Содержание
Вступ
1.Методика проектування пристроїв синхронізації
1.1 Будоваінформаційної моделі
1.2 Вибіралгоритму пошуку
1.3Визначення способів вирішення завдань для досягнення мети побудови пристроюсинхронізації
1.4 Вибірспособу синхронізації, способу виміру параметрів синхронізації та спосіб подачікоманди на включення вимикача генератора
2. Вибірспособу формування команди на включення генератора способом точноїсинхронізації
2.1 Вибір способу подачі команди
2.2 Вибірспособу виміру частоти ковзання
3. Способиодержання постійного часу випередження
3.1 Кінцево-різнісний спосіб
3.2Часовий спосіб одержання постійного часу випередження
3.3Імпульсний спосіб одержання постійного часу випередження
3.4Дискретний спосіб одержання постійного часу випередження
3.5 Спосібзатримки і зсуву по фазі синхронізуємих напруг
4. Вибірструктурної схеми синхронізатора
4.1Розробка структурної схеми
4.2 Вибірблоків принципової схеми
Закінчення
Література/>
Вступ
Однією з найбільш відповідальних операцій під часвмикання синхронного генератора на паралельну роботу є його синхронізація. Незважаючина велику практичну значимість цієї операції, інформація про засоби її реалізаціїдуже обмежена й у багатьох випадках становить комерційну таємницю. Це стримує прогресу даній галузі, ускладнює прийняття правильних рішень при проектуванні та не сприяєвиключенню помилок під час проведення включень генераторів на паралельну роботу.В теперішній час для вирішення завдання вибору пристрою синхронізації та забезпеченняпотрібної якості електричної енергії в цьому процесі, проводять дорогі натурні експерименти,які не завжди дозволяють правильно вирішити поставлене завдання. Особливу важливістьпитання розробки синхронізаторів набуває сьогодні, коли має місце тенденція до децентралізаціїелектропостачання, пов'язана із широким впровадженням автономних електроустановок.Прискорення синхронізації є дієвим засобом усунення можливих аварійних ситуаційв автономній енергосистемі, в якій низька точність при включенні генераторів тапомилкові дії персоналу або пристроїв автоматики під час здійснення цього процесуможуть тільки погіршити стан. Основним напрямком удосконалення пристроїв автоматикиенергосистем є підвищення їх технічних характеристик і надійності, впровадженнясучасної елементної бази, запобігання можливості виникнення аварійних режимів. Пристроямсинхронізації, які застосовуються в даний час, у більшості випадків властива низькаточність відпрацьовування моменту подачі команди на вмикання генератора. У зв'язкуз цим у системі електропостачання можливі провали напруги й кидки струму, що викликаютьзбої в роботі основного обладнання, та можуть призвести до непоправних втрат. Процессинхронізації затягується, що, у свою чергу, ускладнює локалізацію негативних наслідківаварійних режимів.
1. Методика проектування пристроївсинхронізації
Пристрої автоматичної точної синхронізації відносятьсядо класу складних штучних систем. Завдання синтезу складної системи складаєтьсяу визначенні її характеристик і структури шляхом вибору варіанта з декількох альтернатив.Завдання синтезу системи являє собою завдання її проектування. При проектуваннісинхронізатора доводиться ставити й вирішувати всі завдання, які формуються теорієюсистем, що є методологічною базою теорії проектування. У процесі проектування синхронізаторанеобхідно встановити взаємозв'язок між його структурою, внутрішньою організацієюй взаємодією утворюючих його компонентів з функціями, які він повинен виконувати,тобто одержати впорядковану інформацію про об'єкт, що не існує на момент початкупроектування. У цей час процес створення пристроїв автоматичної точної синхронізаціїнайчастіше ведеться шляхом проб і помилок. Власне пристрій і процес його створенняне формалізуються, у символічній формі не описуються, у зв'язку із чим синхронізаторинеможливо досліджувати й змінювати без проведення експерименту із самим виробом.Методи оптимізації, як універсальний математичний апарат теорії систем, не використаютьсяпри рішенні проектних завдань. У зв'язку із цим розроблювальні пристрої не позбавленіконцептуальних, системотехнічних помилок, найнебезпечніших по своїх наслідках. Очевидно,що постала необхідність доповнення інтуїтивного системного аналізу процесу проектуваннясинхронізаторів правилами, сформульованими як на вербальному, так і на математичномурівні.
Процес проектування будь-якої технічної системи,по суті, являє собою процес переробки вихідної інформації, утвореної відомостями,що отримується в технічному завданні й нормативних документах в інформацію, що утворитьпроект системи.
1.1 Будова інформаційної моделі
У процесі проектування будується інформаційна модельS створюваної реальної системи, яку можна представити сукупністю наступнихмножин:
/> (1.1)
де А — множина елементів, що дають інформацію прозовнішнє середовище, що діє на проектовану систему; В — множина елементів, що даютьінформацію про проектовану систему; С — множина елементів, що дають інформацію прозв'язки між компонентами проектованої системи і її зв'язків із зовнішнім середовищем;D — множина елементів, що дають інформацію про якості системи, обумовлених факторамизовнішнього середовища, складом системи і її зв'язків.
Процес створення інформаційної моделі (1.1) складаєтьсяз ряду послідовно виконуваних етапів, що утворюють фазу аналізу й фазу синтезу.Фаза аналізу містить у собі операції постановки мети, розбивки на підзадачі, формулюваннялокальних цілей і встановлення способів їхнього досягнення, обґрунтування критеріївефективності як засобів досягнення локальних цілей, розробка концепції системи наоснові дослідження альтернатив. Фаза синтезу включає етапи ескізного, технічногой робочого проектування.
Процес проектування реалізується відповідно доописаного плану й фактично являє собою процес рішення деякого завдання в ході розумовоїдіяльності людини і чим точніше вдається відобразити мислення людини, тим ефективнішепроектний алгоритм. Будемо виходити з того, що:
абстрактний механізм мислення функціонально подібнийдо деяких процедур, описуваних багаторівневими структурами й процесами, які розгалужуються;
абстрактний механізм мислення функціонально подібнийдо переходу у процесі, що розгалужується, від початку до кінця й усунення в цьомупроцесі вузлів, по тим або іншим причинам, що є безперспективними в плані досягненняпоставленої мети.
Уведемо поняття стану проектованої системи, підяким будемо розуміти такий стан інформаційної моделі системи /> в кожний момент проектування/>, де /> - множина етапівпроектування від початкового /> до кінцевого />, котре характеризуєтьсязначеннями елементів множин А, В, С, D. Стан системи /> представимо вершиною графа. Дугамиграфа будемо представляти переходи від вершини /> до вершини />, розуміючи під переходомоператор перетворення стану проектованої системи.
Таким чином, оператор перетворення являє собоюдеяку процедуру, у результаті якої приймається проектне рішення й змінюються значенняелементів множин А, В, С, D. По своїй суті оператор перетворенняявляє собою проектну методику. Запропонований граф, описуваний моделлю S,показує, як у процесі проектування здійснюються переходи від вихідного стану /> через проміжністани /> до кінцевогостану />, щоє завершеним проектом системи.
На кожному проміжному стані /> є декілька альтернатив переходув наступний стан. Ці альтернативи й утворять розгалужений граф.
Особливістю утвореного в такий спосіб розгалуженогографа є те, що, як правило, кінцевий стан системи найчастіше представляється неявнимимножинами, обумовленими властивостями системи, що задовольняють поставленим цілям.Тим самим у представленому розгалуженому графі умови досягнення мети повинні бутиописані у вигляді вимог технічного завдання, а оператори, що розкривають неявнозаданий граф в просторі станів, являють собою варіанти альтернативних рішень.
1.2 Вибір алгоритму пошуку
Алгоритми пошуку на неявно заданому графі утвореніалгоритмами повного перебору й алгоритмами, що використають інформацію про розв'язуванезавдання.
До першої групи алгоритмів прийнято відносити алгоритми,у яких використається пошук у глибину, пошук завширшки, пошук завширшки з ітерацієюпо глибині. Для алгоритмів другої групи прийнято вводити оцінну функцію, що є мірою,яка показує успішність руху по графі в обраному напрямку з погляду руху мети.
До алгоритмів другої групи, які доцільно використатидля рішення проектних завдань, варто віднести алгоритми найшвидшого спуску, алгоритмгалузей і границь і алгоритм, що використає в оцінній функції не тільки трудомісткістьуже пройденого шляху, але й міру відстані до цільових вершин.
Розглянемо з позицій викладений процес проектуванняпристрою автоматичної точної синхронізації. Для визначення значення елементів множинА, В, С, D вершини графа розглянемо, як змінюється модель у процесі проектування,тобто в просторі станів, яким відповідають рубежі розв'язуваних завдань (підзавдань).Будемо виходити з того, що точне моделювання процедур рішення підзавдань проектуванняу вузлах графа неможливо, у зв'язку із чим варто розділити завдання, розв'язуванілюдиною, і завдання, розв'язувані комп'ютером. До компетенції людини в розглянутомувипадку ставиться формулювання мети, завдань і підзавдань. Комп'ютер повинен проводитивибір з відомого набору альтернатив, здійснення обраної дії, оцінку ситуації й вибірнаступного кроку. При виборі альтернатив вирішальним правилом є можливість досягненнямети, порівнюючи при цьому ступінь зменшення деяких небажаних ефектів і виходячиз необхідності рішення вартого завдання або під — завдання. У процесі рішення вартовраховувати накопичений досвід і прагнути до пошуку ключової дії, виходячи з аналізуситуації й крім нездійсненного варіанта.
При оцінці ситуації, з огляду на те, що завданняй підзавдання визначені, необхідно оцінити кількість зусиль, затрачуваних на рішеннязавдання (підзавдання), використовуючи для цього чисельні оцінки за математичнимикритеріями або їх верхні й нижні границі (наприклад, вартісні оцінки або інші оцінкиочікуваного виграшу).
При виборі наступного кроку необхідно виходитиз останньої породженої ситуації й рішення шукати шляхом компромісу між глибиноюпошуку й складністю оцінки ситуації. Стосовно до проектування синхронізатора цілямиможуть служити точність роботи пристрою, обумовлений кутовою помилкою, помилкоювизначення частоти ковзання й помилкою визначення моменту формування команди навключення вимикача генератора, а також технічна складність реалізації пристрою ійого вартість.1.3 Визначення способів вирішення завданьдля досягнення мети побудови пристрою синхронізації
Виходячи з введеного поняття мети, першочерговимипід задачами є: вибір способу синхронізації, вибір способу виміру початкових параметрівсинхронізації й способу формування команди на включення вимикача генератора. Наступнимипідзадачами при цьому будуть: формування імпульсних послідовностей, жорстко прив'язанихдо вхідних синусоїдальних напруг, зсув імпульсних послідовностей на необхідні кути,пропорційні швидкості ковзання часу включення, визначення знака швидкості ковзання,фіксація моменту збігу зрушених по фазі імпульсних послідовностей, подача командина включення вимикача генератора.
Перераховані підзадачі, у свою чергу, залежно відїхньої складності розбиваються на відповідні складові. Так, зокрема, під задачазрушення імпульсних послідовностей на необхідні кути розбивається на допоміжні підзадачіодержання необхідних кутів зрушення фаз, виміру цих кутів і їхнього наступного переносудля забезпечення затримки імпульсних послідовностей.
1.4 Вибір способу синхронізації, способувиміру параметрів синхронізації та спосіб подачі команди на включення вимикача генератора
З огляду на накопичений досвід і виходячи із сформульованоїмети, що складається в забезпеченні вимог точності роботи синхронізатора, при проектуваннівибирається спосіб точної синхронізації, параметри синхронізації визначаються прямимспособом виміру, а команда на включення формується з постійним часом випередження.
При цьому ключовою процедурою є вибір моменту подачікоманди на включення вимикача генератора. При виборі тих або інших рішень підзадачпроектування й пошуку ключової процедури будемо виходити з наступних міркувань.У запропонованому розгалуженому графі вершина /> являє собою завершення процедури якої-небудьпроектної підзадачі " n", що входить до складу безлічі всіх процедур проектування П. Весь процес проектування описується наступнимиспіввідношеннями:
/> (1.4)
Уведемо в розгляд функцію fn,за допомогою якої відобразимо зв'язок множин вершин графа ti,tk з процедурами n:
/> (1.5)
Введеної функції (1.4.2) властиві наступні обмеження:
/> при фіксованих n, i,k; (1.6)
/> для будь-якого n. (1.7)
Обмеження (1.4.3) полягає в тому, що на ту самувершину не може надходити сигнал від різних процедур «n».
Обмеження (1.4.4) полягає в тому, що на вхід вершиниtn і з її виходу повинен надходити хоча б один сигнал. Уведемофункцію приналежності />, що розуміє як суб'єктивну міру виконанняпроцедури n (ti, tk). Оскільки безлічП звичайно, остільки функція приналежності μ цієї безлічі являє собоюматрицю:
/> (1.8)
де індекси рядків відповідають індексам вхіднихвершин графа ti, а індекси стовпців — вихідним вершинам графаtk.
Викладений матеріал дозволяє сформулювати методикупроектування синхронізатора, відповідно до якої процес проектування полягає в перетвореннівихідної інформації, що отримується у вхідних синусоїдальних напругах:
/>
заданих обмеженнях по початкових параметрах синхронізаціїδдоп, ωsдоп, ΔUдопі часу включення вимикача генератора tвкл, у кінцеву інформацію,на підставі якої приймається рішення про формування команди пристроєм синхронізації.
пристрій синхронізація автоматична генератор
Першим етапом пропонованої методики є етап введеннявихідних даних і визначення критерію (мети), до якого треба прагнути. Далі послідовноприймаються рішення про спосіб синхронізації, способі виміру кута між синхронізуємиминапругами, способі виміру кутової частоти ковзання й способі формування командина включення вимикача генератора. Після рішення цих завдань складається структурнасхема синхронізатора й формуються часні підзадачі, пов'язані з одержанням імпульснихпослідовностей зі зсувом по фазі синхронізуємих напруг, затримкою імпульсних послідовностей,їхнім переносом, фіксацією моменту збігу фаз, контролем частоти ковзання й вибороммоменту подачі команди на включення вимикача генератора. При рішенні цих підзадачаналізуються альтернативні варіанти.
Набір альтернатив являє собою набір матриць (1.8).Просування по представленому графі здійснюється залежно від поставлених умов.
Розглянемо більш докладно рішення приватних завданьпроектування.
2. Вибір способу формування командина включення генератора способом точної синхронізації
Відповідно до умов точної синхронізації командана включення вимикача генератора повинна бути подана з попередженням таким чином,щоб до моменту замикання контактів вимикача кут між синхронізуємими напругами дорівнювавби нулю. У загальному випадку кут випередження δвип, тобто кут,при досягненні якого подається команда на включення вимикача генератора, визначаєтьсяз наступного співвідношення:
/>, (2.1)
де tвкл — час включення, рівний часуспрацьовування синхронізатора й часу замикання контактів вимикача генератора;
ωs, ξs — швидкістьі прискорення ковзання.
2.1 Вибір способу подачі команди
На практиці прискоренням ковзання при створенніпристроїв синхронізації найчастіше зневажають і команду на включення вимикача генератораподають або з постійним кутом випередження δвип=const, або з постійнимчасом випередження tвип=const. У першому випадку кут випередження δвипвибирається постійним і рівним:
/>, (2.2)
де /> - розрахункова швидкість ковзання,обрана рівно половині припустимої швидкості ковзання ωsдоп. У другомувипадку кут випередження δвип залежить від швидкості ковзання, айого величина визначається зі співвідношення:
/>, (2.3)
де час включення tвкл постійний й дорівнюєчасу випередження tвип.
Основним показником, по якому ми будемо порівнюватисинхронізатори, є величина кутової помилки. Саме кутова помилка є основною причиноювиникнення збурювань у процесі синхронізації й саме через неї з'являються провалинапруги й кидки струму, неприпустимі як для генераторів, що властиво включають,так і для електроприймачів системи електропостачання. Як критерій при виборі пристроюсинхронізації варто прийняти мінімальну величину кутової помилки δпом.Виходячи з обраного критерію, перевагу варто віддати синхронізаторам з постійнимчасом випередження, у яких можна домогтися того, щоб звести кутову помилку δпомдо нуля, тоді як у більш простих, у схемному рішенні синхронізаторів з постійнимкутом випередження величина кутової помилки визначається різницею між дійсною йрозрахунковою швидкостями ковзання й дорівнює:
/>. (2.4)
Використання синхронізаторів з постійним кутомвипередження може бути виправдано тільки у випадку застосування швидкодіючих вимикачів.
Складність схемної реалізації пристроїв синхронізаціїз постійним часом випередження пов'язана з необхідністю формування команди зі зміннимкутом випередження, величина якого залежить від фактичної швидкості ковзання.
2.2 Вибір способу виміру частоти ковзання
Точність обробки постійного часу випередження визначаєтьсяточністю виміру кута δ між синхронізуємими напругами й точністю виміру частотиковзання ωs.
У застосовуванні у цей час в пристроях синхронізаціїдля виміру величини δ і ωs часто використовується так званийнепрямий метод виміру, заснований на використанні огинаючої напруги биття Us(t). Миттєве значення напруги биття us (t) дорівнює різниці миттєвихзначень синхронізуємих напруг u1 (t) і u2 (t):
/>. (2.5)
У випадку, коли U1=U2=U,представимо (2.5) у вигляді:
/>. (2.6)
Величина огинаючої напруги биття Us(t) визначається з (2.6) і дорівнює:
/>. (2.7)
Використовуючи (2.7), можливо визначити як частотуковзання ωs, так і поточний кут зрушення фаз δ. Дійсно, інформаціюпро величину ωs несе в собі час Ts між моментами проходженнячерез нуль огинаючих биттів. Визначивши період биттів Ts і обчислившивеличину />,одержують частоту ковзання fs і далі швидкість ковзання ωs.Величина кута зрушення фаз визначається зі співвідношення:
/>, (2.8)
з якого видно, що по величині напруги биттів можнапобічно судити про величину кута зрушення фаз.
Однак непрямому методу виміру параметрів синхронізаціїωs і δ властиві помилки, що особливо сильно проявляються тоді,коли U1≠U2, тобто тоді, коли огинання биттів через нульне проходить, у зв'язку із чим важко визначити як період биттів Ts, такі встановити однозначний зв'язок між величинами δ і Us.
Запропоновано для визначення параметрів синхронізаціївикористати прямий метод виміру, заснований на вимірі часу між моментами проходженнячерез нуль синхронізуємих напруг. Викладені основні способи формування команди навключення вимикача генератора, засновані на використанні прямого методу виміру.
3. Способи одержання постійного часувипередження3.1 Кінцево-різнісний спосіб
По цьому способі команду подають у момент часу,коли поточне значення кута зсуву фаз стає рівним розрахунковому значенню, тобтотоді, коли виконується наступна рівність:
/>. (3.1)
Перейдемо від диференціального рівняння (3.1) докінцево-різнісного рівняння:
/>, (3.2)
де /> й /> - два послідовні значення кута,виміряні через час, рівний періоду меншої частоти />.
Увівши позначення /> запишемо (3.2) у вигляді:
/>. (3.3)
З (3.3) видно, що якщо сформувати команду в моментчасу, коли поточне значення кута /> стане рівним розрахунковому, певномуз рівності:
/> (3.4)
то тим самим буде отриманий постійний час випередження.
3.2 Часовий спосіб одержання постійногочасу випередження
По цьому способі порівнюють між собою тривалості/> й /> двох послідовнихвідрізків часу між імпульсами, сформованими на початку періоду синусоїдальних напругмережі й генератора.
У системі відліку імпульсів великої частоти /> величини кутів/> і />, що відповідаютьвідрізкам часу /> й />, рівні:
/> />. (3.5)
Кутова частота ковзання />дорівнює:
/> (3.6)
Час випередження визначається в такий спосіб:
/> (3.7)
Для формування команди часом випередження />, рівним часу включення/>, необхідно,щоб величина /> визначалася зі співвідношення:
/>. (3.8)
Відповідно до умови для одержання постійного часувипередження необхідно послідовно визначати тривалість відрізків /> і /> й порівнювати їх один зодним. У реверсивному лічильнику необхідно записати число />, пропорційне />, і зчитувати число/> протягом відрізкачасу /> із частотоюпроходження імпульсів у /> раз більшої, ніж частота запису.
Якщо після закінчення часу /> зчитування числа /> не закінчено, топовинна подаватися команда на включення вимикача генератора.
3.3 Імпульсний спосіб одержання постійногочасу випередження
Постійний час випередження можна одержати, формуючив момент переходу через нуль синусоїдальних напруг керуючі, основні й допоміжніімпульси (рис.3.8)./> />
Рис.3.3.1 Імпульсний спосіб одержання постійного часу випередження.
Керуючі імпульси 1, 1́ прив'язані по фазі до нуля синусоїди, основні імпульси 2, 2́ своїм переднім фронтом прив'язані допереднього фронту керуючих імпульсів, а допоміжні імпульси 3, 3́ своїм переднім фронтом прив'язані дозаднього фронту основних імпульсів 2, 2́.Основні й допоміжні імпульси мають однакову тривалість />Пакет імпульсів більшої частотисвоїм керуючим імпульсом 1́ насуваєтьсяна пакет імпульсів меншої частоти з боку заднього фронту допоміжного імпульсу 3.Збігу імпульсів 1́ і 3 використовуютьсядля оцінки різниці частот, а збігу імпульсів 1́ і 2 — для одержання постійного часу випередження. Оцінка ковзання, як і в синхронізатораз постійним кутом випередження, виробляється по числу збігів N імпульсів 1́ і 3. Для N справедлива рівність:
/> (3.9)
У процесі синхронізації значення />й /> змінюються не більшеніж на 5% у порівнянні з номінальним значенням, у зв'язку із чим добуток /> можна вважати величиноюпостійної й рівної К. У зв'язку із цим число збігів /> є функція тільки частотиковзання:
/> (3.10)
Умова на виконання синхронізації /> з врахуванням(3.11) формується так:
/> (3.12)
Постійний час випередження відпрацьовується в моментчергового збігу імпульсів 1́ і 2за умови, що число попередніх збігів дорівнює:
/> (3.13)
Умова (3.4) означає, що від моменту подачі командидо моменту збігу імпульсів 1́ і1 залишилося постійне число збігів /> Час випередження буде дорівнюватидобутку цього залишку на тривалість періоду меншої частоти:
/> (3.14)
У синхронізаторі при збігу імпульсів 1́ і 3 визначають число збігів />, а потім визначаютьзалишок збігів /> імпульсів 1́ і 3 і записують цей залишок у лічильник. Зчитування числа,записаного в лічильник, починається з моменту збігів імпульсів 1́ і 2.
Постійний час випередження спрацьовує в моментзавершення зчитування залишку /> в лічильнику.
3.4 Дискретний спосіб одержання постійногочасу випередження
По цьому способі зрівнюються поточні значення різниціфаз, представлені в дискретній формі й обмірювані протягом кожного періоду синхронізуємихнапруг, зі збільшенням цієї різниці.
Для визначення величини кута формуються імпульси,що запускають у момент переходу через нуль напруги меншої частоти й що скидаютьу момент переходу через нуль напруги більшої частоти.
Тривалості імпульсів /> відповідно до рис.3.4.1 рівні:
/> /> /> (3.15)
Між моментами /> й /> існуєочевидний зв'язок
/> /> (3.16)
Відрізки /> й /> еквівалентні величинам поточнихкутів зрушення фаз, а різниця між /> і /> пропорційна частоті ковзання />:/> />
/>. (3.17)
Рис.3.4.1 Дискретний спосіб формування постійногочасу випередження
Постійний час випередження спрацьовує, коли рівнічисла у двох лічильниках, один із яких заповнюється із частотою />, а інший — через половину періодуменшої частоти із частотою />.
Порівнюючи число /> із числом /> одержуємо в момент їхньоїрівності:
/>. (3.18)
Зіставляючи (3.4.3) і (3.4.4) знайдемо:
/> (3.19)
де /> - практично постійний коефіцієнт,величина якого може бути обрана рівній часу випередження.
Загальним для кінцево-різницевого, часового, імпульсногой дискретного способів одержання постійного часу випередження є необхідність виміруй порівняння один з одним наступних один за одним інтервалів часу (тривалості відрізків)через що можливий пропуск команди на включення вимикача. Це пов'язане з тим, щоможливе таке чергування інтервалів часу, коли команду потрібно подавати не при порівнянніпершого із другим, третього із четвертим, п'ятого із шостим і т.д., а при порівняннідругого із третім, четвертого з п'ятим, шостого із сьомим і т.д. Пропуск командина включення вимикача генератора приводить до затягування процесу синхронізації,що особливо неприємно при малих кутових частотах ковзання.
3.5 Спосіб затримки і зсуву по фазі синхронізуємихнапруг
Відзначених недоліків можна уникнути, якщо використатидля формування команди на включення вимикача генератора спосіб, заснований на затримцій зсуву по фазі синхронізуємих напруг.
За цим способом необхідно затримати імпульси зменшою частотою проходження на два значення часу, одне із яких більше іншого у дварази. У момент збігу затриманих імпульсів з імпульсами більшої частоти необхідносформувати нові імпульсні послідовності, перша з яких затримується на час спрацьовуваннявимикача генератора, а друга — на час, обумовлений обмірюваним часом між затриманими першими й другими,сформованими імпульсами меншої частоти. Затримкою імпульсів на два значення часудосягається їхнє зрушення по фазі убік відставання на кути /> й />, рівні
/>, />. (3.20)
Затримка імпульсу, одержуваного в момент збігуімпульсних послідовностей напруги більшої частоти й напруги меншої частоти, зрушеногопо фазі на кут />, еквівалентна зрушенню по фазі накут />, рівний/>.
У синхронізаторі виробляється вимір відрізка часуміж моментом формування імпульсу, затриманого на час />, і моментом збігу імпульсів більшоїчастоти /> зізрушеними на кут /> імпульсами меншої частоти. Цьому відрізкучасу еквівалентний кут />, рівний:
/>. (3.21)
Команда на включення подається після моменту збігуімпульсів більшої частоти й зрушених на кут /> імпульсів меншої частоти через відрізокчасу, необхідний для відпрацьовування кута />. Величина кута зрушення фаз /> до моменту подачікоманди дорівнює:
/>. (3.22)
З умови роботи синхронізатора ясно, що />, тобто
/> и. /> (3.23)
Вираз (3.23) визначає правило вибору тимчасовоїзатримки знизу. У зв'язку з тим, що величина кута /> повинна бути менше 180°, величина /> повинна бути менше/>, тобто />.
Ця нерівність визначає правило вибору тимчасовоїзатримки зверху. Границя зверху обмежує можливий діапазон кутів включення, а значитьі можливих значень /> і /> величинами, обумовленими з наступноїнерівності:
/>. (3.24)
Основний недолік цього способу полягає в складностійого схемної реалізації.
Більш простим у реалізації є спосіб, по якому командуна включення вимикача генератора варто подати в момент збігу напруги більшої частотизі зрушеним по фазі убік відставання напругою меншої частоти.
Підвищити точність відпрацьовування постійногочасу випередження можливо, зсовуючи кожну із синхронізуємих напруг убік відставанняна кут, пропорційний ковзанню даної напруги стосовно фіксованої частоти, загальноїдля обох напруг і свідомо більшої частоти кожного з них.
Кут зрушення фази напруги меншої частоти /> (рис.3.5.1) дорівнює/>, а кут зрушенняфази напруги більшої частоти /> дорівнює />, де /> - задана фіксована кутовачастота ковзання; K — коефіцієнт пропорційності.
Команда на включення вимикача генератора подаєтьсяв момент збігу по фазі напруг /> і />, коли кут між напругами /> й /> буде дорівнює:
/>
/>. (3.25)
Час відпрацьовування цього кута постійний й дорівнюєчасу випередження:
/> (3.26)
Результати проведеного аналізу дають підстави зробитивисновок про те, що найбільш кращим варто вважати спосіб формування команди на включеннявимикача генератора, заснований на зсуву по фазі убік відставання обох синхронізуємихнапруг.
4. Вибір структурної схемисинхронізатора
Практична реалізація розглянутого способу одержанняпостійного часу випередження можлива у випадку використання в якості фазозсовуючихпристроїв динамічних ланок першого порядку загального типу, диференціальні рівнянняяких мають такий вигляд:
/>, (4.1)
де /> - постійні часу;
/> - коефіцієнт підсилення;
/> - оператор диференціювання;
/> - вихідна й вхідна координати.
Фазова характеристика /> такої ланки описується наступним рівнянням:
/>, (4.2)
Фазова характеристика, апроксимована відрізкамипрямих ліній при зміні кутових частот, що лежать у діапазоні />, представлена на рис.4.1
/>
Рис.4.1 Фазова характеристика.
З рис.4.1 легко бачити, що ланка першого порядкузагального типу при відповідному підборі постійних часу /> й /> дозволяє забезпечити зрушенняубік відставання синхронізуємих напруг у випадку, якщо />.
Головні труднощі при реалізації розглянутого способуодержання постійного часу випередження полягає в забезпеченні одержання лінійностізалежності у всьому діапазоні припустимих при синхронізації кутових частот />і /> або, що те ж, лінійностізалежності фазової характеристики.
З існуючих фазозсовуючих пристроїв більшою міроюзадовольняють цій вимозі пристрої, що забезпечують фазове автопідстроювання частоти.При цьому потрібно, однак, мати на увазі, що властиво імпульсна фазова система автопідстроюваннячастоти реалізує залежність виду:
/> (4.3)
де всі позначення відповідають наведеній раніше,але фіксованій частоті /> />
Векторна діаграма для синхронізуємихнапруг /> і /> й напруг /> і />, зрушених по фазіпредставлена на рис.4.2./> />
Із зіставлення рис.4.1 і рис.4.2 легко встановити, що система фазовогоавтопідстроювання частоти зрушує убік відставання на більший кут напругу більшоїчастоти, у той час як на більший кут повинна зрушуватися напруга меншої частоти.Разом з тим, з рис.1.5 видно, що необхідний ефект досягається, якщо замість кутів/> і /> використати їхнідоповнення до 3600, тобто кути /> й />.4.1 Розробка структурної схеми
Структурна схема синхронізатора, що реалізує запропонованийспосіб одержання постійного часу випередження з використанням пристроїв імпульсногофазового автопідстроювання частоти, представлена на рис.4.1.1
/> />
ДФІ — дільник-формувач імпульсів;
КГІ — керований генератор імпульсів;
ІФД — імпульсний фазовий детектор;
КО — комутатор операцій;
ПП — пристрій переносу;
ВІФД — вихідний імпульсний фазовий детектор;
ПКПК (ПКНК) — пристрій контролю позитивного (негативно)ковзання;
АБО — логічна схема “АБО”;
КТ — ключ тиристорний;
НГІ — настроєчний генератор імпульсів.
Відповідно до запропонованого способу побудовипостійного часу випередження синхронізатор має два канали, кожний з яких міститьу собі пристрій імпульсного фазового автопідстроювання частоти і комутатор операційіз пристроєм переносу для переходу від кутів β1 і β2до кутів α1 і α2. Пристрій імпульсного фазовогоавтопідстроювання частоти кожного каналу складається з дільника-формувача імпульсів,керованого генератора імпульсів і імпульсного фазового детектора.
Функції фіксації постійного часу випередження вмомент збігу фаз зрушених напруг контролю величини ковзання й видачу команди в ланцюгкерування вимикачем виконує вихідний вузол синхронізатора, що включає в себе допоміжнийімпульсний фазовий детектор, пристрій контролю позитивного ковзання, пристрій контролюнегативного ковзання, логічну схему “або” і тиристорний ключ.
У дільниках формувачах імпульсів (ДФІ) синхронізуємісинусоїдальні напруги U1 і U2 з періодами T1 іT2 перетворяться в послідовності гострих імпульсів. Ці імпульси утворятьсяв момент проходження миттєвого значення напруги через нуль один раз за два періоди,тобто кожний імпульс є як би “міткою" початку періоду, відповідно рівного 2T1і 2T2. Наприклад, якщо на вхід ДФІ надходить синусоїдальна напруга ізчастотою 50 Гц, то на виході ДФІ формуються імпульси із частотою 25 Гц. Розподілчастоти в ДФІ виробляється з метою розширення діапазону кутів випередження синхронізаторааж до 7200.
Робота наступних вузлів синхронізатора відбуваєтьсяпід впливом вихідних імпульсів ДФІ, тому будемо вести мову тільки про імпульсніпослідовності синхронізуємих напруг /> і/>.
Керований генератор імпульсів (КГІ) являє собоюавтогенератор імпульсів позитивної полярності. Частота КГІ підбудовується під частотуДФІ сигналами негативного зворотного зв'язку з виходу імпульсного фазового детектора.Імпульсний фазовий детектор (ІФД) — це тригер, на виході якого утворюються негативніпрямокутні імпульси, тривалість яких визначається фазовими співвідношеннями імпульсівз виходу ДФІ й КГІ.
Роботу ІФАПЧ досить розглянути на прикладі одногоканалу; його тимчасові діаграми зображені на рис.4.2.
Імпульсні послідовності від ДФІ й КГІ (рис.4.2б, в) надходять на вхід ІФД, тривалість вихідних імпульсів якого визначається різницеюфаз між імпульсами ДФІ й КГІ (рис.4.2 г, д). Вихідна імпульсна напруга ІФД черезнегативний зворотний зв'язок впливає на вхід КГІ, змінюючи його частоту так, щобвона стала рівній частоті ДФІ.
В принципі, пристрій ІФАПЧ може працювати в різнихрежимах. Наприклад, якщо частоти ДФІ й КГІ рівні, і ефект повільних змін параметрівкерованого генератора, що визначають його частоту, у середньому повністю компенсуєтьсядією ІФАПЧ, пристрій працює в так званому режимі утримання. З поняттям режиму утриманнянерозривно зв'язане поняття смуги утримання, тобто області початкових розстроювань,у якій можливий цей режим. Ширина смуги утримання визначається різницею граничнихзначень частоти КГІ, що відповідають найбільшим і найменшим середнім напругам навиході ІФД.
Можливий і інший режим роботи пристрою, при якомув середньому різниця частот імпульсів ДФІ й КГІ дорівнює нулю, а різниця їхніх фазперіодично змінюється. Цей режим, використовуваний вкрай рідко, називається квазисинхронізмом.Звичайний пристрій проектують так, щоб він не виникав. Третій режим роботи пристроюІФАПЧ — режим биттів. Його характерною рисою є безперервне наростання в середньомурізниці фаз КГІ й ДФІ. Режим биттів завжди спостерігається в тих випадках, колипочаткове розстроювання КГІ відносно ДФІ більше смуги утримання. Іноді він можемати місце й при початковому розстроюванні, меншої смуги утримання. У режимі биттівсереднє значення частоти КГІ відрізняється від частоти ДФІ.
У синхронізаторі використовується режим утримання.Перехідний стан системи, при якому режим биттів переходить із часом у режим утриманняабо квазисинхронізма, називається режимом захвату. Під смугою захвату розуміютьобласть початкових розстроювань, у якій при будь-яких початкових умовах установлюєтьсярежим утримання або квазисинхронізма. Факт існування смуги захвату для ІФАПЧ кожногоз каналів синхронізатора є визначальним при виборі припустимого діапазону зміничастот синхронізуємих напруг.
/>
У синхронізаторі застосований КГІ, частота якоголінійно залежить від величини середньої напруги на виході і ІФД, середнє значеннянапруги на виході якого лінійно залежить від кута зрушення фаз між вхідними сигналами.У силу цього, ІФАПЧ синхронізатора в режимі втримання забезпечує формування на виходіІФД (рис.4.2 г) прямокутних імпульсів, відносна тривалість яких τ21стосовно періоду 2T1 пропорційна частоті /> синхронізуємої напруги />. Як видно з рис.4.2б, в, м, ця тривалість одночасно є тимчасовим інтервалом, на який зрушується убіквідставання імпульсна послідовність КГІ стосовно імпульсної послідовності ДФІ. Легкобачити, що тимчасовій затримці />відповідає затримка по фазі на величину
/>, (4.4)
де ДО1 — коефіцієнт пропорційності,що залежить від коефіцієнтів підсилення елементів ІФАПЧ: КГІ, ІФД, негативного зворотногозв'язку.
Доповненням до періоду є часовий інтервал /> (рис.4.2 в), якомувідповідає фазовий кут
/> (4.5)
На цей кут і необхідно зрушувати імпульсну послідовністьДФІ убік відставання, причому для здійснення зрушення досить перенести інтервал/> на іншу сторонуімпульсів ДФІ (рис.4.2 д, ж, з, к).
Задачу виміру кута />, а також зрушення на цей кут відповідноїімпульсної послідовності убік відставання вирішують комутатор операцій і пристрійпереносу.
Комутатор операцій (КО) виділяє один період длявиміру кута зсуву/>, а другий — для переносу імпульсіввідповідної послідовності на цей кут убік відставання (рис.4.3 ж, з).
/>
Таким чином, на виходах пристроїв переносу в обохканалах виходять імпульсні послідовності синхронізуємих напруг /> і />, зсунуті по фазі убік відставанняна кути α1 і α2 — рис.4.3 к. Ці імпульсні послідовностіподаються на вихідний імпульсної фазовий детектор (ВІФД), що представляє собою тригер.Тривалість імпульсів на виході ВІФД залежить від фазових співвідношень вхідних імпульснихпослідовностей. Тимчасова діаграма роботи ВІФД показана на рис.4.3.
При рівності частот />і />тривалість імпульсу /> на одному виході тригера(паузи — на іншому), буде пропорційна різниці фаз зрушених імпульсних послідовностейнапруг/>/>і />. При нерівностічастот різниця фаз /> буде безупинно мінятися від 0 до /> за один періодковзання Тск, а /> на одному виході ВІФД буде наростативід 0 до Т и при />=0 стрибком падати до 0 (рис.4.3 в).На іншому виході ВІФД, навпаки, /> буде зменшуватися від />до нуля, а при />=0 стрибком зростатидо Т (рис.4. г). При зміні знака ковзання виходи ВІФД як би міняються місцями. Крімчіткого позначення моменту рівності фаз на вихід ВІФД контролюється знак і величинаковзання.
Контроль ковзання здійснюється за допомогою ПКПКі ПКЗК. Один вихід ВІФД підключений до ПКПК, а другий — до ПКЗК. Ці блоки здатнірозрізняти знак ковзання, а при припустимому ковзанні — зафіксувати постійний часвипередження в момент збігу фаз зрушених по фазі імпульсних послідовностей синхронізуємихнапруг. Залежно від знака ковзання, у момент збігу фаз в ПКПК або ПКЗК формуютьсяімпульси, що управляють через схему АБО тиристорний ключ (КТ), що, у свою чергу,управляє включенням вимикача.
Настроєчний генератор імпульсів (НГІ) використаєтьсятільки при настроюванні синхронізатора. У формуванні вихідної команди при синхронізаціїНГІ не бере участь.
4.2 Вибір блоків принципової схеми
У процесі проведення досліджень була перевіренаможливість реалізації запропонованих рішень. Для цього був зібраний пристрій синхронізації(макетний зразок).
Розроблювальний синхронізатор призначається длязабезпечення включення на паралельну роботу будь-яких типів синхронних генераторівяк один з одним, так і з мережею. Обмеження на попередній режим роботи генераторівне накладаються.
Синхронізатор може бути використаний у випадкузастосування інерційних вимикачів із часом випередження, більшим 0,2с. У відомихсинхронізаторів максимальний кут випередження завжди менше 360. Для такого кутавипередження при постійному часі випередження, рівному 0,5с, максимальна частотаковзання, обумовлена з вираження (4.2.1) не перевищує 2Гц.
/>, (4.6)
Ця умова не дозволяє застосовувати у випадку використаннявідомих технічних рішеннях технологію прискореного пуску й змушує обладнати регуляторишвидкості пристроями припасування частоти. Розроблювальний синхронізатор розраховувавсяз умови, по якому величина кута випередження може досягати 720º, тобто з умови,що максимальна частота ковзання fsmax=4Гц. Синхронізатор призначенийдля роботи в системах електропостачання із частотою 50 Гц.
При цьому можливий діапазон зміни частот синхронізуємихнапруг дорівнює 48 — 52 Гц. Вхідні трансформатори синхронізатора обрані на напругурівній 230 В. Припустимий діапазон зміни напруги перебуває в межах (0,8 — 1,2) Uном.У випадку включення на паралельну роботу високовольтних генераторів їхнє приєднаннядо синхронізатора повинне вироблятися через трансформатори напруги.
Закінчення
1. Процес проектування синхронізатора можна представитияк процес нагромадження знань про проектовану систему.
2. Інформаційна модель процесу проектування може бути відображенау вигляді розгалуженого графа, вершини якого являють собою знання про створюванусистему на даному етапі проекту. Дуги графа інтерпретуються як способи обробки знань.
3. Процес проектування синхронізатора може бути представленийу вигляді ряду фрагментів, частина з яких повинна бути доручена людині, а інша частинакомп'ютеру.
4. Людина в процесі проектування формулює мету й завданняпроектування. Вона також повинна запропонувати критерії, по яких варто прийматирішення. Комп'ютер повинен проводити оцінку складних ситуацій, використовуючи дляцього запропоновані вирішальні правила.
5. При розробці пристроїв автоматичної точної синхронізаціїварто виходити з того, що при вимірі кутової частоти ковзання й кута між синхронізуємиминапругами непрямий метод виміру, заснований на використанні напруги биттів, даєбільшу погрішність у порівнянні із прямим методом виміру. Непрямий метод виміруможе бути застосований тільки у випадку використання вимикачів генератора з підвищеноюшвидкодією (tвкл≤0,05с) і тільки в системі електропостачання, електроприймачіяких не критичні до якості споживаної електроенергії.
6. Незважаючи на відносну складність, перевагу варто віддатисинхронізаторам, у яких команда на включення вимикача генератора подається з постійнимчасом випередження.
7. Серед відомих способів одержання постійного часу випередженняперевагу, виходячи з вимог точності й швидкодії, варто віддати способу, заснованомуна зрушенні по фазі кожної із синхронізуємих напруг убік відставання на кут, пропорційнийковзанню цієї напруги стосовно частоти, загальної для обох генераторів і свідомобільшої кожної із цих частот.
8. Для зрушення по фазі синхронізуємих напруг доцільновикористати системи імпульсного фазового автопідстроювання частоти, що працюютьу режимі втримання.
9. У зв'язку з тим, що по пропонованому способі одержанняпостійного часу випередження ωi>ω0, для зрушенняпо фазі синхронізуємих напруг U1 і U2 варто використати некути α1 і α2, отримані в системах фазового автопідстроюваннячастоти, а їхнє доповнення до 360˚.
Література
1. В.Б. Толубко, Б.Т. Кононов, Б.Ф. Самойленко, М.І. Григоров,Електропостачання і електрообладнання військових об'єктів. Частина 2. МО України,1998.
2. Системы управления электроснабжением и электроприводом,МО СССР, 1991.
3. Залесский А.М. Передача электрической энергии. — М. — Л.: Госэнергоиздат,1948. — 355 с.
4. Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 648 с.
5. Справочник по проектированию электроэнергетических систем/ В.В. Ершевич,А.Н. Зейлигер, ПА. Илларионов и др. — М.: Энергоатомиздат. — 1985. — 352 с.