Расширение функциональных возможностей тиристорного устройства гашения поля для интенсификации управления процессом

Возникновение повреждения в цепях или внутри обмоток статора синхронного генератора требует немедленного прекращения протекания тока через место короткого замыкания с целью снижения ущерба от аварии. Поскольку в таких случая отсутствует коммутационная аппаратура, то единственным способом предотвращения развития аварии является быстрое прекращение выработки энергии самим генератором [1]. Это достигается быстрым снижением величины э.д.с. синхронной машины за счет ослабления магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения. Такой режим называется гашением поля генератора. Гашение поля должно осуществляться во всех режимах генератора [2].

Обмотка возбуждения обладает значительными индуктивностью и постоянной времени (3–20 с) [3, 4]. Процесс гашения поля сводится к обеспечению максимально быстрого вывода накопленной энергии из обмотки возбуждения. Для этих целей обмотка возбуждения отключается от возбудителя и подключается к электрической цепи, в которой происходит рассеивание запасенной энергии [5]. В качестве гасящего элемента в современных системах возбуждения мощных синхронных генераторов используются линейные резисторы, варисторы, а также электрическая дуга в специализированных коммутационных аппаратах – автоматах гашения поля (АГП) [5, 6]. Указанные способы гашения поля обладают рядом недостатков: работа устройства связана с зажиганием дуги, требуются выключатели с хорошей отключающей способностью, ВАХ не в полной мере обеспечивает быстрое гашение поля [7, 8].

Исследования электромагнитных процессов в цепях обмотки возбуждения показывают, что для обеспечения минимального времени выведения энергии из линейной индуктивности в течение всего процесса гашения поля требуется поддерживать на её выводах неизменное, максимально допустимое напряжение U _{f maxдоп} [9]. Ни один из применяемых способов в полной мере это не обеспечивает. Кроме этого, есть мнение экспертов, что ВАХ гасящего элемента устройства гашения поля реального синхронного генератора должна иметь более сложную форму [7, 8, 10]. С другой стороны, чтобы минимизировать время горения дуги t _д в коммутационном аппарате обмотка возбуждения должна замыкаться накоротко [11]. Вывод: для обеспечения минимального времени гашения поля и отсутствия дуги ВАХ гасящего элемента должна изменяться во времени:

[ U ( I ) = 0, 0 <  t <  t д ; (1) [ U ⁽ I ) = ^Uf maxдоп , t ^— t д^.

Условие U(I) = 0 легко реализуется шунтированием обмотки возбуждения полупроводниковым ключом [11]. Аналогичный результат достигается при шунтировании самого выключателя цепей возбуждения [12].

Разработанное тиристорное устройство гашения магнитного поля синхронного генератора (ТУГП) обеспечивает поддержание заданной величины напряжения на выводах обмотки возбуждения за счет ступенчатого изменения величины сопротивления, подключенного к обмотке ротора [13], т. е. требуемая (выражение 1) гладкая вольт-амперная характеристика заменяется кусочнолинейной. Зависимость эквивалентного сопротивления ТУГП от тока R_DE ( I ) содержит N шт. ступеней (гасящих ступеней).

За счет переключения линейных резисторов (гасящих цепей) в составе ТУГП поддерживается среднее значение напряжения (без учета интервала блокирования зажигания дуги):

U ( I ) = U f ср = U f ом K п ^ 1 - K U ^ , (2) где K_PU = U max / U min - коэффициент пульсаций, K _п = U _max U но _ом - кратность перенапряжений относительно номинального значения напряжения возбуждения генератора. Устройство поддерживает заданное среднее значение напряжения только в диапазоне токов I f 0 ( 1 ^ K_PUN ) и Uf _ср всегда меньше U _max .

Переход с постоянного на переключаемое сопротивление дает снижение времени гашения поля в 3,09 раза при N = 4 шт. и в 3,9 раза при N = 10 шт. Очевидно, что для повышения среднего значения напряжения, расширения диапазона токов, соответствующих горизонтальному участку ВАХ, и снижения времени гашения поля требуется увеличение числа гасящих ступеней N . В первоначально разработанном устройстве число формируемых гасящих ступеней равно числу гасящих цепей. Алгоритм управления ТУГП предполагает только последовательное отключение/включение гасящих резисторов при изменении тока через устройство. При числе гасящих ступеней больше 10 шт. устройство получается громоздким. Предложено только за счет изменения алгоритма управления ключами гасящих цепей увеличить число формируемых ступеней ВАХ.

Увеличение числа гасящих ступеней

В слаботочной электронике распространен способ регулирования сопротивления устройства за счет переключения числа последовательно включенных линейных резисторов в его составе [14]. Необходимый набор включенных резисторов определяется путем двоичного кодирования десятичного значения заданного полного эквивалентного сопротивления цепи. Предложено применить этот принцип для задания эквивалентного сопротивления R_DE тиристорного устройства гашения поля.

Рассматриваемая упрощенная схема ТУГП с последовательным соединением 4 шт. гасящих резисторов приведена на рис. 1 [15]. Применение такой схемы нежелательно из-за её низкой надежности.

В схеме (см. рис. 1) использованы линейные резисторы, сопротивления которых отличаются друг от друга в 2 раза. Сопротивление k -го резистора зависит от сопротивления обмотки возбуждения R_f , допустимой кратностей перенапряжений на ней K _п и начального тока K_C относительно номинальных значений генератора:

R k = K^R f - 2 ^{k - 1}.                         (3)

KC

Эквивалентное сопротивление гасящей части ТУГП, выполненное с последовательным соединением гасящих резисторов, исходя из алгоритма переключения, определяется выражением

N

R DEi = R _L Z 2 k ^{- 1} a k .                  (4)

K C k = 1

В выражении (4) a_k – значение (0 или 1) k -го разряда бинарного числа, соответствующего в десятичной форме сопротивлению i -й гасящей ступени.

Переход к двоичному кодированию набора включенных гасящих резисторов позволяет увеличить число формируемых гасящих ступеней в зависимости RDE(I) с N до 2N – 1 шт. На рис. 2 для сравнения приведены зависимости RDE(I): при по- следовательном переключении N = 4 шт. гасящих резисторов при KPU = 0,7 (кривая 2), с двоичным кодированием набора (кривая 3) и гладкая зависимость (кривая 1), полученная из ВАХ U(I) = const (выражение (1)).

Применение алгоритма двоичного кодирования сопротивления R_DE существенно расширяет диапазон токов ВАХ, при которых поддерживается повышенное среднее значение напряжения на выводах обмотки возбуждения (рис. 3). По сравнению с требуемой гладкой ВАХ (рис. 3, кривая 1), в области малых токов предложенный алгоритм обеспечивает повышение среднего напряжения и ВАХ сильнее приближается к U ( I ) = const (выражение (1)), что увеличивает скорость снижения тока обмотки возбуждения. Однако при токах в диапазоне 1…(2⁰ – 2¹) среднее значение напряжения при двоичном кодировании (рис. 3, кривая 3) получается меньше, чем при последовательном переключении резисторов (рис. 3, кривая 2). Таким образом, применение двоичного кодирования набора включенных гасящих резисторов позволяет увеличить скорость гашения поля в области малых токов обмотки возбуждения без увеличения числа гасящих цепей.

При параллельном соединении гасящих цепей увеличивается надежность устройства и упрощаются цепи управления тиристорами коммутаторов. Такое схемотехническое решение применяется при

Рис. 1. Схема с последовательным соединением гасящих резисторов Fig. 1. Circuit with serial connection of quenching resistors

Рис. 2. Зависимости эквивалентного сопротивления ТУГП с последовательным соединением резисторов при различных алгоритмах их переключения

Fig. 2. Dependencies of the equivalent resistance of a series-coupled resistor with different switching algorithms

Рис. 3. Вольтамперные характеристики ТУГП при различных алгоритмах переключения гасящих цепей Fig. 3. Current-voltage characteristics of the TFQD with various switching algorithms of extinguishing circuits

дальнейшем развитии идеи формирования ВАХ ТУГП [16]. Упрощенная схема устройства с параллельным соединением 4 шт. гасящих цепей приведена на рис. 4.

Эквивалентное сопротивление гасящей части устройства, выполненного по схеме с параллельным соединением (см. рис. 4) и управляемого в

R DEi =

N у ak ^ ---I n

_ - = 1 ²    R

R = R f

- 1

;

соответствии с рассматриваемым алгоритмом, для i -й ступени описывается выражениями:

K _п 2 N - 1

Kc "N^{SZr .}

В отличие от схемы с последовательным со-

единением, схема с параллельным соединением точнее работает в диапазоне больших токов (рис. 5),

Рис. 4. Схема тиристорного устройства гашения поля с параллельным соединением гасящих цепей Fig. 4. Diagram of a thyristor field quenching device with parallel connection of quenching circuits

Рис. 5. Зависимость эквивалентного сопротивления ТУГП с параллельным соединением резисторов

Fig. 5. The dependence of the equivalent resistance of the TFQD with a parallel connection of resistors

Рис. 6. Вольтамперные характеристики: 1 – требуемая ВАХ (1);

2 – ТУГП при параллельном соединении резисторов Fig. 6. Current-voltage characteristics: 1 – required VAC (1);

2 – TUG with parallel connection of resistors

зависимость эквивалентного сопротивления (рис. 5, кривая 2) лучше приближается к требуемой (рис. 5, кривая 1), что является преимуществом.

Повышение точности формирования зависимости эквивалентного сопротивления от тока через ТУГП отражается на его вольтамперной характеристике (рис. 6). За счет этого в диапазоне больших токов возбуждения наблюдается повышение среднего значения напряжения (рис. 6, кривая 2) и ВАХ приближается к требуемой (рис. 6, кривая 1). При самых больших токах «ширина» гасящей ступени по сопротивлению равна 0,5 о.е. против 7 о.е. для последовательного соединения, что объясняет более высокую степень выдерживания заданной ВАХ.

Заключение

Рассмотрен алгоритм управления ключами гасящих цепей тиристорного устройства гашения магнитного поля синхронного генератора, построенный на принципе двоичного кодирования дискретного значения требуемого эквивалентного сопротивления. Показано, что переход от простого алгоритма последовательного переключения гасящих цепей к более сложному управлению позволяет сформировать большее число гасящих ступе- ней без добавления дополнительных элементов в схему устройства.

Увеличение числа гасящих ступеней позволяет более точно выдержать заданную вольтампер-ную характеристику, повысить среднее напряжение на выводах обмотки возбуждения и снизить длительность процесса гашения поля.

Поскольку для минимизации ущерба от аварии в цепях статора генератора требуется как можно быстрее снизить ток в месте повреждения, то предпочтительнее оказывается схема с параллельным соединением гасящих цепей, обеспечивающая более высокое среднее напряжение в диапазоне больших токов. С точки зрения надежности работы и схемотехнических решений цепей управления тиристорами схема с параллельным соединением тоже имеет преимущества перед последовательным соединением гасящих резисторов.

Недостатком тиристорных устройств гашения поля с рассмотренным алгоритмом управления являются высокие требования к надежности системы и цепей управления тиристорами – при отказе системы управления обмотка возбуждения будет расшунтирована, что приведет к повреждению ее изоляции.