Устройство управления возбуждением асинхронизированной электрической машины

Полезная модель обеспечивает универсальность управления возбуждением асинхронизированных электрических машин (АС-машин) с различными системами роторных обмоток и содержит подключенные к системной магистрали блок цифровой обработки и интерфейсный блок, снабженный выходами, предназначенными для подключения к управляющим входам возбудителей роторных обмоток, информационными входами - для подключения к датчикам токов в роторных обмотках, углового положения ротора, опорного сигнала, активной мощности и напряжения статора, установочным входом - для ввода данных, при этом интерфейсный блок выполнен с возможностью сопряжения с сигналами указанных датчиков и формирования сигналов управления возбудителями роторных обмоток из сигналов, поступающих по системной магистрали от блока цифровой обработки, который выполнен с возможностью формирования регулирующих воздействий на две ортогональные составляющие поля возбуждения ротора и преобразования указанных регулирующих воздействий в эквивалентные воздействия на токи роторных обмоток, угол сдвига и электрические параметры которых соответствуют данным, введенным по установочному входу. Развития и уточнения полезной модели предусматривают выполнение блока цифровой обработки: - с возможностью промежуточного преобразования указанных регулирующих воздействий в воздействия на токи эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами; - с возможностью интегрирования взвешенной разности токов в роторных обмотках или вычисленных токов эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами при формировании регулирующего воздействия на одну из ортогональных составляющих поля возбуждения ротора; - с возможностью ограничения на неравных уровнях максимальных напряжений на роторных обмотках и максимальных токов в них. 4 з.п.ф., 1 ил.

Область техники

Полезная модель относится к области электротехники и, в частности, к устройствам для управления возбуждением электрических машин (генераторов и компенсаторов). При наличии, по меньшей мере, двух роторных обмоток, сдвинутых относительно друг друга по окружности ротора на некоторый угол , может осуществляться продольно-поперечное возбуждение машины, управление которым позволяет регулировать активную и реактивную мощности (электромагнитный момент и напряжение) статора. Генераторы и компенсаторы с парой сдвинутых на угол роторных обмоток в отличие от синхронных электромашин (имеющих одну роторную обмотку) получили название асинхронизированных (АС-машины). Они используются для повышения статической и динамической устойчивости энергосистем.

Уровень техники

В случае ортогонального расположения роторных обмоток (=90°) и равенства их электрические параметров управление возбуждением АС-машин осуществляется наиболее просто. Однако, выполнение пары роторных обмоток, сдвинутых на угол 90° и/или имеющих неравные электрические параметры, дает конструктивные и технологические преимущества АС-машине. Это создает потребность в устройстве управления возбуждением, универсальном по отношению к углу сдвига и электрическим параметрам роторных обмоток.

Известно устройство управления возбуждением АС-машины, выполненное с возможностью формирования регулирующих воздействий на две ортогональные составляющие поля возбуждения ротора и преобразования сформированных регулирующих воздействий в воздействия

на токи пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами. [1]. Устройство [1] снабжено выходами для подключения к управляющим входам возбудителей роторных обмоток и информационными входами для подключения к датчикам токов в роторных обмотках, углового положения ротора, опорного сигнала, активной мощности и напряжения статора. Регулирующие воздействия формируются по сигналам с указанных датчиков и обеспечивают независимое регулирование электромагнитного момента (активной мощности) и напряжения (реактивной мощности) АС-машины, имеющей пару ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами.

Недостаток известного устройства - оно не универсально в отношении систем роторных обмоток, поскольку в случаях неортогонального расположения обмоток и/или неравенства их электрических параметров не обеспечивает независимое регулирование активной и реактивной мощностей АС-машины.

Сущность полезной модели

Задача полезной модели - сохранив возможности прототипа в отношении АС-машин с ортогональным расположением роторных обмоток с равными электрическими параметрами, обеспечить независимость регулирования активной и реактивной мощностей АС-машин с роторными обмотками, расположенными неортогонально и/или имеющими неравные электрические параметры.

Технический результат состоит в универсальности устройства, т.к. предлагаемая полезная модель способна управлять возбуждением АС-машин с разными системами роторных обмоток, характеризующимися различными соотношениями электрических параметров обмоток и различными значениями угла .

Предметом полезной модели является устройство управления возбуждением асинхронизированной электрической машины с парой роторных обмоток, смещенных относительно друг друга на угол сдвига,

содержащее подключенные к системной магистрали блок цифровой обработки и интерфейсный блок, снабженный выходами, предназначенными для подключения к управляющим входам возбудителей роторных обмоток, информационными входами - для подключения к датчикам токов в роторных обмотках, углового положения ротора, опорного сигнала, активной мощности и напряжения статора, установочным входом - для ввода данных, при этом интерфейсный блок выполнен с возможностью сопряжения с сигналами указанных датчиков и формирования сигналов управления возбудителями роторных обмоток из сигналов, поступающих по системной магистрали от блока цифровой обработки, который выполнен с возможностью формирования регулирующих воздействий на две ортогональные составляющие поля возбуждения ротора и преобразования указанных регулирующих воздействий в эквивалентные воздействия на токи роторных обмоток, угол сдвига и электрические параметры которых соответствуют данным, введенным по установочному входу.

Это позволяет решить поставленную задачу и получить указанный выше технический результат.

Развития и уточнения полезной модели предусматривают:

- выполнение блока цифровой обработки с возможностью интегрирования взвешенной разности токов в роторных обмотках при формировании регулирующего воздействия на одну из ортогональных составляющих поля возбуждения ротора;

- выполнение блока цифровой обработки с возможностью промежуточного преобразования указанных регулирующих воздействий в воздействия на токи эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами;

- выполнение блока цифровой обработки с возможностью вычисления токов эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток и интегрирования взвешенной разности вычисленных токов при формировании регулирующего воздействия на одну из ортогональных составляющих поля возбуждения ротора;

- выполнение блока цифровой обработки с возможностью ограничения на неравных уровнях максимальных напряжений на роторных обмотках и максимальных токов в них.

Осуществление полезной модели

Фиг.1 иллюстрирует пример осуществления полезной модели с учетом ее развитии и уточнений. На фиг.1 показаны:

- пара 1 роторных обмоток асинхронизированной электрической машины, смещенных по окружности ротора на угол ;

- возбудители 2, питающие роторные обмотки;

- системная магистраль (общая шина) 3;

- блок 4 цифровой обработки, подключенный к общей шине 3;

- соединенный с шиной 3 интерфейсный блок 5, выходы 6 которого подключены к управляющим входам возбудителей 2, питающих роторные обмотки;

- информационные входы 7 блока 5, подключенные к датчикам 8 токов i _a и i_b, в роторных обмотках пары 1;

- информационный вход 9 блока 5, подключенный к датчику 10 углового положения ротора;

- информационные входы 11, 12 и 13 блока 5, подключенные к датчикам опорного сигнала ₀, активной мощности P _ст и напряжения U_ст статора асинхронизированной электрической машины соответственно (эти датчики на фиг.1 не показаны);

- установочный вход 14 блока 5, предназначенный для ввода данных.

Кроме того, фиг.1 иллюстрирует на функциональном уровне работу программируемого блока 4 (он выполняет функцию двухканального автоматического регулятора) и содержит:

- блоки 15 и 16 формирования воздействий u_y и u_x, регулирующих активную мощность (электромагнитный момент) и реактивную мощность (напряжение) соответственно;

- двухканальный блок 17 промежуточного преобразования регулирующих воздействий u_y и u_x в воздействия u_d и u_q на токи эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами;

- двухканальный блок 18 преобразования управляющих воздействий u _d и u_q в сигналы u _a и u_b управления возбуждением;

- двухканальный блок 19 ограничения токов и напряжений возбуждения;

- блок 20 выбора режима работы;

- двухканальный блок 21 преобразования значений токов i_a и i _b, измеряемых датчиками 8, в значения токов i _d и i_q эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами.

Устройство работает следующим образом.

На входы 7, 9, 11, 12 и 13 блока 5 поступают аналоговые сигналы соответствующих датчиков токов i_a и i_b в роторных обмотках, углового положения ротора, опорного сигнала ₀, активной мощности P _ст статора, напряжения U_ст статора. Блок 5 осуществляет сопряжение с сигналами, поступающими от датчиков, включая аналого-цифровое преобразование и выдает цифровые значения соответствующих сигналов через магистраль 3 в блок 4.

Блок 4, обрабатывает полученные цифровые значения в соответствии с запрограммированными функциями двухканального автоматического регулятора, константы и параметры которого соответствуют введенным по входу 14 данным. Результаты цифровой обработки блок 4 выдает через магистраль 3 в блок 5, который формирует (например, с использованием цифро-аналогового преобразования) на выходах 6 соответствующие сигналы управления возбудителями 2.

По входу 14, в частности, задаются уставки регулирования Р₀, U ₀, и параметры , x_а и x_b пары 1, где x_а и x_b индуктивные сопротивления рассеяния соответствующих обмоток возбуждения.

Блок 4 выполняет функции двухканального автоматического регулятора следующим образом.

Формирование управляющего воздействия u_y по каналу регулирования активной мощности Р осуществляет блок 15, обрабатывающий значение Р _ст,

значение , формируемое в блоке 17, и значение , формируемое в блоке 20. При этом u_y формируется в виде суммы:

где - угловое положение ротора в системе координат, связанной с фазой опорного сигнала ₀; s - значение скольжения, вычисляемое как производная от величины по времени, а значения коэффициентов k ₁, k₂, k₃ регулирования активной мощности могут быть запрограммированы или введены по входу 14.

Формирование управляющего воздействия u _x по каналу регулирования реактивной мощности осуществляет блок 16, обрабатывающий значения U₀ и U _ст в соответствии с операторным выражением, включающим пропорциональную, интегральную и дифференциальную части:

где p - оператор, k₄, k₅, k₆ - программируемые или вводимые по входу 14 коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих выражения (2), некоторые из которых в частных случаях могут быть равны нулю.

Как видно из выражений (1) и (2), сформированные управляющие воздействия u_y и u_x не зависят друг от друга.

Функциональный блок 17 формирует значение =-₀, где цифровое значение сигнала с датчика 10, а ₀ соответствует фазе опорного сигнала ₀, поступающего на вход 11. Затем в блоке 17 система воздействий u_y и u _x преобразуется в эквивалентную ортогональную систему воздействий u_d и u_q по формулам:

u_d=-u_xsin+u_ycos;

u_q=-u_x cos+u_ysin.

Функциональный блок 18 преобразует систему воздействий u_d и u_q в цифровые значения сигналов u_a и u _b управления возбуждением, которые соответствуют требуемым токам роторных обмоток, по формулам:

u_a =u_d·cos-u_q·sin;

u_b=u_d ·cos(-)+u_q·sin(-),

где - угол, вычисленный в блоке 21 по формуле

В блоке 20 формируется величина , представляющая собой интегральную часть пропорционально-интегрального управляющего воздействия u_y на выходе блока 15. В отличие от прототипа, где аналогичная составляющая формируется в результате интегрирования разности измеряемых токов i _a и i_b, (благодаря чему разность этих токов в установившемся режиме близка к нулю), в предлагаемом устройстве величина формируется в результате интегрирования взвешенной разности измеряемых токов i_a и i _b. или токов i_d и i _q, которые вычисляются в блоке 21.

Выбор одного из двух указанных вариантов формирования в зависимости от типа возбуждаемой АС-машины осуществляется путем ввода соответствующей константы С_вар по входу 14.

При формировании по первому варианту блок 20 интегрирует взвешенную разность измеряемых токов i_a и i _b по следующему операторному выражению:

Коэффициенты k₇, и k ₈ вводятся по входу 14 или программируются, а значения измеряемых токов i_a и i _b поступают в устройство с датчиков 8 по входам 7.

Коэффициент k₇ является параметром регулирования, а коэффициент k₈ определяет соотношение токов в установившемся режиме (когда взвешенная разность токов стремится к нулю) и выбирается равным 1 в случае идентичности роторных обмоток.

Разница токов в роторных обмотках (требуемая, например, из-за неравенства номинальных токов обмоток или потерь в них) может быть обеспечена и при втором варианте формирования величины .

При формировании по второму варианту блок 20 интегрирует взвешенную разность вычисленных в блоке 21 токов i_d и i _q в соответствии с выражением:

Коэффициенты k₉ и k ₁₀ вводятся по входу 14 или программируются. При этом коэффициент k₁₀ (как и k₈) определяет соотношение токов в установившемся режиме, a k ₉ является параметром регулирования.

Значения токов i_d и i_q, обрабатываемые блоком 20, вычисляются в блоке 21 с использованием значений измеряемых датчиками 8 токов i_a и i _b, по формулам:

i_d=i _a·cos+i_b·cos(-);

i_q=-i_a ·sin+i_b·sin(-).

Сформированное описанным образом по значениям вычисленных токов i_d и i _q воздействие поддерживает соответствующее соотношение токов i _a и i_b, протекающих в роторных обмотках в установившемся режиме.

Блок 19 обеспечивает двухканальное ограничение токов i_a и i _b и напряжений на роторных обмотках на уровнях, задаваемых раздельно для каждого канала. При этом в каждом канале измеренный ток i_a (i_b), соответствующий значению u_a (u_b), полученному в блоке 18, сравнивается с максимальным для данного канала значением тока i_амах (i _bмаx), которое задается при программировании или вводится по входу 14. Величина, соответствующая превышению тока над максимальным значением, умноженная на задаваемый для каждого канала коэффициент, вычитается из величины u_a (u _b), а полученная разность, представляющая собой значение напряжения на соответствующей обмотке, ограничивается сверху на уровне U_amax (U_bmax ), задаваемой отдельно для каждой роторной обмотки.

Ограниченные описанным образом цифровые значения u_ao и u_bo, соответствуют токам роторных обмоток, задаваемым блоком 4, выполняющим функцию автоматического регулятора. Значения u_ao и u_bo передаются через общую шину 3 в блок 5, где преобразуются в соответствующие сигналы на выходах 6 управления возбудителями 3.

Как видно из изложенного, заявленное устройство способно обеспечить управление возбуждением практически любой АС-машины, пара роторных обмоток которой соответствует введенным данным. Это доказывает, что заявленной полезной моделью достигается указанный выше технический результат. А именно: устройство универсально по отношению к парам роторных обмоток, характеризующимися различными значениями угла и различными (в том числе равными) электрическими параметрами обмоток.

Источники информации

1. И.А.Лабунец, А.П.Лохматов, Ю.Г.Шакарян. Режимы работы, статические и динамические характеристики асинхронизированных турбогенераторов. Изд. АН УССР, Киев, 1987. стр.17-18, рис.5.

1. Устройство управления возбуждением асинхронизированной электрической машины с парой роторных обмоток, смещенных относительно друг друга на угол сдвига, содержащее подключенные к системной магистрали блок цифровой обработки и интерфейсный блок, снабженный выходами, предназначенными для подключения к управляющим входам возбудителей роторных обмоток, информационными входами - для подключения к датчикам токов в роторных обмотках, углового положения ротора, опорного сигнала, активной мощности и напряжения статора, установочным входом - для ввода данных, при этом интерфейсный блок выполнен с возможностью сопряжения с сигналами указанных датчиков и формирования сигналов управления возбудителями роторных обмоток из сигналов, поступающих по системной магистрали от блока цифровой обработки, который выполнен с возможностью формирования регулирующих воздействий на две ортогональные составляющие поля возбуждения ротора и преобразования указанных регулирующих воздействий в эквивалентные воздействия на токи роторных обмоток, угол сдвига и электрические параметры которых соответствуют данным, введенным по установочному входу.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем блок цифровой обработки выполнен с возможностью интегрирования взвешенной разности токов в роторных обмотках при формировании регулирующего воздействия на одну из ортогональных составляющих поля возбуждения ротора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем блок цифровой обработки выполнен с возможностью промежуточного преобразования указанных регулирующих воздействий в воздействия на токи эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток с равными электрическими параметрами.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в нем блок цифровой обработки выполнен с возможностью вычисления токов эквивалентной пары ортогонально расположенных роторных обмоток и интегрирования взвешенной разности вычисленных токов при формировании регулирующего воздействия на одну из ортогональных составляющих поля возбуждения ротора.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем блок цифровой обработки выполнен с возможностью ограничения на неравных уровнях максимальных напряжений на роторных обмотках и максимальных токов в них.