Контрольные вопросы

1. Принцип действия системы возбуждения THYRIPART.

2. Устройство АРН.

3. Принцип действия АРН.

4. Возможные неисправности системы возбуждения.

5. Обслуживание системы возбуждения THYRIPART.

Глава 4. Система возбуждения типа тr бесщеточного синхронного генератора

Хорошо известно, что компаундная система возбуждения, имеющая кремниевые выпрямители, широко используется для судовых синхронных генераторов.

Это объясняется её преимуществами: нет необходимости в уходе и инспекции коллектора возбудителя постоянного тока и замене щеточно-кольцевого аппарата. В последние годы, однако, бесщёточные синхронные генераторы, которые свободны от ухода и инспекций генераторных щеток, не говоря о вышесказанном уходе и инспекциях, являются более предпочтительными в смысле трудозатрат и совершенствования судов.

Единственным недостатком БСГ является ненадёжная работа возбудителя, находящегося на вращающемся роторе. Проблема состоит в медленном возбуждении системы, представленной здесь, которая, в свою очередь, состоит из:

• возбудителя переменного тока Ex;

• цепи шунтирования тиристором, который связан с обмоткой возбуждения возбудителя;

• автоматического регулятора напряжения AVR, включая простой, но всё же надёжный операционный усилитель для управления упомянутой цепи шунтирования.

Рис. 4.1 показывает электрическую схему СГ с системой возбуждения

Возбудитель имеет отличные рабочие характеристики регулирования напряжения, восстановления напряжения и подпитки при коротком замыкании, подобно обычному самовозбуждающемуся СГ с компаундным возбудителем.

Рис. 4.1. Принципиальная схема системы самовозбуждения типа TR бесщеточного синхронного генератора

Часть возбуждения в этой схеме поступает от выходного напряжения генератора на реактор X и далее на обмотку напряжения трехобмоточного трансформатора фазового компаундирования TWT. Первичная обмотка CW является токовой. Для лучшего возбуждения СГ в схеме использован блок конденсаторов ЗС, который совместно с реактором X обеспечивает резонансный контур, при котором сопротивление обмотки возбуждения генератора уменьшается.

Токовая обмотка TWT связана с током нагрузки. Таким образом, результирующий ток возбуждения I_f от 2-х составляющих: тока и напряжения генератора, выпрямляется выпрямителем MR и затем поступает на ОВ возбудителя.

В дополнение к основному току возбуждения, система возбуждения ТR имеет цепь шунтирования тиристором выходной обмотки TWT, в которой избыток тока шунтируется и управляется в соответствии с изменением напряжения генератора, для поддержания его на номинальном значении.

Чтобы быть точным, тиристорная схема шунта управляется сигналом открытия тиристора автоматического регулятора напряжения ТРН. Если напряжение генератора повышается сверх номинального значения, угол открытия тиристора увеличивается также, повышается шунтовой ток. Если напряжение генератора падает, угол открытия тиристора уменьшается, чтобы увеличить напряжение генератора. Когда реактор X и емкость ЗС образуют резонанс, влияние сопротивления ОВГ на систему управления сведено к минимуму.

В схеме улучшена и температурная стабилизация, поэтому первоначальное самовозбуждение СГ достигается легко.

ТРН получает питание от трансформатора РТ, пониженное напряжение которого пропорционально текущему напряжению генератора.

Если текущее напряжение генератора выше его заданного значения, АРН увеличивает фазный угол управляющего электрода, предназначенного для того, чтобы увеличить шунтирующий ток тиристора. Когда напряжение СГ падает, ТРН работает так, чтобы уменьшить шунтирующий ток тиристора задержкой подачи управляющего импульса. При этом I_f и U_г увеличиваются пропорционально углу открытия тиристора.

Схема самовозбуждения СГ включает комбинацию упомянутого основного тока возбуждения и шунтовой схемы тиристора. В этом разделе детализирована основная цепь самовозбуждающегося СГ.

Схема, представленная на рис. 4.1, может быть заменена однофазной эквивалентной схемой; как показано на рис. 4.2, где:

j_X — реактивное сопротивление реактора в фазе;

j_Xc — реактивное сопротивление конденсатора в фазе;

R_f — эквивалентное сопротивление ОВГ;

Th — тиристор шунтирующей цепи.

Рис. 4.2. Однофазная эквивалентная схема

Со ссылкой на эквивалентную схему, показанную выше, ток возбуждения СГ может быть выражен следующим уравнением.

.

Если Х=Х_с, то есть, когда реактор и конденсатор находятся в резонансе, ток возбуждения СГ может быть получен таким образом.

.

Ток возбуждения i_f не имеет никакого отношения к сопротивлению R_f обмотки возбуждения генератора. Поэтому изменением сопротивления ОВГ из-за повышения температуры можно пренебречь.

Рис. 4.3 показывает векторную диаграмму зависимости тока возбуждения СГ i_f от тока нагрузки генератора I_g. Коэффициент трансформации токового трансформатора СТ выбран так, чтобы достигнуть результирующего тока ОВГ, требуемого на время полной нагрузки с реактивным сопротивлением X, и так, чтобы ток холостого хода i_f0 = V/j_X падал при отсутствии нагрузки. Таким образом, теоретически, система возбуждения может поддерживать постоянство напряжения генератора независимо от нагрузки и коэффициента мощности.

Рис. 4.3. Векторная диаграмма зависимости тока возбуждения i_f от тока нагрузки генератора I_g

Схема тиристорного шунта (рис. 4.4) состоит из тиристора Th, шунтового резистора Rs и трёхфазного блока силовых выпрямителей MR.

Рис. 4.4. Тиристорная схема шунта

Выходной ток i_f трехобмоточного трансформатора TWT состоит из 2-х компонентов: тока обмотки возбуждения возбудителя i_f и тока шунта I_Th:

i_f = (I_f – I_th)K.

В этой системе I_th управляется сигналом открытия тиристора.

На рис. 4.5 представлена вольт-амперная характеристика (а), условное обозначение (b) и цепь включения тиристора (с). Рассмотрим вольт-амперную характеристику тиристора подробно. Линия нагрузки MN имеет 3 отрезка в точках J, K, L, и только в точках J и L работа тиристора является устойчивой.

Рис. 4.5. Тиристор

Вообще, когда сигнал открытия тиристора отсутствует и ток не проходит через тиристор, рабочая точка лежит на лини ОJА. Если сигнал подан, когда тиристор работает, точка J, рабочая точка будет сдвинута к точке L. Эта вновь установленная точка не может быть сдвинута назад даже, когда сигнала открытия тиристора нет. Именно это требуется, чтобы ток проходил ниже линии ON для того, чтобы характеристика проходила по линии OJA. Этот минимальный ток (ON) называется удерживающим током.

В реальной схеме тиристорного шунта — это не что иное, как напряжение тиристора V_si представленное на рис. 4.6, или фрагмент заштрихованной части синусоиды тиристорного напряжения.

Когда управляющий импульс находится в точке N, сопротивление тиристора уменьшается почти до нуля, посредством чего тиристор пропускает ток, обусловленный величиной собственного сопротивления, а также напряжением, соответствующим заштрихованной секции между В и D, т.е. также изменяется до нуля. Если, с другой стороны, управляющий импульс проходит в точке С, ток, соответствующий заштрихованной части, между С и D, проходит через тиристор. В этот период напряжение тиристора также уменьшается до нуля, т.о., с увеличением угла открытия тиристора, уменьшается шунтирующий ток.

Рис. 4.6. Эпюры напряжения и импульсного тока тиристора

Именно управляя углом открытия тиристора, можно регулировать напряжение генератора.

Автоматический регулятор напряжения состоит из двух печатных плат. Одна из них включает в себя:

• PI-контроллер, который усиливает ошибку сигналов, полученных в отношении к напряжению генератора и посылает управляющие сигналы в цепь сдвига фаз;

• цепь сдвига фаз, которая посылает управляющие сигналы к тиристору под нужным фазным углом;

• импульсный усилитель, который усиливает выход цепи сдвига фаз.

Другая плата (RPO-87) состоит из выпрямителя напряжения генератора и цепи защиты от сверхнапряжения, которая ограничивает ток короткого замыкания.

Рассмотрим принципиальную схему АРН (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Принципиальная схема АРН типа TR

Контроллер. Основной составной частью PI-контролера является усилитель постоянного тока, называемый МР (микропак), в котором IС (интегральная схема) усилителя постоянного тока и стабилизирующая RC цепь собраны в один пак. На рис. 4.8 представлена принципиальная схема PI-контролера. DC-усилитель питается постоянным током (P) и (N), который получается выпрямлением (U) и стабилизацией (ZD) выходного напряжения СГ.

Выходная цепь DC-усилителя сравнивает текущее напряжение генератора с заданным, которое устанавливается внешним резистором EVA. Эти две входные величины дают их разность или дифференциал. Именно эта результирующая величина усиливается DC- усилителем. Выход DC-усилителя совместно с цепочкой RC образуют отрицательную обратную связь — ООС и замкнутую цепь управления, включая DC-усилитель, когда PI-управ­ление комбинируется с СГ.

Рис. 4.8. Принципиальная схема PI-контроллера

Стабильность системы регулирования можно повысить, т.к. коэффициент усиления регулируется потенциометром VRp, а время интегрирования — конденсатором С1 (комбинированное управление).

На рис. 4.9 показана выходная характеристика напряжения PI‑контроллера (вход-выход).

Рис. 4.9. Выходная характеристика напряжений PI-контроллера

Цепь сдвига фаз. Выходное напряжение от PI-контролера является входным для цепи сдвига фаз, которая посылает импульсы открытия тиристора. Входное напряжение с PI-управления приложено между базой Т1 и М (OV). Соответственно, значение напряжения эмиттер-коллекторного перехода транзистора зависит от величины выходного напряжения PI-управления. Т.о. скорость зарядки конденсатора пропорциональна входному напряжению. Когда потенциал конденсатора достигает напряжения зарядки составного транзистора UJT, цепь между базами В1 и В2 станет проводимой. Выходной импульс UJT усиливается транзистором ТЗ и дает импульс на управляющий электрод с помощью импульсного трансформатора PUT (pulse transformer).

Питание фазосдвигающей цепи осуществляется выпрямленным 3-х фазным напряжением генератора, а синхроимпульсы поступают от напряжения цепи возбуждающего генератора V_si, которое является также и питанием тиристора (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Схема фазосдвигающей цепи

Цепь управления тиристором. Управление тиристор получает от импульсного трансформатора PUT, выход фазосдвигающей цепи, и усиливается транзистором Т3. Выходной сигнал поступает между управляющим электродом и катодом и включает тиристор.

Для удержания управляющего сигнала рабочей величины, с точки зрения подавления напряжения генератора, цепь тока управления тиристором (gate) обеспечена цепью защиты от сверхнапряжения. Она состоит из двунаправленного тиристора SD (sidac), сопротивления и емкости. Когда напряжение возбуждение V_si превысит установленную рабочую величину, SD начнет пропускать сверхнапряжение для питания зажигания тиристора Th. Тиристор откроется, ограничивая возбуждение генератора в пределах номинальной величины (стандартная задержка). Цепь управления тиристором представлена на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Цепь управления тиристором

Тиристорная схема составлена из тиристора и добавочного резистора R_s, и управляется от цепи напряжения возбуждения V_si. Выходной импульс от фазосдвигающей схемы подается на управляющий электрод тиристора, который управляет шунтовым током, ответвляя от ОВГ часть тока для поддержания постоянства напряжения генератора.

На рис. 4.12 представлена схема подключения АРН для двух параллельно работающих генераторов.

Как видно из рисунка, АРН имеет три вывода:

• от вторичной обмотки питающего трансформатора РТ, напряжение 110 В, пропорционально текущему значению напряжения генератора, поступает на клеммы 1, 2, 3 регулятора (входной параметр);

• от внешнего реостата уставки напряжения EVA, пропорционально заданному значению напряжения, поступает на клеммы 4, 5 регулятора (входной параметр);

• от шунтовой цепи тиристора регулятора, предназначенной для отвода части тока возбуждения при превышении напря-

Рис. 4.12. Принципиальная схема подключения АРН для двух параллельно работающих генераторов

жения генератора; поступает на клеммы 6, 7. Цепь образуется при подаче управляющего импульса на тиристор.

Кроме этого, система управления имеет устройство параллельной работы генераторов, которая состоит из:

• ССС — компенсатора уравнительного реактивного тока;

• СТ — трансформатора тока;

• нормально-замкнутых контактов другого АСВ.

При одиночной работе БСГ № 1, нормально-замкнутый контакт (н.з.к.) другого генератора замкнут, шунтируя обмотку ССС — она не работает.

При параллельной работе генераторов, нормально-замкнутые контакты АСВ 1 и АСВ 2 разомкнуты и обмотка ССС включена в работу и реактивная нагрузка распределяется равномерно между генераторами.

Для надежности первоначального возбуждения генераторов предусмотрено устройство предварительного возбуждения от аккумуляторов путем кратковременного нажатия кнопки РВ при работающем дизель-генераторе.

При выключении АСВ, когда генератор не работает, включается обогрев (heater), чем обеспечивается хорошее состояние сопротивления изоляции обмоток генератора.

Системы возбуждения с ТРН обеспечивают поддержание постоянства на­пряжения с точностью ± 1 % во всем диапазоне изменения нагрузки при значениях cos  = 0,5 ÷ 1,0 и изменении частоты дизеля ± 5 % от номинальной.