Устройство для защиты бесщеточной синхронной машины

Авторы патента:

БИРЮКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

КРУГЛЫЙ АЛЕКСАНДР АРОНОВИЧ

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союэ Советских

Социалистических

Респубпик

{ii>920939 (6f) Дополнительное к авт. свид-вувЂ” (22) Заявлено 230580 (21) 2930269/24-07 с присоединением заявки ¹â€” (23) ПриоритетОпубликовано 150482. Бюллетень ¹ 14 (31 f М. Кл.з

Н 02 Н 7/06

Н 02 Н 7/08

Государственный номитет

СССР но делам изобретений и открытий

f 33) УДК 621 ° 316. . 925 (088. 8) .Дата опубликования описания 150482 (72) Авторы изобретения

Ю.A. Бирюков И А.А. Круглый (71) Заявитель

Всесоюзный научно-исследовательский институ электромашиностроения (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗИЦИТЫ БЕСЩЕТОЧНОЙ

СИНХРОННОЙ NAMHHbl

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты бесщеточных синхронных машин.

Известен способ защиты бесщеточной синхронной машины, использующий в качестве источника тока Возбуждения обращенный синхронный генератор.

По.этому способу моделируется ЭДС главной синхронной машины, сравнивается с током возбуждения обращенного синхронного генератора и в случае нарушения определенной зависимости между укаэанными величинами подается сигнал на выходной орган защи ты (1).

Однако устройство защиты, построенные на этом принципе, достаточно сложны (2}.

Известен также способ защиты автономной электрической машины, в котором для упрощения выделяют сигнал, пропорциональный току обмотки возбуждения машины, пропорциональный току обмотки якоря этой же машины, сравнивают эти сигналы и в случае отличия разности сигналов от нуля фиксируют внутреннее короткое замыкание (3).

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является основанное на этом способе устрой-: ство, в котором в качестве датчика тока якоря обращенного синхронного генератора возбудителя применена обмотка, размещенная между его полюсами по поперечной оси. Указанная обмотка подключена к одной из обмоток дифференциального реле, представляющего собой измерительный орган устройства защиты. Другая обмотка этого реле подключена к датчику тока (напряжения) возбуждения обращенного синхронного генератора, а выход дифференциального реле соединен с исполнительным органом, отключающим питание цепи возбуждения. Для предотвращения ложных срабатываний защиты при форсировках между выходом дифферен.циального реле и исполнительным органом защиты включено реле времени.

Принцип действия указанного устройства основан на том, что при нормальной работе возбудителя зависимость между напряжением на выходе датчика тока якоря и током (напряжением) возбуждения обращенного синхронного генератора возбудителя носит один характер, а при внутреннем ко920939 ротком замыкании вЂ” другой. дифференциальное реле настраивается таким образом, чтобы при нормальной работе сигнал на его выходе отсутствовал.

В случае возникновения какого-либо внутреннего повреждения возбудителя напряжение на зажимах датчика тока якоря при том же значении тока (напряжения) возбуждения генератора воз будителя изменяется, баланс сигналов на входах реле нарушается и оно сра- 10 батывает., обеспечивая по истечении заданной выдержки времени отключение возбуждения (4).

Однако при экспериментальных исследованиях электромагнитных процес- (5 сов в возбудителях бесщеточных синхронных машин и работы устройств защиты, построенных по указанному принципу, установлено, что пропорциональная зависимость между током (напряжением) возбуждения и напряжением на зажимах датчика тока якоря имеет место лишь в установившихся режимах и ненасыщенном генераторе возбудителя. При значениях тока возбуждения, превышающих нбминальный, эта пропорциональность во многих случаях нарушается. Изменение коэффициента пропорциональности имеет место также в результате нагрева обмоток возбуждения главной машины и синхронного генератора возбудителя. Все это может служить причиной ложных срабатываний защиты. На надежность работы устройства влияют также ограниченные возможностй дифференциаль- З5 ных реле по регулированию их чувствительности, а также невысокая механическая устойчивость и дребезг контактов в переходных режимах из-за возникновения так называемого дина- 40 мического небаланса сигналов, возникающего вследствие различия .в постоянных времени обмоток возбуждения машины и возбудителя и реакции цепи возбуждения машины на такие внешние 45 возмущения, как резкие изменения нагрузки, короткие замыкания в сети и т..п.

Цель изобретения вЂ” повышение надежности и точности работы устройства.

Указанная цель достигается тем, что устройство для защиты бесщеточной синхронной машины, содержащее датчики тока якоря и тока (напряжения) возбуждения синхронного генератора возбудителя, подключенные на входы измерительного органа, орган времен. ной задержки и исполнительный орган, соединенные последовательно, дополнительно снабжено преобразователями сигналов датчиков тока якоря и тока (напряжения) возбуждения и корректирующим органом, причем измерительный орган выполнен в виде органа сравнения, входы которого подключены к 65 датчикам тока якоря и тока (напряжения) возбуждения через укаэанные преобразователи сигналов и имеющего два входа реагирующего органа, первый вход которого соединен с выходом органа сравнения,. а второй вход подключен к выходу одного из преобразователей сигналов. через корректирующий орган °

При этом, орган сравнения выполнен в виде соединенных последовательно сумматора, определителя абсолютной величины и ограничителя минимальной ,величины. сигнала, а регулирующий îðган вЂ” в виде реле максимального напряжения постоянного тока, к дополнительному входу которого подключен корректирующий орган, определяющий порог срабатывания реле по первому входу.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 вЂ” при-. мер ее конкретного выполнения; на фиг. 3 - типичные зависимости сигналов датчиков тока якоря и тока (напряжения) возбуждения возбудителя от тока возбуждения возбудителя.

Устройство (фиг. 1) состоит из датчиков тока якоря 1 и тока (напряжения) возбуждения возбудителя 2, преобразователей сигналов 3 и 4, измерительного блока 5, состоящего из органа сравнения 6 и реагирующего органа 7, корректирующего органа 8, органа временной задержки 9 и исполнительного органа 10.

Датчики тока якоря 1 и тока (напряжения) возбуждения генератора возбудителя. 2 выделяют сигналы в виде электрических напряжений, пропорциональных этим величинам. Полученные напряжения в преобразователях 3 и 4 приводятся к виду, удобному для введения в измерительный блок 5, т.е. выпрямляются и фильтруются. Преобразованные напряжения поступают на входы органа сравнения 6 измерительного блока, где происходят их сравнения и в случае наличия разбаланса между ними выдача сигнала рассогласования. Сигнал (напряжение) рассогласования поступает на один из входов реагирующего органа 7. При превышении сигналом рассогласования некоторого заданного значения напряжение на выходе реагирующего органа изменяется скачком, т.е. происходит преобразование аналогового сигнала в релейный постоянной величины,.Корректирующий орган 8 предотвращает появление на выходе реагирующего органа сигнала, а следовательно и ложное срабатывание защиты в установившихся режимах при нормальном состоянии системы возбуждения. Для исключения ложных срабатываний защиты в ди- намическиХ режимах предусмотрен орган временной задержки 9, который осу92С939. ществляет пропуск сигнала на вход исполнительного органа 10 лишь по истечении времени, определяемом длительностью переходных процессов в системе возбуждения.

Пример. Датчик тока якоря 1 5 (см. фиг. 2) реализован в виде,обмотки, расположенной на статоре воз- . будителя по его поперечной оси в межйолюсном окне или в полюсных наконечниках полюсов магнитной системы воз- 10 будителя. Датчик 2 выполнен как дат-. чик тока возбуждения возбудителя или пропорционального ему тока на входе тиристорного преобразователя питания обмотки возбуждения возбуди- 15 теля. Датчик представляет собой три трансформатора тока, первичные обмотки которых включены в фазы тиристорного преобразователя, а вторичныесоединены в звезду и подсоединены ко 0 входу преобразователя. 4. Преобразователи 3 и 4 содержат выпрямители и фильтры. Сумматор 5 преобразованных сигналов, входящий в орган сравнения, . выполнен по схеме сРавнения на цир" куляцию токов и содержит потенциометрические делители напряжения для подбора уровней сравниваемых сигналов, двух развязывающих и суммирующего резистора. Напряжение рассогласования с суммирующего резистора поступает на вход определителя абсолютной величины б, состоящего из двух операционных усилителей, включенных по схеме выпрямителя. Для возГ можности регулирования чувствитель- М ности устройства защиты к тому или иному виду повреждения усилители ох,вачены регулируемой отрицательной обратной связью..Развязка выходов усили-. телей и ограничение с целью повышения40 помехоустойчивости нижнего уровня выходного сигнала осуществляется с помощью ограничителя минимальной величины 7, состоящего в простейшем случае из диодов, соединенных по схе-45 ме ИЛИ, и эмиттерного повторителя, согласующего. выход схемы сравнения со входом реагирующего органа 8 ° Реагирующий орган реализован в видЕ триггера Шмидта, имеющего два входа.

Для коррекции использован принцип изменения чувствительности реагирующего органа в функции одного из входных сигналов устройства защиты.

Так как напряжение на выходе преобразователя сигнала тока возбуждения. возбудителя 4 сохраняет свою пропорциональность вызвавшей его величине практически во всех режимах, то это делает его наиболее удобным для использования в корректирующем органе.

В качестве корректора сигнала реагирующего органа применен составной эмиттерный повторитель 8, вход которого подключен к выходу преобразователя 4, а выходной каскад включен 65 между общей точкой эмиттеров триггера Шмидта 8 и источником положительного смещения. Так как нарушение пропорциональности между сравниваемыми величинами обычно имеет место при больших значениях тока возбуждения, то нет необходимости производить коррекцию сигнала во всем диапазоне работы защиты. Для этой цели на входе корректора включен пороговый элемент вЂ” стабилитрон. Для ограничения области коррекции сверху (из условия обеспечения работы триг гера во всей зоне больших токов) между общей точкой источника питания и входом корректора 9 включен второй стабилитрон. Орган временной задержки

10 выполнен на основе активно-емкостного (RC) контура. Для фиксации уровня срабатывания органа временной задержки его выход через эмиттерный повторитель и опорный стабилитрон подключен к исполнительному органу

11, представляющему собой транзисторный усилитель, в коллекторную цепь которого включено исполнительное реле. Для предотвращения дребезга реле и фиксации срабатывания защиты выходной транзистор зашунтирован замыкающимся контактом этого реле, с помощью которого оно становится на самоблокировку. Сброс реле в исходное состояние может осуществляться как по сигналу из внешней схемы, так и в самом устройстве путем снятия питания или разрыва цепи блокирующего контакта.

Устройство работает следующим об" разом (см. фиг. 2).

При отсутствии повреждений в возбудителе и малых величинах приращений тока возбуждения возбудителя в единицу времени сигналы датчиков 1 и 2 изменяются практически пропорци; онально друг другу. Поэтому сигнал рассогласования на выходе орган сравнения (сумматор 5 вЂ” определитель абсолютной величины б вЂ” ограничитель минимальной величины 7) также равен нулю. Схемный небаланс внутри органа сравнения легко устраняется путем изменения уставки потенциометров сумматора 5.

При быстром изменении тока возбуждения возбудителя (например, форсировке) или внезапном изменении нагрузки машины возникает явление динамического разбаланса, когда пропорционал ная зависимость между токами якоря и обмотки во збуждения возбудителя, а следовательно и сигналами датчиков, нарушается и на выходе органа сравнения появляется сигнал рассогласования, ко орый в случае. его достаточной, величины вызывает срабатывание реагирующего органа (триггера 8). Транзистор выходного каскада триггера закрывается

920939

15 е

60 и начинается заряд конденсатора Rcконтура органа временной задержки 10

Так как время заряца конденсатора. до напряжения срабатывания порогового элемента стабилитрона выбирается большим длительности переходного процесса, то срабатывания защиты не происходит. Как только сигнал рассогласования уменьшится до напряжения возврата триггера, последний закрывается и конденсатор органа временной задержки 10 быстро разряжается. В случае возникновения длительной форсировки, достига щей, например, для синхронных компенсаторов двухкратной величины от номинального тока возбуждения, возбудитель может оказаться в зоне насыщения. Кром того, здесь начинает сказываться явление теплового увода. Все это вызывает изменение коэффициента пропорциональности между сравниваемыми величинами и .возникновение значительного напряжения рассогласования на выходе органа сравнения. Увеличение зоны нечувствительности путем изменения коэффициентов усиления операционных усилителей определителя максимальной величины б ограничивается условиями обеспечения срабатывания защиты в зоне малых токов при возникновении повреждения. Корректор .9, вводя смещение в эмиттерную цепь триггера 8, в функции изменения тока возбуждения возбудителя изменяет чувствительность (порог срабатывания триггера пб основному входу) и тем, самым предотвращает его срабатывание (см. фиг. 3) .

При возникновении повреждения в возбудителе, например пробое вентиля вращающегося выпрямителя, возникает режим несимметричного короткого замыкания возбудителя и на зажимах датчика тока якоря возникает напряжение, в 5-10 раз превьыающее напряжение, осуществляющее до момента повреждения (напряжение Uq на фиг. 3) .

В результате на выходе органа сравнения (ограничителя минимальной величины 7) появляется сигнал, достаточный для срабатывания триггера 8. По истечении выдержки времени органа временной задержки 10 открывается транзистор и срабатывает реле исполнительного органа 11. С помощью контактов этого реле включается сигнализация о наличии повреждения и от- . ключается возбуждение возбудителя.

С помощью еще одного контакта осуществляется ввод сигнала об аварии в схему защиты синхронной машины и при необходимости ее отключение.,При другом виде йовреждения возбудителяпробое нескольких вентилей в одной из групп вращающегося выпрямителя, возникает режим симметричного короткого замыкания якоря возбудителя.

При таком виде короткого замыкания реакция якоря действует главным образом по продольной оси и напряжение на зажимах датчика тока якоря резко уменьшается(напряжение UI4 на фиг. 3) °

Напряжение разбаланса на суммируЮщем резисторе сумматора 5 меняет знак и пропуск этого сигнала осуществляет другой операционный усилитель определителя абсолютной величины б., Дальше схема работает аналогично описанному ранее случаю.

Данное устройство может быть использовано для эффективной защиты возбудителей бесщеточных синхронных генераторов, двигателей и компенсаторов от длительного протекания сверхтоков, вызываемых такими аварияяи внутри возбудителя, как повреждение вентилей вращающегося выпрямителя (управляемого или неуправляемого), короткими замыканиями в обмотке якоря генератора возбудите ля и на его зажимах. Применение данного устройства позволяет исключить ложные срабатывания защиты в динамических режимах работы системы возбуждения и самой синхронной машины, а также в предельных режимах возбуждения (форсировка). Укаэанное .Устройство выполняет также функции за-щиты от потери возбуждения. Так, в возбудителе, в котором вращающийся выпрямитель выполнен без предохранителей, при повреждении одного или нескольких вентилей этого выпрямителя происходит частичная или полная потеря возбуждения, при которой дальнейшая работа-машины становится невозможной. Таким образом, технико40 экономический эффект от применения данного устройства защиты складывается из экономии от сокращения простоев, связанных с ложным срабатыванием защиты, снижения ущерба при авариях, повышения надежности работы самого устройства и экономии, связанной с отсутствием необходимости разработки Устройства защиты от потери возбуждения в роторе беащеточной син-. хронной машины. Кроме того, расширяются возможности по наладке и выбору оптимального режима работы защиты. формула изобретения1. Устройство для защиты. бесщеточной синхронной машины, содержащее датчики тока якоря и тока (напряжения) возбуждения синхронного генератора возбудителя, подключенные на входы измерительного органа, орган временной задержки,и исполнительный орган, соединенные последовательно, отлич ающеес ятем, что, с целью повышения надежности и точности

920939

1.0. работы, оно дополнительно снабжено преобразователями сигналов датчиков тока якоря и тока (напряжения) вбзбуждения и корректирующим органом, причем измерительный орган выполнен в виде органа сравнения, входы кото- 5 рого подключены к датчикам через указанные преобразователи сигналов, и имеющего два входа реагирующего органа, первый вход которого соединен с выходом органа сравнения,. а. вто-, !О рой подключен к выходу одного из преобразователей сигналов через корректирующий орган.

2 ° Устройство tIQ па 1 у О т л и ч а ю щ е е с я тем, что орган сравнения измерительного органа выполнен в виде последовательно соединенных сумматора, определителя абсолютной величины и ограничителя минимальной величины сигнала, а реагирующий орган вЂ” a виде реле максимального напряжения постоянного тока, к дополнительному входу которого подкпючен корректирующий орган.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 262231, кл. Н 02 Н 7/06, 1970.

2. Патент ФРГ 9 1588470, кл. Н 02 Н 7/00, 1967.

3. Авторское свидетельство СССР

9 424271, кл Н 02 Н 7/06 1974.

4. Авторское свидетельство СССР

М 432638, кл. Н 02 Н 7/06, 1974.

920939

1 ма ВозйреУемФМ ЙйуЗии еля (Р Х

Составитель Т. Щеголькова

Техред C Мигунова Корректор,14. Коста