7.1. Принципы построения сарн синхронных генераторов

Как следует из уравнения электрического состояния СГ при изменении его нагрузки, необходимо воздействовать на основной поток, т.е. изменять намагничивающую силу генератора, так воздействуя на ток возбуждения, чтобы компенсировать возникающие при этом падения напряжения (по продольной и поперечной оси). При этом характер изменения тока возбуждения при изменении характера нагрузки (cos) должен соответствовать регулировочным характеристикам данного генератора, заданным его заводом-изготовителем (рис.26).

Регулировочные характеристики построенные для случая активно-индуктивной нагрузки, но для обеспечения одного и того же тока нагрузки, при разных значениях cos необходимы различные токи возбуждения, при этом наибольше его значение требуется при преимущественно индуктивной нагрузке (cos = 0,2), а наименьшее – при чисто активной - cos = 1. Это обусловлено тем, что намагничивающая сила реакции якоря Фря в первом случае – направлена по продольной оси против направления основной намагничивающей силы, во втором случае (при чисто активной нагрузке) действие реакции якоря направлено поперек основного продольного потока, следовательно, в 1-м случае основной магнитный поток необходимо увеличивать, воздействуя на ток возбуждения генератора, а во 2-м случае – компенсации реакции якоря практически не требуется, т.к. результирующий поток мало изменяется.

Из курса Электрических машин известно, что ток возбуждения СГ при изменении нагрузки и cos изменяется по кривой, близкой к окружности (круговые диаграммы – рис. 27). Намагничивающая сила и ток возбуждения, определяющий эту силу, определяется как сумма двух составляющих токов – I_вхх и I_вк. (рис. 27), где составляющая I_вхх – составляющая тока возбуждения холостого хода генератора, I_вк – компаундирующая составляющая, прямо пропорциональная току нагрузки генератора. Т.к. при cos = 1 вектор I_вхх перпендикулярен I_вк, при cos = 0 – I_вхх и I_вк2 – совпадают по направлению, и в этом случае суммарный ток возбуждения равен их алгебраической сумме.

При других значениях cos вектор I_вк принимает промежуточное положение на окружности, и суммарный ток возбуждения определяется геометрической суммой:

I_вк = I_вхх + I_вк

Таким образом, построение САРН сводится к реализации операции геометрического суммирования двух составляющих, одна из которых пропорциональна значению напряжения на зажимах генератора, а вторая пропорциональна току нагрузки. Следовательно, любая САРН представляет собой динамическую систему, состоящую из объекта регулирования (СГ) и автоматического управляющего устройства в виде регулятора (АРН), жестко связанных между собой в единую систему, где регулируемой величиной является ток возбуждения.

При этом система подвергается внешнему воздействию двух факторов:

• значение тока нагрузки

• коэффициент мощности

Следовательно, в простейшем виде САРН генератора выглядит в виде системы, представленной на рис. 28.

Как следует из рис. 28, процесс возбуждения СГ в режиме холостого хода обеспечивается по каналу напряжения ( составляющая IU, а в режиме нагрузки – еще и I_i, т.е. в режиме нагрузки ток возбуждения равен I_u + I_i = I_в.

По принципу действия, все судовые САРН принято делить на 3 вида:

1)система, действующая по возмущению:

а) системы токового компаундирования, у которых ток возбуждения является функцией зависящей только от значений U_г, I_г.

б) системы амплитудно-фазового компаундирования (АФК), в которых ток возбуждения определяется тремя параметрами: I_в = f (U_г, I_г, cos), т.е. учитывается угол между векторами.

2) системы, действующие по отклонению регулируемой величины:

I_в = f (U_г, U), где U = U_н – U_г , т.е. учитывается напряжение на зажимах генератора и разность напряжений U.

3) Комбинированные системы действуют по возмущению и отклонению. В них ток возбуждения определяется

I_f = f (Ur, Ir, cos), кроме этого, I_в = f (U_г, U), где U = U_н – U_г

По способу воздействия на обмотку возбуждения синхронного генератора, все САРН делятся на 2 группы:

а) САРН, в которых регулятор напряжения воздействует на ток в обмотки возбуждения (системы прямого регулирования);

б) системы косвенного регулирования, в которых АРН воздействует на ток обмотки возбуждения через промежуточное звено, им может быть возбудитель переменного тока в бесщеточном генераторе, или возбудитель постоянного тока в обычном генераторе.

На судах применяются и та, и другая системы, но большее применение получили системы прямого действия, при этом генераторы, оснащенные САРН, формирующей ток возбуждения из энергии самого генератора, называются генераторами с самовозбуждением.

На рис. 30 представлена схема формирования тока возбуждения генератора, реализующая первый принцип (прямое регулирование), при этом суммирование составляющих I_u и I_i осуществляется по току, т.е. реализуется система токового компаундирования, учитывающая только значения I_u и I_i. На рис. 29 представлена система косвенного регулирования. На верхней схеме для питания обмотки возбуждения синхронного генератора (ОВГ) используется возбудитель В (генератор постоянного или переменного тока), при этом регулятор воздействует не на ОВГ, а на обмотку возбуждения возбудителя (ОВВ), и в результате изменяется ток возбуждения генератора. Во второй схеме – система бесщеточного возбуждения. Здесь трехфазная обмотка возбудителя, выпрямитель, и обмотка возбуждения ОВГ СГ расположены на одном роторе генератора и вращаются вместе с ним.

Все генераторы с самовозбуждением имеют общий недостаток - это наличие щеточного аппарата и коллектора, для подачи постоянного тока во вращающуюся обмотку возбуждения.

Кроме того, в системах косвенного регулирования дополнительным недостатком является их инерционность, обусловленная введение промежуточного звена. С другой стороны, как достоинство рассматривается возможность серийно выпускаемых генераторов, не имеющих внутри дополнительного оборудования и аппаратурного управления. Главным достоинством генераторов является отсутствие щеточной аппаратуры и колец.