Безщітковий синхронний генератор

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використаний при створенні безщеточних синхронних генераторів (БСГ). У цей час відома велика кількість самих різних схем компонування БСГ, які, як правило, мають в роторі некеровані випрямлячі, а автоматичне регулювання напруги (АРН) БСГ здійснюється регулюванням струму збудження збудника, в основному, за способом амплітудно-фазового компаундировання [1, 2, 5]. У цьому випадку БСГ містить трансформатор амплітудно-фазового компаундировання і коректор напруги, що складається, в загальному випадку, з вимірювального елемента, підсилювача, виконавчого елемента і необхідних для узгодження і передачі сигналу додаткових елементів. Оскільки в контур автоматичного регулювання в цьому випадку включена досить інерційна обмотка збудження збудника динамічні показники регулювання напруги існуючих БСГ продовжують залишатися на досягнутому в минулій повіці рівні [2]. Відомо, що оптимальною схемою БСГ за динамічними характеристиками є схема з використанням керованого випрямляча в роторі. Але складна технічна проблема передачі в ротор сигналу управління не має до цього часу надійного технічного рішення. Як прототип прийнятий генератор серії СБГ фірми «ЭЛЕКТРОСИЛА» [3], випущений біля 20 років тому. Сигнали управління в цьому БСГ виробляються АРН, розташованим в щиті управління, і передаються в ротор оптичним способом. У роторі розміщується повністю керований тиристорний перетворювач (ВТП), що обертається, який регулює напругу на обмотці збудження БСГ. БСГ серії СБГ має два канали регулювання (основний і резервний) і багаторазове резервування у виконанні блоків, що привело до дорожчання і, зрештою, до зняття його з виробництва. Принцип регулювання струму збудження генератора в цій системі [3] заснований на перемиканні режиму роботи повністю керованого ВТП з випрямного на инверторний протягом одного періоду основної частоти. На кожному періоді роботи БСГ, тобто протягом 0,02с до обмотки збудження прикладається напруга Ufm прямої полярності протягом часу a ,а на протязі ( 1 - a ) - напруга Ufm зворотної полярності. Значення кута a , при якому проводиться перемикання режиму роботи ВТП визначається відхиленням напруги БСГ від заданого значення напруги уставки Uy. Сигнал відхилення напруги від заданого значення виробляється вимірювальним елементом методом інтегрування позитивної полуволни напруги фази А, перетворюється в світло, передається в ротор, зворотно перетворюється в електричний сигнал управління і подається на ВТП для управління значенням кута a на кожному періоді роботи БСГ. У цьому ланцюжку передачі і перетворень беруть участь 9 блоків [4]. У динамічних режимах (при великих відхиленнях напруги БСГ від Uy) a або рівне Т, (йде безперервна форсировка збудження), або дорівнює 0, (йде безперервна расфорсировка). Значення Ufm визначається конструктивними і розрахунковими параметрами збудника і прийняте по відношенню до напруги збудження холостого ходу рівним » 5 о.е. Відомо, що будь-який вимірювальний елемент напруги має зону нечутливості [2], а посилення, перетворення і передача сигналу управління в схемі АРН БСГ сприяють вияву різних нелинейностей, які розширюють зону нечутливості вимірювального елемента. У результаті БСГ працює з сумарною зоною нечутливості, яка означається є і складає значення приблизно рівні 1-2% Uн. Тому існуючі БСГ, в тому числі і БСГ серії СБГ мають зовнішню характеристику у вигляді смуги, шириною 2є. На практиці це означає, що для БСГ номінальною напругою, наприклад, 400В і помилкою регулювання d =±1,5%Uн поточне значення напруження що виробляється генератором від 394В до 406В відповідно до нормативних документів вважається нормальним. Спроби зменшити ширину смуги зовнішньої характеристики, як правило, приводять до появи низькочастотної амплітудної модуляції (НАМ) напруги БСГ, що послужило мотивом для прийняття норми по НАМ напруги БСГ. Крім цього в режимах паралельної роботи для розподілу реактивного навантаження існуючим БСГ потрібно зрівняльні з'єднання і додаткові пристрої [1], що стримує розвиток систем управління генераторами, особливо автономних, наприклад суднових електроенергетичних систем. Наявність зони нечутливості вимірювальних елементів і принцип роботи існуючих АРН БСГ приводять до перерегулювання напруги БСГ в динамічних режимах наброса навантаження [4]. Величина перерегулювання при цьому може досягати до +20% Uн [5], що, звичайно, негативно позначається на роботі споживачів, а при неодноразовому повторенні може привести до пробою ізоляції одного з споживачів і навіть до аварії в системі. У цілому існуючі БСГ, в тому числі і БСГ серії СБГ мають наступні недоліки, пов'язані з компонуванням схем і роботою систем АРН: 1. Складність реалізації схем БСГ з керованим випрямлячем в роторі; 2. Недостатня висока якість регулювання напруги БСГ, в тому числі: - зовнішня характеристика БСГ є смугою; - статична помилка регулювання d =±(1,0-2,0)% Uн, що складає (8-16)В при напруги в системі 400В; - низькі динамічні показники: час відновлення напруги при набросе номінального навантаження tв=0,3-0,50,6с; пуск асинхронного двигуна можливий при потужності двигуна до 70% потужності генератора; - перерегулювання напруги при набросе навантаження до +20% Uн. 3. Схильність до коливальних режимів; 4. Негативний вплив на статичну стійкість режимів роботи; 5. Необхідність в зрівняльних з'єднаннях і додаткових пристроях для розподілу реактивного навантаження в режимах паралельної роботи. У основу винаходу поставлена задача удосконалення БСГ шляхом використання і розміщення в роторі параметричного стабілізатора напруги (ПСН) синхронного генератора [6], передачі в ротор не сигналу управління, а напруги статора БСГ за допомогою трансформатора, що обертається, і децентралізованого управління БСГ по сімейству характеристик, що дозволить підвищити якість електроенергії, що виробляється, зберегти БСГ по фізичних властивостях нерегульованим, забезпечити розподіл реактивного навантаження без зрівняльних з'єднань і створити БСГ нового покоління без зовнішніх ланцюгів регулювання з децентралізованим управлінням. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг.1 зображене нове компонування БСГ, на фіг.2 - принцип роботи ПСН БСГ, на фіг.3 - зовнішні характеристики і спосіб децентралізованого управління БСГ за характеристиками. У ротор БСГ (див. фіг.1) передається не сигнал управління, а напруга статора генератора за допомогою трансформатора, що обертається, там же розміщується ПСН з контролером (К) і керований випрямляч (УВ). Контролер (К) призначений для зміни значення опору уставки, що формує значення заданої опорної напруги ПСН, послідовним замиканням додаткових контактів, виведених від опору уставки. Для управління БСГ в експлуатаційних режимах на статорі встановлюють блок управління (БУ) з мікропроцесором (МП) і світловий канал для передачі команд МП на К. Змінюючи за допомогою К по команді МП значення заданої опорної напруги ПСН (див. фіг.2 і 3), можливо, управляти БСГ за характеристиками. На фіг.1 додатково позначене: ОС і OB - трифазна обмотка статора і обмотка збудження генератора; ОВВ і ОРВ - обмотка збудження збудника і обмотка ротора збудника; ОСТ і OPT - трифазні обмотки статора і ротора трансформатора, що обертається. Тимчасові діаграми роботи ПСН БСГ при частоті вихідної роторної обмотки трансформатора, що обертається 50Гц і згладжуванням пульсацій випрямленого напруження цієї обмотки показані на фіг.2 в двох режимах роботи: a - холостий хід БСГ; б - робота БСГ під навантаженням. На фіг.2 позначене: амплітуда напруги БСГ - Ua; статична помилка стабілізації напруги БСГ - DU ; пульсації випрямленої напруги БСГ - Uн; згладжена напруга пульсацій БСГ - Uпc; задана опорна напруга - Uoн; потолочне значення напруги живлення обмотки збудження - Ufm; період подачі імпульсів на обмотку збудження - Ти; ширина імпульсів, що подаються на обмотку збудження - tи і графіки зміни струму збудження - if. У статичних режимах при незначній зміні напруги БСГ, завдяки згладжуванню пульсацій, ширина імпульсів - tи, що подаються на обмотку збудження, значно змінюється, що забезпечує стабілізацію напруги БСГ з невеликою статичною помилкою, порядку - (0,3-0,5)% Uн, при реальних значеннях потолочної напруги живлення обмотки збудження біля 7-8о.е. У динамічних режимах при значному зменшенні напруги БСГ від заданого значення напруга живлення Ufm постійно підключена до обмотки збудження, або при значному збільшенні напруги БСГ від заданого значення - постійно відключена від обмотки збудження. Таким чином, при зниженні напруги БСГ по будь-яких причинах струм збудження зростає, при збільшенні напруги БСГ струм збудження зменшується. Для будь-якого варіанта навантаження знайдеться точка перетину напруги БСГ за зовнішньою характеристикою і струму збудження за регулювальною характеристикою, яка і буде робочою точкою БСГ на дане навантаження з певними значеннями напруги і струму збудження БСГ. Статичне відхилення напруги БСГ від номінального значення DU є при цьому одностороннім (тільки у бік зменшення при активно-індуктивному навантаженні) і визначається параметрами схеми стабілізації струму збудження: кількістю тактів випрямляння напруги БСГ - m, потолочним значенням напруги збудження - Ufm і величиною згладжуючи ємності - Сc. Кожному поєднанню цих параметрів будуть відповідати певні зовнішня і регулювальна характеристики БСГ. На фіг.3 приведений можливий варіант зовнішніх характеристик БСГ при використанні параметричного стабілізатора напруги синхронного генератора з контролером і спосіб управління напругою БСГ для підтримки відхилення напруги від номінального значення менше 0,25% Uн. На фіг.3 додатково позначене: - Ін - струм навантаження БСГ. Приклад конкретного виконання БСГ. Генератор. ОС і ОВ звичайного виконання. Збудник. Потужність - 5-6% потужності генератора. Його обмотки на статорі і роторі - трифазні. Обмотка статора живиться від обмотки генератора, напрям обертання магнітного поля зустрічне обертанню ротора. Обмотка ротора розраховується на напругу 200-250В (коефіцієнт форсировки » 10 ) і призначена для живлення обмотки збудження генератора через УВ. Трансформатор, що обертається. Потужність - 200-300Вт. Обмотки статора і ротора - трифазні. Обмотка статора живиться від обмотки генератора, напрям обертання магнітного поля зустрічне обертанню ротора. Обмотка ротора розраховуються на напругу 80-100В по схемі «зірка». Параметричний стабілізатор з контролером. Виконується по схемі, реалізуючий новий спосіб стабілізації напруги синхронного генератора [6]. Блок управління з центральним МП. Призначений для рішення задач вибору зовнішньої характеристики БСГ відповідно до умов роботи. Передача команд управління з центрального МП на К здійснюється за допомогою світлового каналу. Теоретичний аналіз, виконаний на математичній моделі БСГ з ПСН, показує, що БСГ, що заявляється потужністю, наприклад, від 30 до 50кВт має характеристики, показники і властивості, які приведені нижче в таблиці в порівнянні з такими ж показниками існуючих БСГ. Таблиця Характеристики, показники і властивості БСГ № Характеристики, показники і властивості Існуючі БСГ 1 Зовнішня характеристика Смуга 2 Якість напруги БСГ: - статична помилка, % UH - час відновлення при набросе навантаження, с ±(1,0-2,0) 0,3-0,5-0,6 БСГ, що заявляється Лінія (декілька), БСГ - нерегульований -0,25 0,08-0,10 - перерегулювання при набросе навантаження, % Uн - коливальні режимі (НАМ) 3 4 5 6 до+20 ні нормується ні потужність двигуна до потужність двигуна до Динамічна стійкість при пуску АД, % Рн БСГ 70% 100% Зрівняльні з'єднання потрібні не потрібні Кратність зміни частоти обертання (по регулюванню) -1,2 крат до 5 крат Види управління централізоване децентралізоване Теоретичні результати підтверджені експериментальними дослідженнями, виконаними на фізичній моделі БСГ з ПСН потужністю 2,5кВт. Характеристики, показники і властивості БСГ, що заявляється, представляють інтерес для традиційної електроенергетики, але особливо вони актуальні для автономних електроенергетичних систем (суднових, авіаційних, спеціальних), і для систем, працюючих в складних умовах експлуатації (вибухи, пожежі, агресивні середи і т.д.). Таким чином, БСГ, що заявляється забезпечує більш високу якість електроенергії, що виробляється, поліпшує стійкість режимів роботи, забезпечує розподіл реактивного навантаження без зрівняльних з'єднань, не має зовнішніх ланцюгів регулювання і дозволяє реалізувати децентралізоване управління генераторами в електроенергетичній системі. Джерела інформації: 1. Воскобович В.Ю. і інш. Електроенергетичні установки і силова електроніка транспортних засобів. /В.Ю. Воськобович. - Санкт-Петербург: «Элмор», 2001 з.384. 2. Коваленко В.П. Регулірованіє збудження і стійкість суднових синхронних генераторів./ В.П. Коваленко. - Л.: Суднобудування, 1976. з.270. 3. Кузенков В.Г. і інш. Нова бесщеточная система збудження синхронних генераторів./ В.Г. Кузенков- Л.: Збірник «Електросила», №35, 1983. 4. Ясаков Г.С. Корабельние електроенергетичні системи./ Г.С. Ясаков. - Санкт-Петербург: ВМА, 1999 з. 480. 5. Генераторі трифазного перемінного струму типа МСК. Технічний опис і інструкція по експлуатації. ОБН. 460.071. - Москва: Внешторгиздат, Изд. №5968 СО. 6. О. Олейников, О. Шоцький Спосіб параметричної стабілізації напруги синхронного генератора./ Заявка №2003065055 від 2.06.2003, рішення від 16.06.2003, вих. №270/2.