- поддержание напряжения на выводах синхронного генератора в соответствии с заданным статизмом и с заданной точностью;
- устойчивость регулирования во всем диапазоне режимов работы генератора, включая резкопеременные режимы вплоть до набросов нагрузки, вызванных одновременным включением асинхронных двигателей общей мощностью до 30% номинальной мощности генератора;
- форсирование возбуждения при авариях в энергосистеме, вызывающих снижение напряжения на шинах генератора относительно заданной статической характеристики;
- программное начальное возбуждение синхронного генератора при пуске;
- устойчивое распределение реактивной мощности между однотипными генераторами, объединенными на уровне генераторного напряжения, без использования группового регулирования или поперечных уравнительных связей;
Функциональная схема регулятора АРН
- местное и дистанционное изменение уставки регулятора со скоростью 0.5%/с в диапазоне от 80 до 110% номинального напряжения генератора;
- ограничение минимального тока возбуждения величиной, не допускающей переход генератора в режим глубокого потребления реактивной мощности;
- независимость напряжения на выводах генератора от частоты в диапазоне от 45 Гц и выше с пропорциональным уменьшением напряжения при снижении частоты ниже 45 Гц.
В состав АРН входят измерительный и операционный блоки. Измерительный блок формирует аналоговые сигналы, пропорциональные напряжению и реактивной составляющей тока статора. Эти сигналы поступают на вход операционного блока, формирующего сигнал управления в соответствии с принятым законом регулирования.
Для бесщеточных систем возбуждения регулятор АРН дополняется датчиком тока ротора и блоком обратной связи (рис. 4.15). Датчик тока ротора, воспроизводящий векторную диаграмму Потье, имеет на выходе аналоговый сигнал, пропорциональный току ротора. Для повышения быстродействия диодной бесщеточной системы возбуждения в АРН предусмотрен сигнал жесткой обратной связи по току возбуждения возбудителя, формируемый блоком обратной связи.
8. Устройство и работа блоков АРН
Измерительный блок
Измерительный блок (ИБ) формирует аналоговые сигналы, пропорциональные напряжению и реактивной составляющей тока статора синхронного генератора. В состав ИБ входят три компаратора К1-КЗ, три синхронных фильтра СФ1-СФЗ, сумматор (С), фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ) и фильтр (Ф) (рис. 4.16). На вход поступают синусоидальные напряжения, пропорциональные линейным напряжениям статора, синусоидальное напряжение, пропорциональное току статора и выпрямленное напряжение, среднее значение которого пропорционально среднему значению напряжения статора. Линейные напряжения преобразуются в симметричные прямоугольные импульсы. Выходные сигналы компараторов управляют работой синхронных фильтров и фазочувствительного выпрямителя. На вход синхронных фильтров подается выпрямленное напряжение статора. Фильтры подавляют переменную составляющую входного сигнала. Их выходные сигналы синхронно складываются на выходном сумматоре канала измерения напряжения.
На вход фазочувствительного выпрямителя, принцип работы которого рассмотрен выше, поступает синусоидальное напряжение, пропорциональное току фазы В статора. Управляет работой ФЧВ выходной сигнал К1, фаза которого совпадает с фазой линейного напряжения фаз UAC. На выходе формируется периодическое напряжение, имеющее постоянную составляющую, пропорциональную реактивному току статора и выделяемую фильтром.
Функциональная схема измерительного блока
Датчик тока ротора
Датчик тока ротора (ДТР) формирует аналоговый сигнал, пропорциональный току ротора синхронного генератора. Он использует аналоговое моделирование векторной диаграммы Потье, впервые реализованное в устройстве измерения тока ротора [21]. Это устройство на пассивных элементах, работающее на переменном токе, имело большие габариты и существенное потребление по цепям измерения, требовало выпрямления и фильтрации выходного напряжения, что приводило к снижению быстродействия. Полупроводниковый ДТР лишен этих недостатков.
На его вход поступают синусоидальные сигналы линейных напряжений и фазных токов статора синхронного генератора. С выхода снимается аналоговый сигнал, пропорциональный току ротора.
В состав датчика входят два фильтра прямой последовательности трехфазных систем напряжений (ФН) и токов (ФТ), два сумматора С1, С2, выпрямитель (В), нелинейный блок (НБ), блок произведения (БП) и частотнозависимый фильтр (Ф) (рис. 4.17).
Фильтр напряжения выделяет линейное напряжение UCA прямой последовательности трехфазной системы линейных напряжений статора. На выходе фильтра токов выделяется напряжение, пропорциональное току фазы В прямой последовательности трехфазной системы фазных токов статора. Выходные напряжения ФН и ФТ век-торно складываются на сумматоре С1. Весовой коэффициент при слагаемом, пропорциональном фазному току, численно равен реактивному сопротивлению Потье, выраженному в относительных единицах. В результате сложения на выходе С1 формируется напряжение, пропорциональное эдс Ед, обусловленной потоком в воздушном зазоре генератора, т.е.
Оно поступает на вход нелинейного блока, моделирующего насыщение магнитной цепи. Суть преобразования заключается в формировании кусочно-линейной аппроксимации функции
где f(Uг) - характеристика холостого хода.
После перемножения выходного напряжения нелинейного блока и результирующей эдс на выходе блока произведения формируется сигнал составляющей тока ротора Ifд, моделирующий результирующую эдс. Напряжение блока произведения на сумматоре С2 векторно складывается с сигналом тока статора. Весовой коэффициент при слагаемом, пропорциональном току статора, численно равен индуктивному сопротивлению реакции якоря, выраженному в относительных единицах. В результате сложения напряжений, пропорциональных составляющей Ifд и реакции якоря, на выходе С2 формируется периодическое напряжение с амплитудой, пропорциональной току ротора, т.е.
Периодический сигнал с выхода С2 подается на вход частотно-зависимого фильтра, аналогичного блоку БРТ регулятора АРВ-СДП1 (см. разд. 4.4.2). В итоге на выходе фильтра образуется напряжение, пропорциональное току ротора синхронного генератора.
Функциональная схема блока обратной связи
Блок обратной связи
Блок обратной связи (БОС) формирует аналоговый сигнал, пропорциональный току возбуждения возбудителя, для реализации жесткой обратной связи. Кроме того, он осуществляет гальваническую развязку цепей возбудителя и регулятора. В состав БОС входят генератор, модулятор, усилитель, демодулятор и фильтр (рис. 4.18). Генератор формирует прямоугольные импульсы управления модулятором и демодулятором с частотой 10-12 кГц. На вход модулятора с измерительного шунта поступает напряжение, пропорциональное току возбуждений возбудителя. Модулятор формирует периодическое напряжение с амплитудой, пропорциональной входному напряжению. Сигнал на выходе модулятора усиливается по амплитуде усилителем и подается на вход демодулятора, выпрямляющего выходное напряжение усилителя. Выходным каскадом БОС является фильтр, собранный по схеме апериодического звена, подавляющий переменную составляющую сигнала демодулятора.
Операционный блок
Операционный блок (ОБ) формирует сигнал управления возбуждением в соответствии с принятым законом регулирования. В его состав входят устройства формирования уставки (УФУ) и релейного форсирования (УРФ), два сумматора C1, С2, интегратор (И), дифференциаторы напряжения статора (ДН) и тока ротора (ДТ) и выходной усилитель (У) (рис. 4.19). На вход ОБ подаются аналоговые сигналы, пропорциональные напряжению статора, реактивному току статора, току ротора и току возбуждения возбудители, а также дискретные команды на увеличение и уменьшение уставки. УФУ преобразует дискретные команды в аналоговый сигнал уставки напряжения. Этот сигнал поступает на сумматор C1, осуществляющий его алгебраическое сложение с сигналом напряжения статора. В результате на выходе сумматора образуется напряжение, пропорциональное отклонению напряжения статора от заданного значения, которое поступает на C2, И и ДН. Последняя группа функциональных элементов реализует ПИД-закон регулирования напряжения. Компаундирование по реактивной составляющей тока статора осуществляется подачей на вход интегратора реактивного тока. Стабилизация системы регулирования возбуждения по первой производной тока ротора производится с помощью дифференциатора ДТ. Форсирование возбуждения при авариях в энергосистеме, вызывающих снижение напряжения на шинах генератора, реализует устройство форсирования возбуждения. На его вход поступает напряжение сумматора С2, пропорциональное отклонению напряжения. При уменьшении напряжения генератора относительно заданного значения на определенную настраиваемую величину устройство УРФ выдает сигнал форсировки возбуждения независимо от состояния других каналов. При восстановлении напряжения генератора до заданного значения устройство УРФ снимает сигнал форсировки с задержкой 40-60 мс.
Функциональная схема операционного блока
Сигналы С2, дифференциаторов напряжения статора и тока ротора, устройства релейного форсирования и блока обратной связи складываются на усилителе мощности, оснащенном защитой от коротких замыканий в выходных цепях АРН.
9. Математическая модель АРН
Математическая модель АРН для исследования вопросов устойчивости синхронных машин представляет собой совокупность передаточных функций каналов регулирования (рис. 4.20). Входными величинами являются отклонения напряжения и реактивной составляющей тока статора, тока ротора и тока возбуждения возбудителя (для бесщеточных систем возбуждения).
Канал измерения напряжения статора блока ИБ представляет собой трехфазный синхронный фильтр, передаточная функция которого определена ранее (4.1-4.3):
Структурная схема регулятора АРН
Передаточная функция канала измерения реактивного тока определяется параметрами фильтра, являющегося его выходным каскадом:
Интеграторы каналов регулирования напряжения и реактивного тока имеют передаточные функции:
где Kст и Когр - коэффициенты, зависящие от положения переключателей «Статизм» и «Ограничение».
Коэффициент усиления пропорциональной части ПИД-канала регулирования составляет
Передаточные функции дифференциаторов напряжения статора и тока ротора равны:
Датчики тока ротора тиристорной и бесщеточной систем возбуждения имеют соответственно передаточные функции:
Передаточная функция блока БОС:
Коэффициент усиления канала ЖОС составляет
Коэффициент выходного суммирующего усилителя АРН
В результате на выходе АРН формируется сигнал, описываемый уравнением
где К1u и К1if - коэффициенты, зависящие от положения переключателей коэффициентов усиления каналов производных напряжения статора и тока ротора. При положении переключателей, соответствующих 10 делениям шкалы, эти коэффициенты равны 1.
Для проведения оценочных расчетов устойчивости математическая модель регулятора АРН может быть значительно упрощена:
Методика упрощения и области применения упрощенной модели были изложены ранее в разд. 4.5.