Система возбуждения синхронного генератора с управляемой внешней форсировкой

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к регулированию возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии. Технический результат - повышения надежности за счет упрощения схемы. Система возбуждения включает синхронный генератор (1), с обмотками якоря (2) и индуктора (3), первый выпрямителя (4). Суммирующий трансформатор (5), имеет обмотки: первичную токовую (6); первичную напряжения (7); вторичную (8) и управления (9), которая соединена с корректором напряжения (10). Параллельно индуктору (3) подключен внешний источник постоянного тока И через общий электронный ключ (12). Последовательно с обмоткой якоря (2) включен трансформатор тока (13), к которому подключен шунт (14) и второй выпрямитель (15). Кроме того, в систему входят аналого-цифровой преобразователь (16), первый (17) и второй (18) регистры памяти, распределителем импульсов (19), генератор импульсов (20) стабильной частоты, вычитатель (21), задающий регистр (22), числовой компаратор (23), первый дифференциатор (24), RS-триггера (25), второй дифференциатор (26), транзистор (27), цифроаналоговый преобразователь (28), формирователь-ограничитель (29), инвертор (30) и логический элемент И (31). Система имеет высокую точность форсировки возбуждения, исключающую перерегулировку возбуждения при форсировке и упрощенную схему, обеспечивающую повышенную надежность. 1 ил.

 

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к регулированию возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии, передвижных электроагрегатах 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 является 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 общий электронный ключ, управляющий электрод которого подключен к выходу элемента ИЛИ, связанного первым входом с шиной ПУСК, а вторым входом - с прямым выходом триггера, единичный вход которого 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, кроме того между внешним источником постоянного тока и общим электронным ключом введены N параллельно включенные секции, при этом каждая секция имеет последовательно включенные резистор и секционный электронный ключ, подключенный управляющим электродом к соответствующему разряду выхода вычитателя, причем сопротивление резистора i-той секции определяется выражением R_i=R₁/2^(i-1), где R₁ - сопротивление резистора первой секции, а параллельно секциям включен ограничительный резистор /4/.

Недостатком прототипа является наличие резисторов, которые требуют решения задачи по отводу тепла и являются элементами не высокой надежности.

Цель изобретения - повышения надежности за счет упрощения схемы.

Цель изобретения достигается тем, что 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, снабжена транзистором и цифроаналоговым преобразователем, разряды входа которого 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.

Цифроаналоговый преобразователь дает количественную характеристику отклонения приращения тока нагрузки от допустимой величины. Транзистор обеспечивает коррекцию возбуждения, адекватную данному отклонению приращения тока нагрузки. Одновременно ЦАП и транзистор заменяют N электронных ключей и N двоично-кодированных резисторов.

На фиг. 1 представлена схема системы возбуждения синхронного генератора с управляемой внешней форсировкой.

Система возбуждения включает синхронный генератор 1, имеющий обмотку якоря 2 и обмотку индуктора 3, которая подключена к выходу первого выпрямителя 4. Суммирующий трансформатор 5 имеет четыре обмотки: первичную токовую 6, которая включена последовательно с обмоткой якоря 2; первичную обмотку напряжения 7, которая подключена к зажимам генератора; вторичную обмотку 8 питания индуктора 3 и обмотку управления 9, подключенную к выходу корректора напряжения 10. Для обеспечения условий фазового компаундирования трансформатор 5 имеет магнитный шунт, который отделяет обмотку 7 от других обмоток на сердечнике трансформатора. Параллельно индуктору 3 через электронный ключ 12 подключен внешний источник постоянного тока 11, например, стартерная аккумуляторная батарея. Последовательно с обмоткой якоря 2 включен трансформатор тока 13. В цепь его вторичной обмотки включен шунт 14, к которому подключен второй выпрямитель 15. Его напряжение подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16. Информационные входы первого 17 и второго 18 регистров памяти соединены с выходами АЦП 16, а их входы записи - с распределителем импульсов 19, на вход которого подключен генератор 20 импульсов стабильной частоты. Выходы вычитателя 21 и задающего регистра 22 подключены соответственно к первому и второму входам числового компаратора 23. На выходе задающего регистра 22 устанавливают код максимально допустимого приращения тока нагрузки. Выходы БОЛЬШЕ и РАВНО числового компаратора 23 подключены к входу первого дифференциатора 24. Его выход подключен к единичному входу RS-триггера 25, сбросовый вход которого связан с выходом второго дифференциатора 26. База транзистора 27 подключена к выходу цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 28, который подключен к выходу вычитателя 21. Формирователь-ограничитель 29 входом подключен к выпрямителю 15, а выходом через инвертор 30 - ко второму входу логического элемента И 31, первый вход которого подключен к выходу МЕНЬШЕ числового компаратора 23.

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 9. 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 коэффициент трансформации трансформатора 13, протекая по шунту 14, производит на нем 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 , поступающее на вход АЦП 16. На выходе преобразователя 16 формируется код мгновенного значения входного напряжения

K(t)=u(t)/u_n, где u_n - 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 поступают на вход распределителя 19. На его выходах попеременно через фиксированный промежуток времени появляются импульсы, которые поступают на входы записи регистров 17 и 18. В результате в регистры памяти 17 и 18 записываются коды K(t) и K(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 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, который через элемент И 31 поступает на вход дифференциатора 26. Сигнал с выхода дифференциатора 26 подается на сбросовый вход триггера 25, и он переходит в состоянии, когда сигнал на его прямом выходе отсутствует. При этом форсировка возбуждения не производится.

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 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 токаи 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 и наблюдается максимальное приращения тока, появляется сигнал на выходе инвертора 30, который поступает на второй вход элемента И 31. На выходе элемента И 31 появляется сигнал и через дифференциатор 26 поступает сигнал 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.

Таким образом, предложенная система возбуждения генератора имеет высокую форсировочную способность. Степень форсировки возбуждения является функцией отклонения приращения тока нагрузки генератора от допустимой величины, что обеспечивает высокое быстродействие и точность, исключая возможность перерегулирования. При этом из схемы исключены наиболее ненадежные элементы, что упрощает схему и делает более надежной.

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 №2523005, 2014 г.

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, отличающаяся тем, что с целью повышения надежности снабжена транзистором и цифроаналоговым преобразователем, разряды входа которого 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.