Синхронная машина. Часть 2.
Системы автоматического регулирования, обеспечивающие
синхронизацию генератора с энергосистемой

Пуск, работу в номинальных режимах, и отключение синхронных генераторов обеспечивает совокупность систем автоматического регулирования функционирующих в определенной последовательности под контролем оператора. Общее представление о процессах, которые происходят в ходе подключения синхронного генератора к энергосистеме можно получить, ознакомившись с моделью представленной на чертеже 1. Перечислим задачи, которые нужно решить:

  1. Используя турбину или другой движитель в качестве источника ротационной энергии нужно раскрутить ротор синхронного генератора до номинальной частоты вращения и поддерживать её с нулевой ошибкой (в установившемся режиме) специализированной системой автоматического регулирования.
  2. В случае если источник ротационной энергии по своей природе является источником постоянной угловой скорости, то мгновенное подключение к нему вала генератора недопустимо в силу нарушения законов коммутации (угловую скорость маховика, которым является ротор генератора нельзя изменить мгновенно). Поэтому необходима система, которая будет плавно увеличивать угловую скорость источника ротационной энергии, и, возможно, будет ограничивать её руководствуясь уставкой предельной потребляемой мощности.
  3. После разгона синхронного генератора необходимо решить задачу синхронизации фазы генерируемого напряжения с фазой энергосистемы. Для этого в контур системы стабилизации частоты вращения требуется встроить подчиненную систему синхронизации угла поворота вала генератора (относительно угла поворота валов других генераторов энергосистемы).
  4. Последняя важная для понимания процессов запуска система должна обеспечивать такое возбуждение магнитного поля в машине, чтобы амплитуда генерируемой ЭДС совпала с напряжением энергосистемы.

Включаясь по определенной программе и функционируя далее непрерывно, перечисленные системы автоматического регулирования обеспечивают полную синхронизацию трехфазной системы индуцируемых ЭДС с напряжением энергосистемы.

Описание модели

В верхней левой области чертежа 1 можно видеть синхронную машину. Модель машины предельно упрощена. От идеального трансформатора энергий отличается лишь наличием синхронного сопротивления. Потери и насыщение не учитываются. Момент инерции ротора выбран не большим, чтобы при фиксированном шаге симуляции не затягивать процесс симуляции. К машине подключена номинальная киловаттная симметричная трехфазная нагрузка. Машина работает автономно, но имеющиеся системы регулирования синхронизируют генерируемое напряжение с энергосистемой, руководствуясь опорным синусоидальным генератором в верхней центральной части чертежа (см. так же Uref). Чуть ниже и левее синхронной машины представлена схема замещения безинерционного приводного движителя – источника угловой скорости – в виде источника ЭДС (угловой скорости) с внутренним сопротивлением. Цель упрощения привода в том, чтоб не затягивать процесс симуляции. Имеющийся рядом источник тока не влияет на модель (номинал равен нулю) и используется как датчик угловой скорости вала синхронной машины. Три из четырех обслуживающих машину САР подписаны. Система ограничения мощности приводного движителя собрана в составном блоке с именем "Задатчик разгона". Слева от этого блока расположен сумматор сравнивающий уставку предельной мощности с мгновенным значением на валу ротора синхронной машины.

Примечание. Для всех осциллографов отключен режим децимации. Поэтому любой интересующий фрагмент осциллограммы можно изучить детально, увеличив масштаб отображения (фрагмент следует выделить указателем мыши, удерживая клавишу Ctrl).

Сценарий экспериментов с моделью

Для поэтапного ознакомления с процессами происходящими во время запуска синхронного генератора читателю предлагается разомкнуть все системы автоматического регулирования и включать их по одной в обратной последовательности.

В состоянии, когда все обслуживающие машину системы отключены, можно запустить процесс симуляции. Во-первых, сразу видна десятикратная перегрузка движителя во время разгона валов вызванная необходимостью преодоления момента инерции ротора (можно изучить как влияет этот параметр на кривую мгновенной мощности движителя). Более опасная сторона этого явления заключается в том, что валы машин испытывают стократную механическую перегрузку по моменту. Во-вторых, можно увеличить осциллограмму выходного напряжение на последней секунде симуляции и убедится в том, что частота напряжения плавает относительно опорного сигнала Uref. Можно учесть постоянные потери движителя и подобрать уставку (Pi × 100) так, чтобы частоты совпали – но изменение электрической нагрузки все равно приведет к вариации частоты.

САР стабилизации частоты вращения

Включите САР стабилизации частоты вращения. Изучите результат работы этой системы (увеличьте фрагмент осциллограммы в конце переходного процесса). Частоты генерируемого и опорного напряжения должны совпасть. Можно попробовать уменьшить электрическую нагрузку в 10..100 раз, и проконтролировать стабильность частоты. Несовпадение амплитуд и фаз возможно (за это отвечают другие системы). Поскольку генерируемое напряжение должно иметь частоту 50 Гц при любой величине электрической нагрузки, система стабилизации частоты вращения должна быть астатической. Это требование определяет наличие интегрирующего канала в регуляторе.

САР ограничения мощности приводного двигателя

Восстановите исходные соединения в составном блоке "Задатчик разгона". Благодаря линейному нарастанию задания для системы стабилизации угловой скорости ограничивается момент, и исключаются механические повреждения. Обратите внимание – относительная перегрузка по мощности остается большой. Включите систему ограничения мощности приводного двигателя (подключите сигнал обратной связи ниже уставки 7 кВт). Можно наблюдать, что, начиная с определенной величины угловой скорости валов, происходит ограничение приводного момента. Потребляемая от движителя мощность ограничивается релейной системой. Принцип работы которой в том, чтобы периодически, на промежутки времени пока валы разгоняются до очередной уставки, замораживать нарастание задания для системы стабилизации угловой скорости.

САР синхронизации угла поворота

В модели синхронной машины, для синтеза синусоидальных напряжений (sin ωt), в качестве датчика времени используется генератор нарастающего с постоянной скоростью сигнала (v(t-dT)). Модель не использует генератор шума для предустановки начальной фазы в произвольное состояние. Поэтому к моменту установления номинальной угловой скорости напряжение фазы "А" оказывается в одной фазе с опорным генератором при любых возмущающих воздействиях. Установите в датчике времени, в блоке v(t-dT), параметр – запаздывание равным 0.001 сек. Убедитесь, что рассогласование фаз явно просматривается. Замкните подчиненный контур синхронизации угла поворота. Убедитесь, что система выбирает фазовую ошибку.

В качестве датчика угла используется классический Фурье-фильтр с ортогональными опорными синусоидальными генераторами. Текущее значение угла поступает на компаратор с гистерезисом, чей выходной сигнал принимает одно из двух положений: +1 или -1 в зависимости от знака ошибки фазы. Сигнал компаратора интегрируется, преобразуясь в движение с постоянной скоростью, и, как возмущающее воздействие, вводится в контур стабилизации угловой скорости, вызывая в нем пренебрежимо малые колебания приводящие к синхронизации фазы индуцируемого напряжения. Во время разгона валов компаратор фазы переключается настолько часто, что включенный за ним идеализированный интегратор (даже без реально существующих пределов насыщения) не может накопить существенного значения и внести сбой в систему стабилизации угловой скорости.

САР стабилизации напряжения

Восстановите исходное соединение в составном блоке "PI-ШИМ". Убедитесь, что осуществляется стабилизация напряжения генератора. В конце переходного процесса напряжение фазы "A" должно совпадать с опорным синусоидальным сигналом по частоте, фазе и по амплитуде. Главный сумматор системы стабилизации напряжения вычисляет разницу между модулем опорной синусоиды и выпрямленным напряжением фазы "А". Пульсирующее напряжение ошибки поступает на трехкаскадный фильтр скользящего среднего. Далее на PI-регулятор, в который встроен широтно-импульсный модулятор. Модулятор выполнен на компараторе, который сравнивает выходной сигнал PI-регулятора с опорным сигналом треугольной формы. Логический сигнал на выходе компаратора переключает номинал сопротивления, через которое к источнику питания подключена обмотка возбуждения синхронной машины. Таким образом средний ток обмотки пропорционален сигналу на выходе PI-регулятора. Для исключения перерегулирования PI-регулятор выполнен на основе насыщаемого интегратора. Пределы насыщения выбраны таким образом, чтобы импульсная последовательность (с минимальной или максимальной скважностью) синтезировалась при любой начальной величине ошибки. Альтернативно, в качестве информационных сигналов для этой системы можно было взять генератор константы (312 единиц) и сигнал с амплитудного выхода Фурье-фильтра.

Чертеж 1

Частотный анализ

Все выполненные читателем эксперименты были связаны с анализом систем запуска синхронной машины во временном домене. Но не следует забывать, что программа Jigrein так же позволяет проводить анализ моделей в частотном домене. Датчики библиотеки анализа ABCDInp и ABCDOut установлены в модель, и, после процесса симуляции, можно активировать команду меню Анализ > ЧХ ... По умолчанию демонстрируется частотная характеристика главного объекта – безинерционного движителя, к которому подключена синхронная машина. К сожалению тот факт, что движитель безинерционный понижает ценность частотного анализа в данном конкретном случае. Но ни кто не запрещает пользователю уточнить модель движителя.

PS.

Напомним ещё раз, что модель синхронной машины из библиотеки программы Jigrein упрощена. Для представленных экспериментов не требовалось более детальное описание машины, и автор ограничился простым вариантом. Но следует помнить, что пользователю программы доступна возможность внесения изменений в библиотечные модели.

8.10.2007