sb102058

В системах возбуждения (СВ) (рис. 3.3) используют следующие способы обеспечения начального самовозбуждения:

– повышают величину Uост за счет подбора материала магнитопровода ротора или встраивают в магнитопровод постоянные магниты;

– уменьшают кратковременно величину сопротивления цепи СВ, подключая кнопку к зажимам 3, 4 либо используя явление резонанса (рис. 3.4).

При запуске генератора частота напряжения изменяется от нуля до номинальной. При некоторой частоте f fном в цепи, включающей дроссель L и конденсатор С, возникает резонанс. Ток в этой цепи, без учета тока в обмотке LG из-за значительного сопротивления диодов и щеточного контакта (ЩК), определяется по формуле:

I U RL2 XL ХС 2.

а б Рис. 3.4. Применение конденсаторов для получения резонанса в процессе

самовозбуждения генератора:

а – структурная схема; б – электрическая схема

При резонансе, так как XL = XC, ток в цепи будет максимальным. Увеличение напряжения на конденсаторе вызывает проб й оксидной

пленки ЩК, рост тока в обмотке LG и возбуждение генератора.

В ряде генераторов начальное возбуждение обеспечивается временным или постоянным подключением к обмотке возбуждения постороннего источника: генератора начального возбуждения (ГНВ), аккумуляторной батареи В или трансформатора Т начального возбуждения с выпрямителем V (рис. 3.3).

31

Мощность постороннего источника мала и определяется величиной сопротивления обмотки LG и значением тока возбуждения, достаточного для обеспечения надежного самовозбуждения.

Средства начального возбуждения могут быть подключены постоянно либо действовать кратковременно в процессе запуска ГА.

Впоследнем случае важно, чтобы их отключение происходило не раньше, чем генератор начинает сам себя возбуждать.

Устройство может отключаться токовым реле, реле напряжения и тепловым реле, установленными в цепи устройства.

Если устройство начального возбуждения отключается преждевременно, то генератор не возбудится. При запаздывании с отключением устройства начального возбуждения СВ и устройство работают некоторое время параллельно, напряжение на обмотке возбуждения быстро нарастает и может вызывать отказ устройства.

Во избежание отказа, в схему следует включить выпрямитель, защищающий устройство начального возбуждения от напряжения, превышающего величину номинального напряжения устройства.

Требуется меньшая мощность (масса, габариты) системы возбуждения (СВ, V1), так как для питания обмотки возбуждения возбудителя LЕ необходимая мощность составляет около 5 % от мощности, подводимой к обмотке

LG.

Вцелях уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения возбудитель, как правило, работает с повышенной частотой (100–400 Гц), т. е. увеличивают число фаз роторной обмотки переменного тока и пар полюсов обмотки возбуждения возбудителя.

3.2.Возбуждение бесщеточных генераторов

Вбесщеточном генераторе управление напряжением генератора, как правило, осуществляется изменением тока в LE.

Таким образом, в цепи управления появляется дополнительное инерционное звено – возбудитель, вносящий запаздывание в процесс регулирования напряжения.

Эффективный способ повышения быстродействия СВ бесщеточного генератора заключается в использовании на роторе генератора управляемого выпрямителя.

32

Вконструкции генератора в данном случае появляется устройство передачи управляющего сигнала, состоящее из двух частей: часть 1 (передающая) находится на статоре, часть 2 (принимающая сигнал управления) находится на роторе.

Вустройстве передачи сигнала управления могут использоваться специальная электрическая машина, конденсатор, трансформатор либо оптические полупроводниковые приборы.

На практике реализованы устройства передачи сигнала с использованием трансформатора и оптических полупроводниковых приборов.

а

б

Рис. 3.5. Система возбуждения бесщеточного синхронного генератора:

а– с самовозбуждением; б – с подвозбудителем G1

Вбесщеточных генераторах остаточное намагничивание статора возбудителя создает на его зажимах небольшое напряжение, которое обуславливает протекание тока в обмотке LG даже при отключении системы возбуждения СВ. По этой причине такие генераторы надежно возбуждаются при вводе в действие. Более того, указанное обстоятельство следует учитывать при обслуживании генераторов, так как у вращаемого генератора даже при отключенном возбуждении на зажимах статора может наводиться

33

электродвижущая сила, достигающая нескольких десятков вольт, что представляет опасность для персонала.

3.3. Гашение поля генератора

Генераторы мощностью более 1000 кВА или напряжением более 1000 В должны иметь гашение поля.

Гашением поля называют процесс, заключающийся в сведению магнитного потока возбуждения генератора к минимальному значению. Простейшим способом реализации данного процесса является отключение обмотки возбуждения.

Однако во время проведения этой операции, вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения, на ее зажимах возникает перенапряжение, способное пробить изоляцию.

Поэтому при гашении поля необходимо принять меры, исключающие подобные последствия.

Потребность в гашении поля возникает как в условиях нормальной эксплуатации, так и в аварийных режимах, когда происходит повреждение изоляции статорной обмотки генератора или изоляции на выводах генератора. В этом случае гашение поля является единственной мерой, способной быстро прекратить аварийный процесс.

Последствия аварии зависят от величины аварийного тока и продолжительности аварии.

Поэтому основной задачей гашения поля является быстрое уменьшение ЭДС генератора до минимального значения, при котором исчезает электрическая дуга, возникшая в месте аварии.

Гашение поля выполняется персоналом при отключении генератора от сети или в результате срабатывания защиты генератора. Время гашения поля должно быть минимальным.

Основные требования, которые необходимо выполнять при гашении поля: перенапряжения на обмотке возбуждения генератора не должны превышать допустимое значение, остаточная электродвижущая сила генератора после гашения поля должна быть недостаточной для поддержания горения дуги в месте аварии.

Разработано несколько способов гашения поля генератора, различающихся схемными решениями и продолжительностью процесса гашения (рис. 3.6). На судах наиболее распространенным является способ, позволяю-

34

щий выполнять замыкание выходных зажимов выпрямителя, питающего обмотку возбуждения.

При таком решении отключается питание обмотки возбуждения, создается цепь для затухания тока обмотки возбуждения.

Повреждения системы возбуждения генератора исключаются, так как при аварии напряжение на выводах генератора мало или равно нулю, а возможное питание обмотки возбуждения от трансформатора тока не ведет к росту тока в системе возбуждения в силу особенностей трансформаторов тока, в которых вторичный ток зависит лишь от первичного.

Рис. 3.6. Способы гашения поля генератора

После замыкания контакта контактора К (рис. 3.6, а) ток в обмотке возбуждения генератора, имеющий к этому моменту значение iво, начинает затухать, протекая по пути, указанному пунктиром.

При работе генератора на холостом ходу с учетом величины

Т= 1,2–4,2 с время гашения поля составит 2,8–10 с.

Внекоторых схемах возбуждения (рис. 3.6, б) гашение поля осуществляют путем включения в цепь обмотки возбуждения дополнительного резистора Rr. В этом случае постоянная времени T = L / (R + RV + Rr) будет еще

меньше, и время гашения уменьшится.

Важно, чтобы напряжение возбуждения U = iво хх (RV + Rr) не превысило допустимого для обмотки возбуждения значения, которое принимают равным 70 % испытательного напряжения.

35

Величина Rr должна быть такой, чтобы в системе возбуждения генератора не выполнялись условия самовозбуждения. Этот способ применяется в генераторах, в которых напряжение возбуждения формируется системой возбуждения путем суммирования напряжений генератора и напряжения, зависящего от тока нагрузки генератора.

В схемах с суммированием токов увеличение сопротивления цепи возбуждения за счет введения Rr повышает напряжение на выходе системы возбуждения. Следует иметь в виду, что при включенном гашении поля исправный генератор при запуске не возбудится.

4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

4.1. Классификация автоматических регуляторов напряжения

Ток нагрузки генератора размагничивает машину, в результате чего напряжение генератора уменьшается. Зависимости напряжения U от тока I при неизменных токе возбуждения iв, угле сдвига тока I от напряжения U и частоте называют внешними характеристиками генератора (рис. 4.1).

Обычно генераторы работают при cos = 0,9–0,8. В этом случае напряжение у генератора, не имеющего регулятора с изменением тока нагрузки от 0 до 100 %, снижается на 25–35 %. Это изменение превышает норму, установленную правилами российского морского регистра судоходства. Чтобы

36

поддержать напряжение на требуемом уровне, необходимо с ростом тока нагрузки подмагничивать генератор, увеличивая ток возбуждения в соответствии с регулировочными характеристиками iв = f(I) – рис. 4.2. Эти характеристики показывают, как нужно изменять ток возбуждения с изменением тока нагрузки, чтобы обеспечить постоянство напряжения U при данном угле и неизменной частоте. Чем больше угол , тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

Напряжение синхронного генератора изменяется с изменением частоты вращения, температуры обмоток, а также в результате действия систем управления или вмешательства персонала. Постоянные изменения нагрузки генераторов в эксплуатационных режимах работы судна требуют применения автоматических регуляторов напряжения.

Системы автоматического регулирования напряжения (АРН) построены по одному из трех принципов.

1. САРН с использованием принципа регулирования по отключению напряжения. В данном случае напряжение возбуждения определяется как функция от действительного напряжения и отклонения:

Uв = f{U, (Uэ – U)},

где Uэ – эталонное, заданное значение напряжения; U – фактическое напряжение. Рост тока нагрузки приводит к снижению напряжения U, в результате чего АРН увеличивает Uв. Любой фактор, вызывающий изменение напряжения, будет скомпенсирован АРН. Заметим, что напряжение генератора с таким АРН изменяется лишь при изменении Uэ (вмешательство персонала, отказ элемента формирования Uэ в АРН).

При глубоких снижениях напряжения, например вследствие короткого замыкания, у генератора может наблюдаться потеря работоспособности – развозбуждение, из-за снижения Uв и невозможности управлять током возбуждения (АРН не может работать при очень низком напряжении).

Для генераторов с таким типом АРН для устранения этого недостатка должно быть предусмотрено дополнительное питание обмотки возбуждения

сучетом нагрузки генератора через специальные трансформаторы тока.

2.АРН, реагирующие на возмущающие воздействия. Основным фактором, вызывающим изменение напряжения генератора, является ток нагрузки I и характер нагрузки. В этой связи можно использовать данные параметры

37

для управления напряжением возбуждения генератора. В подобных АРН напряжение возбуждения определяется выражениями

Uв = f(U, I) или Uв = f(U, I, cos ).

Такие системы возбуждения и АРН получили название систем компаундирования. Существуют, соответственно, две разновидности систем компаундирования: системы токового компаундирования и системы фазового компаундирования. В системах токового компаундирования Uв зависит лишь от модуля тока нагрузки. Такие АРН обладают значительной погрешностью регулирования ( 10 %) и могут применяться в установках со стабильной нагрузкой. В системах фазового компаундирования напряжение uв зависит не только от модуля тока I, но и от его фазы – угла сдвига тока I относительно напряжения. Такие АРН, в принципе, могут обеспечить регулирование напряжения с погрешностью 2,5 %, но требуют тщательной настройки. При этом типе АРН напряжение генератора будет изменяться по мере нагрева обмоток и при изменении частоты.

3. АРН комбинированного типа. Здесь использованы оба принципа регулирования: по возмущению и по отклонению. САРН данного типа может состоять из двух независимых АРН, один из которых работает по возмущению, а второй по отклонению.

Каждый из регуляторов питает отдельную обмотку возбуждения генератора. Второй вариант представляет из себя единый АРН, в котором управление в основном осуществляется в функции возмущения – тока I и cos . Регулирование по отклонению напряжения выполняет вспомогательную роль, повышая точность регулирования. В АРН комбинированного типа

Uв = f{U, I, cos , (Uэ – U)}.

Часть АРН, обеспечивающая регулирование по отклонению напряжения, получила название корректор напряжения (КН). При отключенном КН напряжение холостого хода генератора настраивается на 10–20 % выше номинального. КН снижает напряжение генератора до заданного значения. Из этого следует, что отказ корректора напряжения может привести к повышению напряжения генератора на 10–20 %.

Для того, чтобы исключить недопустимые перенапряжения в сети, в АРН предусматривается переход на режим работы без КН но с большей погрешностью регулирования.

38

4.2. Автоматический регулятор напряжения генератора, работающий по отклонению

Автоматический регулятор напряжения генератора (рис. 4.3) является регулятором, работающим по отклонению напряжения. Обмотка возбуждения генератора получает питание от статорной (якорной) обмотки генератора через управляемый выпрямитель V, построенный на тиристорах.

Напряжение управления тиристорами Uупр, создается системой формирования напряжения управления (СФНУ), с учетом разницы между фактическим и эталонным (задаваемым) напряжениями генератора. СФНУ получает питание по каналу напряжения от трансформатора напряжения TV каналу тока от трансформатора тока TA.

Рис. 4.3. Схема возбуждения синхронного генератора с регулятором напряжения в функции величины отклонения напряжения

При параллельной работе генераторов на вход СФНУ подается напряжение:

U2 =U +кI,

которое растет с ростом реактивной составляющей тока нагрузки генератора.

39

АРН воспринимает это как рост напряжения генератора и уменьшает величину напряжения возбуждения Uвозб, снижая напряжение U. Тем самым обеспечивается наклон внешних характеристик работающих генераторов, который регулируется резистором R2.

Такая регулировка необходима, если разница реактивных нагрузок между ними превышает величину 10 % при равенстве их активных нагрузок. При одиночной работе генератора трансформатор тока ТА закорачивается.

При малом остаточном напряжении генератора тиристоры выпрямителя V не могут быть открыты по двум причинам:

–низкая величина питающего напряжения тиристоров;

–отсутствие напряжения Uупр, ввиду потери работоспособности регуля-

тора напряжения при низком остаточном напряжении. Регулятор напряжения обеспечивает:

–погрешность регулирования напряжения 0,1–1,5 %;

–восстановление напряжения за время 0,2 с при возможности его регулирования в пределах 0,1–0,5 с;

–изменение величины напряжения генератора на величину 10 % от номинального значения дистанционно с помощью вспомогательного резистора;

–изменение наклона внешней характеристики с помощью резистора R2.

В регуляторе напряжения имеется защита от перенапряжения с помощью специального блока (на рис. 4.3 не показан), которая отключает возбуждение при напряжении 1,2–1,5 Uном, в случае отказа регулятора и роста напряжения генератора.

4.3. Автоматический регулятор напряжения генератора, работающий по компенсации тока

Автоматический регулятор напряжения (АРН) работающий по принципу компенсации возмущающих воздействий представлен на рис. 4.4. Возмущающими воздействиями, которые приводят к изменению напряжения синхронного генератора, является ток нагрузки I и коэффициент мощности cos .

АРН, компенсирующие возмущающие воздействия, получили название систем компаундирования, указывая на то, что ток возбуждения генератора обусловлен геометрической суммой величин, зависящих от напряжения U и тока I.

40