Интенсивное регулирование возбуждения судовых синхронных генераторов Педан, Эдуард Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава I. Исследование эффективности интенсивного регулирования возбуждения судовых СГ в аварийных режимах 14

1.1. Физические явления в начальной стадии к.з. СГ 14

1.2. Аналитическое исследование процесса к.з. при включении последовательно с обмоткой возбуждения СГ индуктивного сопротивления 19

1.3. Анализ процесса к.з. при введении в цепь возбуждения СГ активного сопротивления 38

1.4. Дефорсировка напряжения возбуждения в ударной зоне к.з 43

1.5. Экспериментальное исследование 48

Выводы 61

Глава 2. Вопросы интенсивного регулирования возбуждения судовых СГ в нормальных эксплуатационных режимах 63

2.1. Динамический режим включения нагрузки .64

2.2. Динамический режим отключения нагрузки

2.3. Оптимизация канала интенсивного воздействия по параметрам включаемой нагрузки 88

Выводы 112

Глава 3. Вопросы практической реализации охем интенсивного регулирования возбуждения 113

3.1. Влияние схемной реализации интенсивного регулирования возбуждения СГ на показатели качества регулирования в режиме включения мощной нагрузки 114

3.2. Измерительный орган быстродействующего регулятора 124

3.3. Пропорциональный и интенсивный каналы регулирования в структуре АРН 132

Выводы 142

Глава 4. Разработка АРН к синхронному генератору типа СГС-ЗОБ и устройства ограничения тока к.з. 143

4.1. Постановка задачи разработки АРН к синхронному генератору типа СГС-ЗОБ 144

4.2. Основные вопросы разработки схемы АРН к синхронному генератору типа СГС-ЗОБ 147

4.3. Испытания тиристорного регулятора 165

4.4. Устройство ограничения токов короткого замыкания 172

Заключение 176

Литература 179

• Аналитическое исследование процесса к.з. при включении последовательно с обмоткой возбуждения СГ индуктивного сопротивления
• Динамический режим включения нагрузки
• Влияние схемной реализации интенсивного регулирования возбуждения СГ на показатели качества регулирования в режиме включения мощной нагрузки
• Основные вопросы разработки схемы АРН к синхронному генератору типа СГС-ЗОБ

Введение к работе

Непрерывный рост электровооруженности судов приводит к увеличению мощности и усложнению режимов работы их электростанций. В этих условиях успешная эксплуатация судовых электроэнергетических систем (ЭЭС) возможна лишь при широком применении средств автоматики. Автоматизация ЭЭС позволяет добиться улучшения качества электроэнергии в судовой сети в статических и динамических режимах работы. Последнее особенно важно при наличии в числе потребителей электроэнергии систем управления судовыми техническими комплексами и других электроприемников, обеспечивающих движение, навигацию, борьбу с авариями и жизнедеятельность судна в целом. В связи с этим постоянно совершенствуются сиотемы регулирования параметров электроэнергии и, в частности, рассматриваемые в настоящей работе автоматические регуляторы напряжения (АРН) судовых синхронных генераторов (СГ).

На крупных современных судах уровень мощности ЭЭС достигает таких больших значений, что управление электростанцией в аварийных режимах короткого замыкания с помощью автоматических выключателей становится невозможным из-за больших значений ударных токов к.з., превышающих допустимые электродинамические токи защитных аппаратов.

Предельная коммутационная способность (ПКС) и электродинамическая устойчивость наиболее мощных существующих и разрабатываемых в Советском Союзе судовых автоматических выключателей не превышает 100-120 кА (ударный ток, амплитудное значение). Это селективные выключатели серии AM на номинальные токи 625 А и более и неселективные выключатели серии А-3700 на номинальные токи 160-630 А.

При к.з. на зажимах фидерных выключателей, установленных на ГЩ, ударный ток к.з. для всех фидеров ГРЩ практически одинаков и при обычных реактивностях судовых генераторов достигает величин 100-120 кА при мощностях электростанций, примерно равных 2-2,5 МВт. При мощности 3 МВт и больше ударные токи к.з. превышают ПКС современных автоматических выключателей, поэтому в ЭЭС большой мощности первоочередной задачей является снижение ударных токов к.з. до величин, не превышающих 100-120 кА.

В электростанциях средней и даже малой мощности фидерные автоматы иногда приходится выбирать не по номинальному току, а по их предельной коммутационной способности, т.е. приходится устанавливать более крупные автоматические выключатели. Например, для СГ мощностью 300 кВт ударный ток к.з. в фидере, с учетом подпитки точки к.з. от асинхронной нагрузки, на 10-20$ превышает ПКС автоматов АК-50 на соответствующий номинальный ток, что заставляет применять автоматы серии A-3I20, значительно превышающие автоматы АК-50 по габаритам.

Таким образом, с целью улучшения массо-габаритных характеристик судовых распредустройств, а иногда и для обеспечения принципиальной возможности создания электростанций существует задача снижения ударных токов к.з. в зависимости от условий конкретной ЭЭС на величину от нескольких процентов до десятков процентов.

На ряде современных судов, например, на плавучих кранах "Богатырь", "Витязь", мощность запускаемых асинхронных двигателей составляет в отдельных режимах до Ь0% мощности работающих генераторов. Существует тенденция увеличения коээфициента соизмеримости мощности отдельного потребителя электроэнергии и синхронного генератора. Это обуславливает необходимость применения специальных средств ограничения пусковых токов электродвигателей. Вместе с тем, совершенствование автоматических регуляторов напряжения судовых СГ позволило бы уменьшить габариты пусковых устройств (или отказаться от их использования совсем) и уменьшить провалы напряжения в режимах включения нагрузки соизмеримой мощности.

Таким образом, в настоящее время на судах актуальна задача уменьшения ударных токов к.з. и величин динамических отклонений напряжения в режимах коммутации нагрузки. Решать ее можно за счет применения таких АРН, которые обладают способностью интенсивно влиять на протекание переходного процесса. Такой регулятор должен обладать высоким быстродействием и большими уровнями управляющих воздействий и поэтому может быть отнесен к классу регуляторов возбуждения сильного (интенсивного) действия, а регулирование возбуждения в упомянутых режимах - к сильному регулированию возбуждения судовых СГ [її].

Пионерами в создании сильного регулирования возбуждения СГ являются советские электроэнергетики Лебедев СВ., Горев А.А., Цукерник Л.В., Веников В.А., Герценберг Г.Р. и др. Сильное регулирование возбуждения СГ в мощных ЭЭС расширяет возможности стабилизации напряжения и улучшения статической устойчивости, облегачет аварийные и послеаварийные режимы в случае нарушения синхронности работы генераторов.

Применительно к судовым СГ принципы сильного (интенсивного) регулирования возбуждения начали рассматриваться сравнительно недавно. В ряде опубликованных работ приводятся результаты исследований в этом перспективном направлении. К числу таких исследований относятся работы Д.В.Вилесова, Ю.А.Дубовского, В.Д.Кебко, В.П.Коваленко, С.И.Логинова, Л.З.Мадорского, В.А.Михайлова, В.А.Юхновича и др. [l5, 16, 24, 27, 41, 42, 43, 49, 50, - 8 5. 5б] .

В них производится оценка общих технических показателей систем сильного регулирования возбуждения судовых СГ, обосновывается с помощью методов оптимального управления перспективность использования интенсивных регуляторов возбуждения для улучшения качества напряжения судовых СГ, рассматриваются вопросы методов исследования процессов в судовых ЭЭС, особенности этих процессов.

Оценивая результаты исследований систем интенсивного регулирования возбуждения судовых СГ, отметим следующие достижения:

1. Показана принципиальная возможность улучшения качества напряжения в динамических режимах коммутации нагрузки СГ и дана его количественная оценка для некоторых конкретных СГ [l5, 27] при использовании интенсивного регулирования возбуждения;

2. С помощью теории оптимального регулирования определены законы регулирования возбуждения СГ, предложены варианты аналитического конструирования регуляторов возбуждения [27] ;

3. Для случая импульсно-циклической нагрузки с априорно известным законом коммутации разработаны схемы упреждающей форсировки, обеспечивающие практически инвариантность напряжения сг [бб];

4. Для бесщеточных судовых СГ разработана серия АРН, обладающих повышенным быстродействием в переходных режимах 88, 89, да] .

Несмотря на достигнутые значительные результаты выполненных ранее теоретических и экспериментальных исследований в области интенсификации регулирования возбуждения отметим, что работы в области интенсификации регулирования возбуждения судовых СГ в большинстве случаев носят чисто теоретический характер, без доведения технических решений до уровня разработки принципиальных электрических схем АРН. Вместе с тем вопросы схемной реализации не только вносят специфические особенности в характер протекания процессов в самих регуляторах и сказываются на технических характеристиках последних, но и существенно влияют на качество электроэнергии в нормальных и аварийных режимах работы электростанции. Вопросы схемных решений интенсивных регуляторов возбуждения, работающих по замкнутой схеме регулирования, и в связи с этим уточнение реализованных законов регулирования возбуждения не рассматривались. Не установлены возможности интенсивного регулирования возбуждения СГ в ударной зоне к.з. с целью уменьшения аварийных токов.

Установившиеся общепринятые методы расчетов переходных процессов в ЭЭС не позволяют в ряде случаев применить их для исследования режимов работы при интенсивных воздействиях (например, при дефореировках возбуждения, при изменениях в цепи возбуждения).

Полученные с помощью методов теории оптимального регулирования и аналитического конструирования технические предложения настолько далеки от возможности разработки по ним принципиальных электрических схем, что требует поиска других, более простых решений для реализации закона оптимального регулирования.

Таким образом, эти работы до настоящего времени не заканчивались созданием интенсивных регуляторов возбуждения к судовым СГ$ не рассмотрен весь комплекс вопросов, решение которых позволило бы создать АРН, обеспечивающий выполнение всех требований к параметрам напряжения судового СГ в динамических и статических режимах, нет оценки влияния интенсивного регулирования возбуждения на ограничение тока к.з. в ударной зоне.

Лишь на ЛЛЭО "Электросила" разработана серия СГ в бесщеточном исполнении, предназначенная заменить существующие гене - 10 раторы серии ТМВ и МСК. Большое внимание разработчики новой серии СГ уделили выбору типа бесщеточного возбудителя, схемы выпрямления выходного напряжения генератора. Генераторы новой серии обладают повышенными реактансами по продольной оси, что обеспечивает уменьшенные значения токов к.з. Для компенсации увеличения отклонений напряжения генераторов в режимах коммутации нагрузки их регуляторы выполнены с повышенным быстродействием и форсировочными способностями. Быстродействие регуляторов возбуждения генераторов обеспечивает в переходном процессе после включения нагрузки максимальные отклонения огибающей регулируемого напряжения не более значения первого провала, определяемого Х 88І,

Однако регуляторы возбуждения генераторов новой серии, разработанные ЛПЭО "Электросила", несмотря на высокое быстродействие, обладают, по мнению автора, недостаточно высокими потолочными значениями выходного напряжения и поэтому не в полной мере используют заложенные вішх возможности по улучшению динамических показателей регулирования.

Таким образом, задача уменьшения ударных токов к.з. и улучшения качества напряжения судовых сетей при коммутациях нагрузки остается актуальной.

Целью настоящего диссертационного исследования является определение эффективности интенсивного регулирования возбуждения в переходных процессах судовых СГ при коротких замыканиях и коммутациях нагрузки.

Для обеспечения возможности внедрения в практику судостроения интенсивных регуляторов возбуждения в диссертации необходимо решить следующие конкретные задачи:

I. Оценить количественно эффект ограничения ударных токов к.з. и повышения динамической точности стабилизации напряжения судовых СГ различных серий за счет интенсивного регулирования возбуждения; 

2. Разработать теоретические методы исследования, позволяющие учитывать специфические особенности процессов при интенсивных воздействиях;

3. Определить закон регулирования возбуждения, обеспечивающий минимальные длительности восстановления напряжения после возмущения нагрузкой, найти схемные решения, реализующие этот закон и одновременно обеспечивающие требуемое качество напряжения в статических режимах работы;

4. Создать автоматический регулятор, пригодный для работы в составе судовой электростанции и обладающий улучшенными показателями качества регулирования напряжения в переходных процессах в соответствии с результатами проведенных исследований; разработать устройство, реализующее воздействие на обмотку возбуждения, с целью ограничить ударный ток синхронного генератора.

Итогом работы является определение возможности уменьшения ударных токов к.з. воздействием по цепи возбуждения СГ, а также влияния сильного регулирования возбуждения на улучшение качества напряжения в динамических режимах работы СГ, разработка рекомендаций по выбору и расчету параметров схем, реализующих интенсивные воздействия.

Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории синхронной машины при переходных процессах, теории автоматического регулирования, математического моделирования, планирования эксперимента.

Рассмотрены известные методы исследования переходных процессов при к.з. СГ, показаны особенности этих процессов при различных видах интенсивных воздействий на обмотку возбуждения для ограничения ударных токов; на основе математического анализа процессов изменены существующие методики расчета токов к.з. с учетом специфики переходных процессов при интенсивном регулировании. Произведены расчетные и экспериментальные исследования режима к.з. на судовых СГ различных типов и мощностей с применением разработанных методик и средств испытания.

Проведена аналитическая и экспериментальная оценка возможностей интенсивного возбуждения по улучшению динамических показателей регулирования как в условиях идеальной работы элементов схемы регулятора, так и в условиях дополнительных ограничений, налагаемых неидеальностьго работы регулятора.

Синтезирована сравнительно простая квазиоптимальная по быстродействию структура интенсивного канала регулирования.

Проведены натурные эксперименты специально разработанных макетных АРН, реализующих идеальные условия работы интенсивных каналов регулирования на судовых СГ.

Предложены конкретные рекомендации по выбору и методам расчета схем АРЇЇ с каналами интенсивного воздействия. Результаты испытаний разработанных приборов подтверждают правильность принятых на основе проведенных исследований технических решений.

Предмет защиты составляет:

- принцип ограничения токов к.з. воздействием по цепи возбуждения;

- математические модели синхронных генераторов при различных методах интенсивных воздействий на обмотку возбуждения при коротких замыканиях, а также при коммутациях нагрузки;

-совокупность количественных характеристик, отражающих эффект уменьшения ударного тока к.з. судовых СГ в функции параметров интенсивных воздействий на обмотку возбуждения и параметров самих генераторов, а также зависимость длительностей и величин отклонения напряжения от кратностей интенсивных воз - ІЗ действий в режиме коммутации нагрузки;

- метод синтеза оптимального по быстродействию канапа интенсивного воздействия с использованием метода планирования эксперимента и исследования переходного процесса на аналоговой вычислительной машине;

- принцип построения измерительной части схемы быстродействующего интенсивного канала регулирования.

Результаты исследования носят общий характер и могут быть использованы не только в судовых, но и в других автономных электроэнергетических системах.

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы использованы при

- разработке опытного образца устройства ограничения тока короткого замыкания типа УОТ к генератору ТМВ-3-2;

- разработке автоматического регулятора напряжения типа "Уровень" к синхронному генератору СГС-ЗОБ;

- выполнении работ по научно-исследовательским темам "Черемуха", "Фаза".

Результаты работы докладывались и обсуждались на

- Всесоюзной конференции по электродвижению судов и судовому электроприводу, г.Ленинград, 1972 г.

- научно-технических конференциях Ленинградского ВВМИУ в 1971-73 гг.

- научно-технических конференциях Ленинградского кораблестроительного института в 1971-73 гг.

- заседании научно-технического совета ЦБИИ судовой электротехники и технологии в 1974 г.

По теме диссертационной работы опубликовано II статей. Новизна подтверждена 3 авторскими свидетельствами на изобретения.  

Аналитическое исследование процесса к.з. при включении последовательно с обмоткой возбуждения СГ индуктивного сопротивления

Исследование возможностей интенсификации возбуждения по ограничению ударных токов к.з. в общем виде, а также применительно к конкретным типам судовых электростанций и генераторов,наиболее удобно выполнить с помощью математических моде» лей, однако существующее математическое описание в данном случае дает недопустимо больше погрешности, т.к. интенсивное регулирование вносит специфические особенности в расчет статических и динамических режимов. Эти особенности обусловлены в первую очередь появлением дополнительных элементов в цепи индуктора генератора, предназначенных для ограничения ударных токов к.з. В связи с этим предложено математическое описание СГ с регулятором интенсивного возбуждения. Такая модель позволяет оценить количественные изменения в ударной зоне к.з. электростанций с генераторами разных типов и прогнозировать эффект уменьшения ударных токов к.з. в конкретных ЭЭС.

Для проверки выводов, полученных теоретически, проводятся экспериментальные исследования режима к.з. на различных судовых СГ. Оценка возможности уменьшения ударного тока к.з. воздействием по цепи возбуждения СГ производится с учетом результатов как теоретического, так и экспериментального исследования. I.I. Физические явления в начальной стадии к.з. СГ. Суть способа ограничения ударных токов к.з. Гб2 состоит в стабилизации (обеспечении малых изменений) тока возбуждения СГ в начальной стадии режима внезапного к.з. Физические процессы, на использовании которых основан інімчцщ" нічим этот способ, могут быть пояснены следующим образом И3 . При внезапном к.з. СГ м.д.с. реакции якоря имеет изменяющуюся во времени амплитуду и, вращаясь синхронно с ротором, индуктирует в обмотках ротора токи, влияющие в свою очередь на токи статора в сторону их увеличения. Особенно сильно это сказывается в промежуток времени, непосредственно следующий за моментом к.з. По мере затухания тока к.з. это влияние ослабляется, и при установившемся к.з. м.д.с. реакции якоря имеет постоянную во времени амплитуду и не индуктирует токов в замкнутых контурах ротора. Вследствие того, что обмотка возбуждения при внезапном, к.з. оказывается зашунтированной выходными полупроводниковыми диодами системы самовозбуждения генератора жли пренебрежимо малым сопротивлением источника э.д.с. при возбуждении от электромашинного возбудителя, всплески тока возбуждения достигают величины, на порядок превышающей значение тока возбуждения на холостом ходу генератора. Искусственное ограничение начального всплеска тока возбуждения в режиме к.з. обуславливает снижение ударного тока к.з. СГ.

Ограничение всплеска тока возбуждения может осуществляться либо путем включения в контур возбуждения дополнительных пассивных двухполюсников (индуктивных или активных двухполюсников) , либо путем приложения в момент к.з. к обмотке возбуждения источника э.д.с. обратной полярности, значительно превышающей величину напряжения возбуждения холостого хода.

Включение последовательно с обмоткой возбуждения дополнительного индуктивного сопротивления (рис.1) препятствует всякому изменению тока в контуре и ограничивает максимальный всплеск тока возбуждения при к.з. Введение большого активного сопротивления ( Rg»R0B ) между обмоткой возбуждения и возбудителем или выпрямительным мостом системы самовозбуждения приводит к быстрому затуханию переходного тока в обмотке, возникшему в ней при к.з. Однако постоянное включение такого сопротивления в цепь возбуждения не рационально вследствие больших потерь электроэнергии. Поэтому в режимах, отличных от к.з., его необходимо шунтировать коммутирующим устройством - быстродействующим автоматическим выключателем с временем срабатывания не более 2-3 мс (по типу, например, автомата АБЭ) или тиристорним ключом (рис.2).

Быстро наступающие большие всплески напряжения возбуждения, обусловленные включением последовательно с обмоткой возбуждения пассивных двухполюсников, позволяют классифицировать указанное изменение в цепи обмотки возбуждения как один из способов интенсификации регулирования возбуждения в режиме к.з. Наиболее сложным из упомянутых путей снижения всплеска тока возбуждения является дефорсировка напряжения возбуждения. Ее реализация может осуществляться двумя способами - расположением на роторе добавочной обмотки возбуждения, создающей поле обратного знака по отношению к полю основной обмотки, или применением системы возбуждения, способной изменить знак напряжения возбуждения на противоположный (рис.3).

Динамический режим включения нагрузки

Аналогично сказывается на результатах расчета варьирование параметров явнополюсного генератора MCK-I875-I500. Ожидаемое уменьшение ударного тока к.з. для него без изменения параметров (технологии изготовления) составляет при 50-кратной дефорсировке 20$ (кривая 3, рис.в).

Результаты расчета ударного тока к.з. генератора СГС« 30Б (кривая 5, рис.8) говорят о слабом влиянии дефорсировки. Это объясняется тем, что при повышенной частоте СГ (400 Гц) резко сокращается время воздействия на обмотку возбуждения интенсивного воздействия.

Расчет при варьировании параметров показал, что наибольшее влияние на ограничение ц при дефорсировке оказывает Т . При величинах Т меньших 0,05 с дефорсировка как средство ограничения [yfl весьма эффективна (например, для генератора ЕСС-61-4Ь0. Величина дефорсировки р , необходимая для заметного (на десятки процентов) уменьшения 1У9, превышает примерно в 50 раз напряжение возбуждения холостого хода. Такие величины р по условиям сохранения электрической изоляции вызывают необходимость иметь напряжение возбуждения на ненагруженном генераторе не более 10-20 В, Для увеличения эффективности дефорсиров-ки в тех случаях, где она слабо влияет на Ц , необходимо, по-видимому, принимать меры по уменьшению l j , например, введение последовательно с источником дефорсировки значительного по величине добавочного сопротивления.

Таким образом, по результатам выполненных расчетов можно сделать вывод о том, что применение дефорсировки возбуждения при к.з. СГ может быть эффективным лишь в случае номинальной частоты генератора 50 Гц. Уменьшения ударного тока к.з. генераторов частотой 400 Гц при дефорсировке ожидааь не следуй ет. Поэтому при повышенной частоте генераторов для целей ограничения ударных токов к.з. можно рассматривать лишь введение в цепь возбуждения дополнительных пассивных элементов - реактора или активного сопротивления.

Для подтверждения высказанных теоретических предположений о влиянии на ток к.з. управления возбуждением СГ была проведена серия опытов внезапного симметричного трехфазного к.з. на генераторах типов ЕСС-6ММ, МСК-83-4, СГС-ЗОБ, MC-375-I000, ТМВ-2-2, ТМВ-3-2 (диапазон мощностей от 5 до 3000 кВт). Возбуждение генераторов в опытах производилось при применении тех или иных способов токоограничения воздействием по цепи возбуждения.

Большое влияние на точность получаемых экспериментальных данных при определении ударных значений токов к.з. имеет способ обработки осциллограмм. Обычно употребляемая методика обработки осциллограмм для определения ударных значений токов к.з. предполагает осциллографирование токов в фазах, фазного (или линейного) напряжения генератора и тока возбуждения. Важным обстоятельством при эксперименте является необходимость одновременного замыкания контактов выключателя, включающего к.з., и малое сопротивление внешних соединяющих проводов в цепи якоря. В зависимости от фазы напряжения к.з. величины максимальных всплесков токов фаз могут значительно отличаться. Поэтому значение ударного тока якоря можно определить лишь после соответствующих построений зависимости tyg =f(t) в полулогарифмическом масштабе. Построение этих кривых чрезвычайно трудоемкая, требующая тщательности измерений работа. При этом фактор субъективности при измерениях может дать значительный разброс результатов.

Необходимость обработки осциллограмм по сложной методике диктуется в первую очередь тем, что фаза включения СГ на к.з. может изменяться от опыта к опыту и в связи с этим нельзя производить сравнение двух осциллограмм, снятых для одного СГ в одном масштабе, непосредственным измерением величин максимальных отклонений светового луча шлейфов тока якоря.

Методика проведения эксперимента для последующей уверенной обработки осциллограмм предполагает обязательное применение независимого возбуждения СГ от достаточно мощного возбудителя, так чтобы установившийся ток к.з. соответствовал току возбуждения в режиме холостого хода (режиму, предшествовавшему включению СГ на к.з.). Возбуждение СГ от АРН, оказывающего влияние на значение установившегося и переходного тока к.з., недопустимо, т.к. обуславливает большие погрешности при обработке осциллограмм или полную невозможносъь определения искомых параметров режима.

Чтобы избежать трудоемких построений при определении ударных токов к.з., иметь возможность возбуждать СГ от АРН в опыте и получить достоверные результаты при сравнении осциллограмм, необходимо включать к.з. в разных опытах на одной машине при одной и той же фазе линейного (или фазного) напряжения СГ. Для машин малой мощности такое включение предлагается произвести с пошщью специального тиристорного выключателя, производящего включение к.з. в момент прохождения напряжения СГ через определенную фазу, например, через 0 При этом достигается синхронность включения всех трех фаз СГ на к.з., т.к. сигнал на открытие тиристоров бесконтактного выключателя поступает одновременно на все тиристоры в строго определенный момент времени. Ориентировку момента включения быстродействующего выключателя по отношению к фазе напряжения СГ производит схема управления тиристорами.

Влияние схемной реализации интенсивного регулирования возбуждения СГ на показатели качества регулирования в режиме включения мощной нагрузки

Применение интенсивных форсирующих воздействий по цепи возбуждения величиной р = 10-20 обуславливает сокращение времени восстановления напряжения генератора после включения номинальной индуктивной нагрузки в 5-Ю раз для судовых СГ малой и средней мощности по сравнению с существующими регуляторами амплитудно-фазового компаундирования. При этом уменьшается также на 10-15$ и величина максимального отклонения напряжения.

2. В момент коммутации активной и активно-индуктивной нагрузки напряжение СГ претерпевает мгновенное изменение, величина которого определяется сверхпереходным индуктивным сопротивлением СГ по поперечной оси х и индуктивной составляющей нагрузки. Интенсивное воздействие по цепи возбуждения не может повлиять на мгновенный провал напряжения.

3. Дефорсировка возбуждения кратностью 5 при отключении номинальной индуктивной нагрузки приводит к уменьшению длительности восстановления напряжения в 4-5 раз. Такой эффект позволяет не применять более высокие кратности дефорсировки. Начальный всплеск напряжения СГ, измеренный по огибающей через ІД и 1/2 периода частоты, уменьшается на 10 и 20$ соответственно каждому из этих моментов для генераторов средней мощности и на 5 и 10$ для мощных генераторов. При использовании кратности дефорсировки более 5 эффект сокращения длительности восстановления напряжения резко ослабляется, так что при р -I0f I5 длительность восстановления остается практически неизменной.

Ц. При определении длительности восстановления напряжения СГ в переходном режиме после наброса нагрузки с применением форсировки возбуждения (при р 50) учет демпферной системы СГ практически не влияет на результат расчета, однако расчет величины провала напряжения необходимо производить с учетом демпферных контуров генератора.

5. Предложенный способ оптимизации по быстродействию канала интенсивного воздействия, основанный на исследованиях процессов на АВМ и методе планирования эксперимента, позволяет определить структуру, реализующую требуемый закон регулирования. Синтезированная таким образом структура сложна из-за необходимости безынерционного измерения величины и коэффициента мощности коммутируемой нагрузки. Однако установленная однозначная связь между требуемой длительностью интенсивных воздействий и величиной начального провала напряжения позволяет сформировать близкую к оптимальной,достаточно простую схему канала интенсивного воздействия.

В исследованиях настоящей главы выявляются особенности регулирования динамических процессов, которые вызваны конкретной реализацией устройств, осуществляющих интенсивные воздействия на обмотку возбуждения. Использование в качестве выходных силовых устройств управляемых тиристорных выпрямителей в силу особенностей их работы приводит к запаздыванию в срабатывании регулятора напряжения при снятии интенсивных воздействий. Кроме того, если схему управления выходными силовыми элементами можно выполнить быстродействующей, что соответствует идеальным условиям работы, принятым в предыдущей главе, то построение безынерционного измерительного органа вызывает трудности и требует специального рассмотрения. В главе рассматриваются также вопросы построения регулятора с учетом работы в статических режимах. Оценена возможность использования обычных каналов пропорционального регулирования напряжения по отклонению для целей интенсификации регулирования возбуждения в динамических режимах.

Влияние схемной реализации интенсивного регулирования возбуждения СГ на показатели качества регулирования в режиме включения мощной нагрузки.

В приведенных в 2.1 расчетах величины и длительности отклонения напряжения при набросах нагрузки, а также при синтезе оптимальной по быстродействию системы предполагается не только безынерционное включение релейных сигналов форсировки, но также и мгновенное отключение этих сигналов в требуемые моменты времени. Это означает, что при схемной реализации закона оптимального управления в динамическом режиме необходимо применять не только быстродействующие схемы включения форсировки возбуждения, но и искусственную коммутацию тиристоров для запирания их в нужный момент.

Основные вопросы разработки схемы АРН к синхронному генератору типа СГС-ЗОБ

Все современные автоматические регуляторы напряжения судовых синхронных генераторов содержат канал регулирования по отклонению напряжения от заданной уставки. Применение тиристоров в качестве выходных регулирующих элементов пропорционального канала повышает быстродействие АРН настолько, что регуляторы существенно влияют на динамические параметры регулирования.

Рассмотрим возможности улучшения динамических показателей качества регулирования напряжения таких быстродействующих каналов и оценим допустимость и целесообразность осуществления более высоких форсировок возбуждения с пошщью одних и тех же силовых элементов схем - тиристоров и диодов выходных мостов, а также обмоток трансформаторов напряжения, питающих выходные мосты регуляторов.

В первых работах, посвященных использованию сильного регулирования возбуждения судовых СГ [15, 27] , не предусматри1--вался специальный канал для стабилизации напряжения в статике, канал релейного регулирования осуществлял также и поддержание напряжения СГ в установившихся режимах. Наличие в структуре АРН одного лишь канала с существенно нелинейным элементом релейного типа, обеспечивающего приложение к обмотке возбуждения потолочного значения напряжения, приводит к появлению значительной низкочастотной модуляции вследствие автоколебательности регулируемого напряжения. Борьба с этим нежелательным эффектом ведется, главным образом, за счет того, что коэффициент возврата релейного элемента шсрвмяЕСялприблизить к I. Гфд коэффициентом возврата релейного элемента понимается отношение напряжения, при котором этот элемент прикладывает потолочное напряжение к обмотке возбуждения, к напряжению, при котором отключается потолочное напряжение от обмотки. Такая структура предполагает использование схем искусственной коммутации тиристорного выходного управляемого моста для возможности быстрого отключения потолочного регулирующего воздействия. Это усложняет схему. Частота переключения, как показали проведенные автором эксперименты, при приемлемом уровне амплитуды низкочастотной модуляции регулируемого напряжения должна примерно на порядок превышать номинальную частоту СГ. Массо-габаритные показатели и к.п.д. АРН при столь высокой частоте переключений ухудшаются, так что необходимо искать другие способы уменьшения амплитуды низкочастотной модуляции.

Наиболее простым способом уменьшения низкочастотной модуляции регулируемого напряжения при наличии одного лишь канала интенсивного воздействия представляется применение широтно-импульсной модуляции выходного напряжения регулятора. При этом в статических режимах работы за счет уменьшения угла открытого состояния выходных тиристоров регулятора к обмотке возбуждения оказывается приложенным не потолочное регулирующее воздействие, а значительно меньшее. 8а счет изменения угла открытого состояния выходных тиристоров регулятор может осуществлять отрицательную обратную связь по отклонению регулируемой величины от номинала, изменяя по существу среднее значение приложенного к обмотке возбуждения напряжения. Тогда в статических режимах такой регулятор обеспечивает пропорциональное, а в динамических (за счет полного открывания выходных тиристоров) релейное регулирование возбуждения с потолочными значениями прикладываемых напряжений.

Требуемая кратность форсирующего воздействия в режиме на-броса нагрузки обеспечивается соответствующим расчетом коэффициента трансформации по напряжению той обмотки, которая питает выходной управляемый выпрямительный мост при его полностью открытом состоянии. В режиме холостого хода СГ угол открытия существенно уменьшается, так что при больших кратностях потолочного значения выходного напряжения абсолютная величина угла открытого состояния тиристоров моста становится весьма малой. При этом трудно обеспечить симметричное во времени открытие тиристоров различных вентильных групп моста. Неравенство углов открытия тиристоров в различных вентильных группах приводит к появлению постоянной составляющей тока обмотки напряжения, питающей выходной выпрямитель, трансформатор подмагничивается. Подмагничивание трансформатора приводит, в частности, к дополнительному нагреву и, следовательно, к необходимости увеличивать его габариты. Из опыта разработки и настройки тиристорных АРН можно считать приемлемой величину угла открытого состояния тиристоров на холостом ходу dxx , лежащую в диапазоне с хх = 10-15 эл.град. При меньших сХкх обеспечить работу трансформатора напряжения, питающего выпрямитель, без подмапшчивания его постоянным током не удается.