Способ управления бесщеточной синхронной машиной

 

Изобретение относится к электротехнике . Цель изобретения - улучшение качества электроэнергии потребителей путем повышения электромеханической устойчивости синхронной машины . Для этого регулирование напряжения осушествляют управлением преобразователем частоты в цепи многофазной обмотки возбуждения возбудителя. Частоту управляющих сигналов по числу фаз обмотки возбуждения формируют или по сумме сигналов, один из которых пропорционален токам и напряжениям в контурах машин, а другой - углу ротора по отношению к вектору напряжения в какой-либо точке статорной цепи синхронной машины и его производным, или по сигналу, пропорциональному углу ротора по отношению к вектору напряжения в какой-либо точке статорной цепи. Амплитуду управляющих сигналов формируют по упомянутой сумме сигналов. 6 ил. ю СО с сд 00 ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК!!9) (!!) 5 21 А1 (51)4 Н 02 Р 9/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф !

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3850076/24-07 (22) 23.01.85 (46) 23.04.87. Бюл. Ф 15 (75) Р.С. Цгоев (53) 621.316. 722:621.313.392 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 652673, кл. Н 02 P 9/14, 1979.

Авторское свидетельство СССР

Ф 550753, кл. Н 02 P 9/14, 1977.

Авторское свидетельство СССР

445099, кл. Н 02 P 9/14, 1974.

Авторское свидетельство СССР !!р 547957, кл. Н 02 P 9/14, 1977. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ БЕСЩЕТОЧНОЙ

СИНХРОННОЙ МАШИНОЙ (57) Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения — улучшение качества электроэнергии потребителей путем повышения электромеханической устойчивости синхронной машины. Для этого регулирование напряжения осуществляют управлением преобразователем частоты B цепи многофазной обмотки возбуждения возбудителя.

Частоту управляющих сигналов по числу фаз обмотки возбуждения формируют или по сумме сигналов, один из которых пропорционален токам и напряжениям в контурах машин, а другой— углу ротора по отношению к вектору напряжения в какой-либо точке статорной цепи синхронной машины и его производным, или по сигналу, пропорциональному углу ротора по отношению к вектору напряжения в какой-ли- д бо точке статорной цепи. Амплитуду управляющих сигиалов формируют по упо- Q) мянутой сумме сигналов. 6 ил.

С:! 130582

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления машинами переменного тока, преимущественно синхронными машинами с бесщеточным возбуждением.

Целью изобретения является улучшение качества электроэнергии потребителей путем повышения электромеханической устойчивости синхронных машин. 10

На фиг.1 приведены графики асин-. хронных моментов и полных токов в якорной обмотке возбудителя;на фиг.2— графики моментов в функции частоты," на фиг.3 - принципиальная схема устройства для управления бесщеточной синхронной машиной; на фиг.4 — схема .формирователя частоты;на фиг.5 фрагмент формирователя частоты с дискретным управлением; на фиг.6 — схема регулятора.

Способ управления бесщеточной синхронной машиной заключается в следующем.

По гармоническим сигналам датчиков положения ротора и напряжения статора синхронной машины формируют сигнал, пропорциональный углу 0 между какой-либо осью ротора и вектором напряжения сети. При этом, например, . 3О реализуется известное тригонометрическое соотношение (3) (5) 0 = Б Б

Напряжение из соотношения (6) через систему импульсно-фазового управления подается на многофазный ти40 ристорный преобразователь частоты, на выходе которого формируется на пряжение возбуждения возбудителя.

Многофазное (например, трехфазное) напряжение с выхода тиристорного пре<> образователя частоты подается на неподвижную многофазную обмотку возбуждения возбудителя, создавая вращающееся с частотой по формуле (3) поле возбуждения. Это поле, вращаясь от0 носительно расположенной на роторе якорной обмотки возбудителя, подключенной через вращающийся вентильный выпрямитель к обмотке возбуждения синхронной машины, создает дополнительный момент вращения, определяемый соотношением х sin G)p t) р (7)

f) о = arcsin (Q,t — и г)

arc (sin д t cos y t — cos Q с P с где Q и Q — частоты напряжения сети и вращения ротора, t — время.

Этот сигнал сравнивают с уставкой угла и формируют, например, сигнал пропорционально-дифференциального регулирования по отклонению

Ufg --- П + (1 + k — „)(0 -8,) (2) где k,,k, — коэффициенты регулирования;

U О, если Sign (F-,) = +1

Uo = С, если Sign (F-8„) = -"1, с = const — некоторая постоянная.

По аналогии сигналу по выражению (2) формируют гармонические сигналы

1 2 единичной амплитуды с частотой, определенной по формуле и = ы, + (k, + k,— )(-8,) где И, = О, если Sign (F-S,) = +1

<р 2, если Sign (0- 3„)

Гармонические сигналы по формуле (3} образуют вектор напряжения единичной амплитуды, определяемый соотношением

У вЂ” "е = cosg+ j sing (4) где II -gt = у+ (k +k — )"

Й

0 0 <1

x(8-Á ) с

Сигнал управления, сформированный автоматическим регулятором возбуждения (это, например, обычный автоматический регулятор возбуждения сЪльного действия типа АРВ-СД) синхронной машины U< <, суммируется с сигналом выражения (2):

Далее сигнал по формуле (5) умно-, жается на единичный вектор соотношения (4) и формируется сигнал вектора напряжения возбуждения возбудителя, опредепяемый соотношением

1305S21 где Q — частота напряжения возбуждения, определяемая соотношением (3), У вЂ” частота вращения

P ротора синхронной машины, U = Π— модуль сигнала вектора напряжения возбуждения возбу- 10 дителя согласно соотношению (6);

1 — коэффициент магнитной связи между об- мотками статора и ротора возбудителя;

Т вЂ” постоянная времени якорной обмотки возбудителя с учетом активного со- 20 противления обмотки возбуждения синхронной машины, R и Х вЂ” активное и индук1 1 тивное сопротивле- 25 ние обмотки возбуждения возбудителя, j

Т вЂ” переходная постоянная времени якор- . ной обмотки возбу- 30 дителя.

Момент, определяемый соотношением (7), является дополнительным асинхронным моментом, создаваемым дополнительным управлением величиной 35 и частотой напряжения возбуждения возбудителя.

На фиг.1 показаны рассчитанные по соотношению (7) на ЦВМ графики зависимости момента М от частоты g переменного тока в обмотке возбуждения возбудителя — это кривые А,Б,В,Г,Д, Е,Ж, построенные, соответственно,при частотах u = 0,25; 0,5; 0,75; 1.25;

1,5, 1,75; 2 (отн.ед.) Из графиков (фиг. 1) следует, что с изменением частоты у изменяется и величина напряжения возбуждения возбудителя, что очевидно из соотношения (6). При вращении ротора синхронной машины с синхронной частотой И = 1 (на

P фиг.1 — вертикальная линия ab ) асинхронные моменты, приложенные к валу машины при указанных частотах, различны по величине и знаку. Это очевидно из сравнения значений моментов в точка А, Б, В, Г, Д, Е и Ж и полученных пересечением вертикальной линии д с асинхронными моментными характеристиками соответственно

А,Б,В,Г,Д,Е и Ж. Если дополнительный регулирующий сигнал отрицательный, т.е. д3 = (8-6 ) c. О, то это значит, что ротор затормозился, поэтому к нему необходимо приложить положительный, т.е. двигательный асчнхронный момент.

Из графиков (фиг.1) видно, что для этого в обмотке возбуждения возбудителя должны быть токи с частотой у >у обеспечивающие работу в режиГ мах, .равных и аналогичных характеристикам Г,Д,Е.Ж.

Если указанный сигнал положительный, т.е. дg > О, то это значит, что ротор синхронной машины разогнался по отношению к вектору напряжения сети, поэтому к ротору необходимо приложить отрицательный, т.е. генераторный момент. Из графиков фиг. 1 видно, что для этого в обмотке возбуждения возбудителя должны быть токи с частотой G) UP,обеспечивающие работу в режимах, равных или аналогичных характеристикам А, Б и В.

Согласованное изменение частоты и величины напряжения возбуждения во"будителя имеет определенное преимущество. На фиг.1 построены графики

З,И,К,Л,М,Н,П модуля полного тока в якорной обмотке возбудителя, рассчитанные также при частотах, соответственно, ц = 0,25; 0,5; 0,75; 1,25, 1,5; 1,75; 2. Из графиков видно, что в местах пересечения этих графиков с вертикальной линией ав (u P = 1), они все имеют практически одйу и ту же величину. Поэтому можно утверждать, что дополнительное регулирование практически не вызывает изменения тока в якорной обмстке возбудителя, а следовательно, и в обмотке возбуждения синхронной машины (для шестиплечной мостовой схемы выпрямителя) эти токи связ ны известным соотношением I Id

3 где I -- действующее значение тока в фазе якорной обмотки возбудителя;

I — выпрямленный ток возбуждеd ния в обмотке возбуждения синхронной машины.

Величину напряжения У, возбуждения возбудителя определяют через ток якоря возбудителя I, из соотношения

5 1305821 6 х„х, (Rg — (и-и,)и х х) + к,(и-и,) т +V+1

M = () ) (9) 1 1

10 соз 80 + ° (12)

klc 0 Ñ

k(k< +1)

ië 2Т„(сна -ц ) г

Подставив соотношение (8) в (7), получают где Х вЂ” сопротивление взаимной инaf дукции между обмоткой возбуждения и якорной обмоткой возбудителя. с.

Из выражения (9) видно, что если ток якоря возбудителя — независимый параметр режима, определяемый основным регулированием с помощью APB-СД„ то, например, при I> = const, у =

const момент будет иметь гиперболический характер в функции частоты

Ю > что подтверждается графическим построением зависимости М = f (Я) (фиг.2). Значения момента при постро- 25 ении определены точками пересечения моментных характеристик А — Ж с вертикальной прямой о b (т.е. в точках

А- Ж).

Рассмотрим вопрос повышения устой- 30 чивости.

На вал синхронной машины действуют два момента — момент, развиваемый самой синхронной машиной, и момент по формуле (9), развиваемый возбудителем согласно предлагаемому способу регулирования.

Из уравнений (») и (12) следует, что при Е о О, k, ) О синхронная машина устойчива во всех режимах, в том числе и при отрицательных углах т.е. поставленная цель достигао г ется.

Изменяя в функции отклонения угла от задания плавно частоту и величину напряжения возбуждения возбудителя, на валу синхронной машины создается дополнительный момент требуемого знака и величины, что повышает электромеханическую устойчивость син- 55 хронной машины. При этом дополнительное регулирование не мешает основному регулированию, что является также положительным эффектом предлагаемоТогда уравнение движения синхронной машины имеет вид

0 =- T РгЯ + — sinS + р(10)

UE X,q I

Х (д-са ) р Х T где Т вЂ” механическая инерционная

3 постоянная ротора синхронной машины и возбудителя, d

p = — — символ дифференцирования;

dt

U — напряжение статора синхронной машины, Š— Х Х 1 †- — Т Х ЭДС синхронной машины, Х вЂ” индуктивное сопротивление статора синхронной машины.

Обозначим k = Х 1 / ш Х Т .

Тогда, учитывая выражение (3), а также 530 = Ы„+ р 3, где 63 — синхронная частота напряжения статора синхронной машины, характеристическое уравнение согласно выражению (10) имеет вид

Т р + + — cos5 +

k(k, +1) UE (Ы,-яс) Х

Корни уравнения (11) имеют вид го способа управления бесщеточной синхронной машиной.

Кроме того, регулирование дополнительного момента можно осуществлять плавно в соответствии с изменением частоты по отклонению угла от задания по соотношению (3), но и дискретно. Например, задаться тремя частотами, отмеченными на фиг.2 пунктиром:

1,25; О; 0,75. При этом, если откло нение угла от уставки s3 = О, то частота задается g †-О, если 6E + О, то

Q = 1 25, если h5 > О, то Я = О 75.

Величина напряжения также изменяется с изменением частоты. Очевидно, что дополнительный момент также меняется по знаку и величине дискретно (скач!

305821 ком). Длительность импульса момента определяется только соотношением д ф О. Здесь можно сделать и с зоной нечувствительности, задав, например, при -ahkc.а 63 = О, при ьб(-а са

1,25, при а8> а у = 0,75.

Во всех рассмотренных случаях реализации способа эффект — повышение устойчивости синхронной машины.

Согласно изобретению способ уп- !О равления бесщеточной синхронной машиной представляет собой следующую последовательность операций: измерение токов и напряжений в контурах машины; формирование сигнала управления автоматическим регулятором возбуждения (APB), например, сильного действия, измерение угла и скольжения ротора по отношению к вектору напряжения в какой-либо точке статорной20 цепи синхронной машины; формирование сигнала управления по углу и скольжению, суммирование сигнала управления по углу и скольжению с сигналом управления автоматического регулятора возбуждения; формирование частоты управляющих сигналов по числу фаз обмотки возбуждения возбудителя по полученному результирующему (суммарному) сигналу или сигналу управления по З0 углу и скольжению; формирование амплитуды этих управляющих сигналов по числу фаз обмотки возбуждения возбудителя по упомянутому суммарному сигналу. 35

Таким образом, благодаря созданию на валу возбудителем дополнительного момента требуемой величины и знака расширяется область устойчивости синхронной машины, конкретно — в режимах недовозбуждения и отрицательного возбуждения. В последнем случае величина потребляемой реактивной мощности возрастает на 20% по сравнению с ве- 45 личиной, обеспечиваемой известными способами.

Предлагаемый способ может быть реализован при помощи устройства по фиг.2.

Статорная обмотка 1 синхронной машины подсоединена к энергосистеме.

На роторе машины размещена обмотка 2 возбуждения. Вращающийся выпрямитель

3 соединен с якорной обмоткой 4 переменного тока обращенного возбудителя. Трансформаторы напряжения 5 и тока 6 статорной обмотки 1 а также бесконтактные датчики напряжения 7 и

Х =

А = (! 4) А — амплитуда колебаний;

Х о(=о1

Х .„1 — скорость. где тока 8 обмотки возбуждения 2 соединены с входами автоматического регулятора 9 возбуждения (АРВ). Выход блока 10 импульсно-фазового управления соединен через управляемый преобразователь 11 частоты, питание которого осуществляется от источника 12 возбуждения с неподвижной многофазной обмоткой 13 возбуждения возбудителя. Выходы трансформатора 5 напряжения статора 1 и датчика 14 положения ротора синхронной машины соединены с входами датчика 15 угла, выход которого как и выход задатчика 16 угла соединены с входами регулятора 17, выход которого соединен с входом формирователя 18 частоты и первым входом сумматора 19 второй вход которого соединен с выходом автоматического регулятора 9 возбуждения. Выходы формирователя 18 частоты и сумматора 19 соединены с входами блока 20 произведения, выход которого соединен с входом блока 10 импульсно-фазового управления.

Задатчик 16 угла в простейшем случае представляет собой источник стабилизированного напряжения с регулируемым потенциометром, с движка которого снимается сигнал задания по углу. Регулятор 17 угла — обычный пропорционально-дифференциальный регулятор на операционном усилителе.

Формирователь 18 частоты может быть выполнен на базе кварцевого генератора с делителем частоты или на базе генератора сигналов низкочастот ного типа ГЗ-109.

В простейшем случае формирователь 18 частоты можно выполнить как колебательное звено второго порядка. . В основу построения такого формирователя частоты, взята модель,описываемая линейным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами сРХ

+ИX=O. (13)

Общий интеграл уравнения выражается так

1305821 10

Очевидно, что математическая модель для решения уравнения (13) может служить генератором периодических колебаний.

Формирователь (фиг.4) состоит из трех усилителей 21-23, Усилители 21 и 23 в цепи обратной связи имеют конденсаторы и работают в режиме интеграторов, усилитель 22 является инвертором. Все три усилителя включены BIO последовательно, что обеспечивает положительную обратную связь.

Положительная обратная связь с усилителя 21 на усилитель 22 необходима для компенсации внутренних по- 15 терь в формирователе. Для стабипизации амплитуды выходных сигналов

A sin g и А сов применяются стабилизирующие ограничители из кремниевых стабилитронов, включенных в цепь 20 обратной связи усилителей. Плавное изменение частоты на выходе формирователя осуществляется с помощью сдвоенного регулируемого потенциометра с исполнительным элементом 24.

Выходы усилителей 21 и 23 подключены к преобразователю 25 числа фаз по числу фаз многофазной обмотки 13 возбуждения возбудителя. Преобразователь 25 числа фаз может быть выпал-30 нен на операционных усилителях„ на резисторах или на трансформаторах.

Выход регулятора 17 соединен с первым входом элемента 26 сравнения, второй вход которого соединен с аналого- 35 вым выходом датчика 27 частоты на выходе формирователя. Выход элемента

26 сравнения соединен с исполнительным элементом 24 сдвоенного регулируемого потенциометра, представляющим 0 из себя быстродействующий привод движка потенциометров (например,быстроходный асинхронный микродвигатель на 400 Гц или др.).

При рассогласовании задания rro частоте от регулятора 17 и частоты на выходе формирователя по- датчику 27 частоты исполнительный элемент 24 потенциометров вращает движок потенциометров до устранения этого рассогласования. При дискретном изменении частоты формирователя 18 исполнительный элемент 24 потенциометров выполняется как переключатель с управлением также от регулятора 17.

При этом, как показано на фиг.5,, каждый из регулируемых потенциометров заменяется несколькими последовательно соединенными постоянными сопротивлениями, точки взаимного соединения которых подключены к клеммам переключателя. При этом элемент 26 выполняется как операционный усилитель в компараторном режиме, а датчик 27 частоты не используется. Такое устройство проще в исполнении, обеспечивает высокое быстродействие, но дискретно..

Источник 12 возбуждения может быть выполнен на повышенную частоту (например, на. 400 Гц) или в качестве источника 12 можно использовать сеть промышленной частоты 50 Гц. В первом случае управляемый преобразователь

11 частоты может выполняться как известный тиристорный преобразователь частоты с непосредственной связью, с соответствующей системой импульсно-фазового управления преобразователем частоты, в качестве блока 10. Во втором случае управляемый преобразователь 11 частоты может быть выполнен как известный преобразователь частоты на основе инвертора тока.

В датчике 15 угла по гармоническим сигналам напряжения статора от трансформатора 5 с частотой у и с датчика 14 (например, синхронный тахогенератор) положения ротора с частотой g с помощью двух блоков произведения и сумматора формируется гармонический сигнал разностной частоты, а на функциональном блоке (агсв п P ) из этого сигнала с периодизацией формируется требуемый угол, т.е. датчик 15 реализует соотношение (1).

В варианте выполнения регулятора

17 (фиг.б) выходы. соответственно,датl чика 15 и задатчика 16 угла соединены с входами дифференцирующего элемента 28 (дифференциальный регулятор) и суммирующего элемента 29 (пропорциональный регулятор), а выход элемента 29 соецинен через диод 30 с входом компаратора 31.Выходы элементов 28, 29 и 31 через сумматор 32 соединены с входам регулятора 17. При этом в соответствии с выражением (2) элемент 28 формирует сигнал дишференЙ циального регулирования k . — (3-5 )

С1 0 р элемент 29 формирует сигнал пропоррегулирования о(F с а диодом 30 и компаратором 31 формируется постоянный сигнал нужного знака.

13058

Устройство реализует предлагаемый способ следующим образом.

По гармоническим сигналам трансформатора 5 напряжения и датчика 14 положения ротора в датчике 15 угла формируется сигнал в соответствии с выражением (1), пропорциональный углу, например, между поперечной осью ротора синхронной машины и вектором напряжения ее статора. Сигналы угла 10 от датчика 15 и задатчика 16 угла поступают в регулятор 17. При работе синхронной машины в режиме, напри мер, компенсатора с отрицательным возбуждением задатчиком 16 формируют 15 сигнал, соответствующий нулевому значению угла. При отклонении угла от задания регулятор 17 формирует пропорционально-дифференциальный сигнал в соответствии с выражением (2) по 20 этому отклонению, который поступает в формирователь 18 частоты.

Формирователь 18 частоты по сигналу по формуле (3) формирует гармонические сигналы по формуле (4) заданной амплитуды по числу фаз обмотки

13 возбудителя. Формирование задания по напряжению осуществляется в сумматоре 19 по двум сигналам в соответствии с выражением (5): по сигналу основного регулирования APB 9 и по дополнительному сигналу регулятора 17.

В блоке 20 произведения сигналы с формирователя 18 частоты и сумматора

19 перемножаются и на его выходе фор-35 мируется вектор напряжения управления по формуле (6) заданной амплитуды и частоты по числу фаз обмотки 13., Напряжение управления подается на вход блока 10 импульсно-фазового управления преобразователем 11 частоты, что обеспечивает протекание по многофазной обмотке 13 возбуждения переменного тока требуемой величины. Этот ток является током возбуждения возбу-<> дителя, величина и частота которого определяется APB 9 (он формирует основной сигнал управления по данным датчиков напряжения 5, 7 и тока 6,8 и обеспечивает уровень напряжения 0 на статоре 1 машины в соответствии с. уставкой) и регулятором 17 с элементами 18 и 19 (они формируют дополнительные сигналы управления по частоте и напряжению по данным датчика

15 угла). Благодаря дополнительному регулированию поле неподвижной обмотки 13 возбудителя вращается по от21 12 ношению к якорной обмотке 4 возбудителя и тем самым создает дополнительный асинхронный момент на валу синхронной машины, величина и знак которого однозначно определяются сигналом на выходе регулятора 17.

Положительным эффектом предлагаемого способа является то, что благодаря созданию в возбудителе дополнительного момента на валу требуемой величины и знака расширяется область устойчивости синхронной машины, конкретно — в режимах недовозбуждения и отрицательного возбуждения, При этом в последнем случае величина потребляемой реактивной мощности возрастает на 207 по сравнению с величиной, обеспечиваемой известными способами, Так, при применении синхронного компенсатора мощностью 320 ИВА это эквивалентно тому, что высвобождается устанавливаемый для режимов потребления дополнительный компенсатор мощностью 320 0,2 = 64 ИВА.

Изобретение может применяться на всех машинах переменного тока с возбудительной машиной на валу, в том числе на машинах: явнополюсных и неявнополюсных, со щеточным и бесщеточным возбуждением, со знакопеременным возбуждением в одной обмотке возбуждения машины и с двумя обмотками возбуждения и двумя возбудителями, с тиристорным и диодным вращающимся выпрямителем обмотки возбужцевия синхронной машины.

При применении предлагаемого способа в принципе можно отказаться от знакопеременного возбуждения, что в целом упростит систему возбуждения синхронной машины.

Формула изобрет ения

Способ управления бесщеточной синхронной машиной с подключенной к энергосистеме статорной обмоткой путем регулирования напряжения управлением преобразователем частоты в цепи многофазной обмотки возбуждения возбудителя, при котором измеряют токи и напряжения в контурах машин, по которым формируют сигнал управления возбуждением, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества электроэнергии потребителей путем повышения электромеханической устойчивости синхронной машины, дополнитель1305821 но измеряют угол ротора по отношению к вектору напряжения в какой-либо точке статорной цепи синхронной машины, по измеренному значению формируют сигнал управления по углу и его производным, с которым суммируют сигнал управления по токам и напряжениям в контурах машин, по полученному результирующему сигналу или сигналу управления по углу и его произ" водным формируют частоту управляющих сигналов по числу фаз обмотки возбуж5 дения возбудителя, а по упомянутому результирующему сигналу формируют амплитуду этих управляющих сигналов.

1305821!

305821

Составитель К. Фотина

Редактор А. Шандор Техред А.Кравчук Корректор А.Зимокосов

Заказ 1463/53 Тираж б61 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, .Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная,4