книги из ГПНТБ / Никифоровский Н.Н. Судовые электрические станции учеб. пособие

В числе преимуществ систем самовозбуждения и прямого компаун­ дирования СГ, по сравнению с другими системами возбуждения, наи­ более существенными являются: высокая надежность действия, про­ стота эксплуатации, высокое быстродействие и, как следствие, мень­ шие величины отклонений напряжения от номинальной величины при внезапных изменениях нагрузки и меньшие периоды времени восста-

Рис. 2.18. Схема системы самовозбуждения и амплитудно-фазового компаунди­ рования для генераторов МСК

новления напряжения, а также уменьшение длины генераторных агре­ гатов за счет машинных возбудителей.

Системы компаундирования Баранчинского электромеханического завода имени М. И. Калинина. На рис. 2.18 представлена комбиниро­ ванная система автоматического регулирования напряжения, которая действует как по возмущению, так и по отклонению регулируемой вели­

чины.

Основными элементами системы являются: силовой трансформатор компаундирования Тр1\ дроссель отбора Др\ блоки выпрямителей Впі и Вп2\ корректор напряжения КН\ блок управления с устройством параллельной работы УПР; генератор начального возбуждения (на рисунке не показан). Трансформатор компаундирования Трі с магнит­ ным шунтом имеет четыре трехфазные обмотки: токовую W3, напряже­ ния W\, рабочую W2 и обмотку питания корректора W4. Дроссель от­ бора собран из трех скрепленных между собой сердечников Ш-образ-

57

Усилитель корректора напряжения состоит из триодов Т2, ТЗ и Т4 (триоды 77, Т2 имеют п-р-п переход, триоды Т2, Т4, р-п-р пере­ ход), выпрямителей ДЗ и Д4, конденсатора СЗ и сопротивлений.

Импульсы выходного тока измерительного элемента подаются на конденсатор СЗ, который заряжается при подаче импульса и затем раз­ ряжается на параллельно включенное сопротивление RIO. К зажимам эмиттер—база триода Т2 приложена разность напряжений — снимае­ мого с делителя напряжения на сопротивлении R12 и напряжения на сопротивлении RIO. Если напряжение на сопротивлении RIO будет увеличиваться вследствие увеличения тока выхода измерительного эле­ мента, то напряжение на базе триода Т2 будет уменьшаться и ток в цепи его коллектора снижаться.

При отсутствии или снижении сигнала измерительного элемента на­ пряжение на сопротивлении RIO станет меньше, чем на делителе R12, это приведет к возрастанию напряжения на базе триода ТЗ и соответст­ венно к увеличению тока в цепи коллектора. Так как цепь коллектора триода Т2 является цепью базы триода ТЗ, то при открытом триоде Т2 будет полностью открыт также и триод ТЗ, т. е. падение напряжения на нем значительно уменьшается и весь ток его коллектора идет через сопротивление R11.

Цепь эмиттер — база триода Т4 включена на постоянное напряже­ ние источника питания усилителя, а коллекторная цепь — на обмотку управления ОУ дросселя Др.

Если триод ТЗ открыт до насыщения, то по его коллекторной цепи протекает большой ток, а напряжение на зажимах эмиттер — коллек­ тор очень мало (порядка 0,2 в). При этом благодаря относительно боль­ шому падению напряжения в выпрямителе Д4 потенциал базы триода Т4 будет положителен по отношению к потенциалу его эмиттера и триод Т4 будет закрыт. При закрытом триоде ТЗ потенциал базы триода Т4 меняется на противоположный, последний открывается, и по обмотке управления дросселя отбора пойдет ток, который изменит режим его работы. При увеличении тока управления сопротивление рабочих обмоток дросселя уменьшается, а следовательно, по ним проходит большая часть тока выходной обмотки трехобмоточного трансфор­ матора.

Таким образом, увеличение напряжения на входе измерительного органа, начиная с некоторой величины, равной величине напряжения пробоя стабилитрона (эквивалентного в данном случае номинальному напряжению генератора), вызывает появление в обмотке управления ОУ импульсов напряжения тем большей длительности, чем больше на­ пряжение на входе измерительного органа отклоняется от напряжения пробоя стабилитрона.

Величина напряжения выхода корректора изменяется от нуля до полного значения напряжения источника питания при изменении на­ пряжения на входе измерительной части корректора на 1—1,5%.

Для защиты выходного триода Т4 (см. рис. 2.18) от возможных пе­ ренапряжений в обмотке управления установлены вентили В5 и В6. Вентиль В5 закорачивает обмотку при перенапряжениях в ней, а вен­ тиль В6 шунтирует триод.

59

В комплект источника питания корректора КН входят блок выпря­ мителей Вп2 и обмотка W4, расположенная на сердечнике трансформа­ тора Трі.

Для обеспечения устойчивой работы системы регулирования пре­ дусмотрена гибкая обратная связь, состоящая из сопротивления R5 и конденсатора С2. Кроме того, чтобы предотвратить влияние нагрева обмоток измерительного трансформатора ТрЗ, сопротивления и стаби­ литрона Д2 на точность регулирования напряжения СГ, в измеритель­

ную цепь корректора КН введе­

рования для генераторов МСК

тор Тр с подмагничиванием и магнитным шунтом. Обмотка подмагничивания W4 трансформатора получает питание от корректора

напряжения КН типа К.Н2, принцип работы которого рассмотрен выше. Для обеспечения начального возбуждения в системе предусмотрен генератор Г1 с постоянными магнитами, встроенный в подшипниковый щит машины. Одно из плеч силового выпрямителя Вп используется

для выпрямления тока генератора.

Статическая ошибка регулирования напряжения СГ не превышает ±1,5% во всех режимах нагрузки по величине и по коэффициенту мощ­ ности.

Системы автоматического регулирования напряжения СГ с управ­ ляемыми диодами. Кремниевые управляемые диоды, как уже отмеча­ лось, обладают рядом особенностей, оказывающихся весьма ценными при применении этих диодов в схемах самовозбуждения и автомати­ ческого регулирования напряжения судовых СГ. Дополнительно от­ метим, что управляемые диоды могут быть так конструктивно выполне­ ны, что их механическая прочность, ударо- и вибростойкость будут удов­ летворять самым высоким требованиям. Отсутствие подвижных элемен­ тов обеспечивает бесшумность работы, высокую надежность, простоту и удобство эксплуатации. Герметизация диодов позволяет применять их в судовых условиях.

Кремниевые управляемые диоды могут работать в относительно ши­ роком диапазоне изменения температуры. Они обладают высоким быст­ родействием и постоянной готовностью к действию. Мощность управле-

60

ния ими мала. Недостаток управляемых кремниевых диодов— их ма­ лая перегрузочная способность по току и напряжению в обратном, за­ пирающем направлении. Для устранения этого недостатка следует вы­ бирать диоды с запасом по току и напряжению и применять защитныеустройства, ограничивающие величину тока и напряжения.

Разработанные системы регулирования напряжения СГ с управлямыми диодами можно разделить на две группы. К первой группе отно­ сятся системы, действующие на принципе регулирования по отклоне­

сторону от номинальной величины, что фиксируется корректором на­ пряжения КН, изменяется фаза сигналов, поступающих на управляю­ щие электроды кремниевых тиристоров, благодаря чему изменяется ток возбуждения генератора. Трансформатор напряжения Тр2 питает кор­ ректор напряжения и фазосдвигающее устройство; трансформатор то­ ка ТрЗ включен на корректор напряжения.

По сравнению с системой прямого токового или фазового компаун­ дирования СГ эта схема не требует дополнительных корректиру­ ющих устройств, благодаря чему она имеет весовые и габаритные преи­ мущества. Естественно, мощность силового трансформатора Трі долж­ на обеспечивать форсировочные режимы СГ.

При глухом коротком замыкании СГ, так же как и при малой элект­ рической удаленности точки короткого замыкания от его зажимов, ма­ шина теряет возбуждение (в схеме отсутствует компаундирующее устройство); это является серьезным недостатком схемы.

На рис. 2.22 приведена принципиальная схема, в которой обмот­ ка возбуждения СГ получает питание от обмотки статора через два си­ ловых трансформатора: трансформатор напряжения Трі с полууправляемым выпрямительным блоком Впі и трансформатор тока Тр2 с не­ управляемым выпрямительным блоком Вп2. При такой схеме питания цепи возбуждения СГ режим холостого хода обеспечивается током воз­ буждения, получаемым от трансформатора напряжения Трі через полууправляемый выпрямительный блок Впі.

При нагрузке и при коротких замыканиях к этому току добавляется ток, поступающий через неуправляемый выпрямительный блок Вп2 от

61

трансформатора тока Тр2. Генератор получает возбуждение, степень форсировки которого определяется форсировочной способностью тран­ сформатора тока. Как и в предыдущей схеме (рис. 2.21), стабилизация напряжения СГ при различных режимах работы обеспечивается регули­ рованием тока полууправляемого блока Впі посредством корректора напряжения КН и фазосдвигающего устройства ФУ, получающих пи­ тание через трансформатор ТрЗ.

На рис. 2.23 приведена принципиальная схема амплитудно-фазового компаундирования СГ с применением управляемых кремниевых дио­ дов Д в качестве регулирующего элемента корректора напряжения КН,

шунтирующих цепь возбуждения генератора. В этой схеме дроссель отбора заменен управляемым вентильным блоком, имеющим меньшие вес и габариты и большее быстродействие. В состав системы амплитуд­ но-фазового компаундирования входят трансформатор Тр, дроссель Др и выпрямитель Вп.

Бесконтактные. СГ, работающие в условиях, когда наличие сколь­ зящих электрических контактов нежелательно или недопустимо, мо­ гут выполняться без контактных колец в цепи ротора. Это достигает­ ся различными способами. В некоторых конструкциях в качестве воз­ будителя генератора предусматривается синхронная машина, встроен­ ная в основную машину. Статор возбудителя Г2 (рис. 2.24) имеет не­ подвижную обмотку возбуждения постоянного тока. Обмотка ротора возбудителя через полупроводниковые вентили Вп2, смонтированные на роторе и вращающиеся вместе с ним, питает обмотку ротора основ­ ной машины Г1. Естественно, что при такой конструкции отпадает надобность в контактных кольцах. Принципиальная схема СГ с ма­ шинным возбудителем без контактных колец и с устройством амплитуд­ но-фазового компаундирования приведена на рис. 2.24.

Достоинством таких машин является их высокая надежность вслед­ ствие отсутствия колец, а недостатками — большая электромагнитная постоянная времени системы возбуждения из-за наличия промежуточ­ ного инерционного звена (возбудителя) и усложнение конструкции.

62

Анализ работы систем прямого фазового компаундирования в ста­ тических режимах. Методика определения основных параметров. Ана­ лиз работы систем прямого фазового компаундирования в статических режимах и вывод соотношений, определяющих их основные параметры, представляется целесообразным выполнить так, чтобы соответству­ ющие выражения были в известной степени общими, универсальными, легко распространимыми на различные частные случаи. В соответствии с этим проведем анализ работы систем применительно к системе, со­

держащей трехобмоточный трансформатор с воздушным зазором и кон­ денсаторы в качестве ком­

паундирующих элементов (один из вариантов систем завода имени М. И. Кали­ нина), принципиальная схема которой аналогична системе ЛЭТИ.

Если в полученных вы­ ражениях принять сопро­ тивление намагничивающе­ го контура равным беско­ нечности (что близко к от­ сутствию воздушного зазо­ ра), то будет осуществлен переход к системе ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ленина).

Замена конденсаторов дросселями с переключением зажимов любой из первичных обмоток при нормальном исполнении трансформатора (без зазора) дает переход к системе; выражения, соответствующие этому случаю, легко могут быть получены из общих соотношений.

О с н о в н ы е у р а в н е н и я . Для составления системы исход­ ных уравнений рассмотрим схему, приведенную на рис. 2.25. На схеме обозначены: W1— обмотка напряжения с числом витков wx\ W2 —то­

моток.

Предполагая систему симметричной, анализ ее работы в целом мож­ но произвести, исследуя любую фазу. Расчетная схема приведена на рис. 2.26.

Так как величина пульсации напряжения при использовании трех­ фазной мостовой схемы выпрямления невелика (4,2%), то при некото­ ром допущении можно не считаться с проявлением влияния индуктив­ ности в цепи нагрузки и принять, что выпрямитель замкнут на одно активное сопротивление.

В расчетной схеме Рв является эквивалентным сопротивлением на­ грузки одной фазы рабочей обмотки и определяется сопротивлением цепи обмотки возбуждения генератора и групп вентилей в проводящем направлении. Через М 12, М 32 и M lt 3 обозначены коэффициенты взаи­ моиндукции соответствующих обмоток.

63

Пренебрегая потоками рассеяния и активными потерями в магнитопроводе трансформатора, можно видоизменить расчетную схему, введя для учета намагничивающего тока в цепь первичной обмотки W1 идеаль­ ную индуктивность с сопротивлением xß, а в цепь обмотки W3 — ин­ дуктивность с сопротивлением k\ ’ х, *М- *

где к3,1 : .«'sWi (рис. 2.27).

Зависимость сопротивления венти­ лей от тока приводит к тому, что в об- Ш і)Ш'W2 щем случае физические величины, ха­ рактеризующие работу системы (то­ ка, напряжения), могут изменяться во времени по законам, отличным от

гармонических функций.

Для упрощения решения задачи заменим, как и ранее, несинусоидаль­ ные периодически изменяющиеся ве­ личины эквивалентными синусоидами, а реальные параметры — эквивалент­ ными. Это позволит составить исход­ ную систему уравнений в символиче­ ской форме и достаточно просто по­ лучить зависимости между отдельны­ ми параметрами, определяющими ра­ боту системы.

Как показывает опыт, вариация эквивалентных параметров оказы­ вается не столь значительной и погрешность при их определении не превосходит 7—10%.

В соответствии с изложенным можно составить следующую систему исходных уравнений:

0 г = й + Кз,2Ё%+ гаІ;

64

I — действующее значение тока фазы приемника (при соединении в звезду);

А1 о — —Ш>2

К— w3 — коэффициенты трансформации (принимаются постоян­

Из двух последних уравнений устанавливаем связь между токами

'V и /:

ХС + Щ , 2 а (Яв + г2)

Очевидно, что при а = 0 (трансформатор без зазора) / = I ' , так

как Mod [2J] = 1. В случае а Ф 0 Mod [ІЗ] <С 1.

Связь между действующими значениями токов определяется соот­ ношением

Подставляя полученное выражение для тока Г в первое уравнение и решая систему уравнений относительно тока / 2, после алгебраических преобразований получаем

Введем обозначения:

r 1— jx c = Z 1 = z1e - i ^ ; <Pi =■• a r c t g — - ;

Распространим выведенные соотношения (2.2) и (2.3) на все упомя­ нутые выше системы.

Система ЛЭТИ с трехобмоточным трансформатором. Так как трансформатор выполняется без зазора, с шихтованным магнитопроводом, то, не допуская значительной погрешности, можно положить

а == 0 (хц = о о ) . При этом В = 1, у = 0°.

Тогда

60