3. Системы возбуждения синхронных машин

В синхронных машинах применяются несколько систем возбуждения.

Электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 1). В этой системе в качестве источника используется специальный генератор постоянного тока, называемый возбудителем.

Р ис. 1. Электрома­шинная система возбуж­дения: LG — обмотка возбуждения синхронного генератора; LE — обмотка возбуждения возбудителя GE; R_Ш1 — ре­гулировочное сопротивление

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. У тихоходных машин мощ­ностью до 5000 кВт для уменьшения массы и стоимости возбудителей последние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи. Гидрогенераторы также обычно имеют возбудитель на одном валу с генератором.

Для гашения магнитного поля применяется автомат гашения поля (АГП), который состоит из контакторов K₁, K₂ и гасительного (разрядного) резистора R_P. Гашение поля проводится в следующем порядке. При включенном контакторе K₁ включается контактор K₂, замыкающий обмотку возбуждения на резистор , где R_B—сопротивление обмотки возбуждения. Затем происходит размыкание кон­тактора К₁, и ток в цепи обмотки возбуждения генератора начинает уменьшаться (затухать) с постоянной времени (L_B — индуктивность обмотки возбуждения) в соответствии с уравнением (рис. 2).

Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля выключением только одного контактора К₁ без включения гасительного резистора R_P. Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой индуктивности обмотки возбуждения в ней индуцировалась бы большая ЭДС самоиндукции , превышающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К₁ при разрыве выделялась бы большая энергия, запасенная в магнитном поле обмотки возбуждения, и из-за большой дуги произошло бы разрушение контактов. Для крупных машин затухание тока возбуждения при наличии гасительного резистора происходит с постоянной времени около 1 с.

Форсировка возбуждения осуществляется шунтировкой резистора R_Ш1, включенного в цепь возбуждения возбудителя.

Рис. 2. Затухание тока возбуждения при гашении поля

Однако при этом у мощных тихоходных генераторов с n_р=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_р=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 (М_max ≥4 М_н), 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 МВт также обычно имеют возбудители в виде генераторов постоянного тока на своем валу. Однако при Р_н > 100 МВт мощность возбудителей становится настолько большой, что их выполнение при n_р= 3000-3600 об/мин по условиям коммутационной надежности оказывается затруднительным или даже невозможным. При этом применяются разные решения. Например, за границей широко используются возбудители со скоростью вращения n_р= 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.

Мощность возбудителя обычно равна 0,3—3 % мощности синхронного ге­нератора. Он приводится во вращение от вала синхронного генератора. Ток возбуждения крупной синхронной машины I_B относительно велик и составляет несколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулируют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляется по схеме самовозбуждения (рис. 1) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока, называемого подвозбудителем (рис. 3). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R_Ш2 в процессе работы генератора не изменяется.

Рис. 3. Электромашинная система возбуждения с подвозбудителем: LG — обмотка возбуждения синхронного генератора; LE — обмотка возбуждения Возбудителя GE; LA — обмотка возбуждения подвозбудителя GEA

Компаундированная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 4). В современных системах возбуждения широко применяется принцип компаундирования, т. е. автоматическое изменение намагничивающей силы возбуждения при изменении тока нагрузки синхронного генератора. 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 на рис. 4 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. 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 обмотке и ток возбуждения генератора 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.

Рис. 4. Система возбуждения с токовым компаундированием

Компаундирующее действие схемы рис. 4 зависит только от значения тока нагрузки 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 рис. 4 применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряжения //, который соединен с помощью трансформатора 10 с зажимами генератора, а также с установочным реостатом 8. Регулятор 11 реагирует на изменения напряжения U и тока / и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуждения возбудителя 5.

Подобная система возбуждения широко для генераторов мощностью до 100 МВт.

Компаундированные генераторы с самовозбуждением (рис. 5). 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.

Рис. 5. Система самовозбуждения с фазовым компаундированием

Типичная схема компаундированного генератора с самовозбуждением изображена на рис. 5. 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 ток возбуждения зависит не только от значения тока нагрузки /, но и от его фазы, вследствие чего схема рис. 5 называется схемой фазового компаундирования. Это позволяет усиливать компаундирующее действие системы возбуждений при индуктивной нагрузке генератора, поскольку индуктивная составляющая тока нагрузки генератора вызывает наибольшее падение напряжения.

Вентильные системы возбуждения могут быть построены на большие мощности и являются более надежными, чем электромашинные. Различают три разновидности вентильных систем возбуждения: с самовозбуждением, независимую и бесщеточную.

В системе с самовозбуждением (рис. 6) энергия для возбуждения синхронной машины отбирается от обмотки якоря основного генератора, а затем преобразуется статическим преобразователем ПУ в энергию постоянного тока, которая поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного намагничивания его полюсов.

Р ис. 6. Вентильная система возбуждения синхронного генератора с самовозбуждением: LG — обмотка возбуждения генератора; ПУ — преобразовательное устройство с регулятором напряжения; TV — трансформатор напряжения, снижающий под­водимое к обмотке возбуждения напряжение; ТА — трансформатор тока, служащий для поддержания напряжения возбуждения при изменении нагрузки генератора

В независимой системе вентильного возбуждения (рис. 7) энергия для возбуждения получается от специального возбудителя GN, выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его расположен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбуди­теля выпрямляется и подается в обмотку возбуждения.

Разновидностью независимой системы вентильного возбуждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины размещается якорь возбудителя переменного тока с трехфазной обмоткой.

Р ис. 7. Вентильная независимая система возбуждения: GN — возбудитель переменного тока (синхронный); LN — обмотка возбуждения возбудителя; GEA — подвозбудитель;

LA — обмотка возбуждения подвозбудителя; ПУ — преобразовательное устройство с регулятором напряжения

Переменное напряжение этой обмотки через выпрямительный мост, закрепленный на валу машины, преобразуется в постоянное и непосредственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от подвозбудителя или регулятора напряжения.

Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов. Особенностью этих машин является то, что для создания магнитного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.

Преимуществами машин с постоянными магнитами являются простота конструкции, отсутствие скользящего контакта, высокий КПД и меньший нагрев из-за отсутствия потерь в обмотке: возбуждения и скользящем контакте. Большим достоинством этих машин является также отсутствие источника постоянного тока для их возбуждения.

К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулирования магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.

Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя — постоянные магниты и асинхронного двигателя — беличью клетку, необходимую для пуска.