Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
17 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Возбудитель генератора принцип работы

Принцип действия синхронного генератора. Системы возбуждения синхронного генератора

Принцип действия синхронного генератора

При подключении обмотки возбуждения к источнику постоянного напряжения, по ней пойдет ток возбуждения и создастся постоянный магнитный поток. При вращении ротора, от источника механической энергии, этот поток поочередно пересекает каждую из фаз обмоток статора и в каждой из обмоток индуктируется однофазная переменная ЭДС. При соединении обмотки статора в звезду, получим систему 3-х фазной переменной ЭДС.

Различают синхронные генераторы с:

Возбудитель – генератор постоянного тока со смешенным возбуждением, якорь которого устанавливается на вал самого генератора (или изготавливается на одном волу с генератором), а корпус возбудителя крепится к корпусу синхронного генератора.

По схемам возбуждения синхронные генераторы делятся на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

При независимом возбуждении обмотка электромагнитов питается постоянным током от отдельной машины постоянного тока, соединенной с ротором генератора непосредственно либо посредством гибкой передачи, чаще всего клиноременной.

При самовозбуждении обмотка, питающая магнитные полюса, находится в одном магнитном поле с рабочей обмоткой генератора.

Наиболее распространенная схема возбуждения синхронных генераторов с независимым возбуждением.

Постоянный ток со щеток возбудителя поступает непосредственно в обмотку возбуждения генератора. Регулирование напряжения генератора осуществляется шунтовым реостатом в цепи возбуждения возбудителя (ШР), при увеличении сопротивления ШР уменьшается ток возбуждения возбудителя, что приводит к снижению напряжения на щетках возбудителя и, следовательно, к уменьшению тока возбуждения генератора и снижению напряжения на зажимах генератора.

Генераторы с самовозбуждением могут работать по двум схемам:

а) в синхронных машинах с вращающимся якорем — в пазах якоря укладывается дополнительная обмотка, присоединенная к специальному коллектору; постоянным током с коллектора по обычной схеме питается обмотка электромагнитов; в отдельных случаях дополнительная обмотка выполняется однофазной, и в последующем ток выпрямляется.

б) в синхронных машинах с неподвижным якорем и вращающимися полюсами постоянный ток для возбуждения генератора получают трансформированием рабочего напряжения и последующим выпрямлением тока.

1.10 Способы пуска синхронного электродвигателя.

Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного асинхронного двигателя. Однако этот способ ввиду его сложности и высокой стоимости используется очень редко. Обычно применяют так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Для этой цели в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка типа «беличьей клетки». Так как во время пуска в обмотке возбуждения двигателя наводится большая э. д. с. и напряжение на зажимах оказывается весьма значительным, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником на сопротивление.

При подаче напряжения трехфазной сети к обмотке статора синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшей скорости (95—97% синхронной скорости) рубильник переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.

Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больше номинального тока). Пусковой ток мощных синхронных двигателей вызывает значительное падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью автотрансформатора.

В настоящее время применяют почти исключительно асинхрон­ный пуск синхронных двигателей ввиду его простоты и надежности. Существуют также схемы автоматического асинхронного пуска синхронных двигателей

Устройство и принцип действия генераторов переменного тока

Электрический генератор тока – это устройство, предназначенное для превращения неэлектрических видов энергии (химической, механической, тепловой) в электрическую. При этом его конструкция базируется на использовании принципа электроманитной индукции.

Принцип действия и устройство простейшего генератора переменного тока

Электромагнитная индукция – это явление, которое было открыто в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), обнаружившим, что при прохождении изменяющегося во времени магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и положен в основу любого генератора.

На практике принцип электромагнитной индукции реализуется следующим образом: электрический ток возникает в замкнутой рамке (роторе) при пересечении ее вращающимся магнитным полем, образуемым в зависимости от назначения и конструкции генератора постоянными магнитами или специальными обмотками возбуждения. При вращении рамки изменяется величина магнитного потока. Чем быстрее она вращается, тем выше величина выходного напряжения.

В 1827 году этот эффект обнаружил и использовал при создании оригинальной модели генератора электрического тока венгерский физик Аньош Иштван Йедлик (1800-1895). Однако, полагая его известным, ученый не запатентовал свое открытие, а о создании первой динамо-машины объявил только в 1850 году.

Для отвода электрического тока рамка оснащается токосъемником, который превращает ее в замкнутый контур и обеспечивает постоянный контакт вращающейся рамки со стационарно расположенными элементами генератора. Подпружиненные щетки прижимаются к коллекторным кольцам и таким образом электрический ток поступает на выходные клеммы генератора.

Вращаясь, половинки рамки последовательно проходят возле полюсов магнита. При этом происходит циклическая смена направления движения возникающего тока – у каждого полюса ток движется в одну сторону.

В зависимости от конструкции коллектора генератор может вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.

  • В генераторах постоянного тока для каждой половины обмотки в коллекторном узле имеются изолированные друг от друга полукольца. Благодаря тому, что эти полукольца постоянно меняются щетками, ток не изменяет своего направления, а просто пульсирует.
  • В генераторах переменного тока концы рамки привязаны к контактным кольцам и вся эта конструкция вращается вокруг своей оси. При вращении рамки, щетки, каждая из которых плотно примыкает к своему кольцу, обеспечивают надежный токоотвод. При этом циклической смены положения щеток не происходит.

Вращающаяся часть генератора называется ротором, а неподвижная – статором.

Принцип действия электрогенераторов переменного и постоянного тока идентичен. Отличаются они между собой конструкцией контактных колец, расположенных на вращающемся роторе и конфигурацией обмоток.

В генераторах переменного тока часто используют оригинальное техническое решение, базирующееся на том, что ЭДС возникает в проводнике не только когда он вращается в магнитном поле, но и в том случае, когда относительно неподвижного проводника вращается само магнитное поле.

Этот эффект широко используется разработчиками, которые располагают на вращающемся роторе электрические или постоянные магниты. При этом напряжение снимается со стационарно установленной обмотки, что дает возможность избавиться от сложных конструкций токосъемных узлов.

Электрогенераторы переменного тока

Выпускается огромное количество самых разнообразных электрогенераторов переменного тока. Классифицировать их можно по таким параметрам:

  • конструктивное исполнение;
  • способ возбуждения;
  • количество фаз.

По способу возбуждения потребителю могут встретиться агрегаты:

  • с независимым возбуждением – обмотка возбуждения запитывается постоянным током от независимого источника электропитания;
  • с самовозбуждением – в обмотку возбуждения подается выпрямленный ток от самого генератора;
  • с возбуждением от постоянных магнитов – обмотка возбуждения отсутствует;
  • с возбуждением от возбудителя – маломощного генератора постоянного тока, «сидящего» на одном валу с обслуживаемым генератором.

По количеству фаз электрогенераторы бывают:

  • однофазные;
  • двухфазные;
  • трехфазные.

На практике чаще всего встречаются трехфазные генераторы переменного тока. Связано это с рядом преимуществ, характерных для этого вида агрегатов:

  • получение экономического эффекта при разработке систем передачи электроэнергии на большие расстояния – снижение материалоемкости трансформаторных устройств и силовых проводов; Этому способствует наличие кругового магнитного поля;
  • увеличенный эксплуатационный ресурс, который обеспечивает уравновешенность системы;
  • одновременное использование линейного и фазового напряжения.

Конструктивно трехфазный электрогенератор имеет три независимые обмотки, расположенные в статоре по окружности со смещением в 120° относительно друг друга. При этом каждая обмотка представляет собой однофазный генератор, которая способна подавать переменное напряжение потребителю R. Такая единичная обмотка и получила название «фаза». Фазные обмотки могут соединяться между собой «треугольником» или «звездой».

Существуют и другие схемы соединения обмоток, например, шестипроводная система «Тесла» или соединение «Славянка» (сочетание шести обмоток в виде одной «звезды» и одного «треугольника), однако широкого распространения они не получили.

Роль рамки в устройствах, вырабатывающих переменный ток, исполняет электромагнит, который вращаясь, смещает индуцированные в обмотках переменные ЭДС на треть такта относительно друг друга.

Среди множества генераторов переменного тока различают два основных вида их конструктивного исполнения: синхронные и асинхронные. В последнее время, учитывая большое количество сложных электронных устройств, управляемых при помощи микропроцессоров, появился новый тип электрогенераторов – инверторный.

Синхронные электрогенераторы

Синхронный генератор переменного тока конструктивно состоит из двух частей – подвижного ротора и неподвижного статора.

При вращении ротора, представляющего собой электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, подключенный к внешнему источнику питания при помощи щеточного механизма, в обмотке статора индуцируется ЭДС, которая подается на выходные клеммы генератора. Такая конструкция исключает необходимость применения скользящих контактов, что существенно упрощает конструкцию агрегата. Изначально магнитный поток возбуждается от стороннего возбудителя, закрепленного на общем валу и подключаемого к системе при помощи муфты.

В синхронных электрогенераторах малой мощности обмотка возбуждения запитывается за счет выпрямленного тока. При этом электрическая цепь образуется за счет активации трансформаторов, входящих в цепь нагрузки. Туда же включен и полупроводниковый выпрямитель. В состав основной электрической цепи входят:

  • обмотка возбуждения;
  • регулировочный реостат.

Основная особенность синхронного генератора – частота генерируемого электрического тока пропорциональна скорости вращения ротора.

Асинхронные электрогенераторы

Асинхронный генератор переменного тока отличается от синхронного отсутствием жесткой связи между частотами вращения ротора и индуцированной ЭДС. Разница между этими параметрами называется «скольжением». Между ротором и статором асинхронного генератора имеется воздушный зазор. При этом на частоту вырабатываемой ЭДС влияет тормозной момент, возникающий при подключении нагрузки и препятствующий вращению ротора. Поэтому электроэнергия в асинхронных электрогенераторах вырабатывается при увеличенной скорости прокручивания ротора.

Конструкция асинхронных генераторов отличается простотой, однако имеет при этом худшие, по сравнению с синхронными агрегатами, технические характеристики – погрешность по частоте может достигать 4%, а по величине напряжения – до 10%. Кроме того асинхронные электрогенераторы критичны к величине пускового тока. Поэтому эксплуатировать их рекомендуется совместно со стабилизаторами, а в отдельных случаях, например, для плавного пуска электродвигателя, может понадобиться преобразователь частоты.

Инверторные генераторы

Инверторный электрогенератор – это обычный асинхронный генератор, на выходе которого установлен дополнительный стабилизатор выходных параметров.

Работает он следующим образом: вырабатываемое асинхронным генератором напряжение поступает в инвертор, где сначала выпрямляется, а затем из полученного постоянного напряжения формируются импульсы заданной частоты и скважности. На выходе устройства эти импульсы преобразуются в синусоидальное напряжение с почти идеальными техническими характеристиками.

Привод генераторов переменного тока

В бытовых условиях ротор генератора приводят в действие при помощи двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на таких видах топлива, как бензин или дизельное топливо. При этом эксплуатационный ресурс бензиновых генераторов, оснащенных двухтактными ДВС составляет порядка 500 часов в год (не более 4 часов в сутки); четырехтактными ДВС достигает 5000 часов в год.

Использовать бензиновые электрогенераторы целесообразно при непродолжительных отключениях электричества и/или для выезда на природу.

Генераторы, работающие на дизельном топливе, отличаются большой мощностью и значительно долговечнее бензиновых. Среди них встречаются модели с воздушным и жидкостным охлаждением. Агрегаты с воздушным охлаждением рекомендуется применять в тех местах, где электричество отключают часто и надолго.

Пользоваться такими бытовыми устройствами предельно просто – нужно залить топливо в бак, поворотом ключа запустить двигатель и подключить нагрузку. Их панель управления снабжена всеми необходимыми и интуитивно понятными надписями и обозначениями.

Дизельные электрогенераторы с жидкостным охлаждением – это устройства совсем другой категории. Они способны работать сутками и используются в основном на предприятиях в качестве источников резервного питания.

Промышленные генераторы, предназначенные для выработки переменного тока и подачи его потребителям на большие расстояния с помощью высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), работают за счет активации гидравлических или паровых турбин. В таких агрегатах роторный механизм соединяется непосредственно с колесом турбины.

Турбинные электрогенераторы отличаются большой мощностью (до 100000 кВт) и способны генерировать переменный ток напряжением до 16 кВ. При этом длина и диаметр их ротора может достигать 6,5 и 15 метров соответственно, а скорость вращения последнего находится в диапазоне 1500…3000 об/мин. Устанавливают такие агрегаты в отдельных помещениях на специально подготовленных бетонных основаниях.

Опции и возможности бытовых электрогенераторов

Для удобства эксплуатации производители оснащают свою продукцию рядом полезных опций, среди которых можно выделить:

  • устройство автоматического запуска агрегата при отключении электроэнергии;
  • наличие встроенного УЗО, отключающего устройство от электросети при пробое изоляции и появлении тока утечки;
  • контроль параметров и отображение их на дисплее;
  • защита от перегрузки.

При подключении к электрогенератору нагрузки, величина которой буде ниже паспортной, агрегат начнет «съедать» часть жидкого топлива впустую, не используя полностью свои возможности.

Не будет лишним наличие в комплекте поставки специального шумогасящего кожуха, топливного бака увеличенного объема, кожуха, защищающего агрегат от воздействия низкой температуры и пр.

Особенности установки

Потенциальный владелец генератора переменного тока перед приобретением должен озаботиться подготовкой места для его установки. Независимо от того, где будет установлен такой агрегат, в помещении или на свежем воздухе, для него понадобится ровная и твердая площадка. Установка электрогенератора на неровной площадке приведет к увеличению вибрации, что ускорит износ деталей и может спровоцировать выход дорогостоящего устройства из строя.

Устанавливая генератор в помещении, важно предусмотреть наличие вытяжной вентиляции. Кроме того, во время работы агрегата рекомендуется оставлять дверь помещения открытой, что в свою очередь потребует установить в дверном проеме решетку, перекрывающую посторонним, а главное детям, доступ в опасную зону.

Читать еще:  Назначения и особенности электрогенератора на дровах

Соединяют электрогенератор с электросетью в строгом соответствии с требованиями, изложенными в инструкции по эксплуатации. При этом электрический кабель необходимо подключить после вводного автомата и электросчетчика.

Электронная библиотека

Магнитное поле ротора, необходимое для создания электродвижущей силы обмотки статора любого генератора, создается постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения (ОВ) (см. рис. 2.1). Для питания ОВ предназначена система возбуждения, в значительной степени определяющая надежность работы синхронных генераторов. В связи с этим система возбуждения должна обеспечивать:

1) надежное питание постоянным током ОВ в любых режимах, в том числе при авариях в энергосистемах;

2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки генератора;

3) необходимое быстродействие;

4) форсировку возбуждения, т.е. обеспечение быстрого нарастания тока возбуждения, примерно до двукратного значения;

5) быстрое гашение магнитного поля возбуждения при оперативных отключениях генератора от сети.

В зависимости от источника энергии, используемого для питания ОВ, системы возбуждения разделяются на следующие группы:

1) с электромашинным возбуждением с использованием генератора постоянного тока;

2) с электромашинным возбуждением с использованием генератора переменного тока с преобразованием этого тока в постоянный;

3) с самовозбуждением путем преобразования части электрической энергии переменного тока генератора в энергию постоянного тока возбуждения.

Электромашинные системы возбуждения, где источником энергии является генератор постоянного тока, т.е. возбудитель, использовались в течение длительного времени для большинства генераторов. Обычно они находились на одном валу с генератором и приводились во вращение той же турбиной, что и сам генератор. Такая система называется прямой. В случае если возбудитель приводится во вращение отдельным двигателем, то систему принято называть косвенной. В отечественном генераторостроении применяют, как правило, прямую систему возбуждения, имеющую меньшую стоимость и большую надежность.

Увеличение мощностей турбо- и гидрогенераторов, а следовательно, необходимых мощностей возбудителей инициировало необходимость замены генераторов постоянного тока электромашинными системами возбуждения с применением генераторов переменного тока, не имеющих никаких ограничений по мощности. Для преобразования переменного тока в постоянный ранее использовались ртутные выпрямители, которые в дальнейшем уступили место управляемым и неуправляемым полупроводниковым преобразователям на основе диодов, тиристоров, транзисторов. Полупроводниковые преобразователи обладают большей надежностью, а в целом система с генераторами переменного тока большим быстродействием, позволяющим осуществить

высокий уровень возбуждения (до четырехкратного номинального напряжения возбуждения при постоянной времени системы возбуждения менее 0,02 с). Широкое внедрение систем возбуждения с управляемыми преобразователями было осуществлено впервые в мире в нашей стране.

Мощность генераторов для системы возбуждения составляет 0,5—2% полной мощности главного генератора. Например, для турбогенератора 320МВт она достигает 2МВт, для турбогенератора 800МВт — 6МВт и т.д., токи возбуждения составляют тысячи ампер (для мощных турбогенераторов 5—8тыс.А). Это обстоятельство создает большие трудности при организации токоподвода к обмотке возбуждения с помощью скользящего контакта между контактными кольцами ротора и щетками. Поэтому для ряда генераторов была успешно применена бесщеточная система возбуждения, где постоянный ток подается непосредственно с вращающегося ротора возбудителя на обмотку возбуждения главного генератора. Переменное напряжение обмотки возбуждения преобразуется в постоянное выпрямительным мостом, установленным на роторе. Силовые роторные вентили должны обладать повышенной механической прочностью и вибростойкостью.

Преимуществом систем самовозбуждения является то, что они не имеют электромашинного возбудителя — генератора. Для питания обмотки ротора главного генератора используется часть энергии статора главного генератора. В результате надежность системы повышается, стоимость ее уменьшается, сокращается длина генератора. Начальное возбуждение генератора осуществляется за счет остаточного намагничивания машины или током от постороннего источника.

В состав системы возбуждения входит автоматический регулятор возбуждения (АРВ). Он осуществляет поддержание заданного уровня напряжения и устойчивость работы генератора при колебаниях напряжения в электроэнергетической системе при изменении значения и характера нагрузок, отключении электростанции, линии электропередачи, коротких замыканиях. Основные требования, предъявляемые к АРВ, — это быстродействие, устойчивость регулирования, обеспечение форсировки возбуждения при резких снижениях напряжения в сети, что чревато потерей статической и динамической устойчивости генераторов.

Ввод в эксплуатацию дальних электропередач, объединение отдельных энергосистем в единую сеть, рост мощностей генераторов потребовали существенного повышения их динамической и статической устойчивости. Были созданы АРВ сильного действия (АРВ СД), реагирующие не только на отклонение параметров режима генератора (напряжения, тока, частоты), но и на скорость их изменения.

При возникновении аварийных режимов, коротких замыканий в генераторе, шинопроводе или трансформаторе, после внезапного отключения генератора необходимо быстро уменьшить магнитное поле обмотки возбуждения генератора. Эта операция носит название гашение поля и осуществляется специальным автоматом гашения поля (АГП). К устройству АГП предъявляются два основных, иногда противоречащих друг другу, требования: время гашения поля должно быть возможно меньшим, а возникающее при гашении индуктированное перенапряжение в обмотке ротора не должно превосходить допустимых значений.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7

Раздел 5. Электросиловые установки

Глава 5.2. Генераторы и синхронные компенсаторы

Системы возбуждения

5.2.35. Требования, приведенные в 5.2.36-5.2.52, распространяются на стационарные установки систем возбуждения турбо- и гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. ¶

5.2.36 Системой возбуждения называется совокупность оборудования, аппаратов и устройств, объединенных соответствующими цепями, которая обеспечивает необходимое возбуждение генераторов и синхронных компенсаторов в нормальных и аварийных режимах, предусмотренных ГОСТ и техническими условиями. ¶

В систему возбуждения генератора (синхронного компенсатора) входят: возбудитель (генератор постоянного тока, генератор переменного тока или трансформатор с преобразователем), автоматический регулятор возбуждения, коммутационная аппаратура, измерительные приборы, средства защиты ротора от перенапряжений и защиты оборудования системы возбуждения от повреждений. ¶

5.2.37. Электрооборудование и аппаратура систем возбуждения должны соответствовать требованиям ГОСТ на синхронные генераторы и компенсаторы и техническим условиям на это оборудование и аппаратуру. ¶

5.2.38. Системы возбуждения, у которых действующее значение эксплуатационного напряжения или длительного перенапряжения (например, при форсировке возбуждения) превышает 1 кВ, должны выполняться в соответствии с требованиями настоящих Правил, предъявляемыми к электроустановкам выше 1 кВ. При определении перенапряжений для вентильных систем возбуждения учитываются и коммутационные перенапряжения. ¶

5.2.39. Системы возбуждения должны быть оборудованы устройствами управления, защиты, сигнализации и контрольно-измерительными приборами в объеме, обеспечивающем автоматический пуск, работу во всех предусмотренных режимах, а также останов генератора и синхронного компенсатора на электростанциях и подстанциях без постоянного дежурства персонала. ¶

5.2.40. Пульты и панели управления, приборы контроля и аппаратура сигнализации системы охлаждения, а также силовые преобразователи тиристорных или иных полупроводниковых возбудителей должны размещаться в непосредственной близости один от другого. Допускается установка теплообменников в другом помещении, при этом панель управления теплообменником должна устанавливаться рядом с ним. ¶

Пульт (панель), с которого может производиться управление возбуждением, должен быть оборудован приборами контроля возбуждения. ¶

5.2.41. Выпрямительные установки систем возбуждения генераторов и синхронных компенсаторов должны быть оборудованы сигнализацией и защитой, действующими при повышении температуры охлаждающей среды или вентилей сверх допустимой, а также снабжены приборами для контроля температуры охлаждающей среды и силы тока установки. При наличии в выпрямительной установке нескольких групп выпрямителей должна контролироваться сила тока каждой группы. ¶

5.2.42. Системы возбуждения должны быть оборудованы устройствами контроля изоляции, позволяющими осуществлять измерение изоляции в процессе работы, а также сигнализировать о снижении сопротивления изоляции ниже нормы. Допускается не выполнять такую сигнализацию для бесщеточных систем возбуждения. ¶

5.2.43. Цепи систем возбуждения, связанные с анодами и катодами выпрямительных установок, должны выполняться с уровнем изоляции, соответствующим испытательным напряжениям анодных и катодных цепей. ¶

Связи анодных цепей выпрямителей, катодных цепей отдельных групп, а также других цепей при наличии нескомпенсированных пульсирующих или переменных токов должны выполняться кабелем без металлических оболочек. ¶

Цепи напряжения обмотки возбуждения генератора или синхронного компенсатора для измерения и подключения устройства АРВ должны выполняться отдельным кабелем с повышенным уровнем изоляции без захода через обычные ряды зажимов. Присоединение к обмотке возбуждения должно производиться через рубильник. ¶

5.2.44. При применении устройств АГП с разрывом цепи ротора, а также при использовании статических возбудителей с преобразователями обмотка ротора должна защищаться разрядником многократного действия. Допускается применение разрядника однократного действия. Разрядник должен быть подключен параллельно ротору через активное сопротивление, рассчитанное на длительную работу при пробое разрядника в режиме с напряжением возбуждения, равным 110% номинального. ¶

5.2.45. Разрядники, указанные в 5.2.44, должны иметь сигнализацию срабатывания. ¶

5.2.46. Система возбуждения генераторов и синхронных компенсаторов должна выполняться таким образом, чтобы: ¶

1. Отключение любого из коммутационных аппаратов в цепях АРВ и управления возбудителем не приводило к ложным форсировкам в процессе пуска, останова и работы генератора на холостом ходу. ¶

2. Исчезновение напряжения оперативного тока в цепях АРВ и управления возбудителем не приводило к нарушению работы генератора и синхронного компенсатора. ¶

3. Имелась возможность производить ремонтные и другие работы на выпрямителях и их вспомогательных устройствах при работе турбогенератора на резервном возбудителе. Это требование не относится к бесщеточным системам возбуждения. ¶

4. Исключалась возможность повреждения системы возбуждения при КЗ в цепях ротора и на его контактных кольцах. В случае применения статических преобразователей допускается защита их автоматическими выключателями и плавкими предохранителями. ¶

5.2.47. Тиристорные системы возбуждения должны предусматривать возможность гашения поля генераторов и синхронных компенсаторов переводом преобразователя в инверторный режим. ¶

В системах возбуждения со статическими преобразователями, выполненными по схеме самовозбуждения, а также в системах возбуждения с электромашинными возбудителями должно быть применено устройство АГП. ¶

5.2.48. Все системы возбуждения (основные и резервные) должны иметь устройства, обеспечивающие при подаче импульса на гашение поля полное развозбуждение (гашение поля) синхронного генератора или компенсатора независимо от срабатывания АГП. ¶

5.2.49. Система водяного охлаждения возбудителя должна обеспечивать возможность полного спуска воды из системы, выпуска воздуха при заполнении системы водой, периодической чистки теплообменников. ¶

Закрытие и открытие задвижек системы охлаждения на одном из возбудителей не должны приводить к изменению режима охлаждения на другом возбудителе. ¶

5.2.50. Пол помещений выпрямительных установок с водяной системой охлаждения должен быть выполнен таким образом, чтобы при утечках воды исключалась возможность ее попадания на токопроводы, КРУ и другое электрооборудование, расположенное ниже системы охлаждения. ¶

5.2.51. Электромашинные возбудители постоянного тока (основные при работе без АРВ и резервные) должны иметь релейную форсировку возбуждения. ¶

5.2.52. Турбогенераторы должны иметь резервное возбуждение, схема которого должна обеспечивать переключение с рабочего возбуждения на резервное и обратно без отключения генераторов от сети. Для турбогенераторов мощностью 12 МВт и менее необходимость резервного возбуждения устанавливается главным инженером энергосистемы. ¶

На гидроэлектростанциях резервные возбудители не устанавливаются. ¶

5.2.53. На турбогенераторах с непосредственным охлаждением обмотки ротора переключение с рабочего возбуждения на резервное и обратно должно производиться дистанционно. ¶

5.2.54. Система возбуждения гидрогенератора должна обеспечивать возможность его начального возбуждения при отсутствии переменного тока в системе собственных нужд гидроэлектростанции. ¶

5.2.55. По требованию заказчика система возбуждения должна быть рассчитана на автоматическое управление при останове в резерв синхронных генераторов и компенсаторов и пуске находящихся в резерве. ¶

5.2.56. Все системы возбуждения на время выхода из строя АРВ должны иметь средства, обеспечивающие нормальное возбуждение, развозбуждение и гашение поля синхронной машины. ¶

Возбуждение синхронных генераторов

Обмотки роторов синхронных генераторов получают питание от специальных источников постоянного тока, называемых возбудителями.

Мощность возбудителей составляет 0,3-1% мощности генератора, а номинальное напряжение — от 100 до 650 В. Чем мощнее генератор, тем обычно больше номинальное напряжение возбуждения.

Современные схемы возбуждения кроме возбудителя содержат большое количество вспомогательного оборудования. Совокупность возбудителя, вспомогательных и регулирующих устройств принято называть системой возбуждения.

Электрическое соединение возбудителя с обмоткой ротора генератора выполняется преимущественно при помощи контактных колец и щеток. Созданы и применяются бесщеточные системы возбуждения.

Системы возбуждения должны быть надежными и экономичными, допускать регулирование тока возбуждения в необходимых пределах, быть достаточно быстродействующими, а также обеспечивать потолочное возбуждение при возникновении аварии в сети.

Регулируя ток возбуждения, изменяют напряжение синхронного генератора и отдаваемую им в сеть реактивную мощность. Регулирование возбуждения генератора позволяет повысить устойчивость параллельной работы.

При глубоких снижениях напряжения, которые имеют место, например, при коротких замыканиях, применяется форсировка (быстрое увеличение) возбуждения генераторов, что способствует прекращению электрических качаний и сохранению устойчивости параллельной работы генераторов. Кроме того, быстродействующее регулирование и форсировка возбуждения повышают надежность работы релейной защиты и облегчают условия самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций.

Рис.1. Изменение напряжения возбуждения при форсировке

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V = 0,632(Uf,пот — Uf,ном) / Uf,номt1 (рис.1), и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения Uf,пот / Uf,ном = kф — так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь kф≥2, а скорость нарастания возбуждения не менее 2 1/с. Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 1/с для гидрогенераторов до 4 MBА включительно и не менее 1,5 1/с для гидрогенераторов больших мощностей.

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние электропередачи, к системам возбуждения предъявляется более высокое требование (kф=3-4, скорость нарастания возбуждения до 10Uf,ном в секунду).

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов 800-1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт — 10 с (ГОСТ533-85Е).

Читать еще:  Murmansk01 › Блог › Халявное електричество Н-н-н-а-а-д-д-оооо

Системы возбуждения генераторов можно разделить на две группы: независимое возбуждение и самовозбуждение (зависимое возбуждение).

К первой группе относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом генератора. Вторую группу составляют системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы. К этой группе могут быть отнесены системы возбуждения с отдельно установленными электромашинными возбудителями, приводимыми во вращение электродвигателями переменного тока, которые получают питание от шин собственных нужд электростанций.

Независимое возбуждение генераторов

Независимое возбуждение генераторов получило наибольшее распространение. Основное достоинство этого способа состоит в том, что возбуждение синхронного генератора не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным.

На генераторах мощностью до 100 МВт включительно применяют, как правило, в качестве возбудителя генератор постоянного тока, соединенный с валом синхронного генератора (рис.2).

Рис.2. Принципиальная схема независимого электромашинного возбуждения генератора

Возбуждение самого возбудителя выполнено по схеме самовозбуждения (обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря самого возбудителя). Регулирование возбуждения возбудителя осуществляется вручную шунтовым реостатом RR, установленным в цепи LGE, или автоматически регулятором возбуждения АРВ.

Недостатки системы возбуждения с генератором постоянного тока определяются в основном недостатками самого возбудителя. Одним из недостатков является сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения, особенно у возбудителей гидрогенераторов, которые имеют низкую частоту вращения (V=1-2 1/с).

Другой недостаток рассматриваемой системы возбуждения характерен для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения. Он обусловлен снижением надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток и коллектора (условий коммутации).

Для турбогенераторов мощностью выше 165 МВт мощность возбуждения становится настолько значительной, что выполнить надежно работающий генератор постоянного тока на частоту вращения 3000 об/мин по условиям коммутации становится затруднительным.

Для снижения частоты вращения возбудителя с целью повышения надежности его работы иногда выполняют соединение возбудителя с валом генератора через редуктор. Такая система была применена для ряда турбогенераторов, в том числе и для генераторов ТГВ-300 и ТВМ-300. Недостатком этой системы возбуждения является наличие дополнительной механической передачи.

Для возбуждения крупных генераторов в СССР применяются системы возбуждения с полупроводниковыми выпрямителями.

В системе возбуждения с использованием полупроводниковых выпрямителей с валом турбогенератора сочленен вспомогательный генератор, напряжение которого выпрямляется и подводится к обмотке ротора турбогенератора (рис.3).

Рис.3. Принципиальная схема высокочастотного возбуждения турбогенератора

В качестве вспомогательного генератора применяется высокочастотный генератор индукторного типа. Такой генератор не имеет обмотки на вращающемся роторе, что повышает его надежность в эксплуатации. Повышенная частота (500 Гц) позволяет уменьшить габариты и повысить быстродействие системы возбуждения.

Индукторный высокочастотный генератор-возбудитель ВГТ имеет три обмотки возбуждения, расположенные вместе с трехфазной обмоткой переменного тока на неподвижном статоре. Первая из них LGE1 включается последовательно с обмоткой ротора основного генератора LG и обеспечивает основное возбуждение ВГТ. Благодаря включению LGE1 последовательно с обмоткой ротора основного генератора обеспечивается резкое увеличение возбуждения ВГТ при коротких замыканиях в энергосистеме вследствие броска тока в роторе. Обмотки IGE2 и LGЕЗ получают питание от высокочастотного подвозбудителя GEA через выпрямители. Подвозбудитель (высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами), как и вспомогательный генератор ВГТ, соединен с валом турбогенератора.

Регулирование тока в LGE2 и LGE3 осуществляется с помощью двух устройств — соответственно регуляторов электромагнитного типа АРВ (автоматический регулятор возбуждения) и УБФ (устройство бесконтактной форсировки возбуждения).

Устройство АРВ обеспечивает поддержание напряжения генератора в нормальном режиме работы изменением тока в обмотке LGE2. Устройство УБФ обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжений более чем на 5%.

Высокочастотная система возбуждения обеспечивает kф=2 и скорость нарастания напряжения возбуждения не менее 2 1/с.

Рис.4. Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения генераторов

Принципиальная схема системы независимого тиристорного возбуждения (ТН) представлена на рис.4. На одном валу с генератором G располагается синхронный вспомогательный генератор GE, который имеет на статоре трехфазную обмотку с отпайками. В схеме, показанной на рис.4, имеются две группы тиристоров: рабочая VS1 и форсировочная VS2. На стороне переменного тока они включены на разное напряжение, на стороне постоянного тока — параллельно. Возбуждение генератора в нормальном режиме обеспечивает рабочая группа тиристоров VS1, которые открываются подачей на управляющий электрод соответствующего потенциала.

Форсировочная группа при этом почти закрыта. В режиме форсировки возбуждения тиристоры FS2, питающиеся от полного напряжения вспомогательного генератора, открываются полностью и дают весь ток форсировки. Рабочая группа при этом запирается более высоким напряжением форсировочной группы.

Рассмотренная система имеет наибольшее быстродействие по сравнению с другими системами и позволяет получить kф>2. Системы независимого тиристорного возбуждения нашли широкое применение. Ранее, до освоения отечественной промышленностью производства тиристоров достаточной мощности, по аналогичным схемам выполнялись схемы ионного независимого возбуждения (ИН), где применялись ртутные вентили с сеточным управлением.

Все генераторы с рассмотренными выше возбудителями имеют специальную конструкцию для подвода тока к обмотке ротора. Она представляет собой контактные кольца на валу ротора, к которым ток подводится с помощью щеток. Такая контактная система недостаточно надежна. Этот недостаток особенно проявляется при токах возбуждения 3000 А и более (генераторы мощностью 300 МВт и больше).

Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, является система бесщеточного возбуждения, не обладающая указанными недостатками. В этой системе возбуждения, сущность которой поясняет рис.5, нет подвижных контактных соединений.

Рис.5. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения генераторов

Источником энергии для питания обмотки ротора LG является вспомогательный синхронный генератор GE. Этот генератор выполнен по типу обратимых машин, т.е. обмотка переменного тока расположена на вращающейся части, а обмотка возбуждения неподвижна. Возбуждение генератора GE осуществляется от возбудителя GEA.

Ток от вращающейся обмотки переменного тока вспомогательного генератора подводится через проводники, закрепленные на валу, к вращающемуся полупроводниковому (обычно кремниевому) выпрямителю. Выпрямленный ток подводится непосредственно к обмотке возбуждения основного генератора.

Регулирование тока возбуждения в обмотке ротора LG производится изменением тока в обмотке возбуждения вспомогательного генератора LGE.

Вращающийся полупроводниковый преобразователь VD снаружи закрывается звукопоглощающим кожухом.

Система бесщеточного возбуждения интенсивно совершенствуется и является перспективной для генераторов всех типов, особенно для турбогенераторов большой мощности (300-1200 МВт).

Системы самовозбуждения

Системы самовозбуждения менее надежны, чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока. Короткие замыкания в сети, сопровождающиеся понижением напряжения, нарушают нормальную работу системы возбуждения, которая именно в этих случаях должна обеспечить форсировку тока в обмотке ротора генератора.

Рис.6. Принципиальная схема зависимого электромашинного возбуждения

Принципиальная схема возбуждения синхронного генератора с электромашинным возбудительным агрегатом показана на рис.6. Возбудительный агрегат состоит из асинхронного двигателя М, питающегося от шин собственных нужд электростанции и генератора постоянного тока GE. Для повышения надежности работы возбудительного агрегата при форсировке возбуждения асинхронный двигатель, вращающий возбудитель GE, выбирается с необходимой перегрузочной способностью.

Такие возбудительные агрегаты получили широкое распространение на электростанциях в качестве резервных источников возбуждения.

Рис.7. Принципиальная схема полупроводникового самовозбуждения

Один из возможных вариантов схем самовозбуждения с полупроводниковыми преобразователями представлен на рис.7.

Основными элементами схемы являются: две группы полупроводниковых преобразователей — неуправляемые вентили VD и управляемые VS, трансформатор силового компаундирования ТА и выпрямительный трансформатор ТЕ.

Неуправляемые вентили VD получают питание от трансформаторов ТА, вторичный ток которых пропорционален току статора генератора, управляемые вентили VS получают питание от трансформатора ТЕ, вторичное напряжение которого пропорционально напряжению генератора.

Вентили VD, ток которых пропорционален току статора генератора, обеспечивают возбуждение машины при нагрузке и форсировку возбуждения при коротких замыканиях. Мощность вентилей VS рассчитывают таким образом, чтобы она была достаточна для возбуждения генераторов на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме. В номинальном режиме неуправляемые вентили обеспечивают 70-80% тока возбуждения генератора. При надлежащем выборе параметров система полупроводникового самовозбуждения по своим свойствам приближается к системе независимого тиристорного (ионного) возбуждения и поэтому применяется на мощных синхронных машинах. Ранее промышленность широко выпускала системы ионного самовозбуждения с ртутными вентилями.

Возбудитель генератора принцип работы

Принцип действия простейшего синхронного генератора и трехфазого генератора переменного тока был рассмотрен ранее (см. § 6.1 и §7.1). Поскольку на роторе могут быть расположены неявно выраженные или явно выраженные полюса, то в соответствии с этим машину называют неявнополюсной или явнополюсной. Явнополюсными выполняют роторы тихоходных (не больше 1000 об/мин) генераторов, используемых для работы, например, с гидротурбинами (гидрогенераторы). Неявнополюсными выполняют роторы быстроходных (1500. 3000 об/мин) генераторов паровых турбин (турбогенераторы).

Для электростанции с двигателем внутреннего сгорания предназначены генераторы с независимым возбуждением от машинных возбудителей, генераторы с самовозбуждением от твердых или механических выпрямителей.

Схема генератора с машиннным возбудителем изображена на рисунке 10.1.

Ток в обмотку ротора поступает от генератора постоянного тока с параллельным возбуждением — возбудителя, расположенного на валу синхронного генератора. Мощность возбудителя составляет всего 0,3. 3% мощности синхронного генератора. Меньшее значение относится к более мощным генераторам. Напряжение возбудителя генераторов сельских станций не превышает 115 В. Номинальное напряжение этих генераторов составляет 133/230 В, 230/400 В, 400/690 В.

Генераторы с самовозбуждением подразделяются на генераторы с твердыми полупроводниковыми выпрямителями и генераторы с механическим выпрямителем. На рисунке 102 изображена схема генератора с самовозбуждением от полупроводниковых выпрямителей. Принцип действия такого генератора заключается в следующем. При вращении генератора вхолостую в обмотке статора под влиянием остаточного магнетизма полюсов ротора индуктируется небольшая э.д.с. Эта э.д.с. через выпрямители ВС приложена к обмотке возбуждения ОВГ. В замкнутой цепи обмотки возбуждения протекает ток, который усиливает поток остаточного магнетизма, вследствие чего возрастает э.д.с. в обмотке статора. Ток возбуждения увеличивается еще более ит. д.

На рисунке 10.3 приведена упрощенная схема генератора с механическим выпрямителем. В пазах статора, кроме основной силовой обмотки ОО, уложена вспомогательная обмотка ДО с небольшим числом витков, соединенная в звезду или треугольник изолированно от основной. На роторе расположены обмотка возбуждения ОВ и механический выпрямитель MB, напоминающий по устройству и принципу действия коллектор машин постоянного тока. К щеткам через механический выпрямитель подключены концы вспомогательной обмотки якоря, а на кольца выведены концы обмотки индуктора ОВ. На рисунке 10.3, б показан характер тока в цепи обмотки возбуждения.

Системы возбуждения генераторов

У турбогенераторов возбуждение является неотъемлемой частью, и от надёжности его работы в большой степени зависит надежная и устойчивая работа всего турбогенератора.

Обмотка возбуждения укладывается в пазы ротора генератора, и к ней с помощью контактных колец и щёток, исключением является бесщёточная система возбуждения, подводится постоянный ток от источника. В качестве источника энергии может применяться генератор постоянного или переменного тока, который принято называть возбудителем, а систему возбуждения электромашинной. В безмашинной системе возбуждения источником энергии является сам генератор, поэтому её называют системой самовозбуждения.

Основные системы возбуждения должны:

• обеспечивать надежное питание обмотки ротора в нормальных и аварийных режимах;

• допускать регулирование напряжения возбуждения в достаточных пределах;

• обеспечивать быстродействующее регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах;

• осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимости производить гашение поля в аварийных режимах.

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V=0,632∙(Uf потUf ном)/Uf номt1, и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения Uf пот/Uf ном=Кф — так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь Кф≥2, а скорость нарастания возбуждения — не менее 2 с -1 . Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 с -1 для гидрогенераторов мощностью до 4 MBА включительно и не менее 1,5 с -1 для гидрогенераторов больших мощностей.

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние элек­тропередачи, к системам возбуждения предъявляются более высокие требования: Кф=3—4, скорость нарастания возбуждения до 10∙Uf HMв секунду.

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов мощностью 800—1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт — 10 с (ГОСТ 533-85Е).

Мощность источника возбуждения составляет обычно 0,5 — 2% мощности турбогенератора, а напряжение возбуждения 115—575 В.

Чем больше мощность турбогенератора, тем выше напряжение и тем меньше относительная мощность возбудителя.

Системы возбуждения можно разделить на два типа: независимое (прямое) возбуждение и зависимое (косвенное) возбуждение (самовозбуждение).

К первому типу относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряжённые с валом турбогенератора (рис. 4.1).

Ко второму типу относятся системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы (рис. 4.2, а) и отдельно установленные электромашинные возбудители, вращаемые двигателями переменного тока, питающимися от шин собственных нужд станции (рис. 4.2, б).

Электромашинные возбудители постоянного тока (рис. 4.1, а) ранее применялись на турбогенераторах малой мощности. В настоящее время такая система возбуждения практически не применяется, так как является маломощной и при скорости вращения 3000 об/мин данную систему возбуждения трудно выполнить из-за тяжелых условий работы коллектора и щеточного аппарата (ухудшение условий коммутации).

Читать еще:  Мощность генератора автомобиля

На действующих турбогенераторах применяют:

• высокочастотную систему возбуждения;

• бесщёточную систему возбуждения;

• статическую тиристорную независимую систему возбуждения;

• статическую тиристорную систему самовозбуждения.

В перечисленных системах возбуждения возбудителем является генератор переменного тока различного исполнения, не имеющий ограничения по мощности. Для преобразования переменного тока в постоянный применяются неуправляемые и управляемые полупроводниковые выпрямители-вентили.


Принцип работы высокочастотного возбуждения (рис. 4.1, б) заключается в том, что на одном валу с генератором вращается высокочастотный генератор трёхфазного тока 500 Гц, который через полупроводниковые выпрямители В подаёт выпрямленный ток на кольца ротора турбогенератора. При такой системе возбуждения исключается влияние изменения режимов работы внешней сети на возбуждение генератора, что повышает его устойчивость при коротких замыканиях в энергосистеме.

Рис. 4.1. Принципиальные схемы независимой системы возбуждения генераторов:

а — электромашинная с генератором постоянного тока; б — высокочастотная;

СГ — синхронный генератор; ВГ — возбудитель постоянного тока;

ВЧГ — высокочастотный генератор; ПВ — подвозбудитель; В — выпрямитель

Рис. 4.2. Принципиальные схемы зависимой системы возбуждения генераторов;

ВТ — вспомогательный трансформатор; АД — асинхронный двигатель

На современных турбогенераторах высокочастотную систему возбуждения не применяют, как устаревшую. Для мощных турбогенераторов токи возбуждения составляют 5—8 кА. Это создает большие трудности подвода постоянного тока к обмотке возбуждения генератора с помощью скользящих контактов — колец и щёток. Поэтому в настоящее время для ряда генераторов применяется бесщёточная система возбуждения, в которой выпрямительное устройство располагается на роторе, а питается от обратимой машины через воздушный зазор. Поэтому электрическая связь между выпрямителем и обмоткой возбуждения выполняется жестким токопроводом без применения контактных колец и щёток.

В независимой статической системе и системе самовозбуждения применяются управляемые полупроводниковые кремниевые выпрямители — тиристоры. Это позволило увеличить быстродействие данных систем возбуждения по сравнению с системой, например, высокочастотной, где применяются неуправляемые выпрямители. Так как в данных системах возбуждения применяется группа статических управляемых выпрямителей, то для подвода постоянного тока к обмотке возбуждения генератора также применяются скользящие контакты, что является недостатком. Тиристорные системы возбуждения нашли применение для турбогенераторов мощностью 160—500 МВт. На рис. 4.2, а приведена принципиальная схема статического тиристорного самовозбуждения.

На случай повреждения системы возбуждения предусматривается установка резервных возбудителей: по одному на каждые четыре генератора.

В качестве резервного возбудителя устанавливают генераторы постоянного тока, приводимые во вращение асинхронными двигателями, подключёнными к шинам собственных нужд станции (рис. 4.2, б). Чтобы при посадке напряжения, например при КЗ, резервный возбудитель не затормозился, на его валу устанавливают маховик.

Системы возбуждения синхронных генераторов

Ток, протекающий в обмотке статора, создает поле (реакцию якоря), синхронно вращающееся с ротором и влияющее на результирующий поток в воздушном зазоре машины. Степень и характер этого влияния определяют параметры машины, значение и коэффициент нагрузки cos φ. Это подтверждают внешние и регулировочные характеристики (см. рис. 9 и 10). Генератор, в свою очередь, является источником электроэнергии автономной системы и должен обеспечивать заданное качество электроэнергии в статических и динамических режимах. Наряду с обеспечением качества электроэнергии в ЭЭС реализуются различные виды защит. Например, при коротком замыкании защита системы должна быть избирательной (селективной) и отключать только поврежденные участки сети. В настоящее время селективность обеспечивают введением выдержек времени на отключение различных участков, при этом действует принцип: источник электроэнергии должен отключаться в последнюю очередь. Так как существующая защитная аппаратура срабатывает по току, то в момент отключения ток должен быть не меньше определенного значения. Таким образом, на систему возбуждения синхронного генератора (СГ) автономной системы возлагаются функции обеспечения качества электроэнергии и определенного значения тока в режиме короткого замыкания.

Способ возбуждения генератора, а именно три его компоненты: источник возбуждения; принцип регулирования; способ передачи в обмотку возбуждения электроэнергии – представляют собой важнейший фактор, влияющий на все характеристики генератора, в том числе и его конструкцию [9].

Способы передачи электроэнергии в обмотку возбуждения. Относительно передачи энергии в обмотку возбуждения различают СГ со щетками и без щеток.

Принципиальная схема СГ со щетками представлена на рис. 11. В этой схеме обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух неподвижных щеток и двух колец, расположенных на валу (изолированных от вала и одно от другого). Источником возбуждения здесь служит сам генератор.

Рис. 11. Блок-схема системы возбуждения

синхронного генератора со щетками:

САРН – система автоматического регулирования напряжения; ОВ – обмотка возбуждения; ПД – первичный двигатель

Существует достаточно много разновидностей бесщеточных синхронных генераторов. На рис. 12 представлен один из вариантов такого генератора с электромашинным возбудителем.

Рис. 12. Блок-схема системы возбуждения

бесщеточного синхронного генератора с возбудителем (В)

Принципы регулирования тока возбуждения при стабилизации напряжения синхронного генератора. Для регулирования тока возбуждения применяют разные системы, в которых использованы следующие принципы регулирования:

1) по отклонению (U);

2) по возмущению:

– токовое компаундирование – компенсация изменения значения тока нагрузки (I);

– амплитудно-фазовое компаундирование (фазовое компаундирование) – компенсация изменения значения тока и коэффициента мощности нагрузки (I, cos φ);

3) комбинированное – сочетание систем, использующих регулирование по отклонению и по возмущению.

В ЭЭС применяют все три вида систем регулирования напряжения синхронных генераторов. Каждая их них имеет свои области применения, определяемые параметрами генераторов [7].

Регулирование по отклонению, как известно, позволяет компенсировать изменение напряжения при любых видах возмущающих воздействий.

Схемы возбуждения, построенные по этому принципу, целесообразно использовать для генераторов с высоким значением ОКЗ, так как в этом случае регулируемая мощность системы возбуждения будет иметь меньшее значение. Эти схемы характеризуются большим значением коэффициента усиления по мощности и имеют тенденцию к автоколебательному режиму.

Регулирование по возмущающему воздействию компенсирует действие основных факторов, приводящих к снижению напряжения генератора, а также позволяет повысить быстродействие в переходном режиме, так как возмущение воздействует одновременно на объект управления и на его систему регулирования.

Системы возбуждения, реагирующие только на значение нагрузки (системы токового компаундирования), применяют обычно для генераторов с высоким значением ОКЗ. В этом случае регулировочные характеристики при cos φ = 0 и cos φ = 1 незначительно отличаются друг от друга (рис. 13) и точность поддержания напряжения оказывается выше, чем в случае применения генератора с низким ОКЗ.

Для генераторов с низким ОКЗ применяют, как правило, схемы возбуждения, реагирующие на значение и коэффициент мощности нагрузки, то есть схемы амплитудно-фазового (фазового) компаундирования.

Комбинированное регулирование осуществляют введением в системы компаундирования обратной связи по отклонению, что повышает точность регулирования. Основную роль в таких системах играет канал по возмущению. Канал по отклонению служит для устранения второстепенных возмущений и имеет небольшую мощность. Часто его выполняют в виде корректора напряжения, который имеет два способа включения – на обмотку возбуждения или на элемент системы на стороне переменного тока.

Источник возбуждения.Питать обмотку возбуждения можно от независимого источника электроэнергии (возбудителя) и/или от собственных шин генератора. Системы, в составе которых есть независимый источник энергии, относят к системам косвенного действия. Недостатки таких систем очевидны: они имеют повышенные массогабаритные показатели и ухудшенные показатели по быстродействию, так как к инерционности генератора и системы добавляется инерционность возбудителя. Примером такой системы может служить регулятор УБК-М в генераторах серии МС [4].

Системы прямого действия не имеют независимого источника энергии и для возбуждения используют энергию самого генератора. Регулирующее воздействие в таких системах осуществляется непосредственно в цепи возбуждения генератора. Конструктивно систему возбуждения располагают над статором генератора рядом с воздухоохладителем.

Системы прямого компаундирования.В системах прямого компаундирования ток обмотки возбуждения СГ должны определять две составляющие, пропорциональные напряжению и току. Составляющая, пропорциональная напряжению, необходима для обеспечения режима холостого хода и создания основного потока возбуждения. Составляющая, пропорциональная току нагрузки, служит для компенсации тех факторов, которые вызывают снижение напряжения при изменении нагрузки, а также для обеспечения необходимого для срабатывания защитной аппаратуры значения установившегося тока короткого замыкания.

В зависимости от того, как осуществляется суммирование сигналов, пропорциональных напряжению и току, различают системы:

– прямого токового компаундирования – суммирование арифметическое (рис. 14, а);

– прямого фазового компаундирования – суммирование геометрическое (рис. 14, б).

В схеме прямого токового компаундирования (см. рис. 14, а) суммирование происходит на стороне постоянного тока. В результате фаза тока по отношению к напряжению не учитывается, поэтому ток возбуждения генератора не зависит от коэффициента мощности нагрузки, а определяется только значениями напряжения и тока статора. Такая схема обеспечивает точность лишь ±10%. К ее недостаткам можно также отнести наличие двух выпрямителей.

аб Рис. 14. Принципиальные схемы прямого компаундирования: а – токового; б – фазового; СГ – синхронный генератор; ТТ – трансформатор тока; ТН – трансформатор напряжения; В – выпрямитель; Zк – компаундирующее сопротивление

Суммирование сигналов возбуждения, пропорциональных току статора и напряжению генератора, в схеме прямого фазового компаундирования (см. рис. 14, б)происходит на стороне переменного тока, то есть с учетом фазы между напряжением и током. Геометрическое суммирование должно выполняться так, чтобы в режиме активной нагрузки угол между составляющими векторами был близок к 90° и уменьшался бы с увеличением значения φ, достигая при φ = 90° (индуктивная нагрузка) значения, близкого нулю. В этом случае ток возбуждения будет возрастать с изменением I и cos φ именно таким образом, как это необходимо нормальному синхронному генератору при сохранении его напряжения неизменным. Такое суммирование можно обеспечить как при параллельном, так и при последовательном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения, вводя в схему дополнительный элемент. Роль этого элемента станет ясной при прочтении материала, приводимого далее.

Суммирование сигналов при параллельном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения [7, 10]. На рис. 15, б приведена принципиальная схема системы при параллельном соединении вторичных обмоток тока и напряжения, причем для упрощения рассмотрен однофазный генератор.

Если пренебречь активными сопротивлениями обмоток, намагничивающими токами трансформаторов, а также активными потерями их в магнитопроводах, то расчетную схему можно представить в следующем виде (рис. 15, а).

Рис. 15. Эквивалентные схемы системы фазового компаундирования:

параллельное (а) и последовательное (б) суммирование каналов тока и напряжения; Zк – компаундирующее сопротивление; Rв – сопротивление цепи возбуждения генератора

Используя метод суперпозиций, который можно применить при сделанных допущениях, получим:

.

Полагая внутреннее сопротивление источника тока равным бесконечности, можно записать:

,(40)

где Кu – коэффициент трансформации по напряжению;

rк, xк активное и реактивное сопротивления компаундирующего элемента;

α1 = αuβ при β = arctg (xк/ Rв + rк),

αu – начальная фаза напряжения.

Учитывая, что внутреннее сопротивление идеального источника напряжения можно считать равным нулю, получим:

,(41)

где Ki – коэффициент трансформации по току;

α2 = αuφ + φкβ = α1φ + φк ;

φк = arctg (xк/ rк).

Полагая αu = 0 и вводя соответствующие обозначения, получим:

.(42)

Из этого выражения следует, что величину тока возбуждения определяет геометрическая сумма двух составляющих – пропорциональной напряжению генератора и пропорциональной току его нагрузки. При этом характер суммирования зависит от Zк.

При отсутствии компаундирующего сопротивления ток возбуждения генератора будет определять только составляющая канала напряжения и нормальная работа системы окажется невозможной. По этой причине величина Zк и названа компаундирующим сопротивлением.

Можно сравнить два крайних режима работы генератора: активная (φ = 0) и реактивная (индуктивная, φ = 90°)нагрузки. Сравнение проведено при разных видах компаундирующих элементов в системах возбуждения: индуктивность (дроссель, φк = 90°) и активное сопротивление (φк = 0).

1. Активная нагрузка при φ = 0:

2. Реактивная (индуктивная) нагрузка при φ = 90°:

Таким образом, в случае использования в качестве компаундирующего элемента идеальной реактивной катушки (rк = 0, φк = 90°) составляющие канала тока и напряжения в режиме активной нагрузки генератора образуют прямой угол. При индуктивной нагрузке оба вектора расположены на одной прямой, геометрическое суммирование переходит в арифметическое.

Если использовать в качестве компаундирующего элемента активное сопротивление, то составляющие при чисто индуктивной нагрузке будут ортогональны, а при нагрузке с φ = 0 совпадут по фазе, то есть ток возбуждения, обеспечиваемый системой, будет снижаться с уменьшением коэффициента мощности. Это находится в противоречии с задачей регулирования. Следует отметить, что в трехфазных системах возможно использование активных сопротивлений в качестве компаундирующих элементов. Однако при этом необходимо обеспечить соответствующее подключение к фазам генератора трансформаторов тока и напряжения. Ниже такая схема будет рассмотрена на рис. 19.

Система может правильно действовать также при использовании вместо дросселя конденсатора, однако в этом случае необходимо переключать какую-либо обмотку одного из трансформаторов.

Из сказанного выше следует, что точность регулирования во многом зависит от значения φк: с его уменьшением будет возрастать погрешность регулирования. В частности, при φк = 45° значения тока возбуждения в режиме активной и индуктивной нагрузок оказываются равными. Реальные компаундирующие элементы из-за неизбежных активных потерь имеют |φк |

Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 8504 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector