Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты бесшеточных синхронных машин.
; Известен способ защиты бесщеточной синхронной машины, использующий в качестве источника тока возбуждения обращенный синхронный генератор По этому способу моделируется ЭДС главной синхронной машины, сравнивается с током возбуждения обращенного синхронного генератора и в случае нарушения определенной зависимости между указанными величинами подается сигнал на выходной орган защиты Ij.Однако устройство защиты, построенные на этом принципе, достаточно . сложны 12}.
Известен также способ защиты автономной электрической машины, в котором для упрощения выделяют сигнал, пропорциональный току обмотки возбуждения машины, пропорциональный току обмотки якоря этой же машины, сравнивают эти сигналы и в случае отличия разности сигналов от нуля фиксируют внутреннее короткое замы-. кание 3.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является основанное на этом способе устрой-; ство, в котором в качестве датчика тока якоря обращенного синхронного генератора возбудителя применена обмотка, размещенная между его полюсами по поперечной оси. Указанная обмотка подключена к одной из обмоток дифференциального реле, представляющего собой измерительный орган устройства защиты. Другая обмотка этого реле подключена к датчику тока (напряжения) возбуждения обращенного синхронного генератора, а выход дифференциального реле соединен с исполнительным органом, отключающим питание цепи возбуждения. Для предотвращения ложных срабатываний защиты при
20 форсировках между йыходом дифферен.циального реле и исполнительным органом защиты включено реле времени. Принцип действия указанного устройства основан на том, что при нормальной работе возбудителя зависимость между напряжением на выходе датчика тока якоря и током (напряжением) возбуждения обращенного синхронного генератора возбудителя носит .
30 один характер, а при внутреннем коротком замыкании - другой. Дифференциальное реле настраивается таким образом, чтобы при нормальной работе сигнал на его выходе отсутствовал. В случае возникновения какого-либо внутреннего повреждения возбудителя напряжение на зажимах датчика тока якоря при том же значении тока (напряжения) возбуждения генератора во будителя изменяется, баланс сигналов на входах реле нарушается и оно ерабатывает, обеспечивая по истечении заданной вьщержки времени отключение возбуждения 14. Однако при экспериментальных исследованиях электромагнитных процессов в возбудителях бесщеточных синхронных машин и рабо.ты устройств защиты, построенных по указанному принципу, установлено, что пропорциональная зависимость между током (напряжением) возбуждения и напряжением на зажимах датчика тока якоря имеет место лишь в установившихся режимах и ненасыщенном генераторе . возбудителя. При значениях тока возб ждения, превышающих нбминальный, эта пропорциональность во многих слу чаях нарушается. Изменение коэффици;ента пропорциональности имеет место также в результате нагрева обмоток возбуждения главной машины и синхронного генератора возбудителя. Все это может служить причиной ложных срабатываний защиты. На надежность работы устройства влияют такжеограниченные возможности дифференциальных реле по регулированию их чувствительности, а также невысокая механическая устойчивость и дребезг контактов в переходных режимах из-з возникновения так называемого динамического небаланса сигналов, возни кающего вследст;вие различия .в посто янных времени обмоток возбуждения машины и возбудителя и реакции цепи возбуждения машины на такие внешние возмущения, как резкие изменения на грузки, короткие замыкания в сети и х. п. Цель изобретения - повышение надежности и точности работы устройства. Указанная цель достигается тем, что устройство для защиты бесщеточн синхронной машины, содержащее датчи ки тока якоря и тока (напряжения) возбуждения синхронного генератора возбудителя, подключенные на входы измерительного органа, орган времен ной задержки и исполнительный орган соединенные последовательно, дополнительно снабжено преобразователями сигналов датчиков тока якоря и тока (напряжения) возбуждения и корректи рующим органом, причем измерительны орган выполнен в виде органа сравне ния, входы которого подключены к датчикам тока якоря и тока (напряжения) возбуждения через указанные преобразователи сигналов и имеющего два входа реагирующего органа, первый вход которого соединен с выходом органа сравнения, а второй вход подключен к выходу одного из преобразователей сигналов- через корректирующий орган. При этом,орган сравления выполнен в виде соединенных последовательно сумматора, определителя абсолютной величины и ограничителя минимальной ,величины.сигнала, а регулирующий орган - в виде реле максимального напояжения постоянного тока, к дополнительному входу которогоподключен корректирующий орган, определяющий порог срабатывания реле по первому входу.. На фиг. 1 приведена структурная схема устройству; на фиг. 2 - при-. мер ее конкретного выполнения; на фиг. 3 - типичные зависимости сигналов датчиков Тока якоря и тока (напряжения) возбуждения возбудителя от тока возбуждения возбудителя. Устройство (фиг 1) состоит из датчиков тока якоря 1 и тока (напряжения) возбуждения возбудителя 2, преобразователей сигналов 3 и 4, измерительного блока 5, состоящего из органа сравнения б и реагирующего органа 7, корректирующего органа 8, :0ргана временной задержки 9 и исполнительного органа 10. Датчики тока якоря 1 и тока (напряжения) возбуждения генератора возбудителя.2 вьаделяют сигналы в виде электрических напряжений, пропорциональных этим величинам. Полученные напряжения s преобразователях 3 и 4 приводятся к виду, удобному для введения в измерительный блок 5, т.е. выпрямляются и фильтруются. Преобразованные напряжения поступают на входы органа .сравнения 6 измерительного блока, где происходят их сравнения и в случае наличия разбаланса между ними выдача сигнала рассогласования. Сигнал (напряжение) рассогласования поступает на один из входов реагирующего органа 7. При превышении сигналом рассогласования некоторого заданного значения напряжение на выходе реагирующего органа изменяется скачком, т.е. происходит преобразование аналогового сигнала в релейный постоянной величины. Корректирующий орган 8 предотвращает появление на выходе реагирующего органа сигнала, а следовательно и ложное срабатывание защиты в установившихся режимах при нормальном состоянии системы возбуждения. Для исключения ложных срабатываний защиты в ди- намических режимах предусмотрен орган временной задержки 9, который осуществляет пропуск сигнала на вход исполнительного органа 10 лишь по истечении времени, определяемом дли тельностью переходных процессов в с стеме возбуждения. П р и м е р. Датчик тока якоря 1 .(см. фиг. 2) реализован в виде, обмотки, расположенной на статоре воз .будителя по его поперечной оси в ме йолюсном окне или в полюсных наконеч никак полюсов магнитной системы воз будителя. Датчик 2 выполнен как дат чик тока возбуждения возбудителя или пропорционального ему тока на входе тиристорного преобразователя питания обмотки возбуждения возбудителя. Датчик представляет собой три трансформатора тока, первичные ки которых включены в фазы тиристорного преобразователя, а вторичные соединены в звезду и подсоединены ко входу преобразователя 4. Преобразова тели 3 и 4 содержат выпрямители и фильтры. Сумматор 5 преобразованных сигналов, входящий в орган сравнения выполнен по схеме сравнения на цир1 уляцию токов и. содержит потенциометрические делители напряжения для подбора уровней сравниваемых сигналов, двух развязьавающих и суммирующего резистора. Напряжение рассогласования с суммирующего резистора поступает на вход определителя абсолютной величины б, состоящего из двух операционных усилителей, включенных по схеме выпрямителя. Для воз можнрсти регулирования чувствительfnocTH устройства защиты к тому или биному виду повреждения усилители ох,вачены регулируемой отрицательной об ратной связью ..Развязка выходов усили телей и ограничение с целью повыщенй помехоустойчивости нижнего уровня вы ходного сигнала осуществляется с помощью ограничителя минимальной ве.личины 7, состоящего в простейшем случае из диодов, соединенных по схе ме ИЛИ, и эмиттерного повторителя, согласующего- выход схемы сравнения со входом реагирующего органа 8. .Реагирующий орган реализован в виде триггера Шмидта, имеющего два входа. Для коррекции использован принцип изменения чувствительности реагирующего органа в функции одного из входных сигналов устройства защиты. Так как напряжение на выходе преобра зователя сигнала тока возбуждения, возбудителя 4 сохраняет свок пропорциональность вызвавшей его величине практически во всех режимах, то.это делает его наиболее удобным для использования в корректирующем органе. В качестве корректора сигнала реагирующего органа применен составной эмиттерный повторитель 8, вход которого подключен к выходу преобразователя 4, а выходной каскад включен между общей точкой эмиттеров триггера Шмидта 8 и источником положительного смещения. Так как нарушение пропорциональности между сравниваемыми величинами обычно имеет место при больших значениях тока возбуждения, то нет необходимости производить коррекцию сигнала во всем диапазоне работы защиты. Для этой цели на входе корректора включен пороговый элемент - стабилитрон. Для ограничения области коррекции сверху (из условия обеспечения работы гера во всей зоне больших токов) между общей точкой источника питания и входом корректора 9 включен второй стабилитрон. Орган временной задержки 10 выполнен на основе активно-емкостного (RC) контура. Для фиксации уровня срабатывания органа временной задержки его выход через эмиттерный повторитель и опорный стабилитрон подключен к исполнительному органу 11, представляющему собой транзис ТО.РВЫЙ усилитель, в коллекторную цепь которого включено исполнительное реле. Для предотвращения дребезга реле и фиксации срабатывания защиты выходной транзистор зашунтирован замыкающимся контактом этого реле, с помощью которого оно становится на самоблокировку. Сброс реле в исходное состояние может осуществляться как по сигналу из внешней схемы, так и в самом устройстйе путем снятия питания или разрыва цепи блокирующего контакта. Устройство работает следующим образом (см. фиг. 2). При отсутствии повреждений в возбудителе и малых величинах приращений тока возбуждения возбудителя в единицу времени сигналы датчиков 1 и 2 изменяются практически пропорци,онально друг другу. Поэтому сигнал рассогласования на выходе органа сравнения (сумматор 5 - определи.тель абсолютной величины б - ограничитель минимальной величины 7) также равен нулю. Схемный небаланс внутри органа сравнения легко устраняется путем изменения уставки потенциометров сумматора 5. При быстром.изменении тока возбуждения возбудителя (например, форсировке) или внезапном изменении нагрузки машины возникает явление инамического разбаланса, когда пропорционал ная зависимость между токами якоря и обмотки возбужДения возбудителя, а следовательно и сиг- налами датчиков, нарушается и на .. ыходе органа сравнения появляется игнал рассогласования, который в лучае, его достаточной . величины вы- . зывает срабатывание реагирующего орана (триггера 8). Транзистор Ьыодного каскада триггера закрывается и начинается заряд конденсатора RCконтура органа временной задержки 10 Так как время заряда конденсатора. до напряжения срабатывания порогового элемента стабилитрона выбирается большим длительности переходного процесса, то срабатывания защиты не происходит. Как только сигнал рассогласования уменьшится до напряжения возврата триггера, последний закрывается и конденсатор органа временной задержки 10 быстро разряж ется. В случае возникновения длительной форсировки, достигающей, например, для синхронных компенсаторов двухкратной величины от номинального тока возбуждения,..возбудитель может оказаться в зоне насыщения. Кром того, здесь начинает .сказываться явление теплового увода. Все это вызывает изменение коэффициента пропорциональности между сравниваемыми величинами и .возникновение значительного напряжения рассогласования на выходе органа сравнения. Увеличение зоны нечувствительности путем изменения.коэффициентов усиления опе рационных усилителей определителя максимальной величины 6 ограничивается условиями обеспечения срабатывания защиты в зоне малых токов при возникновении повреждения. Корректор .9,-вводя смещение в эмиттерную цепь триггера 8, в функции изменения тока возбуждения возбудителя изменяет Чувствительность (порог срабатывани триггера по основному входу) и тем , самым предотвращает его срабатывание (см. фиг. 3). При возникновении повреждения в возбудителе, например пробое вентил вращающегося выпрямителя, возникает режим несимметричного короткого эа.мыкания возбудителя и на зажимах датчика тока якоря возникает напряж ние, в 5-10 раз превышающее напряже ние, осуществляющее до момента повреждения (напряжение 13 на фиг. 3) . В результате на выходе органа сравн ния (ограничителя минимальной величины 7) появляется сигнал, достаточ ный для срабатывания триггера 8. По истечении выдержки времени органа временной задержки 10 открывается транзистор и срабатывает репе испол нительного органа 11. С помощью кон тактов этого реле включается сигнализация о наличии повреждения и отключается возбуждение возбудителя. С помощью еще одного контакта осуществляется ввод сигнала об аварии схему защиты синхронной машины и пр необходимости ее отключение..При другом виде Повреждениявозбудителя пробое нескольких вентилей в одной из групп вРешающегося выпрямителя, возникает режим симметричного корот кого замыкания якоря возбудителя. При таком виде короткого замыкания реакция якоря действует главным образом по продольной оси и напряжение на зажимах датчика тока якоря резко уменьшается (напряжение . и}( на фиг. 3). Напряжение разбаланса на суммирующем резисторе сумматора 5 меняет знак и пропуск этого сигнала осуществляё1 другой операционный усилитель определителя абсолютной величины б.. Дальше схема работает аналогично описанному ранее случаю. Данное устройство может быть использовано для.эффективной защиты возбудителей бесщеточных синхронных генераторов, двигателей и компенсаторов от длительного протекания сверхтоков, вызываемых такими авария1 ш внутри возбудителя, как по-, вреждение вентилей вращающегося выпрямитедя (управляемого или неупрёвляемого), короткими замыканиями в обмотке якоря генератора возбудите ля и на его зажимах. Применение дан- ного устройства позволяет исключить ложные срабатывания защиты в динамических режимах работы системы возбуждения и самой синхронной машины, а также в предельных режимах возбуждения (форсировка). Указанное устройство выполняет также функции за-щиты от потери возбуждения. Так, в возбудителе, в котором вращающийся выпрямитель выполнен без предохранителей , при повреждении одного или нескольких вентилей этого выпрямителя происходит частичная или полная потеря возбуждения, при которой дальнейшая работа- машины становится невозможной. Таким образом, техникоэкономический эффект от применения данного устройства защиты складывается из экономии от сокращения яроcToeBfсвязанных с ложным срабатыванием защиты, снижения ущерба при авариях, повышения надежности работы самого устройства и экономии, С:вязанной с отсутствием необходимости разработки устройства защиты от потери возбуждения в роторе бесщеточной синхронной мапшны.Кроме того,расширяются возможности по наладке и выбору оптимального режима работы защиты. Формула изобретения 1. Устройство для защиты бесщеточной синхронной машины, содержащее датчики тока якоря и тока (напряжения) возбуждения синхронного генератора возбудителя, подключенные на входы измерительного органа, орган временной задержки,и исполнительный орган, соединенные последовательно, отличающееся тем, что, с целью повышения надейсности и точности
работы, оно дополни.тельно снабжено преобразователями сигналов датчиков тока якоря и тока (напряжения) вдзбуждения и корректирующим органом, причем измерительный орган выполнен в виде органа сравнения, входы которого подключены к датчикам через указанные преобразователи сигналов, и имеющего два входа реагирующего ор гана, первый вход которого соединен с выходом органа сравнения, а втот рой подключен квыходу одного из преобразователей сигнгшов через корректируюишй орган.
2. Устройство по п. 1,отлич ающ ее с я тем, что ор1;ан сравнения измерительного органа -выпол нен в виде последовательно соединенных сумматора, определителя абсолютной величины и ограничителя минимсшьной величины сигнала, а реагируювшй орган - в виде реле максимального напряжения постоянного тока, к дополнительному входу которого подключен корректирующий орган.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Авторское свидетельство СССР 262231, кл. Н 02 Н 7/06, 1970.
2.Патент ФРГ 1588470, кл. Н 02 Н 7/00, 1967.
3.Авторское свидетельство СССР 424271, кл. Н 02 Н 7/06, 1974.
4.Авторское свидетельство СССР 432638, кл. Н 02 Н 7/06, 1974.
//ff еагм/
fta o/ ftfjt. fffmrji
Mf amr/ mvftioe urawtn
1
%
SoIgft
/rwf fosSt ffetfwf SaSt/dvme A
фе/гЗ
