12.Системы возбуждения сд и их основные свойства. Автоматическое регулирование возбуждения сд.

I. Системы возбуждения с генераторами постоянного тока. Классическая система возбуждения синхронных машин, широко используемая и в настоящее время, состоит из возбудителя в виде генератора параллельного возбуждения на общем валу с синхронной машиной (см. рис. 34-1). У тихоходных машин мощностью до Р_н »5000 квт для уменьшения веса и стоимости возбудителей последние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи.

Гидрогенераторы также обычно имеют возбудитель на одном валу с генератором. Однако при этом у мощных тихоходных генераторов с n_Н== 60 — 150 об/мин размеры и стоимость возбудителя в связи со значительной его мощностью и тихоходностью получаются большими. Кроме того, тихоходные возбудители вследствие своих больших размеров обладают большой электромагнитной инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования и форсировки возбуждения. Поэтому применяют также системы возбуждения в виде отдельного быстроходного агрегата (n== 750 — 1500 об/мин), состоящего из асинхронного двигателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель при этом получает питание от специального вспомогательного синхронного генератора, расположенного на одном валу с главным гидрогенератором, а в некоторых случаях — с шин собственных нужд гидростанции или с выводов главного гидрогенератора. В последнем случае возбудительный агрегат подвержен влиянию аварий в энергосистеме (короткие замыкания и пр.), и поэтому для повышения его надежности приводные асинхронные двигатели выполняют с повышенным максимальным моментом ( ), а иногда эти агрегаты снабжают также маховиками. В виде отдельных возбудительных агрегатов выполняются также агрегаты резервного возбуждения электростанций, служащие для резервирования собственных возбудителей генераторов в случае аварий и неисправностей.

Турбогенераторы мощностью до Р_н== 100 тыс. квт также обычно имеют возбудители в виде генераторов постоянного тока на своем валу. Однако при Р_н > 100 тыс. квт мощность возбудителей становится настолько большой, что их • выполнение при n_н= 3000 — 3600 об/мин по условиям коммутационной надеж-ности становится затруднительным или даже невозможным. При этом применяются разные решения. Например, за границей широко используются возбу-дители со скоростью вращения n_н== 750 — 1000 об/мин, соединяемые с валом турбогенератора с помощью редуктора, а также возбудительные агрегаты с асинхронными двигателями, получающими питание с шин станции или с выводов генератора.

Применяются также некоторые разновидности систем возбуждения с машинами постоянного тока. Например, мощные возбудители крупных машин иногда имеют подвозбудители ,которые служат для возбуждения возбудителя.

Регулирование системы возбуждения при этом производится в цепи возбуждении подвозбудителя, в которой протекает малый ток. Этим достигается снижение мощности и веса аппаратуры управления и регулирования.

Компаундированная система возбуждения с возбудителем постоянного тока. В современных системах возбуждения широко применяется принцип компаундирования, т. е. автоматическое изменение н. с. возбуждения при и ш нении тока нагрузки синхронного генератора, подобно тол как это происходит в генератоpax постоянного тока со смешанным возбуждением при согласном включении последовательной обмотки возбуждения. Так как в обмотке якоря синхронной машины протекает переменный ток, а в обмотке возбуждения 2—постоянный ток, то в схемах компаундирования синхронных машин применяются полупроводниковые выпрямители.

В приведенной принципиальной схеме компаундированной системы возбуждения с возбудителем постоянного тока обмотка возбуждения возбудителя 4 подключена к якорю возбудителя 3 с реостатом 6 и, кроме того, к выпрямителям 9, получающим питание от последовательных трансформаторов 7.

Система возбуждения с токовым компаундированием

На холостом ходу генератора обмотка 4 получает питание только от якоря 3. По мере увеличения тока нагрузки генератора 1 напряжение вторичной обмотки трансформатора 7 будет расти, и уже при небольшой нагрузке это напряжение выпрямленное выпрямителем 9, сравняется с напряжением обмотки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки обмотка 4 будет подпитываться от трансформатора 7 и поэтому ток этой обмотки и ток возбуждения генератора i_f будут расти с увеличением нагрузки.

При увеличении сопротивления установочного реостата 8 напряжение, подаваемое на выпрямители 9, и компаундирующее действие трансформатора 7 будут расти. При коротких замыканиях компаундирующее устройство осуществляет форсировку возбуждения.

Компаундирующее действие схемы зависит только от величины тока I и не зависит от его фазы. Поэтому при индуктивной нагрузке это действие слабее, чем при активной нагрузке. Такое компаундирование называется токовым, и при этом постоянство напряжения U в пределах диапазона нормальных нагрузок удается сохранять с точностью до ± (5—10)% . Такая точность для современных установок недостаточна, и поэтому в схемах применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряжения 11, который соединен с помощью трансформатора 10 c зажимами генератора, а также с установочным реостатом 8. Регулятор 11 реагирует на изменения напряжения U и тока I и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуждения возбудителя 5. Он состоит из статических элементов (магнитный усилитель, насыщенный трансформатор, полупроводниковые выпрямители и др.), и подробности его устройства здесь не рассматриваются. Подобная система возбуждения широко применяется для генераторов мощностью до 100 тыс.квт.

Система возбуждения с возбудителями переменного тока и выпрямителями

Система возбуждения с генераторами переменного тока и выпрямителями.

Как указывалось выше, для мощных гидро- и турбогенераторов системы возбуждения с возбудителями постоянного тока, находящимися на одном валу с генераторами, становятся неэкономичными и даже невыполнимыми. В этих случаях применяются системы возбуждения с генераторами переменного тока и управляемыми или неуправляемыми выпрямителями (рис. 40-3).

С хема рис., а положена в основу системы возбуждения гидрогенераторов Волжских, Братской и Красноярской ГЭС, причем вспомогательный синхронный генератор нормальной частоты 3 и возбудитель 7 расположены на одном валу с главным генератором 7, а ионный выпрямитель 5 с одноанодными вентилями имеет сеточное управление от регулятора возбуждения сильного действия. Гашение поля осуществляется переводом выпрямителя 5 в инверторный режим для передачи мощности от обмотки возбуждения главного генератора 2 к вспомогательному генератору 3.

Система самовозбуждения с фазовым компаундированием

Схема применяется заводом «Электросила» для турбогенераторов мощностью 150 тыс. квт и выше. В этой схеме обмотка возбуждения 2 главного генератора 1 получает возбуждение от индукторного генератора (возбудителя) 3 частотой 500 гц через кремниевые выпрямители 5. Генератор 3 имеет две обмотки возбуждения: обмотку независимого возбуждения 4, получающую питание от вспомогательного генератора (подвозбудителя) 9 через выпрямители 5, и обмотку последовательного самовозбуждения 6. Генератор 9 имеет полюсы в виде постоянных магнитов. Генераторы 3 и 9 расположены на одном валу с главным генератором 1. Индукторный генератор не имеет обмоток на роторе и поэтому очень надежен в работе. Параллельно к обмотке его якоря присоединена трехфазная индуктивная катушка (дроссель) 10, подмагничиваемая постоянным током. Катушка 10 потребляет от генератора 8 индуктивный ток, и так, как при f == 500 гц индуктивное сопротивление обмотки якоря генератора велико, то напряжение на ее зажимах сильно зависит от тока катушки 10. Пуп м регулирования тока подмагничивания катушки 10 достигается быстрое регулирование напряжения генератора 3 и тока возбуждения i_f. Обмотка возбуждения 6 способствует форсировке возбуждения при коротких замыканиях за счет действия апериодического переходного тока в обмотке возбуждения 2.

Наиболее мощные современные турбогенераторы имеют i_f == 5000 — 10000а, и при этом даже работа контактных колец со щетками становится затруднительной. Поэтому в настоящее время строятся также генераторы с бесконтактными системами возбуждения. Такую систему можно выполнить, если обмотку якоря 8 генератора переменного тока поместим на его роторе, укрепленном на валу главного генератора 7, а обмотку возбуждения 4 поместить на статоре. Полупроводниковые выпрямители 5 при этом укрепляются на диске, который также укреплен на валу генератора 1 и вращаете я вместе с его ротором и обмоткой возбуждения 2. Задача регулирования тока i_f в этом случае возлагается на подвозбудителъ 7—8, который также можно выполнить в виде бесконтактного генератора переменного тока. Подобные системы возбуждения весьма перспективны, но имеют тот недостаток, что гашение поля можно осуществить только в цепи обмотки 4 и в этом случае поле главного генератора гасится относительно медленно.

Компаундированные генераторы с самовозбуждением. Выше рассматривались независимые системы возбуждения, в которых вся энергия или ее часть для возбуждения синхронного генератора получалась от возбудителей в виде машин постоянного или переменного тока. Наряду с ними применяются также системы самовозбуждения, в которых эта энергия получается из цепи якоря самого генератора. Особенно широко такие системы возбуждения применяются для генераторов малой и средней мощности, работающих в автономных системах (лесоразработки, транспортные установки и т. д.). В последние годы системы самовозбуждения все чаще начинают применять также для крупных генераторов, работающих в мощных энергосистемах, и для синхронных двигателей. При этом обычно используется также принцип компаундирования.

Вторичная э. д. с. параллельного трансформатора 3 пропорциональна U, а вторичная э. д. с. последовательного трансформатора 5 пропорциональна /. Вторичные обмотки этих трансформаторов включены параллельно и

Т

Схемы замещения системы самовозбуждения с фазовым компаундированием

ок возбуждения i_f I_f зависит не только от величины тока нагрузки /, но и от его фазы, вследствие чего схема называется схемой фазового компаундирования. Это позволяет усиливать компаундирующее действие системы возбуждения при индуктивной нагрузке генератора, поскольку индуктивная составляющая тока нагрузки генератора вызывает наибольшее падение напряжения.

Предположим, что первичные обмотки трансформаторов 3 и 5 приведены к вторичным, сопротивления этих трансформаторов и выпрямителей 6 равны нулю и сопротивление обмотки возбуждения 2, приведенной к стороне переменного тока, равно .

Пусть рассматриваемый генератор является неявнополюсным. Тогда его векторная диаграмма имеет вид, изображенный на рис. 40-6 сплошными линиями. Так как U' и I_i пропорциональны U и I и совпадают с ними по фазе (или сдвинуты относительно них на 180°), то схеме рис. 40-5 б и равенству (40-2) соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис. 40-6 штриховыми линиями. Из этого рисунка следует, что при соответствующем выборе коэффициентов трансформации трансформаторов 3 и 5 и сопротивления индуктивной катушки 4 векторные диаграммы рис. 40-6 будут подобны. Поэтому при U == const и при любой величине и фазе I будет U_f Е и, согласно (40-2), I_f Е, т.е. при любой нагрузке ток возбуждения i_f будет индуктировать такую э. д. с. А, что сохраняется U == const.

При X_L=0 компаундирование будет отсутствовать. В этом случае при увеличении I трансформатор 5 будет брать на себя нагрузку трансформатора 3 и ток I_f увеличиваться не будет.

Трансформаторы 3 и 5 на рис. 40-4 можно объединить также в один общий трансформатор с двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, присоединенной к выпрямителю 6. Катушку 4 при этом необходимо перепоет в первичную обмотку напряжения. Вместо этого можно также искусственно уве личить рассеяние этой обмотки, отделив ее от других обмоток трансформатора магнитным шунтом. При высоком напряжении трансформатор 5 целесообразно включить со стороны нейтрали обмотки якоря генератора. В генераторах малой мощности иногда отказываются от трансформатора 3 и катушку 4 присоединяй и непосредственно к зажимам генератора. Применяются также другие разновидности подобных систем возбуждения.

Вследствие насыщения и других причин как у неявнополюсных, так и явно-полюсных генераторов U == const в действительности поддерживается с точностью (2—5)%. Для генераторов малой мощности такая точность достаточна, но для генераторов большой мощности необходимо дополнительное регулирование напряжения с помощью корректора или регулятора напряжения. Для этой цели катушку 4 можно выполнить с подмагничиванием постоянным током, и в этом случае регулятор напряжения регулирует величину этого тока, чем достигается изменение X_L и тока I_f. в необходимом направлении. Если выпрямители 6 являются управляемыми, то регулятор напряжения может действовать на эти выпрямители.

Самовозбуждение синхронного генератора происходит только при наличии потока остаточного намагничивания, как и в генераторах , постоянного тока с параллельным возбуждением. Однако вследствие повышенного сопротивления выпрямителя при малых токах и других причин остаточный поток обычной величины индуктирует недостаточно большую э. д. с. для обеспечения самовозбуждения синхронного генератора и поэтому необходимо принимать дополнительные меры (применение резонансных контуров, включение в цепь возбуждения небольшого аккумулятора или добавочного генератора с постоянными) магнитами, увеличение остаточного потока посредством магнитных прокладок в полюсах генератора и пр.). Для получения резонансного контура параллельно зажимам выпрямителя 6 со стороны переменного тока можно подключить конденсаторы 7. Если емкости С подобрать так, что во время пуска генератора при n n_Н возникнет резонанс напряжений, то напряжение на конденсаторах 7 и напряжение выпрямителя 6 повысятся в несколько раз и произойдет самовозбуждение. При п=n_н условия резонанса нарушатся, и поэтому конденсаторы оказывают незначительное влияние на работу схемы. В схемах возбуждения применяются полупроводниковые выпрямители. Благодаря своей простоте, надежности и хорошим регулирующим свойствам подобные схемы возбуждения получают все более широкое применение. Для защиты от перенапряжений при асинхронном ходе и других необычных условиях выпрямители обычно шунтируются высокоомным и или нелинейными сопротивлениями.

Генераторы малой мощности с рассмотренной системой возбуждения допускают прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей, мощности которых соизмеримы с мощностью генераторов. При этом пусковой ток двигателя благодаря компаундированию осуществляют форсировку возбуждения генератора и поэтому его напряжение сильно не снижается, несмотря на большие пусковые токи индуктивного характера. Применяются и другие разновидности систем возбуждения. Характерным является все более широкая замена систем с возбудителями постоянного тока системами с полупроводниковыми выпрямителям