Безщітковий синхронний генератор

1. Безщітковий синхронний генератор, що містить на статорі обмотку генератора й обмотку збудження збудника, на роторі обмотку збудження генератора й силову обмотку збудника і автоматичний регулятор напруги, елементи якого розміщені в щиті керування, на статорі й у роторі, який відрі 3 дорівнює 0, (йде безперервне розфорсування). Граничне значення напруги, що подається на обмотку збудження БСГ Ufm визначається конструктивними й розрахунковими параметрами збудника й прийнято стосовно напруги збудження холостого ходу рівним ≈5 в. о. Як відомо, будь-який вимірювальний елемент напруги має зону нечутливості, що позначається ε [2], а посилення, перетворення й передача сигналу керування в схемі АРН БСГ супроводжується проявом різних нелінійностей, які помітно розширюють цю зону. У середньому зона нечутливості БСГ становить ε=0,01...0...0,02 (1...2% Uн) і як наслідок всі існуючі БСГ (у тому числі серії СБГ) мають зовнішню характеристику у вигляді смуги шириною 2ε. На практиці це означає, що для БСГ із номінальною лінійною напругою, (наприклад, Uн=400 В) і помилкою регулювання δ=±1,5% від Uн поточне значення напруги вироблюване генератором змінюється від 394 В до 406 В, що відповідно до діючих нормативних документів вважається нормальним. Спроби зменшити ширину смуги зовнішньої характеристики приводять, як правило, до появи низькочастотної амплітудної модуляції (НАМ) напруги БСГ, що послужило приводом для прийняття в нормуючих документах (наприклад, [7]) норми за НАМ напруги БСГ. Важливо відзначити також, що в режимах паралельної роботи БСГ пропорційний розподіл реактивного навантаження вимагає застосування зрівнювальних з'єднань та інших додаткових пристроїв [1, 2], що стримує розвиток систем керування СГ у напрямку повної автоматизації електроенергетичних систем, а це особливо актуально й для автономних суднових систем. У динамічних режимах роботи систем з такими АРН (при накиданні порівнянного навантаження) через наявність зони нечутливості вимірювальних елементів має місце перерегулювання напруги БСГ при його відновленні [4], величина якого може досягати до +20% Uн [5], що досить негативно позначається на роботі споживачів, а при кількаразовому повторенні може призвести до пробою ізоляції одного зі споживачів, а в окремих випадках - до аварії в системі. У цілому існуючі БСГ мають наступні недоліки, пов'язані з їхнім компонуванням та роботою систем АРН: 1. Складність реалізації схем БСГ із ОТП у роторі; 2. Недостатньо висока якість напруги, у тому числі: - зовнішня характеристика БСГ є досить широкою смугою; - статична помилка регулювання напруги становить δ=±(1,0-2,0) % Uн; - час відновлення напруги при накиданні номінального навантаження становить tв≈0,3-1 с;- прямий пуск асинхронного двигуна можливий при його потужності двигуна до 40 % від потужності БСГ; - перерегулювання напруги СГ при накиданні номінального навантаження досягає + 20% Uн. 3. Схильність до коливальних режимів; 4. Негативний вплив на статичну стійкість режимів роботи [2, 4]; 46797 4 5. Необхідність у зрівнювальних з'єднаннях та додаткових пристроях для розподілу реактивного навантаження в режимах паралельної роботи. В основу корисної моделі поставлено завдання вдосконалення БСГ шляхом використання й розміщення у роторі інтегрального стабілізатора напруги (ІСН) синхронного генератора [6], передачі у ротор не сигналу керування, а напруги статора БСГ за допомогою керованого кільцевого трансформатора, що дозволить підвищити якість вироблюваної електроенергії, зберегти БСГ за фізичними властивостями нерегульованим, та створити повністю автоматично керований БСГ нового покоління без зовнішніх ланцюгів регулювання з децентралізованим керуванням. Особливо це актуально для суднових систем, де згідно Російського морського регістра судноплавства [7] уже близько 50 років, незважаючи на появу у світовій практиці нових регуляторів напруги БСГ із помилкою δ=±1% Uн, зберігається норма за статичною помилкою регулювання напруги δ=±2,5% Uн, смуга зовнішньої характеристики становить при цьому 20 В, від 410 до 390 В. Сутність корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 зображено нове компонування БСГ, на Фіг.2 - принцип роботи ІСН БСГ, на Фіг.3 - перехідний процес накидання номінального навантаження й скидання 50% навантаження на пропонований БСГ із відносною зміною опорної напруги ІСН та пульсацій випрямленої напруги БСГ. У компонуванні БСГ (див. Фіг.1) передбачається керований кільцевий трансформатор (ККТ) з некерованим випрямлювачем (НВ), на виході якого у роторі одержують пульсації випрямленої напруги БСГ, пропорційні поточному значенню його напруги. Зміна величини напруги БСГ, переданої у ротор, здійснюється за допомогою обмотки підмагнічування (ОП) статора ККТ. Завдяки такому компонуванню у ротор БСГ передається не сигнал керування, а керована напруга статора генератора. Там же у роторі БСГ розміщуються керований випрямляч (KB) і в спеціальному капсульованому контейнері у торчаку вала, для зручності обслуговування - ІСН. Для керування БСГ в експлуатаційних режимах на статорі встановлюють блок керування (БК) з мікроконтролером (МК). За допомогою ОП статора ККТ, випрямлену у роторі напругу БСГ змінюють стосовно заданої опорної напруги ІСН (див. Фіг.2), і керують величиною струму збудження і, отже, параметрами БСГ в експлуатаційних режимах роботи. На Фіг.1 позначено: - ОС і ОЗ - трифазна обмотка статора й обмотка збудження генератора; - ОЗЗ і ОРЗ - обмотка збудження й обмотка ротора збудника; - ОСТ і ОРТ - трифазні обмотки статора й ротора ККТ. - ОП - обмотка підмагнічування статора ККТ. Тимчасові діаграми роботи ІСН БСГ при частоті вихідної роторної обмотки ККТ 50Гц і зрівнянні керованих пульсацій випрямленої напруги БСГ із опорною напругою ІСН показані на Фіг.2. у двох режимах роботи: 5 а. - холостий хід БСГ; б. - робота БСГ під навантаженням. На Фіг.2 позначено: амплітуда напруги БСГ Ua; статична помилка стабілізації напруги БСГ U; пульсації випрямленої напруги БСГ передані у ротор - Uп; задана опорна напруга ІСН - Uоп; граничне значення напруги живлення обмотки збудження - Ufm ; період подачі імпульсів на обмотку збудження - Ти; ширина імпульсів, що подаються на обмотку збудження - i та струм збудження - If. У статичних режимах при незначній зміні напруги БСГ ширина імпульсів - i, що подаються на обмотку збудження, змінюється, що забезпечує стабілізацію напруги БСГ із невеликою однобічною статичною помилкою, порядку - (0,5...1) % Uн, при реальних значеннях граничної напруги живлення обмотки збудження близько 10 в. о. 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 за будь-яких причин струм збудження зростає, при збільшенні напруги БСГ струм збудження зменшується. Для будь-якого значення навантаження завжди є точка, обумовлена значеннями напруги БСГ за зовнішньою характеристикою та струму збудження за регулювальною характеристикою, яка і є робочою точкою БСГ. Статичне відхилення напруги БСГ AU від номінального значення є при цьому однобічним (тільки убік зменшення при активно-індуктивному навантаженні) і, при відсутності керування визначається параметрами ІСН - кількістю тактів випрямлення m напруги БСГ і граничним значенням напруги збудження Ufm . Наприклад, при m=12 і Ufm =12 в. о. однобічна помилка регулювання напруги БСГ становить 0,87% Uн (-3,5 В для БСГ з номінальною напругою 400 В). На Фіг.3 зведено результати розрахунку на математичній моделі перехідного процесу накидання 100% та зняття 50% навантаження на БСГ потужністю 100кВт з ІСН. Для забезпечення статичної помилки регулювання напруги БСГ у межах 0,2...0,5% Uн, змінювалося положення пульсацій напруги СГ переданих у ротор щодо опорної напруги ІСН. Граничне значення напруги збудження 46797 6 прийнято рівним 10 в. о., яке на графіку Фіг.3 виведено зменшеним у 25 разів, для наочності. Аналогічно зменшено значення струму збудження в 0,1. Як видно на графіку, час відновлення напруги БСГ при накиданні 100% навантаження дорівнює 0,12 с, а при знятті 50% навантаження він становить 0,17 с, що приблизно в 7...8 разів краще, ніж в існуючих генераторів. Підкреслимо, що статична помилка регулювання напруги за рахунок керування може бути доведена до нуля. На Фіг.3 додатково позначено - Іm - струм навантаження БСГ. Приклад конкретного виконання БСГ. Генератор. ОС і ОЗ звичайного виконання. Збудник. Потужність - 5-6% потужності генератора. Його обмотки на статорі й роторі - трифазні. Обмотка статора живиться від обмотки статора генератора, напрямок обертання магнітного поля цієї обмотки зустрічний до напрямку обертання ротора. Обмотка ротора збудника розраховується на напругу 200-250 В при коефіцієнті форсування ≈10 і призначена для живлення обмотки збудження генератора через KB. Керований кільцевий трансформатор з обмоткою підмагнічування статора. Потужність - 200300Вт. Обмотки статора й ротора - також трифазні. Обмотка статора живиться від обмотки статора генератора, напрямок обертання магнітного поля цієї обмотки також зустрічний обертанню ротора. Обмотка ротора розраховуються на напругу 80100 В при схемі з'єднання фаз в «зірку». Обмотка підмагнічування статора живиться від БК за законом, що забезпечує необхідну підтримку параметрів. Інтегральний стабілізатор напруги виконується за схемою, що реалізує новий спосіб стабілізації напруги БСГ [6]. Блок керування з МК, призначений для рішення завдань вибору зовнішньої характеристики БСГ відповідно до умов роботи. Керування із МК на обмотку статора ККТ виконано за допомогою обмотки підмагнічування. Теоретичний аналіз, виконаний на математичній моделі БСГ із ІСН, показує, що БСГ, який заявляється потужністю, наприклад, від 30 до 50кВт має характеристики, показники й властивості, які наведені нижче в таблиці у порівнянні з такими ж характеристиками, показниками й властивостями існуючих БСГ. 7 46797 8 Таблиця Характеристики, показники й властивості БСГ № 1 2 3 Характеристики, показники й властивості Зовнішня характеристика Якість напруги БСГ: - статична помилка, % Uн - час відновлення при накиданні навантаження, з - перерегулювання при накиданні навантаження, % Існуючі БСГ БСГ, що заявляється Смуга Лінія (трохи) ±(1,0...2,5) -0...0,25 0,3-0,5-0,6 0,08-0,10 до+ 20 немає Uн - коливальність (НАМ) Динамічна стійкість при пуску АД, % Рн БСГ нормується немає до 40% до 100% Теоретичні результати підтверджені експериментом, виконаним на фізичній моделі БСГ із ІСН потужністю 2,5кВт. Характеристики, показники й властивості БСГ, що заявляється становлять інтерес для традиційної електроенергетики, але особливо вони актуальні для автономних електроенергетичних систем (суднових, авіаційних, спеціальних), і для систем, що працюють у складних умовах експлуатації (вибухи, пожежі, агресивні середовища й т.д.). Таким чином, БСГ, що заявляється забезпечує вищу якість вироблюваної електроенергії, поліпшує динамічну стійкість режимів роботи, не має зовнішніх ланцюгів регулювання й дозволяє реалізувати автоматичне децентралізоване керування генераторами в електроенергетичній системі. Джерела інформації: 1. Воскобович В.Ю. и др. Электроэнергетические установки и силовая электроника транспортных средств. /В.Ю. Воскобович.- Санкт-Петербург: «Элмор», 2001 384с. 2. Коваленко В.П. Регулирование возбуждения и устойчивость судовых синхронных генераторов. /В.П. Коваленко.- Л.: Судостроение, 1976. 270с. 3. Кузенков В.Г. Новая бесщеточная система возбуждения синхронних генераторов. /В.Г. Кузенков - Л.: Сборник «Электросила», №35, 1983. 4. Ясаков Г.С. Корабельные электроэнергетические системы. /Г.С. Ясаков.- Санкт-Петербург: ВМА, 1999 480с. 5. Генераторы трехфазного переменного тока типа МСК. ОБН. 460.071. Москва: Внешторгиздат, Изд. №5968 СО. 6. Олейников A.M., Шоцкий А.Н. Параметрическая стабилизация напряжения синхронного генератора. Материалы международной научнотехнической конференции 1-4 октября 2003 года г. Севастополь, Украина. 7. Правила классификации и постройки морских судов. Российский морской регистр судоходства. - С-Пб.; Регистр России, 2003 620с. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 46797 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601