Принцип работы системы автоматического регулирования. Системы автоматического регулирования. Общие сведения об устройствах автоматического регулирования возбуждения синхронных машин

"УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН"

По дисциплине:

"Автоматика в электрических системах"

1. Общие сведения об устройствах автоматического регулирования возбуждения синхронных машин. 3

2. Устройство токового компаундирования. 5

3. Электромагнитный корректор напряжения. 7

Список использованной литературы.. 10

1. Общие сведения об устройствах автоматического регулирования возбуждения синхронных машин

Напряжение является показателем качества электроэнергии. Отклонение напряжения в ту или иную сторону от номинального значения ухудшает условия работы энергоприемников потребителей: снижается производительность механизмов и КПД установок, сокращается срок службы электрооборудования, появляется брак выпускаемой продукции и прочее. Поэтому в нормальном режиме работы системы электроснабжения допускается отклонение напряжения у потребителей не более чем на ±5% номинального значения. В ненормальном (послеаварийном) режиме работы допускается снижение напряжения не более чем на 10% номинального.

Напряжение зависит от различных факторов, воздействуя на которые, можно поддерживать заданное его значение.

Напряжение на шинах низшего напряжения приемной подстанции (рис.1.1), т.е. на шинах, от которых получают питание потребители:

где UЭС - напряжение на шинах высшего напряжения электростанции; Р, Q - активная и реактивная мощности, поступающие к подстанции; R, х - активное и реактивное сопротивления линии и трансформатора приемной подстанции; nт - коэффициент трансформации понижающего трансформатора.

Из (1.1) видно, что напряжение UП зависит от напряжения на шинах электрической станции, перетока мощности по ВЛ и коэффициента трансформации трансформатора понижающей подстанции. Следовательно, воздействовать на напряжения у потребителей можно, изменяя: напряжение на шинах электростанции UЭС; реактивную мощность Q, передаваемую по линии; коэффициент трансформации nт трансформатора понижающей подстанции.

Регулировать значение UЭС и изменять значение Q можно путем изменения тока возбуждения генераторов станции, а также синхронных компенсаторов и двигателей системы электроснабжения. Эту задачу выполняют устройства автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных машин.

Устройства АРВ могут быть выполнены на основе двух различных принципов автоматического управления. Первый принцип предусматривает создание разомкнутой автоматической системы управления, т.е. системы управления по возмущающему воздействию. Применительно к АРВ синхронных машин это означает, что возбуждение машины автоматически изменяется в зависимости от значения параметра возмущающего воздействия, влияющего на напряжение на зажимах машины. Если, например, в качестве возмущающего воздействия на вход АРВ подается значение тока статора Iст, то АРВ носит название токового компаундирования. Если в качестве возмущающих воздействий учитываются ток статора и фазовый сдвиг тока статора по отношению к напряжению статора, то имеет место фазовое компаундирование синхронной машины.

В соответствии со вторым принципом АРВ выполняется в виде замкнутой автоматической системы управления и представляет собой регулятор по отклонению напряжения, который реагирует на разность фактического и заданного значений напряжения статора синхронной машины и, воздействуя на систему возбуждения машины, стремится свести эту разность к нулю.

АРВ синхронной машины представляет собой, как правило, совокупность устройства компаундирования и регулятора (или корректора) напряжения.

2. Устройство токового компаундирования

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема токового компаундирования (а); характеристика компаундирования (б) и внешняя характеристика (в) компаундированной машины.

Напряжение на шинах синхронной машины Uст, работающей с перевозбуждением, т.е. в режиме выдачи реактивной мощности, снижается по мере увеличения тока статора Iст.

Поскольку значение ЭДС Eq пропорционально току возбуждения, то, изменяя в соответствии с изменением тока статора ток ротора машины, можно поддерживать значение Uст приблизительно постоянным независимо от значения тока Iст. Эту задачу и выполняет устройство токового компаундирования (УТК) (рис.2.1), которое состоит из выпрямителя ВК, подключенного через трансформатор Т ко вторичным цепям трансформаторов тока ТТ, установленных в статорной цени регулируемой синхронной машины. Напряжение на выходе Т может изменяться путем изменения установочного сопротивления Ry. Выпрямленное напряжение UK на выходе устройства токового компаундирования, пропорциональное току статора, подводится к обмотке возбуждения овв возбудителя Вб.

Зависимость напряжения UK от тока Iст регулируемой машины может быть представлена следующим образом:

, (2.1)

где К1, nTB - коэффициенты трансформации соответственно ТТ и ТВ; βBK = Uk/Utb - коэффициент преобразования выпрямителя ВК.

,(2.2)

где Rовв - сопротивление овв; IВ,0 - ток в овв, соответствующий холостому ходу синхронной машины, то в обмотке возбуждения возбудителя проходит ток IК от устройства токового компаундирования.

Зависимость тока Iр ротора от тока Iст статора (нагрузки) компаундированной синхронной машины (характеристика компаундирования), а также внешняя характеристика компаундированной синхронной машины, поясняющие работу УТК, представлены на рис.2.1, б, в. Точка а этих характеристик соответствует значению тока статора IП, К, при котором начинает выполняться условие (2.2). Ток IП, К называется порогом компаундирования и изменяется с изменением сопротивления установочного резистора Ry. При токе нагрузки компаундированной машины ICT

Необходимые изменения характеристики компаундирования и внешней характеристики компаундированной машины могут производиться путем изменения сопротивлений RPB(изменение IPO и Uст,o) и Ry (изменение IП, К), т. e. регулировочного и установочного сопротивлений. Однако внешняя характеристика компаундированной машины нестабильна и изменяется с изменением cosφ. Следовательно, cosφнаряду с Iст является возмущающим воздействием, которое в токовом компаундировании не учитывается.

Настройка устройства токового компаундирования, при которой напряжение компаундированной машины при Iст = 0, а также при Iст=Icт, ном и cosφ= cosφном равно номинальному напряжению Uст, ном машины, носит название нормальной настройки компаундирования.

Основным достоинством устройства токового компаундирования является его быстродействие, т.е. обеспечение быстрого возрастания тока возбуждения при глубоких посадках напряжения, вызванных КЗ. Недостаток заключается в малой точности регулирования напряжения, так как данным АРВ не учитывается ряд факторов (например, коэффициент мощности, частота вращения ротора, сопротивление обмотки ротора и др.), существенно влияющих на напряжение.

3. Электромагнитный корректор напряжения

Напряжение на шинах компаундированной синхронной машины нестабильно и зависит от тока статора и от cosφ. Поэтому устройство токового компаундирования дополняется корректором напряжения, т.е. регулятором по отклонению напряжения, задачей которого является поддержание стабильного значения напряжения на шинах компаундированной машины.

Широкое распространение получил электромагнитный корректор напряжения, выполненный на статических элементах (дроссели, трансформаторы, магнитные усилители, полупроводниковые вентили и пр), что обеспечивает его высокую надежность.

Рисунок3.1 – Структурная схема электромагнитного корректора напряжения.

Структурная схема электромагнитного корректора (рис.3.1) содержит измерительный орган ИО, магнитный усилитель МУ и выпрямитель В, на выход которого подключается обмотка возбуждения возбудителя овв. При отклонении напряжения синхронной машины от заданного значения на выходе ИО появляется сигнал, пропорциональный значению этого отклонения, МУ усиливает этот сигнал, и выходной ток корректора Iрег изменяет возбуждение синхронной машины в сторону уменьшения отклонения напряжения. Корректор напряжения по принципу действия является статическим, т.е. он уменьшает отклонение регулируемого напряжения синхронной машины от заданного значения, но не сводит его к нулю, так как выходной ток корректора имеет место только при наличии сигнала на выходе ИО.

Статизм регулирования уменьшается с увеличением коэффициента усиления усилителя регулятора (в нашем случае МУ корректора). Однако при этом возникает опасность неустойчивой работы регулятора, что может потребовать принятия специальных мер по сохранению, устойчивости регулирования, например введения в схему регулятора звена гибкой отрицательной обратной связи.

Измерительный орган ИО рассматриваемого корректора состоит из двух элементов - линейного ЛЭ и нелинейного НЭ, подключенных к выходу установочного автотрансформатора УАТ, получающего питание от трансформатора напряжения ТН.

Выходным сигналом ИО является разность токов

Iио=Iлэ-Iнэ. (3.1)

Значение Iио=0 только при единственном значении UYAT=0. При UYAT0, а при UYAT>U0 Iио<0.

Ток Iио является входным сигналом МУ. Если выходной ток корректора IРЕГ увеличивает возбуждение синхронной машины, то корректор напряжения носит название согласованного. В противном случае корректор называется противовключенным. Совокупность согласованного и противовключенного корректоров образует регулятор напряжения, называемый двухсистемным корректором. При двухсистемном корректоре целесообразна нормальная настройка компаундирования синхронной машины.

АРВ, представляющие совокупность устройства токового компаундирования и электромагнитного корректора напряжения, нашли широкое применение. Ими оборудуются синхронные машины, имеющие электромашинную систему возбуждения. К ним относятся турбогенераторы и гидрогенераторы мощностью до 100 МВт, а также синхронные компенсаторы мощностью до 75 MB-А. Для турбогенераторов используется токовое компаундирование с односистемным, а для гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, как правило, с двухсистемным корректором.

Список использованной литературы

1. Кривенков В. В, Новелла В.Н. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: учебн. пособие для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981.328 с., ил.

2. Чернобровов Н.В. Релейная защита. Учебное пособие для техникумов. Изд.5-е, перераб. И доп.М., "Энергия", 1974.

Управление, сопровождающееся непрерывным контролем, называют регулированием, а параметр, которым необходимо управлять, т. е. регулировать, - регулируемой величиной . Напри­мер, если уровень жидкости в закалочном баке снижается, то необходимо увеличивать подачу воды в бак до тех пор, пока уровень не достигнет заданного значения. В данном примере уровень жидкости является регулируемой величиной, а закалоч­ный бак, в котором регулируется уровень, -объектом регулиро­вания. Следовательно, операция поддержания равенства регу­лируемой величины ее заданному значению является регулирова­нием. Регулирование может осуществляться вручную и авто­матически.

Рассмотрим принцип работы лабораторной нагревательной печи, подключенной к электросети через автотрансформатор. Пусть для измерения температуры в печи установлен термо­электрический преобразователь (термопара), подключенный к мил­ливольтметру. Лаборант, наблюдая за показаниями милливольт­метра, регулирует напряжение на нагревательных элементах печи. Если температура в печи оказывается ниже заданной, он увеличивает напряжение на нагревательных элементах, отчего температура повышается; и наоборот, если температура повы­шается, то лаборант уменьшает напряжение на нагревательных, элементах. Таким образом, лаборант, изменяя напряжение на нагревательных элементах, регулирует температуру. Такое регу­лирование называют ручным регулированием. I Для автоматизации процесса регулирования необходимо, чтобы какое-либо устройство непрерывно или периодически измеряло значение регулируемой величины, сравнивало с заданным зна­чением и в случае несоответствия с помощью регулирующего органа корректировало технологический процесс, поддерживая заданное значение регулируемой величины. Такое регулирование, в котором управление осуществляется различными устройствами без вмешательства человека, называют автоматическим регулированием, а совокупность устройств, состоящих из измерите-льного элемента (первичного преобразователя), исполнительго механизма и регулирующего органа, называют автоматическим регулятором .

Система автоматического регулирования (рис. 1) представ­ит собой совокупность отдельных элементов, направленно действующих друг на друга. В сравнивающем устройстве происходит сравнение текущего значения регулируемой величины X, которое поступает по главной обратной связи, с ее заданным значением XQ .

Рис. 1, Схема системы автоматического регулирования

В цепи главной обратной связи имеется инвертор, изменя­ющий знак сигнала X. В случае неравенства величин, поступа­ющих на сравнивающее устройство, т. е. в случае рассогласова­ния, на выходе задающего устройства появляется сигнал АХ = = Хо - X, пропорциональный рассогласованию . Этот сигнал подается на вход регулятора. В регуляторе сигнал АХ преобра­зуется и усиливается по мощности до уровня, необходимого дли управления исполнительным устройством. Исполнительное уст­ройство в свою очередь воздействует на объект регулирования. При этом регулируемая величина X в результате регулирующего воздействия Y изменяется в сторону уменьшения отклонения АХ.

Рассмотрим несколько подробнее основные элементы системы автоматического регулирования.

Для установления текущего значения регулируемой вели­чины X в системе имеются специальные элементы получения ин­формации, которые называются измерительными элементами . Основная функция измерительного элемента - измерение регули­руемой величины (температуры, давления, запыленности и т. п.) и ее преобразование в электрический, пневматический или ги­дравлический сигналы, удобные для подачи последующим эле­ментам системы. Измерительными элементами, как правило, являются первичные преобразователи аналогового или дискрет­ного действия.

Сигналы задающих органов (органов настройки), как и выход­ные величины измерительных элементов, могут иметь различную физическую природу. В связи с этим задающие органы могут быть электрическими, механическими, пневматическими и т. п. В элек­трических регуляторах, где выходным является электрический сигнал, задающие органы выполняются в виде резисторов, рео­статов или потенциометров» В механических, гидравлических и пневматических регуляторах задающие органы выполняются в виде винтов, пружин или неподвижных опор.

Элементы сравнения могут иметь различные схемы, определяе­мые природой сравниваемых сигналов. Например, при сравнении электрических сигналов используются такие элементы, как рези­сторы, конденсаторы и другие элементы, а при сравнении меха-

нических величин - рычажные устройства. Заметим, что сигнал рассогласования характеризуется не только величиной, но и знаком.

В большинстве регуляторов сигнал рассогласования обладает небольшой мощностью, и поэтому его усиливают до значения, позволяющего управлять или приводить в действие исполнитель­ный механизм.

Усиление сигнала, осуществляемое в усилительных элементах, Достигается изменением потока вспомогательной энергии, поступающей от усилителя к исполнительному механизму в соответствии со знаком и значением рассогласования.

Элементы автоматических устройств, использующие информацию о сигнале рассогласования (исполнительные элементы), предназначены для оказания регулирующего воздействия на объект регулирования с целью уменьшить рассогласования между текущими и заданными значениями регулируемой величины. В одних случаях это приводит к изменению потока энергии или топлива к регулируемому объекту (печи), в других -к измене-нию потока жидкости (закалочные баки), пара, воздуха, газа т. п. Исполнительные элементы состоят из исполнительных механизмов и регулирующих органов.

Для улучшения характера переходных процессов системы втоматического регулирования и повышения качества регулирования в систему регулирования могут вводиться стабилизирую­щие элементы (дополнительная обратная связь). Введение этих Элементов обусловлено тем, что регулируемая величина обычно не сразу достигает заданного значения, и, если не принимать специальных мер, регулирование затягивается, сопровождаясь колебаниями регулируемой величины относительно заданного значения. В отличие от главной обратной связи, которая свя­зывает регулируемую величину с задающим устройством, допол­нительные обратные связи передают воздействия с выхода какого-либо звена системы автоматического регулирования на вход лю­бого предыдущего звена. Сигнал дополнительной обратной связи, подаваемый на вход, может либо складываться с входным сигна­лом (положительная дополнительная обратная связь), либо вычи­таться из входного сигнала (отрицательная дополнительная обратная связь). В системах автоматического регулирования чаще всего используют отрицательную дополнительную связь.

В зависимости от характера эоздействия дополнительная обратная связь подразделяется на жесткую и гибкую. Жесткая дополнительная обратная связь характеризуется передачей по ней на вход части полной выходной величины на протяжении всего времени регулирования.

Гибкая (упругая) дополнительная обратная связь (изодром) характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от измерения выходной величины по времени. У гиб­кой дополнительной обратной связи сигнал на выходе суще-

ствует только тогда, когда сигнал изменяется во времени. Таки образом, гибкая дополнительная обратная связь позволяет ос ществлять регулирование входной величины по скорости и уск< рению и тем самым значительно ускоряет процесс регулирован! и улучшает его качество. Гибкая обратная связь начинает дей ствовать только при изменении выходной величины, и ее действие прекращается после возвращения системы к установившемуt состоянию. В связи с этим иногда ее называют исчезающей обратной связью.

Системы автоматического регулирования могут основываться на трех принципах: регулирования по отклонению, регулировния по возмущению и комбинированном принципе регулирования, когда совмещаются принципы регулирования по отклонению и возмущению.

Принцип регулирования по отклонению заключается в том, что процесс регулирования осуществляется по значению регулируемой величины, которое сравнивается с заданным ее значением. При наличии сигнала рассогласования регулятор воздействует на объект, чтобы привести к равновесию регулируемую и заданные величины

Принцип регулирования по возмущению состоит в том, что из нескольких возмущений, воздействующих на объект, выбира­ется одно и определяется его влияние на регулируемую величину. Возмущение воздействует с помощью управляющего устройства на регулирующий орган объекта управления. В системах регу­лирования по возмущению вместо измерения рассогласования в измерительном элементе регулятора измеряется возмущение. Недостатком подобной системы является то, что она компенси­рует влияние только одного основного возмущения и не может предотвратить влияние на регулируемую величину других воз­мущающих воздействий, чаще всего неконтролируемых.

Комбинированные системы сочетают в себе оба рассмотренных принципа.

Системы автоматического регулирования классифицируются по разным признакам.

По виду применяемой энергии -- электрические, пневматиче­ские, гидравлические и механические.

По виду структуры - обыкновенные и самонастраивающиеся.

По виду функциональной связи между входными и выходными величинами элементов, входящих в системы автоматического регулирования, последние делят на системы непрерывного и пре­рывистого действия. В системах непрерывного действия непре­рывному изменению входных величин всех элементов соответ­ствует непрерывное изменение выходных величин этих элементов.

Системы автоматического регулирования относятся к систе­мам прерывистого (дискретного) действия, если непрерывному изменению входной величины хотя бы одного элемента, входящего в состав системы, соответствует прерывистое изменение выходной величины этого элемента.