PL230217B1 - Sposób oraz układ sterowania prądem wzbudzenia generatorów synchronicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz układ sterowania generatorów synchronicznych zwłaszcza generatorów synchronicznych małej mocy, do kilkudziesięciu kVA, zmniejszający zawartość wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach fazowych uzwojeń pasmowych stojana.

Znane są układy sterowania napięciem i prądem wzbudzenia generatorów synchronicznych dużej mocy współpracujących z siecią zasilania (Ryszard Zajczyk: Modele matematyczne systemu elektoenegetycznego do badania elektromechanicznych stanów nieustalonych i procesów przejściowych. Wyd. Politechniki Gdańskiej 2003). Układy te wykorzystywane są do sterowania napięciem i prądem wzbudzenia w aspektach oddziaływania generatorów na system elektroenergetyczny (stabilizacji napięcia i częstotliwości systemu, zakłóceń, awarii, określania pułapu prądu wzbudzenia, określania kąta mocy, ograniczeń związanych z długotrwałym przeciążeniem prądowym itp). Jednak układy te nie redukują zawartości wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach uzwojeń pasmowych stojana.

Z opisu patentowego PL 213957 B1 znane jest uzwojenie pasmowe o niskiej zawartości wyższych harmonicznych przestrzennych w polu znane jest magnetycznym, które pozwala na zmniejszenie zawartości wyższych harmonicznych w uzwojeniach maszyn prądu przemiennego poprzez zastosowanie uzwojenia trójkątnego zmodyfikowanego.

Znane są również układy zasilania wyposażone w różnego typu filtry, pasywne, rezonansowe lub aktywne, które poprawiają kształt napięć i prądów pobieranych ze źródła.

Obecność wyższych harmonicznych w przebiegach napięć i prądów ma negatywne skutki ekonomiczne. Występowanie wyższych harmonicznych w sieci zasilającej powoduje pogorszenie jakości napięć i prądów zasilania. Występowanie wyższych harmonicznych w przebiegach napięć i prądów może być przyczyną:

• przeciążeń termicznych żył i izolacji przewodów poprzez np. wzrost mikropęknięć na skutek wzrostu wartości skutecznej prądu, skutkującym wzrostem strat mocy, wzrostem temperatury pracy i przedwczesnym starzeniem źródeł zasilania - generatorów, przewodów oraz maszyn i urządzeń elektrycznych dołączonych do źródła zasilania, • wzrostu wartości skutecznej prądów płynących w przewodzie neutralnym N, dla układów zasilania trój- i pięcioprzewodowych lub neutralno-ochronnym PEN, dla układów zasilania dwulub czteroprzewodowych. Prądy w przewodach N lub PEN dla sieci trójfazowego zasilania mogą mieć wartości znacznie większe niż wartości skuteczne prądów płynących w przewodach fazowych. Wzrost ten w przewodzie N lub PEN spowodowany jest głównie sumowaniem się harmonicznych rzędu trzeciego i ich krotności, prądy te w poszczególnych fazach mają taką samą fazę w wyniku czego następuje ich algebraiczne sumowanie, • zmniejszenia stopnia obciążenia odbiorników np. silników indukcyjnych na skutek przyrostu dodatkowych strat macy od wyższych harmonicznych głównie w uzwojeniach, • wzrostu wartości skutecznej prądów w obwodach z kondensatorami np. zasilaczy, układów do poprawy cos^ lamp oświetleniowych itp. oraz w obwodach z bateriami kondensatorów do kompensacji mocy biernej związanej z przesunięciem fazowym między przebiegiem napięcia i prądu, • powstawania zjawisk rezonansowych i towarzyszących im przepięć, uszkodzeń napięciowych lub termicznych baterii kondensatorów oraz układów dołączonych do tych sieci, • wzrostu zakłóceń w elementach i układach szczególnie teletechnicznych odpowiedzialnych za zabezpieczenia, sterowanie i przesyłanie informacji, co prowadzi do zaburzeń w ich pracy i zmniejszaniu ich niezawodności. Wymusza to szczególnie na operatorach telekomunikacyjnych stosowanie dodatkowych układów poprawiających jakość napięcia i prądów źródeł zasilania np. UPFC oraz różnego typu rozwiązań filtrów pasywnych, rezonansowych lub aktywnych.

W dotychczasowych konstrukcjach generatorów synchronicznych o zawartości wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach fazowych uzwojeń pasmowych stojana pracujących jako rezerwowe źródło zasilania decydowały między innymi rodzaj i sposób rozłożenia uzwojeń na stojanie i wirniku oraz kształt obwodu magnetycznego stojana i wirnika. Stosowane metody ograniczania zawartości wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach fazowych uzwojeń pasmowych stojana generatorów synchronicznych polegające na zastosowaniu odpowiedniej konstrukcji uzwojeń, odpowiednio ukształtowanego obwodu magnetycznego oraz poprzez zastosowanie skosu żłobków stojana lub

PL 230 217 Β1 wirnika nie pozwalają na znaczną eliminację lub znaczne ograniczenie zawartości wyższych harmonicznych niższego rzędu szczególnie 3., 5. i 7. harmonicznej. Harmoniczne wyższego rzędu najłatwiej redukuje się poprzez zastosowanie skosu żłobków stojana lub wirnika.

Dla generatorów synchronicznych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym najczęściej występujących w zespołach prądotwórczych stosuje się elektroniczne lub elektromagnetyczne układy sterowania napięciem lub prądem wzbudzenia tzw. kompaundacja wzbudzenia. Układy sterowania napięciem lub prądem wzbudzenia mają zwykle za zadanie utrzymywanie napięcia zasilającego na zadanym poziomie skutecznej wartości fazowego napięcia pasmowego stojana, zwykle w stanie ustalonym Um = 230 V z dopuszczalną odchyłką 5U_st, stabilizowaną najczęściej na zaciskach uzwojenia, do którego włączane są odbiorniki jednofazowe. W zależności od mocy generatora i klasy wymagań granicznych wartości eksploatacyjnych dopuszczalna odchyłka 5U_st. według PN-ISO 8528-5 wynosi:

• dla klasy G3 <5Ust < ± 1 % Um, • dla klasy G2 óUst < ± 2,5% UNf lub <óU_st < ± 1 % Um przy pracy równoległej generatorów oraz przy pulsacji częstotliwości < ± 0,5%, • dla klasy G1 óUst < ± 5% Unt (dla zespołów prądotwórczych napędzanych turbosprężarką z uwzględnieniem dopuszczalnych wzrostów mocy lub óUst < ± 10% UNf, dla zespołów prądotwórczych do 10 kVA, • dla klasy G4, uzgodnione pomiędzy producentem i zamawiającym.

Największa zawartość wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach fazowych występuje w przypadku generatorów synchronicznych o uzwojeniach jednowarstwowych ułożonych w żłobkach stojana bez skosu wirnika lub stojana.

Sposób sterowania prądem wzbudzenia generatorów synchronicznych, zwłaszcza generatorów małej mocy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że z prądu wzbudzenia generatorów synchronicznych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym wydziela się składową stałą, która stanowi wartość odniesienia dla składowej podstawowej indukowanego napięcia fazowego generatora synchronicznego oraz składową przemienną stanowiącą wartość odniesienia dla wyższych harmonicznych, a następnie do obwodu wzbudzenia wprowadza się oprócz składowej stałej dodatkową składową przemienną prądu wzbudzenia o wartościach chwilowych określoną zależnością if_V . Na podstawie rejestrowanych przebiegów napięć fazowych u_a lub Ub lub u_c, w stanie biegu jałowego, oblicza się składowe napięć u_av lub Ubv lub u_cv będące sumą wyższych harmonicznych według zależności:

u_a -u_al =u_av~fy—— d&

^Γν.

u_h-u_bi c3

- ~ · gdzie: u_ai, um, u_ci - oznaczają przebiegi zawierające składową podstawową indukowanych fazowych napięć pasmowych stojana, ϋ - elektryczny kąt położenia dL_afv dL_bfv dL_cfv , , wirnika, ^J i rozkłady pochodnych indukcyjnosci wzajemnych uzwojeń pasmowych stojana i wzbudzenia będące sumą wyższych harmonicznych, ω= elektryczną prędkość kątowa, itv - przebieg składowej przemiennej prądu wzbudzenia.

Układ sterowania generatorów synchronicznych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, zawierający uzwojenia ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do obwodu wzbudzenia generatora synchronicznego dołączony jest układ sterowania składową stałą prądu wzbudzenia oraz układ sterowania składową przemienną prądem wzbudzenia, przy czym do sterowania składową stałą prądu wzbudzenia wykorzystuje się źródło prądowe sterowane napięciowo, natomiast do sterowania składową przemienną prądu wzbudzenia wykorzystane są co najmniej cztery tranzystory pracujące w tzw. mostku typu H, a oba układy włączone są równolegle do obwodu wzbudzenia.

Do trójfazowych uzwojeń stojana generatora synchronicznego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym dołączony jest układ sterowania stycznikiem S1 złożony z trzech kondensatorów, stycznika i zacisków odbiorczych, układ kształtowania sygnału pomiarowego złożony z trzech przetworników do

PL 230 217 Β1 pomiaru napięć fazowych oraz czterech przetworników do pomiaru prądów, który połączony jest z układem programowalnym i układami kształtowania sygnałów sterowania, które sterują stycznikiem S1 w układzie sterowania stycznikiem i układem mocy zawierającym co najmniej cztery tranzystory mocy pracujące w mostku typu H oraz ze źródłem prądowym sterowanym napięciowo.

Korzystnie, z wirnikiem generatora synchronicznego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym sprzęgnięta jest wzbudnica o magnesach trwałych do której uzwojeń twornika dołączony jest prostownik dwupołówkowy, połączony ze źródłem prądowym sterowanym napięciowo oraz prostownik sześciopulsowy połączony z układem mocy. Korzystnie, układ mocy złożony jest z co najmniej czterech tranzystorów mocy pracujących w mostku typu H zasilany poprzez układ prostownika sześciopulsowego, natomiast układ, złożony ze źródła prądowego sterowanego napięciowo, zasilany jest poprzez układ prostownika dwupołówkowego dołączony równolegle do obwodu wzbudzenia generatora synchronicznego.

Oba układy tranzystorowe włączone są równolegle do obwodu wzbudzenia. Układ sterowania generatorów synchronicznych zmniejszający zawartość wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach fazowych może mieć zastosowanie do generatorów synchronicznych cylindrycznych jak i jawnobiegunowych.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na znaczne obniżenie amplitud wybranych wyższych harmonicznych lub znaczne ograniczenie całkowitej zawartości wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach fazowych przy jednoczesnym zastosowaniu skosu żłobków stojana lub skosu wirnika. Układ sterowania ma możliwość oddzielnej regulacji składowej stałej prądu wzbudzenia, która odpowiedzialna jest za wytworzenie składowej podstawowej indukowanych napięć fazowych oraz oddzielnej regulacji składowej przemiennej prądu wzbudzenia zależnej od całkowitej zawartości wyższych harmonicznych.

Poprzez sterowanie składową przemienną prądem w obwodzie wzbudzenia można uzyskać znaczne obniżenie wybranych harmonicznych lub znaczne obniżenie całkowitej zawartości wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach.

Aby nie odkształcać indukowanych napięć fazowych w uzwojeniach pasmowych generatora synchronicznego energię do sterowania obwodem wzbudzenia oraz do zasilania układów pomiarowego i sterowania dostarcza się ze wzbudnicy z magnesami trwałymi. Takie rozwiązanie eliminuje niepewność wzbudzania się tradycyjnych układów generatorów samowzbudnych, w których na skutek np. długiego postoju znacznie obniży się wartość magnetyzmu szczątkowego.

Przedstawiony układ sterowania w stanach zwarciowych zapewnia wyłączenie zasilania obwodu wzbudzenia generatora synchronicznego po upływie dopuszczalnego przepisami czasu utrzymywania się niebezpiecznego napięcia na obudowie chronionego obiektu (mierzony wartością prądu PI1, PI2, PI3 oraz napięciem względem przewodu PE lub PEN). Czas utrzymywania się niebezpiecznego napięcia może być ustawiony na 0.2 s lub 0.4 s w zależności od warunków zasilania. W przypadku niezadziałania zabezpieczenia nadprądowego, różnicowoprądowego lub nieustąpienia zwarcia po upływie dopuszczalnego czasu 0.2 s lub 0.4 s następuje wyłączenie zasilania obwodu wzbudzenia generatora synchronicznego. Przy czym za stan zwarciowy uważa się taki stan, w którym przynajmniej jeden z przetworników PI1, PI2, PI3 pomierzy wartość prądu większą niż zadana (ustawiana programowo w zakresie 2 In - 5 In) przy napięciu fazowym zwartej fazy większym od 50 V.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu sterowania obwodem wzbudzenia generatora synchronicznego, Fig. 2 - układ sterowania obwodem wzbudzenia generatorów synchronicznych, Fig. 3 - schemat obwodowy modelu generatora synchronicznego z widocznym obwodem wzbudzenia oraz trójfazowymi uzwojeniami stojana, Fig. 4a - przebiegi indukowanych fazowych napięć pasmowych stojana u_a, Ub, u_c dla generatora synchronicznego bez skosu wirnika dla przypadku tylko składowej stałej prądu wzbudzenia, Fig. 4b - przebiegi fazowych napięć pasmowych stojana u_as, Ubs, u_cs dla generatora synchronicznego ze skosem wirnika, Fig. 5a - przebiegi fazowych napięć pasmowych stojana u_a, Ub, u_c dla generatora synchronicznego bez skosu wirnika uzyskane przy zastosowaniu opisanego według wynalazku układu sterowania obwodem wzbudzenia składową stałą prądu, Fig. 5b - przebiegi fazowych napięć pasmowych stojana u_as, Ubs, u_cs dla generatora synchronicznego ze skosem wirnika uzyskane przy zastosowaniu opisanego układu sterowania obwodem wzbudzenia, Fig. 6a - porównanie zawartości wyższych harmonicznych występujących w przedstawionych na Fig. 4 przebiegach indukowanych fazowych napięć stojana dla generatora synchronicznego bez skosu - u_a i ze skosem wirnika - u_as przy tradycyjnym zasilaniu obwodu wzbudzenia ze źródła o napięciu stałym w zakresie do 30. harmonicznej, Fig. 6b - porównanie

PL 230 217 Β1 zawartości wyższych harmonicznych występujących w przedstawionych na Fig. 4 przebiegach indukowanych fazowych napięć stojana dla generatora synchronicznego bez skosu - u_a i ze skosem wirnika uas przy zasilaniu obwodu wzbudzenia ze źródła prądu stałego w zakresie od 30. do 100. harmonicznej, Fig. 7a - porównanie zawartości wyższych harmonicznych występujących w przedstawionych na Fig. 5 przebiegach indukowanych fazowych napięć stojana dla generatora synchronicznego bez skosu - u_a i ze skosem wirnika - u_as przy zastosowaniu opisanego sposobu i układu sterowania obwodem wzbudzenia według wynalazku w zakresie do 49. harmonicznej, Fig. 7b - porównanie zawartości wyższych harmonicznych występujących w przedstawionych na Fig. 5 przebiegach indukowanych fazowych napięć stojana dla generatora synchronicznego bez skosu - u_a i ze skosem wirnika - u_as przy zastosowaniu opisanego sposobu i układu sterowania obwodem wzbudzenia według wynalazku w zakresie od 51. do 100. harmonicznej, Fig. 8a - przebieg indukowanego fazowego napięcia pasmowego stojana u_a bez ograniczeń wyższych harmonicznych i bez skosu wirnika i stojana, Fig. 8b - przebieg indukowanego fazowego napięcia pasmowego stojana u_a bez skosu, w którym ograniczono zawartości wyższych harmonicznych 3., 5. i 7., Fig. 8c- przebieg indukowanego fazowego napięcia pasmowego stojana u_a bez ograniczeń wyższych harmonicznych ze skosem wirnika, a Fig. 8d - przebieg indukowanego fazowego napięcia pasmowego stojana u_as ze skosem wirnika, w którym ograniczono zawartości wyższych harmonicznych 3., 5. i 7.

W układzie przedstawionym na Fig. 2 do trójfazowego generatora synchronicznego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym 1 do trójfazowych uzwojeń stojana dołączony jest układ 4 złożony z trzech kondensatorów 3C, stycznika S1 i zacisków L1, L2, L3 i N, układ kształtowania sygnału pomiarowego 5 złożony z trzech przetworników do pomiaru napięć fazowych PU 1, PU2, PU3 oraz z czterech przetworników do pomiaru prądów: stojana PI1, PI2, PI3 oraz wzbudzenia PIW. Układ kształtowania sygnału pomiarowego 5 połączony jest z układem programowalnym 6 i układami kształtowania sygnałów sterowania 7, które sterują stycznikiem S1 w układzie 4, tranzystorami mocy T2-T5 w układzie mocy 8 oraz połączony jest ze źródłem prądowym 9 sterowanym napięciowo. Z wirnikiem trójfazowego generatora synchronicznego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym 1 połączona jest wzbudnica 11 z magnesami trwałymi. Do wzbudnicy 11 dołączony jest prostownik dwupołówkowy 2, który połączony jest ze źródłem prądowym 9 sterowanym napięciowo, prostownik sześciopulsowy 3, który połączony jest z układem 8 złożonym z czterech tranzystorów mocy T2-T5. Do prostownika dwupołówkowego 2 dołączona jest przeciwsobna przetwornica napięć 10, która zasila układ kształtowania sygnału pomiarowego 5, układ programowalny 6 i układ kształtowania sygnałów sterowania 7. Układ mocy 8 złożony z czterech tranzystorów mocy T2-T5 oraz układ ze źródłem prądowym 9 sterowanym napięciowo dołączone są równolegle do obwodu wzbudzenia generatora synchronicznego 1 zasilane poprzez oddzielne układy prostowników 3 i 2.

W przedstawionym na Fig. 2 układzie, sterowanie prądem wzbudzenia odbywa się dwustopniowo, najpierw na biegu jałowym w układzie ze źródłem prądowym sterowanym napięciowo reguluje się składową stałą prądu wzbudzenia jeśli wartość składowej podstawowej indukowanego napięcia jest inna niż 230 V ± 2.3V. Ponieważ uzwojenia pasmowe stojana są symetryczne w stanie ustalonym biegu jałowego wyznacza się wartości średnie zawartości wyższych harmonicznych rozkładów pochodnej in...... , .......dL_af dL_br . dL_cf . , ..... dukcyjnosci wzajemnych uzwojenia stojana i wzbudzenia 1 jako sumę amplitud danej harmonicznej (dla trzech pasm uzwojeń) podzielonej przez trzy. Następnie w układzie z czterema tranzystorami T2 - T5 reguluje się składową przemienną prądu wzbudzenia jeśli zawartość wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach fazowych przekracza procentową wartość THD zadaną w jednostce programowalnej. Zadaną procentową wartość THD w indukowanych napięciach fazowych w uzwojeniach stojana można regulować od wartości THD < 2% (dla generatora synchronicznego ze skosem wirnika lub stojana) do wartości THD wynikającej z fabrycznej budowy generatora synchronicznego lub do dowolnej wartości ograniczonej stromością narastania najwyższej harmonicznej składowej przemiennej prądu wzbudzenia. Stromość narastania prądu w obwodzie wzbudzenia zależy od stałej czasowej obwodu wzbudzenia Lt/Rt oraz od wartości napięcia zasilania układ z czterema tranzystorami T2 - T5, który reguluje składową przemienną prądu wzbudzenia. Układ z czterema tranzystorami T2 - T5 kształtuje składową przemienną prądu wzbudzenia umożliwiając ograniczenie jednej lub wybranej liczby harmonicznych w indukowanych napięciach fazowych generatora synchronicznego.

Indukowane napięcia dla generatorów synchronicznych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym bez obwodów klatki tłumiącej dla modelu przedstawionego na Fig. 3 można obliczyć wychodząc z równań napięciowych opisanych zależnością (1).

PL 230 217 Β1

ua” ub uc

( d ω--

‘u Lca

Lab k Lcb

Lac Lbc Lc

Laf Lbf

+

X 0 0

0 Rb 0

0 0 Rc

0 ’ 0 0

'a ib ic

+

Uf

Lfa

L

fc

Lf

0

0

0

Rf

if

’L

a

Lab

Lac

^af

ia

(1)

Lt

u

Lbc

Lbf

d

ib

4-

—

L.

Lcb

Lc

Lcf

dt

ic

L

fa

Lfb

Lfc

if

gdzie: a, b i c - indeksy uzwojeń stojana, f- indeks uzwojenia wzbudzenia, L_a, Lb, L_c - rozkłady indukcyjności własnych uzwojeń pasmowych stojana, Lf - rozkład indukcyjności własnej uzwojenia wzbudzenia, Lab, Lbc, L_ca, Lb_a, Ucb, U_ac - rozkłady indukcyjności wzajemnych uzwojeń pasmowych stojana, Lat, Lbf, Lcf, Lbf, Lcf, Lat - rozkłady indukcyjności wzajemnych uzwojeń pasmowych stojana i uzwojenia wzbudzenia,

R_a o oo o R_b oo

0 R0

0 0 R_f macierz rezystancji uzwojeń pasmowych stojana i uzwojenia wzbudzenia

L, L_ab L_ac L_af

Ι-ba L_b L[,_c L),_r

Ć.9 L,

U L L_rf

Lfb Lfc Lf

- pochodna rozkładów indukcyjności własnych i wzajemnych uzwojeń pasmowych stojana oraz uzwojenia wzbudzenia, ϋ - elektryczny kąt położenia wirnika. Zależność pomiędzy elektrycznym i mechanicznym kątem położenia wirnika określona jest następująco ΰ = ^_mp_b, przy czym - mechaniczny kąt położenia wirnika, pb - liczba par biegunów.

Obliczanie przebiegów indukowanych napięć fazowych w uzwojeniach pasmowych stojana u_a, Ub i u_c generatora synchronicznego przy wyłączonym obciążeniu (i_a, ib i ic równych zero) uzyskuje się z zależności (1) przy uwzględnieniu wymuszenia napięciowego ut lub prądowego if od strony uzwojenia wzbudzenia. Przekształcona zależność (1) dla indukowanych fazowych napięć uzwojeń pasmowych stojana wynosi:

di_f — Laf dt ^at dLbf . di_f u_h =ω----i_f +---Lu_f ^b od ^f dt (2) dif

L f dt

Z zależności (2) wynika, że o kształcie przebiegów indukowanych fazowych napięć pasmowych oprócz rozkładów indukcyjności wzajemnych (L_af, Lbf, Lcf) decydować będzie kształt prądu płynącego w uzwojeniu wzbudzenia. W zależności (2) wymagana jest znajomość przebiegu prąciu wzbudzenia if. Na podstawie przeprowadzonych badań wynika, że w zależności (2) składowe zależne od iloczynu pochodnej prądu wzbudzenia oraz rozkładów indukcyjności wzajemnych (L_af, Lbf, Lcf) pomiędzy uzwojeniami pasmowymi stojana a uzwojeniem wzbudzenia ^ma^ ⁿi^ewi^e^i^{e war}‘ tości i można je pominąć w dalszych rozważaniach. Ich udział jest niewielki w stosunku do składników

PL 230 217 Β1 napięcia, w których występują elektryczne prędkości kątowe ω = 2πί. Stąd zależność (2) dla indukowanych fazowych napięć pasmowych uzwojeń stojana upraszcza się do postaci (3).

(3)

Sposób sterowania prądem w obwodzie wzbudzenia umożliwiający ograniczenie wybranych harmonicznych lub całkowitej zawartości wyższych harmonicznych w indukowanych napięciach pasmowych stojana generatora synchronicznego lub znaczne ograniczenie występowania wybranych wyższych harmonicznych przedstawiono poniżej. Sposób sterowania prądem wzbudzenia może być stosowany zarówno dla maszyn synchronicznych ze skosem jak i bez skosu stojana lub wirnika. Z zależności (3) wynika, że po rozłożeniu w szereg Fouriera z analizowanych napięć u_a, Ub lub u_c można wyodrębnić składową podstawową napięć u_ai, um lub u_ci oraz wyższe harmoniczne. Wykonując odejmowanie według zależności (4) . ] “a Ual =U_av dLbf_v .

Ub -u_bl =u_bv -ω—— ifv f (4) u_c -U_C1 =U_CV uzyskuje się przebiegi u_av, Ubv, u_cv stanowiące zawartość wyższych harmonicznych w indukowanych fazowych napięciach u_a, Ub, u_c.

Po przekształceniu zależności (4) na podstawie rejestrowanego kształtu napięcia u_a i obliczonego napięcia u_av określa się przebieg składowej przemiennej prądu wzbudzenia if_V (5)

Przebieg prądu wzbudzenia ifv może być określony w podobny sposób jak dla napięcia u_a na podstawie rejestrowanego napięcia Ub lub u_c, gdyż dla generatora synchronicznego rozkłady pochod........ , dL_af dL_bf dL_Cf ,, . . . . , . nych mdukcyjnosci wzajemnych , , dla symetrycznie rozłożonych uzwojeń pasmowych stojana na obwodzie generatora synchronicznego przyjmują takie same wartości ale ich rozkład przestrzenny jest przesunięty w funkcji elektrycznego kąta położenia wirnika względem siebie, następująco

11 Lai = Lafi cos(.9) + XLaf(2k_n cos[(2k -1)^] k=2
4π Λ kr = kri + Σ kf(2k-i) cos(2k D -5 k=2	(5-y)	> (6)
Lcf = Lcfl cos(^——) + X Lcf (2k-ij cos(2k-l) J k-2

Całkowita zawartość wyższych harmonicznych THDu_a (Fig. 6) w przedstawionych przebiegach fazowych napięć w stanie biegu jałowego (Fig. 4) przy zasilaniu obwodu wzbudzenia ze źródła o napięciu stałym wynosi:

bez skosu wirnika THDu_a =12.1%, ze skosem wirnika THDu_as =4.99%.

PL 230 217 Β1

Na Fig. 7 przedstawiono porównanie zawartości wyższych harmonicznych dla przypadku zasilania obwodu wzbudzenia generatora synchronicznego poprzez opisany układ sterowania, dla przypadku bez skosu wirnika - u_a i ze skosem wirnika - u_as (Fig. 5). Całkowita zawartość wyższych harmonicznych określona przy pomocy współczynników THDu_a (bez skosu wirnika) oraz THDuas (ze skosem wirnika) liczona do 100. harmonicznej wynosi dla przedstawionego na Fig. 7 widma:

• THDua =1.08%, • THDuas =0.531%.

Przedstawiona zawartość wyższych harmonicznych jest wynikiem nieuwzględnienia w zależności (2) składników:

• Laf Lbf L_Cf ^-7, które są w przeciwfazie do odpowiadających im składników dL_afv . dL_bfv . dL_cfv......... , ......

ω kształtujących indukowane fazowe napięcia stojana dla generatora synchronicznego ze skosem wirnika u_a, Ub, u_c.

• Lafs Lbfs ^7, L_Cfs ^7, które są w przeciwfazie do odpowiadających im składników dL_afsv . dLhf_SV , dL_Cf_SV , ..... , . , , „ .... ,, ω ' if_V, ω _gg ip_v, ω _gg if_V kształtujących indukowane fazowe napięcia stojana dla generatora synchronicznego ze skosem wirnika u_as, Ubs, u_c

W przypadku znajomości rozkładów indukcyjności wzajemnej określonej zależnością (6) uwzględnienie składników L_af^, Lbf^-p L_Cf^p oraz L_afs^, Lbf_S^, L_Cfs^r powoduje, że całkowita zawartość wyższych harmonicznych określona przy pomocy THDu_a oraz THDu_as liczona do 100. harmonicznej wg zależności (2) wynosi:

• bez skosu wirnika THDu_a = 1.05%, • ze skosem wirnika THDu_as = 0.53%.

W podobny sposób na podstawie znajomości rozkładów indukcyjności wzajemnej określonej zależnością (6) oraz pomiaru prądu przetwornikiem PIW i rozkładu zarejestrowanego przebiegu w szereg Fouriera można ograniczyć wybrane wyższe harmoniczne w indukowanych napięciach pasmowych uzwojenia stojana generatora synchronicznego bez skosu wirnika jak i ze skosem wirnika szczególnie dla harmonicznych niższego rzędu.

Korzystną cechą opisanego układu sterowania jest ograniczenie wybranych harmonicznych w indukowanych napięciach szczególnie dla harmonicznych niższego rzędu ze względu na wymagane niższe wartości napięcia zasilania obwód wzbudzenia (mniejsze stromości narastania prądu wzbudzenia dla harmonicznych niższego rzędu). Wpływ opracowanego sposobu ograniczania zawartości wyższych harmonicznych poprzez ograniczenie wybranych zawartości wyższych harmonicznych przedstawiono dla przypadku zasilania obwodu wzbudzenia stałą wartością prądu wzbudzenia lf = const generatora synchronicznego bez skosu wirnika uzyskaną poprzez źródło prądowe sterowane napięciowo. Dla takiego przypadku zasilania zawartość wyższych harmonicznych w fazowych napięciach pasmowych badanego generatora synchronicznego jawnobiegunowego określona współczynnikiem THDu_a wynosi 12.1% (Fig. 4). Przy czym obliczenia THDu_a oraz obliczenia przedstawionych przebiegów dokonano dla generatora synchronicznego o mocy 5.5 kVA z wirnikiem jawnobiegunowym ze skosem i bez skosu wirnika na podstawie rzeczywistych danych konstrukcyjno-materiałowych dla modelu polowego utworzonego w programie FLLJX 2D Skew.

Jeśli do obwodu wzbudzenia oprócz składowej stałej prądu wzbudzenia lf = const wprowadzane będą w obwodzie z tranzystorami T2-T5 dodatkowe składniki prądu wzbudzenia wg zależności 5 można będzie ograniczyć wybrane v-te wyższe harmoniczne w indukowanych napięciach pasmowych stojana.

Poniżej podano wyniki badań symulacyjnych ograniczania wybranych zawartości wyższych harmonicznych dla generatora synchronicznego bez skosu wirnika o mocy 5.5 kVA określonych przy pomocy współczynnika THDu_a liczonego do 100. harmonicznej dla:

a) wirnika bez skosu:

• bez ograniczania wyższych harmonicznych THDu_a =12.1% (tylko składowa stała prądu wzbudzenia), • z ograniczaniem 3. harmonicznej THDu_a =11.5%, • z ograniczaniem 3., i 5. harmonicznej THDu_a =10.9%,

PL 230 217 Β1 • z ograniczaniem 3., 5. i 7. harmonicznej THDu_a =10.8%.

b) wirnika ze skosem:

• bez ograniczania wyższych harmonicznych THDu_a =5.2% (tylko składowa stała prądu wzbudzenia), • z ograniczaniem 3. harmonicznej THDua =3.8%, • z ograniczaniem 3. i 5. harmonicznej THDua =1.9%, • z ograniczaniem 3., 5. i 7. harmonicznej THDua =1.3%.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób sterowania prądem wzbudzenia generatorów synchronicznych, zwłaszcza generatorów małej mocy, znamienny tym, że z prądu wzbudzenia generatorów synchronicznych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym wydziela się składową stałą, która stanowi wartość odniesienia dla składowej podstawowej indukowanego napięcia fazowego generatora synchronicznego oraz składową przemienną stanowiącą wartość odniesienia dla wyższych harmonicznych, a następnie do obwodu wzbudzenia wprowadza się oprócz składowej stałej dodatkową składową przemienną prądu wzbudzenia o wartościach chwilowych określoną zależno^ści^ ^{: ω} 3ϋ
2. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że na podstawie rejestrowanych przebiegów napięć fazowych u_a lub Ub lub u_c w stanie biegu jałowego, oblicza się składowe napięć u_av lub Ubv lub Ucv będące sumą wyższych harmonicznych według zależności:

   ^Ua -^Ua1 =

   319 ^r_v.

   U|>-U_hl =^Ubv~«-r7-'fv 3i9 gdzie: u_ai, um, u_ci - oznaczają przebiegi zawierające składową u_c-u_ci

   Xfv .

   o9 podstawową indukowanych fazowych napięć pasmowych stojana, ϋ - elektryczny kąt położędL_afv dLbfv · dL_cfv nia wirnika, ⁷ , i — rozkłady pochodnych indukcyjności wzajemnych uzwojeń pasmowych stojana i wzbudzenia będące sumą wyższych harmonicznych, ω = - elektryczną prędkość kątowa, if_V - przebieg składowej przemiennej prądu wzbudzenia.
3. 3. Układ sterowania generatorów synchronicznych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, zawierający uzwojenia ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, znamienny tym, że do obwodu wzbudzenia generatora synchronicznego dołączony jest układ sterowania składową stałą prądu wzbudzenia oraz układ sterowania składową przemienną prądem wzbudzenia, przy czym do sterowania składową stałą prądu wzbudzenia wykorzystuje się źródło prądowe sterowane napięciowo, natomiast do sterowania składową przemienną prądu wzbudzenia wykorzystane są co najmniej cztery tranzystory pracujące w tzw. mostku typu H, a oba układy włączone są równolegle do obwodu wzbudzenia.
4. 4. Układ, według zastrz. 3, znamienny tym, że do trójfazowych uzwojeń stojana generatora synchronicznego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym (1) dołączony jest układ sterowania stycznikiem S1 (4) złożony z trzech kondensatorów, stycznika i zacisków odbiorczych, układ kształtowania sygnału pomiarowego (5) złożony z trzech przetworników do pomiaru napięć fazowych oraz czterech przetworników do pomiaru prądów, który połączony jest z układem programowalnym (6) i układami kształtowania sygnałów sterowania (7), które sterują stycznikiem S1 w układzie (4) sterowania stycznikiem i układem mocy (8) zawierającym co najmniej cztery tranzystory mocy pracujące w mostku typu H oraz ze źródłem prądowym (9) sterowanym napięciowo.

   PL 230 217 Β1
5. 5. Układ, według zastrz. 3, znamienny tym, że z wirnikiem generatora synchronicznego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym (1) sprzęgnięta jest wzbudnica (11) o magnesach trwałych do której uzwojeń twornika dołączony jest prostownik dwupołówkowy (2), połączony jest ze źródłem prądowym (9) sterowanym napięciowo oraz prostownik sześciopulsowy (3) połączony z układem mocy (8).
6. 6. Układ, według zastrz. 3, znamienny tym, że układ mocy (8) złożony jest z co najmniej czterech tranzystorów mocy pracujących w mostku typu H zasilany poprzez układ prostownika sześciopulsowego (3), natomiast układ (9), złożony ze źródła prądowego sterowanego napięciowo, zasilany jest poprzez układ prostownika dwupołówkowego (2) dołączony równolegle do obwodu wzbudzenia generatora synchronicznego (1).