1.6.2 Аналогові регулятори

Електромагнітний регулятор виконаний на діодних елементах, пасивних диференційних ланках, магнітних підсилювачах і поляризованих реле. Регулятор функціонує на основі формування безперервних сигналів шляхом випрямлення напруги і струмів навантаження генератора і живлення тиристорного збудника з виділенням постійних складових через частотні фільтри. Тому вимірювальні органи регулятора володіють певною інерційністю дії. Для зниження постійних часу у вимірювальних органах застосовуються найменш інерційні частотні фільтри компенсаційного типу (на схемі рис. 1.28 не вказані) і високодобротні магнітні підсилювачі з самонасиченням і джерелом живлення підвищеної частоти (450 Гц).

Вимірювальний орган напруги ВОН (рис. 1.29,а) виконаний на трифазній мостовій стабілітронній схемі порівняння абсолютного значення напруги з заданим значенням, пропорційним напрузі U_CT стабілітронів. Задана напруга, встановлюється зміною коефіцієнта трансформації п_Т поворотного трансформатора (потенціалу-регулятора), який входить в пристрій уставки (ПЗУР).

На рис. 1.29, в показано дві характеристики вимірювального органу напруги при двох значеннях заданих, , напруги генератора. Для забезпечення напруги , необхідного для форсування збудження при глибоких зниженнях напруги генератора, схема порівняння підключається (через діод VD на рис. 1.29,а) до джерела живлення регулятора. Вказаному режиму відповідає горизонтальна ділянка характеристик.

Напруга зумовлює відповідний струм управління підсумовуючим магнітним підсилювачем. Струм управління , пропорційний похідній напруги, формується диференціюючою RC-ланкою з малою сталою часу — диференціатором D1.

До вимірювального органу напруги входить елемент струмової компенсації (резистори R_cт, повторні вимірювальні трансформатори струму TLA1, TLA2) спад напруги на опорі X_т трансформатора (див. рис. 1.2), розглянутий нижче (див. § 2.2).

Вимірювальний орган зміни частоти (ВОЗЧ) виконаний на діодній схемі порівняння абсолютних значень струмів І₁, І₂, що є різними функціями частоти (рис. 1.29,6). Перетворення змін частоти в зміни абсолютних значень струмів здійснюється резонансними контурами LR1—С1, LR2—С2 з різними резонансними частотами (f_0,1 = 45 Гц, f_0,2=55 Гц). Незалежність струмів від амплітуди напруги генератора забезпечується стабілізацією напруги на входах резонансних контурів стабілітронами VD. Схема порівняння виконана з магнітним відніманням випрямлених струмів Йп,й, Йп,ж, що є струмами управління магнітним підсилювачем AL. На рис. 1.29, г показана характеристика вимірювального органа.

Рисунок 1.29 - Схеми і характеристики вимірювальних органів: а, в - напруги; б, г - зміни частоти

Формування сигналів по зміні частоти (струм ) і по похідній частоти (струм ) виробляється ланцюгом RC з великою сталою часу (реальною диференційною ланкою) і близькою до ідеальної ланки диференціатора D2 відповідно.

Вимірювальні органи напруги і зміни частоти, мають релейно-контактні виходи (реле напруги KV і реле швидкості зміни частоти KF). Мінімальне реле напруги KV1 виробляє форсування збудження генератора шляхом переходу сумуючого магнітного підсилювача AL, відносно великим струмом управління І_в,ф в режим, найбільшого струму виходу незалежно від інших струмів управління, особливо струму І_U’, пропорційного вхідній напруги. При відновленні напруги після відключення к.з, коли необхідне форсування збудження, похідна напруги негативна і струм І_U’, міг би діяти на зменшення збудження генератора, що неприпустимо. Вказаним способом переважної дії на магнітний підсилювач струму І_в,ф виконується логічна операція ЗАБОРОНА проходження сигналу по похідній. Форсування збудження припиняється з витримкою часу, що перевищує час існування негативного струму.

Максимальне реле KV2 спільно з реле швидкості зміни частоти KF виконує логічну операцію ЗАБОРОНА проходження сигналу по зміні і похідної частоти і функції захисту генератора від підвищення напруги.

Вимірювальний орган струму ротора ВОТР формує сигнал по похідній струму збудження генератора (струм ) управління магнітним підсилювачем (див. рис. 1.28) і ряд відповідних сигналів автоматичного управління збудженням, а саме: сигнали на обмеження на двократному рівні струму ротора при форсуванні збудження (струм ) і на розвантаження генератора при перевантаженні струмом ротора або реактивним струмом статора (струм, пропорційний сигнал по відхиленню струму ротора при вибігу генераторів атомних електростанцій (струм ).

Обмеження форсування збудження здійснюється максимальним реле струму вимірювального органу із струмом спрацьовування, відповідному двократному номінальному струму ротора. Реле струму включає пристрій УОФ обмеження напруги U_рег,ф на виході виконавчого магнітного підсилювача А2 (див. рис. 1.28), яке містить стабілітронний обмежувач напруги на рівні, при якому кут включення тиристорів форсуючого випрямляча збудника відповідає двократному номінальному струму ротора генератора. Сигнал на розвантаження генератора виробляється з витримкою часу, залежною від ступеня перевантаження. Сигнал формується шляхом порівняння напруги на виході інтегруючого магнітного підсилювача, пропорційного величині

,

з деякою напругою, пропорційною величині А=const. Рівність напруг означає, що при струмі ротора за час перевантаження ротор генератора нагрівається до гранично допустимої температури і з'являється сигнал на розвантаження.

Струм, умовно позначений як , через логічну частину регулятора ЛЧ (див. рис. 1.28) поступає на сумуючий магнітний підсилювач А, і на пристрій зміни уставки регулятора ПЗУР. Таким чином, виробляється швидкодійне статичне регулювання по відхиленню струму ротора, від номінального і повільне астатичне шляхом зміни уставки регулятора до значення, при якому струм ротора і реактивний струм статора знижуються до номінальних значень — перевантаження генератора усувається. Тому взаємодіюча сукупність ВОТР з відповідними логічними елементами в літературі називається обмежувачем перевантаження генератора.

Технологічні особливості власних потреб атомних електростанцій зумовлюють необхідність зниження напруги генератора після його відключення і спрацьовування стопорного клапана турбіни пропорційно числу обертів генератора при його вибігу. Таке зниження напруги досягається автоматичним регулюванням збудження по відхиленню струму ротора. Сигнал по відхиленню струму ротора формується схемою порівняння струму ротора із заданим значенням, і впливає на сумуючий магнітний підсилювач (струм ), тільки у вказаному режимі вибігу. Тому сигнал проходить через логічну частину регулятора (див. рис. 1.28).

Вимірювальний орган реактивного струму (ВОРС) передбачений в регуляторі у зв’язку з тим, що синхронні генератори сучасних могутніх теплових і гідроелектростанцій, пов'язані з електроенергетичною системою довгими лініями високої і надвисокої напруг, що генерують значну реактивну потужність, в режимах мінімальних навантажень електропередач працюють з недозбудженням в режимі споживання реактивної потужності. Допустима споживана реактивна потужність генератора обмежується статичною і динамічною стійкістю і нагрівом лобових частин обмоток через зростання потоків розсіяння. Можливі режими генератора при недозбудженні за умови стійкості визначаються областю, обмеженою осями координат Р_г, Q_г і графіком 2 (див. рис. 1.2,г).

Допустима реактивна потужність — Q_г в режимі недозбудження залежить від активного навантаження Р_г генератора. Відповідно до векторної діаграми неявнополюсного генератора (див рис. 1.2,6)

або

(1.21)

де Q_n.max — найбільша споживана реактивна потужність при Р_г=0 і повному роззбудженні генератора.

Вираз (1.21) після ділення на U_г приводиться до вигляду:

(1.21а)

де - реактивний і активний струми генератора.

При вираз (1.21а) є рівнянням прямої, що проходить через точки, відповідні граничним режимам при (див. рис. 1.3,г), і випрямляючій криву 2, обмежуючу можливі режими генератора по активній і реактивній потужностях (див. рис. 1.30,в).

Вимірювальний орган реактивного струму ВОРС (див. рис. 1.28) формує сигнал на обмеження мінімального збудження генератора. В спеціальній літературі він називається обмежувачем мінімального збудження. Згідно (1.21а) у вимірювальному органі виробляється порівняння абсолютних значень двох напруг, пропорційних (випрямляч VS1, рис. 1.30,а) і . Напруга U_0,2 є вихідною напругою діодної схеми порівняння абсолютних значень (випрямлячі VS2, VS3) напруг . При такому формуванні порівнюваних величин напруга на виході схеми порівняння абсолютних значень, як відомо, є функцією кута зсуву між

Рисунок 1.30 - Обмежувач мінімального збудження:

а - схема вимірювальної частини; б - векторна діаграма ланцюгів струму; в - характеристика обмеження споживаної генератором реактивної потужності

напругою і струмом . При несумірних абсолютних значеннях напруг і уявному (з розмірністю опору) коефіцієнті напруга пропорційно реактивному струму генератора. Вказаному повороту вектора струму на кут еквівалентне використовування у вимірювальному органі міжфазної напруги і струму фази А.

Пропорційність напруги лівої частини виразу (1.21а) забезпечується використовуванням суми струмів (рис. 1.30,6), де < При цьому

де .

Вихідна напруга вимірювального органу при показаних на схемі умовних позитивних напрямах позитивно, якщо U_0,2 негативно (режим споживання реактивної потужності) і якщо споживана потужність перевищує допустиму. Пропорційний струм управління магнітним підсилювачем, що підсумовує, обумовлює зростання струму ротора генератора, тобто зниження споживаної реактивної потужності. При споживаній потужності менше допустимої а при потужності, що генерується позитивно. При цьому напруга виходу негативно і не впливає завдяки діоду VD на магнітний підсилювач регулятора.

Напівпровідниковий регулятор. Вимірювальна частина аналогового напівпровідникового автоматичного регулятора збудження сильної дії (АРВ СДП) виконана на інтегральних операційних підсилювачах. Вони використовуються як активні диференціатори і суматори для формування сигналів відповідно алгоритму (1.19а) автоматичного регулювання збудження сильної дії. Логічна частина регулятора виконана на інтегральних логічних елементах.

Основні проблеми технічної реалізації АРВ СДП — підвищення швидкодії вимірювальних органів напруги ВОН і зміни частоти ВОЗЧ (див. рис. 1.28) - обумовили перехід на нові способи формування сигналів по відхиленню напруги і зміні частоти обертання (похідній внутрішнього кута ) синхронного генератора. Швидкодійне перетворення трифазної напруги синхронного генератора в пропорційну постійну напругу виробляється на основі фіксації і запам’ятовування амплітудних значень напруг трьох фаз шляхом заряду і перезаряду конденсаторів, що запам'ятовують. Запам’ятовуючі конденсатори С1, С2, вимірювального перетворювача UV1 (рис. 1.31,а) підключаються до напруги u_a фази А транзисторними ключами K1, К2 на час при переході u_a через позитивне і негативне амплітудні значення відповідно і заряджають за вказаний час до U_c=U_m (рис. 1.31,6). Відкривання транзисторів ключів K1, К2 здійснюється імпульсами струмів , сформованими схемою СІ, виконаною на основі одновібраторів S, керованих від диференційного підсилювача AD1 синусоїдальної напруги генератора u_а. Імпульси , струмів формуються у момент переходу через нуль миттєвого значення напруги u'_а на виході AD1. Напруги u_с і напруги запам’ятовуючих конденсаторів вимірювальних перетворювачів UV2, UV3 фаз В і С прикладаються на високоомні (R_вх=3 МОм) входи сумуючого операційного підсилювача А. Сума напруг конденсаторів -, що запам'ятовують, що підсумовує

Рисунок 1.31- Структурні схеми і графіки вимірювальних органів напівпровідникового аналогового регулятора збудження сильної ді: а, б - напруги; в, г - зміни частоти

прирівнюється до напруги (ЕРС Е_у) уставки, пропорційною заданій напрузі генератора, яку повинен підтримувати автоматичний регулятор. Вихідна напруга операційного сумуючого підсилювача, пропорційно відхиленню напруги генератора від заданого значення . Як видно з графіків рис. 1.31,6, напруги U_c практично не містять гармонійних складових. При змінах амплітуди напруги генератора напруги U_c змінюються через інтервали часу Т/6(при трифазній двопівперіодній схемі). Отримана дискретність зміни напруги U_c відображає дискретно-безперервну форму сигналу у вигляді синусоїдальної напруги з амплітудою, що змінюється: амплітуда однофазної напруги може фіксуватися тільки двічі за період в певні моменти часу.

Таким чином, сигнал у вигляді формується практично безінерційний, що дуже важливо для ефективності автоматичного регулювання збудження сильної дії. Практична відсутність перешкод у вигляді гармонічних складових напруги і застосування активного диференціатора на операційному підсилювачі AD2 забезпечує швидке і якісне формування сигналу по похідній напруги синхронного генератора.

Формування напруг і пропорційних зміні і похідної частоти, проводиться шляхом перетворення тривалості півперіоду напруги генератора у вказану напругу. Нуль-індикатор ЕА (рис. 1.31,в) в моменти переходу миттєвої напруги u_а через нульове значення включає (через одновібратор S і транзисторний .ключ K1) інтегруючий операційний підсилювач AJ. На протязі, наприклад, негативного півперіоду u_а відбувається наростання напруги u_В,J на виході АJ до u_В,J,1,max=U_f,1 (рис 1.31г) пропорційної до тривалості півперіоду в моменти переходу миттєвої напруги u_а через нульове значення нуль-індикатор відключає інтегруючий підсилювач і включає (через одновібратор S і транзисторний ключ К2) на час приблизно 0,5 мс запам’ятовуючий конденсатор С, що заряджається до напруги U_C=U_f,1. Протягом позитивного півперіоду u_а відбувається підготовка інтегруючого підсилювача до нового циклу інтеграції в наступний негативний півперіод (зниження напруги u_В,J на його виході). Якщо частота змінюється, то значення напруга на виході AJ в кінці наступного негативного півперіоду буде інакшим або відповідно змінюється і напруга , і на запам’ятовуючому конденсаторі С. До конденсатора С під’єдннюється витоковий повторювач ВР з дуже високим вхідним опоом, тому напруга на ньому зберігається практично незмінною протягом позитивного півперіоду u_a.

Конденсатор С1 на виході ВР пропускає струм пропорційний тільки зміні напруги U_f, тобто напрузі , що відображає зміну частоти. Напруга пропорційна похідній частоти, формується диференціюючим підсилювачем АD.

В загальному структурна схема регулятора є аналогом схеми електромагнітного регулятора (див. рис. 3.28). загальний сумуючий підсилювач вимірвальної частини – інтегральний операційий. Виконавчі підсилювачі регулятора транзистора.