Пристрій для управління збудженням асинхронного генератора

Пристрій для управління збудженням асинхронного генератора, що містить конденсатори збудження, підключені до відповідних фаз якірної обмотки статора, а також додаткові конденсатори, підключені через комутуючий вузол із ключовими елементами, який відрізняється тим, що додатково містить систему незалежного керування клю 3 постійного струму і вказані керовані ключові елементи комутуючого вузла до групи відповідних додаткових конденсаторів. Недоліком цього пристрою є обмежені функціональні можливості і низька якість електроенергії, що живить навантаження. Він не забезпечує стабілізацію й симетрування трифазної системи напруги навантаження й вносить великі викривлення у форму вихідної напруги, особливо у широких діапазонах зміни величини навантаження. Даний пристрій вибрано у якості прототипу пристрою, що заявляється. В основу корисної моделі поставлене завдання вдосконалення пристрою для управління збудженням асинхронного генератора шляхом того, що система стабілізації вихідної напруги включає три датчики фазної напруги АГ та три блока визначення діючого (ефективного) значення вихідної напруги, три елементи порівняння, три релейні елементи (по одному на кожній фазі асинхронного генератора), три генератора керуючих імпульсів, що дозволяє забезпечити підвищення функціональних можливостей АГ шляхом покращення стабілізації вихідної напруги генератора при широких діапазонах зміни величини навантаження та забезпечення необхідної якості напруги. Згаданий технічний результат при реалізації корисної моделі досягається тим, що у відомий пристрій для збудження АГ, що містить конденсатори збудження, підключених до відповідних фаз якірної обмотки статора, а також додаткові конденсатори, підключених через комутуючий вузол з ключовими елементами згідно з корисною моделлю він додатково оснащений системою незалежного керування ключовими елементами кожної фази, трьома датчиками фазної напруги, трьома блоками визначення діючого (ефективного) значення вихідної напруги фаз АГ, трьома блоками визначення коефіцієнта несинусоїдальності напруги фаз, трьома релейними елементами. Корисна модель пояснюється кресленнями де на Фіг.1 приведена блок - схема заявленого пристрою для збудження АГ, на якій прийнятті позначення: 1 - асинхронний генератор; 2 - група основних конденсаторів; 3 - комутуючий вузол з ключовими елементами; 4 - група додаткових конденсаторів; 5 - навантаження на затискачах асинхронного генератора; 6, 7 та 8 - датчики фазної напруги асинхронного генератора; 9, 10 та 11 блоки визначення діючого значення вихідної напруги; 12, 13 та 14 - блоки визначення коефіцієнта несинусоїдальності; 15, 16 та 17 - елементи порівняння; 18, 19 та 20 - релейні елементи; 21, 22 та 23 - генератори керуючих імпульсів; на Фіг.2 наведена статична характеристика релейних елементів системи управління, на якій прийнятті позначення: UЗ - UГ - сигнал розузгодження між заданим і фактичним значеннями вихідної напруги, що поступає на вхід релейного елементу; Uупр - сигнал управління, формований на виході релейного елементу; Н - ширина зони гістерезису; на Фіг.3 наведена часова діаграма вихідної напруги фази асинхронного генератора, на якій прийнятті позначення: U(t) - сигнал вихідної напруги АГ; t0 - період роботи релейного елементу; t1 - інтервал часу при підклю 57561 4 ченій ємкості регулятора; t2 - інтервал часу при відключеній ємкості регулятора. Пристрій для управління збудженням АГ 1 з фазами А, В, С обмотки статора (Фіг.1), містить групу основних конденсаторів 2, підключених до фаз А, В, С якірної обмотки статора, а також групу додаткових конденсаторів 4 підключених через систему стабілізації вихідної напруги фаз якірної обмотки статора, що включає три датчика фазної напруги АГ 6, 7 та 8, три блоки визначення діючого значення вихідної напруги 9, 10 та 11, три блоки визначення коефіцієнта несинусоїдальності 12, 13 та 14, три елементи порівняння 15, 16 та 17, три релейні елементи (по одному на кожній фазі АГ) 18, 19 та 20, генератори керуючих імпульсів 21, 22 та 23 і комутуючий вузол з ключовими елементами 3, підключених до відповідних фаз А, В, С якірної обмотки статора АГ 1. Виходи блоків порівняння 15, 16, 17 та блоків визначення коефіцієнта несинусоїдальності 12, 13 та 14 підключені до релейних елементів 18, 19 та 20, а вихід останніх підключений до входів генераторів керуючих імпульсів 21, 22 та 23; виходи генераторів керуючих імпульсів 21, 22 та 23 підключені через комутуючий вузол з керованими ключовими елементами 4, до групи відповідних додаткових конденсаторів 3. Вхід датчиків фазної вихідної напруги 6, 7 та 8 підключений до кола АГ, а їхні виходи підключені до трьох блоків визначення діючого значення напруги 9, 10, 11 та трьох блоків визначення коефіцієнта несинусоїдальності напруги фаз АГ 12, 13 та 14. Комутуючий вузол з керованими ключовими елементами 4 виконаний у вигляді трифазного тиристорного регулятора, ключовими елементами в якому є тиристори, електроди яких, що управляють, приєднані до виходу системи управління, а вихід регулятора самого тиристора підключений до групи відповідних додаткових конденсаторів 3. Релейні елементи 18, 19 та 20 виконані у вигляді тригера Шмітта з можливістю регулювання величини ширини гістерезису. Тригер Шмітта використовується як електронний релейний елемент. Тригери Шмітта можуть бути зібрані на транзисторах, операційному підсилювачі, компараторі, а також на базі логічних схем. Статична характеристика елементів представлена на Фіг.2. Пристрій для управління збудження АГ 1 працює таким чином. Асинхронний генератор 1, до якірної обмотки статора якого підключена конденсаторна батареї початкового збудження 2 і вхід системи стабілізації вихідної напруги, на виході якої підключені додаткові конденсаторні батареї 4, приводиться у обертання за допомогою відповідного приводного двигуна (наприклад, машина постійного струму, двигун внутрішнього згорання або гідравлічний двигун). У початковий момент самозбудження АГ 1 намагнічуючий реактивний (індуктивний) струм, що утворює магнітний потік створюється конденсаторами 2, підключеними постійно до відповідних фаз А, В, С якірної обмотки статора. Первинний поштовх струму в якірній обмотці статора при самозбудженні виникає у результаті дії потоку залишкового намагнічення (або наведенням струму зовнішнім магнітним полем і флуктуацією електронів в ланцюзі якірної обмотки 5 статора), що призводить до виникнення коливань, які поволі затухають. Коли швидкість двигуна досягає номінальної, відбувається процес самозбудження АГ на початковій ємності конденсаторного збудження. У момент підключення навантаження до виходу генератора відбувається провал в амплітуді напруги, що генерується, або зрив самозбудження в результаті зміни параметрів резонансного контура самозбудження. Збудження генератора на холостому ходу забезпечує батарея збудливих конденсаторів, а стабілізація вихідної напруги здійснюється шляхом відповідного включення й відключення батареї додаткових конденсаторів. Регулювання процесом самозбудження АГ змінної напруги проводиться шляхом введення батареї ємностей в ланцюг статорної обмотки і виведення з неї шляхом вмикання і вимикання тиристорів трифазного регулятора. При підключенні навантаження до генератора відбувається падіння напруги в ланцюзі живлення навантаження, у цей момент відповідні імпульси, що подаються на тиристори, повинні відрегулювати в ланцюзі номінальну напругу, що виробляється, шляхом введення в ланцюг додаткової ємності що підключена до трифазного регулятора. Управління тиристорним регулятором здійснюється за принципом «увімкнено - вимкнено» шляхом подачі відмикаючих сигналів (увімкнено) і їх блокуванням (вимкнено). Управління здійснюється від трьох генераторів керуючих імпульсів 21, 22 та 23, що управляють, на тиристори трифазного регулятора 3 відповідної фази асинхронного генератора. Сигнали управління формуються релейними елементами 18, 19 та 20. У якості регулятора ємнісного струму збудження АГ використовується трифазний імпульсний перетворювач змінної напруги на базі тиристорних або транзисторних симетричних ключів змінного струму. Контроль вихідної напруги здійснюється аналоговим датчиком напруги (ДН). Виконання ДН стандартне. В якості датчиків фазної напруги використовуються трансформатори напруги. ДН застосовуються для перетворення високої напруги в пропорційну їй низьку стандартну напругу, зручну для вимірювання. У якості стабілізуючого параметра можуть бути обрані такі величини, як діючого значення напруг фаз статора, напруга першої гармоніки фази статора. Найбільше доцільно стабілізувати діюче значення напруги статора, тому що саме воно визначає величину загальної кількості тепла, що виділяється в обмотці й нагріває машину. Блок визначення діючого значення напруги 6 представляє собою одну з 19 базових структурних схем перетворювачів середньоквадратичного (діючого) значення напруги у класі елементарних функцій [Попков B.C., Желбанов И.Н. Измерение среднеквадратичного значения напряжения. - Г.: Энергоатомиздат, 1987. - 120 с.]. На виході блоків формується ефективне значення напруги UГ. Під терміном "якість електричної енергії" розуміється відповідність основних параметрів енерго 57561 6 системи встановленим нормам виробництва, передачі й розподіли електричної енергії. Забезпечення якості електроенергії на достатньому рівні - одне з головних завдань електроенергетики України. Кількісна характеристика якості електроенергії виражається відхиленнями напруги й частоти, розмахом коливань напруг і частоти, коефіцієнтом несинусоїдальності форми кривої напруги, коефіцієнтом несиметрії напруги основної частоти. Несиметричний режим роботи генераторів виникає при нерівномірному навантаженні фаз обмотки статора, а також при несиметричних коротких замиканнях. Несиметрія навантаження приводить до несиметрії струмів, напруг і потужностей у фазах генератора. При підключенні або зміні навантаження відбувається падіння напруги на виході системи, що є недопустимим. Сигнал на виході повинен завжди знаходитись в заданому діапазоні, який задається напругою UЗ. Релейна система управління на кожній фазі АГ реалізує наступний алгоритм: - фаза А:  C0  CрA , при UГ  UЗ  H , (1)  d(U  U ) З  C0  CрA , при UЗ  H  UГ  UЗ  H та  dt CA   C0 , при UГ  UЗ  H d(UЗ  UГ )  C , при U  H  U  U  H та 0 0 З Г З  dt  Г 0 - фаза В:  C0  CрB, при UГ  UЗ  H  d(UЗ  UГ ) C0  CрB , при UЗ  H  UГ  UЗ  H та 0  dt CB   C0 , при UГ  UЗ  H C , при U  H  U  U  H та d(UЗ  UГ )  0 З Г З  0 dt  , (2) - фаза С:  C0  CрC, при UГ  UЗ  H  d(UЗ  UГ ) C0  CрC, при UЗ  H  UГ  UЗ  H та 0  dt CC   C0 , при UГ  UЗ  H C , при U  H  U  U  H та d(UЗ  UГ )  0 З Г З  0 dt  , (3) де C0 - основна ємкість (ємкість збудження), Срп - додаткова ємкість відповідної n фази АГ (ємкість регулятора), Сп - загальна ємкість, що підключається до затисків відповідної n фази АГ, Н ширина зони гістерезису. Несинусоїдальность напруги характеризується коефіцієнтом несинусоїдальності кривої напруги, який визначається відношенням діючого значення напруги до діючого значення напруги основної гармоніки:   Ui2 kU  i2 U1 2 U    e  1 U   1 , (4) де Ue, Ui, U1 - діюче значення напруги в системі, діюче значення напруги основної і вищих гармонік відповідно. Коефіцієнт несинусоїдальності напруги не повинен перевищувати 5 % на затисках будь-якого приймача електроенергії. Виконання блоків вимірювання коефіцієнта несинусоїдальності стандартне. У якості блоків вимірювання коефіцієнта несинусоїдальності використовуються вимірювачі нелінійних спотворень. 7 57561 Особливість вихідної напруги U(t) у тому, що при t1t0 частота напруги живлення дорівнює  K 1 , а при t0tt1, частота K 2 . Випадок зміни частоти від періоду до періоду сигналу носить назву маніпуляції частоти. У простому випадку гармонійний склад напруги можна визначити таким шляхом. На початку визначається розкладання в ряд Фур'є огинаючої кривої Um ( t ) . Математична модель такого сигналу може бути апроксимована тригонометричною сумою гармонійних складових, у межі нескінченної: Um ( t )  m  (am cos(mt )  bm sin(mt )) m1 , (5) де am, bm - коефіцієнти розкладання в ряд Фу1 р'є;  - базова частота, 2  t 0. Таким чином, отримаємо вихідну напругу генератора у формі виразу: m Um ( t )  UC  cos(K  t )  (am cos(mt )  bm sin(mt )). m 1 (6) Перетворивши вираз, отримаємо залежність: U( t )  m  UC m 1 ma  cos((m  )t )  m  UC m 1 mb  sin(( m  )t ) , (7) UCma , UCmb де - амплітуди складових напруги. Діаграма вихідної напруги генератора при релейному управлінні представлена на Фіг.3. Період роботи релейного елементу є змінною величиною, залежною від таких параметрів як величина ширини зони гістерезису, величини додаткових місткостях, величини і виду навантаження, вихідна напруга генератора залежить від співвідношень t1 + t2 = t0 . Форма вихідної напруги визначається поряд складових з частотами m   . Це певним чином впливає на характеристики асинхронного генератора і споживачів. На вході елементів порівняння відбувається порівняння сигналу UГ з блока визначення діючого значення вихідної напруги з заданою напругою UЗ. Сигнал розузгодження UЗ-UГ з елемента порівняння подається на другий вхід, а сигнал kU з блока визначення коефіцієнта несинусоїдальності - на перший вхід релейного елемента. 1) За виконання умов UГ  UЗ  H або U З d(UЗ  UГ )  0, dt H0,05 відбувається зменшення величини ширини зони гістерезису. У зворотному випадку kU  0,05 величина ширини зони гістерезису підтримується постійною. Для формування імпульсів на відпирання використовуються генератори імпульсів 18, 20, 22, окремий для кожної тиристорної групи. Генератор імпульсів керування регулятором структурно являє собою систему імпульсно-фазового керування, що генерує імпульси відмикання з постійним кутом відмикання, який дорівнює =0°. На вхід генераторів імпульсів подається сигнал з релейних елементів. При наявності сигналу, на виході генераторів імпульсів формуються неперервні прямокутні імпульси. В разі відсутності імпульсів з релейного елемента, сигнали на виході генераторів імпульсів відсутні, тиристори регулятора переходять у стан „закритий". Періодично вмикаючи і вимикаючи робочу ємність, ми отримуємо напругу деякої форми, яка змінюється в заданому діапазоні. Сучасна мікропроцесорна техніка дозволяє реалізовувати закони управління практично будьякої складності. Алгоритм функціонування пристрою управління системи, що реалізує розроблений релейний спосіб стабілізації вихідної напруги джерела живлення на основі АГ може бути реалізований, наприклад, на одному із найпростіших логічних мікроконтролерів - на мікроконтролері компанії Siemens LOGO Basic, який володіє всіма можливостями сучасних контролерів, а саме надає можливість реалізації алгоритму логічного і безперервного управління. При виборі датчиків напруги можна зупинитись на датчиках фірми LEM серії CV - датчики напруги, які задовольняють всім поставленим перед системою вимогам. При створенні і використанні системи: - підвищуються функціональні можливості застосування АГ; - розширюються межі застосування автономних джерел електроенергії на базі АГ; - підвищуються енергетичні і регулювальні характеристики установок аварійного електроживлення. або UЗ-H