Состояние проблемы и постановка задачи На системы автоматического регулирования возбуждения (САРВ), используемые в современной промышленности, возлагаются следующие задачи: - устойчивое регулирование (стабилизация) напряжения генератора во всех эксплуатационных режимах с заданной точностью; - пропорциональное распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами; - повышение статической и динамической устойчивости генератора при работе в энергосистеме; - обеспечение режимов пуска асинхронных двигателей и включения генератора на параллельную работу методами точной синхронизации и самосинхронизации; - быстрое восстановление напряжения после отключения короткого замыкания и обеспечение самозапуска асинхронных электродвигателей; - повышение надежности пуска асинхронных короткозамкнутых двигателей мощностью, соизмеримой с мощностью генератора; - повышение надежности действия устройств релейной защиты в системе электроснабжения; - обеспечение надежной синхронизации [1-10]. Находящиеся в эксплуатации системы автоматического регулирования напряжения могут быть классифицированы по ряду признаков, основными из которых являются: тип системы возбуждения (СВ); наличие щеточно-контактного узла; принцип регулирования; способ воздействия на возбуждение синхронного генератора (СГ); тип статических и динамических характеристик; наличие форсировки (рис. 1) [1, 2, 6, 9, 10]. Рис. 1. Классификация систем автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов судовых источников электрической энергии: ЭА - электрические агрегаты; ОВВ - обмотка возбуждения возбудителя; ОВГ - обмотка возбуждения генератора; УРН - устройство регулирования напряжения По типу СВ различают САРВ с электромашинной и статической системами регулирования. В качестве возбудителя используют генератор постоянного тока или синхронный возбудитель с вращающимся выпрямителем, а статическая система может получать питание от дополнительной или основной якорной обмотки. В генераторах серии ДГС нашли применение СВ с электромашинным возбудителем постоянного тока, а в генераторах серий ГС, ГС2, ГСМ, 2СН - электромашинные возбудители переменного тока с выпрямителем. Статические СВ с питанием от выхода СГ реализуются в генераторах ГСФ, ДГФ, а с питанием от дополнительной обмотки - в генераторах ГАБ, ГА, ОС [1, 2, 6, 9, 10]. По наличию щеточно-контактного узла САРВ разделяют на бесщеточные, щеточные с контактными кольцами, щеточные с контактными кольцами и коллектором. Наиболее перспективными являются бесщеточные САРВ, имеющие высокую надежность благодаря отсутствию скользящих контактов. Они применяются в генераторах серий ГС, ГС-2, ГСМ, 2СН. Щеточные с контактными кольцами САРВ применяются в СГ со статической системой регулирования (серий Г05, Г40, ГСФ); щеточные с контактными кольцами и коллектором в СГ с возбудителем постоянного тока (ДГС) [1, 2, 6, 9, 10]. Комбинированные САРВ реализуют принципы регулирования по отклонению и возмущению и обладают их достоинствами. В таких системах, наряду с замкнутым контуром, образованным главной обратной связью, имеется цепь компенсации основного возмущающего воздействия. Управляющее воздействие в этом случае является функцией возмущающего воздействия и отклонения напряжения от его заданного значения, т. е. функцией ошибки. Отрицательное действие всех неучтенных возмущений в комбинированных САРВ компенсируется или ослабляется контуром регулирования по отклонению, который осуществляет управление компаундированием. Схемы, реализующие комбинированный принцип регулирования, называют схемами управляемого компаундирования, в отличие от схем неуправляемого компаундирования, в которых реализуется лишь принцип регулирования по возмущению [1, 2, 6, 9, 10]. Качество и устойчивость регулирования напряжения при внезапном изменении оцениваются по динамической характеристике, описывающей изменение напряжения во времени в процессе регулирования. Различают периодические и апериодические характеристики, которые могут быть сходящимися или устойчивыми и расходящимися или неустойчивыми. Тип динамической характеристики САРВ зависит от параметров элементов схемы, поэтому при их подборе стремятся обеспечить устойчивое регулирование. Поведение напряжения в процессе регулирования при плавном изменении нагрузки оценивается по внешней характеристике, которая может быть статической или астатической. По способу воздействия на возбуждение СГ все САРВ можно разделить на системы прямого и косвенного компаундирования. В случае прямого компаундирования оказывается непосредственное воздействие на величину тока индуктора СГ. При косвенном компаундировании воздействие осуществляется через возбудитель путем введения дополнительного тока в ОВВ или изменения сопротивления ее цепи [1, 2, 6, 9, 10]. Более современный признак для классификации - по типу форсировки: системы с внешней форсировкой и системы с внутренней форсировкой. Под форсировкой возбуждения генератора понимают быстрое увеличение напряжения возбуждения до предельного значения. Внутренняя форсировка возбуждения обеспечивается за счет внутренних ресурсов СВ, которые ограничены. Например, кратность форсировки возбуждения составляет от 2,5 для СГ с электромашинными возбудителями до 8 для бесщеточных СГ с тиристорами в СВ. В системах с внешней форсировкой увеличение возбуждения осуществляется за счет внешнего источника, ресурсы которого могут быть многократно больше, чем при внутренней форсировке. Достоинством внешней форсировки является то, что ее можно организовать для СВ СГ любого типа путем введения дополнительной цепи внешней форсировки. Кроме того, системы с внешней форсировкой можно разделить на системы с неуправляемой и системы с управляемой форсировкой. Таким образом, недостатками большинства комбинированных САРВ являются невысокая форсировочная способность и, как следствие, невозможность пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, соизмеримых по мощности с генератором, и сложность обеспечения условий синхронизации и параллельной работы двух и более генераторов. Эти недостатки особенно характерны для генераторов большой мощности [1, 2, 11-14]. Эффективным способом повышения устойчивости параллельной работы СГ является воздействие на его возбуждение. Если в моменты избыточной мощности первичного двигателя с помощью САРВ форсировать возбуждение генератора, а в момент его недостаточной мощности развозбуждать генератор, то в соответствии с изменением тока возбуждения будут меняться электродвижущая сила (ЭДС) и активная мощность генератора, обеспечивая демпфирование колебаний ротора и повышение устойчивости работы генератора [14-16]. Форсировочная способность СВ определяется коэффициентом форсировки возбуждения Кф: Kф = Uв.п /Uв.ном, где Uв.п - потолочное напряжение возбуждения; Uв.ном - номинальное напряжение возбуждения. Форсировочная возможность СВ с внутренней форсировкой жестко ограничена параметрами трансформаторов, входящих в состав СВ. С учетом вышесказанного необходима разработка устройств, не имеющих таких ограничений. Способы решения задачи Для решения поставленной задачи может быть использована САРВ с неуправляемой внешней форсировкой (рис. 2), которая обладает высоким быстродействием форсировки возбуждения и обеспечивает высокую форсировочную способность, ограниченную лишь параметрами внешнего источника. Начальное возбуждение может происходить за счет остаточного магнитного потока генератора 1 или от внешнего источника 11, при недостаточном остаточном магнитном потоке. При этом подается короткий сигнал на шину 28 ПУСК, который через логический элемент ИЛИ 27 открывает ключ 12 и кратковременно подключает внешний источник к индуктору 3. Напряжение с якорной обмотки 2 генератора подается на обмотку напряжения 7 суммирующего трансформатора 4. С обмотки 8 ЭДС, наводимая обмоткой 7, поступает через выпрямитель 4, и по обмотке индуктора 3 протекает ток возбуждения, обеспечивающий заданный уровень напряжения на холостом ходу и при малых нагрузках. Рис. 2. Принципиальная электрическая схема системы возбуждения синхронного генератора с неуправляемой внешней форсировкой: 1 - синхронный генератор; 2 - обмотка якоря; 3 - индуктор; 4, 15 - выпрямитель; 5 - суммирующий трансформатор; 6 - токовая обмотка; 7 - обмотка напряжения; 8 - вторичная обмотка; 9 - обмотка управления; 10 - корректор напряжения; 11 - внешний источник постоянного тока; 12 - электронный ключ; 13 - трансформатор тока; 14 - шунт; 16 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 17, 18 - регистр памяти; 19 - распределитель импульсов; 20 - генератор импульсов стабильной частоты; 21 - вычитатель; 22 - дешифратор; 23, 24 - выходы; 25 - RS-триггер; 26 - дифференциатор; 27, 31 - логические элементы ИЛИ и И; 28 - шина ПУСК; 29 - формирователь-ограничитель; 30 - инвертор Для компенсации реакции якоря при подключении нагрузки последовательно с обмоткой якоря включена обмотка 6 трансформатора 5. Протекающий ток нагрузки индуцирует магнитодвижущую силу (МДС) обмотки 6, которая геометрически складывается с МДС обмотки 7. В результате суммарная МДС возрастает при активной и индуктивной нагрузке и уменьшается при емкостной нагрузке. Соответственно изменяется магнитный поток трансформатора 5, ЭДС в его вторичной обмотке 8 и ток возбуждения в обмотке индуктора 3. Таким образом, компенсируется действие реакции якоря, и напряжение генератора остается на прежнем уровне [17]. Повышение точности регулирования обеспечивается подачей тока на обмотку управления 8 трансформатора 5 с выхода корректора напряжения 10. Одновременно с процессами, описанными выше, производится анализ величины тока i(t) нагрузки генератора, протекающего по первичной обмотке трансформатора 13. Ток i2(t) вторичной обмотки трансформатора тока 13 i2(t) = i(t)/k, где k - коэффициент трансформации трансформатора 13. Протекая по шунту 14, ток вторичной обмотки производит на нём падение напряжения u2(t) = i2(t)r, где r - сопротивление шунта 14, которое подается на вход выпрямителя 15. На выходе выпрямителя 15 появляется пульсирующее напряжение u(t)=│u2(t)│, поступающее на вход АЦП 16. На выходе преобразователя 16 формируется код мгновенного значения входного напряжения K(t) = u(t) / uп, где uп - шаг квантования АЦП 16. Этот код подается на информационные входы регистров памяти 17 и 18 [17]. Коды K(t) и K(t + Δt), соответствующие мгновенным значениям тока нагрузки i(t) и i(t + Δt) для смежных моментов времени, отличающихся на Δt, записываются в регистры памяти 17 и 18 по импульсам с генератора 20 и поступают на входы вычитателя 21. На выходе вычитателя 21 появится код, соответствующий текущему приращению тока нагрузки |Δi/Δt | за фиксированный промежуток времени Δt. Код поступает на вход дешифратора 22, который формирует сигнал на одном из m выходов. Если текущее приращение тока нагрузки не превышает допустимой величины, то сигнал появляется на одном из выходов дешифратора 22 с номерами от 1 до n, триггер 25 остается в состоянии «0» и форсировка возбуждения не производится. В случае превышения приращением тока нагрузки генератора допустимой величины появляется сигнал на одном из выходов дешифратора 22 с номерами от (n + 1) до m, который установит триггер 25 в единичное состояние, при этом появляется сигнал на его прямом выходе. Этот сигнал через элемент ИЛИ 27 откроет ключ 12 и подключит к обмотке индуктора 3 внешний источник 11, обеспечивая форсировку возбуждения. При снижении тока нагрузки до допустимых значений, например после завершения процесса пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, появляется сигнал на одном из выходов дешифратора 22 с номерами от 1 до n, который через элемент И 31 в момент времени, когда мгновенное значение тока близко к нулевому значению и наблюдается максимальное приращения тока, через дифференциатор 26 поступает на сбросовый вход триггера 25. Сигнал на прямом выходе триггера 25 исчезает. Закрывается ключ 12, отключая внешний источник 11 от обмотки 3 индуктора генератора [17]. Недостатком данной системы является вероятность перевозбуждения генератора, поскольку по факту превышения допустимой величины приращения тока нагрузки возбуждение увеличивается всегда на одну и ту же величину, которая определяется параметрами внешнего источника [12-14, 18]. Данный недостаток был устранен при разработке САРВ с управляемой внешней форсировкой. Повышение точности форсировки возбуждения достигается тем, что данная система позволяет обеспечить дозированную подачу возбуждения в зависимости от наброса нагрузки. На рис. 3 представлена схема СВ СГ с управляемой внешней форсировкой. Величина тока форсировки в схеме рис. 3 определяется напряжением внешнего источника 11 и проводимостью цепи форсировки, которая зависит от того, сколько и какие резисторы 32 включены. Включение резисторов 32-1…32-N производится ключами 31-1…33-N, управляющие электроды которых подключены к соответствующим разрядам выхода компаратора 21. Изменение кода приращения тока нагрузки на единицу приводит к изменению проводимости цепи форсировки на величину равную проводимости первой секции: Δq = 1/R1, где R1 - сопротивление резистора 32-1. Параллельно включенные секции, введенные между внешним источником постоянного тока и общим электронным ключом, обеспечивают с необходимой точностью управление степенью форсировки возбуждения в зависимости от приращения тока нагрузки генератора. Зависимость сопротивления резистора i-й секции от сопротивления резистора первой секции, и в соответствии с выражением Ri = R1/2(i-1), обеспечивает одинаковое приращение проводимости цепи форсировки возбуждения при изменении на единицу кода тока нагрузки на выходе вычитателя во всем диапазоне регулирования. При этом приращение проводимости цепи форсировки возбуждения при изменении на единицу кода тока нагрузки на выходе вычитателя составляет Δq. Ограничительный резистор, включенный параллельно секциям, создает цепь начального возбуждения. Рис. 3. Принципиальная электрическая схема системы возбуждения синхронного генератора с управляемой внешней форсировкой: 1 - синхронный генератор; 2 - обмотка якоря; 3 - индуктор; 4, 15 - выпрямитель; 5 - суммирующий трансформатор; 6 - токовая обмотка; 7 - обмотка напряжения; 8 - вторичная обмотка; 9 - обмотка управления; 10 - корректор напряжения;11 - внешний источник постоянного тока; 12 - электронный ключ; 13 - трансформатор тока; 14 - шунт; 16 - АЦП; 17, 18 - регистр памяти; 19 - распределитель импульсов; 20 - генератор импульсов стабильной частоты; 21 - вычитатель; 22 - задающий регистр; 23 - компаратор; 24, 26 - дифференциатор; 25 - триггер; 27 - логический элемент ИЛИ; 28 - шина ПУСК; 29 - формирователь-ограничитель; 30 - инвертор; 31 - логический элемент И; 32 - резисторы; 33 - ключи Автономные источники электрической энергии имеют ограниченную мощность [6, 14, 16, 18, 19]. В процессе эксплуатации может потребоваться питание потребителя соизмеримой с источником мощности. Для устранения провалов напряжения применяют устройства плавного пуска и преобразователи частоты. Однако стоимость устройств достаточно высока. Применение систем регулирования форсировки позволяет снизить затраты на систему электроснабжения [14]. Заключение Таким образом, предложенная система возбуждения генератора имеет высокую форсировочную способность. Степень форсировки возбуждения является функцией максимального приращения тока нагрузки генератора, что обеспечивает высокое быстродействие и точность, исключая возможность перерегулирования. Точность форсировки определяется разрядностью компаратора 23 и количеством резисторов 32. Повышение форсировочной способности САРВ синхронного генератора снижает величину и длительность провалов напряжения в динамических режимах и улучшает условия их включения на параллельную работу методом самосинхронизации.