Патент на изобретение №2190917

(54) СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ВОЗБУЖДЕННОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С СЕТЬЮ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для снижения длительности точной синхронизации и включения синхронной машины в сеть. Технический результат заключается в уменьшении длительности синхронизации. В способе синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью подключенная машина возбуждается при подходе к подсинхронной частоте, затем задается непрерывное изменение частоты напряжения возбуждающей синхронной машины так, чтобы при этом изменении она перешла частоту сети, после этого перехода прогнозируется момент совпадения фаз, и в этот момент возбужденная синхронная машина включается в сеть. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при подключении к энергосистеме возбужденной синхронной машины, преимущественно электрогенератора.

Известен способ синхронизации, состоящий в регулировании частоты возбужденной синхронной машины до совпадения частот машины и сети, ожидании момента совпадения фаз машины и сети и включении машины в сеть в момент совпадения фаз [В.Н. Константинов. Синхронизация судовых синхронных генераторов. Л., “Судостроение”, 1965, с.256-267].

Недостатком этого способа является большая длительность синхронизации из-за длительности подготовки частоты и большого периода между моментами возможного подключения к сети.

Наиболее близок к изобретению способ синхронизации возбужденной синхронной машины, состоящий в регулировании частоты до получения допустимого скольжения, ожидании момента совпадения фаз и включении машины в сеть в момент совпадения фаз. При этом введены операции, обеспечивающие оптимизацию переходного процесса при установлении заданного скольжения [А. с. СССР 1043787, Н 02 J 73/40, 1983]. Этот способ принят за прототип.

Недостаток прототипа состоит в большой длительности синхронизации, поскольку эта длительность складывается из двух последовательных во времени процессов: сначала происходит точная подгонка частоты машины (допустимое скольжение 0,05. . . 0,2 Гц, т.е. частота должна поддерживаться с точностью 0,1%) и затем ожидание совпадения фаз на этой частоте. Точная подгонка требует малых изменений расхода топлива в приводном двигателе, в итоге процесс подгонки идет медленно и занимает минуты. Этот недостаток особенно заметен при использовании газотурбинных установок на базе авиационных двигателей, у которых время пуска от нажатия кнопки до холостого хода составляет 2 мин. Эти установки можно использовать для экстренного восполнения дефицита мощности, но длительность синхронизации серьезно ограничивает эту возможность.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в уменьшении длительности синхронизации.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе синхронизации возбужденной электрической машины, при котором регулируют частоту напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измеряют разность фаз, включают машину в сеть в момент совпадение фаз, согласно изобретению при частоте напряжения возбужденной синхронной машины ниже, чем частота сети, увеличивают частоту напряжения возбужденной синхронной машины до уровня большего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет больше частоты сети.

Кроме того, указанный технический результат достигается также тем, что в способе синхронизации возбужденной синхронной электрической машины с сетью, при котором регулируют частоту напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измеряют разность фаз и включают машину в сеть в момент совпадения фаз, согласно изобретению при частоте напряжения возбужденной синхронной машины выше, чем частота сети, уменьшают частоту напряжения возбужденной синхронной машины до уровня меньшего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет меньше частоты сети.

Кроме того, изменение частоты напряжения возбужденной синхронной машины производят с постоянным ускорением, не превышающим половины квадрата частоты скольжения.

При этом для повышения точности синхронизации вычисляют вторую производную разности фаз и определяют момент совпадения фаз при постоянной второй производной разности фаз.

Способ исключает операцию точной подгонки частоты машины. Для обеспечения минимального толчка при включении машины в сеть определяющей является не разность частот, и тем более не постоянство этой разности, чего добивались в прототипе, а совпадение фаз, что может быть достигнуто и при переменной частоте машины. При росте частоты машины, начиная от частоты сети, проходится весь диапазон малых скольжений и имеется достаточно времени для совпадения фаз.

Как правило, включение в сеть происходит при первом совпадении фаз при частоте напряжения возбужденной синхронной машины, большей частоты сети. Изменение частоты напряжения возбужденной машины с постоянным ускорением наиболее естественно, т.к. соответствует увеличению расхода топлива в приводном двигателе на постоянную величину, т.е. тоже без длительных переходных процессов. Равноускоренное движение ротора машины учитывается предлагаемым расчетом момента совпадения фаз и уменьшает толчок при подключении к сети.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 – осциллограмма синхронизации в соответствии с предлагаемым способом.

Устройство содержит измерители частоты напряжения возбужденной синхронной машины 1, измеритель частоты сети 2 и измеритель разности фаз 3. Токовые выходы измерителей подключены к многоканальному аналого-цифровому преобразователю 4, выходы каналов 5, 6, 7 которого подключены к электронно-вычислительной машине 8. Программа электронно-вычислительной машины содержит сумматор 9, вычислитель 10, нуль-органы 11 и 12, интегратор 13, регулятор 14 и ключ 15.

Выход канала 5 и выход канала 7 соединены с входами сумматора 9, выход которого связан с входами нуль-органов 11 и 12. Выход нуль-органа 11 связан с входом запуска интегратора 13, выход которого связан с входом уставки регулятора 14. Вход регулируемой величины регулятора 14 соединен с выходом канала 5, а выход регулятора 14 связан с входом цифроаналогового преобразователя 16.

Выход нуль-органа 12 связан с управляющим входом ключа 15, через который дискретный сигнал с выхода вычислителя 10 проходит на управление выключателем, соединяющим машину с сетью (не показан). Второй выход ключа 15 связан с входом сброса интегратора 13.

Устройство работает следующим образом. Напряжение возбужденной машины поступает на измеритель 1 частоты этого напряжения, где преобразуется в сигнал постоянного тока, пропорциональный частоте напряжения возбужденной синхронной машины. Аналогично в измерителе 2 образуется сигнал тока, пропорциональный частоте сети. В измерителе 3 образуется токовый сигнал, пропорциональный разности фаз машины и сети. Он может быть получен, например, следующим образом: в интервале от перехода через ноль напряжения машины до перехода через ноль напряжения сети импульсы генератора высокой частоты подаются на счетчик, результат счета переписывается в регистр и преобразуется в аналоговый токовый сигнал; цикл повторяется в каждом периоде напряжения машины. Эти токовые сигналы в аналого-цифровом преобразователе 4 преобразуются в коды Kf_к, Kf_с, K_p соответственно.

Далее коды Kf_г и Kf_с поступают на суммирующий и вычитающий входы 9 сумматора, который выделяет код скольжения K_s, поступающий на входы нуль-органов 11 и 12. Нуль-орган 11 определяет момент, когда скольжение машины относительно сети превысит величину S_min. Эта величина отрицательная, и она определяет момент, начиная с которого режим разгона ротора машины сменяется увеличением ее частоты с постоянным ускорением. Как правило, это постоянное ускорение меньше скорости разгона. Величина скольжения S_min подбирается так, чтобы режим постоянного ускорения установился до сравнения частоты напряжения возбужденной синхронной машины и частоты сети. Типичное значение S_min= -0,1 Гц.

Сигнал о превышении S_min с выхода нуль-органа 11 запускает интегратор 13, который вырабатывает линейно-возрастающую уставку на регулятор 14 частоты вращения машины, которая пропорциональна частоте f_r; частота вращения синхронной машины будет возрастать с постоянным ускорением до прекращения работы интегратора 13. Во время работы интегратора 13 изменяется код К_ДН на выходе регулятора 14 и через дозатор 16 увеличивается расход топлива в приводе синхронной машины.

В момент равенства частот возбужденной синхронной машины и сети код скольжения K_s= 0 и срабатывает нуль-орган 12. Режим постоянного ускорения длится до достижения максимального скольжения S_max, допустимого по условиям точной синхронизации, типичное значение S_max=0,2…0,3 Гц. Ускорение возбужденной синхронной машины должно быть таким, чтобы при любых начальных условиях фазы напряжений машины и сети совпали раньше, чем будет достигнуто S_max. В самом неблагоприятном случае совпадения фаз в момент равенства частоты напряжения возбужденной синхронной машины и частоты сети это условие выполняется, когда постоянное ускорение не превышает половины квадрата максимального скольжения:

Определение момента совпадения фаз по изменению K_p проводится в вычислителе 10, в котором определяется при каждом i – измерении K_p также скорость и ускорение
Интервал до совпадения фаз определяется из решения уравнения

где t – время от момента измерения до момента совпадения фаз.

Когда это время станет равным времени срабатывания выключателя, соединяющего машину с сетью, вычислитель 10 выдает команду на замыкание этого выключателя. Эта команда проходит через ключ 15, открытый сигналом нуль-органа 12 с момента равенства частот f_r и f_c, где f_c – частота напряжения сети.

Команда вычислителя проходит также на вход сброса интегратора 13.

На фиг. 2 представлено изменение параметров в типичном эксперименте с синхронизацией предлагаемым способом. Кривая 17 отображает частоту напряжения возбужденной синхронной машины, кривая 18 – частоту сети, кривая 19 – разность фаз, кривая 20 – ток фазы А, кривая 21 – активную мощность машины.

Как видно на фиг.2, до момента t₁ происходил начальный разгон машины, а с момента t₁ – изменение частоты 17 напряжения возбужденной синхронной машины с постоянным ускорением. При этом разность фаз 19 меняется по закону квадратичной параболы. В момент t₂ частота 17 напряжения возбужденной синхронной машины сравнивается с частотой 18 сети и с этого момента происходит уменьшение разности фаз 19 и рассчитывается время подачи команды на замыкание выключателя. В момент t₃ разность фаз близка к нулю, замыкается выключатель. Возникает небольшой толчок тока 20 (около 5% номинального тока машины), и на этом синхронизация заканчивается. Качание ротора машины (видимое по току и мощности 21) затухает за один период.

Для газотурбинной установки мощностью 20 МВт среднее за 15 пусков время синхронизации предложенным способом не превышает 20 с.

Таким образом, в результате использования предлагаемого изобретения длительность синхронизации сокращается в несколько раз.

Формула изобретения

1. Способ синхронизации возбужденной синхронной машины, включающий регулирование частоты напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измерение разности фаз и включение возбужденной синхронной машины в сеть в момент совпадения фаз, отличающийся тем, что при частоте напряжения возбужденной синхронной машины ниже частоты сети увеличивают частоту напряжения возбужденной машины до уровня, большего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет больше частоты сети.

2. Способ синхронизации возбужденной синхронной машины с сетью, включающий регулирование частоты напряжения возбужденной синхронной машины в направлении сближения с частотой сети, измерение разности фаз и включение возбужденной синхронной машины в сеть в момент совпадения фаз, отличающийся тем, что при частоте напряжения возбужденной синхронной машины выше частоты сети снижают частоту напряжения возбужденной синхронной машины до уровня, меньшего, чем частота сети, а измерение разности фаз начинают, когда частота напряжения возбужденной синхронной машины станет меньше частоты сети.

3. Способ синхронизации по п. 1 или 2, отличающийся тем, что изменение частоты напряжения возбужденной синхронной машины производят с постоянным ускорением, не превышающим половины квадрата допустимого максимального скольжения.

4. Способ синхронизации по п. 3, отличающийся тем, что вычисляют вторую производную разности фаз и определяют момент совпадения фаз при постоянной второй производной разности фаз.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 02.09.2007

Извещение опубликовано: 10.03.2009 БИ: 07/2009