PL207670B1 - Układ kompensacji mocy biernej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

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

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

W dotychczasowym układzie kompensacji mocy biernej, stabilizacja współczynnika 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 kompensacji 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 kompensacji pracującego według orientacji pola od strony wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej, przy zachowaniu zmiennej prędkości napędzania.

W układzie kompensacji 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 czujników pomiarowych prądu w poszczególnych fazach. Wyjścia pomiarowe tych czujników prądu są połączone z wejściami prądowymi czujników pomiaru: mocy czynnej i współczynnika mocy. Wyjścia pomiarowe czujników napięć międzyprzewodowych w obwodzie stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej są połączone z wejściami napięciowymi czujników pomiaru: mocy czynnej i współczynnika mocy. Z kolei, wyjście pomiarowe czujnika pomiaru współczynnika mocy jest połączone z wejściem odejmującym regulatora współczynnika mocy, którego wejście zadające łączy się z zadajnikiem współczynnika mocy. Wyjście pomiarowe czujnika pomiaru mocy czynnej jest natomiast połączone z wejściem odejmującym regulatora mocy czynnej, którego wejście zadające łączy się z zadajnikiem wartości mocy czynnej. 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. Wyjście sterujące modelu składowej synchronicznej strumienia zadanego wirnika łączy się natomiast z drugim wejściem sterującym modelu składowej synchronicznej biernej prą du zadanego wirnika oraz z drugim wejś ciem sterującym modelu pulsacji poślizgu zadanego, a takż e z wejściem dzielnika układu dzielącego. Wyjście sterujące regulatora mocy czynnej łączy się z wejściem sterującym serwomechanizmu oraz z wejściem dzielnej układu dzielącego, zaś wyjście sterujące tego 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 wyjściem sterującym modelu pulsacji poślizgu zadanego, a drugie wejście sumacyjne tego sumatora łączy się z wyjściem pomiarowym drugiego czujnika napięcia międzyprzewodowego, poprzez blok transmitancji statycznej pulsacji sieci sztywnej. Trzecie wejście sumacyjne sumatora, łączy się z czujnikiem prędkości kątowej wału hydroturbiny, poprzez blok transmitancji statycznej prędkości kątowej wału maszyny indukcyjnej pierścieniowej.

Wyjście sterujące sumatora jest połączone z wejściami pobudzającymi przetwornika obrotu wielkości wektorowych χ,γ/α,β, poprzez generator funkcji sin/cos. Wyjścia sterujące modeli składowej synchronicznej biernej i czynnej prądu zadanego wirnika łączą się z wejściami zadawania dwustanowych regulatorów prądu w obwodzie wirnika, poprzez przetwornik obrotu wielkości wektorowych x,y/a,e oraz przetwornik współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe a,e/U,V,W. Z kolei, wyjścia pomiarowe czujników prądu w obwodzie wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej, łączą

PL 207 670 B1 się z wejściami pomiarowymi dwustanowych regulatorów prądu w obwodzie wirnika, natomiast wyjścia sterujące tych dwustanowych regulatorów prądu są połączone z układem sterowania i regulacji falownika napięcia. Trójfazowe wejście silnoprądowe zasilania tego falownika napięcia łączy się z kolei z obwodem sieci sztywnej, zaś trójfazowe silnoprądowe jego wyjś cie łączy się z obwodem wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej, poprzez obwody silnoprądowe czujników prądu.

Układ realizuje sterowanie według orientacji pola, bowiem przy tej metodzie sterowania wpływamy na chwilowe wartości składowych polowych: to jest składowej biernej i czynnej prądu wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej.

Tym samym wpływamy na wielkość współczynnika mocy tej maszyny poprzez sterowanie składową bierną prądu oraz na wielkość mocy czynnej oddawanej do sieci sztywnej, poprzez sterowanie składową czynną prądu. Takie rozwiązanie umożliwia płynną regulację współczynnika mocy w obwodzie stojana trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej bez udziału kondensatorów kompensacyjnych, przy czym niezbędną moc bierną uzyskuje się z układu pośredniczącego falownika napięcia. Układ umożliwia pracę przy zmiennej prędkości napędzania, a to pozwala na wykorzystanie energii spadku wody w szerokim zakresie jej przepływu.

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

W układzie według wynalazku hydroturbina 1, poprzez przekładnię 2 podwyższając ą 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 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 międzyprzewodowych 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 hydro-turbinie 1, zaś z drugiej strony współpracuje, poprzez układ dzielący 19, 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 jest połączone z wyjściem pomiarowym czujnika 12 napięcia międzyprzewodowego, poprzez transmitancję statyczną 23 pulsacji sieci sztywnej 5, opisanej przez następującą zależność:

przy czym:

'“s = 2 · π · fs a>_s - pulsacja sieci sztywnej 5;

fS - częstotliwość napięcia sieci sztywnej 5.

Z kolei trzecie wejście sumacyjne sumatora 22, połączone jest z wyjściem sterującym czujnika 24 prędkości kątowej wału hydroturbiny 1, poprzez blok 25 transmitancji statycznej prędkości kątowej wału trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3, opisanej równaniem:

crs = ω · p · K 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 2 podwyższającej prędkość obrotową (multiplikatora);

PL 207 670 B1

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

ⁱRxz = *yRxz

Xs w

_x2 ^xM

W Xr ^xM ^xR 'Sxz przy czym:

iRxz - składowa bierna prądu zadanego wirnika w układzie synchronicznym;

Ψ_Κχζ - 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 i_Sxz - składowa synchroniczna bierna, prądu zadanego stojana, na wyjściu układu mnożącego;

Natomiast model 20 składowej synchronicznej czynnej prądu zadanego wirnika, jest opisany następującym równaniem:

: ^xM :

'Ryz = — ’ 'Syz ^xR gdzie:

'Ryz - składowa czynna prądu zadanego wirnika w układzie synchronicznym;

'Syz - 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:

^Fr = Ψ R = Ψ Rx z kolei model 17 składowej synchronicznej strumienia zadanego wirnika opisuje następujące równanie:

^rR ^xM ^ΨRxz = Τ' fi 'Sxz _χ ^TN l ^xR

- ΨRxz dt ^xR ) przy czym:

F_Rxz - 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 ^TN -^- -Ξ—

USN ^{2 π F}SN gdzie:

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

Pozostałe oznaczenia jak wyżej.

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:

Fr = Fr = Frx oraz, że wirnik trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3, jest sterowany prądowo.

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

(Orz = ^rR · ^xM ^xR 'Syz Ψ Rxz

PL 207 670 B1 przy czym:

a>_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 iSyz, uzyskana na wyjściu regulatora 18 mocy czynnej. Wartość poślizgu sterującego co_ster określa następujące równanie:

^ster = ^{ω + ω}πζ ^{- ω}RS^, które jest realizowane w sensie sprzętowym w układzie sumatora 22.

Aby uzyskać prądy sterujące zadane wirnika w układzie trójfazowym (U,V,W), które stanowią wartości zadane w układach dwustanowych regulatorów 26, 27, 28 prądu wirnika, należy przeprowadzić transformację prądów zadanych wirnika iRxz i iRyz w układzie współrzędnych synchronicznych (x,y,0) do układu współrzędnych trójfazowych (U,V,W). Proces transformacji odbywa się dwustopniowo. Najpierw zachodzi transformacja prądów zadanych wirnika iRxz i iRyz z układu współrzędnych synchronicznych (x,y,0) do układu „nieruchomego”, współrzędnych prostokątnych dwufazowych (α,β,0). Realizacja tej operacji w sensie technicznym odbywa się w przetworniku 29 obrotu wielkości wektorowych x,y/a,e. Następnie przeprowadza się transformację prądów zadanych wirnika z układu „nieruchomego”, współrzędnych prostokątnych dwufazowych (α,β,0) do układu współrzędnych trójfazowych (U,V,W), co odbywa się w przetworniku współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe a,e/U,V,W - 30. Z przetwornikiem obrotu wielkości wektorowych 29 współpracuje generator 31 funkcji sin/cos, pobudzany sygnałem sterującym pulsacji a>_ster, uzyskanym na wyjściu sumatora 22.

Prądy zadane wirnika w układzie współrzędnych trójfazowych (U,V,W) są porównywane z sygnałami proporcjonalnymi do prądów rzeczywistych wirnika w obwodach porównania dwustanowych regulatorów 26, 27, 28 prądu, na wyjściu których uzyskuje się sygnały sterujące falownikiem napięciowym 32, który umożliwia również pracę zwrotną energii z obwodu wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3 do obwodu sieci sztywnej 5.

Sygnały proporcjonalne do prądów rzeczywistych wirnika uzyskuje się na wyjściu czujników 33, 34, 35 prądu w poszczególnych fazach obwodu wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej 3.

Z układem mnożącym 15 współpracuje również układ 36 zadawania składowej synchronicznej biernej prądu zadanego stojana i'Sxz. Natomiast z regulatorami: 14 współczynnika mocy i 18 mocy czynnej współpracują kolejno zadajniki: 37 współczynnika mocy cosq>_z i 38 mocy czynnej P_z.

Claims (1)

1. Układ kompensacji 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 (6, 7, 8) pomiarowych 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, którego wejście zadające łączy się z zadajnikiem (37) współczynnika mocy, zaś wyjście pomiarowe czujnika (9) pomiaru mocy czynnej jest połączone z wejściem odejmującym regulatora (18) mocy czynnej, którego wejście zadające łączy się z zadajnikiem (38) 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 (36) 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 wyjście sterujące łączy się z drugim

   PL 207 670 B1 wejściem sterującym modelu (16) składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika oraz z drugim wejś ciem sterują cym modelu (21) pulsacji poś lizgu zadanego, a takż e z wejś ciem 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 sumacyjne-odejmujące 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 transmitancji statycznej (25) prędkości kątowej wału maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3), natomiast wyjście sterujące tego sumatora (22) jest połączone z wejściami pobudzającymi przetwornika (29) obrotu wielkości wektorowych χ,γ/α,β, poprzez generator (31) funkcji sin/cos, z kolei wyjście sterujące modelu (16) składowej synchronicznej biernej prądu zadanego wirnika i wyjście sterujące modelu (20) składowej synchronicznej czynnej prądu zadanego wirnika łączą się z wejściami zadawania dwustanowych regulatorów (26, 27, 28) prądu w obwodzie wirnika, poprzez przetwornik (29) obrotu wielkości wektorowych x,y/a,e oraz przetwornik (30) współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe a,e/U,V,W, zaś wyjścia pomiarowe czujników (33, 34, 35) prądu w obwodzie wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3) łączą się z wejściami pomiarowymi dwustanowych regulatorów (26, 27, 28) prądu w obwodzie wirnika, z kolei wyjścia sterujące tych dwustanowych regulatorów (26, 27, 28) prądu są połączone z układem sterowania i regulacji falownika napięcia (32), natomiast trójfazowe wejście silnoprądowe zasilania falownika (32) napięcia łączy się z obwodem sieci sztywnej (5), zaś trójfazowe silnoprądowe wyjście falownika (32) napięcia łączy się z obwodem wirnika trójfazowej maszyny indukcyjnej pierścieniowej (3), poprzez obwody silnoprądowe czujników (33, 34, 35) prądu.