1.1.3.1 Принципы построения сварн синхронных генераторов

Основной функцией АРН является стабилизация напряжения СЭС посредством изменения тока возбуждения генератора. Кроме того, схемы АРН дополняются устройствами, обеспечивающими надежное самовозбуждение СГ на холостом ходу и контурами коррекции напря­жения по частоте и температуре генератора.

Все комплектное устройство, обеспечи­вающее самовозбуждение генератора и стабилизацию его напряжения, будем называть системой возбуждения и автоматического регулирова­ния напряжения (СВАРН).

В СВАРН часть энергии переменного тока отбирается с выводов генератора, регулируется элементами АРН, преобразуется в энергию постоянного тока и подается в обмотку возбуждения генератора.

СВАРН СГ могут быть построены по одному из следующих принципов регулирования тока возбуждения:

- по отклонению регулируемой величины – напряжению генератора;

- по возмущающему воздействию – току нагрузки (прямое компаундирование);

- по току нагрузки и коэффициенту мощности (прямое фазовое компаундирование);

- по отклонению регулируемой величины и по возмущающему воздействию (комбинированные системы).

Системы АРН, действующие по возмущению. Для синхронных генераторов под возмущением понимают изменение тока нагрузки по значению и характеру (амплитуде и фазе).

Обязательным признаком таких систем является наличие в составе СВАРН трансформатора компаундирования (ТК) (рис. 1.8, а).

На общем магнитопроводе ТК расположены первичные обмотки тока w_т, напряжения w_н и вторичные, суммирующие обмотки w_c. Векторы магнитных потоков обмоток ТК совпадают с векторами токов соответствующих обмоток. Значение вектора магнитного потока Ф_т, создаваемого обмотками w_т, определяется значением тока нагруз­ки генератора, а его направление совпадает с направлением вектора полного тока генератора I (рис. 1.8, б). Значение и направление вектора Ф_н не зависят от тока нагрузки генератора и определяются сопротивлением цепи обмоток w _н. В данном случае благодаря включению компаунди­рующего элемента (дроссель L) вектор тока и магнитного потока в обмотках w _н отстает от вектора напряжения генератора примерно на угол 90° (рис. 1.8, б). Магнитные потоки Ф_т и Ф_н создают в совокупности суммарный магнитный поток Ф_с = Ф_т + Ф_н, который пересекает суммирующую обмотку и индуктирует в ней переменную ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется при помощи выпрямительного моста UZ, вследствие чего через обмотку возбуждения СГ протекает постоянный ток возбуждения. В соответствии с соотношением Е = сωФ, чем больше ток возбуждения, тем больше магнитный поток Ф и тем больше ЭДС СГ.

На практике изменение тока нагрузки генератора происходит одновременно как по значению, так и характеру.

Для упрощения объяснения рассмотрим изменение тока нагрузки поочередно, сначала по его значению (рис. 1.8, б) , а затем по характеру (рис. 1.8, в).

В случае увеличения тока нагрузки СГ без изменения фазы (см. рис. 1.8, б) (φ = соnst) напряжение генератора может уменьшиться, однако вместе с током нагрузки увеличится магнитный поток обмоток тока до значения Ф'_т. Соответственно увеличится магнитный поток суммирующих обмоток Ф_с до значения Ф'_с. Ток возбуждения СГ возрастет, и напряжение восстановится до номи­нального значения. Таким образом, в СГ токовые обмотки w_т выполняют ту же роль, что последовательная обмотка возбуждения в генераторах постоянного тока смешанного возбуждения, а именно: компенсировать своим магнитным потоком потерю напряжения вследствие увеличения нагрузки. Напомним, что именно благодаря наличию последовательной обмотки возбуждения генераторы постоянного тока смешанного возбуждения не нуждаются в автоматических регуляторах напряжения и поэтому применяются в качестве основных генераторов, предназначенных для производства электроэнергии.

В случае изменения тока нагрузки генератора по фазе при постоянном его значении (рис. 1.8, в) (I = соnst) изменяется размагничи­вающее действие продольной составляющей магнитного потока реак­ции статора. В результате ЭДС генератора также изменит свое значение. На диаграмме в связи с увеличением индуктивной составляющей тока вектор Ф_т переместится в положение Ф_т". Суммарный магнитный поток увеличится до значения Ф_с"> Ф_с. Ток возбуждения СГ увеличится, а напряжение стабилизируется.

Регулирование тока возбуждения СГ по значению и характеру (амплитуде и фазе) тока нагрузки называется амплитудно-фазовым компаундированием. В переводе с английского глагол to compound означает «смешивать», в данном случае, смешивать магнитные потоки токовых обмоток и обмоток напряжения и получать суммарный магнитный поток, пересекающий витки суммирующих обмоток.

В рассмотренной схеме суммирование воздействий тока нагрузки и напряжения выполнено электромагнитным путем, т.е. суммированием магнитных потоков токовых обмоток Ф_т и обмоток напряжения Ф_н при помощи трансформатора компаундирования ТК.

Значительные размеры и масса ТК ухудшают массогабаритные показатели систем управления, кроме того, мощная магнитная система ТК увеличивает время переходных процессов.

Принципиально возможно суммирование воздействий тока нагрузки и напряжения электрическим путем, т.е. суммированием не магнитных потоков, а напряжений, одно из которых пропорционально току нагрузки, а второе – напряжению генератора. Обычно такое суммирование применяют для генераторов небольшой мощности – до нескольких десятков кВт.

Системы АРН, действующие по отклонению. В АРН под отклонением (регулируемой величины) понимают отклонение напряжения по отношению к номинальному. В таких системах исключен ТК, а АРН работает как корректор напряжения КН (рис. 1.9, а).

Принцип действия системы состоит в том, что корректор КН измеряет истинное значение напряжения СГ, и в случае его отклонения вырабатывается управляющий сигнал, который через регулирующий элемент (например, управляемый выпря­митель UZ) изменяет в нужную сторону (корректирует) ток возбуждения СГ.

Кроме того, через КН дополнитель­но осуществляется коррекция напряжения СГ по температуре и часто­те.

Также в КН включается узел (контур) для автоматического распределе­ния реактивных нагрузок при параллельной работе СГ.

Системы, действующие по отклонению напряжения, не имеют в своем составе ТК, что делает их более компактными. Такие системы имеют лучшее быстродействие, чем системы с ТК.

Комбинированные СВАРН. В схемах этих систем имеются ТК и КН (рис. 1.9, б). С помощью ТК регулирование выполняется с недостаточ­ной точностью, обычно ± 3,5 – 4%, а применение КН повышает точность регулирования до ±1,5 - 2%. Поэтому в целом комбинированные СВАРН обладают высокой точностью стабилизации напряжения СГ.

Принцип действия комбинированной системы состоит в том, что ток с выхода КН поступает на обмотку управления w , расположенную на магнитопроводе ТК. Как правило, при отключенном КН напряжение генератора увеличено (примерно на 10 % номинально­го). Ток обмотки w размагничивает трансформатор компаундирова­ния, уменьшая результирующий магнитный поток. В случае примене­ния управляемого выпрямителя UZ корректор напряжения может воздействовать непосредственно на его систему управления.

Схемы КН и их элементная база отличаются большим разнообра­зием: они выполняются на базе магнитных усилителей или с примене­нием полупроводниковых устройств.

Вне зависимости от типа СВАРН, основную часть схемы СВАРН дополняют устройствами, предназначенными для повышения устойчивости параллельной работы и компенсации влияния на напряжение СГ колебаний частоты вращения ПД и нагрева СГ.

К таким устройствам относятся:

• реактивные компенсаторы или компенсаторы реактивной мощности;

• контуры частотной коррекции;

• контуры температурной компенсации.