Устройство для автоматического включения синхронных генераторов на параллельную частоту

Устройство для автоматического включения синхронных генераторов на параллельную частоту

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

EJIBCC 21 С, 60

АВТОРСКОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО

ОПИСАНИЕ устройства для автоматического включения синхронных генераторов на параллельную работу.

К авторскому свидетельству Л. И. Гутенмахера, заявленному 25 октября 1934 года (спр. о перв. № 156022), с присоединением заявки от 9 декабря 1934 года (спр. о перв. № 158807).

Приоритет ио п. 2 от 9 декабря 1934 года.

О выдаче авторского свидетельства опубликовано 31 января 1936 года. (226) Предлагается устройство для автоматического включения синхронных генераторов на параллельную работу с постоянным временем опережения, работающее от напряжения, пропорционального по величине углам сдвига фаз между синхронизируемыми напряжениями. Согласно изобретению в устройстве применен апериодический контур, состоящий из соединенных параллельно конденсатора и активного сопротивления. Контур включен на указанное напряжение через выпрямитель, параллельно которому присоединена цепь сетки катодной лампы с реле в анодной цепи с тем, чтобы при разряде конденсатора контура на сопротивление, когда скорость изменения приложенного напряжения становится выше скорости разряда конденсатора, момент опережения определялся разностью между высшим напряжением и напряжением на зажимах конденсатора.

На чертеже фиг. 1 изображает принципиальную схему предлагаемого устройства; фиг. 2 — кривые изменения максимальной возможной скорости разряда конденсатора апериодического контура; фиг. 3 — схема синхронизации генераторов, снабженную предлагаемым устройством; фиг. 4 — деталь выполнения предлагаемого устройства.

Как уже отмечено выше, предлагаемое устройство в основном состоит из емкости С, и сопротивления Я,, приключаемого параллельно через выпрямитель В, к напряжению Е, пропорциональному величине сдвига фаз между синхронизируемыми напряжениями (фиг. 1).

В качестве такого напряжения может, например, служить разность синхронизируемых напряжений, которую можно представить при равенстве амплитуд и синусоидальной форме кривых синхронизируемых напряжений в виде

e=2Esin - -1. sin - 1 .. (1)

2 где

, и в, — круговые частоты синхронизируемых систем, Е, = Е, = Š— амплитуды синхронизируемых напряжений.

Как видно, результирующее напряжение представляет соб - и гармоническое колебание с частотой, равной

О>, + Ш полусумме частот -- — — -, амплитуда которой является функцией фазового угла

Ф=(" — " )

Считая, что после двухполупериодного выпрямления и сглаживания фильтром каждая отдельная синусоида полусуммы частот даст за свой период некоторое среднее значение, равное величины своей амплитуды, выпрямленное напряжение можно представить в виде = 2Ез п 1... (2)

Обозначим для краткости

° т Е=Е о> — u ==О>

»>> 2 >>> н выпрямленное напряжение в дальбейшем будем называть напряжением иения

0>

Р F.„ÿï ... {3)

Как видно, напряжение биения представляет собой коммутированную синусоиду, полупериод которой равен периоду разности ч стот.

При возрастании этого напряжения от минимума до своего максимального значения, что периодически происходит каждый первый полупериод, конденсатор непрерывно заряжается и напряжение на нем возрастает до максимальной величины. Второй полупериод напряжения биения убывает со свойственной ему скоростью, Напряжение же конденсатора может уменьшаться только благодаря процессу разряда через сопротивление R,, так как выпрямитель В,, пропускающий ток только одного напряжения {ток заряда), не пропускает во внешнюю сеть ток разряда, обратный по направлению току заряда.

:Я. о о с где a — основание натуральных логарйфмов, E„.— напряжение на конденсаторе в начальный момент разряда.

Скорость апериодического разряда или его производная равна

f л, с, P„C, de,, с

В начальный момент разряда при

h=О скорость разряд равна:

Г;

V,— — -- ——

R, C„

К, С, Как видно, начальная скорость одновременно является и максимальной скоростью разряда. С большей скоростью конденсатор не может разряжаться.

При убывании приложенного напряжения со скоростью, меньшей начальной скорости апериодическ8го разряда, напряжение на конденсаторе будет убывать вместе с ним по его же кривой.

В противном случае, напряжение на конденсаторе благодаря большей скорости должно было бы за некоторый промежуток времени с гать меньшим приложенного, но, как уже раньше отмечено, это невозможно.

Как только в некоторый момент времени приложенное напряжение начнет убывать с ббльшей скоростью, чем та, какую имеет начальная скорость апериодического разряда в этот момент, напряжение на конденсаторе станет убывать по кривой апериодического

Важно заметить, что благодаря односторонней проводимости выпрямителя напряжение на конденсаторе может быть или равным, или ббльшим прило. женного. Меньшим оно не может стать, так как при этом сейчас же возникнет зарядный ток, который выравняет напряжения.

Апериодический разряд конденсатора емкостью С, на сопротивление R, происходит по показательной функции — E„, sin

Е о со

>>> $ $ — — — cos

2 2 (5) I!

Начальная скорость апериодического разряда равна — — — — — sin . (6)

Р, с, R„ñ„2

Совместное решение уравнений относительно угла, при котором онн равны, дает разряда. Это произойдет потому, что; благодаря ббльшей скорости приложен- ное напряжение за некоторый проме- . жуток времени уменьшится на ббльшую величину, нежели напряжение HB конденсаторе, и благодаря выпрямителю В, конденсатор будет разобщен от нриложенвого напряжения, а предоставленный самому себе будет разряжаться по закону апериодического> разряда.

Как известно, скорость апериодического разряда с течением времени уменьшается, а скорость выпрямленного напряжения биения к 0 увеличивается. Поэтому, с момента; асхождения скоростей разность напряжения между конденсатором и напряжением биения возрастает. Возникновение этого напряжения и может быть использовано в качестве указания на то, что скорость изменении приложенного напряжения приобрела большее значение, чем величина начальной скорости апериодического разряда.

Следует определить угол, соответствующий моменту периода, при котором скорость выпрямленного биения становится равной начальной скорости апериодического разряда., Скорость изменения напряжения выпрямленного биения равна его производной тогда

g„ñ.

1а — — >>> ) 2

$> откуда угол, соответствующий моменту равенства скоростей, который обозначен через ф =u,, t,, равен

R,С, — y = — -2агс К -

Ь

> Х

2 (8) о (1 2)

1„=-- — — — are to

«» — «о„ 2

-- С, R, — --: — = г„.— — R„C"„. (9) .>

Итак, угол, при котором начина=тся расхождение скоростей, пропорционален разности частот и не зависит от величины амплитуды напряжения.

Возникающую при этом разность напряжений можно использовать для приведения в действие соответствующего реле, включающего силовой выклютатель.

На фиг. 2 представлены кривые изменения максимально возможной скорости разряда конденсатора V, = — --.— со«Я (> о ответствующие трем различным значениям разности частот uè,, uè и

На этой фигуре можно видеть, что самостоятельный апериоди ческий разряд (кривые V„, U,, и V,,) начинается за постоянное время -. до момента совпадения фаз.

Для области углов опережения от 0 до 60 — 80 функция тангенса основного уравнения может быть заменена> с достаточной для практик и точностью, своим аргументом. Поэтому, для этих значений углов время опережения представляет собой постоянную вели:пну, которая равна

Р— — — — sin

Я, С, - — cos

2 2 о>

c0s ь

Я (Делим обе части равенства

«>> (7)

2 на ! !

В практике эксплоатации больший угол опережения, чем 60 — 80, недопустим, так как связанная с дальнейшим опережением большая разность частот может вызвать недопустимые уравнительные токи вследствие механической инерции генераторов, даже при замыкании контактов выключателя в момент совпадения фаз. К тому же, угловая ошибка от возможного ускорения за собственное время включения выключателя может превысить допустимую величину.

Для выполнения одного из основных требований нормальной синхронизации — не допускать включений при разности частот ббльших заданной величины, используется основная зависимость угла опережения от значения разности частот.

Для этого производится контроль максимального значения угла опережения, соответствующего предельной величине разности частот.

Принципиальная схема соединений выполненного синхронизатора дана на фиг. 3.

Двухполупериодное выпрямление производится электронным выпрямителем В.

После небольшого фильтра выпрямленный ток проходит по активному сопротивлению r, падение напряжения на котором действует на основные элементы устройства — апериодический контур

С, R и выпрямитель В, Управляющее напряжение от выпрямителя В, действует на сетку экранированной лампы Л, Параллельно этой лампе включена такая же лампа Л,, сетка которой находится под действием напряжения катода.

Анодные токи лампы Л и Л, направлены в противоположные стороны в обмотках диференциального реле О.

Таким образом, это реле производит замыкание своих контактов при изменении = íîäíîãî тока лампы Л при возникновении на сетке отрицательного по знаку управляющего напряжения от выпрямителя В,. В дальнейшем условимся называть все эти элементы устройства, которые создают замыкание контактов реле П в момент, опережающий оптимум на постоянную величину времени, „реле опережения".

Для контроля максимального значения угла опережения необходимо фазовое реле. Для этой цели используется напряжение от апериодического контура, которое создает изменение анодного тока трехъэлектродной лампы Л,. Так как напряжение на апериодическом контуре изменяется по кривой напряжения биения до момента работы „реле опережения", то оно мо.жет быть использовано в качестве напряжения, пропорционального сдвигу фаз. Поэтому анодный ток лампы Л, будет в необходимых пределах пропорционален углу сдвига фаз, а электромагнитное токовое реле I в анодной цепи этой лампы будет играть роль фазового реле.

В схеме имеется еще промежуточное реле ПI, которое производит замыкание цепи соленоида привода силового выключателя.

Реле опережения П и фазовое реле I сблокированы следующим образом: для включения промежуточного реле III должны замкнуть свои контакты реле I и П. Если раньше срабатывает реле опережения П, то оно прерывает цепь анодного напряжения к лампе 1 и этим предотвращает дальнейшее включение.

Если раньше срабатывает фазовое реле 1, то одновременно с замыканием цепи обмотки промежуточного реле Ш, оно шунтирует контакты покоя реле If, обеспечивая себе замкнутую цепь анодного напряжения.

В момент, когда дальше сработает реле опережения и также замкнет цепь. промежуточного реле ПI, последнее сработает и замкнет цепь соленоида привода силового выключателя. Промежуточное реле IП имеет еще одну пару контактов, шунтирующих при включении контакты реле I и П,,чтобы обеспечить независимое питание своей обмоткии.

Установка величины постоянного времени опережения производится изменением постоянной времени апериодического контура.

Для практики эксплоатации удобнее изменять емкость, всгавляя или переключая несколько конденсаторов параллельно или последовательно, подобно тому, как это делается в приемном контуре радиоприемников.

Установка предельной величины фазового угла опережения может производиться регулировкой отрицательного напряжения смещения сетки или, что проще, регулировкой токового реле находягцегося в анодной цепи лампы Л„ на различную силу тока срабатывания.

Блокировка I и О реле, помимо ска- занно, о, является защитой от ошибоч- ных включений и при внезапном обрыве в цепи, подводящей напряжение биения (трансформаторов напряжений, выпрямителя, фильтра), Напряжение, имеющееся в этот момент на конденсаторе, заставляет сра- l ботать реле П, которое прерывает анод- ную цепь реле 1, предотвращая этим включение. При коротком замыкании конденсатора С, не может сработать реле П. При обрыве в сопротивлении R, напряжение на конденсаторе не может уменьшиться до значения, соответ- . ствующего максимальному углу опережения, а поэтому не может сработать реле l. При порче одной из ламп Л„

Л. и Л, или обрыве обмоток одного из элекромеханических реле также не: произойдет включечие, так как для: этого необходимо, чтобы сработали оба реле и в определенной последова-., тельности. Таким образом собственно потребление энергии весьма мало и поэтому синхронизатор может приключаться к любым нагруженным трансформаторам напряжения, а также позволяет использовать для синхронизации конденсаторные делители напряжения, что имеет огромное значение для современных высоковольтных систем.

Качество выпрямления и сглаживания напряжения биения в ничтожной мере влияет на процесс работы синхронизатора. Это является одним из его достоинств.

Описанное выше устройство, использующее применение напряжения биения, отличается тем существенным недостатком, что в нем имеет место дополнительная зависимость формы кри-, вой указанного напряжения биения от разности амплитуд синхронизируемых напряжений. Для устранения в основном этого недостатка, а также ряда других, из которых можно указать на необходимость выпрямления и сглаживания напряжения биения, предлагается использовать подвижную систему фазометра, включенного н» синхронизируе- мые напряжения для получения напря-, жения, пропорционального углам сдвига фаз путем механического передвижения подвижного контакта, обычно называемого потенциометром.

На фиг. 4 изображена схема такого устройства. Здесь Е обозначает напряжение постоянного тока; (1 — 2) — сопротивление делителя напряжения (потенциометра); 3 — подвижную систему, угол поворота которой пропорционален углу сдвига фаз; 4 — подвижной контакт делителя напряжения, механически связанный с подвижной системой 3; e — напряжение на переменной части сопротивления (1 — 2), пропорциональное углу поворота подвижного контакта 4; (а, б, в ) †добавочн сопротивление с отводами; а, б, в — отдельные выводы от сопротивления (1 — 2).

Присоединением точки 2 к точке 2 все напряжение Е распределяется на сопротивлении (1 — 2), а на отдельной части этого сопротивления между точкой 1 и подвижным контактом 4 напряжение е© будет пропорционально величине этого сопротивления.

Вращением подвижного конт,:кта 4 пропорционально углу сдвига фаз между синхронизируемыми напряжениями напряжение е,, будет в итоге изменяться пропорционально углу сдвига фаз.

Обычные фа-.ометры, употребляемые при синхронизации, так называемые синхроноскопы, могут с успехом применяться для указанной цели. Необходимо только рассчитать величину вращающего момента подвижной системы фазометра, учитывая величину трения подвижного контакта 4 по сопротивлению (1 — 21.

Фазометры отличаются, помимо других свойств, диапазоном ш:aët-:. Большинство из них имеют шкалу, соответствующую углам сдвига фаз о-; нуля до ЗбО или от нуля до 180, т. е. максимальный угол поворота подвижной системы фазометра получ-:åòñÿ прн угле сдвига фаз в 180 . Для указанной раньше цели годятся все этп фазометры.

Необходимо только обеспе ить такое включение сопротивления (1 — 2). при котором напряжение уменьшалось бы от угла сдвига фаз в 180 до 360 или, :то то же, до 0 .

Принципиально можно получить с помошью указываемого устройства максимальный угол опережения, равный максимальному углу поворота фазометра, т. е. или 360 или 180, но практически для современных электростанций требуется максимальный угол опережения в 40 — 90 электрических градусов. Поэтому необходимо предусмотреть прежде всего способ, позволяющий ограничить величину угла опережения, и способ, позволяющий регулировать при несбходимости величину максимального угла опережения.

Для достижения этих условий можно

}:û ;oëíèòb делитель напряжения в виде сопротивления с отдельными выводами а, б, 8 (фиг. 4).

Разомкнув точки 2 и 2 и замкнув штепсельными вилками точки а и а, можно таким образом ограничить изме- . нение напряжения е областью углов сдвига фаз, соответствующих части сопротивления (1 — а), так как с помощью казанного соединения только эта часть сопротивления включена в цепь постоянного напряжения Е.

Для регулировки величины максимального угла достаточно при этом сделать ряд выводов от сопротивления (1 — 2), соответствующих желательным углам опережения.

Сопротивления а, 2, б, 2 и т. д. включаются для того, чтобы не перегрузить источник постоянного напряжения Е при выключении частей сопротивления (а — 2), (б — 2) и т. д. при изменении максимального угла опережения, Очевидно, что в практических условиях, когда заранее известна величина максимального угла опережения, значиe„„- =аЕ 1 — — —

2-. ) . (10) В соответствии с описанным выше устройством разность напряжений между конденсатором и напряжением, приложенным к нему через выпрямитель, возникает в момент, соответствующий равенству с de (11)

ВС dt

Подставляя в уравнение (11) уравнение (10) — а Е+аŠ— ВС вЂ” -(— аŠ— --3

2-,. Ж 2г./ условии проводник (б — 2) играет только роль соединительного . провода в делителе напряжения (потенциометре).

Форма напряжения е в координатах e — 8 будет при этих условиях иметь форму равнобокой трапеции, у которой боковые стороны соответствуют изменению напряжения в области углов сдвига фаз между нулем и 60, а сторона, параллельная оси времени — неизменному напряжению при движении подвижного контакта по малому сопротивлению б — 2 в области углов сдвига фаз, превышающих 60 .

Ф

Согласно вышеизложенному, напряжение с> уменьшается с приближением к моменту совпадения сдвига фаз, т. е. к углу, 2z. Так как это изменение прямо пропорционально углу сдвига фаз, то в общем виде можно выразить зависимость между углами сдвига фаз э и напряжением е следующим уравнением, справедливым для этой области углов, между э, и 2-,. (vs — — 2 — Лса. (12) тельная часть сопротивления (1 — 2) не нужна. Так, например, когда допустимый максимальный угол опережения равен 60=, то сопротивление (l — 2) должно состоять из двух частей, из части (1 — б), соответствующей углам сдвига фаз от нуля до 60, и весьма малого сопротивления (б — 2), составляющего по величине незначительную долю сопротивления (1 — б), так как при указанном и так как р= 1„то >, аŠ— аЕ+а Е = — ЛС—

2т. 2 аЕ

Делим на и получаем:

27:

Угол uk,, при котором возникает разность напряжений, удобно выражать через угол ф,= — 2- — 1„т. е, в виде отрицательног . угла.

При этом ., = 2 : — c!> t, = — 2 -,. — 2-,. —

---ЯСа, т. е.. (13),=РС

Как видно, угол опережения синхронизатора i> прямо пропорционален разности частот и с постоянным ковфициентом ЯС, т. е. синхронизатор обладает идеальной характеристикой, так как время опережения составляет при этом постоянную величину,, ==-- ш 1, =

= ВСЕ, откуда

С-,С. (14) Таким образом подбор йостоянной времени разряда конденсатора, равной собственному времени включения силового выключателя, создает условия, при которых реле синхронизатора произведет включение силового выключателя с опережением и контакты последнего замкнутся в момент полного совпадения фаз.

В качестве реле, реагирующего на напряжение между конденсатором и приложенным к нему напряжением, удобно применить, как отмечено выше, электронные или ионные, управляемые сетками, лампы.

Следует отметить, что в качестве анодного напряжения для ламповых реле может служить напряжение Е, необходимое для питания потенциометра, а также незначительный ток собственного потребления синхронизатора, благодаря чему потенциометр может быть весьма удобно сконструирован.

Итак, тем, что в схему синхронизатора вводится потенциометр с подвижным контактом, приводимым в движение подвижной системой фазометра, создаются следующие преимущества по сравнению с результатами, когда этог же синхронизатор питается напря кением биения: 1) не требуются двусторонний выпрямитель и фильтр; 2) отпадает влияние величины разности амплитуд; 3) легко производится ограничение предельного угла опережения и для этого же не требуется отдельного фазового реле; 4) угол опережения может быть доведен до предельно возможного, т. е. до 360, и никаксго искажения характеристики не должно происходить.

Предмет изобретения.

1. Устройство для автоматического вк,.ючевия синхронных генераторов на параллельную работу с постоянным временем опережения, работающее от напряжения, пропорционального по величине углам сдвига фаз между синхронизируемыми напряжениями, отличающееся применением апериоди еского контура, состоящего из соединяемых параллельно конденсатора и активного сопротивления и включенного на у;;азанное напряжение через выпрямитель, параллельно которому присоединена цепь сетки катодной лампы с реле в анодной цепи с тем, чтобы при разряде конденсатора контура на сопротивление, когда скорость изменения приложенного напряжения становится выше скорости разряда конденсатор",, момент опережения определялся разностью между внешним напряжением и напряжением па зажимах конденсатора.

2. Применение в устройстве по п. 1 потенциометра, движок которого связан с осью подвижной системы, наход— щейся в соответствии со сдвигом по фазе синхронизируемых напряжений.

К авторскому свидетельству А, И. Г тенмахера № 45667 г

C ! (бй

il gf

Рр

1 ип., Проыпопиг раф. Тамбовская, 12. Зак. 1626 — 500