Функціональна структура стабілізації реактивної потужності синхронного генератора за допомогою слідкуючого корегування його напруги збудження

Функціональна структура стабілізації реактивної потужності синхронного генератора за допомогою слідкуючого корегування його струму збудження, що містить три обмотки збудження, підключені до вихідних зв'язків функціональної структури демультиплексора f Demux для при 3 f Uвих , Uвих  і f Івих , Івих  , входи яких підключені до виходу синхронного генератора для прийому сигналів напруги Uвих і струму Івих , а функціона 67437 4 льні зв'язки виконані у відповідності з математичною моделлю вигляду ,       і  - система аналогових (→) і анало      го-логічних функціональних зв'язків (=) функціональних структур; &1 - логічний елемент f1&   HI ; де:      1  і &1  - логічний елемент f1}   АБО і      f1&   I ; f13 АЦП - функціональні структури аналогоцифрового перетворення; Корисна модель відноситься до галузі електроенергетики, а саме до функціональної структури синхронізації по фазі генераторів, і може бути використана для управління генераторами різної потужності, які підключені до спільного навантаження, для забезпечення розподілу активної потужності в ній пропорційно до їх потужності. Відомо про функціональну структуру автоматичного регулювання частоти і розподілу активної потужності генератор (Хомяков Н.М. и др. Судовые электроэнергетические установки Издательство «Судостроение» Ленинград 1966 г. Стр. 175, рис. 82), яка для стабілізації частоти вихідної напруги синхронного генератора з первинним двигуном включає датчик частоти і серводвигуна, а також первинний двигун. Відома функціональна структура автоматичного регулювання вихідної f   - функціональна структура, що виконує про цедуру обчислення інформаційного коефіцієнта потужності; f1  - функціональна структура суматора; f d / dn - функціональна структура логічного диференціювання; f1,2 Sign - функціональна структура, що формує знак індуктивної або ємнісної потужності; f Fuzzy - функціональна структура з нечіткою логікою; f Demux - функціональна структура демультиплексора. напруги не забезпечує стабільність роботи генератора при зміні зовнішнього навантаження. Відомо також про функціональну структуру стабілізації реактивної потужності синхронного генератора за допомогою слідкуючого корегування його напруги збудження (Електромеханічні системи автоматичного керування та електроприводи. За редакцією професорі М.Г. Поповича та О.Ю. Лозинского, Київ „Либідь" 2005 p., с. 247, рис. 4.17), яка містить три обмотки збудження, підключених до вихідних зв'язків функціональної структури демультиплексора f Demux для прийому сигналів управління U1.n  tn1 , U2.n  tn1 і U3.n  tn1 , де « n » - неперервна послідовність конкретних значень аналогових сигналів управля 5 67437 ючих імпульсів, які подають на силові тиристори для формування синхронної напруги і струму збудження синхронного генератора, при цьому логікодинамічний процес стабілізації синхронного генератора, вхід якого підключено до виходу функціональної структури формування сигналу управління, вхід якої виконує прийом вихідної напруги Uвих синхронного генератора, при цьому функціональна структура управління включає послідовно з'єд 6 нані перетворювач Uвих , Uвих , генератор пилоподібної напруги f1tU0  Umax , Ti  і порівнюючу функціональну структуру функціональної структури f1 U0  Umax  Uj , при цьому логіко-динамічний   процес стабілізації синхронного генератора виконаний у відповідності з математичною моделлю вигляду   U1.n  t n 1  Uвих  Uвих , Uвих  f1tU0  Umax , Ti      f1 U0  Umax  U j  Ut  f Demux  U2.n  t n 1   U U j  3.n  t n 1 ,    де Uвих , Uвих - перетворююча функціональна структура; f1tU0  Umax , Ti  - функціональна структура, що формує пилоподібну напругу U0  Umax тривалістю t і період слідування Ti ;   f1 U0  Umax  Uj - функціональна структура порі вняння пилоподібної напруги U0  Umax з опорною U j ; f Demux - функціональна структура де мультиплексора. Відома функціональна структура не забезпечує стабільність роботи генератора через зменшення його реактивної потужності. Стабільність роботи синхронного генератора з урахуванням слідкуючої зміни струму збудження генератора може бути отримана в межах 10-15 % від номінальної потужності генератора. Ставиться задача вдосконалення функціональної структури стабілізації реактивної потужності синхронного генератора за допомогою корегування його струму збудження, в якому шляхом зміни моменту подачі напруг наобмотку збудження синхронного генератора забезпечують стабілізацію його реактивної потужності, що в кінцевому результаті призводить до економії пального на 5-10 %. Вирішується поставлена задача тим, що функціональна структура стабілізації реактивної потужності синхронного генератора за допомогою слідкуючого корегування його струму збудження, що містить три обмотки збудження, підключені до вихідних зв'язків функціональної структури демультиплексора f Demux для прийому сигналів управління U1.n  tn1 , U2.n  tn1 і U3.n  tn1 , де « n » - неперервна послідовність конкретних значень аналогових сигналів керуючих імпульсів, які подають на силові тиристори для формування синхронізованої напруги і струму збудження синхронного генератора, вхід якого підключено до виходу функціональної структури формування сигналу управління, вхід якої здійснює прийом вихідної напруги Uвих синхронного генератора, при цьому функціональна структура формування сигналу управління включає перший, другий аналого-цифрові перетворювачі f1АЦП , f2 АЦП і третій аналого-цифровий перетворювач  f3 АЦП , перший і другий виходи якого підключені до опорного джерела Ucos  і джерела опорних напруг [ U j ], а вихід підключено до другого входу суматора f1  , перший вхід якого з'єднано з вихо дом функціональної структури f   , яка виконує процедуру обчислення інформаційного коефіцієнта потужності вихідного сигналу генератора і формує сигнал  [Uj ]t f U,Iвих  0 переходу струму   Івих і Uвих напруги генератора через нуль, а вихід суматора f1  , який формує сигнал помилки [U j ] , підключено до входу функціональної структури f d / dn логічного диференціювання, що формує сигнал [Uj ]d швидкості зміни помилки [U j ] і підключено до функціональної структури f2 Sign фо рмування знаку другої індуктивної  UL або другої 2 ємнісної  UC реактивної потужності генератора, 2 вихід якого підключено до третього входу функціональної структури f Fuzzy з нечіткою логікою, перший і другий вхід якої з'єднано з виходом функціональної структури логічного диференціювання f d / dn для прийому сигналу швидкості зміни помилки [Uj ]d і підключено до виходу суматора f1  для прийому сигналу помилки [U j ] , а вихід функціональної структури f Fuzzy з нечіткою логікою, яка формує послідовність сигналів Ut, T тривалістю t і періодом слідування T з'єднано з першим входом функціональної структури демультиплексора f Demux , другий вхід якої підключено до виходу логічного елемента f1}   АБО , входи якої з'єднані з елементом f1&   HI й елементом f1&   I , входи якого підключені до виходу функці ональної структури f2 Sign формування знаку другої індуктивної  UL або другої ємнісної  UC 2 2 реактивної потужності генератора і до входу логічного елемента f1&   HI і виходу функціональної 7 67437 структури f1Sign формування знаку першої індукL  U1 C  U1 тивної або першої ємнісної реактивної потужності генератора, перший і другий входи якого сумісно з першим і другим входами функціональної структури f   підключені до виходів аналого-цифрових перетворювачів f1АЦП і f2 АЦП для прийому перетворених сигналів струму [Ij ]вих і 8 перші входи підключені до джерела для прийому опорних напруг [Uj ] , а другі входи з'єднані з функціональними структурами перетворювачів f Uвих , Uвих  і f Івих , Івих  - входи яких підключені до виходу синхронного генератора для прийому сигналів напруги Uвих і струму Івих , а функціональні зв'язки виконані у відповідності з математичною моделлю вигляду напруги [U j ]вих синхронного генератора, в яких      де   і  - система аналогових (→) і      аналого-логічних функціональних зв'язків (=) функціональних структур; &1 - логічний елемент f1(&1)HІ;      1  і &1  - логічний елемент f1(})-АБО і      fi(&)-l ; f13 АЦП - функціональні структури аналого цифрового перетворення; f &   HI - функціональна структура, що виконує процедуру обчислення інформаційного коефіцієнта потужності; f1  функціональна структура суматора; f d / dn - функціональна структура логічного диференціювання; f1,2 Sign - функціональна структура, що формує знак індуктивної або ємнісної потужності; f Fuzzy - функціональна структура з нечіткою логікою; f Demux - функціональна структура демультиплексора. Реалізується запропонована функціональна структура стабілізації реактивної потужності синхронного генератора за допомогою слідкуючого корегування його напруги збудження наступним чином. Попередньо у відповідності з аналітичним виразом (1) 9 67437 10 (1) Вихідна напруга Uвих і струм Івих синхронного генератора перетворюють за допомогою функціональної структури f Uвих , Uвих  і f Івих , Івих  в струму Iвих синхронного генератора у відповідності з аналітичним виразом (3) аналогові сигнали Uвих і Івих , максимальне значення яких не перевищує динамічний діапазон еталонних напруг [ U j ] функціональних структур f1АЦП і f2 АЦП аналого-цифрового перетворювача, де «j» - число інформаційних аналогових логічних сигналів. Після чого перетворений аналоUвих говий сигнал вихідної напруги і струму Івих перетворюють в структуру аналогових логічних сигналів вихідної напруги [U j ]вих і вихідного струму [Ij ]вих шляхом порівняння їх зі структурою еталонних напруг [ U j ] шляхом функціональних структур f1АЦП і f2 АЦП аналого-цифрового перетворювача, які аналізують за допомогою функціональної структури f   , що виконує процедуру логічного обчислення інформаційного коефіцієнта потужності. При цьому в результаті аналізу у функціональній структурі коефіцієнта потужності f   формують логічну структуру аналогових сиг  t f U,Iвих  0 налів Uj тривалістю t переходу аналогового сигналу вихідної напруги Uвих і струму Iвих генератора через нульовий рівень Uвих  0 . Одночасно з цією процедурою у відповідності з функціональною структурою (2) Uj  вих  L C f1Sing  U /  U (2)  Іj  вих  за допомогою функціональної структури f1Sing аналізують структуру аналогових логічних    (3) виконують порівняння опорної напруги Ucos  , яка відповідає наперед заданому cos зі структурою еталонних напруг [ U j ] і перетворюють його в   структуру логічних аналогових сигналів U j cos  за допомогою функціональної структури f3 АЦП . Потім структуру логічних аналогових сигналів Uj логічно сумують за допомогою функціонаcos    льної структури суматора f   зі структурою ана  t f U,Iвих  0 логових логічних сигналів  Uj ви разу (1) і формують як логічну структуру аналогових сигналів U j  помилки  , так і логічну   структуру аналогових сигналів Uj d швидкості зміни d/dn помилки  . Потім при аналізі логічної структури аналогових сигналів U j  помилки  в   аналітичному виразі (4) L C [U]=f2(Sign)=(+U 2/-U 2) (4) За допомогою функціональної структури знаку реактивної потужності f2(Sign) і формують другий логічний аналоговий сигнал позитивного значення L +U 2, відповідний індуктивній реактивній потужності генератора, або другий логічний аналоговий C сигнал негативного значення –U 2 відповідної ємності реактивної потужності генератора. Після чого у відповідності зі структурою логічних елементів f1(&)-I, f1(&)-HE і f1(})-AБO аналітичного виразу (5) сигналів вихідної напруги [U j ]вих і вихідного струму [Ij ]вих і формують логічний сигнал позитивного значення  UL , відповідний індуктивній реактивній потужності генератора або логічний аналоговий сигнал негативного значення  UC , відповідної ємнісної реактивної потужності генератора. Одночасно з перетворенням вихідної напруги Uвих і (5) виконують зіставний аналіз перших і других L С L С аналогових сигналів +U 1, -U 1 і +U 2, -U 2 і форL мують скореговані логічні аналогові сигнали +U 3/С U 3. Одночасно з аналізом структури аналогових 11   логічних сигналів U j 67437 помилки  за допомогою аналітичного виразу (4) виконується аналіз за допомогою функціональної структури з нечіткою логікою (6)   UL 2 /  UL 2      U j  f Fozzy   Ut, T  (6)   Uj   d   і формування послідовності імпульсних аналогових сигналів Ut, T тривалістю t і періодом слідування T . При цьому варто відмітити, що кожній змінній задані лінгвістичні терми, відповідні деяким діапазонам чітких значень. Щоб визначити граничні значення U j  похибки  розглянемо      12    ймовірні значення опорного cos та поточного UBиXf(cos). Опорний Ucos задається, тому оптимальне значення, яке можна задати, Ucos=0,3..1. Поточний cos може приймати значення від 0,3 до 1. Виходячи з того, що =cos(on.)- соs(пот.), похибка  має такі границі [Uj]=[-0,7..0,7]. Для вхідної змінної «error» () використовується шість термів: NH - від'ємне велике, NL - від'ємне мале, Z - близьке до нуля, PL - позитивне мале, РМ - позитивне середнє, РН - позитивне велике. Для вхідної змінної «derror» (d) визначаємо такі границі [Uj]d=[0,2..0,2] так як швидкість зміни похибки може зростати та спадати, тоді приймаємо збільшення швидкості за позитивне, а зменшення - за негативне. Визначаємо такі терми: QD - швидко спадає, SD повільно спадає, С - постійне, SI - повільно зростає, QI - швидко зростає. При цьому належність змінної «похибки» може бути записана у вигляді графоаналітичного виразу (7) (8) На відміну від попереднього регулятора була створена третя змінна. Вона реагує на характер навантаження: індуктивне та ємнісне. Приймемо індуктивний характер за умовну 1, а ємнісний за умовну -1. Тоді функція належності змінної «sign» может бути записана у вигляді графоаналітичного виразу (9). (9) В якості вихідних лінгвістичних змінних приймаємо частоту та скважність вихідного сигналу. Лінгвістична змінна «частота» має границі [0...4]Гц та п'ять термів: Z - нульове значення, L - низьке значення, М1 - перше середнє значення, М2 - друге середнє значення, Н - високе значення частоти. Лінгвістична змінна «скважність» має границі [0... 100] % та чотири терми: Z - нульове значення, L низьке значення, М - середнє значення, Н - високе значення скважності. При цьому належність змінної «частоти» структури аналогових сигналів помилки [Uj] можна записати у вигляді графоаналітичного виразу (10), (7), а «швидкість зміни похибки» [Uj]d може бути записана у вигляді графоаналітичного виразу (8). (10) а логіко-динамічний процес зміни «скважності» зміни структури аналогових сигналів похибки [Uj] 13 може бути записаний у вигляді графоаналітичного виразу (11). (11) При цьому трикутна функція може бути записана у вигляді алгебраїчного виразу (12), 0, x  a  x a ,a  x  b   x    b  a (12) cx  ,b  x  c c b  0, c  x  де а, b, с - параметри функцій належності, а часова послідовність вхідних структур аналогових сигналів «error» -> [Uj], «d(error)» → [Uj]d і вихідних аналогових сигналів «частоти» і «скважності» для функціональної структури f(Fuzzy) → «regulator 2» з нечіткою логікою може бути записана у вигляді графоаналітичного виразу (13). (13) При цьому логіко-динамічний процес перетворення структури аналогових сигналів у функціональну структуру f(Fuzzy) → «regulator 2» з нечіткою логікою для «частоти» та «скважності» може бути записана у вигляді формалізованих правил вигляду ЯКЩО  = РН та d = QD та sign = L ТО «частота» = М1, «скважність» = М ЯКЩО  = РН та d = SD та sign = L ТО «частота» = М1, «скважність» = Н ЯКЩО  = РН та d = С та sign = L ТО «частота» = М2, «скважність» = М ЯКЩО  = РН та d = SI та sign = L ТО «частота» = М2, «скважність» = Н ЯКЩО  = РН та d = QI та sign = L ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = РН та d = QD та sign =С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = РН та d = SD та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н 67437 14 ЯКЩО  = РН та d = С та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = РН та d = SI та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = РН та d = QI та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = PL та d = QD та sign = L ТО «частота» = М1, «скважність» = L ЯКЩО  = PL та d = SD та sign = L ТО «частота» = М1, «скважність» = М ЯКЩО  = PL та d= С та sign = L ТО «частота» = М1, «скважність» = Н ЯКЩО  = PL та d = SI та sign =L ТО «частота» = М2, «скважність» = М ЯКЩО  = PL та d = QI та sign =L ТО «частота» = М2, «скважність» = Н ЯКЩО  = PL та d = QD та sign =С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = PL та d = SD та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = PL та d = С та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО = PL та d = SI та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = PL та d = QI та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = Z та d = QD та sign = L ТО «частота» = L, «скважність» = М ЯКЩО  = Z та d = SD та sign =L ТО «частота» =L, «скважність» = L ЯКЩО  = Z та d = С та sign = L ТО «частота» = Z, «скважність» = Z ЯКЩО  = Z та d = SI та sign = L ТО «частота» = L, «скважність» = L ЯКЩО  = Z та d = QI та sign = L ТО «частота» = L, «скважність» = М ЯКЩО  = Z та d = QD та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = Z та d = SD та sign =С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = Z та d = С та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = Z та d = SI та sign =С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = Z та d = QI та sign =С ТО «частота» =Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = NL та d = QD та sign =L ТО «частота» = М1, «скважність» = Н ЯКЩО  = NL та d = SD та sign = L ТО «частота» = М1, «скважність» = М ЯКЩО = NL та d = С та sign = L ТО «частота» = L, «скважність» = Н ЯКЩО  = NL та d = SI та sign = L ТО «частота» = L, «скважність» = М ЯКЩО  = NL та d = QI та sign = L ТО «частота» = L, «скважність» = L ЯКЩО  = NL та d = QD та sign =С ТО «частота» = М1, «скважність» = Н ЯКЩО  = NL та d = SD та sign = С ТО «частота» = М2, «скважність» = М ЯКЩО = NL та d = С та sign = С ТО «частота» = М2, «скважність» = Н 15 ЯКЩО  = NL та d = SI та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = NL та d = QI та sign = С ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = NH та d = QD та sign = L ТО «частота» = Н, «скважність» = Н ЯКЩО  = NH та d = SD та sign = L ТО «частота» = М2, «скважність» = Н ЯКЩО  = NH та d = С та sign = LТО «частота» = М2, «скважність» = М ЯКЩО  = NH та d = SI та sign = L ТО «частота» = М1, «скважність» = Н ЯКЩО  = NH та d = QI та sign = L ТО «частота» = М1, «скважність» = М ЯКЩО  = NH та d = QD та sign = С ТО «частота» = L, «скважність» = М ЯКЩО  = NH та d = SD та sign =С ТО «частота» = L, «скважність» = Н 67437 16 ЯКЩО  = NH та d = С та sign = С ТО «частота» = М1, «скважність» = М ЯКЩО  = NH та d = SI та sign = С ТО «частота» = М1, «скважність» = Н ЯКЩО  = NH та d = QI та sign = С ТО «частота» = М2, «скважність» = Н В результаті реалізації запропонованих правил за допомогою Matlab-моделі АЕЕС були отримані два (4 штуки) логіко-динамічних процеси залежності «частоти» та «сважності» від «похибки» U j та «швидкості зміни похибки» U j . Перший  d     логіко-динамічний процес залежності «частоти» та «сважності» від «похибки» та «швидкості зміни похибки» може бути записана у вигляді графоаналітичного виразу (14). (14) З аналізу логікодинамічного процесу перетворення логічних структур аналогових сигналів «error» → [Uj], «d(error)» → [Uj]d у функціональній структурі f(Fuzzy) → «regulator 1» з нечіткою логікою (14) випливає, що поверхня симетрична відносно точки початку координат. Мінімальне значення частоти спостерігається в районі =0 та d=0. Максимуми частоти спостерігаються в об ласті, де «помилка» позитивна велика та «швидкість зміни похибки» позитивна велика, та області, де «помилка» негативна велика та «швидкість зміни похибки» негативна велика. Другий логікодинамічний процес залежності «частоти» та «сважності» від «похибки» та «швидкості зміни похибки» може бути записаний у вигляді графоаналітичного виразу (15). 17 67437 18 (15) З аналізу логіко-динамічного процесу перетворення логічних структур аналогових сигналів «error» → [Uj], «d(error)» → [Uj]d у функціональній структурі f(Fuzzy) → «regulator 1» з нечіткою логікою (15) випливає, що в області, де «похибка» позитивна, «частота» - максимальна, через те що характер навантаження ємнісний і вплив повинен бути максимальним. Область мінімуму спостерігається при негативній максимальній «похибки» та негативній «швидкості зміни похибки». Третій логіко-динамічний процес залежності «частоти» та «сважності» від «похибки» та «швидкості зміни похибки» може бути записаний у вигляді графоаналітичного виразу (16). (16) З аналізу логіко-динамічного процесу перетворення логічних структур аналогових сигналів «error» -> [Uj], «d(error)» → [Uj]d у функціональній структурі f(Fuzzy) → «regulator 1» з нечіткою логікою (16) випливає, що поверхня залежності дзеркальна відносно початку координат. Область мі 19 німумів спостерігається в районі =0. В районі d=0 спостерігаються всплески максимумів тому, що в цих умовах подаються імпульси низької частоти, щоб забезпечити кращу якість керування. 67437 20 Четвертий логіко-динамічний процес залежності «частоти» та «сважності» від «похибки» та «швидкості зміни похибки» може бути записаний у вигляді графоаналітичного виразу (17). (17) З аналізу логіко-динамічного процесу перетворення логічних структур аналогових сигналів «error» -> [Uj], «d(error)» → [Uj]d у функціональній структурі f(Fuzzy) → «regulator 1» з нечіткою логікою (14) випливає, що в області, де «похибка» позитивна, «скважність» - максимальна, через те що характер навантаження ємнісний і вплив повинен бути максимальним. Область мінімуму спостерігається при негативній максимальній «похибки» та негативній «швидкості зміни похибки». В області мінімумів спостерігаються всплески максимумів тому, що в цих умовах подаються імпульси низької частоти, щоб забезпечити кращу якість керування. Повертаючись до логікодинамічного процесу послідовного корегування струму збудження синхронного генератора для стабілізації його реактивної потужності запишемо його вихідну функціональну структуру демультиплексора f(Demux) (18),   U1.n  tn1   UL3 /  UC3     f Demux U2.n  tn1   U  Ut, T    3.n  tn1  (18),   за допомогою якої аналізують скореговані у   виразі (5) логічний сигнал знаку   UL3 /  UC3 і логічний сигнал  Ut, T виразу (6) і корегують початок формування послідовних керуючих імпульсів U1.n1 , U2.n1 i U3.n1 . У функціональній структурі демультиплексора f(Demux) з випередженням або відставанням відносно початку формування попередньої послідовності керуючих імпульсів І U1.n  tn1 , U2.n  tn1 U3.n  tn1 , які потім подають на силові тирис тори для формування синхронізованої напруги і струму збудження синхронного генератора. Для формування математичної моделі функціонально закінченого логіко-динамічного процесу послідовного корегування струму збудження синхронного генератора для стабілізації його реактивної потужності виконаємо об'єднання функціональних структур (1) - (6) і запишемо результуючий аналітичний вираз (19) 21 67437 Використання запропонованої функціональної структури стабілізації реактивної потужності синхронного генератора за допомогою слідкуючо 22 го корегування його струму збудження дозволить підвищити його стабільність і дозволить підвищити економічність пристрою на 10-15 %. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601