4. Автоматические регуляторы напряжения синхронных генераторов.
При сохранении постоянства скорости вращения генератора (для сохранения постоянства частоты) регулировка напряжения возможна только за счет изменения магнитного потока, т. е. тока возбуждения. На сегодняшний день наименее распространенным автоматическим регулятором напряжения является угольный. Основная часть угольного регулятора — столбик угольных шайб, включенный в обмотку возбуждения возбудителя генератора. Работа регулятора основана на том, что в столбике угольных шайб, подвергающихся давлению, электрическое сопротивление изменяется в зависимости от силы сжатия. Чем больше сила сжатия угольного столбика, тем меньше его сопротивление; с уменьшением силы сжатия сопротивление столбика возрастает.
Рис. 1. Принципиальная схема включения угольного автоматического регулятора напряжения
На рис. 1 изображена принципиальная схема включения угольного автоматического регулятора напряжения. В состав схемы входят: угольный реостат 1, электромагнит с двумя обмотками 2 и 3 и пружина 5, создающая усилие, противодействующее электромагниту. Обмотка 2 электромагнита включена на напряжение генератора Г между фазами А и С через выпрямитель 6. Обмотка 3 электромагнита включена на вторичную обмотку трансформатора 4, первичная обмотка которого питается от возбудителя генератора В. При нормальном напряжении генератора втягивающая сила электромагнита уравновешивается силой натяжения пружины. С повышением напряжения генератора сила электромагнита преодолевает натяжение пружины, якорь притягивается к сердечнику электромагнита, и поворачиваясь вокруг своей неподвижной оси, через вертикальный стержень передает растягивающее усилие на угольный столбик. Сила натяжения на угольные шайбы уменьшается, сопротивление столбика возрастает, напряжение возбудителя уменьшается, в связи с чем уменьшается и напряжение генератора Г. С уменьшением напряжения генератора Г втягивающая сила электромагнита уменьшается, под действием натяжения пружины якорь поворачивается и увеличивается сжатие угольного реостата. Сопротивление реостата уменьшается, ток возбуждения увеличивается и напряжение генератора возрастает.
Угольные регуляторы имеют ряд недостатков. Одним из наиболее существенных является малый срок службы угольных реостатов. В процессе эксплуатации угольные шайбы, из которых набирается реостат, «стареют», происходит их усадка и износ. Вследствие неравномерности этого явления равенство электрических сопротивлений отдельных угольных столбов нарушается, ток в столбах, имеющих минимальное сопротивление, увеличивается выше допустимого. При этом отдельные шайбы перегреваются, становятся хрупкими и при переменном сжатии их или вследствие вибрации и тряски судна дают трещины или рассыпаются. Иногда часть столба, работающего с перегрузкой, полностью выгорает.
Более совершенным методом регулирования напряжения синхронных генераторов является компаундирование возбуждения.
Рис. 2. Принципиальная схема компаундирования возбудителя синхронного генератора
На рис. 2 изображена принципиальная схема компаундирования возбудителя синхронного генератора. Возбудитель В генератора Г, кроме основной обмотки возбуждения ООВ, имеет дополнительную ДОВ. Дополнительная обмотка возбуждения питается током, пропорциональным току нагрузки генератора, получаемому от трансформатора тока ТТ через разделительный трансформатор напряжения РТ и выпрямитель В. С увеличением тока нагрузки напряжение генератора Г падает. Одновременно увеличивается ток возбуждения в обмотке ДОВ возбудителя, его напряжение возрастает, ток возбуждения генератора Г усиливается и напряжение генератора поднимается.
Наилучшие результаты в части поддержания постоянства напряжения дают синхронные генераторы с самовозбуждением и саморегулированием напряжения.
Рис. 3. Принципиальная схема системы самовозбуждения и саморегулирования синхронного генератора
На рис. 3 дана принципиальная схема системы самовозбуждения и саморегулирования синхронного генератора. Существенной частью этой системы является специальный трехобмоточный трансформатор Т. Обмотка I (обмотка напряжения) этого трансформатора подключена к клеммам статора генератора и в ней течет ток Iн, пропорциональный напряжению генератора: Iн = K1U. Действие этой обмотки аналогично действию параллельной обмотки возбуждения генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением. Обмотка II (токовая) включена на трансформатор тока главной цепи генератора, через нее проходит ток Iт = K2I, пропорциональный току нагрузки генератора. Назначение этой обмотки аналогично назначению последовательной обмотки генератора со смешанным возбуждением. Обмотка III является вторичной обмоткой трансформатора, ток в ней Iв равен геометрической сумме токов Iн и Iт. Этот ток, выпрямленный полупроводниковым выпрямителем В, питает обмотку возбуждения генератора ОВ. Рассмотрим, как работает эта система. При вращении ротора генератора вследствие наличия в стали ротора остаточного магнетизма, генератор разовьет некоторую начальную э. д. с.При этом через обмотку I трансформатора Т пройдет ток. Образовавшееся в сердечнике трансформаторамагнитное полеиндуктирует вторичную э. д. с. в обмотке III и в ее цепи, а следовательно, и в обмотке ротора генератора потечет ток. Ток ротора усилит магнитное поле генератора, э. д. с. последнего возрастет, что в свою очередь вызовет увеличение тока в обмотке I трансформатора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на клеммах генератора достигнет номинальной величины. В дальнейшем, при холостом ходе генератора и при сохранении неизменной скорости его вращения, напряжение генератора будет сохраняться постоянным.