальной с точки зрения потерь мощности в роторе величины демпферного тока,1

Уц - модуль вектора потокосцепления;

X ост -«реактивное сопротивление демпферной цепи;

ro активное сопротивление демпферной цепи;

гь - активное сопротивление цепи ротора;

А - проекция вектора, равного векторной сумме векторов тока обмотки статора и тока обмотки ротора на ось, совпадающую с векторами потокосцепления;

А - проекция вектора, равного векторной сумме векторов тока обмотки статора и тока обмотки ротора на ось, перпендикулярную вектору потокосцепления, а результирующее разностное значение используют в качестве управляющего воздействия.

Кроме того, цель достигается также тем, что в известное устройство для реализации

способа регулирования возбуждения асинх- ронизированной синхронной машины с системой возбуждения, включенной в цепи роторной обмотки, снабженной автоматиче5 ским регулятором, содержащее датчики фазных токов и напряжений статора и ротора, первый сумматор, блок формирования величины, пропорциональной фактическому значению демпферного тока, два входа

Ю которого связаны с выходами датчиков фазных тока и напряжения ротора соответственно, а выход подключен к инверсному входу первого сумматора, дополнительно введены второй, третий и четвертый сумма15 тора, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый и второй делители, формирователь гармонических функций, блок деления, нелинейный преобразователь, блок умножения, выход которого подключен

20

к прямому входу первого сумматора, а первый и второй входы блока умножения соот- вественно к выходам нелинейного преобразователя и второго сумматора, объединенные входы первого и второго делите25 ля - к выходу второго сумматора, первый вход которого через первый резистор соединен с выходом датчика фазного напряжения статора, а второй - через второй резистор - с выходом датчика фазного тока статора и с

30 первым выходом четвертого резистора, второй вывод которого подключен к инверсному входу третьего сумматора, прямой вход которого через третий резистор подключен к выходу первого делителя, а выход - через

35 блок формирования гармонических функций связан с первым входом блока деления и первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго делителя, а выход - со вторым

40 входом блока деления, выход которого соединен со входом нелинейного преобразователя, выход первого сумматора предназначен для подключения ко входу автоматического регулятора,

45 Формирование сигнала, пропорционального оптимальной с точки зрения потерь мощности в роторе величине демпферного тока по величинам статорных тока и напряжений, сравнение его с величи50 ной, пропорциональной фактическому значению демпферного тока позволяют синтезировать алгоритм регулирования системой возбуждения асинхронизированной синхронной системы, при котором потери

55 мощности в роторе будут минимальны по сравнению с имеющимися в прототипе, аналогах.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для реализации способа регулирования возбуждения асинхронизированной синхронной машины; на фиг. 2 приведена структурная схема вычислитель- нфго устройства; на фиг. 3 - векторная диаг- рамма асинхронизированной синхронной машины; на фиг. 4 - векторная диаграмма асинхронизированной синхронной машины в системе координат, сориентированной по вбктору потокосцепления.

Устройство для реализации способа регулирования возбуждения асинхронизиро- ванной синхронной машины 1 состоит из следующих элементов. Статорная цепь асинхронизированной синхронной машины 1 подключена к электрической сети 2 трехфазного переменного тока, а роторная - к системе 3 возбуждения. Структурная схема системы 3 возбуждения, используемая в заявляемом техническом решении, хорошо известна. На чертеже показаны основные элементы известной системы 3 возбужде- н ия: преобразователь 4 частоты, к входу которого подключен автоматический регулятор 5 с каналом 6 обратной связи по напряжению статорной цепи, подключенным к выходу датчика 7 фазного напряжения статора, который также подключен к Первому входу вычислительного блока 8. Второй вход последнего подключен к выходу датчика 9 фазного тока статора, который вместе с датчиком 7 фазного напряжения статора установлены в статорной цепи асинхронизированной синхронной машины 1. Выход вычислительного блока 8 соединен с прямым входом сумматора 10, инверсный Вход которого подключен к выходу блока 11 формирования величины, пропорциональной фактическому значению демпферного тока, аналогичному по составу имеющемуся В устройстве - прототипе. Ко входу блока 11 формирования величины, пропорциональной фактическому значению демпферного тока, подключены выходы датчиков 12, 13 фазных тока и напряжения соответственно ротора, установленных в роторной цепи асинхронизированной синхронной машины 1. Выход сумматора 10 соединен со входом автоматического регулятораб системы 3 возбуждения.

Вычислительный блок 8 может иметь следующую структуру. Его первый вход через первый резистор 14 подключен ко входу сумматора 15, второй вход которого через третий резистор 16 соединен со вторым входом вычислительного блока 8. Выход второго сумматора 15 соединен со входами первого и второго делителей 17, 18. Выход первого делителя 17 через третий резистор 19 подключен к прямому входу третьего сумматора 20, инверсный вход которого через четвертый резистор 21 соединен со вторым

входом вычислительного блока 8, а выход - со входом формирователя 22 гармонических функций (принцип действия и состав которого аналогичны известному, Выход оторо- 5 го делителя 18 соединен со входом четвертого сумматора 23, второй вход которого подключен к первому выходу формирователя 22 гармонических функций, второй выход которого соединен с первым входом

0 блока 24 деления. Выход четвертого сумматора 23 подключен ко второму входу блока 24 деления. Выход блока 24 деления соединен через нелинейный преобразователь 25 С первым входом блока 26 умножения, вто5 рой вход которого подключен к выходу второго сумматора 15. Выход блока 26 умножения и является выходом вычислительного блока 8.

Первый делитель 17 содержит в своем

0 составе последовательно включенные пятый и шестой резисторы 27, 28, причем первый выход пятого резистора 27 является входом делителя, а точка соединения пятого и шестого резисторов 27,28 - выходом. Вто5 рой делитель 18 содержит в своем составе последовательно включенные диод 29, седьмой и восьмой резисторы 30, 31, причем анод диода 29 является входом делителя 18, а точка соединения седьмого и восьмого ре0 зисторов 30, 31 - выходом. Параллельно восьмому резистору установлен конденсатор 32.

Сущность заявляемого способа регулирования возбуждения асинхронизирован5 ной синхронной машины можно пояснить с помощью векторной диаграммы фиг. 3, построенной на базе известной для асинхронизированной машины. С целью упрощения работы с векторной диаграммой ее можно

0 изобразить в системе координат, сориентированной по вектору потокосцепления, как это показано на фиг. 4.

Обозначения, использованные в век- 5 торных диаграммах фиг. 3 и фиг. 4:

Us - вектор напряжения, приложенного к обмотке статора;

- U - вектор тока обмотки статора; Ть - вектор тока обмотки ротора; 0 1р - вектор тока демпферной обмотки;

А - вектор, равный векторной сумме векторов тока обмотки статора U и тока обмотки ротора 1ь в асинхронизированном режиме, т.е. при ненулевом скольжении 5 (S 5й 0); или в синхронном режиме (при S . 0), совпадающий с вектором тока обмотки резистора Ть;

А - проекция вектора А на ось,совпа- дающую с вектором токосцепления трц

А - проекция вектора А на перпендикулярную ей ось;

г - активное сопротивление цепи статора;

X s a реактивное сопротивление цепи

статора;

Х«- сопротивление самомодуляции;

X во реактивное сопротивление демпферной цепи;

ФУи Угол межДУ векторами и Us;

у- угол, пропорциональный величине скольжения.

На фиг. 4с целью обеспечения наглядности величина угла у (а, следовательно, и векторов То ) показана большей, чем требуется для реализации заявляемого способа.

Как известно, мощность потерь в роторе определяется для асинхронизированного режима по формуле:

РАСР ГЬ 1ь2 + го1о2,0) где гь - активное сопротивление цепи ротора;

го - активное сопротивление демпферной.цепи.

Мощность потерь в роторе рассматриваемой электрической машины для синхронного режима определяется по формуле Рср iblbo ,(2) где Тьо . А.

Как наглядно видно из векторной диаграммы (фиг. 4), существует диапазон у, при котором мощность потерь в роторе в асинх- ронизированном режиме меньше, чем в синхронном на величину

Д Р - РСР - РАСР(3)

После подстановки в выражение (3) данных из (1) и (2) нетрудно получить

(4)

ДР-rtflbo - ь

2 ,.2 .Г.D .2л

ГЬ

И

Не представляет особого труда синтез закона изменения величин, входящих в выражение (4), при котором величина будет максимальной, который производится по уравнениям асинхронизированной синхронной машины.

Для того, чтобы АР было максимальным по величине, необходимо и достаточно, чтобы

Ы

V2 -(1 -cosy)

(5)

2XDfT

где у можно вычислить из следующего выражения:

y,arctg

(-- + 1)

V Ги

ГЬ

2 -X

DC7

+ А

Заявляемый способ и предлагает алгоритм управления регулированием возбуждения асинхронизированной синхронной машиной, который по выражениям (5) и (6)

5 вычисляет оптимальную с точки зрения нагрева ротора величину для демпферного тока, сравнивает ее с фактической величиной упомянутого тока и по результату сравнения оказывает регулирующее воздействие.

10 Устройство для реализации способа регулирования возбуждения асинхронизированной синхронной машины работает по принципу поддержания оптимальной с точки зрения нагрева ротора величины де15 мпферного тока при любых изменениях параметров электрической машины.

Заданными величинами в системе можно считать величину активной мощности, которая определяется установкой регулятора

20 скорости турбины, и величину напряжения на шинах генератора, которая определяется установкой по напряжению в системе автоматического регулирования асинхронизированной синхронной машины 1. По этим

25 величинам, преобразованным системой в значения векторов напряжения и тока, формируется оптимальное значение тока в демпферном контуре, которое сравнивается с фактическим его значением, и является

30 управляющим сигналом в канале регулирования скольжения ротора асинхронизированной синхронной машины.

Величина напряжения, пропорциональная оптимальному значению демпферного

35 тока, формируется вычислительным блоком 8 по величинам статорных фазных токов и напряжений, информация с которых поступает от датчиков 7 и 9. Работа вычислительного устройства 8 основана на

40 осуществлении расчетов согласно выражениям (5) и (6). Входящие в его состав, компоненты вычисляются на элементах вычислительного блока 8.

Величина, пропорциональная модулю

45 вектора потокосцепления $, вычисляется

согласно известному вторым сумматором 15, на вход которого поступают сигналы от датчиков 7 и 9 напряжения и тока статорных обмоток через резисторы 14 и 16 соответст- 50 венно. Сопротивление резистора 14 относится к сопротивлению резистора 16 как 1:(r + J Xscr), На выходе первого делителя 17 за Счет соотношения сопротивлений между резисторами 27 и 28 формируется из величины, пропорциональной ifi, величина

Уи -тг-. По этой величине, а также по величине

Х/

тока статорной обмотки, получаемой от датчика 9, третий сумматор 20, согласно вектор(.-- + 1), которая при сложении ее

ой диаграмме фиг. 4 формирует величину, г ропорциональную IA I, которая с помощью формирователя 22 гармонических функций г реобразуется в величины А и А - проекции вектора А на ось, сориентированную по вектору потокссцепления и перпендикулярную ей ось соответственно. Причем сигнал на первом выходе формирователя 22 гармонических функций будет пропорционален величине А , а на втором - А. На выходе второго делителя 18 за счет соотношения сопротивлений резисторов 30, 31 формируется величина, пропорциональная

j Vfr ,/р

TXrJo4 гь ца четвертом сумматоре 23 с величиной А , поступающей с первого выхода формирова- теля 22 гармонических функций, образует результирующий сигнал, величина которого пропорциональна значению знаменателя выражения (6). Блок 24 деления, согласно выражению (6), формирует величину, про- Норциональную tg у, используя которую не- л;инейный преобразователь 25 формирует величину, которая после перемножения на фоке 26 умножения с величиной, пропорци- о|нальной I tyn образует сигнал, пропорциональный оптимальному значению демпферного тока.

Последний поступает на вход сумматора 10, где сравнивается с величиной фактического значения демпферного тока, формируемой блоком 11. Результат срав- нЬния поступает на вход автоматического регулятора 5 системы 3 возбуждения асинхронизированной синхронной машины 1.

; Если в ходе работы по каким-либо причинам произойдет увеличение (уменьшение) скольжения при неизменных величинах статорных тока и напряжений, согласно векторной диаграмме (фиг. 4), это приведет к увеличению (уменьшению) фактического значения демпферного тока, что вызовет соответствующее изменение сигнала на выходе блока 11. А это, в свою очередь, уменьшит (увеличит) вели-чину напряжения и тока возбуждения асинхро- низированной синтронной машины 1. Последнее, вследствие изменения частоты вращения ротора, позволит уменьшить (увеличить) скольжение до исходной оптимальной величины; изменение которого приведет, вследствие однозначной зависимости между величинами скольжения и фактического значения демпферного тока, к уменьшению (увеличению) последнего до исходной величины.

Изменения величин статорных тока или напряжения, или тока и напряжения одновременно при неизменном напряжении возбуждения также приведет к изменению величины скольжения. Однако при этом произойдет изменение сигналов на входах вычислительного устройства 8. А это, в свою очередь, позволит сформировать новое значение оптимальной величины для демпферного тока, которое и обеспечит частичную компенсацию изменения сигнала на выходе

0 блока 11 формирования величины, пропорциональной фактическому значению демпферного тока. Таким образом, изменения тока и напряжения возбуждения не вызовут изменения скольжения до исходной (до мо5 мента изменения статорных тока и напряжения) величины, а обеспечит поддержание новой, оптимальной с точки зрения нагрева ротора при новых значениях статорных тока и напряжения, величины скольжения.

0 При одновременном изменении токов и напряжений возбуждения и статорных характеристик процессов будет носить вид, аналогичный описанным выше. При этом ве личина скольжения будет изменяться до

5 значения, оптимального с точки зрения установившихся новых величин статорных токов и напряжений.

Заявляемое устройство реализует заявляемый способ регулирования возбуждения

0 асинхронизированной синхронной машины и обеспечивает возможность формирования сигнала, пропорционального по величине оптимальному значению демпферного тока с необходимой степенью точности, исполь5 зование которого по предложенному алгоритму позволяет существенно снизить потери мощности в роторе.

Достоинством заявляемых способа и устройства является возможность их исполь0 зования в любых системах автоматического регулирования и защиты асинхронизиро- ванных синхронных машин, где требуется использование сигнала, пропорционального величине скольжения, а также в мощных

5 агрегатах, в которых снижение потерь мощности в роторе имеет существенное значение.

Формула изобретения

1. Способ регулирования возбуждения

0 асинхронизированной синхронной машины, при котором измеряют значения фазных токов и напряжений статора и ротора, по измеренным значениям фазных токов и напряжений ротора формируют ток. пропор5 циональный фактическомузначению демпферного тока, с последующим формированием управляющего воздействия, отличающийся тем, что, с целью снижения потерь мощности в роторе, сформированное, упомянутое значение тока сравнивают

с ранее вычисленным значением, пропорциональным оптимальному с точки зрения потерь мощности в роторе значению демпферного тока, по следующей зависимости:

ID

2Х

D(T

Y2.{1cos arctg

+ A

(-Ш- + О V П T1 2Х D0r

где ID - значение пропорциональной оптимальной с точки зрения потерь мощности в роторе величины демпферного тока;

typ - модуль вектора потокосцепления;

X Qа -.реактивное сопротивление демпферной цепи;

гр - активное сопротивление демпферной цепи;

,гь - активное сопротивление цепи ротора;

А - проекция вектора, равного векторной сумме векторов тока обмотки статора и тока обмотки ротора на ось, совпадающую с вектором потокосцепления;

А - проекция вектора, равного векторной сумме векторов тока обмотки статора и тока обмотки ротора на ось, перпендикулярную вектору потокосцепления; а результирующее разностное значение используют в качестве управляющего воздействия.

2. Устройство для регулирования возбуждения асинхронизированной синхронной машины с системой возбуждения, включенной в цепи роторной обмотки, снабженной автоматическим регулятором, содержащее датчики фазных токов и

напряжений статора и ротора, первый сумматор, блок формирования величины, пропорциональной фактическому значению демпферного тока, два входа которого связаны с выходами датчиков фазных тока и напряжения ротора соответственно, а выход подключен к инверсному входу первого сумматора, отличающееся тем, что, с целью снижения потерь мощности в роторе,

з него введены второй, третий и четвертый сумматоры, первый - четвертый резисторы, первый и второй делители, формирователь гармонических функций, блок деления, нелинейный преобразователь, блок умноже

ния, выход которого подключен к прямому входу первого сумматора, а первый и второй входы - соответственно к выходам нелинейного преобразователя и второго сумматора, объединенные входы первого и второго делителей - к выходу второго сумматора, первый вход которого через первый резистор соединен с выходом датчика фазного напря- жени; статора, а второй через второй резистор - с выходом датчика фазного тока

статора и с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого подключен к инверсному входу третьего сумматора, прямой вход которого через третий резистор подключен к выходу первого делителя,

а выход через блок формирования гармонических функций связан с первым входами блока деления и четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго делителя, а выход,- с вторым входом

блока деления, выход которого соединен с входом нелинейного преобразователя, выход первого сумматора предназначен для подключения к входу автоматического регулятора.

/IV+

fZ 13

Использование: управление турбо- и гидрогенераторами продольно-поперечного возбуждения. Сущность: измеряют значения фазных токов и напряжений статора и ротора, по измеренным значениям фазных токов и напряжений ротора формируют ток, пропорциональный фактическому значению демпферного тока, сравнивают его с ранее вычисленным значением, пропорциональным оптимальному с точки зрения потерь мощности в роторе значению демпферного тока, по определенной зависимости, результирующего разностное значение используют в качестве управляющего воздействия. Устройство для осуществления способа содержит асинхронизирован- ную синхронную машину статорная цепь машины запитывается от электрической сети трехфазного тока, а роторная подключена к системе возбуждения. Система возбуждения включает преобразователь, к входу которого подключен автоматический регулятор с каналом обратной связи по напряжению статорной цепи, связанным с выходом датчика фазного напряжения статора, подключенного к первому входу вычислительного блока, второй вход которого подключен к выходу датчика фазного тока статора. Выход вычислительного блока соединен с прямым входом сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу блока формирования величины, пропорциональной фактическому значению демпферного тока, входы которого подключены к выходам соответствующих датчиков фазного тока и напряжения ротора. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. ел С 00 CJ с 00 VI W

/ v

tpMf

Iff

&

fe/

(риЯЗ