Способ автоматического управления системой гарантированного питания

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в системах гарантированного питания, содержащих синхронную электрическую машину с накопителем энергии, в качестве которого используется машина постоянного тока, якорные цепи которой подключены к емкостному накопителю энергии, и приводной двигатель, механически соединенный с электрической машиной при помощи разобщительной муфты. Задачей изобретения является обеспечение стабилизации частоты и повышение энергетических характеристик системы. Сущность изобретения состоит в повышении качества частоты синхронной машины путем регулирования тока возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока, переводя тем самым ее якорные цепи на питание от емкостного накопителя энергии или на заряд емкостного накопителя, в зависимости от активной нагрузки или частоты синхронизации машины. 1 ил.

Изобретение относится к автономной энергетике и может быть использовано в системах гарантированного питания, содержащих параллельно включенные сетевой ввод и синхронную электрическую машину на одном валу с накопителем энергии, ротор которой механически соединен с помощью разобщительной муфты с приводным двигателем.

Наиболее близким к изобретению является способ автоматического управления системой гарантированного питания, согласно которому определяют режим работы синхронной машины и при переходе в генераторный режим осуществляют отключение выключателя сетевого ввода, включение разобщительной муфты и пуск приводного двигателя.

Применение прототипа повышает качество напряжения на шинах гарантированного питания в переходных режимах, но эффективность данного способа по стабилизации частоты в переходных режимах не высока, а энергетические характеристики системы в переходных режимах ограничены запасом кинетической энергии инерционного маховика.

Задача изобретения обеспечение стабилизации частоты в системе гарантированного электроснабжения и повышение энергетических характеристик системы на переходных режимах.

Это достигается тем, что в способе автоматического управления системой гарантированного питания, содержащей параллельно включенные сетевой ввод и синхронную электрическую машину на одном валу с накопителем энергии, ротор которой механически соединен с помощью разобщительной муфты с приводным двигателем, согласно которому определяют режим работы синхронной машины и при переходе в генераторный режим осуществляют отключение выключателя сетевого ввода, включение разобщительной муфты и пуск приводного двигателя, в качестве накопителя энергии используют машину постоянного тока, якорные цепи которой подключены к емкостному накопителю энергии, в двигательном режиме работы синхронной машины измеряют величину активной нагрузки системы и сравнивают результат каждого последующего измерения с результатами предыдущего измерения, измеряют величину частоты вырабатываемого тока и сравнивают ее со значением уставки и при увеличении активной нагрузки и при значении частоты, меньшем значения уставки, уменьшают ток возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока, переводя ее якорные цепи на питание от емкостного накопителя энергии, а при уменьшении или постоянстве активной нагрузки или при значении частоты, большем или равном значению уставки, увеличивают ток возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока, переводя ее на заряд емкостного накопителя энергии, а при переходе в генераторный режим работы синхронной машины изменяют подачу топлива в двигатель и ток возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока пропорционально изменению активной нагрузки и частоты вырабатываемого тока. Операции измерения величины частоты вырабатываемого напряжения и сравнения ее с значением уставки и измерения величины активной нагрузки системы и сравнения результатов последующего измерения с результатами предыдущего измерения позволяют определить характер измерения частоты и активной нагрузки. Операция уменьшения тока возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока при значении частоты, меньшем значения уставки, или при росте активной нагрузки позволяет осуществить перевод машины постоянного тока в двигательный режим, обеспечивая тем самым увеличение частоты вращения, а значит и увеличение частоты вырабатываемого переменного тока. Операция увеличения тока возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока при значении частоты, большем или равном значению уставки, или при снижении или постоянстве активной нагрузки системы позволяет осуществить перевод машины постоянного тока в генераторный режим, обеспечивая тем самым накопление энергии в емкостном накопителе и уменьшение частоты вращения общего вала, а тем самым и уменьшение частоты вырабатываемого переменного тока. Операции изменения подачи топлива в двигатель и тока возбуждения в цепи индуктора машины постоянного тока пропорционально активной нагрузке и частота вырабатываемого переменного тока в генераторном режиме синхронной машины позволяют повысить качество регулирования частоты в переходных режимах.

Введение новых операций позволяет обеспечить достижение желаемого технического результата, заключающегося в обеспечении стабилизации частоты в системе гарантированного электроснабжения и повышении энергетических характеристик этой системы.

Проведенные в ходе работы над изобретением патентный поиск и исследование литературных источников показали, что известные способы автоматического управления системой гарантированного питания не обладают совокупностью признаков, аналогичных заявляемому изобретению. В связи с этим следует признать предлагаемое изобретение обладающим существенными отличиями.

Сущность изобретения состоит в обеспечении стабилизации частоты в системе гарантированного питания и повышении энергетических характеристик системы путем определения режима генератора, измерения активной нагрузки системы, сравнения результатов каждого последующего измерения с результатами предыдущего измерения, измерения величины частоты вырабатываемого тока и сравнения ее с значением уставки и в случае двигательного режима работы синхронной машины при увеличении активной нагрузки или при значении частоты, меньшем значения уставки, путем уменьшения тока возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока и перевода ее тем самым в двигательный режим с питанием от емкостного накопителя энергии, а в случае постоянства или уменьшения активной нагрузки или при значении частоты, большем или равном значению уставки, путем увеличения тока возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока и перевода ее тем самым в режим генератора с зарядом емкостного накопителя энергии, а в случае генераторного режима работы путем осуществления включения разобщительной муфты, пуска приводного двигателя, а также изменения подачи топлива в двигатель и тока возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока, выполняемого пропорционально изменению активной нагрузки и частоты вырабатываемого тока.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 трансформатор сетевого ввода; 2 тиристорный коммутатор; 3 шины гарантированного питания; 4 выключатель; 5 синхронная электрическая машина; 6 машина постоянного тока; 7 разобщительная муфта; 8 приводной двигатель; 9 измеритель частоты вырабатываемого тока;
10 логический блок;
11 измеритель активной нагрузки;
12 регулятор возбуждения машины постоянного тока;
13 выявитель режима работы синхронного генератора;
14 емкостной накопитель энергии;
15 реле пуска привода двигателя;
16 регулятор частоты вращения приводного двигателя;
17 и 18 разрядный и зарядный диоды;
19 зарядный резистор;
20 и 21 первый и второй трансформаторы тока;
22 нагрузка шин гарантированного питания;
23 блок задания значения уставки частоты.

Установка гарантированного питания состоит из трансформатора сетевого ввода 1, подключенного с помощью тиристорного коммутатора 2 к шинам гарантированного питания 3, параллельно которым через выключатель 4 подключена синхронная электрическая машина 5, на общем валу с которой расположен накопитель энергии, выполненный в виде машины постоянного тока 6, и разобщительная муфта 7, механически связанная с приводным двигателем 8, управляемым реле пуска 15 и регулятором частоты вращения 16. Якорная цепь машины постоянного тока 6 через зарядный резистор 19 и второй диод 18 подключена к емкостному накопителю энергии 14, цепь разряда которого через первый диод 17 подключена к якорной цепи машины постоянного тока, цепь индуктора которой через регулятор возбуждения 12 подключена к катоду разрядного диода 17. Управляющий вход регулятора возбуждения 12 подключен к первому выходу логического блока 10, второй выход блока 10 подключен к регулятору частоты вращения 16, а входы блока 10 подключены к выходу измерителя 9 частоты вырабатываемого тока, включенного на шины гарантированного питания, к выходу измерителя активной нагрузки 11, включенного на первый трансформатор тока и на напряжение шин, и к выходу выявителя режимов работы 13, токовые цепи которого подключены к второму трансформатору тока 21, а цепи напряжения к шинам гарантированного питания. Выход выявителя режимов работы 13, кроме того, подключен к реле пуска 15 и регулятору частоту вращения 16. Выход блока 23 задания значения уставки частоты подключен к второму входу измерителя частоты.

Устройство работает следующим образом. В случае, когда напряжение на сетевом вводе есть, синхронная машина 5 работает в двигательном режиме, вращая накопитель энергии, выполненный в виде машины постоянного тока 6, якорные цепи которой подключены к емкостному накопителю энергии 14. Муфта 7 отключена и приводной двигатель 8 не работает. Измеритель частоты 9 и измеритель активной нагрузки 11 измеряют частоту переменного тока на шинах гарантированного питания. В случае, когда значение частоты меньше значения уставки или активная нагрузка растет, логический блок 10 формирует по своему первому выходу, подключенному к регулятору возбуждения 12, команду на уменьшение тока возбуждения машины постоянного тока. При этом величина электродвижущей силы, возникающей в якорной обмотке машины постоянного тока становится меньшей, чем величина напряжения на емкостном накопителе энергии 14, и емкостной накопитель разряжается через разрядный диод 17, переводя тем самым машину постоянного тока в двигательный режим и обеспечивая увеличение частоты вращения или увеличение отдаваемой активной нагрузки.

В случае, когда значение частоты вырабатываемого переменного тока больше или равно значению уставки, или когда активная нагрузка уменьшается или остается постоянной, логический блок 10 по результатам измерения блоками 9 и 11 формирует через регулятор возбуждения 12 команду на увеличение тока возбуждения машины постоянного тока. При этом ее электродвижущая сила становится большей, чем напряжение на емкостном накопителе 14, диод 17 закрывается и открывается диод 18, обеспечивая через зарядное сопротивление 19 заряд емкостного накопителя.

В случае перехода синхронной машины 5 в генераторный режим работы появляется сигнал на выходе выявителя режимов работы 13. Этот сигнал обеспечивает включение реле пуска 15 приводного двигателя, включение регулятора частоты вращения и подключение второго выхода логического блока 10 к регулятору частоты вращения. Приводной двигатель запускается путем включения разобщительной муфты, выводится на требуемый режим работы. Управление работой двигателя осуществляется путем изменения подачи топлива с помощью регулятора частоты вращения. Команда на изменение подачи топлива поступает с второго выхода логического блока 10 при изменении частоты и активной нагрузки. Кроме того, в генераторном режиме регулируется ток возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока пропорционально изменению активной нагрузки и частоты вырабатываемого тока согласно алгоритму, описанному выше для двигательного режима синхронной машины. Тиристорный коммутатор 2 управляется напряжением с выхода трансформатора сетевого ввода, что позволяет осуществить его отключение при коротких замыканиях в цепи сетевого ввода за время, не большее длительности периода переменного напряжения. Предлагаемое изобретение позволяет в отличие от прототипа обеспечить стабилизацию частоты в системе гарантированного питания как в двигательном, так и генераторном режимах и повысить энергетические характеристики системы, так как при управлении системой в соответствии с предлагаемым способом удается при меньших массе и габаритах маховика получить требуемые технико-экономические характеристики системы.

Технические преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом состоят в том, что обеспечение стабилизации частоты и повышение энергетических характеристик системы электроснабжения позволяют повысить качество напряжения на шинах гарантированного питания, избежав тем самым ущерба, связанного с низким качеством питающего напряжения и особо опасного для таких электроприемников, как ЭВМ.

Повышение энергетических характеристик системы, достигаемое при применении предлагаемого способа, обеспечивается за счет снижения веса маховика в связи с тем, что при управлении системой оказывается возможным накопить энергию, обычно теряемую в переходных процессах, а затем отдать ее приемникам электроэнергии.

Достоверность достижения цели изобретения подтверждается следующими соображениями. В книге А.И. Вольдека "Электрические машины", "Энергия", Ленинград, 1974 г. на с. 202 приведено уравнение для скоростной характеристики машины постоянного тока

где ω угловая частота вращения;
U напряжение в цепи постоянного тока;
I_a ток в цепи якоря;
R_a активное сопротивление цепи якоря;
F магнитный поток;
C_E коэффициент пропорциональности;
E = C_E·ω·Φ электродвижущая сила машины постоянного тока.

Из (1) следует, что в случае, когда E < U, машина постоянного тока работает в двигательном режиме. Перевод машины в двигательный режим легко осуществить, уменьшая ток в ее обмотке возбуждения. Работа машины постоянного тока в двигательном режиме обеспечивает ее использование для отдачи запасенной в емкостном накопителе энергии, что необходимо при значении частоты, меньшем значения уставки, или при увеличении активной нагрузки системы.

При переходе машины постоянного тока в генераторный режим работы обеспечивается заряд емкостного накопителя, а тем самым и накопление энергии при значении частоты, большем или равном значению уставки, или при снижении нагрузки. Тем самым обеспечивается стабилизация частоты вырабатываемого переменного тока. Эффект повышения энергетических характеристик системы гарантированного электроснабжения покажем, приводя расчет емкости накопителя.

Энергия заряженного накопителя

Необходимый запас энергии для питания потребителей электрической машины на время пуска дизеля:

После совместного режима (2) и (3) с учетом коэффициента использования энергии накопителя K_н 0,6 получаем

Для установки с мощностью синхронной машины P_н 500 кВт, временем пуска дизеля τ_п = 0,6 c, с КРД обратимого преобразователя ОП-504 η_у = η_eм·η_пг 0,88, при напряжении накопителя U 400 В емкость накопителя должна быть C 7,1 Ф.

Выпускаемый НПО "Квант" накопитель имеет единичную емкость 0,5 Ф при объеме около 12 дм³ и массе около 15 кг. Для установки мощностью 500 кВт необходимо подключить 15 таких накопителей, с общей массой 225 кг и объемом 180 дм³.

Формула изобретения

Способ автоматического управления системой гарантированного питания, содержащей параллельно включенный сетевой ввод и синхронную электрическую машину на одном валу с накопителем энергии, ротор которой механически соединен с помощью разобщительной муфты с приводным двигателем, согласно которому определяют режим работы синхронной машины и при переходе в генераторный режим осуществляют отключение выключателя сетевого ввода, включение разобщительной муфты и пуск приводного двигателя, отличающийся тем, что в качестве накопителя энергии используют машину постоянного тока, якорные цепи которой подключены к емкостному накопителю энергии, в двигательном режиме синхронной машины измеряют величину активной нагрузки системы и сравнивают результат каждого последующего измерения с результатами предыдущего измерения, измеряют величину частоты вырабатываемого тока и сравнивают ее со значением уставки и при увеличении активной нагрузки или при значении частоты, меньшем значения уставки, уменьшают ток возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока, переводя ее якорные цепи на питание от емкостного накопителя энергии, а при уменьшении или постоянстве активной нагрузки или при значении частоты, большем или равном значению уставки, увеличивают ток возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока, переводя ее на заряд емкостного накопителя энергии, а при переходе в генераторный режим работы синхронной машины изменяют подачу топлива в двигатель и ток возбуждения цепи индуктора машины постоянного тока пропорционально изменению активной нагрузки и частоты вырабатываемого тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1