PL207669B1 - Układ sterowania mocy biernej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania mocy biernej stosowany w małych elektrowniach, pracujących na sieć sztywną, do płynnej stabilizacji współczynnika mocy, wyposażonych w trójfazowe maszyny indukcyjne, zwłaszcza pierścieniowe.

Znane są dotychczas układy sterowania mocy biernej, stosowane w małych elektrowniach wodnych, zbudowane na bazie wielosekcyjnych baterii kondensatorów, połączonych równolegle z obwodem stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej, sterowanych z układu dwustanowego regulatora współczynnika mocy.

W dotychczasowym ukł adzie sterowania mocy biernej, stabilizacja współ czynnika mocy odbywa się w sposób skokowy, poprzez dołączanie lub odłączanie kolejnych sekcji kondensatorów kompensacyjnych do obwodu stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej, co jest realizowane w sensie sterowania w układzie dwustanowego regulatora współczynnika mocy.

Wadą rozpatrywanego układu sterowania mocy biernej jest to, iż stabilizacja współczynnika mocy w tym układzie odbywa się w sposób skokowy, czemu towarzyszą również skokowe zmiany napięcia na zaciskach sieci sztywnej; zwyżka napięcia na zaciskach sieci sztywnej występuje wówczas, gdy mamy do czynienia ze zjawiskiem przekompensowania tej sieci.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie tej wady, poprzez zastosowanie układu sterowania pracującego według orientacji pola od strony wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej, przy zachowaniu zmiennej prędkości napędzania.

W układzie sterowania mocy biernej zawierającym trójfazową maszynę indukcyjną pierścieniową połączoną z regulatorem współczynnika mocy i siecią sztywną, według wynalazku, stojan trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej jest połączony z obwodem sieci sztywnej, poprzez obwody silnoprądowe trzech czujników pomiarowych prądu w poszczególnych fazach. Wyjścia pomiarowe tych czujników prądu są połączone z wejściami prądowymi czujników pomiaru; mocy czynnej i współczynnika mocy, natomiast wyjścia pomiarowe trzech czujników napięć międzyprzewodowych, w obwodzie stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej są połączone z wejściami napięciowymi czujników pomiaru: mocy czynnej i współczynnika mocy. Wyjście pomiarowe czujnika pomiaru współczynnika mocy jest z kolei połączone z wejściem odejmującym regulatora współczynnika mocy, którego wejście zadające, łączy się z zadajnikiem współczynnika mocy, zaś wyjście pomiarowe czujnika pomiaru mocy czynnej, łączy się z wejściem odejmującym regulatora mocy czynnej, którego wejście zadające łączy się z zadajnikiem wartości mocy czynnej. Z kolei wyjście sterujące regulatora współczynnika mocy jest połączone z pierwszym wejściem sterującym układu mnożącego, zaś drugie wejście sterujące tego układu mnożącego jest połączone z układem zadawania składowej synchronicznej biernej prądu zadanego stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej, z kolei wyjście sterujące układu mnożącego łączy się z pierwszym wejściem sterującym, modelu składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika oraz z wejściem sterującym modelu składowej synchronicznej strumienia zadanego wirnika, natomiast wyjście sterujące modelu składowej synchronicznej strumienia zadanego wirnika łączy się z drugim wejściem sterującym modelu składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika oraz z drugim wejściem sterującym modelu pulsacji poślizgu zadanego, a także z wejściem dzielnika układu dzielącego. Wyjście sterujące regulatora mocy czynnej łączy się natomiast z wejściem sterującym serwomechanizmu oraz z wejściem dzielnej układu dzielącego, zaś wyjście sterujące układu dzielącego łączy się z wejściem sterującym modelu składowej synchronicznej czynnej prądu zadanego wirnika oraz z pierwszym wejściem sterującym modelu pulsacji poślizgu zadanego. Z kolei pierwsze wejście sumacyjne-odejmujące sumatora jest połączone z wyjś ciem sterującym modelu pulsacji poślizgu zadanego, a drugie z kolei wejście sumacyjne sumatora łączy się z wyjściem pomiarowym drugiego czujnika napięcia międzyprzewodowego, poprzez blok transmitancji statycznej pulsacji sieci sztywnej, zaś trzecie wejście sumacyjne sumatora łączy się z czujnikiem prędkości kątowej wału hydroturbiny, poprzez blok transmitancji statycznej prędkoś ci kątowej wału maszyny indukcyjnej pierścieniowej. Z kolei wyjście sterujące modelu składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika łączy się z wejściem zadawania regulatora prądu wirnika wartości składowej biernej, natomiast wyjście sterujące modelu składowej synchronicznej czynnej prądu zadanego wirnika jest połączone z wejściem zadawania regulatora prądu wirnika wartości składowej czynnej. Wyjścia pomiarowe trzech czujników prądu w obwodzie wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej są natomiast połączone z wejściami pomiarowymi, odpowiednio: regulatora prądu wirnika wartości składowej biernej i regulatora prądu wirnika wartości składowej czynnej,

PL 207 669 B1 poprzez przetwornik współrzędnych trójfazowych na prostokątne U,V,W/a,e oraz przetwornik obrotu α,β/χ,γ. Z kolei wyjścia sterujące regulatorów prądu wirnika wartości składowej biernej i czynnej połączone są z wejściami układów wyzwalania zaworów falownika napięcia, poprzez przetwornik obrotu wielkości wektorowych x,y/a,e i przetwornik współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe a,e/U,V,W oraz poprzez układy wyzwalania zaworów falownika, z kolei wyjście sterujące sumatora jest połączone z wejściami pobudzającymi przetworników obrotu wielkości wektorowych: κ,γ/α,β i a,e/x,y, poprzez generator funkcji sin/cos, natomiast trójfazowe wejście silnoprądowe zasilania falownika napięcia łączy się z obwodem sieci sztywnej, zaś trójfazowe wyjście silnoprądowe falownika napięcia jest połączone z obwodem wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej, poprzez obwody silnoprądowe trzech czujników prądu.

Układ, dzięki zastosowaniu sterowania według orientacji pola, poprzez możliwość oddziaływania na składową synchroniczną bierną prądu wirnika maszyny indukcyjnej, umożliwia płynną regulację współczynnika mocy w obwodzie stojana tej maszyny, bez udziału kondensatorów kompensacyjnych. Przy tym rodzaju sterowania, niezbędną moc bierną uzyskuje się z obwodu pośredniczącego falownika napięcia. Układ umożliwia ponadto pracę przy zmiennej prędkości napędzania, a to pozwala na wykorzystanie energii spadku wody w szerokim zakresie przepływu.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu.

W układzie zaprezentowano sterowanie małej elektrowni wodnej, przy zachowaniu zmiennej prędkości napędzania trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej, obustronnie zasilanej. Przedstawione sterowanie należy zaklasyfikować do tak zwanej metody według orientacji pola, bowiem wpływamy tu na chwilowe wartości składowych polowych (składowej biernej i czynnej prądu wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej), a tym samym wpływamy na wielkość współczynnika mocy maszyny indukcyjnej, poprzez sterowanie składową bierną prądu oraz na wielkość mocy czynnej, oddawanej do sieci sztywnej, poprzez sterowanie składową czynną prądu.

W układzie według wynalazku hydroturbina 1, poprzez przekładnię 2 podwyższającą prędkość obrotową, napędza trójfazową maszynę indukcyjną pierścieniową 3. Wielkość mocy na wale hydroturbiny 1 jest regulowana przy pomocy serwomechanizmu 4, który bezpośrednio steruje stopniem otwarcia przysłony obrotowej hydroturbiny 1, a tym samym wielkością przepływu wody Q w przestrzeni roboczej tej hydroturbiny 1. Stojan trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3, połączony jest z trójfazową siecią sztywną 5, poprzez obwody silnoprądowe czujników 6, 7, 8 pomiarowych prądu w poszczególnych fazach. Pomiar rzeczywistej wartości mocy czynnej P dokonywany jest w układzie czujnika 9 mocy czynnej, natomiast pomiar rzeczywistej wartości współczynnika mocy cosq> odbywa się w układzie czujnika 10 współczynnika mocy. Obydwa wymienione czujniki 9, 10 pomiarowe współpracują z czujnikami: 11, 12, 13 napięć międzyfazowych i 6, 7, 8 prądów fazowych w obwodzie stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3.

Układ sterowania według wynalazku posiada dwie pętle regulacyjne: współczynnika mocy i mocy czynnej, oddawanej z obwodu stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3 do obwodu sieci sztywnej 5. Wyjście sterujące regulatora 14 współczynnika mocy współpracuje, poprzez układ mnożący 15 z pierwszym wejściem sterującym modelu 16 składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika oraz z drugim wejściem sterującym tego modelu 16, poprzez model 17 składowej synchronicznej strumienia zadanego wirnika. Natomiast wyjście sterujące regulatora 18 mocy czynnej z jednej strony współpracuje z układem serwomechanizmu 4 w hydroturbinie 1, zaś z drugiej strony współpracuje, poprzez układ 19 dzielący, z wejściem sterującym modelu 20 składowej synchronicznej czynnej prądu zadanego wirnika oraz poprzez model 21 pulsacji poślizgu zadanego z pierwszym wejściem sumacyjnym-odejmującym sumatora 22. Natomiast drugie wejście sumacyjne sumatora 22, połączone jest z wyjściem pomiarowym czujnika 12 napięcia międzyprzewodowego, poprzez blok 23 transmitancji statycznej pulsacji sieci sztywnej, opisanej przez następującą zależność:

iBs = 2 · Π · f przy czym:

b_s - pulsacja sieci sztywnej 5;

fs - częstotliwość napięcia sieci sztywnej 5;

Z kolei trzecie wejście sumacyjne sumatora 22 połączone jest z wyjściem sterującym czujnika prędkości kątowej wału hydroturbiny 1, poprzez blok 25 transmitancji statycznej prędkości kątowej wału trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3, opisanej równaniem:

PL 207 669 B1 <»rs = ω · p ·Κ gdzie:

a_RS - prędkość kątowa wału trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3; ω - prędkość kątowa wału hydroturbiny 1;

p - ilość par biegunów magnetycznych trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3;

K - przełożenie przekładni podwyższającej 2 (multiplikatora);

Model 16 składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika opisuje następująca zależność:

= Ψ U_. ^{x 1} DV7 w w.x ^XM . i ^XR

Sxz przy czym:

iRxz - składowa bierna prądu zadanego wirnika w układzie synchronicznym;

Ψ^ - składowa synchroniczna, strumienia zadanego wirnika;

xS - reaktancja rozproszenia stojana maszyny indukcyjnej pierścieniowej, wyrażona w jednostkach względnych;

xR - reaktancja rozproszenia wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej, wyrażona w jednostkach względnych;

xM - reaktancja główna wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej, wyrażona w jednostkach względnych;

w - współczynnik, wyrażony w następujący sposób:

w = xs · xR - x²M isxz - składowa synchroniczna bierna, prądu zadanego stojana, na wyjściu układu mnożącego; Natomiast model 20 składowej synchronicznej czynnej, prądu zadanego wirnika jest opisany następującym równaniem:

i =-^γΜ . i 'Ryz Syz ^xR gdzie:

iRyz - składowa czynna prądu zadanego wirnika w układzie synchronicznym; iSyz - składowa synchroniczna czynna, prądu zadanego stojana;

Pozostałe oznaczenia jak wyżej.

Przedstawione modele: 16 składowej synchronicznej biernej i 20 czynnej prądu zadanego wirnika, obowiązują przy założeniu, iż układ współrzędnych synchronicznych (x,y,0) wiruje z prędkością kątową ω_κ = <a_ster, w ten sposób, że:

ΨR = ψR =ψRχ

Z kolei model 17 składowej synchronicznej, strumienia zadanego wirnika opisuje następujące równanie:

Ψ =—ii i .(i_ ¹ Rxz t Ί Sxz _γ ^TN V ^XR ’’ '^X“ -fRx, ^Idt ^xR przy czym:

Ψ^ - składowa synchroniczna, strumienia zadanego wirnika;

rR- rezystancja wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej, wyrażona w jednostkach względnych;

TN - znamionowa stała czasowa, zdefiniowana w następujący sposób:

T = ¹ =_¹_ ^N Ω SN 2. π-Fsn gdzie:

Q_SN, F_sn - odpowiednio pulsacja i częstotliwość znamionowa napięć i prądów w stojanie maszyny indukcyjnej;

Pozostałe oznaczenia jak wyżej.

PL 207 669 B1

Przedstawiony model 17 składowej synchronicznej, strumienia zadanego wirnika obowiązuje przy założeniach: iż układ współrzędnych synchronicznych (x,y,0) wiruje z prędkością kątową ω_κ = <a_ster w ten sposób, że:

ΨR = ψR =ψRχ oraz, że wirnik trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3 jest sterowany prądowo.

Zaś model 21 pulsacji poślizgu zadanego jest opisany przez następującą zależność:

(Orz — przy czym:

<o_Rz - wartość poślizgu zadanego;

Pozostałe oznaczenia jak wyżej.

Reasumując, w układzie sterowania według wynalazku, jako wartości zadane występują: składowa synchroniczna bierna prądu stojana iSxz uzyskana na wyjściu regulatora 14 współczynnika mocy oraz składowa synchroniczna czynna prądu stojana iyxz, uzyskana na wyjściu regulatora 18 mocy czynnej. Wartość poślizgu sterującego a>_ster określa następujące równanie:

^f'>ster = (8_S + (Orz - (Ors które jest realizowane w sensie sprzętowym w układzie sumatora 22.

Aby uzyskać prądy wirnika w układzie współrzędnych synchronicznych (składową bierną iRx i czynną iRy), które stanowią wartości pomiarowe w węzłach porównania regulatorów prądu wirnika: 26 wartości składowej biernej i 27 wartości składowej czynnej, należy przeprowadzić transformację rzeczywistych wartości prądów wirnika w układzie trójfazowym (U,V,W), uzyskanych na wyjściu przetworników 28, 29, 30 pomiarowych, do układu współrzędnych synchronicznych (x,y,0).

Proces transformacji odbywa się dwustopniowo, kolejno w układzie przetwornika 31 współrzędnych trójfazowych na prostokątne U,V,W /α,β oraz w układzie przetwornika 32 obrotu wielkości wektorowych a,p/x,y. Uzyskane na wyjściu regulatorów prądu wirnika: 26 wartości składowej biernej i 27 wartości składowej czynnej, sygnały sterujące, zanim zostaną użyte w układach 33, 34, 35 wyzwalania zaworów falownika 36 napięcia, wcześniej należy dokonać na nich transformacji przejścia z układu współrzędnych synchronicznych (x,y,0) do układu współrzędnych trójfazowych (U,V,W), co w sensie technicznym realizuje się w układach: przetwornika 37 obrotu wielkości wektorowych x,y/a,e oraz w przetworniku 38 współrzędnych prostokątnych na trójfazowe a,e/U,V,W.

Z przetwornikami obrotu wielkości wektorowych: 37 x,y/a,p i 32 a,p/x,y, współpracuje generator 39 funkcji sin/cos, pobudzany sygnałem sterującym pulsacji iO_ster uzyskanym na wyjściu sumatora 22. Falownik 36 napięcia umożliwia również pracę zwrotną energii z obwodu wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3, do obwodu sieci sztywnej 5.

Z układem mnożącym 15 współpracuje układ 40 zadawania składowej synchronicznej, biernego prądu zadanego stojana iSxz. Natomiast z regulatorami: 14 współczynnika mocy i 18 mocy czynnej współpracują kolejno zadajniki 41 i 42 - współczynnika mocy cos<p_z i mocy czynnej P_z.

Claims (1)

1. Układ sterowania mocy biernej zawierający trójfazową maszynę indukcyjną pierścieniową połączoną z regulatorem współczynnika mocy i siecią sztywną, znamienny tym, że stojan trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3) jest połączony z obwodem sieci sztywnej (5), poprzez obwody silnoprądowe czujników pomiarowych (6, 7 i 8) prądu w poszczególnych fazach, których wyjścia pomiarowe są połączone z wejściami prądowymi czujnika (9) pomiaru mocy czynnej i czujnika (10) pomiaru współczynnika mocy, natomiast wyjścia pomiarowe czujników (11, 12, 13) napięć międzyprzewodowych w obwodzie stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3) są połączone z wejściami napięciowymi czujnika (9) pomiaru mocy czynnej i czujnika (10) pomiaru współczynnika mocy, z kolei wyjście pomiarowe czujnika (10) pomiaru współczynnika mocy jest połączone z wejściem odejmującym regulatora (14) współczynnika mocy, a wejście zadające tego regulatora (14) łączy się z zadajnikiem (41) współczynnika mocy, zaś wyjście pomiarowe czujnika (9) pomiaru mocy czynnej jest połączone z wejściem odejmującym regulatora (18) mocy czynnej, a wejście zadające

   PL 207 669 B1 tego regulatora (18) łączy się z zadajnikiem (42) wartości mocy czynnej, z kolei wyjście sterujące regulatora (14) współczynnika mocy połączone jest z pierwszym wejściem sterującym układu mnożącego (15), zaś drugie wejście sterujące tego układu mnożącego (15) jest połączone z układem (40) zadawania składowej synchronicznej biernej prądu zadanego stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3), natomiast wyjście sterujące układu mnożącego (15) łączy się z pierwszym wejściem sterującym modelu (16) składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika oraz z wejściem sterującym modelu (17) składowej synchronicznej strumienia zadanego wirnika, którego to modelu (17) wyjście sterujące łączy się z drugim wejściem sterującym modelu (16) składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika oraz z drugim wejściem sterującym modelu (21) pulsacji poślizgu zadanego, a także z wejściem dzielnika układu dzielącego (19), natomiast wyjście sterujące regulatora (18) mocy czynnej łączy się z wejściem sterującym serwomechanizmu (4) oraz z wejściem dzielnej układu dzielącego (19), zaś wyjście sterujące układu dzielącego (19) łączy się z wejściem sterującym modelu (20) składowej synchronicznej czynnej prądu zadanego wirnika oraz z pierwszym wejściem sterującym modelu (21) pulsacji poślizgu zadanego, z kolei pierwsze wejście sumacyjneodejmujące sumatora (22) jest połączone z wyjściem sterującym modelu (21) pulsacji poślizgu zadanego, a drugie wejście sumacyjne sumatora (22), poprzez blok (23) transmitancji statycznej pulsacji sieci sztywnej (5) łączy się z wyjściem pomiarowym czujnika (12) napięcia międzyprzewodowego, zaś trzecie wejście sumacyjne sumatora (22) łączy się z czujnikiem (24) prędkości kątowej wału hydroturbiny (1), poprzez blok (25) transmitancji statycznej prędkości kątowej wału maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3), natomiast wyjście sterujące tego sumatora (22) jest połączone z wejściami pobudzającymi przetwornika (37) obrotu wielkości wektorowych χ,γ/α,β i przetwornika (32) obrotu wielkości wektorowych α,β/χ,γ, poprzez generator (39) funkcji sin/cos, z kolei wyjście sterujące modelu (16) składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika łączy się z wejściem zadawania regulatora (26) prądu wirnika wartości składowej biernej, natomiast wyjście sterujące modelu (20) składowej synchronicznej czynnej prądu zadanego wirnika łączy się z wejściem zadawania regulatora (27) prądu w obwodzie wirnika wartości składowej czynnej, z kolei wyjścia pomiarowe czujników (28, 29, 30) prądu w obwodzie wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3) są połączone z wejściami pomiarowymi odpowiednio: regulatora (26) prądu wirnika wartości składowej biernej i regulatora (27) prądu wirnika wartości składowej czynnej, poprzez przetwornik (31) współrzędnych trójfazowych na prostokątne U,V,W/a,e oraz przetwornik (32) obrotu a,e/x,y, natomiast wyjścia sterujące regulatorów prądu wirnika wartości składowej biernej (26) i czynnej (27) są połączone z wejściami wyzwalania zaworów falownika (36) napięcia, poprzez przetwornik (37) obrotu wielkości wektorowych x,y/a,e i przetwornik (38) współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe a,e/U,V,W oraz poprzez układy wyzwalania zaworów falownika (33, 34, 35), natomiast trójfazowe wejście silnoprądowe zasilania falownika (36) napięcia łączy się z obwodem sieci sztywnej (5), zaś trójfazowe silnoprądowe wyjście falownika (36) napięcia łączy się z obwodem wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3), poprzez obwody silnoprądowe czujników (28, 29, 30) prądu.