5.3. Контуры температурной компенсации

При работе СГ его обмотка статора и обмотка возбуждения нагреваются, их сопро-

тивление увеличивается.

Увеличение активного сопротивления обмотки статора приводит к увеличению полного сопротивления обмотки

Z = ,

где: R – активное сопротивление обмотки статора, Ом;

X - индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом.

При этом увеличивается падение напряжения на обмотке статора Iz, что приводит к уменьшению напряжения на зажимах СГ.

Увеличение сопротивления обмотки ротора приводит к уменьшению тока возбуж

дения

I = ,

где U - напряжение возбуждения СГ, В;

R - сопротивление обмотки возбуждения, Ом.

Уменьшение тока возбуждения приводит к уменьшению магнитного потока Ф, ЭДС и напряжения СГ.

Таким образом, нагрев обмоток статора и возбуждения снижает напряжение син-

хронных генераторов.

Для температурной компенсации используют полупроводниковые приборы, сопро-

тивление которых зависит от температуры – терморезисторы. Эти приборы встраивают в лобовые части обмотки статора СГ ( терморезистор RК на рис. 3.9).

Рис. 3.9.Принципиальная схема температурной коррекции

При нагреве обмоток напряжение СГ уменьшается, в то же время нагревается и ре-

зистор RК: его сопротивление увеличивается, и на входе КН напряжение уменьшится.

Корректор напряжения СВАРН увеличивает ток возбуждения СГ, в результате напряжение СГ также увеличится

6. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов типа мсс

Устройство АРН

Генераторы типа МСС установлены на большом количестве судов отечественной постройки. Схема их СВАРН представляет собой комбинированную систему стабилиза-

ции напряжения. Она сравнительно проста и показала себя надежной в эксплуатации.

К основ­ным элементам, входящим в систему, относятся ( рис. 3.10 ):

1. синхронный генератор G;

2. трансформатор компаундирования ТК;

3. блок силовых выпрямителей UZ1, который включен на напряжение суммирую

щей обмотки w и подает питание на обмотку возбуждения генератора ОВ;

4. генератор начального возбуждения ГНВ с выпрями­телем UZ2;

5. управляемый дроссель с рабочими обмотками w и обмот­кой управления w

( дроссель отбора тока ДОТ );

6. компенсатор реактивной мощности с трансформатором тока ТА, компаундирую

щим резистором R3 и выключателем SА;

7. резистор термокомпенсации RК;

8. автоматический выключатель QF генератора;

9. выключатель тока возбуждения QS,

10. подстроечные ( дополнительные ) резисторы R1, R2.

Рассмотрим устройство и принцип действия основных узлов схемы СВАРН.

Трансформатор компаундирования ТК

На каждом стержне магнитопровода ТК размещены 4 обмотки: 2 первичные – токо

вая w_т и напряжения w_{н ,} и 2 вторичные – суммирующая w_c и напряжения w.

Назначение и принцип действия первых трех обмоток - w_т, w_н и w_c объяснены вы-

ше, вторичная обмотки w входит в состав узла распределения реактивных нагрузок и, кро-

ме того, обеспечивает коррекцию по напряжению и, вместе с терморезистором RK , кор-

рекцию по температуре ( см. ниже ).

У стержня, на котором расположена обмотка напряжения w , установлен магнит-

ный шунт, который увеличивает индуктивное сопротивление этих обмоток. Поэтому век-

торы тока и магнитного потока Ф обмоток w отстают от вектора напряжения генератора на угол примерно 90º ( рис. 3.10, б ).

Дроссель отбора тока ( ДОТ )

Как следует из схемы, пониженное при помощи ТК линейное напряжение U

обмотки w через резисторы R3 и R1 поступает на вход выпрямительного мостика UZ3, с выхода которого выпрямленное напряжение через резистор R2 и терморезистор RK пода

ется на обмотку управления w_у дросселя отбора тока ДОТ.

ДОТ представляет собой 3-фазный дроссель с тремя стержнями, на каждом из них

находится рабочая обмотка. Эти обмотки соединены в «звезду». Они включены параллель

но по отношению к суммирующей обмотке w_c, т.е. выполняют роль своеобразного 3-фаз-

ного шунта переменного тока.

Как следует из схемы, суммирующая обмотка служит источником питания двух об-

моток – обмотки возбуждения генератора через мостик UZ1 и трех рабочих обмоток w_р

непосредственно.

Принцип действия ДОТ состоит в следующем: при изменении тока в его обмотке управления w_у изменяется степень подмагничивания сердечника, что приводит к измене

нию индуктивного сопротивления его рабочих обмоток w_р. Например, при увеличении тока в обмотке управления w_у сердечник дросселя дополнительно подмагничивается, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления рабочих обмоток w_р, а значит, по закону Ома, к увеличению тока в них.

Увеличенный ток рабочих обмоток протекает через суммирующую обмотку w_c и

увеличивает падение напряжения на ней. В результате напряжение на выходе суммирую-

щей обмотки уменьшается, что приводит к уменьшению тока возбуждения генератора в обмотке ОВГ и снижению напряжения на зажимах генератора.

Таким образом, при увеличении тока в обмотке управления w_у ДОТ напряжение генератора уменьшается, и наоборот.

Рис. 3.10. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения СГ типа МСС: а – принципиальная схема; б – векторная диаграмма магнитных потоков ТК ; в – векторная диаграмма напряжений корректора напряжения

Самовозбуждение генератора

Процесс самовозбуждения синхронных генераторов протекает следующим обра-

зом.

Полюса ротора СГ имеют небольшой магнитный поток, который называют остаточ

ным Ф .

При пуске ПД ротор СГ начинает вращаться, поэтому вместе с полюсами СГ этот поток вращается, пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней неболь-

шую, порядка 20…30 В остаточную ЭДС. Эта ЭДС поступает в обмотку напряжения w

ТК.

В результате в суммирующей обмотке w_c появляется вторичная ЭДС величиной в несколько вольт ( пара обмоток w и w_c работает как обычный понижающий трансформа-

тор, в котором w - первичная обмотка, а w_c – вторичная ).

Эта ЭДС поступает на мостик UZ1, при помощи которого выпрямляется.

В результате в обмотке возбуждения генератора G возникает ток возбуждения, что приводит к резкому увеличению магнитного потока полюсов ротора. ЭДС обмотки стато

ра увеличивается, что вызывает увеличение напряжения на обмотках w и w_c ТК, а значит, к увеличению тока возбуждения генератора.

Далее описанный процесс увеличения тока возбуждения генератора повторяется. Напряжение на зажимах генератора также увеличивается.

Процесс самовозбуждения закончится в одном из двух случаев:

1. вследствие насыщения полюсов ротора, при этом напряжение на зажимах гене-

ратора составляет 430…460 В ( в зависимости от типа генератора ) при номинальном на-

пряжении 400 В;

2. вследствие введения в цепь обмотки возбуждения генератора регулировочного

реостата, при помощи которого можно изменять напряжение от нуля до максимального.

В данной схеме описанный процесс самовозбуждения невозможен, потому что при

малых напряжениях на входе мостика UZ1 ( в начале процесса самовозбуждения ) прямое сопротивление диодов мостика велико. Иначе говоря, мостик UZ1 представляет собой своеобразную «пробку» на пути увеличения тока возбуждения генератора.

Поэтому для обеспечения начального самовозбуждения в данной схеме использо-

ван генератор начального возбуждения ГНВ

Генератор начального возбуждения ГНВ

ГНВ предназначен для устойчивого начального возбуждения генератора G.

ГНВ представляет собой 1-фазный генератор переменного тока с сильными посто-

янными магнитами на статоре ( т.е. у него нет обмотки возбуждения на магнитных полю-

сах статора ) и выходной обмоткой на роторе. Ротор ГНВ сидит на одном валу с ротором СГ.

Процесс начального самовозбуждения СГ протекает следующим образом.

После пуска ПД роторы СГ и ГНВ начинают разгоняться. При этом мощный маг-

нитный поток полюсов ГНВ пересекает обмотку ротора ГНВ и наводит в ней 3-фазную ЭДС, которая выпрямляется при помощи мостика UZ2 и после выпрямления поступает на обмотку возбуждения ОВГ СГ.

В результате в обмотке статора СГ индуктируется 3-фазная ЭДС, которая через об-

мотку напряжения w трансформируется в суммирующую обмотку w , выпрямляется при помощи мостика UZ1 и после выпрямления поступает на обмотку возбуждения ОВГ СГ.

При этом ток возбуждения СГ увеличивается, что приводит к увеличению 3-фазной ЭДС обмотки статора, а значит, к увеличению прямого напряжения на диодах мостика UZ1 до значения, при котором диоды начинают пропускать ток ( для кремниевых диодов это напряжение составляет порядка 1 В ).

Как следует из схемы, выходные напряжения мостиков UZ1 и UZ2 направлены встречно. Поэтому в номи­нальном режиме работы СГ, когда напряжение на выходе мости

ка UZ1 больше напряжения на выходе мостика UZ2, последний «запирается» и далее в ра-

боте схемы не участвует.

Амплитудно-фазовое компаундирование

Процесс амплитудно-фазового компаундирования поясняется с по­мощью вектор-

ной диаграммы, представленной на рис. 3.10, б.

Как следует из диаграммы, вектор магнитного потока Ф_н обмотки напряжения w_н отстает от вектора фазного напряжения генератора U на угол 90º, что объясняется боль-

шим индуктивным сопротивлением этой обмотки, обусловленным действием магнитного шунта ТК.

Рассмотрим регулирование напряжения по величине ( амплитуде ) и характеру ( фа

зе ) поочередно.

Регулирование напряжения по величине ( амплитуде ) тока нагрузки

Рассмотрим регулирование напряжения при изменении тока нагрузки по амплитуде ( величине ).

При некотором токе нагрузки магнитный поток Ф_т токовой обмотки w_т ТК отстает от напряжения генератора U на угол φ.

Этот поток суммируется с магнитным потоком Ф_н обмотки напряжения w_н ( по пра

вилу параллелограмма ), в результате суммарный магнитный поток этих двух обмоток Ф_с

пересекает витки суммирующей обмотки w_c, наводя в последней некоторую ЭДС взаимо-

индукции.

Эта ЭДС поступает на вход мостика UZ1 и выпрямляется, вследствие чего через об

мотку возбуждения генератора ОВГ протекает ток, обеспечивающий необходимое напря-

жение на зажимах генератора.

Если ток нагрузки увеличится, то напряжение генератора уменьшится. Однако при этом вектор магнитного потока токовой обмотки w_т увеличится от прежнего значения Ф_т

до нового значения Ф'_т , что приведет к увеличению магнитного потока суммирующей обмотки w_c от значения Ф_с до значения Ф'_с , а значит, к увеличению ЭДС в этой обмотке и тока возбуждения.

В результате напряжение генератора восстановится.

Регулирование напряжения по характеру ( фазе ) тока нагрузки

Если ток нагрузки, не изменяясь по величине, станет более индуктивным, напряже

ние генератора уменьшится из-за усиления размагничивания генератора идуктивной со-

ставляющей тока нагрузки, протекающего через обмотку статора генератора.

Однако при этом вектор магнитного потока токовой обмотки w_т , не изменяясь по величине, повернется на больший угол φ₁( φ_1>φ ), т.е. переместится из положения, занима

емого вектором Ф_т , в положение вектора Ф''_т что приведет к увеличению магнитного пото

ка суммирующей обмотки w_c от значения Ф_с до значения Ф''_с , а значит, к увеличению ЭДС в этой обмотке и тока возбуждения.

В результате напряжение генератора восстановится.

Коррекция по отклонению напряжения от заданного значения

Напомним, что основную роль в стабилизации напряжения играет ТК, с помощью которого отклонение напряжения от заданного значения не превышает ± 3,5%.

Для повышения точности регулирования до ± 1,5%.в схеме использована коррек-

ция по отклонению напряжению.

Узел коррекции по напряжению работает так.

При уменьшении напряжения генератора уменьшается линейное напряжение U_ВС

на вторичной обмотке w ТК. При этом уменьшается ток в обмотке управления w_у дросселя отбора тока ДОТ, что приводит ( см. объяснение работы ДОТ выше ) к увеличению тока возбуждения генератора и восстановлению напряжения.

Коррекция по температуре

При повышении температуры обмоток статора и ротора напряжение генератора уменьшается. Однако при этом одновременно увеличивается сопротивление терморезисто

ра RK, что приводит к уменьшению тока в в обмотке управления w_у дросселя отбора тока ДОТ. В результате ( см. объяснение работы ДОТ выше ) ток возбуждения генератора уве-

личивается, и напряжение генератора восстанавливается.

Компенсатор реактивной мощности

В состав компенсатора входят: трансформатор тока ТА, компаундирующий рези-

стор R3 и выключатель SА.

Первичная обмотка ТА включена в линейный провод фазы А. В цепь вторичной обмотки включен последовательно компаундирующий резистор R3.

Переключатель SA имеет два положения – «Одиночная работа генератора» и «Па

раллельная работа генератора».

При одиночной работе генератора выключатель SА включен, его контакт замкнут и шунтирует вторичную обмотку трансформатора тока ТА и компаундирующий резистор R3. Поэтому компенсатор реактивной мощности не работает.

При парал­лельной работе СГ выключатель SА разомкнут. Теперь через вторичную обмотку ТА и резистор R3 протекает ток вторичной обмотки, создающий на резисторе R3

падение напряжения

Ū = Ī R3,

где Ī - ток вторичной обмотки ТА, прямо пропорциональный току фазы А гене-

ратора;

R3 – сопротивление компаундирующего резистора.

Резистор R3 и вторичные фазные обмотки «В»и «С» ТК соединены последователь-

но, поэтому на вход выпрямителя UZ3 поступает напряжение управления U = Ū + Ū .

При таком напряжении управления ток Ī обмотки статора генератора отстает от напряжения на некоторый угол φ.

При увеличении реактивной ( индуктивной ) составляющей тока генера­тора вектор тока фазы А, не изменяясь по величине ( на диаграмме – по длине ), повернется на угол φ и займет положение вектора Ī' .

Одновременно с вектором тока повернется на такой же угол вектор напряжения

Ū , который займет положение вектора Ū' . При этом напряжение управления увели-

чится до значения U' = Ū + Ū' .

Это ( см. выше «Дроссель отбора тока ДОТ» ) приведет к уменьшению ЭДС генера

тора, и часть индуктивной нагрузки автоматически перейдет на второй генератор.

Резисторы R1, R2, R3

Генераторы серии МСС выпускают на номинальные напряжения 400 и 230 В.

Резистор R1 предназначен для настройки схемы СВАРН на эти два разных напряже

ния – сопротивление этого резистора максимально при напряжении 400 В и минимально при напряжении 230 В. В обоих случаях на вход мостика UZ3 поступает примерно одина-

ковое напряжение.

Резистор R2 предназначен для регулировки напряжения холостого хода генератора – чем больше сопротивление этого резистора, тем меньше ток в обмотке управления w и

тем больше напряжение холостого хода генератора ( см. выше «Дроссель отбора тока ДОТ» ). При этом внешняя характеристика генератора U ( I ) переместится вверх парал-

лельно самой себе, т.е напряжение генератора при холостом ходе и при работе под нагрузкой будет больше, чем при прежнем значении сопротивления резистора R2.

Резистор R3 предназначен для изменения статизма ( наклона ) внешней характери-

стики генератора. Такое изменение позволяет обеспечить равенство токов нагрузки одно-

типных генераторов при их параллельной работе.

При увеличении сопротивления резистора R3 падение напряжения на нем Ū так

же увеличивается, что приводит к увеличению напряжения управления U = Ū + Ū и, в конечном счете, к увеличению статизма ( наклона ) внешней характеристики

( см. выше «Дроссель отбора тока ДОТ» ).

Параметры регулирования

СВАРН данного типа обеспечивает стабилизацию напряжения СГ с отклонением ±2,5 % номинального при условиях: установившегося температурного режима; изменении тока нагрузки от 0 до номиналь­ного значения; изменении коэффициента мощности от 0,7 до 0,9; коле­баниях частоты вращения ПД в пределах ±2 % номинальной.

При параллельной работе СГ обеспечивается пропорциональное распреде­ление реактивных нагрузок с отклонением не более ± 10 % номиналь­ной реактивной нагрузки наибольшего генератора.

При прямом пуске АД наибольшей мощности время восстановления напряжения состав­ляет не более 0,8 с.

Настройка СВАРН

Настройку СВАРН начинают на холостом ходу путём регулирова­ния воздушного зазора между магнитным шунтом и магнитопроводом ТК.

Необходимо, чтобы при частоте тока 51 Гц и отключенном регули­руемом дросселе ЭДС генератора составляла Е = (1,10…1,13)U .

После этого включают цепь дросселя и резистором R2 уставки устанавливают нужное значение ЭДС (при включенном выключателе SA).

Затем, переводя подвижной контакт резистора R2 в крайние положения, проверяют диапазон изменения уставки (от 1,02 до 0,93 U ).

Если диапазон регулирования нужно сместить ( например, при переходе от напря

жения 400 В к напряжению 230 В, или наоборот ), то это делают с помощью резистора R1.

Далее генератор нагружают. Если при этом наблюдается резкое падение напряже-

ния, то чередование фаз подключения обмотки w_н изменяют.