Раздел 2. Электрооборудование и автоматизированные системы управления.

Тема 21. Автоматические регуляторы напряжения и частоты.

Лекция№31. Автоматические регуляторы напряжения. Автоматические регуляторы частоты. Угольный регулятор. Принципиальные схемы и их чтение.

Учебный вопрос:

1. Автоматические регуляторы напряжения.

2. Автоматические регуляторы частоты.

3. Угольный регулятор.

4. Принципиальные схемы и их чтение.

Автоматические регуляторы напряжения.

Основные сведения

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 ( см. выше 2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СЭЭС. ГЕНЕРАТОРНЫЕ АГРЕГАТЫ, п. 5.2 «Системы возбуждения СГ» )..

СВАРН СГ могутбытьпостроены по одному изследующихпринциповрегулированиятокавозбуждения:

1. по отклонению регулируемой величины – напряжению генератора;

2. по возмущающему воздействию – току нагрузки ( прямое компаундирование ) или току нагрузки и коэффициенту мощности ( прямое фазовое компаундирование );

3. 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 транс-

форматора ( фазового ) компаундирования ТК ( рис. 3.4, а).

Рис. 3.4. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения с регулированием по возмущению: а – принципиальная схема; б – векторная диаграмма магнитных потоков ТК при изменении тока нагрузки по значению ( амплитуде ); в – то же, при изменении тока нагрузки по характеру ( фазе )На общем магнитопроводеТК 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 век-

тора полного тока генератора I(рис. 3.4, 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. 3.4, 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 мостика UZ, вследствие чего через обмотку возбуждения СГ протекает постоянный ток возбуждения.

В соответствии с соотношениемЕ = 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. 3.4, б ) , а затем по характеру ( рис. 3.4, в ).

В случае увеличения тока нагрузки СГ без изменения фазы (см. рис. 3.4, 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_сдо значения Ф'_с. Ток возбуждения СГ возрастет, и напряжение восстановится до номи­нального значения.Таким образом, в СГ токовые обмотки w_твыполняют 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. 3.4 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 tocompound 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_ти обмоток напряженияФ_нпри помощи трансформатора компаундированияТК.

Значительныеразмеры и масса ТК ухудшаютмассогабаритныепоказатели СЭС, кроме того, мощнаямагнитная система ТК увеличиваетвремяпереходныхпроцессов.

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. 3.5, 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.

Рис. 3.5. Система возбужде­ния и автоматического регулирования напряжения с управлением по отклонению:

а - с корректором напряжения; б - комбинированная.

Кроме того, через КН д о п о л н и т е л ь ­н о 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. 3.5, 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 магнитопроводеТК. 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 UZкорректор напряжения может воздействовать непосредственно на его систему управления.

Схемы КНи 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:

1. реактивные компенсаторы или компенсаторы реактивной мощности;

2. контуры частотной коррекции;

3. контуры температурной компенсации.