Автоматический регулятор-корректор напряжения

Реагирует на отклонение регулируемой величины – напряжения. Применяется в комбинированной САР совместно с АРВ по возмущению – устройством компаундирования и обеспечивает коррекцию напряжения синхронной машины в нормальных режимах по линейной характеристике без зоны нечувствительности с заданным статизмом по реактивному току.

Распространение получили электромагнитные (т.е. основанные на использовании магнитных усилителей) корректоры напряжения. Каналы регулирования с такими же функциями используются в микроэлектронных и микропроцессорных АРВ.

Функциональная схема замкнутой САР с корректором напряжения показана на рис.2.10. Принципиальная схема изучается на лабораторных занятиях.

Электромагнитный корректор напряжения (ЭМК) содержит:

ИО – измерительный орган – датчик отклонения напряжения от заданного значения;

МУ – магнитный усилитель сигнала измерительного органа ;

ГОС – гибкую обратную связь, повышающую устойчивость системы регулирования;

УУС – устройство установки статизма с заданным знаком и значением;

УАТ – установочный автотрансформатор – задающее устройство. В качестве задающего устройства может применяться потенциал-регулятор (устанавливается между УУС и ИО) или статический преобразователь.

Рис.2.10. Функциональная схема замкнутой САР с корректором

напряжения

Измерительные органы различных конструкций, применяемые в электромагнитных и полупроводниковых корректорах напряжения, основаны на принципе сравнения выходных сигналов двух элементов с линейной и нелинейной характеристиками, на входы которых подается одно напряжение . В наиболее простой схеме выходной сигнал . Зависимости этих токов от показаны на рис.2.11.

Значение , при котором , называют уставкой . При увеличении отклонения напряжения от : – в пределах регулировочного диапазона (р.д) увеличивается выходной ток измерительного органа , причем знак противоположен знаку :

.

Измерительные органы обычно выполняются трехфазными для повышения чувствительности АРВ к несимметричным режимам.

НТ изолирована, поэтому гармоники, кратные третьей, отсутствуют в токах и имеют место в кривой напряжения обмоток трансформатора. Напряжение на разомкнутом треугольнике содержит только третью и кратные ей нечетные гармоники. Нелинейность зависимости при этом больше, чем при обычном насыщенном дросселе.

Рис.2.12. Схема трехфазного измерительного органа

Дроссель Др и насыщенный трансформатор НТ – индуктивные элементы, поэтому и зависят не только от значения , но и от его частоты :

;

,

где , – напряжение и потокосцепление насыщения.

Эта зависимость от частоты приводит к уменьшению при понижении частоты и к увеличению при повышении , что обусловливает отрицательное регулирующее действие корректора.

Для изменения характера частотной зависимости ИО было предложено выполнять НЭ на резистивных (частотно независимых) элементах – кремниевых стабилитронах по схеме рис.2.13,а, а в качестве ЛЭ использовать линейный дроссель. Зависимость от частоты при этом (рис.2.13,б) оказывает положительный эффект регулирования: при аварийном понижении частоты уставка ИО повышается, при повышении – снижается, что в известной степени компенсирует зависимость напряжения в сети от частоты.

Рис.2.13. Измерительный орган с резистивным нелинейным элементом

В качестве измерительного органа, не реагирующего на отклонения частоты, используется нелинейный мост на кремниевых стабилитронах (НЭ) и резисторах (ЛЭ) – рис.2.14,а. На рис.2.14,б показана характеристика этого измерительного органа – зависимость от .

С увеличением входного напряжения на участке 1, пока стабилитроны заперты, ток возрастает пропорционально входному напряжению:

,

где – сопротивление обмотки управления МУ; – коэффициент выпрямления выпрямителя.

Рис.2.14. Измерительный орган с использованием нелинейного моста

После того, как напряжение на стабилитронах стабилизируется на уровне , по 2-му закону Кирхгофа

,

откуда на участке 2 характеристики:

,

т.е. ток ИО снижается с увеличением . При ток .

Отклонение входного напряжения от уставки приводит к пропорциональному увеличению тока ИО с противоположным знаком на рабочем участке 2 с коэффициентом усиления

Значение сопротивления в диагонали нелинейного моста определяет постоянную времени магнитного усилителя.

Магнитный усилитель МУ, усиливающий сигнал измерительного органа, выполняется с внешними или внутренними жесткими обратными связями по току выхода.

Если ток обратной связи совпадает по направлению с током линейного элемента, то обратная связь положительна при (т.е. при ) и отрицательна при ( ). Построение соответствующей этому случаю характеристики корректора по характеристикам измерительного органа и магнитного усилителя показано на рис.2.15 кривыми 1.

Выход корректора с характеристикой 1 включается на обмотку возбуждения возбудителя так, чтобы действовал согласно с током самовозбуждения (рис.2.1). Поэтому такой корректор называется согласновключенным. Точка на характеристике корректора, соответствующая номинальному напряжению генератора, находится на крутопадающем участке характеристики. Абсцисса этой точки . Любое отклонение напряжения генератора приводит к резкому изменению тока корректора. При снижении напряжения увеличивается, увеличивается возбуждение возбудителя и ЭДС генератора. Следовательно, напряжение в установившемся режиме снизится на меньшую величину, чем при отсутствии корректора. При повышении напряжения генератора ток выхода корректора снижается, что препятствует возрастанию напряжения. Таким образом, согласновключенный корректор на рабочем участке характеристики противодействует отклонениям напряжения генератора от заданного значения.

Рис.2.15. Построение характеристик согласновключенного,

противовключенного и двухсистемного корректора

Чтобы предотвратить увеличение в области , помимо отрицательной обратной связи применяются дополнительные меры, в частности, включение диода Д между обмотками линейного и нелинейного элементов в МУ (рис.2.12). Пока диод Д заперт и не оказывает влияние на работу схемы. В области напряжений диод открывается, токи в обмотках и уравниваются и результирующий ток управления МУ остается приблизительно равным нулю.

Если обратная связь МУ отрицательна при , следовательно, положительна при , то характеристика корректора имеет вид, показанный на рис.2.15 штриховой кривой 2. Такой корректор должен включаться на отдельную дополнительную обмотку возбуждения возбудителя так, чтобы ( на рис.2.1) ослаблял МДС основной обмотки возбуждения возбудителя. Поэтому его называют противовключенным.

Комбинация из согласновключенного и противовключенного корректоров называется двухсистемным корректором. Его ток выхода зависит от как показано на рис.2.15 кривой 3.

Гибкая обратная связь – ГОС (рис.2.10) является дифференцирующим звеном (трансформатор с зазором в магнитопроводе) и охватывает два инерционных звена – возбудитель и магнитный усилитель. Структурная схема соединения этих звеньев показана на рис.2.16.

Рис.2.16. Структурная схема включения ГОС

Передаточная функция встречно-параллельно включенных звеньев:

где в реальном диапазоне частот,

эквивалентные коэффициент усиления и постоянная времени

.

Таким образом САР превращается из системы с тремя инерционными звеньями первого порядка (Г, В, МУ) в систему с двумя инерционными звеньями первого порядка, которая устойчива при любых значениях параметров. Это позволяет увеличить коэффициент усиления контура регулирования и снизить статическую ошибку регулирования до 1-2%. При этом естественную характеристику регулирования – зависимость напряжения генератора от тока нагрузки без УУС – можно считать астатической, т.е. регулятор обеспечивает стабилизацию напряжения на входе измерительного органа в установившемся режиме:

Устройство установки статизма – УУС (рис.2.10) служит для получения требуемого статизма регулирования (положительного или отрицательного) в зависимости только от реактивного тока генератора .

Функционально УУС является суммирующим элементом:

Конструктивно преобразование тока в напряжение выполняется с использованием резисторов или трансреакторов, а суммирование – по 2-му закону Кирхгофа.

Для того, чтобы напряжение генератора зависело только от реактивного тока (не зависело от активного тока), нужно сфазировать напряжения и : при активной нагрузке генератора угол эл.град. Так как и они находятся в квадратуре, то в конце процесса регулирования

при .

Если установить эл.град при активной нагрузке, то при индуктивной нагрузке , , т.е. с увеличением значение уменьшается – статизм положительный.

Если установить эл.град при активной нагрузке, то при индуктивной нагрузке , , т.е. с увеличением значение увеличивается – статизм отрицательный.

Установочный автотрансформатор – УАТ (рис.2.10), изменяющий отношение , является задающим устройством корректора. Отношение , следовательно, . Поскольку на холостом ходу генератора , а регулятор поддерживает , то с увеличением коэффициента передачи УАТ – напряжение уменьшается, с уменьшением значение увеличивается, т.е. происходит смещение характеристики регулирования вдоль оси . Статизм определяется УУС.

САР с корректором напряжения имеет следующие недостатки:

· отказывает в действии при глубоких понижениях напряжения;

· обладает малым запасом устойчивости при близком к нулю коэффициенте статизма естественной характеристики регулирования.

Для уменьшения возможного диапазона изменения напряжения генератора, следовательно мощности корректора, и увеличения быстродействия и запаса устойчивости в систему автоматического регулирования дополнительно вводят устройство компаундирования.