1.1.3.4 Система возбуждения бесщеточного синронного генератора типа Siemens - thyripart

Бесщеточный синхронный генератор состоит из собственно генератора и возбудителя. Роторная обмотка возбуждения генератора питается от роторной трехфазной обмотки возбудителя через вращающийся трехфазный выпрямительный мост. Стационарная статорная обмотка возбуждения возбудителя в свою очередь питается от статической системы возбуждения.

Устройство возбуждения и тиристорный регулятор напряжения составляют систему возбуждения THYRIPART.

Состав. Принципиальная схема БСГ с системой возбуждения THYRIPART (рис. 3.1) состоит из:

G1 — синхронного генератора;

G2 — возбудителя — обращенной синхронной машины, у которой индуктор неподвижен, а обмотка переменного тока вращается. Синхронный возбудитель представляет собой электрическую машину с фазным ротором, работающую в режиме синхронного генератора;

А1 — ТРН с силовым модулем;

С — блока конденсаторов;

Рисунок 1.11 - Принципиальная схема соединений системы возбуждения и регулирования THYRIPART

L — реактора, предназначенного для сдвига тока холостого хода генератора относительно его напряжения на угол, близкий к 90° в сторону отставания;

RR — вращающегося выпрямителя (rotating rectifier);

TWT — трёхобмоточного трансформатора;

EVA — внешнего реостата задающего напряжения генератора;

СТ — измерительного токового трансформатора для измерения нагрузки генератора;

V22 — главного тиристора;

V102 — силового модуля;

R101 — последовательного резистора;

V101 — вспомогательного тиристора;

Х1, Х2, Х4, Х40 — контактных разъемов ТРН.

Принцип действия. Система возбуждения представляет собой систему амплитудно-фазового управления возбуждением синхронного генератора, которое обеспечивается компаундирующим трансформатором тока – СТ, пропорционально току нагрузки. Напряжение генератора сравнивается с заданным напряжением. Управляющий сигнал для открытия тиристора формируется в зависимости от вида пилообразного напряжения, получаемого после сравнения и усиления напряжения генератора. Результирующий ток возбуждения, чья интенсивность слегка выше, индуцируется в номинальное напряжение генератора. В этом случае ТРН неактивен: выходное напряжение генератора зависит только от тока возбуждения возбудителя, регулируемого током нагрузки.

ТРН обеспечивает напряжение требуемой величины, регулируя изменение тока возбуждения при помощи угла открытия тиристора в шунтирующей цепи. Трехфазный вспомогательный возбудитель, преобразуя механическую энергию в электрическую, повышает энергию возбуждения примерно в 20 раз. Эта энергия поступает на обмотку возбуждения генератора, проходя через вращающийся диодный мост (RR). В этом случае ток возбуждения при низком его значении регулируется ТРН.

На рис. 1.12 представлена блочная схема ТРН. Она состоит из: модуля регулирования, RM – regulating module; модуля управления тиристорами с обратной связью, FM – firing module; силового модуля, PM – power module.

Модуль регулирования в свою очередь состоит из: блока силовых выпрямителей, RB – rectifier block – 1; компаратора текущего и заданного значений напряжений генератора – 2; блока питания компонентов модулей – 3; усилителя выходной величины компаратора – 4.

Рисунок 1.12 - Блок-схема РН

Работа. Трехфазное напряжение генератора, снимаемое с клемм 17, 18 и 19, поступает на блок выпрямителей 1, выпрямляется, сглаживается и поступает на вход компаратора 2 (клеммы 20, 22). Этот входной сигнал представляет собой величину, пропорциональную текущему напряжению генератора – U_тек. Через клеммы 20, 21 на вход компаратора поступает сигнал, пропорциональный заданному значению напряжения генератора – U_зад. Результирующий сигнал от двух напряжений U_тек и U_зад в виде пилообразного напряжения поступает на вход усилителя 4, представляющего собой PID-регулятор. Для настройки уровня усиления используют имеющиеся потенциометры K и T. Усиленный сигнал поступает на вход модуля управления тиристорами. Таким образом, назначение модуля регулирования ТРН является:

• формирование сигнала, пропорционального текущему значению напряжения генератора U_тек;

• формирование и регулировка при помощи EVA сигнала заданного значения напряжения генератора U_зад;

• сравнение этих двух сигналов и определение величины разности — ∆U;

• усиление величины этой разности;

• питание всех компонентов ТРН.

Модуль управления тиристорами состоит из:

• блока управления тиристорами, представляющего собой систему импульсно-фазового управления, работа которого зависит от разницы текущего и заданного значений напряжений генератора;

• блока защиты от перенапряжений, более 600 В между клеммами 1 и 5, обеспечивающего открытие тиристора 7;

• главного тиристора.

В зависимости от потенциала компаратора 2, усилитель 4 может дать дополнительный импульс постоянного тока. Ток возбуждения в нормальных условиях обеспечивается одним импульсом. Если требуется форсировка возбуждения, ТРН формирует подряд два импульса.

Силовой модуль ТРН состоит из:

• трехфазного выпрямителя V102;

• вспомогательного тиристора V101, управляемого главным тиристором V22.

В нормальном режиме, когда напряжение генератора равно номинальному значению, ТРН не работает. Оба тиристора закрыты, и ток возбуждения регулируется только током нагрузки. В случае понижения напряжения генератора вследствие высокой нагрузки включается в работу ТРН и угол открытия тиристоров будет зависеть от величины разности напряжений:

∆U = ±(U_тек − U_зад).

1.1.3.5 Система возбуждения и автоматический регулятор напряжения типа Cosimat N+

Cosimat N+ представляет собой регулятор напряжения для судовых синхронных генераторов в режимах одиночной и параллельной работы. При одиночной работе напряжение генератора поддерживается постоянным независимо от нагрузки и других факторов. При параллельной работе обеспечивается равномерное распределение реактивной мощности.

Регулятор может использоваться с генераторами напряжением до 900 В. Для использования его в системах возбуждения высоковольтных генераторов необходимо применение понижающих трансформаторов.

Измеренное генератором напряжение преобразуется в постоянное, сглаживается блоком 1, и поступает в схему регулятора в качестве фактического значения. Полученное значение соответствует среднему арифметическому значению выпрямленного трехфазного напряжения.

Заданное значение регулятора получают от опорного источника с температурной компенсацией. Опорное напряжение подается через потенциометр R4, расположенный на лицевой панели блока регулятора. Указанный потенциометр обеспечивает возможность грубой настройки напряжения генератора (заданное значение – грубо). Точная настройка напряжения производится с помощью потенциометра (заданное значение - точно).

Непосредственно регулирование напряжения осуществляется ПИД – регулятором, который имеет возможность настройки параметров.

Изменение тока возбуждения генератора осуществляется силовым блоком. В качестве исполнительного органа применен МДП – транзистор, который работает в режиме широтно-импульсной модуляции. В цепи постоянного тока обмотки возбуждения предусмотрен тиристор, который обеспечивает защиту контура возбуждения генератора (по сигналу от блока управления тиристор открывается, и ток короткого замыкания в цепи тиристора вызывает срабатывание предохранителей, что приводит к отключению обмотки возбуждения от источника питания).

Состав. Схема АРН состоит из шести основных блоков (Рис. 1.13):

Рисунок 1.13 - Блочная схема АРН типа COSIMAT N+.

• VMC (Voltage Measuring Circuit ) - измеритель текущего напряжения генератора;

• C+PC (Controller + Pulse Converter) – PID - усилитель с ограничителем и широтно-импульсным модулятором сигналов;

• DMC (Droop Measuring Circuit) – измеритель тока, напряжения и величины статизма системы регулирования;

• СS (Controller-Supervision) – интегратор скорости изменения импульсных сигналов с двумя компараторами для сравнения входного и выходного сигналов;

• РС (Power Circuit)-силовая цепь обеспечивает питанием возбуждение генератора в соответствии с выходным сигналом С + РС цепи (PID-усилителя).

• ТV- мощный полевой транзистор MOSFET, управляющий током возбуждения генератора, используется в качестве исполнителя широтно-импульсной модуляции выходного сигнала PWM (Pulse Width Modulation), то есть время включения (открытого состояния) TV различно, а частота включений остается постоянной.

• U/f – преобразователь напряжение-частота;

• Т-тиристор, включенный в цепь ОВ, является исполнителем защитной функции при коротком замыкании, который полностью открывается, форсируя ток возбуждения и компенсируя неизбежный провал напряжения, а два предохранителя, находящиеся на лицевой панели AVR, при этом перегорают.

Ток возбуждения поступает от силового выпрямителя трехфазного напряжения, находящегося в силовой цепи.

Кроме этого, на лицевой панели АРН имеются клеммы для подключения:

U, V, W – напряжения генератора;

VH1, VH2, WH1, VH1A, VH1-A – вспомогательных обмоток питания AVR, расположенных на статоре генератора;

S, t – внешней ручной уставки заданного напряжения, EVA;

k, l – вторичной обмотки трансформатора тока;

K,I– обмотки возбуждения возбудителя.

Ввод в действие.

Перед включением ДГ необходимо установить следующие уставки АРН:

R1 – по центру ;

R3 – вправо, до упора, затем влево, пока не погаснет индикатор цепи U/f,Н2;

R4 – влево, до упора (при пуске отрегулировать Un генератора);

S1 – 4; 6 (для DIG и DSG генераторов); 9 – 600/900 об/мин:

S2 – 4-x кодовый выключатель для ортимизации D-характеристики различных типов генераторов (S2.4 ON для генераторов DIG, DSG типов 74-125);

R7 – по центру (S=3%).

Работа. Tрехфазное текущее напряжение генератора преобразуется в VMC в постоянное напряжение, затем сравнивается с заданным, установленным при помощи потенциометра внешней уставки EVA.

Разница U = Uтек – Uзад поступает в PID-усилитель контроллерного блока С+РС.

Кроме этого, в PID-усилитель поступают сигналы от:

• DMC (Droop Measuring Circuit) представляющего собой (выпрямленную и отрегулированную потенциометром R7, Droop Voltage %) аналоговую сумму напряжения и тока нагрузки генератора;

• преобразователя U/f с (U/f controller), компенсирующего понижение частоты;

• внешнего входа “n”, позволяющего грубо корректировать EVA в отношении заданного напряжения генератора.

Все эти сигналы поступают на вход PID-усилителя. Выходные сигналы лимитируются ограничителем и идут на вход аналогового широтно-импульсного преобразователя PWM. Выход с PWM в виде одиночных импульсов регулирует ток возбуждения генератора при помощи силового полевого транзистора обедненного типа с n-каналом, обозначенного на схеме TV, в цепи ОВВ. Эти одиночные сигналы поступают не только на транзистор TV, но и в цепь контроллера наблюдения (Control Supervision), состоящего из интегратора, двух компараторов и линии задержки. Таким образом в этой цепи происходит измерение скорости изменения широтно-импульсных сигналов с PMW. В первый компаратор поступают сигналы от интегратора и от ОВВ (вх. А). Выход с первого компаратора сравнения идет на вход линии задержки. На вход второго компаратора поступают также два сигнала сравнения от ОВВ (т.-I) и выход от аналогового широтно-импульсного преобразователя. Т.е. обе цепи ОВВ контролируются цепью наблюдения CS и защищают ее от короткого замыкания. В этом случае поступающий на управляющий электрод сигнал от CS открывает тиристор Т и с помощью полевого транзистора TV отключает цепь ОВВ.

Таким образом, в PID- усилитель поступают различные по характеру сигналы, обеспечивающие реализацию следующих функций системы возбуждения COSIMAT N+:

- непрерывный контроль тока возбуждения ОВВ и ограничение по времени его максимального значения;

- измерение Uген , Iн, U и cosφ ;

- стабилизацию реактивной мощности (stable reactive power), осуществляющую заданный (при помощи потенциометра R7) статизм и, следовательно, наклон внешней характеристики регулирования;

- регулировку напряжения с точностью 0,2%Un.

Защитные функции:

1. Защита по минимальной частоте вращения (рис.13.2).

При помощи резистора R3 устанавливается порог (knee pоint) напряжения, начиная с которого, при величине (0,95 f/In) регулятор снижает значение U/Un до величины 0,675 f/In с задержкой 2 секунды с целью предотвращения снижения частоты вращения приводного двигателя во время пуска.

В исключительных случаях функцию «underspeed protection» можно отключить при помощи кодового выключателя S2.2.

2 .Ограничение максимального тока возбуждения.

Если генератор работает продолжительное время при максимальном токе возбуждения (fully on), система возбуждения может выйти из строя. Для предотвращения этого регулятор ограничивает время максимального возбуждения до 10 секунд. Если ток возбуждения не снизится, защита отключит ОВВ с помощью предохранителей.

Кроме двух вышеуказанных защит, может произойти и перегорание предохранителей при следующих неполадках:

- неисправности цепей измерения;

- отключении или неправильной регулировки защиты по низкой частоте вращения(underspeed);

- короткого замыкания в цепи ОВ;

- неисправности силовых выпрямителей системы возбуждения;

- сверхперегрузке СГ (короткое замыкание) продолжительностью более 10с.