Автоматические регуляторы возбуждения синхронных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматические регуляторы возбуждения синхронных машин



1. Развитие сильного регулирования возбуждения синхронных машин

Первый АРВ сильного действия на электронных лампах был создан в конце 50-х годов для регулирования возбуждения гидрогенераторов Волжской ГЭС им. В.И. Ленина [42]. Он имел ПД-закон регулирования напряжения с коэффициентом усиления по пропорциональной составляющей К_0u = - 50 е.в.н./е.н. и использовал в качестве параметров стабилизации первую и вторую производные тока линии или среднего тока параллельно работающих генераторов. Последовавшие за этим разработки были направлены на совершенствование структуры и конструкции регуляторов, повышение надежности их работы. Предпочтение было отдано стабилизации по изменению и по первой производной частоты напряжения генератора [43], что позволило значительно упростить схему подключения и условия эксплуатации регулятора, сделав его независимым от коммутаций в первичной схеме станции. Для повышения надежности усилители на электронных лампах были заменены быстродействующими магнитными усилителями [44]. АРВ сильного действия на магнитных усилителях со стабилизацией «по частоте» были внедрены на Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС [45], Братской и Асуанской ГЭС [46].

На этой первой стадии работ по созданию и внедрению АРВ для каждой новой электростанции разрабатывался по существу новый, более совершенный тип регулятора, поскольку накопленный опыт был еще недостаточен для окончательного выбора принципа действия, схемы и конструкции.

Сутью второй, закончившейся в начале 70-х годов, стадии развития АРВ стало создание унифицированного регулятора АРВ-СД для всех типов синхронных машин (гидро-, турбогенераторов и синхронных компенсаторов) в составе различных типов систем возбуждения (независимых, систем самовозбуждения и бесщеточных) [47]. Серийный выпуск его продолжался до 1983 г.

АРВ-СД осуществлял пропорционально-дифференциальное регулирование напряжения статора с фиксированным коэффициентом по отклонению напряжения, равным 15, 25 или 50 е.в.н./е.н. Стабилизация режима обеспечивалась сигналами изменения и первой производной частоты напряжения статора, а также первой производной

тока ротора. Предусматривался охват возбудителя жесткой (ЖОС) и гибкой (ГОС) обратными связями по напряжению ротора. Наряду с традиционными функциями поддержания напряжения и обеспечения устойчивости регулирования АРВ-СД выполнен также ряд дополнительных функций по защите генератора и автоматизации технологических процессов, тем самым существенно повышая надежность работы основного оборудования. По объему функций и алгоритмическому обеспечению он превосходил зарубежные разработки того времени.

Было разработано достаточно подробное математическое описание регулятора АРВ-СД, выполненного по проектной схеме [55 - 58]. Однако параметры магнитных усилителей имели большой разброс, поэтому на каждом генераторе в процессе наладки регулятора в его схему приходилось вносить изменения в соответствии со специально разработанными рекомендациями [59, 60]. В связи с этим использование стандартного математического описания АРВ-СД не всегда корректно. Для получения достоверных результатов требуется уточнение параметров АРВ-СД конкретной станции. Исходными данными для такого уточнения могут служить статические и частотные характеристики звеньев и каналов регулирования, определенные после внесенных в процессе наладки изменений схемы регулятора. Если частотные характеристики какого-либо элемента регулятора отсутствуют, допустимо использование стандартного математического описания этого элемента с обязательной проверкой интегральных характеристик канала, в который он входит.

Развитие микроэлектронной техники вызвало моральное старение регулятора АРВ-СД. Поэтому в 1977 г. был разработан унифицированный полупроводниковый регулятор возбуждения типа АРВ-СДП [48, 49] на базе полупроводников и интегральных микросхем. Структурно и алгоритмически он повторял АРВ-СД, были также повторены многие узлы прототипа (промежуточные трансформаторы, потенциал-регулятор в блоке уставки и т.д.). Этой переходной моделью были оснащены шесть гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС, что позволило накопить опыт эксплуатации полупроводниковой аппаратуры. Затем серийный выпуск был прекращен.

Последним полупроводниковым регулятором аналогового типа стал регулятор АРВ-СДП 1 [41], которым с 1982 г. оснащаются все синхронные генераторы мощностью от 63 МВт и выше. Это по существу компактный, высокотехнологичный специализированный аналоговый измерительно-вычислительный комплекс, дополненный релейной аппаратурой и по своим характеристикам (табл. 4.1) намного превосходящий предыдущие образцы. По сравнению с предшественниками он выполняет большее количество функций, структурно отличается частотно-зависимой характеристикой канала регулирования напряжения, что повышает качество поддержания напряжения, увеличивает устойчивость регулирования и инвариантность настройки к изменению режима работы генератора и сети за счет динамического снижения коэффициента усиления по отклонению напряжения в области частот собственных колебаний.

Сравнительные показателя регуляторов возбуждения

Показатель	Тип регулятора
	АРВ-СД	АРВ-CДП	АРВ-СДП1
Масса регулятора, кг встраиваемый вариант в отдельном шкафу Потребляемая мощность, В-А по цепям питания по цепям измерения тока по цепям измерения напряжения Максимальный коэффициент регулирования по напряжению, е. в. н./е. н. Точность работы ограничения тока возбуждения, % Коэффициент готовности	- 1010 1500 390 120 50 ± 10 0.99	- 700 500 120 63 75 ± 10 0.995	48 250 50 10 10 200 ±5 0.999

Созданием и внедрением в эксплуатацию АРВ-СДП1 завершилась третья стадия развития регулирования возбуждения сильного действия. В настоящее время выпускаются четыре модификации для работы в составе одно- и двухгрупповых систем возбуждения генераторов обычного исполнения и обратимых агрегатов ГАЭС. Ими оснащаются все генераторы мощностью 63 МВт и выше, выпускаемые в СНГ. Поэтому целесообразно подробно описать этот регулятор.

2. Назначение и состав АРВ-СДП1

Регулятор совместно с быстродействующей системой возбуждения выполняет большое число разнообразных функций, которые условно можно разделить на четыре группы: системные, технологические, защитные, самоконтроль и диагностика [10].

Системные функции включают в себя:

— поддержание напряжения в точке регулирования с заданными точностью и статизмом;

- обеспечение устойчивости регулирования во всех режимах работы генератора, включая холостой ход, работу в зоне искусственной устойчивости с внешним фазовым углом, приближающимся к 90°, и в режиме недовозбуждения при больших внутренних углах генератора;

- интенсивное демпфирование малых колебаний и больших по-слеаварийных качаний, возникающих в энергосистеме;

- обеспечение высокого уровня динамической устойчивости путем форсирования возбуждения вплоть до предельного значения при коротких замыканиях и набросах нагрузки во внешней электрической сети.

Технологические функции автоматизируют процессы управления током возбуждения, переходы от одного режима к другому, передачу информации о состоянии генератора и системы возбуждения. К ним относятся:

- программное начальное возбуждение генератора при пуске;

- подгонка напряжения генератора к напряжению сети при автоматической точной синхронизации или при самосинхронизации;

- дистанционное изменение уставки напряжения с блочного или общестанционного щита управления;

- обеспечение работы в системе группового регулирования напряжения генераторов электростанции;

- разгрузка генератора по реактивной мощности и программное развозбуждение при плановом останове генерирующего агрегата;

- поддержание по получении команды постоянства тока ротора;

- постоянная подгонка уставки, обеспечивающая равенство выходных напряжений основного и резервного регуляторов при работе системы возбуждения на резервном АРВ.

Реализация системных и технологических функций может привести к изменению регулирующего сигнала, выводящему режим работы генератора или системы возбуждения за допустимые границы. В этом случае необходим переход с основного алгоритма работы АРВ на защитный, который обеспечит возврат режима в допустимые границы. В зависимости от характеристик основного оборудования этот возврат может происходить либо безынерционно, либо с определенной выдержкой времени.

К защитным функциям относятся:

- ограничение максимального тока ротора с учетом теплового состояния генератора и числа исправных вентилей преобразователя;

- ограничение перегрузки по токам ротора и статора в соответствии с заданными тепловыми характеристиками генератора;

- ограничение минимального возбуждения с уставкой, зависящей от величины активной мощности генератора и обусловленной допустимым нагревом торцевой зоны статора;

- ограничение максимального напряжения статора при обрыве электропередачи и связанным с ним повышении частоты;

- пропорциональное уменьшение напряжения статора при сильном снижении частоты;

- автоматическая разгрузка по индуктивной реактивной мощности генератора при повреждении вентилей преобразователя;

- ограничение максимального напряжения ротора в бесщеточных системах возбуждения.

Функции самоконтроля и диагностики включают в себя:

- контроль соответствия величины отклонения напряжения статора и выходного напряжения регулятора;

- контроль состояния выходного усилителя;

- контроль исправности источника питания.

При несоответствии величин отклонения напряжения и выхода АРВ, при отказе выходного усилителя или потере питания регулятора блок контроля выдает команду перевода системы возбуждения на резервный регулятор.

В состав регулятора входят 16 блоков (рис. 4.1).

Блок питания (БП) подключен к трансформатору собственных нужд переменного тока системы возбуждения. Он преобразует входное трехфазное напряжение в стабилизированное напряжение постоянного тока величиной ±12.6 В, которым питаются все блоки регулятора. При отсутствии переменного трехфазного напряжения или при отказе БП происходит автоматическое переключение питания АРВ на резервный источник ИПР, подключенный к сети постоянного оперативного тока станции.

Блок уставки напряжения (БУН) формирует значение уставки регулируемого напряжения. Управление уставкой осуществляется от кнопок на лицевой панели БУН или дистанционно от ключа на блочном или общестанционном щите управления.

Блок напряжения (БН) формирует сигналы отклонения напряжения статора от заданного значения и первой производной напряжения статора.

Блок реактивного тока БРТ-1 формирует сигнал, пропорциональный реактивной составляющей тока статора генератора для реализации заданного статизма регулирования. В случае работы генераторов на общие шины статизм регулирования задается отрицательным, а при работе блока «генератор-трансформатор» - положительным. Блок реактивного тока БРТ-2 формирует сигнал, пропорциональный реактивной составляющей группы генераторов, объединенных шинами генераторного напряжения. Этот сигнал компенсирует падение напряжения в общем повышающем трансформаторе и восстанавливает требуемый статизм. Так обеспечивается устойчивая работа группы генераторов при низком статизме.

Блок токов (БТ) вырабатывает напряжения, пропорциональные токам ротора и статора, которые затем используются для ограничения перегрузок. Кроме того, БТ формирует сигнал стабилизации по производной тока ротора.

Тепловые характеристики нагрева заложены в блоке измерения перегрузки (БИП). В зависимости от величины перегрузки БИП отсчитывает допустимую выдержку времени [40] и выдает сигнал о перегреве.

Блок ограничения тока ротора (БОР) осуществляет ограничение максимального тока ротора, воздействуя на систему управления тиристорами, а также уменьшает уставку напряжения при перегреве генератора до допустимого уровня.



Форсирование возбуждения при снижении напряжения статора ниже заданной уставки обеспечивает блок форсировки (БФ). Благодаря этому обеспечиваются высокие пределы динамической устойчивости.

Блок ограничения минимального возбуждения (ОМВ) осуществляет защиту торцевых зон статора от недопустимого нагрева. В него закладывается граница допустимых режимов [40] в координатах активной и реактивной составляющих тока статора. При выходе режима работы генератора за ее пределы безынерционно увеличивается уставка напряжения статора. Если конструкция генератора исключает перегрев торцевых зон, то граница ОМВ может быть перестроена на ограничение внутреннего угла генератора (ограничение по устойчивости).

Сигналы стабилизации, пропорциональные изменению и первой производной частоты напряжения, формирует блок частоты и защиты (БЧЗ). При одновременном увеличении напряжения статора, частоты и производной частоты, что характерно при обрыве электропередачи, выход БЧЗ блокируется с целью исключения ложного форсирования.

Подгонка напряжения генератора к напряжению сети при автоматической точной синхронизации и самосинхронизации осуществляется блоком подгонки (ПУН). После окончания подгонки ПУН выдает соответствующий сигнал.

Суммирование и усиление сигналов регулирования и стабилизации происходят на блоке усиления (БУ). Его выходной сигнал является выходом АРВ, поэтому БУ осуществляет гальваническую развязку между цепями АРВ и системы управления тиристорным преобразователем (СУТ).

3. Типовые узлы регулятора

Блоки АРВ-СДП1 спроектированы из ряда типовых узлов. Рассмотрим наиболее характерные из них.

Синхронный фильтр

Синхронный фильтр (СФ) предназначен для формирования аналогового сигнала, равного среднему значению входного напряжения. При этом он подавляет переменную составляющую входного напряжения частоты, равной частоте сигнала управления и кратной ей. Фильтр состоит из операционного усилителя, собранного по схеме интегратора, и трех транзисторов (рис. 4.2). Транзистор Т1 работает в режиме ключа и управляется от Т2. На двойном транзисторе ТЗ собран истоковый повторитель.

Синхронный фильтр

Рассмотрим работу СФ при скачкообразном изменении входного напряжения, произошедшем в середине периода управляющего сигнала (момент времени t₀, рис. 4.3).

В исходном состоянии (t <t₀) ток, протекающий по цепи R5-R6 - R8, создает положительное падение напряжения на базе транзистора Т2 по отношению к его эмиттеру. При этом Т2 открыт и отрицательное напряжение источника питания поступает на затвор транзистора 77, тем самым запирая его. Закрытое состояние Т1 соответствует разомкнутому состоянию ключа. В этом случае отсутствует цепь заряда и разряда конденсатора СЗ и его напряжение остается неизменным при изменении входного напряжения и напряжения интегратора. В момент времени t₀, соответствующий фронту входного сигнала, операционный усилитель начинает интегрировать. В момент времени t₁, соответствующий изменению полярности управляющего сигнала с положительной на отрицательную, импульс отрицательной полярности запирает транзистор Т2. Напряжения на истоке и затворе T1 становятся равными, и ключ замыкается. Происходит заряд конденсатора СЗ через резистор R4 до напряжения интегратора. Очевидно, что заряд СЗ произойдет до указанной величины только в том случае, если постоянная времени заряда, равная T₃ = R₄C₃, будет меньше 4-кратной длительности импульса, определяемой параметрами дифференцирующей цепи C2-R5-R6-R8. Напряжение на истоке транзистора ТЗ (выход синхронного фильтра) повторяет напряжение конденсатора СЗ. Следовательно, в момент времени t₁ будет справедливо равенство

где ф - период управляющего сигнала.

Временные диаграммы работы синхронного фильтра

На интервале времени [t₁, t₂] интегрируется алгебраическая сумма входного и выходного напряжений, и в момент времени t₂, когда произойдет очередное замыкание ключа T1, будет справедливо новое равенство



Постоянная времени интегратора равна периоду управляющего сигнала

При этих условиях в момент времени t₂ амплитуды входного и выходного сигналов станут равными.

В дальнейшем выходное напряжение меняться не будет, так как прекратится процесс интегрирования ввиду равенства нулю подынтегральной функции.

Особый интерес вызывает многофазный синхронный фильтр, представляющий собой совокупность синхронных фильтров, на вход которых подается одинаковое напряжение, а фазы управляющих сигналов сдвинуты на 2р/n (n - число фаз). Очевидно, что передаточная функция многофазного дискретизатора, определенная как реакция на единичный входной сигнал, имеет вид:

Амплитудно-фазочастотная характеристика синхронного фильтра

Точками отмечены результаты эксперимента.

Передаточная функция интегратора, входящего в состав синхронного фильтра, определенная аналогичным образом, может быть записана в виде:

Передаточная функция многофазного синхронного фильтра будет иметь вид:

Сравнение расчетной частотной характеристики СФ с экспериментальной (рис. 4.4) показывает, что они отличаются не более чем на 2% по амплитуде и 3° по фазе. Это различие можно объяснить разбросом параметров элементов, входящих в схему.

Фазочувствительный выпрямитель

В состав фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ) входят операционный блок и четыре транзистора: ТЗ и Т4 работают в ключевом режиме и управляются транзисторами Т1 и Т2 соответственно (рис. 4.5).

При наличии на управляющем входе напряжения отрицательной полярности на базе T1 будет отрицательный потенциал по отношению к эмиттеру. Он открывает транзистор. При этом напряжения затвора и истока ТЗ становятся равными и ключ, собранный на ТЗ, замыкается. Ток по цепи эмиттер-коллектор Т1-R3-R4 вызывает положительное падение напряжения на базе Т2 относительно его эмиттера. Транзистор Т2 открывается, и отрицательный потенциал поступает на затвор Т4. При этом ключ, собранный на Т4, разомкнется. Замкнутому ключу ТЗ и разомкнутому Т4 соответствует коэффициент передачи операционного усилителя К = - R₈/R₆.



Положительное напряжение на управляющем входе запирает транзистор Т1. Напряжение отрицательной полярности через резисторы R4, R3 поступает на затвор ТЗ. Ключ на транзисторе ТЗ размыкается. При отсутствии тока в резисторе R4 напряжения базы и эмиттера Т2 становятся равными; Т2 запирается. Отсутствие тока через него уравнивает потенциалы истока и затвора Т4, и ключ, собранный на нем, замыкается. Разомкнутому ключу ТЗ и замкнутому ключу Т4 соответствует коэффициент передачи операционного усилителя

Номиналы резисторов R8 и R6 выбраны равными. В этом случае:

Управляемый интегратор

Управляемый интегратор (ИНТ) формирует сигнал, пропорциональный величине определенного интеграла входного напряжения на интервале времени между двумя управляющими импульсами. ИНТ собран на операционном усилителе и двух транзисторах (рис. 4.6). Входной сдгнал через сопротивление R3 подается на инвертирующий вход усилителя; управляющее напряжение через R1 поступает на базу Т1. Сигнал управления положительной полярности, создавая положительное падение напряжения базы Т1 относительно эмиттера, открывает его. Отрицательное напряжение источника питания через эмиттер-коллектор Т1 поступает на затвор Т2, собранного по схеме ключа. Отрицательное напряжение затвора размыкает ключ, и операционный усилитель становится интегратором, т.е.

При отрицательном напряжении управления Т1 закрывается, и положительное напряжение источника питания через резистор R5 подается на затвор T2. Положительный потенциал затвора T2 замыкает ключ, закорачивая тем самым вход и выход операционного усилителя. В этом случае

Таким образом, в зависимости от полярности управляющего сигнала рассмотренное устройство осуществляет интегрирование входного напряжения или обнуление выходного сигнала.



Быстродействующее запоминающее устройство

В состав быстродействующего запоминающего устройства (БЗУ) входит операционный усилитель и три транзистора (рис. 4.7). На Т2 собран полупроводниковый ключ, который управляется. Т1. Транзистор с изолированным затвором ТЗ работает в режиме истокового повторителя и служит для увеличения входного сопротивления операционного усилителя.

При отрицательном напряжении управления Т1 закрыт и ключ, собранный на Т2, замкнут. Схема становится эквивалентной апериодическому звену первого порядка:

Через промежуток времени, превышающий три постоянных времени, на выходе усилителя установится напряжение, пропорциональное величине входного сигнала.

При поступлении на управляющий вход напряжения положительной полярности полупроводниковый ключ разомкнется. Напряжение выхода усилителя сохранится и не будет меняться при изменении входного сигнала, так как разомкнутый ключ разорвет цепь разряда конденсатора.



4. Устройство и работа блоков регулятора АРВ-СДП1

синхронный статор уставка регулятор

Блок напряжения

Блок напряжения (БН) формирует аналоговые сигналы, пропорциональные отклонению напряжения статора от заданного значения и первой производной напряжения статора. В его состав входят три компаратора (К1-КЗ), три усилителя (У1-УЗ), три синхронных фильтра (СФ1-СФЗ), интегратор (И) и дифференциатор (Д) (рис. 4.8). На вход поступают синусоидальные напряжения, пропорциональные линейным напряжениям статора, выпрямленное напряжение, среднее значение которого пропорционально среднему значению напряжения статора, а также аналоговые сигналы, формирующие задание. В их число входят: уставка напряжения от БУН и БОР, реактивные токи генератора и группы генераторов от БРТ-1 и БРТ-2, сигнал, пропорциональный частоте от БЧЗ, а также выходное напряжение блока ОМВ. Сигналы, пропорциональные реактивным токам генератора и группы генераторов, необходимы для создания требуемого статизма регулирования. Сигнал, пропорциональный частоте, служит для снижения величины напряжения статора в режиме выбега. Сигналы БОР и ОМВ осуществляют ограничение возбуждения сверху и снизу соответственно. Сигналы, определяющие задание, поступают на вход усилителя У1, где алгебраически суммируются с сигналом, пропорциональным среднему значению напряжения статора. На выходе У1 образуется сигнал, пропорциональный отклонению напряжения статора от заданной величины.



Синусоидальные сигналы линейных напряжений поступают на входы компараторов и преобразуются в симметричные прямоугольные импульсы управления синхронными фильтрами. На вход синхронных фильтров подается выходное напряжение усилителя У1. Выходные сигналы фильтров, пропорциональные отклонению напряжения, суммируются на сумматоре (С). Кроме выходов синхронных фильтров ко входу сумматора подключен выход интегратора. Входы интегратора подключены к выходам усилителей У1, У 2, УЗ, причем выход УЗ (выход БН) поступает на вход интегратора через делитель S. Таким образом формируется напряжение, определяемое при отсутствии сигнала ОМВ уравнением

где К - коэффициент пропорциональности.

Уравнение сумматора и усилителя УЗ имеет вид:

Решив совместно последние два уравнения, получим:



Параметры блока напряжения выбраны таким образом, что К = = К₁ = 20 В/е.н., К₂ = 1/3, T = 0.044 с.

При положениях переключателя коэффициента усиления сигнала отклонения напряжения «25», «50», «200» значения величии делителя 5 равны 1, 1/2, 1/8 соответственно. Следовательно, при положении переключателя «200»

и осуществляется пропорционально-интегральное регулирование.

При положении переключателя «25»

и обеспечивается пропорциональное регулирование.

Сигнал производной напряжения статора формируется дифференциатором.

Блоки реактивного тока

Блоки реактивного тока (БРТ) формируют аналоговые сигналы, пропорциональные реактивным составляющим тока генератора (БРТ-1) или группы генераторов (БРТ-2). В состав каждого БРТ входят компаратор (К), усилитель (У), фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), два одновибратора (OB1, OB2), быстродействующее запоминающее устройство (БЗУ) и фильтр (Ф) (рис. 4.9). На вход БРТ поступают синусоидальные сигналы, пропорциональные линейному напряжению U_AC и фазному току I_B:



Компаратор преобразует входное синусоидальное напряжение в симметричные прямоугольные импульсы:

Функциональная схема блока БРТ

где n = 0, 2, 4,… - четные числа натурального рада.

Напряжение выхода усилителя, где осуществляется инвертирование синусоидального сигнала фазного тока, подается на фазочувст-вительный выпрямитель. При этом

Выход ФЧВ поступает на вход управляемого интегратора. В момент времени t= р (n + 1)/щ и напряжение на выходе УИ будет



В момент времени t = р (n + 2)/щ напряжение выхода УИ равно

Таким образом, в моменты перехода линейного напряжения через ноль напряжение на выходе управляемого интегратора будет пропорционально реактивному току. Это фиксируется быстродействующим запоминающим устройством. Рис. 4.10 иллюстрирует работу БРТ при угле сдвига между током и напряжением генератора 90°.

Временные диаграммы работы блока БРТ

Передаточная функция блока для выхода БЗУ определяется как реакция на скачкообразное изменение входного сигнала в момент времени t₀ (рис. 4.10). Она имеет вид



где ф - период напряжения и тока.

Блок частоты и защиты

Блок частоты и защиты (БЧЗ) формирует стабилизирующие сигналы отклонения частоты напряжения генератора от установившегося значения и ее первой производной, а также блокирует эти сигналы при аварийном разрыве электропередачи. В него входят: четыре компаратора (KJ-K4), одновибратор (0В), управляемый интегратор (УИ), быстродействующее запоминающее устройство (БЗУ), усилитель (У), разделительное звено (РЗ), три инвертора (И1-ИЗ), дифференциатор (Д) и исполнительное реле (ИР) (рис. 4.11).



На вход К1 подается синусоидальное напряжение, пропорциональное линейному напряжению генератора, где оно преобразуется в симметричные прямоугольные импульсы (рис. 4.12):

где k = 2n + 1, n = 1, 2, 3,… - числа натурального ряда.

С выхода компаратора сигнал поступает на входы управляемого интегратора, К2 и одновибратора. Одновибратор в моменты времени t_k формирует импульсы отрицательной полярности длительностью Т, управляющие работой БЗУ. К2 формирует прямоугольные импульсы управления интегратором в соответствии с уравнением

В моменты времени t_k напряжение на интеграторе будет пропорционально величине определенного интеграла

где ф - период входного напряжения.

Таким образом, в моменты времени t_k напряжение интегратора будет пропорционально периоду входного напряжения. В эти моменты БЗУ запоминает его и хранит на интервале [t_k, t_k+1].

Выход БЗУ поступает на вход масштабирующего усилителя, исключающего постоянную составляющую входного напряжения при номинальном значении частоты, тем самым формируя сигнал, пропорциональный отклонению периода входного напряжения от номинального значения.

Поскольку T= 1/f, для малых отклонений от номинальных значений периода ДT_u и частоты Дf_u будет справедливо:

Следовательно, напряжение на выходе усилителя будет пропорционально отклонению частоты напряжения генератора от номинального значения. Далее оно проходит последовательно через разделительное звено, инвертор И1, дифференциатор и инвертор И2, формирующий стабилизирующие сигналы по отклонению частоты от установившегося значения Дf_u и ее первой производной f'_u.

Обрыв электропередачи характеризуется одновременным нарастанием напряжения, частоты и ее производной. При увеличении напряжения статора выше определенной величины срабатывает компаратор КЗ. Если при этом сигналы частоты и ее производной больше заданных значений, то срабатывает компаратор К4, который включает исполнительное реле, блокирующее выходные сигналы БЧЗ.

Все типовые элементы АРВ-СДП1 моделируются соответствующими модулями пакета прикладных программ «Модель», позволяющими получать частотные характеристики и переходные процессы для любой точки схемы при типовых возмущениях (скачок или синусоида) на входе элемента. Благодаря этому возможно:

- обучение персонала;

- получение диаграмм напряжений в любой точке схемы;

- моделирование возможных неисправностей элементов схемы и анализ их влияния.

5. Математическая модель автоматического регулятора возбуждения АРВ-СДП1

Модель предназначена для анализа качества регулирования синхронных генераторов, оснащенных современными системами возбуждения с регуляторами АРВ-СДП1, и определения запасов устойчивости при их параллельной работе. Исходя из этого ряд блоков и каналов, не оказывающих влияния на устойчивость, исключен из рассмотрения.

Модель представляет собой совокупность передаточных функций узлов и блоков АРВ (рис. 4.13), отражающих динамические свойства регулятора в диапазоне частот колебаний от 0.2 до 5.0 Гц. Физическими входами АРВ являются периодические сигналы измерительных трансформаторов тока и напряжения, пропорциональные напряжению U_г и току I_г статора, току ротора I_f и суммарному току группы генераторов I_У. Кроме того, в бесщеточных системах возбуждения от блока обратной связи (БОС) на вход АРВ поступает сигнал напряжения ротора U_f. Измерительные преобразователи формируют на основе входной информации сигналы, которые для малых отклонений можно интерпретировать как изменение напряжения ДU_г, частоты напряжения Дf_u, реактивных составляющих тока статора ДI_Rг и группы генераторов ДI_RУ, тока ДI_f и напряжения ДU_f ротора.

Изменение напряжения ДU_г поступает на один из входов блока напряжения (БН), имеющего передаточную функцию

где



определена ранее по (4.1) - (4.3).

Параметры передаточной функции БН зависят от положения переключателя коэффициента усиления канала напряжения, расположенного на лицевой панели блока. Эта зависимость отражена в следующих значениях параметров:

Статический коэффициент передачи измерительного преобразователя равен:

На два других входа БН поступают выходные сигналы БРТ-1 и БРТ-2, пропорциональные изменениям реактивных токов генератора ДU_Rг и группы генераторов ДI_RУ соответственно. Передаточные функции БРТ-1 и БРТ-2 (4.4) равны:

Величины коэффициентов передачи БРТ-1 и БРТ-2 зависят от положения переключателей «Компенсация», расположенных на лицевых панелях блоков БН и БРТ-2 соответственно. Эти коэффициенты изменяются равными долями от нуля до максимальных значений, соответствующих 10 делениям шкал переключателей:



Знак к_брт-1 зависит от положения накладки переключения режимов работы блока, расположенной на его лицевой панели. Положительный знак соответствует режиму токовой стабилизации, отрицательный - токовой компенсации.

Передаточная функция дифференциатора канала напряжения

Передаточная функция блока частоты

Передаточная функция дифференциатора канала частоты

Передаточная функция канала регулирования по производной тока ротора

Передаточная функция канала жесткой обратной связи

Коэффициент К _ЖОС = 0ч1 в зависимости от положения переключателя «ЖОС», расположенного на лицевой панели блока форсирования (БФ).

Сигналы отклонения и производной напряжения, отклонения и производной частоты напряжения и производной тока ротора суммируются в блоке усиления, имеющем передаточную функцию

Коэффициент усиления блока усиления равен: K_БУ = 50 В/В-для статических систем возбуждения; К_БУ =115 В/В-для бесщеточных и высокочастотных систем возбуждения. При этом предполагается, что коэффициенты усиления статического и бесщеточного возбудителей составляют соответственно К_ст= 0.2 е.в.н./В; К_бщ = 0.8 е.в.н./В.

В результате на выходе АРВ формируется сигнал:

весовые коэффициенты К_1u, К_0f, К_1f, К_1if в котором имеют размерность [В/В]. Они линейно зависят от переключателей коэффициентов усиления каналов регулирования. При положении переключателей, соответствующих 10 делениям шкалы, коэффициенты равны 1. Величина коэффициента К_u всегда постоянна, не зависит от положения переключателей и равна 0.13.

При пользовании моделью следует обратить внимание на то, что все уравнения записаны в именованных единицах и отражают промежуточные переменные постоянными напряжениями в определенном масштабе. Кроме того, уравнение (4.5) учитывает тот факт, что отечественные системы возбуждения традиционно проектируются таким образом, что отрицательное отклонение U_АРВ вызывает увеличение напряжения ротора.



Граница вступления в работу канала ограничения минимального возбуждения

В режимах недовозбуждения необходим учет действия ограничителя минимального возбуждения (ОМВ), который осуществляет ограничение минимальной величины реактивного тока в зависимости от текущего значения активной составляющей тока генератора. В ОМВ имеется датчик активного тока статора с передаточной функцией

где а - угол наклона границы ограничения относительно оси активной мощности. На рис. 4.14 приведен пример определения этого угла для режима работы генератора при номинальной активной мощности.

Сигнал реактивного тока поступает на вход ОМВ через фильтр, расположенный в БРТ-1 с передаточной функцией

Выходной каскад ОМВ реализует пропорционально-интегральный закон регулирования



В итоге для учета работы ОМВ уравнение (4.5) должно быть дополнено слагаемым

где К, Т определяются в соответствии с положением переключателя К_0u, как указано выше (на с. 83); К_омв - коэффициент, линейно зависящий от положения переключателя на лицевой панели блока ОМВ. При 10 делениях шкалы этого переключателя К_омв = 1.

Математическая модель регулятора входит составной частью в модуль «Расчет переходных процессов пакета прикладных программ «Модель»» и используется в расчетах статической и динамической устойчивости синхронных генераторов, работающих в энергосистеме.

Для оценочных расчетов устойчивости математическая модель регулятора АРВ-СДП1 может быть значительно упрощена. Известно, что частота собственных электромеханических колебаний ротора большинства синхронных генераторов, работающих в энергосистеме, лежит в пределах от 0.8 до 1.1 Гц. Для данного диапазона частот уравнение регулятора запишется в виде

При этом предполагается, что коэффициенты К_1u и К_1if по-прежнему имеют размерность [В/В], К_f [В/В] = К [В/В], а переключатели коэффициентов стабилизации по отклонению и производной частоты находятся в одинаковом положении, т.е. имеют одинаковое количество делений соответствующих шкал.

Корректность упрощения подтверждается частотными характеристиками каналов регулирования. Передаточные функции канала напряжения по полной и упрощенной моделям следующие:

Передаточные функции канала стабилизации «по частоте» соответственно равны:

где К_f = К_0f = К_1f.

Для канала стабилизации по производной тока ротора

Сравнение частотных характеристик, вычисленных по (4.7) - (4.12), показывает, что замена полных уравнений математической модели упрощенными для диапазона частот 0.8-1.1 Гц приводит к погрешности не более чем 2 дБ по амплитуде и 20° по фазе, что вполне допустимо при оценочных расчетах низкочастотных границ устойчивости. Оценка высокочастотных границ устойчивости по упрощенным уравнениям приводит к большой ошибке, поэтому ими нельзя пользоваться для этих целей.

Если выразить коэффициенты усиления в именованных единицах (К_0u [е.в.н./е.н.], К_1u [е.в.н./c], К_1if [е.т.в./с], k_f [е.в.н. / Гц]), учесть все знаки в тракте регулирования и коэффициент усиления возбудителя, то обобщенное упрощенное уравнение регулирования запишется в виде

6. Четвертая стадия развития сильного регулирования возбуждения

Бурный прогресс в области полупроводниковой электронной техники, появление интегральных микросхем большой степени интеграции, микропроцессорных комплексов и микропроцессоров положили начало четвертой стадии развития аппаратуры, методов и средств автоматического регулирования возбуждения. Применение микропроцессоров позволяет отказаться от традиционной структуры системы регулирования возбуждения и пересмотреть распределение функций между ее элементами, а также стимулирует поиск новых алгоритмов реализации системных функций, в том числе перестраиваемых, и дает явный выигрыш при реализации технологических и защитных функций за счет повышения точности выполнения. Что же касается функций контроля, диагностики и сервиса, то в этом случае никакой альтернативы микропроцессорам не существует.

Внедрение на электростанциях автоматизированных систем управления технологическими процессами привело к необходимости ввести для регуляторов возбуждения новые технические требования: в том числе дистанционное управление с центрального пульта (выбор настройки, задание режимов работы); передачу информации о режиме работы на центральный пульт; прием и исполнение команд; самоконтроль и сигнализацию о неисправностях.

В начале 80-х годов были созданы опытные образцы цифровых регуляторов АРВ-СДЦ на базе микроЭВМ «Электроника 60» [51] и АРВ-СДМ на базе комплекса микропроцессорных средств управляющей вычислительной техники МСУВТ-В7 [52]. Основу цифровых АРВ составляют управляющие вычислительные комплексы повышенной надежности, содержащие две микроЭВМ. Обе они работают одновременно и независимо друг от друга, т.е. каждая получает информацию по своим каналам, обрабатывает ее и рассчитывает управляющее воздействие. На систему управления возбуждением поступает сигнал только от одной машины, ведущей в данный момент регулирование; второй процессор остается в «горячем резерве». Коммутация выходных сигналов микроЭВМ осуществляется блоком контроля исправности.

Цифровые регуляторы возбуждения реализуют значительно большее количество функций по сравнению с их аналоговыми предшественниками. В частности, в алгоритм работы регуляторов возбуждения АРВ-СДЦ и АРВ-СДМ заложено отображение информации о состоянии и режиме работы генератора и элементов системы возбуждения, что значительно облегчает наладку и эксплуатацию.

АРВ-СДМ обеспечивает практически такое же качество регулирования, как и АРВ-СД на магнитных усилителях, который он структурно и алгоритмически повторяет.

АРВ-СДЦ структурно существенно отличается от всех других разработок. Его отличительной особенностью является наличие глу-бокой жесткой отрицательной обратной связи по току возбуждения. Охват возбудителя обратной связью по току ротора в сочетании с ПИД-законом регулирования увеличивает быстродействие системы и обеспечивает увеличение статической точности регулирования. Обратная связь по току ротора явно выделяет в структуре системы регулирования исполнительное звено, получившее название регулятора тока ротора. При этом имеется возможность работы как в режиме регулирования напряжения статора, так и в режиме регулирования тока ротора.

Из-за недостаточно высокой производительности микроЭВМ, на базе которых были созданы регуляторы АРВ-СДЦ и АРВ-СДМ, оказалось невозможным полностью отказаться от узлов и блоков на полупроводниках и микросхемах малой и средней степени интеграции. Большое число аналоговых элементов и используемые микроЭВМ обусловили плохие массогабаритные показатели и высокое энергопотребление. Поэтому АРВ-СДЦ и АРВ-СДМ не получили широкого внедрения. Несмотря на это, разработка цифровых регуляторов была необходимым и полезным шагом на пути создания цифровой аппаратуры управления.

Более перспективным оказалось использование микропроцессорных комплексов в системе управления возбуждением [53]. При этом на нее возлагается большая часть защитных и технологических функций, которые раньше исполнялись регулятором возбуждения. Сохранив функции поддержания напряжения и обеспечения устойчивости генератора, регулятор, получивший название АРН, значительно упростился [54]. При его разработке были учтены изложенные в гл. 3 рекомендации о целесообразности дальнейшего уменьшения по сравнению с АРВ-СДП1 пропорциональной составляющей сигнала регулирования по напряжению в области частоты собственных колебаний агрегата. Все это повысило надежность и облегчило наладку и эксплуатацию АРН. Он выпускается в двух модификациях, предназначенных для работы в составе статической тиристорной и бесщеточной систем возбуждения, и уже внедрен на ряде тепловых электростанций.

7. Назначение и состав АРН

Автоматический регулятор напряжения (АРН) предназначен для работы в составе тиристорных систем самовозбуждения и бесщеточных систем возбуждения синхронных генераторов малой и средней мощности (от 2.5 до 63 МВт). Он реализует ПИД-закон регулирования напряжения статора генератора с компаундированием по реактивной составляющей тока статора и со стабилизацией по первой производной тока ротора. Совместно с системой возбуждения АРН обеспечивает:

- 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 U_AC. 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 U_CA 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 Е_д, 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(U_г) - характеристика холостого хода.

После перемножения выходного напряжения нелинейного блока и результирующей эдс на выходе блока произведения формируется сигнал составляющей тока ротора I_fд, 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 I_fд 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.