АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Электродвижущая сила (ЭДС), развиваемая синхронным генератором, определяется выражением

которое показывает, что ЭДС Е, а следовательно, и напряжение на шинах генератора U находятся в прямой зависимости от магнитного потока Ф, который создается обмоткой ротора генератора, обтекаемой постоянным током. При вращении ротора генератора магнитный поток Ф пересекает витки обмотки статора w с частотой f и индуцирует в них ЭДС Е. Ток в обмотке ротора и напряжение, под воздействием которого он проходит, называются током и напряжением возбуждения генератора. К системе возбуждения генератора относятся обмотка ротора, возбудитель, ручные устройства и автоматические регуляторы, с помощью которых можно изменять напряжение и ток возбуждения. В качестве возбудителей используются генераторы постоянного тока, генераторы переменного тока повышенной частоты с кремниевыми выпрямителями, ртутные или тиристорные выпрямители [1].

Напряжение и ток ротора, при которых генератор работает с номинальной мощностью, номинальным напряжением статора и номинальным cosϕ, также называются номинальными. Изменение этих величин для поддержания необходимого уровня напряжения статора генератора называется регулированием возбуждения, которое бывает ручным и автоматическим.

Быстрое увеличение возбуждения сверх номинального значения называется форсировкой возбуждения. При этом наибольшие возможные значения напряжения и тока ротора, которые может обеспечить возбудитель, называются потолком возбуждения. Отношение напряжения (тока) ротора при форсировке к номинальным значениям - кратность форсировки возбуждения. Системы возбуждения синхронных машин должны иметь:

-необходимую мощность источников возбуждения и диапазон его изменения в зависимости от параметров режима синхронной машины;

-высокую скорость нарастания ротора в условиях аварийных нарушений режима в

энергосистемах, что обеспечивает быструю мобилизацию резервов реактивной мощности и предотвращает нарушение устойчивости параллельной работы.

Система возбуждения генератора должна обеспечить не менее чем двукратную форсировку возбуждения и скорость нарастания напряжения не менее двух единиц возбуждения в секунду (ед. возб/с), где за единицу возбуждения принимается номинальное напряжение.

На генераторах мощностью до 150 МВт в качестве возбудителей используются генераторы постоянного тока (рис. 1.). Основной является схема с параллельным самовозбуждением (рис. 1,а). Напряжение и ток возбудителя, подводимые к обмотке ротора LG, регулируются с помощью реостата RRE в цепи обмотки возбуждения LE возбудителя GE. При полностью выведенном реостате RRE (когда его сопротивление равно нулю) напряжение и ток возбудителя достигают наибольших значений, т.е. потолка возбуждения.

Схема независимого возбуждения (рис. 1,6) состоит из двух генераторов постоянного тока — возбудителя GE с независимым возбуждением и подвозбудителя GEA с параллельным самовозбуждением. В этой схеме напряжение и ток возбудителя могут регулироваться двумя реостатами — RRE и RREA, что обеспечивает большую плавность регулирования.

Как правило, вал якоря возбудителя и подвозбудителя соединен с валом ротора генератора непосредственно, что обеспечивает высокую надежность работы системы возбуждения. В отдельных случаях у турбогенераторов мощностью 300 МВт возбудитель соединяется с валом ротора генератора через редуктор для уменьшения частоты вращения якоря возбудителя. Резервные возбудители выполняются по схеме на рис. 1., а, причем ротор возбудителя вращается от отдельного асинхронного электродвигателя.

1

форсировочной VS.Ф. Управление их работой, ручное и автоматическое, производится через системы управления СУТ.Р и СУТ.Ф. Тиристорные системы возбуждения являются наиболее быстродействующими.

На рис. 4 показана схема бесщеточной системы возбуждения, которая получила свое наименование потому, что из контура выпрямитель VS1 — обмотка ротора LG исключены контактные кольца и щетки, в результате чего существенно повышена надежность работы системы возбуждения.

С этой целью выпрямитель VS1 конструктивно совмещен с валом ротора генератора, вращается вместе с ним и поэтому может быть жестко соединен с обмоткой ротора. Якорь возбудителя GE, на котором в данном случае расположена трехфазная обмотка переменного тока, также соединен с валом ротора генератора, а его обмотка возбуждения (полюса) LE расположена на статоре.

Возбуждение возбудителя GE производится от высокочастотного подвозбудителя GEA через тиристорный выпрямитель VS2, который управляется с помощью автоматического регулятора возбуждения АV. Якорь подвозбудителя соединен с валом ротора генератора.

2. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ (АРВ)

Назначение АРВ

Основным назначением АРВ является повышение устойчивости параллельной работы генераторов при нарушениях нормального режима. В этих условиях АРВ, реагируя на сравнительно небольшие отклонения напряжения (или тока) генератора от нормального значения, значительно увеличивают (форсируют) возбуждение генераторов. При увеличении (особенно при форсировке) возбуждения до потолка увеличивается ЭДС генератора, что способствует повышению предела устойчивости генератора. Форсировка возбуждения генератора облегчает и ускоряет процесс восстановления напряжения на шинах после отключения КЗ, что способствует также быстрому самозапуску электродвигателей.

В нормальных условиях АРВ обеспечивают поддержание заданного уровня напряжения и необходимое распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами.

Виды АРВ

Все АРВ, применяемые на синхронных генераторах, различаются по параметру, на который они реагируют, по способу воздействия на систему возбуждения генератора и подразделяются на три группы.

К первой группе относятся электромеханические АРВ, которые реагируют на отклонение напряжения генератора от заданного значения (уставки) и воздействуют на изменение сопротивления в цепи обмотки возбуждения возбудителя (см. рис. 1,а).

3

Ко второй группе относятся электрические АРВ. Эти АРВ реагируют на отклонение напряжения или тока генератора от заданного значения и подают дополнительный выпрямленный ток в обмотку возбуждения возбудителя от внешних источников питания (трансформаторов тока, напряжения или собственных нужд), как показано на рис. 1,б.

К третьей группе относятся АРВ, применяемые в основном с выпрямительными системами возбуждения: высокочастотной, тиристорной, бесщеточной. В отличие от АРВ, выполняемых по схеме на рис. 1,б, эти АРВ не имеют собственных силовых органов (внешних источников питания), а только управляют работой возбудителей.

3. РЕЛЕЙНЫЕ УСТРОЙСТВА БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ФОРСИРОВКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ (УБФ) И РАСФОРСИРОВКИ

Устройство быстродействующей форсировки возбуждения в аварийных условиях, сопровождающихся глубоким понижением напряжения, производит быструю форсировку возбуждения генератора до наибольшего допустимого, или потолочного, значения. Принципиальная схема УБФ приведена на рис. 5. Пуск9вым органом схемы является минимальное реле напряжения KV типа РН-54, включенное на вторичное междуфазное напряжение трансформатора напряжения TV генератора. Реле KV при срабатывании воздействует на обмотку контактора КМ, который своими контактами шунтирует реостат RRE в цепи обмотки возбуждения возбудителя. При этом ток возбуждения возбудителя увеличивается до максимально возможного значения, т. е. происходит форсировка возбуждения до потолочного. В отдельных случаях, когда при полном шунтировании реостата ток ротора может достигнуть недопустимо большого значения, шунтируется лишь часть RRE.

Уставка напряжения срабатывания минимального реле напряжения выбирается из условия возврата реле после отключения КЗ по формуле

где (UНОМ — номинальное напряжение генератора; kОТС - коэффициент отстройки, принимаемый 1,05—1,1; kВ — коэффициент возврата, составляющий не более 1,05—1,2; kU

— коэффициент трансформации трансформатора напряжения. Обычно уставка минимального реле напряжения составляет 80—85% номинального напряжения генератора.

Поскольку при срабатывании УБФ к обмотке возбуждения прикладывается полное напряжение возбудителя, ток в обмотке нарастает сравнительно быстро, вследствие чего рассматриваемое устройство называется устройством быстродействующей форсировки возбуждения.

Ток ротора генератора при форсировке возбуждения определяется выражением

где RРОТ - сопротивление обмотки ротора генератора при рабочей температуре; UB.MAX - максимальное напряжение возбудителя при форсировке.

Устройство быстродействующей форсировки возбуждения может действовать ложно при исчезновении напряжения на обмотке реле KV. Поэтому УБФ часто выполняется с помощью двух минимальных реле напряжения, контакты которых включаются последовательно. В ряде случаев применяются более совершенные схемы УБФ, в которых используются минимальные реле напряжения, включенные через фильтр напряжения прямой последовательности.

Во всех схемах УБФ оперативный ток подается на контакты минимальных реле напряжения через контакт реле положения выключателя генератора KQC.1 (рис. 5), замкнутый при включенном выключателе. При отключении выключателя контакт KQC.1 размыкается и выводит УБФ из работы, так как форсировка возбуждения генератора, работающего на холостом ходу, может привести к значительному повышению напряжения, опасному для изоляции обмоток. Кроме того, последовательно с контактом КV.I включается вспомогательный контакт SF.1, замкнутый при включенном автоматическом выключателе. При отключении автоматического выключателя и исчезновении напряжения на реле KV вспомогательный контакт SF. 1 размыкается и выводит УБФ из работы.

4

На генераторах большой мощности релейная форсировка возбуждения не применяется из-за недостаточного быстродействия, что объясняется задержкой на срабатывание порядка 0,3 с контактора КМ

На гидрогенераторах с машинными системами возбуждения применяются также релейные устройства расфорсировки (УРРФ), предназначенные для ограничения опасных повышений напряжения на выводах статора, что может произойти вследствие увеличения частоты при аварийном сбросе нагрузки.

Схема УРРФ приведена на рис. 6. При повышении напряжения выше уставки срабатывания максимального реле напряжения KV2, равной 1,2 UГ. НОМ замыкаются его контакты KV2.1, после чего срабатывают промежуточное реле KL2 и контактор KМ2. Контакты последнего КМ2.1 дешунтируют сопротивление RRE1, включенное в цепь обмотки возбуждения возбудителя. В результате уменьшатся значения тока в обмотке возбуждения возбудителя, напряжения на зажимах якоря возбудителя, тока ротора гидрогенератора и напряжения на зажимах его статора.

4. КОМПАУНДИРОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Структурная схема устройства компаундирования (УК) возбуждения генератора приведена на рис. 7. Вторичный ток I2 трансформатора тока ТА, пропорциональный току генератора IГ проходит через промежуточный трансформатор TL, выпрямляется с помощью полупроводникового выпрямителя VS и подается в обмотку возбуждения возбудителя GE. Выпрямленный ток, который называется током компаундирования, проходит по обмотке LE в том же направлении, что и ток от возбудителя IB.B Поэтому суммарный ток в обмотке возбуждения возбудителя, равный IО.B =IВ + IK зависит не только от положения реостата в цепи обмотки возбуждения RRE, но и от тока генератора IГ.

Благодаря этому при увеличении тока статора генератора устройство компаундирования увеличивает ток в обмотке LE, т.е. действует аналогично регулятору напряжения, обеспечивает поддержание напряжения и форсировку при КЗ. Уменьшение тока статора генератора сопровождается уменьшением тока IK и соответственно тока IО.B, что предотвращает повышение напряжения.

Основным назначением промежуточного трансформатора TL является согласование значений тока компаундирования и вторичного тока ТА, а также отделение цепей трансформатора тока от цепей возбуждения генератора. Установочный реостат RRS используется для установки степени компаундирования и для плавного увеличения или уменьшения тока/к при включении и выводе из работы RRS.

При подборе сопротивления реостата RRS и коэффициента трансформации трансформатора TL должна быть обеспечена, с одной стороны, возможно большая форсировка возбуждения, а с другой — устойчивая работа УК.

5

через установочный трансформатор TS и, реагируя на отклонения напряжения, управляет работой силового органа.

Силовой орган СО получает питание от того же трансформатора напряжения и подает в дополнительную обмотку возбуждения возбудителя LE2 выпрямленный ток корректора напряжения IК.Н. Ток ЭМК проходит по обмотке LE2 в том же направлении, что и ток в основной обмотке возбуждения возбудителя LE1.

Рис. 9. Структурная схема электромагнитного корректора напряжения

На рис. 10 приведена упрощенная схема основных органов ЭМК. Силовой орган состоит из трехфазного магнитного усилителя МУ и выпрямительного моста VS1. Выпрямленный ток поступает в дополнительную обмотку возбуждения возбудителя.

Рис. 10. Схема измерительного и силового органов ЭМК

Магнитный усилитель МУ представляет собой стальной сердечник с несколькими обмотками. К силовым обмоткам СО переменного тока подается напряжение от трансформатора напряжения, под действием которого через эти обмотки, выпрямительный мост и обмотку возбуждения возбудителя проходит ток; значение его зависит от сопротивления цепи.

Кроме силовых обмоток на сердечнике магнитного усилителя расположены управляющие обмотки подмагничивания Л и Н. При подаче в управляющую обмотку постоянного или выпрямленного тока сердечник магнитного усилителя подмагничивается, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления силовых обмоток и, следовательно, к увеличению тока в обмотке возбуждения возбудителя.

Обмотки Л и Н с одинаковым числом витков обтекаются токами линейного ЛЭ и нелинейного НЭ элементов измерительного органа. Обмотка ПОС включена последовательно с обмоткой возбуждения возбудителя и согласно с обмоткой Л. При увеличении тока в силовых обмотках выпрямительный ток, проходя по обмотке ПОС, производит дополнительное подмагничивание сердечника, что вызывает дополнительное увеличение тока в силовых обмотках и обмотке возбуждения возбудителя. Таким образом,

7

обмотка ПОС, называемая обмоткой внешней положительной обратной связи, усиливает действие магнитного усилителя (увеличивает коэффициент усиления).

Измерительный орган действует по принципу сравнения токов линейного и нелинйного элементов. На рис. 11 приведены характеристики, показывающие зависимость токов выхода линейного и нелинейного элементов от напряжения на их входе.

Рис. 11. Характеристика зависимости тока выхода линейного IЛ.Э и нелинейного IН.Э элементов от напряжения на входе измерительного органа ЭМК

В качестве линейного элемента используется трехфазный дроссель с воздушным зазором L; индуктивное сопротивление которого не зависит от приложенного напряжения, поэтому ток IЛ.Э проходящий через дроссель и выпрямляемый выпрямителем ВЛ, имеет линейную зависимость от приложенного напряжения и изображается прямой линией.

Нелинейный элемент включает в себя трансформатор ТМ с насыщающимся сердечником и соединением обмоток звезда — разомкнутый треугольник и выпрямитель ВНЛ. При малых напряжениях от трансформатора напряжения сердечник трансформатора ТМ ненасыщен, фазные напряжения на его вторичной обмотке имеют синусоидальную форму, напряжение на разомкнутом треугольнике равно нулю и ток нелинейного элемента отсутствует.

При насыщении стали сердечника трансформатора ТМ форма кривой фазных напряжений на вторичной обмотке искажается и становится несинусоидальной вследствие появления составляющих высших гармоник. Наибольшее значение имеют составляющие третьей гармоники, фазные напряжения которой совпадают по фазе. Поэтому сумма фазных напряжений на выходе ТМ равна их утроенному значению. Под действием этого напряжения проходит ток от нелинейного элемента. При повышении напряжения третья гармоника резко возрастает, поэтому зависимость тока нелинейного элемента от напряжения носит нелинейный характер.

Выходы линейного и нелинейного элементов измерительного органа подключены к отдельным управляющим обмоткам магнитного усилителя силового органа так, чтобы токи в них проходили в противоположных направлениях. Из характеристик, приведенных на рис. 11, видно, что при определенном напряжении на шинах генератора Uб токи в линейном и нелинейном элементах равны. Суммарный магнитный поток подмагничивания при этом будет равен нулю, чему соответствует минимальный ток, поступающий от ЭМК. При понижении напряжения генератора, например до U1, равенство токов в управляющих обмотках нарушается. За счет разности намагничивающих сил происходит подмагничивание сердечника магнитного усилителя и соответственно усиление тока от ЭМК, который стремится восстановить прежнее напряжение на шинах генератора. При повышении напряжения, например до U2, ток нелинейного элемента становится больше тока линейного элемента, что также могло бы вызвать подмагничивание магнитного усилителя и увеличение тока ЭМК. Для предотвращения такого неправильного действия ЭМК в схеме установлен блокирующий диод VD, объединяющий управляющие обмотки линейного и нелинейного элементов. Благодаря этому при повышении напряжения токи в обеих управляющих обмотках будут примерно равными и подмагничивание будет минимальным. При понижении напряжения генератора, когда ток линейного элемента больше тока нелинейного элемента, блокирующий диод тока не пропускает и на работу ЭМК не влияет.

8

Характеристика электромагнитного корректора, представляющая зависимость тока IK.H от напряжения на шинах генератора, представлена на рис. 12. Наклон рабочего участка характеристики аб зависит от степени подмагничивающего действия обмотки ПОС магнитного усилителя.

Рис. 12. Характеристика ЭМК:

аб - рабочий участок; ав и бг - нерабочие участки

Точка а, в которой имеет место максимальный ток ЭМК, определяет наибольшую форсировку возбуждения, которую может обеспечить ЭМК. Минимальный ток ЭМК, который имеет место в точке б, определяет возможности ЭМК в области развозбуждения генератора при повышении напряжения на его шинах. Снижение характеристики тока выхода ЭМК на участке ав определяется тем, что одновременно со снижением напряжения на генераторе понижается напряжение питания самого ЭМК.

Установочный автотрансформатор TS (см. рис. 10) служит для изменения уровня напряжения генератора, который должен поддерживать ЭМК.

Рассмотренный выше ЭМК называется односистемн ым. Выход односистемного ЭМК, как правило, подключается так, чтобы ток IК.Н проходил по обмотке LE2 согласно с током IB в обмотке LE1 (рис. 13). Электромагнитный корректор напряжения с таким включением называется согласно включенным. В отдельных случаях используется такое включение выхода ЭМК, при котором ток IК.H в обмотке LE2 направлен встречно току в обмотке LE1. Электромагнитный корректор с таким включением называется противовключенным.

На мощных гидрогенераторах применяются двухсистемные ЭМК, которые, как показано на рис. 13. а, состоят из двух односистемных корректоров. Один из них, ЭМК-С, согласно включенный, дает ток IК.Н.С в обмотку LE2 согласно с током в основной обмотке LE1. Второй, ЭМК-П. противовключенный, дает ток IК.Н.П во вторую обмотку LE3 в противоположном направлении.

Рис. 13. Принципиальная схема включения двухсистемного ЭМК: а - схема включения; б - характеристика; УК - устройство компаундирования; У AT- установочный автотрансформатор

9

Характеристика двухсистемного ЭМК (рис. 13,б) подбирается так, чтобы при понижении напряжения работал ЭМК-С, а при повышении - ЭМК-П, обеспечивая как режимы форсировки, так и необходимое развозбуждение генератора.

6. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ С КОМПАУНДИРОВАНИЕМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КОРРЕКТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

Виды АРВ с УК и ЭМК

При совместном использовании УК и ЭМК могут быть осуществлены две принципиально отличные системы и соответственно два вида АРВ:

1)АРВ с компаундированием полным током, которое осуществляется путем суммирования токов от трансформаторов тока и тока от трансформатора напряжения после их отдельного выпрямления;

2)АРВ с фазовым компаундированием, которое осуществляется путем суммирования токов от трансформаторов тока и трансформатора напряжения на стороне переменного тока до их выпрямления.

Автоматическое регулирование возбуждения с компаундированием полным током типа ЭПА-305

Принципиальная схема АРВ с компаундированием возбуждения полным током приведена на рис. 14. Регулятор состоит из трех устройств УК, ЭМК и УБФ (последнее на схеме не показано). Измерительный орган ЭМК состоит из насыщающегося трансформатора ТМ, выпрямителей VS1 и VS2 и реостата RR1.

Последовательно с первичной обмоткой трансформатора ТМ, которая выполняет функции нелинейного элемента, включен через выпрямитель VS2 реостат RR1, а к вторичной обмотке этого трансформатора, которая выполняет функции линейного элемента, подключены через выпрямитель VS1 управляющая обмотка УО магнитного усилителя МУ и реостаты RR1 и RR2.

Ток I2, проходящий по вторичной обмотке трансформатора ТМ, находится в линейной зависимости от напряжения генератора и является током линейного элемента IЛ.Э характеристика которого приведена на рис. 11. Ток I1 в первичной обмотке трансформатора ТМ равен сумме вторичного тока и тока намагничивания трансформатора.

При напряжении, когда сердечник ТМ еще не насыщен, ток I1 имеет линейную зависимость от напряжения генератора. Параметры элементов подобраны так, чтобы при этом ток I1 был меньше тока I2. С увеличением напряжения происходит насыщение сердечника трансформатора ТМ, что сопровождается резким ростом тока намагничивания, а следовательно, и тока I1, при этом линейность зависимости тока I1 от напряжения нарушается и при определенном значении этого напряжения Uб ток I1, являющийся током нелинейного элемента, сначала становится равным току IЛ.Э, а затем и больше него.

Силовой орган ЭМК связан с измерительным органом с помощью однофазного управляемого магнитного усилителя МУ, на сердечнике которого расположены две силовые обмотки СО, управляющая обмотка УО, обмотка стабилизации СТО и обмотка положительной обратной связи ПОС.

Выпрямители VS3 в цепи силовых обмоток, включенных с разной полярностью, обеспечивают дополнительное подмагничивание сердечника магаитного усилителя выпрямленным током, проходящим по силовым обмоткам. Магнитный усилитель, в котором силовые обмотки используются для дополнительного поцмагничивания сердечника, называется магнитным усилителем с внутренней положительной обратной связью.

Магнитный усилитель работает на первичную обмотку ПО выходного трансформатора ТК, к вторичной обмотке ВО которого подключен силовой выпрямитель VS4. Трансформатор ТК предназначен для согласования параметров обмотки возбуждения возбудителя LE2, на которую работает ЭМК, с параметрами последнего, а также для улучшения характеристик ЭМК.

10