1.3. Системы возбуждения синхронных машин

1.3.1. Требования к системам возбуждения

Система возбуждения предназначена для питания обмотки ротора постоянным током и в значительной степени определяет надежность работы синхронной машины. В связи с этим система возбуждения должна удовлетворять следующим основным требованиям, определяемым ее функциональным назначением и условиями эксплуатации машины.

Система возбуждения должна обеспечивать надежное питание постоянным током обмотки возбуждения в любых режимах, в том числе и при авариях в энергосистемах.

При номинальном напряжении должно обеспечиваться устойчивое регулирование тока возбуждения в пределах изменения нагрузки машины от нуля до номинальной. Система возбуждения должна обеспечивать в длительном режиме ток и напряжение возбуждения, превышающие номинальные не менее чем на 10 %.

Для поддержания устойчивой работы машины при аварии в энергосистеме система возбуждения должна обеспечивать форсировку возбуждения – быстрый подъем напряжения возбуждения от номинального U_{f Н} до максимально возможного установившегося U_{f m}. Отношение k_{f m} = U_{f m} /U_{f Н} называют кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя или кратностью форсировки. Для генераторов и компенсаторов k_{f m} должна быть не менее 1,8–2,0; для прочих машин не менее 1,4.

Системы возбуждения должны выдерживать двукратный номинальный ток возбуждения не менее 50 с для машин с косвенным охлаждением и не менее 20 с для машин с непосредственным водяным охлаждением и форсированным воздушным охлаждением обмотки ротора.

Быстродействие системы возбуждения характеризуют номинальной скоростью нарастания напряжения возбуждения, определяемой отношением (1 – е ^{– 1})(U_{f m} – U_{f Н})/( t·U_{f Н}), где t – постоянная времени нарастания напряжения или время нарастания напряжения от U_{f Н} до 0,632(U_{f m} – U_{f Н}), (закон нарастания напряжения считают экспоненциальным). Скорость нарастания напряжения измеряется в о.е./с и должна быть не менее: 2 о.е./с для турбогенераторов и компенсаторов; 1,5 для гидрогенераторов и 0,8 для прочих машин. Здесь о.е. – относительная единица напряжения возбуждения. Одной о.е. соответствует номинальное напряжение возбуждения U_{f Н}.

Система возбуждения должна обеспечивать быстрое гашение магнитного поля в машине без значительного повышения напряжения в обмотках машины при отключениях машины от сети и авариях в машине.

Во всех режимах мгновенное напряжение на выводах обмотки возбуждения не должно превосходить 70% амплитуды испытательного напряжения этой обмотки относительно корпуса, которое принимают не более десятикратного номинального напряжения возбуждения (10U_{f Н} ), но не более 3,5 кВ.

Системы возбуждения рассчитывают для работы с автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ), обеспечивающими регулирование напряжения, устойчивость работы, ограничение перегрузок, режимы пуска и включения в сеть.

1.3.2. Устройство систем возбуждения

Наиболее часто для возбуждения синхронных машин применяют системы независимого возбуждения и системы самовозбуждения. В первом случае для питания обмоток возбуждения обычно используют электромашинные возбудители – генераторы постоянного тока или синхронные генераторы и возбуждение машины не зависит от напряжения на якоре. Если ротор возбудителя находится на одном валу с ротором синхронной машины, то систему возбуждения называют прямой. При самовозбуждении для возбуждения синхронной машины используют энергию переменного тока обмотки якоря.

Долгие годы возбуждение синхронных машин осуществлялось практически только электромашинными системами возбуждения (рис. 1.9).

Для быстрого уменьшения тока возбуждения до нуля (гашения поля) применяют устройство, называемое автоматом гашения поля (АГП).

В простейшем случае АГП состоит из гасительного сопротивления R_Г, величина которого в 4–6 раз больше сопротивления обмотки возбуждения r_f и контакторов К₁, К₂. АГП предохраняет от повреждения изоляцию обмотки возбуждения и контакт К₂. При отключении обмотки возбуждения сначала замыкается дугогасительный контакт К₁ и включает обмотку возбуждения на гасительное сопротивление R_Г, затем размыкают рабочий контакт К₂. Энергия, запасенная в магнитном поле возбуждения, гасится на сопротивлении R_Г и значительной электрической дуги опасной для контакта К₂ не возникает. Одновременно из-за наличия сопротивления R_Г уменьшается скорость затухания тока возбуждения I_f и ЭДС самоиндукции e_{f f} ≡ d I_f /d t в обмотке возбуждения, которая может вызвать пробой изоляции обмотки.

Д ля форсировки возбуждения подается сигнал на замыкание контакта K_Ф, шунтирующего форсировочный R_Ф и регулировочный R_Р резисторы в цепи обмотки возбуждения возбудителя. Напряжение возбудителя U_f быстро возрастает до значения U_{f m}.

Достоинствами электромашинных систем возбуждения с возбудителями постоянного тока являются простота, малая стоимость и высокая надежность. К недостаткам относятся небольшая кратность форсировки k_{f m} ≤ 2, большие постоянные времени 0,3–0,6 с и соответственно небольшие скорости нарастания напряжения возбуждения 1,5–2,5 о.е./с. Поэтому в настоящее время такие системы применяют для возбуждения турбо- и гидрогенераторов относительно небольшой мощности до 30–50 МВт.

Начиная с 60-х годов ХХ века преимущественное распространение получили вентильные системы возбуждения.

Для возбуждения турбо- и гидрогенераторов мощностью 50 МВт и более часто применяют систему независимого тиристорного возбуждения (рис. 1.10), в которой возбудителем служит вспомогательный синхронный генератор (ВГ) частотой 50 Гц, расположенный на одном валу с основным генератором. Переменное напряжение обмотки якоря 5 вспомогательного генератора преобразуют в постоянное напряжение U_f тиристорным преобразователем 3 и подводят через контактные кольца 4 к обмотке возбуждения основного генератора. Возбуждение ВГ выполнено по системе тиристорного самовозбуждения от тиристорного выпрямителя 9, запитанного через трансформатор 8 от выводов обмотки якоря ВГ.

Силовая часть тиристорных преобразователей собрана по трехфазной мостовой схеме. Схемы преобразования могут быть одногрупповыми с одним выпрямителем 3 (рис. 1.10) и двухгрупповыми – с двумя выпрямителями. Схему с одной группой вентилей применяют для обычной кратности форсировки k_{f m} = 2, схему с двумя группами вентилей – при повышенной кратности форсировке k_{f m} = 3–4.

В двухгрупповой схеме один выпрямитель (форсировочный) включен на полное напряжение обмотки якоря ВГ, второй (рабочий) – на отпайку обмотки якоря, с которой снимается часть напряжения этой обмотки. На стороне постоянного тока I_f оба выпрямителя включены параллельно и работают с разными углами управления. В нормальном режиме ток возбуждения идет в основном по рабочей группой вентилей, при форсировке – по форсировочной.

Инерционность тиристорных преобразователей невелика и обеспечивается высокое быстродействие со скоростью нарастания напряжения возбуждения до 10–30 о.е./с.

Гашение поля в нормальных условиях осуществляют переводом тиристорных преобразователей в инверторный режим, в случае аварии с помощью АГП.

Находят применение системы возбуждения, в которых используют высокочастотные синхронные индукторные генераторы на частоту 500 Гц с последующим выпрямлением напряжения. Для таких систем характерно относительно небольшое быстродействие (до 2,0–2,5 о.е./с).

Общим недостатком систем независимого тиристорного возбуждения можно считать наличие возбудителя переменного тока, что увеличивает стоимость системы и усложняет ее эксплуатацию.

П реимущество системы тиристорного самовозбуждения) заключается в отсутствии электромашинного возбудителя и большей простоте схемы, что повышает надежность системы, уменьшает ее стоимость, сокращает размеры агрегата и машинного зала.

К недостаткам бесщеточных систем возбуждения относятся увеличение длины агрегата, сложность гашения поля возбуждения и передачи управляющих импульсов к вращающимся тиристорам.

В настоящее время для синхронных двигателей с частотой вращения 3000 об/мин или двигателей особо ответственных установок применяют бещеточные системы возбуждения, с меньшими частотами вращения – статические тиристорные системы самовозбуждения.

Д ля компенсаторов типа КС используют статические тиристорные системы, типа КСВ – бесщеточные диодные системы возбуждения.

Тест на самопроверку СМ раздел 1

1. ОТЛИЧИЕ ЯВНОПОЛЮСНЫХ И НЕЯВНОПОЛЮСНЫХ СИНХРОННЫХ МАШИНЫ …

1. обмотка возбуждения неявнополюсных машин размещена в пазах статора, явнополюсных – на полюсах ротора;

2. обмотка возбуждения неявнополюсных машин сосредоточенная, явнополюсных – распределенная;

3. у явнополюсных машин нет обмотки возбуждения;

4. неявнополюсные машины работают генераторами, а явнополюсные – двигателями;

5. конструкция ротора этих машин различна.

(Эталон: д)

2. РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ В СИНХРОННЫХ МАШИНАХ ТРАДИЦИОННОЙ КОНСТРУКЦИИ …

1. на магнитопроводе ротора,

2. пазы статора;

3. на контактных кольцах ротора;

4. на щеточном аппарате;

(Эталон: а)

3. НАЗНАЧЕНИЕ ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ В СИНХРОННЫХ МАШИНАХ ТРАДИЦИОННОЙ КОНСТРУКЦИИ …

1. образование основного магнитного потока машины;

2. образование постоянного магнитного поля машины.

3. образование вращающегося магнитного поля машины;

4. образование переменного магнитного поля машины.

(Эталон: а)

4. НАИБОЛЬШЕЕ ЗНАЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТ РАССЕЯНИЯ σ ИМЕЕТ …

1. в неявнополюсных машинах;

2. практически одинаков у всех машин;

в) в явнополюсных с низкими полюсами;

г) в явнополюсных с высокими полюсами.

(Эталон г)

5. ДЕЙСТВИЕ НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ПРИБЛИЖЕНИЯ ФОРМЫ ПОЛЯ К СИНУСОИДАЛЬНОЙ В ЯВНОПОЛЮСНЫХ ГЕНЕРАТОРАХ …

1. распределение обмотки статора по его периферии;

2. предельное сокращение полюсного деления;

3. увеличение числа полюсов;

4. увеличение зазора по мере удаления от центра к краю.

(Эталон г)

6. СЛЕДСТВИЕ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ОДИНАКОВОЙ ЧАСТОТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С РАЗЛИЧНЫМИ СКОРОСТЯМИ ВРАЩЕНИЯ …

1. различно число полюсов ротора;

2. различно число полюсов обмотки статора;

3. неодинаковая форма магнитного поля в зазоре машины;

4. разная конструкция ротора (явно - и неявнополюсной);

5. неравенство магнитного потока возбуждения этих машин.

(Эталон: а)

7. ОБМОТКИ ЯКОРЯ ПРИ РАБОТЕ СИНХРОННЫХ МАШИН …

1. отключаются;

2. включаются в сеть постоянного тока;

3. замкнуты накоротко;

4. включается в сеть переменного тока;

(Эталон: г)

8. РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБМОТКИ ЯКОРЯ СИНХРОННЫХ МАШИН …

1. на магнитопроводе ротора,

2. в пазах статора;

3. на контактных кольцах ротора;

4. на щеточном аппарате;