Система генерирования переменного тока с параллельной работой синхронных генераторов по методу мнимостатических характеристик

Подсчитать площадь S прямоугольника со сторонами a, b, c по формуле Герона:

S=

Система генерирования переменного тока с параллельной работой синхронных генераторов по методу мнимостатических характеристик

Описание лабораторного стенда,

указания к технологии выполнения

лабораторной работы,

методический материал к обработке результатов

экспериментальных исследований и

подготовке к защите лабораторной работы

Описание составил профессор И.М. Беседин

Москва 2009 г.

Цель работы. Изучение особенностей использования метода мнимостатических характеристик при организации режима параллельной работы источников переменного тока. Знакомство с элементами системы автоматического распределения нагрузки, подключенной на общие шины системы генерирования, по параллельно работающим генераторам.

Объект исследования. Объектом исследования лабораторной работы является структура системы генерирования, в которой параллельная работа генераторов переменного тока осуществляется по методу мнимостатических характеристик.

Простота реализации режима параллельной работы генераторов по методу статических характеристик (лабораторная работа 8) не всегда является решающим фактором при формировании структуры системы генерирования. Объективно существующий разброс во внешних характеристиках генераторов и в механических характеристиках их приводов неизбежно влечет за собой небаланс между суммарной мощностью генераторов системы генерирования и мощностью нагрузки. Учет небаланса мощности, свойственного методу статических характеристик, на стадии проектирования системы генерирования возможен только за счет увеличения суммарной мощности генераторов и, следовательно, за счет увеличения массы системы генерирования. Альтернативными решениями здесь могут быть или переход на раздельную работу генераторов системы генерирования, или переход на другой метод параллельной работы генераторов, свободный от недостатков метода статических характеристик.

Основной идеей метода параллельной работы генераторов, исследуемого в данной лабораторной работе и получившего в технической литературе название «метода мнимостатических характеристик», является использование взаимосвязанных режимов работы всех регуляторов, управляющих режимными параметрами силовых агрегатов системы генерирования.

Отметим, что, принципиально, рабочей функцией любого регулятора является приведение в требуемое соответствие с регулируемым параметром рабочей точки на характеристике объекта регулирования с величиной и характером действующего в данный момент времени возмущения. Так регулятор напряжения, управляя величиной магнитного потока, приводит в соответствие положение рабочей точки на естественной внешней характеристике генератора с требуемой величиной напряжения при текущем значении комплексного сопротивления нагрузки. Регулятор частоты, управляя величиной момента на валу генератора, приводит в соответствие положение рабочей точки на механической характеристике привода с требуемой величиной частоты переменного тока при текущей потребности нагрузки в активной составляющей мощности.

Метод мнимостатических характеристик рассматривает небаланс мощности, возникающий в системе генерирования, как дополнительное возмущение (к возмущению по нагрузке) и определяет возможность компенсации этого возмущения на основе модернизации структуры регуляторов напряжения и частоты.

Принципиальные особенности организации параллельной работы генераторов по методу мнимостатических характеристик представлены на рисунке 9.1.

Предположим, что в данном примере мы имеем дело с согласованными внешними характеристиками генераторов и механическими характеристиками приводов. Это значит, что при параллельной работе генераторов по методу статических характеристик, в допусковых зонах и , при любой нагрузке на общих шинах системы генерирования обеспечено совпадение коэффициента мощности нагрузки и коэффициентов мощности каждого из генераторов. При таком допущении, по взаимному расположению внешних характеристик генераторов , и механических характеристик их приводов , можно построить эквивалентную внешнюю характеристику системы генерирования и эквивалентную механическую характеристику ее привода . Эквивалентная внешняя характеристика системы генерирования строится суммированием токов генераторов при одинаковом значении напряжения. Эквивалентная механическая характеристика привода строится суммированием моментов при постоянном значении круговой частоты. Согласованный режим работы системы генерирования отличается равенством суммарной мощности генераторов и мощности нагрузки, но не может быть признан удовлетворительным. Следствием разной токовой нагрузки генераторов неизбежно будут повышенные электрические потери в системе генерирования и неравномерный износ ее силовых агрегатов. На рисунке 9.1, точками и точками показаны режимы работы генераторов и приводов при малой нагрузке на общих шинах системы генерирования, а точками и режимные состояния генераторов и приводов при большой нагрузке. Режимные состояния силовых агрегатов и системы генерирования в целом соответствуют методу параллельной работе генераторов по методу статических характеристик.

Рисунок 9.1. Принцип организации параллельной работы генераторов

по методу мнимостатических характеристик

Распределение нагрузки по генераторам системы генерирования, полученное при использовании метода статических характеристик можно улучшить, если изменить метод параллельной работы. По методу мнимостатических характеристик улучшение режимных состояний генераторов и приводов системы генерирования достигается перемещением внешних характеристик генераторов и механических характеристик приводов в точки «А» при малых нагрузках и в точки «В» при больших нагрузках. Действительно, если при смещении внешних характеристик генераторов и механических характеристик приводов созданы условия для их пересечения в точке «А» при малых нагрузках и в точке «В» при больших нагрузках, то новые режимные состояния генераторов и приводов:

- ( ) и ( ) при малых нагрузках,

- ( ) и ( ) при больших нагрузках, будут «идеальными» как по балансу мощности в системе генерирования, так и по степени равномерности распределения мощности нагрузки по генераторам.

Отметим, что улучшение режимных состояний силовых агрегатов системы генерирования, обеспеченное смещением внешних характеристик генераторов и механических характеристик приводов, не влияет на положение и характер эквивалентной внешней характеристики системы генерирования и механической характеристики ее эквивалентного привода .

Техническая реализация метода мнимостатических характеристик применительно к системе генерирования с параллельной работой источников переменного тока базируется на последовательном решении трех технических задач:

- идентификация режима работы каждого из силовых агрегатов системы генерирования;

- синтез информационного признака об отклонении текущего состояния силовых агрегатов системы генерирования от идеального состояния;

- синтез способа воздействия на силовые агрегаты системы генерирования, приводящего к улучшению режимного состояния системы генерирования в целом.

Остановимся на особенностях решения каждой из этих задач.

Идентификация режима работы источника электроэнергии.

Для визуальной идентификации режима работы источника переменного тока проще всего воспользоваться электроизмерительными приборами. Так, например, если мы имеем дело с трехфазным генератором, то при заданных параметрах трехфазной симметричной нагрузки, для идентификации режимного состояния генератора нам будет достаточно амперметра и вольтметр. При произвольном характере нагрузки, дополнительно к названным приборам, понадобятся еще ваттметры. Для диспетчерского управления состоянием силовых агрегатов систем генерирования полученной визуальной информации вполне достаточно для принятия оперативных решений. Но на автономных объектах, на которых система генерирования является лишь средством оптимального решения поставленной перед объектом задачи, диспетчерское управление не допустимо. Для реализации автоматического способа управления состоянием силовых агрегатов систем генерирования используются отличные от измерительных приборов информационные устройства. Отличительной особенностью этих устройств является удобство использования их информационных сигналов в автоматической системе управления. Эти устройства в общем случае называются датчиками, а их устройство и принцип действия зависят от физической природы и величины параметра, на оптимизацию которого направлено действие автоматической системы управления.

При выборе параметров, идентифицирующих состояние каждого из источников системы генерирования, и структуры датчиков обратим внимание, что при параллельной работе генераторов параметры являются одинаковыми для всех источников. Следовательно, индивидуальные особенности режимного состояния каждого из источников системы генерирования могут быть обнаружены только через присущие только ему величины полного тока и коэффициента мощности . В наиболее распространенном варианте идентификация этих параметров производится опосредованно, через активную ( ) и реактивную ( ) составляющие полного тока генератора.

Определение активной и реактивной составляющих полного тока каждого из генераторов системы генерирования производится с помощью технических устройств, созданных на основе фазовых дискриминаторов.

Схемы типовых схем фазовых дискриминаторов представлены на рисунке 9.2.

В каждой из схем дискриминаторов, на основе взаимодействия двух входных, синусоидальных сигналов переменного тока одинаковой частоты, формируется на выходе электрический сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу между векторами входных сигналов. Обычно в качестве основного входного сигнала фазового дискриминатора используется переменное напряжение , пропорциональное напряжению , вторым входным сигналом фазового дискриминатора может быть или переменное напряжение , пропорциональное напряжению (рисунок 9.2, а), или переменный ток , подводимый в схему фазового дискриминатора через трансформатор тока ТА (рисунок 9.2, б).

Рисунок 9.2 Схемы простейших фазовых дискриминаторов

Учитывая, что использование трансформаторов для передачи в электрический контур дискриминатора сигналов не должно нарушать фазового соотношения между векторами и в схеме а) и фазового соотношения между векторами и а схеме б), будем считать идентичными пары ( ), ( ), ( ) и ( ).

Применительно к решаемой нами задаче целесообразно обратить внимание на особенности формирования выходного сигнала в фазовом дискриминаторе, представленного на рисунке 9.2 схемой б). При поиске величины выходного сигнала дискриминатора примем во внимание, что между величинами входных сигналов дискриминатора всегда выдерживается соотношение . При таком соотношении между величинами входных сигналов дискриминатора, его выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе , можно определить, опираясь на схемы замещения, представленные на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3. Формирование выходного сигнала в дискриминаторе

Если считать, что показанные на схемах замещения (рисунок 9.3) токи и создаются соответственно источником ЭДС и источником тока , то при совпадении полярности сигналов от источника ЭДС и источника тока (схема замещения на рисунке 9.3, а) можно записать следующие очевидные соотношения

, , . (9.1) Приравнивая функционалы при величине равных значениях , получим уравнение

, (9.2) решая которое относительно величины , получим

. (9.3)

С учетом равенства напряжений на резисторе от протекающих по нему токов и (9.1) найдем величину выходного напряжения дискриминатора как

. (9.4)

При встречной полярности сигналов от источника ЭДС и источника тока (схема замещения на рисунке 9.3, б) исходные соотношения, на которых базируется поиск величины выходного сигнала дискриминатора, имеют вид

, . (9.5) Если теперь приравнять комплексы при равных значениях сопротивлений

= и определить из полученного уравнения величину как

, то величина выходного сигнала дискриминатора будет равна

. (9.6)

Для исключения влияния нестабильности сопротивлений и на величину выходного сигнала дискриминатора обычно, при его технической реализации, придерживаются соотношения между величинами указанных сопротивлений в виде . В этом случае формулы (9.4) и (9.6) упрощаются и принимают вид

(9.7) для случая совпадения полярностей источника ЭДС и источника тока и

(9.8) для случая противоположной полярности источника ЭДС и источника тока.

Выходной сигнал дискриминатора, определяемый формулами (9.7) и (9.8), не зависит от формы сигналов, поступающих в дискриминатор с трансформатора напряжения и трансформатора тока , а определяется только полярностью этих сигналов. Если оба входных сигнала имеют синусоидальную форму и не сдвинуты относительно друг друга по фазе то, интегрируя сигнал, заданный формулами (9.7) и (9.8), можно получить среднее напряжение на выходе дискриминатора. Поскольку наша цель состоит в том, чтобы установить режим работы источника переменного тока при его параллельной работе с другими источниками, то, естественно, в качестве входных сигналов индикатора, использовать напряжение и ток источника, режимное состояние которого нас интересует. Схема включения дискриминатора, отвечающая реализации этого требования, представлена на рисунке 9.4.

С целью увеличения выходного сигнала дискриминатора и ликвидации зависимости величины выходного сигнала от напряжения трансформатора , дискриминатор, представленный на рисунке 9.4, выполнен как комбинация двух простейших дискриминаторов, включенных между собой по дифференциальной схеме формирования выходного сигнала.

Рисунок 9.4. Дифференциальная схема включения фазового дискриминатора

Если отвлечься от присутствия в схеме этого дискриминатора сглаживающих конденсаторов , и придерживаться показанной на схеме дискриминатора полярности обмоток, то при синусоидальном характере сигналов, поступающих в дискриминатор от источника ЭДС и источника тока можно записать общую формулу для расчета величины выходного сигнала в виде

. (9.9)

Принимая за начало координат точку ( ), и, следовательно, переходя к форме записи сигналов, поступающих в дискриминатор как

, , (9.10) получим формулу для вычисления среднего напряжения на выходе дискриминатора в виде

. Производя интегрирование отдельных составляющих этой формулы, получим

,

,

,

и, следовательно, величину среднего напряжения на выходе дискриминатора как

. (9.11)

Примечание. Аналогичный результат (9.11) можно получить, сели использовать для определения выходного сигнала дискриминатора разложение тока , протекающего по вторичной обмотке трансформатора тока, на составляющие, представленные на рисунке 9.4.

Далее, применяя метод наложения для каждой из составляющих тока на периоде изменения напряжения трансформатора напряжения, получим среднее значение выходного напряжения дискриминатора для составляющей тока в виде

Для составляющей тока выходное напряжение рассчитывается как

Суммируя найденные составляющие среднего напряжения на выходе дискриминатора, получим искомую формулу среднего напряжения, которая повторяет ранее установленную зависимость в виде (9.11).

Таким образом, если использовать структуру дискриминатора, представленную на рисунке 9.4, то его выходным сигналом будет напряжение, средняя величина которого пропорциональна активной составляющей полного тока генератора. Очевидно, что введение в схему дискриминатора конденсаторов и , сглаживающих пульсацию выходного напряжения, не повлияет на характер информации, содержащейся в выходном сигнале дискриминатора. Отметим, что в однофазной системе генерирования, возможностью получения на выходе дискриминатора сигнала, пропорционального активной составляющей полного тока генератора, полностью исчерпаны функциональные ресурсы дискриминатора. Для получения сигнала, пропорционального реактивной составляющей полного тока генератора, необходимо или дополнить якорь однофазного генератора второй рабочей обмоткой, или усложнить схему самого дискриминатора.

В многофазной системе генерирования эта задача решается проще. Учитывая, что дискриминатор допускает использование входных сигналов от произвольных источников одинаковой частоты, в многофазной системе его можно использовать как датчик углового положения вектора тока произвольной фазы относительно произвольного вектора напряжения, существующего в многофазной системе генерирования.

На рисунке 9.5 показана схема использования двух дискриминаторов в трехфазной системе генерирования, позволяющая сформировать сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим полного тока фазы генератора.

Рисунок 9.5. Схема включения дискриминаторов в трехфазной

системе генерирования

Если нагрузка генератора является симметричной, то текущее режимное состояние генератора полностью определяется величинами активной и реактивной составляющих полного тока какой-либо из его фаз. На рисунке 9.5 такой фазой указана фаза . Прием получения на выходе дискриминатора сигнала, пропорционального активной составляющей полного тока фазы очевиден. Для получения этой информации достаточно включить первичную обмотку его трансформатор тока в фазу , а к первичной обмотке его трансформатора напряжения подвести напряжение той же фазы. Этот прием является полным аналогом использования дискриминатора, показанного на рисунке 9.4. Очевидно, что при выбранной фазе, полный ток которой мы хотим представить в виде активной и реактивной составляющих, варьировать можно только набором напряжений, предоставленных в наше распоряжение трехфазной системой. Если учесть, что структура формулы (9.11) позволяет получить на выходе индикатора сигнал, пропорциональный реактивной составляющей полного тока фазы генератора, только в виде

, (9.12) то однозначно решается вопрос о выборе напряжения, которое необходимо подать на первичную обмотку трансформатора напряжения такого дискриминатора. Вектор этого напряжения должен быть ортогональным относительно вектора фазного напряжения (в данном случае – относительно вектора напряжения фазы ). Как видно из векторных диаграмм, представленных на рисунке 9.5, в трехфазной системе таким вектором может быть только вектор линейного напряжения, не содержащего в своей индексации наименования фазы, в которую включены трансформаторы тока дискриминаторов.

Таким образом, вопрос об индикации текущего режима решается за счет ведения в структуру каждого источника системы генерирования двух идентичных по схеме дискриминаторов, в которых трансформаторы тока включены в одну фазу, а трансформаторы напряжения получают питание от системы двух ортогональных напряжений.

Обычно, при использовании в системе генерирования трехфазных генераторов, дискриминатор, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное активной составляющей полного тока генератора, называют индикатором активного тока (ИАТ). Дискриминатор, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное реактивной составляющей полного тока генератора называют индикатором реактивного тока (ИРТ).

Особо следует отметить, что понятия «индикатор активного тока» и «индикатор реактивного тока» относятся исключительно к случаю использования дискриминаторов в трехфазной системе электроснабжения с симметричной нагрузкой. Во всех остальных случаях выходной сигнал дискриминатора следует воспринимать как напряжение, величина которого пропорциональна активной составляющей тока, протекающего по первичной обмотке трансформатора тока, относительно напряжения, поданного на первичную обмотку трансформатора напряжения.

Выходные характеристики индикатора активного тока (9.11) и индикатора реактивного тока (9.12) при симметричном режиме работы генератора представлены на рисунке 9.6.

Рисунок 9.6. Выходные характеристики индикаторов

Графики, представленные на рисунке 9.6, показывают возможность идентификации текущего режима работы генератора по сочетанию знаков выходных напряжений двух дискриминаторов – индикатора активного тока и индикатора реактивного тока. Если за положительное направление тока синхронного электромеханического преобразователя признать ток его генераторного режима, то все возможные режимы работы синхронной машины при ее использовании в системе генерирования с параллельной работой генераторов идентифицируются по следующим сочетаниям показаний ИАТ и ИРТ:

- , - синхронный электромеханический преобразователь работает в режиме генерации активной и реактивной мощности;

- , - синхронный электромеханический преобразователь работает в режиме генерации активной мощности и потребления реактивной мощности;

- , - синхронный электромеханический преобразователь работает в режиме двигателя и одновременно генерирует реактивную мощность;

- , - синхронный электромеханический преобразователь работает в режиме недовозбужденного синхронного электродвигателя.

Индикаторы активной и реактивной составляющих полного тока генераторов системы генерирования не используются по своему функциональному назначению. Они выполняют функции первичных датчиков в автоматической системе выравнивания нагрузки параллельно работающих генераторов.

Синтез информационного признака об отклонении текущего состояния силовых агрегатов системы генерирования от идеального состояния;

Автоматическая система выравнивания нагрузок параллельно работающих генераторов, как и любая другая система автоматического управления, призвана сформировать информацию о текущем режимном состоянии системы генерирования и оптимально реализовать содержание этой информации в рамках наличного оборудования системы генерирования. При выборе структуры системы распределения нагрузки и принципов взаимодействия ее функциональных блоков следует учитывать два обстоятельства:

- идеальным текущим режимом работы системы генерирования признается такой режим, при котором вектора токов всех генераторов системы генерирования совпадают между собой по модулю и фазовому сдвигу относительно вектора напряжения на общих шинах системы генерирования;

- информация об отклонении текущего режима работы системы генерирования от идеального режима должна быть селективной относительно текущего режимного состояния каждого из генераторов системы генерирования;

- содержание информации об отклонении текущего режима работы системы генерирования от идеального режима, по величине и знаку, должно соответствовать принятой логике работы автоматических устройств, формирующих требуемые режимные параметры силовых агрегатов системы генерирования.

В качестве чувствительного элемента (измерительного органа), задающего отличие текущего режима работы системы генерирования от идеального ее режима, как правило, используется или определенная схема объединения выходных напряжений однотипных дискриминаторов всех генераторов, или схеме объединения одинаковых элементов блоков однотипных дискриминаторов. В системах переменного тока чаще всего используется второй из названных способов.

На рисунке 9.7 представлена схема соединения однотипных дискриминаторов (ИАТ или ИРТ), именуемая в технической литературе «кольцевой схемой». Для уточнения порядка формирования кольцевой схемы соединения однотипных индикаторов, на рисунке 9.7 указаны полярности вторичных обмоток трансформаторов тока и схема одного из дискриминаторов.

Примем во внимание, что величина выходного сигнала (9.11) зависит только от величины и знака напряжения, приложенного к резистору , и не связана с особенностями источника, являющегося причиной появления тока в этом резисторе. При использовании кольцевой схемы соединения вторичны обмоток трансформаторов тока однотипных дискриминаторов, ток в резисторе каждого из дискриминаторов формируется в результате взаимодействия всех трансформаторов тока, объединенных в кольцевую схему.

Рисунок 9.7. Схема соединения одноименных дискриминаторов (ИАТ или ИРТ)

Для определения величины и характера тока, протекающего по резистору каждого из генераторов системы генерирования, воспользуемся расчетной схемой замещения, представленной на рисунке 9.7. Схема замещения представлена расчетным фрагментом, соответствующим используемому в дальнейшем для поиска величины тока методу наложения.

Из схемы замещения можно видеть, что ток, созданный в кольцевой схеме каждым из трансформаторов тока (на рисунке 9.7 показан -тый трансформатор тока, ) будет иметь две составляющие

. (9.13) Одна составляющая этого тока ( ) будет замыкаться через резистор , к концам которого подключена вторичная обмотка трансформатора тока. Вторая составляющая тока ( ) рассматриваемого трансформатора тока будет замыкаться через остальные резисторы ( ) кольцевой схемы.

При параллельном (относительно вторичной обмотки трансформатора тока) соединении резистора и остальных резисторов кольцевой схемы находим

, (9.14)

. (9.15) Далее, суммируя (с учетом знаков) составляющие токов от всех трансформаторов в рассматриваемом резисторе , получим

. (9.16) Если теперь представить формулу (9.16) в виде

, то при выполнении равенства , получим

. (9.17)

При оценке полученного результата (8.17) обратим внимание на следующие обстоятельства:

- в режиме параллельной работы генераторов системы генерирования всегда выполняется в равенство между вектором тока нагрузки и суммой векторов токов генераторов , поэтому, при

, ( ), (9.18) в системе генерирования устанавливается идеальный режим работы ( , );

- любой режим работы системы генерирования, при котором ( ), не является идеальным режимом и может быть улучшен.

На рисунке 9.8 представлена векторная диаграмма, отражающая процедуру формирования вектора тока небаланса , протекающего по резистору .

При текучем режиме работы системы генерирования, который на векторной диаграмме представлен векторами , и , режим работы любого из генераторов может быть произвольным. Идентифицируя режим работы генератора (на рисунке 9.8 показан -тый генератор) с положением его вектора тока ( ), можно видеть, что только при выполнении равенства , режимное состояние -того генератора можно считать идеальным для текущего режимного состояния системы генерирования. В идеальном режиме работы, вклад -того генератора в нагрузку по активной и реактивной составляющим мощности определяется формулами и . Любое несоответствие (по модулю и по фазе) меду векторами токов и (на рисунке 9.8 режимы работы генератора заданы токами и ) приводит к появлению в резисторе тока небаланса .

Рисунок 9.8. Ток небаланса в резисторе

Если учесть, что вектор тока небаланса всегда направлен в сторону вектора тока , то из векторной диаграммы можно установить:

- каждый из дискриминаторов, входящих в структуру с объединенной кольцевой схемой соединения вторичных обмоток трансформаторов тока, является информационным датчиком небаланса тока генератора;

- по резисторам двух дискриминаторов, входящих в структуру отдельного генератора системы генерирования, протекают одинаковые токи небаланса тока генератора;

- знак и величина выходного напряжения каждого из дискриминаторов с объединенными в кольцевую схему вторичными обмотками трансформаторов тока зависят от напряжения питания, поданного на первичные обмотки их трансформаторов напряжения;

- кольцевая схема соединения вторичных обмоток трансформаторов тока изменяет их статус дискриминаторов как информационных датчиков системы генерирования. Дискриминаторы, выполнявшие функции индикаторов активного тока генератора, становятся индикаторами активной составляющей тока небаланса генератора. Индикаторы реактивного тока генератора становятся индикаторами реактивной составляющей тока небаланса генератора.

Таким образом, если при параллельной работе генераторов системы генерирования воспользоваться кольцевой схемой соединения вторичных обмоток трансформаторов тока однотипных дискриминаторов, то можно установить и необходимость вмешательства в текущий режим работы системы генерировании, и однозначно указать объекты, на которые должно быть направлено это вмешательство.

Синтез способа воздействия на силовые агрегаты системы генерирования, приводящего к улучшению режимного состояния системы генерирования в целом.

Рассмотрим особенности реализации метода мнимостатических характеристик на примере параллельной работы двух генераторов одинаковой мощности. На рисунке 9.9 представлена общая схема параллельной работы двух генераторов и векторные диаграммы, поясняющие взаимодействие функциональных блоков схемы.

Рисунок 9.9. Схема параллельной работы генераторов по методу

мнимостатических характеристик

Вектор тока нагрузки, подключенной на общие шины системы генерирования (сеть), независимо то метода параллельной работы генераторов, всегда равен геометрической сумме токов генераторов. В случае, представленном на рисунке 9.9, ток нагрузки и токи генераторов , объединены уравнением . Если в текущем режиме работы системы генерирования вектора токов , и не равны между собой, то в резисторе каждого из дискриминаторов возникнет ток небаланса. О наличии тока небаланса, естественно, можно говорить только в том случае, который соответствует объединенным в кольцевые схемы вторичным обмоткам трансформаторов тока однотипных (по способу питания трансформаторов напряжения) дискриминаторов.

Будем считать, что полярность выходного напряжения каждого из дискриминаторов сформирована по генераторному, автономному режиму работы синхронного электромеханического преобразователя на активно-индуктивную нагрузку. В этом случае полярность выходных сигналов дискриминаторов будет соответствовать символам, представленным на рисунке 9.9 без скобок. Эта полярность соответствует использованию дискриминаторов в режиме ИАТ и ИРТ.

При использовании одинаковой символики для записи токов генераторов и токов, протекающих по вторичным обмоткам трансформаторов тока, получим (в векторной форме) токи небаланса каждого из генераторов (токи, протекающие по резисторам ) в виде

, (9.19)

. (9.20) На векторной диаграмме вектора токов и всегда направлены в сторону вектора тока (рисунок 9.9). Если каждый из векторов и представить в виде двух составляющих (пунктирные вектора на векторных диаграммах рисунка 9.9), то можно однозначно указать полярность выходных сигналов дискриминаторов, соответствующую токам небаланса. Это можно сделать, приняв во внимание принцип действия дискриминатора, который состоит в том, что в формировании величины и полярности выходного напряжения каждого из дискриминаторов участвует только составляющая тока, совпадающая по фазе с напряжением питания трансформатора напряжения. В соответствии с этим положением, полярность выходных сигналов, определяемая векторами токов небаланса, будет соответствовать символам, показанным на рисунке 9.9 в скобках. В дальнейшем, решение поставленной задачи о выравнивании нагрузок генераторов сводится к правильному использованию выходных сигналов дискриминаторов (по полярности и величине) в устройствах, управляющих режимными состояниями приводов и генераторов. Такими устройствами в системах генерирования являются регуляторы частоты и регуляторы напряжения.

Технология использования выходных сигналов дискриминаторов зависит от принципа действия регуляторов. На рисунке 9.9 показан способ использования названных сигналов в регуляторах электромагнитного типа и регуляторах смешанного типа. В основу рабочей функции подобных регуляторов положен способ формирования требуемого магнитного состояния ферромагнитного сердечника системой расположенных на нем обмоток. Далее мы будем опираться на схемы регуляторов напряжения и частоты, схемы и функциональные особенности которых изучены соответственно при выполнении лабораторных работ 2 и 3.

Оба регулятора относятся к регуляторам смешанного типа. В обоих регуляторах управление силовым ключом (транзистором) осуществляется с помощь модулятора ширины импульсов, в структуру которого входит магнитный усилитель с самонасыщением. Отметим, что оба регулятора обеспечивают требуемый вид внешней характеристики генератора и механической характеристики привода при изменении возмущения через управление величиной магнитного потока или в спинке якоря (регулятор напряжения), или в магнитной системе электродвигателя (регулятор частоты). В автономном режиме работы электромашинного источника переменного тока постоянной частоты каждый из регуляторов отрабатывает единственное возмущение. Регулятор частоты удерживает частоту генератора в пределах допуска при изменении момента на валу привода. Регулятор напряжения удерживает в допусковой зоне напряжение при изменении величины и характера нагрузки генератора. Если при параллельной работе генераторов используется метод статических характеристик, то в структуру регуляторов не вносится никаких изменений. В этом случае режим работы системы генерирования и каждого из ее силовых агрегатов будет формироваться статическими характеристиками приводов и генераторов при одинаковых уровнях напряжения на входах измерительных органов всех регуляторов напряжения и одинаковых значениях частоты на входах измерительных органах всех регуляторов частоты.

Предусмотренная методом мнимостатических характеристик коррекция режимов работы силовых агрегатов системы генерирования в сторону выравнивания их нагрузки возможна только через коррекцию настройки регуляторов напряжения и регуляторов частоты. В рассматриваемом случае, возможность коррекции настройки каждого из регуляторов реализована через размещение на сердечниках их магнитных усилителей дополнительных обмоток управления. Смысл принятия такого решения поясняется на рисунке 9.10.

Рисунок 9.10. Коррекция настройки регуляторов

При исследовании регулятора частоты (лабораторная работа 2) и регулятора напряжения (лабораторная работа 3) было установлено, что требуемая стабильность частоты и напряжения генератора достигаются при работе регуляторов на участках выходных характеристик их измерительных органов, расположенных в одинаковых квадрантах прямоугольной системы координат и имеющих одинаковый характер изменения. Более того, при изменении режима работы генератора от холостого хода до максимальной нагрузки эффект стабилизации его частоты и напряжения сопровождается однонаправленным изменением режимных состояний транзисторных ключей обоих регуляторов. Относительное время открытого состояния силовых транзисторов и регулятора частоты, и регулятора напряжения уменьшается с увеличением нагрузки генератора. Эта особенность используемых в лабораторной работе регуляторов частоты и напряжения позволяет воспользоваться системой относительных единиц при анализе процессов взаимодействия двух обмоток управления. Отметим, что по принципу действия, и регулятор частоты, и регулятор напряжения являются статическими регуляторами, поэтому их настройка на номинальные значения частоты и напряжения может быть произведена применительно к любой (но единственной) точке рабочей характеристики измерительного органа. На рисунке 9.10 и для регулятора напряжения, и для регулятора частоты точкой настройки выбран режим холостого хода генератора.

Если для последующего анализа воспользоваться системой относительных единиц, в которой базовой величиной каждого из представленных на рисунке 9.10 параметра взято его значение в режиме настройки регуляторов, то процессы, отраженные в графиках на рисунке 9.10 можно рассматривать как инвариантные относительно назначения каждого из рассматриваемых регуляторов. Действительно, путем масштабирования относительных величин частоты , напряжения , МДС обмоток управления магнитного усилителя регулятора частоты, МДС обмоток управления магнитного усилителя регулятора напряжения, управляемой части магнитного потока в магнитной системе электродвигателя (привода) и магнитного потока в спинке якоря всегда можно добиться совпадения их граничных значений. Этот прием и использован при построении графиков на рисунке 9.10. С учетом принятой системы относительных единиц, линию АВ в павой части рисунка 9.10 следует воспринимать как выходную характеристику измерительного органа регулятора частоты, заданную в координатах . Ту же линию следует воспринимать как выходную характеристику измерительного органа регулятора напряжения в координатах . Линия , представленная в левой части рисунка 9.10, соответствует закону изменения управляемой части магнитного потока в электродвигателе в координатах и в тоже время, эта линия, в координатах , является законом изменения магнитного потока, созданного в спинке якоря обмоткой подмагничивания спинки якоря. Правомерность использования представленных на рисунке 9.10 зависимостей и вместо привычных зависимостей и определяется совпадением характера изменения МДС обмоток управления и МДС обмоток управления магнитных усилителей.

Выделенные на рисунке 9.10 два отрезка и задают положение попарно соответствующих друг другу точек и , соответствующих устойчивым режимам работы электромеханической системы «электродвигатель – синхронный генератор» в замкнутой системе регулирования. Переход рассматриваемой электромеханической системы из одного устойчивого состояния в другое возможно только при изменении сопротивления нагрузки генератора и напряжения питания электродвигателя. Причем, если указанные изменения сопротивления нагрузки и напряжения питания электродвигателя (возмущения) происходят в границах, которые предусмотрены нормальным режимом эксплуатации, то положение отрезков и на графиках рисунка 9.10 не изменяется. Однако этот вывод претерпит изменение, если ввести в рассмотрение процессов, свойственной замкнутой системе регулирования напряжения и частоты, МДС обмотки управления как дополнительного возмущающего фактора.

Влияние величины и знака МДС на режим работы замкнутой системы регулирования частоты и напряжения рассмотрим применительно к автономному режиму работы генератора, при постоянных значениях сопротивления нагрузки ( ) и напряжения источника питания электродвигателя ( ).

Допустим в исходном режиме работы ( ) устойчивый режим работы рассматриваемой электромеханической системы соответствует точкам (входное воздействие) и (управляющее воздействие). В этом режиме частота и напряжение генератора соответственно равны и , а величина тока генератора равна . Параметры электродвигателя (частота вращения вала и момент на валу) можно определить по формулам и . Рассмотрим как изменится состояние электромеханической системы, если подключить обмотку управления к постороннему источнику постоянного тока и настроить ее МДС на величину .

Далее нам потребуется конкретизация – в каком из регуляторов выполнена активизация ( ) второй обмотки управления и как согласуются между собой МДС обеих обмоток управления.