Система электроснабжения узла нагрузки

ИЯ АВТОРСКОМУ ТЕЛЬСТВУ АСМ, заора АСМ, выходы в потоко еэ ордиНЫЙ КОМИТЕТ СССРОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБ(71) Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический инсти-. тут им. С.М. Кирова(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 847434, кл. Н 02 1 3/24, 1979.2. Авторское свидетельство СССР У 699644, кл. Н 02 Р 7/62, 1975. (54)(57) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УЗЛА НАГРУЗКИ, содержащая основной источник питания, включенный на шины нагрузки, асинхронизированную синхронную машину, трехфазный. статор,которой включен на шины, а трехфазный или двухфазный ротор с маховиком под" ключен через преобразователь частоты к источнику питания, да; .ики фаз статора и,ротора, датчики фазовых напряжений статора, координатный преобразователь в цепи управляющих входов преобразователя частоты, координатный преобразователь для определения составляющих потокосцепления ротора асинхронизированной синхронной машины (АСМ) по осям о и р и фильтры,. при этом выход координатного преобра.зователя в цепи управляющих входов преобразователя частоты соединен с управляющим входом преобразователя . частоты, входы координатного преобразователя для определения составляющих потокосцепления ротора АСМ по осям с и / соединены с датчиками фаэных токов статора и ротора АСМ, авыходы через множительные элементысоединены со входами дифференцирующих звеньев причем вторые входы множительных элементов подключены квыходу датчика скольжения, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с цельюповышения надежности функционированиясистемы электроснабжения, в нее введен датчикфазовых напряжений нашинах основной питающей системы, координатный преобразователь дляопределения составляющих напряжения статора АСМ по.осям Ы- р и датчик частоты напряжения на шинах АСМ, блок определения частоты вращения системыкоординат а -11 и ее углового положения, блок определения частоты вращения ротора и его углового. положенияв системе координат-а, датчик им-,пульсов, быстродействующий регуляторпотокосцепления ротора по оси р,быстродействующий регулятор потоко-,сцепления ротора по оси о, датчикколебаний частоты на шинах электроприемников и статора АСМ, регуляторысоставляющих напряжения АСМ по осямЫ и а , регулятор частоты напряженияна шинах нагрузки и статора АСМ, суммирующий элемент, задатчик.модулянапряжения на шинах нагрузки и статора АСМ, дополнительный регуляторпотокосцепления ротора по оси:Ы, ЖСрегулятор скорости вращениядатчик скорости вращения ронелинейный элемент, при этомбыстродействующих регуляторсцеплений ротора по осям сфильтры соединены с входом110332 натного преобразователя в цепи управ ляющих входов преобразователя частоты, входы обратных связей быстродей- . ствующих регуляторов потокосцеплений ротора по оси с и по осисоединены с соответствующими выходами координатного преобразователя для определения составляющих потокосцеплений ротора АСМ по осям с и р, выходы дифференцирующих звеньев соединены с входами компенсирующих связей соответствующих быстродействующих регуляторов потокосцеплений по осям о и р, вход задания быстродействующего регулятора потокосцепления по оси сс соединен с выходом регулятора составляющей напряжения по оси Я, а вход задания быстродействующего регулятора потокосцепления по оси р соединен с выходом регулятора составляющей напряжения по оси с, входы обратных связей регуляторов составляющих напряжения статора АСМ по осям с и р соединены с соответствующими выходами координатного преобразователя для составляющих напряжения статора АСМ по осям о и р, вход которого соеди" нен с выходом датчика фазных напряжений статора и выходом блока опре.деления частоты вращения системы координат с -р и ее углового положения, вход регулятора составляющей напряжения статора АСМ по осисоединен с выходом регулятора частоты, а вход регулятора составляющей напряжения статора АСМ по оси с - с выходом нелинейного элемента, вход которого соединен с выходом суммирующего элемента, один вход которого соединен с выходом множительного элемента, вход которого соединен с выходом задатчика модуля напряжения, а второй вход суммирующего элемента соединен через множительный элемент с выходом по оси р координатного преобразовате. ля для определения составляющих напря 4жения по осям с и , вход обратнойсвязи регулятора частоты соединен свыходом датчика колебаний частоты,входы которого соединены с выходомкоординатного преобразователя дляопределения составляющих напряжениястатора АСМ по осям Ы и р и с выходом блока определения частоты вращения системы координат сс -8, входкоторого соединен с выходом датчикафазных напряжений на шинах основнойпитающей системы, вход задания регулятора частоты через фильтр соединен с выходом дополнительного регулятора потокосцеплений ротора пооси с, вход обратной связи последнего регулятора соединей с выходомдля оси сс координатного преобразователя для определения составляющихпотокосцепления ротора АСМ по осямЫ и р, а вход задания этого регулятора соединен с выходом регулятораскорости вращения ротора машины, входзадания которого соединен с выодомзадатчика скорости, а вход обратнойсвязи - с блоком определения частотывращения ротора и его углового положения в системе координат с -р, выход последнего соединен с координатным преобразователем в цепи управляющих входов преобразователя частоты ис координатным. преобразователем дляполучения составляющих потокосцепления ротора АСМ по осям сс и 8 , входсоединен с выходом датчика импульсов,который установлен на валу АСМ, ивыходом блока для определения частотывращения системы координат с- А и ееуглового положения, а выходы датчика скольжения соединены с выходамиблока определения частоты вращениясистемы координат с-р и ее угловогоположения и с выходом блока определения частоты вращения ротора и егоуглового положения в системе координат Ы -в.1Изобретение относится к группе устройств, применяемых в электроэнергетике для решения проблем повышения надежности функционирования 1электрических систем. К числу указанных проблем относится и проблема обеспечения бесперебойности электро снабжения узлов нагрузки энергосис"3 11 ОЗ темы и узлов нагрузки промышленных предприятий. В современной промышленности можно указать целый. ряд предприятий и отдельных технологических процессов, для которых даже кратковременный перерыв электроснабжения влечет за собой значительные материальные потери. Вместе с тем, указанные перерывы питания могут возникнуть и действительно возникают в результате аварийных коммутаций в энергосистеме или в системе электроснабжения промышленного предприятия, вызывая существенный экономический ущерб.15Современный уровень электромашиностроения, преобразовательной техникии техники регулирования позволяет создать устройство, способное предотвратитьперерыв в электроснабжении узла нагрузки, приняв на себя роль источникаэлектрической энергии на время отключения узла от основной питающей системы.Известно устройство, включающее в25себя турбоагрегат, линии электропередач, асинхронизированную синхроннуюмашину с маховиком, регулируемые источники питания фаз ротора, датчикиуглового положения ротора, тока ротора асинхронизированной синхронной машиной (АСМ), тока статора АСМ, скорости АСМ, напряжения статора АСМ,частоты 1 .АСМ управляется с помощью регулятора АСМ, регулятора частоты, регулятора скорости. Это устройство предназначено для компенсации, т.е. по"крытия кратковременно дефицита электроэнергии в узле нагрузки, когда 40узел еще сохраняет связь с энергосистемой. При полном отключении узланагрузки от основного источника питания данное устройство не способнообеспечить электроснабжение узла нагрузки,Наиболее близким к изобретениюявляется система электроснабженияузла нагрузки, представляющая собойбыстродействующую систему с АСМ для 50компенсации (т.е. подавления) колебаний частоты и напряжения в узленагрузки при толчках активной и реактивной мощности злектроприемников,включенным на шины, соединенные с 55основным источником, к которым присоединен и статор АСМ с маховиком.Фазный ротор АСМ питается через 324 4преобразователь частоты от источника питания. АСМ снабжена системой автоматического регулирования, обеспечивающей частотное управление машиной со стороны ротора через управляющие входы преобразователя частоты. Эти входы через координатный преобразователь и фильтры связаны с выходами регуляторов активного и реактивного тока статора АСМ. Входы обратных связей указанных регуляторов подсоединены к выходам блока преобразования переменных, осуществляющего преобразование фазовых токов статора АСМ в активную и реактивную составляющие, входы которого подключены к датчикам фазовых токов и напряжений статора.Входы компенсации внутренних обратных связей АСМ указанных регуляторов присоединены через дифференцирующие звенья и множительные элементы к координатному преобразователю для определения потокосцеплений ротора по осям с и р и к датчику скольжения статора. Входы координатного преобразователя для определения составляющих потокосцеплений ротора по осям си 8 соединены с датчиками фазовых токов ротора и статора. Вход задания регулятора активного тока статора присоединен к выходу регулятора скорости АСМ, а вход задания регулятора реактивного тока статора присоединен к выходу регулятора модуля напряжения питающей сети, Входы обратных связей регулятора модуля напряжения питающей сети и регулятора скорости соединены с соответствующими датчиками. Регулятор скорости имеет дополнительный вход, соединенный с выходом датчика активного тока электроприемников, присоединенных параллельно статору АСМ к узлу нагрузки 21По своему функциональному назначению прототип представляет собой систему с АСМ, обеспечивающую быстродействующую компенсацию толчков активной и реактивной нагрузок электроприемников узла. Эти толчки порождают соответствующие им колебания частоты напряжения питающей сети, снижающие качество электрической энергии в узле. Колебания частоты питающей сети имеют место в промежутках времени, когда изменяется режим работы электроприемников, т.е. когда их активные токи, например, на.растают. В эти промежутки времениописанная система с АСМ23 беретна себя роль дополнительного генератора электрической энергии, облегчающего работу основной питающей системы. Устройство прототипа позволяетразвить это его свойство до такогоуровня, когда система с ЛСМ возьметна себя полностью роль источникаэлектрической энергии на время кратковременного отключения от узла ос"новной питающей системы.Целью изобретения является повышение надежности функционированиясистемы электроснабжения узла нагрузки путем обеспечения питания узла электрической энергии требуемого качества от системы с АСМ на времякратковременного отключения узла от основной питающей системы. 20Указанная цель достигается тем, что в систему электроснабжения узла нагрузки, содержащую основной источник питания, включенный на шины нагрузки, асинхронизированную синхрон ную машину, трехфазный статор, который включен на шины, а трехфазный ,илн двухфазный ротор с маховиком подключен через преобразователь частоты к источнику питания, датчики фаз ,0 статора и ротора, датчики фазовых напряжений статора, координатный пре" обраэователь в цепи управляющих входов преобразователя частоты, координатный преобразователь для определения составляющих потокосцепления ротс. ра АСМ по осям о и р и фильтры, при этом выход координатного преобразователя в цепи управляющих входов пре 40 образователя частоты соединен с управляющим входом преобразователя частоты, входы координатного преобразователя для определения составляющих потокосцепления ротора АСМ по45 осям о и в соединены с датчиками фазных токов статора и ротора АСМ, а выходы через множительные элементы соединены со входами дифференцирующих звеньев, причем вторые входы множительных элементов подключены к 50 выходу датчика скольжения, ввЕден датчик фазовых напряжений на шинах основной питающей системы, координатный преобразователь для определения составляющих напряжения статора АСМ55 йо осям р( - р и датчик частоты напряжения на шинах АСИ, блок определения частоты врдщения системы координат К-р и ее углового положения, блокопределения частоты вращения ротораи его углового положения в системекоординат о -, датчик импульсов,быстродействующий регулятор потокосцепления ротора по оси , быстродействующий регулятор.потокосцепления ротора по оси о, датчик колебаний частоты на шинах электроприемников и статора АСМ, регуляторы составляющих напряжения АСМ по осям с и ,регулятор частоты напряжения на шинах нагрузки и статора АСМ, суммирующий элемент, задатчик модуля напряжения на шинах нагрузки и статораАСМ, дополнительный рег лятор потокосцепления ротора по оси о, ЖС-регулятор скорости вращения АСМ, задатчикскорости вращения ротора АСМ, нелинейный элемент, при этом выходы быстродействующих регуляторов потокосцеплений ротора по осям с и 8 черезфильтры соединены с входом координатного преобразователя в цепи управляющих входов преобразователя частоты,входы обратных связей быстродействующих регуляторов потокосцеплений ротора по оси о и по оси 8 соединены ссоответствующими выходами координатного преобразователя для определениясоставляющих потокосцеплений ротораАСМ по осям с и р, выходы дифференцирующих звеньев соединены с входамикомпенсирующих связей соответствующих быстродействующих регуляторовпотокосцеплений по осям о и в, входзадания быстродействующего регулятора потокосцепления по оси о соединенс выходом регулятора составляющейнапряжения по оси р, а вход задания быстродействующего регулятора составляющего напряжения по оси 8,соединен с выходом регулятора составляющей напряжения по оси о, входы обратных связей регуляторов составляющих напряжения статора АСМпо осям с и р соединсны с соответствующими выходами координатного преобразователя для составляющих напряжения статора АСМ по осямивход которого соединен с выходомдатчика фазных напряжений статора ивыходом блока определения частотывращения системы координат с(, - р нее углового положения, вход регулятора составляющей напряжения статораАСМ по оси р соединен с выходом регулятора частоты, а вход регулятора7 11033 составляющей напряжения статора АСМ по оси о 1, - с выходом нелинейного элемента, вход которого соединен с выходом суммирующего элемента, один вход которого соединен с выходом 5 множительного элемента, вход которого соединен с вь;ходом задатчика модуля напряжения, а второй вход суммирующего элемента соединен через множительный элемент с выходом для 1 О оси р координатного преобразователя для определения составляющих напряжения по осям о 1 и р, вход обратной связи регулятора частоты соединен с выходом датчика колебаний частоты, 15 входы которого соединены с выходом координатного преобразователя для определения составляющих напряжения статора АСМ по осям о и р и с выходом блока определения частоты враще ния системы координат о-р, вход кото. рого соединен с выходом датчика фазных напряжений на шинах основной питающей системы, вход задания регулятора частоты через фильтр соединен 25 с выходом дополнительного регулятора потокосцеплений ротора по оси о, вход обратной связи последнего регулятора соединен с выходом для оси о координатного преобразователя для определения составляющих потокосцепления ротора АСМ по осям о и р, а вход задания этого регулятора соединен с выходом регулятора скорости вращения ротора машины, вход задания которого соединен с выходом задатчика скорости, а вход обратной связи - с блоком определения частоты вращения ротора и его углового положения в системе координат о(-р, выход послед него соединен с координатным преобразователем в цепи управляющих входов преобразователя частоть и с координатным преобразователем для получения составляющих потокосцепления ротора 45АСМ по осям о и а , вход соединен с выкодом датчика импульсов, который установлен на валу АСМ, и выкодом блока для определения чстоты вращения системы координат о -и ееуглового положения, а входы датчика скольжения соединены с выходами блока определения частоты вращения системы координа о-(3 и ее углового положения и с выходом блока определения частоты вращения ротора и его углового положения в системе координат о(.-р. 24 На чертеже приведена схема системы электроснабжения.Система содержит асинхронизированную синхронную машину 1, ротор которой сочленен с маховиком; преобразователь частоты 2, например тиристорный; датчики 3 фазовых токов ротора, датчики 4 фазовых токов статора; датчики 5 фазовых напряжений статора АСМ и шин параллельно присоединенных электроприемников, кратковременно (на время 3 1 о, ) отключаемых от основной питающей системы; датчики 6 фазовых напряжений на шинах основной питающей системы, частоты которых определяет скорость вращения ы сисК темы координат о(,-р, использованной для построения системы регулирования АСМ; блок 7 определения частоты м вращения системы координат о 1,-11 и ее углового положения (зп у , созт );к,к ф координатный преобразователь 8 для определения составляющих напряжения статора АСМ по осям о( и А и датчик частоты м напряжения на шинах АСМ; координатный преобразователь 9 для определения составляющих потокосцепления ротора АСМ по осям о( и блок определения 10 частоты вращения ротора и его углового положения (зп р, соз у ) в системе координат Ы-/3; датчик 11 импульсов, расположенный на валу ЛСМ; координатный преобразователь 12 для вычисления управляющих напряжений Фаз преобразователя частоты; фильтры 13 с постоянной времени Т, ограничивающие скорость протекания процессов регулирования частоты м, и напряжения Очнахгэлектроприемников; быстроде,1 ствуюирш регулятор 14 потокосцеплений ротора по оси р; быстродействующий регулятор 15 потокосцеплений ротора по оси Ы; множительные элементы 16 датчик скольжения ротора 17 по отношению к вращающейся системе координат; датчик колебаний частоты 18 на шинах электроприемников и статора АСМ; дифференцирующие звенья 19 в контурах компенсации ЭДС скольжения; регулятор составляющей напряжения 20 по оси р; регулятор 21 составляющей напряжения статора по оси о 1.; множительный элемент 22; нелинейный элемент 23 типа У = ГХ; регулятор час,тоты 24 напряжения на шинах нагрузки и статора АСМ; суммирующий элемент 25; множительный элемент 26; задатчик(3) второй регулятор (29) потокосцеплений ротора по оси с(,1+Вр т% (р)=, ( (4)Р" сС Хс 2 Т (Ф+рТ ) ЗОХ ( Хзгде Т= р-, Тэ = - , т.е. определяются параметрами АСМ, Т= (10 -10 э ) Т(, Т(о = (0,002-0,005)с. Все указайные передаточные функции являются35 стандартными и реализуются широко используемыми звеньями. Регулятор скорости .30 - так называемый ИС-регулятор описывается операторным уравнением следующего вида: Х,(р) - сигнал на выходе регулятора скорости,о.= = 0,25-1.Задание регулятора составляющей напряжения статора АСМ по оси .оь формируется с помощью элементов 22;23,25,26. Такое формирование задания вызвано необходимостью поддержания модуля напряжения на шинах нагрузки и статора АСМ на уровне задания.Для поддержания модуля укаэанного напряжения задание регулятора 21 де Хь 9 11 ОЗЗ модуля 27 напряжения на шинах нагрузки и статора АСМ; фильтр 28 с постоянной времени Т,Т , ограничивающий скорость протекания процессов регу лирования скорости вращения ротора АСМ; дополнительный регулятор 295 потокосцеплений ротора по оси,с; ЖС-регулятор скорости 30 вращения ротора АСМ, эадатчик 31 скорости АСМ.Примененные регулятора имеют следующие передаточные функции;регуляторы (14), (15) потокосцеплений ротора 24 10формируется иэ сигнала составляющейнапряжения статора АСМ по оси р исигнала задания модуля напряжения нашинах нагрузки и статора АСМ.Работа быстродействующей системыв АСМ для компенсации кратковременных перерывов электроснабжения узловнагрузки происходят следующим образом.В статическом режиме работы системы, когда П = сопят, ы = сопят,Р р= сопзС,= сопзС, оовнйисточник обеспечивает поддержаниечастоты на шинах нагрузки на уровнезадания, т.е.Ш 5 = Юс= Рк= Ф и покрывает активную мощность нагрузки,т.е. активная мощность АСМ Рз = О.Реактивная мощность нагрузки можетраспределяться по разному между основным источником и АСМ в зависимости от соотношения напряжений О и Оз.При этом за счет работы регуляторанапряжения 21, регулятора потокосцеплений 14 будет выполняться условие (.( = Оз, и можно установить такойрежим, когда, например, реактивнаямощность нагрузки покрывается толькореактивной мощностью АСИ, а реактивная мощность основного источника равна нулю. При нулевой активной мощности АСИ скорость его вращения за счетдействия регулятора скорости 30, регуляторов частоты 24, напряжения 20и потокосцеплений 15 поддерживаетсяна уровне задания, т.е, м = ы .Динамика предлагаемого устройства определяетсЯ взаимодействием всех рассмотренных элементов и выявляется в двух основных режимах.Первый динамический режим соответствует нормальной системе электроснабжения, когда электроприемники питаются от основного источника при И = сопзС, О 3 = сопзй, но Р = айаг= айаг т.е. мощность наф ногр фгруэки изменяется с течением времени, вызывая колебания частоты ози модуля О напряжения на шинах нагрузки. Система с АСМ обеспечивает компенсацию, т.е. подавление этих колебаний, При этом свойства предлагаемого устройства практически не отличаются от свойств прототипа. В связи с этим укаэанный режим более подробно не рассматривается.Второй динамический режим соответствует аварийной ситуации, когда основной источник питания на времяМотключается от шин нагрузки. В этой ситуации прототип оказывается неработоспособным, в то время как предлагаемое устройство обеспечиваетнормальное электроснабжение нагрузки,В этом режиме АСМ работает как генератор, предотвращая перерыв в питании нагрузки.Система в этом режиме работает следующим образом. 1 ОГенерирование АСМ активной энергии сопровождается снижением скорости вращения ее ротора. Информация оснижении скорости поступает от блока10 по линии обратной связи на регу лятор скорости 30, который действует таким образом, чтобы обеспечить поддержание скорости вращения на уровнезадания и 1. Однако быстродействиеконтура регулирования скорости с 20 регулятором 30 и контура регулирования потокосцеплений с регулятором 29 и фильтром 28 таково, что даже при на" личии значительного понижения скорости АСМ за время 1,сигнал зада" 25ния на входе регулятора частоты 24 практически не изменяется, т.е. остается близким к нулю, что соответствует заданию поддержания частотына шинах нагрузки на уровне ш, по- ЗО ступающего на датчик 18 от блока 7, включенного на шины основного источ:ника. В момент отключения основного источника от шин нагрузки частоты ы и напряжение О начинают изменяться.5Эта информация от датчика 18 и преобразователя 8 по линиям обратной связи поступает на регулятор частоты 24 и регулятор 21 напряжения статора по оси о . Как уже отмечалось, на 4 О вход регулятора частоты 24 подается сигнал, соответствующий заданию ф = ы. Этот сигнал оч:абатывается быстродействующим контуром регулирования частоты через регулятор 20 45 . напряжения статора по оси р и быстродействующий регулятор 15 потокосцеплений ротора по оси о. Контуры регулирования астатические,так что на шинах нагрузки при отключенном основном источнике питания поддерживается частота м = ю. При этом Оз вектор напряжения О на несколько градусов отстает от вектора напряже-, ния 0 . Модуль напряженияОэ поддерСживается на уровне задания О регулятором 21 посредством регулятора потокосцеплений 14.Как уже отмечалось, эа время Ф векторы Ос и 0 за счет работы системы регулирования почти не расходятся, поэтому подключение основного источника питания происходит синхронно с АСМ и частота и модуль напряжения на шинах нагрузки вновь начинают поддерживаться основным источником. После его включения начинается вто" рая стадия протекания переходного процесса, связанная с восстановлением скорости вращения ротора АСМ до уровня задания юЭто восстановление происходит под действием регулятора 30 за счет энергии основного источника питания узла нагрузки.Расчет переходного процесса в системе при отключении основного источника питания от шин нагрузки с последующим его включением показывает следующее:в течение первых 0,03-0,04 с после отключения напряжение на шинах 1несколько отличается от синусоидального, а в дальнейшем, вплоть до восстановления питания от основного ис точника, устанавливается синусоидальным весьма высокого качества (отклонение амплитуды от уровня заданияне превосходит 0,052, отклонениечастоты - не более 0,005 Гц);при подключении шин нагрузки к основному источнику питания заметное(до 103) отклонение амплитуды напряжения наблюдается лишь на первом периоде, после чего колебания амплиту. - ды напряжения не превосходят 0,1 Ж, а частоты - 0,03 Гц. Напряжение окончательно устанавливается на уровне задания.как по модулю, так и по частоте после завершения переходногопроцесса в АСМ.После отключения основного источника АСМ, работая в генераторном режиме, обеспечивает питание нагрузки электроэнергией. Скорость вращения ее ротора при этом понижается, После подключения шин нагрузки к основному источнику в АСМ происходит процесс постепенного восстановления скорости до уровня задания.Таким образом, система позволяет повысить надежность электроснабжения при перерывах в питании.1103324 Составитель К. Фотинедактор С. Тимохина Техред М.Кузьма Корректо угова аказ 5034/42Подписноекомитета СССРи открытийая наб., д. 4/5