9. Системы возбуждения синхронных генераторов

В СЭЭС переменного тока основным источником электроэнергии является синхронный генератор (СГ). Основными его характеристиками являются:

1. Характеристика холостого хода (рис.9.1). Зависимость напряжения генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения (U = E₀ = f (i_в) при n = const).

Если характеристики холостого хода синхронных генераторов представить в относительных единицах, то они будут мало отличаться друг от друга и от нормальной характеристики холостого хода, параметры которой даны в табл.9.1.

Таблица 9.1

Нормальная характеристика холостого хода

E, о.е.	0,58	1,0	1,21	1,33	1,40	1,46	1,51
iв, о.е.	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5

2. Характеристика короткого замыкания (рис.9.2). Снимается при замкнутых накоротко выводах обмотки статора, постоянной частоте вращения и постепенном увеличении тока возбуждения до значения, при котором ток короткого замыкания превышает номинальный рабочий ток статорной обмотки не более чем на 25%.

3. Отношение короткого замыкания (ОКЗ). Один из важных параметров синхронной машины, равный отношению тока возбуждения, соответствующего номинальному напряжению при холостом ходе (i_в0), к току возбуждения, соответствующему номинальному току статора при опыте короткого замыкания (i_вк). Для ненасыщенной машины можно считать:

ОКЗ = i_в0/ i_вк  1 / x_d.

ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины. Машины с малым ОКЗ менее устойчивы при параллельной работе, имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но они имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем машины с большим ОКЗ.

Для неявнополюсных машин (турбогенераторов) ОКЗ находится в диапазоне 0,4…0, 7; для явнополюсных – 1,0…1,4.

4. Внешняя характеристика. Зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки при неизменных: токе возбуждения, коэффициенте мощности нагрузки, частоте вращения (U = f(I_н) при i_в = const, cos  = const, n = const). На рис.9.3 представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора: активной (cos  = 1), индуктивной (cos   1, инд) и емкостной (cos   1, емк).

Рис. 9.3. Внешние характеристики СГ

Рис. 9.4. Регулировочные характеристики СГ

5. Регулировочная характеристика. Показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменении нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменным, равным номинальному: i_в = f(I_н) при f(I_н), U = const, cos  = const, n = const. На рис.10.4 представлены регулировочные характеристики генератора при разном характере его нагрузок.

9.1. Общие характеристики судовых сг и их систем возбуждения

В настоящее время на судах применяются:

1. Серии СГ (РД5.6205-91): МСС, МСК, ГМС, ГСС, ГСН, СБГ, 2СН, 2СП, ТМВ, ТМ, 3Р, 3Р1, ТК2.

2. Мощностной ряд (кВт) СГ: 30, 50, 60, 75, 100, 150, 160, 200, 250, 300, 315, 400, 500, 600, 630, 750, 800, 1000, 1250, 1500, 1600, 2000, 3000, 3200 (24 типоразмера). Серия, как правило, не имеет все типоразмеры.

3. Статорная обмотка может иметь соединение:

• «звездой» с изолированной нейтралью;

• «треугольником».

4. Частоты вращения (об/мин): 500, 750, 1000, 1500, 3000, что для f=50 Гц, соответствует следующему числу пар полюсов (р): 6, 4, 3, 2, 1 .

5. Напряжение СГ (В): 230, 400.

6. Конструктивное исполнение:

• водозащищенное;

• брызгозащищеное.

7. Виды охлаждения СГ:

• воздушное с помощью крыльчатки, укрепленной на валу генератора (самовентиляция);

• по замкнутому циклу: нагретый в машине воздух поступает в водяной воздухоохладитель, где охлаждается и затем вновь подается в СГ. Воздухоохладитель располагается над генератором и крепится на наружной стороне его корпуса. Такое охлаждение более эффективно, но требует контроля влажности воздуха;

• жидкостное охлаждение обмоток (ТК2): существенно снижает массогабаритные показатели.

8. Генераторы малой мощности могут быть «обращенными», т.е. обмотка возбуждения расположена на статоре.

Генератор, являясь источником электроэнергии автономной системы, должен обеспечивать:

- заданное качество электроэнергии в статических и динамических режимах;

- срабатывание защитной аппаратуры при коротких замыканиях.

Решение этих задач в большей части возложено на систему возбуждения генератора. В настоящее время существует много различных вариантов систем возбуждения СГ. Для того чтобы разобраться в этом многообразии, остановимся на трех компонентах, во многом определяющих технические характеристики генераторов:

• источник питания обмотки возбуждения;

• принцип регулирования тока возбуждения (способ стабилизации напряжения);

• способ передачи электроэнергии в обмотку возбуждения.

Способы передачи электроэнергии в обмотку возбуждения. С точки зрения передачи энергии в обмотку возбуждения различают СГ со щетками и без щеток.

Принципиальная схема синхронного генератора со щетками представлена на рис. 9.5. В этой схеме обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу. В представленной схеме источником возбуждения является сам генератор.

Рис. 9.5. Блок-схема системы возбуждения СГ со щетками

Разновидностей бесщеточных синхронных генераторов достаточно много. На рис. 9.6 представлен один из вариантов такого генератора с электромашинным возбудителем и вращающимся выпрямителем.

Рис. 9.6. Блок-схема системы возбуждения бесщеточного СГ с возбудителем

Принципы регулирования тока возбуждения при стабилизации напряжения синхронного генератора.

В системах возбуждения применяются следующие принципы регулирования:

1. по отклонению (U);

2. по возмущению (I, cos ):

   • токовое компаундирование  компенсация тока нагрузки (I);

   • амплитудно-фазовое компаундирование (фазовое компаундирование)  компенсация тока и коэффициента мощности нагрузки (I, cos );

3. комбинированные – сочетание систем по отклонению и возмущению.

В СЭЭС применяются все три вида систем регулирования напряжения синхронных генераторов, при этом каждая из них имеет свои области применения, определяемые параметрами генераторов.

Регулирование по отклонению, как известно, позволяет компенсировать изменение напряжения при любых видах возмущающих воздействий.

Схемы возбуждения, построенные по этому принципу, целесообразно использовать для генераторов с высоким значением ОКЗ, так как в этом случае регулируемая мощность системы возбуждения будет меньше (рис. 9.7). Указанные схемы характеризуются большим значением коэффициента усиления по мощности и имеют тенденцию к автоколебательному режиму.

Регулирование по возмущающему воздействию компенсирует действие основных факторов, приводящих к снижению напряжения генератора, а также позволяет повысить быстродействие в переходном режиме, так как возмущение одновременно воздействует на объект управления и на его систему регулирования.

Системы возбуждения, реагирующие только на значение нагрузки (системы токового компаундирования), обычно применяют для генераторов с высоким значением ОКЗ, так как в этом случае регулировочные характеристики при cos  = 0 и cos  = 1 незначительно отличаются друг от друга и точность поддержания напряжения будет выше, чем в случае применения генератора с низким ОКЗ (рис. 10.7).

Рис. 9.7. Регулировочные характеристики СГ

с разными ОКЗ и нагрузками

Для генераторов с низким ОКЗ применяются, как правило, схемы возбуждения, реагирующие на значение и коэффициент мощности нагрузки, т.е. схемы амплитудно-фазового (фазового) компаундирования.

Комбинированное регулирование достигается введением в системы компаундирования обратной связи по отклонению, что повышает точность регулирования. Основную роль в таких системах играет канал по возмущению. Канал по отклонению служит для устранения второстепенных возмущений и имеет небольшую мощность. Часто он выполняется в виде корректора напряжения, который имеет два способа включения: на обмотку возбуждения или на элемент системы на стороне переменного тока.

Источник питания обмотки возбуждения. Питать обмотку возбуждения можно от независимого источника электроэнергии – возбудителя и от собственных шин генератора. Системы, в составе которых есть независимый источник энергии, относятся к системам косвенного действия. Недостатки таких систем очевидны – они имеют повышенные массогабаритные показатели и ухудшенные показатели по быстродействию, так как к инерционности генератора и системы добавляется инерционность возбудителя.

Системы прямого действия не имеют независимого источника энергии и для возбуждения используют энергию самого генератора. Обычно мощность возбуждения составляет 2…5% мощности генератора. Регулирующее воздействие в таких системах осуществляется непосредственно в цепи возбуждения генератора. Система возбуждения конструктивно располагается над статором генератора рядом с воздухоохладителем.

Самостоятельная работа

Задание №6, тема 9

Особенности технической реализации систем возбуждения: типа УБК-М, у генераторов серии МСС, завода им. М.И. Калинина и НПО «Электросила»; а также обеспечения в них процессов самовозбуждения, гашения поля и коррекции напряжения.

Литература: Д4, стр. 72…95