Системы возбуждения генераторов

Магнитное поле ротора, необходимое для создания ЭДС обмотки статора, создаётся постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения. Для питания обмотки возбуждения предназначена система возбуждения, включающая непосредственно обмотку возбуждения, источник постоянного тока, регулирующие и коммутирующие устройства.

Требования к системе возбуждения:

1) надёжное питание постоянным током обмотки возбуждения в любых режимах, в т.ч. и при авариях, обеспечение номинальных напряжения возбуждения 𝑈_{в ном} и тока возбуждения 𝐼_{в ном}, при которых генератор выдаёт 𝑆_г ном; номинальная мощность возбуждения обычно составляет: 𝑃_{в ном} = (0,2 − 0,6)% ∙ 𝑃_{г ном}.

2) регулирование тока возбуждения 𝐼_в при изменении нагрузки генератора и при авариях в системе;

3) быстродействующая форсировка возбуждения при резком снижении напряжения на выводах статора генератора; форсировочную способность и быстродействие системы возбуждения в процессе форсировки напряжения при авариях в энергосистеме характеризуют:

кратность форсировки: 𝑘_ф = 𝑈_{в макс}/𝑈_{в ном},

скорость нарастания напряжения возбудителя: 𝑉_в = 0,632 ∙ (𝑈_{в макс} − 𝑈_{в ном})/𝑈_{в ном} ∙ 𝑇_н ,

где 𝑈_{в макс} – максимальное напряжение возбуждения, 𝑇_н – время нарастания напряжения возбуждения от 𝑈_{в ном} до значения 𝑈_{в ном} + 0,632 ∙ (𝑈_{в макс} − 𝑈_{в ном});

к возбудителям предъявляются требования: 𝑘_ф ≥ 2, 𝑉_в ≥ 2 1/c.

4) быстрое гашение поля возбуждения, например, при отключении генератора от сети.

В зависимости от источника энергии, питающего обмотку возбуждения, применяются следующие типы систем возбуждения:

- электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока;

- высокочастотная система возбуждения (высокочастотный генератор и диодный выпрямитель);

- тиристорная система возбуждения независимая; (генератор переменного тока и тиристорный выпрямитель)

- тиристорная система возбуждения зависимая (напряжение со статора прогоняют через тиристорный выпрямитель);

- бесщёточная система возбуждения (генератор переменного тока и диодный выпрямитель).

1) Электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 3.3).

Источник энергии – возбудитель (В) – генератор постоянного тока, установленный на валу главного генератора (Г) и соединений непосредственно с его обмоткой возбуждения (ОВГ). Обмотка возбуждения возбудителя (ОВВ) выполнена параллельно с ОВГ и питается от самого возбудителя (схема самовозбуждения возбудителя). В случае колебания напряжения в сети или изменении нагрузки, при внешних коротких замыканиях регулирование возбуждения осуществляется через автоматический регулятор возбуждения (АРВ) путём изменения постоянного тока в обмотке возбуждения возбудителя (ОВВ). Например, при просадке напряжения на выводах Г действие АРВ увеличивает ток в ОВВ, что приводит к увеличению напряжения возбуждения и тока в ОВГ, вследствие чего увеличивается ЭДС и напряжение на трёхфазной обмотке статора.

Схема содержит небольшое количество оборудования, проста, экономична, надёжна, так как электрически не связана с электрической сетью. Но из-за наличия контактных колец (КК) и щёток надёжность её снижается. Недостатком является и то, что схема не может быть использована для мощных генераторов. Электрические соединение В и ОВГ осуществляется с помощью контактных колец и щёток. По условиям надёжной коммутации токов предельная мощность возбудителя постоянного тока при частоте 3000 об/мин составляет до 500 кВт, что соответствует мощности генератора порядка 100-160 МВт. Это можно пояснить на примере: приняв 𝑃_{в ном} = 500 кВт и 𝑃_{в ном} = 0,5%𝑃г ном, получим 𝑃_{г ном} = 500кВт/0,005 = 100 МВт.

Параметры электромашинной системы возбуждения: 𝑉_в = 2 1/с, 𝑘_ф = 2.

2) Высокочастотная система возбуждения или электромашинная система возбуждения с генератором переменного тока (рис. 3.4). (На лекции вообще не разбирали, но сюда впишу, потому что она упоминала её).

Возбудитель (В) – генератор переменного тока повышенной частоты 500 Гц и диодный выпрямитель (ДВ). Применение высокочастотного генератора позволяет уменьшить пульсации выпрямленного тока, снизить габаритные размеры возбудителя, повысить надёжность системы возбуждения. Дело в том, что на частоте 500 Гц становится возможным выполнить возбудитель индукторного типа, у которого и обмотка возбуждения и трёхфазная обмотка статора находятся в пазах неподвижного статора. Поэтому В не имеет контактных колец со щётками, что повышает надёжность его работы.

Ротор В имеет форму 10 пар полюсов. При его вращении в обмотках переменного тока индуцируется ЭДС частотой f=500 Гц (при p=10 n=3000 об/мин). Далее переменный ток выпрямляется ДВ и питает ОВГ. Возбудитель располагается на одном валу с генератором. Система возбуждения не связана с основной сетью, что также повышает её надёжность.

Возбудитель имеет три ОВВ, расположенные вместе с трёхфазной обмоткой на неподвижном статоре:

ОВВ1 – обеспечивает основное возбуждение В по схеме самовозбуждения при повреждениях во внешней сети, включается последовательно с ОВГ;

ОВВ2 – обеспечивает дополнительное возбуждение от АРВ при колебаниях напряжения и изменениях нагрузки в сети (для поддержания напряжения в генераторе в нормальном режиме);

ОВВ3 – обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжения на 5% и более.

Подвозбудитель (ПВ) – высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами, обеспечивает возбуждение возбудителя.

Параметры системы возбуждения: 𝑉в = (2 ÷ 4) 1/с, 𝑘_ф = 2. По быстродействию эквивалентна электромашинной системе возбуждения с генератором постоянного тока, поэтому применена лишь на некоторых турбогенераторах мощностью до 300 МВт.

Тиристорная система возбуждения

Название системы возбуждения происходит от тиристоров, используемых в качестве управляемых выпрямителей. Различают два варианта тиристорного возбуждения:

- тиристорная система независимого возбуждения (с питанием от вспомогательного генератора переменного тока),

- тиристорная система самовозбуждения (с питанием от главного генератора).

3) В тиристорной системе независимого возбуждения (рис. 3.5) возбудителем (В) является генератор переменного тока промышленной частоты, расположенный на одном валу с возбуждаемым генератором, и тиристорный выпрямитель (ТВ). Регулирование возбуждения осуществляется от АРВ с помощью управляемых вентилей - тиристоров. В ТВ есть рабочая группа тиристоров, которая обеспечивает основное возбуждение в нормальном режиме и форсировочная группа для форсировки возбуждения и гашения поля генератора в аварийном режиме. Возбуждение возбудителя обеспечивает генератор постоянного тока - подвозбудитель (ПВ), но возбудитель может работать и по схеме самовозбуждения.

Схема имеет высокое быстродействие 𝑉в ≤ 50 1/с и высокую кратность форсировки 𝑘_ф ≤ 4. Чтобы иметь такую высокую кратность форсировки, нужно иметь напряжение возбудителя на заданную кратность форсировки. При полном открытии тиристоров это напряжение сразу прикладывается в ОВГ. В нормальном режиме тиристоры открыты не полностью и к ОВГ прикладывается 𝑈_{в ном}.

Система возбуждения электрически не связана с основной сетью – это определяет её надёжность, но при этом имеется ненадёжный щёточный элемент. Также к недостаткам можно отнести дороговизну и сложность схемы из-за наличия возбудителя переменного тока (по сравнению со системой самовозбуждения).

Применяется для генераторов мощностью 200, 300, 500, 800 МВт.

4) В тиристорной системе самовозбуждения источником возбуждения является цепь статора главного генератора. Питание ОВГ осуществляется от выводов статора Г через понижающие трансформаторы и группы управляемых вентилей – тиристоров (рис. 3.6).

Основные элементы схемы:

- выпрямительный трёхфазный трансформатор (ВТ), подключенный к выводам обмотки статора генератора,

- последовательный трансформатор (ПТ), первичная обмотка включена последовательно в цепь статора со стороны нулевых выводов генератора,

- рабочая группа вентилей (ВР), обеспечивает основное возбуждение в нормальном режиме,

- форсировочная группа вентилей (ВФ), обеспечивает возбуждение при форсировке и гашение поля в аварийных режимах.

Тиристоры группы ВР получают питание от ВТ, который используется для подачи переменного тока в сеть меньшего напряжения, 𝑈_{2 ВТ} ~ 𝑈_Г . Мощность тиристоров группы ВР рассчитывают так, чтобы она была достаточна для возбуждения генератора на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме, которое осуществляется с помощью АРВ. В номинальном режиме тиристоры обеспечивают (70-80)% от 𝑈_{в ном}. Остальное возбуждение обеспечивают с помощью группы ВФ.

У схемы есть недостаток - зависимость работы возбудителя от режима внешней сети. При к.з. вблизи генератора напряжение на его выводах 𝑈_Г падает, а вслед за ним уменьшается значение 𝑈_{2 ВТ}. Это нарушает работу системы возбуждения, которая должна обеспечивать форсировку тока возбуждения в ОВ. Но при к.з вблизи генератора увеличивается 𝐼_Г, а 𝐼_{2 ПТ} ~ 𝐼_Г. Поэтому используется группа ВФ, при форсировке эта группа полностью открывается и даёт весь ток форсировки. Такое сочетание ПТ и ВТ повышает надёжность схемы. При гашении поля группа ВФ переводится в инверторный режим.

Схема проста, широко применяется, экономичнее независимой СВ, также имеет высокую кратность форсировки и быстродействие, которое ограничено лишь инерционностью системы управления тиристорами. Но схема не лишена недостатков: первоначальный пуск генератора осуществляется от дополнительного источника (а дальше перевод на самовозбуждение), работа системы возбуждения зависит от режима работы внешней сети.

Параметры системы возбуждения: 𝑉в ≤ 30 1/с, 𝑘_ф ≤ 4 (но в пособии написано > 4).

Применятся для генераторов мощностью до 800 МВт.

5) Бесщёточная система возбуждения.

Возбудитель – синхронный генератор повышенной частоты, расположенный на валу главного генератора и выполненный по типу обратимой машины: обмотка возбуждения расположена на статоре, а обмотка переменного тока на роторе. Ротор возбудителя с диодным выпрямителем ДВ жёстко соединён с ротором генератора. Таким образом, ток от вращающейся обмотки переменного тока В подводится к вращающемуся ДВ, и выпрямленный ток подаётся непосредственно к ОВГ без контактных колец и щёток.

Регулирование тока возбуждения осуществляется от АРВ путём воздействия на тиристоры в цепи обмотки возбуждения возбудителя.

Система надёжна, но не очень компактна.

Достоинством является отсутствие контактных колец и щёток, а недостатком – необходимость останавливать генератор для переключения на резервное возбуждение и медленное гашение поля генератора.

Параметры системы возбуждения: 𝑉в ≥ 2 1/с, 𝑘_ф ≤ 2,5. (в пособии 𝑘_ф ≥ 2).

Применятся для генераторов мощностью 300÷1200 МВт.