Глава сороковая СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

§ 40-1. Проблема регулирования возбуждения синхронных машин и требования к системам возбуждения

Системой возбуждения синхронной машины называется совокупность машин, аппаратов и устройств, предназначенных для питания ее обмотки возбуждения постоянным током if л регулирования величины этого тока.

К системам возбуждения предъявляются следующие основные требования: 1) высокая надежность в работе и 2) возможно большая простота и малая стоимость. Кроме того, необходимость регулирования напряжения и обеспечения устойчивой работы синхронных машин налагает на системы возбуждения ряд дополнительных требований.

Для поддержания постоянства напряжения U на зажимах генератора при изменении нагрузки необходимо регулировать if и соответственно щ в широких пределах. Согласно ГОСТ 533-68, минимальная устойчивая величина напряжения возбуждения щ ■турбогенератора должна быть не больше 0,2 Uf H . В возбудителях в виде генераторов, дараллельного возбуждения это достигается <: помощью мостиков насыщения в магнитной цепи (см. § 9-4).

Проблема автоматического регулирования возбуждения.

Мощные синхронные генераторы, а во многих случаях и генераторы небольшой мощности снабжаются автоматическими регуляторами тока возбуждения, целью которых является: 1) поддержание постоянства напряжения U при изменениях нагрузки и 2) повышение статической и динамической устойчивости генератора. Вторая задача в особенности важна для~мощных генераторов, и при этом к системам и регуляторам возбуждения предъявляются повышенные требования.

При медленных изменениях U для поддержания U - U n - const достаточно осуществлять так называемое-п ропорциональное регулирование, когда регулятор возбуждения или напряжения реагирует на изменение U, т. е. на величину AU = U - U n , и в зависимости от величины и знака AU оказывает воздействие на орган, изменяющий соответствующим образом величину if. Например, для маломощных генераторов применяются угольные регуляторы напряжения, которые состоят из столбика угольных или графитовых дисков, пружины, сжимающей этот столбик, и электромагнита. Угольный столбик заменяет реостат возбуждения 6 в схемах рис. 34-1, а катушка электромагнита

присоединяется к зажимам генератора. При увеличении U электромагнит ослабляет давление пружины, сила сжатия столбика уменьшается, его сопротивление в результате этого увеличивается и if уменьшается. При уменьшении U действие происходит в обратном порядке

Однакоч при быстрых изменениях U, как это имеет место при переходных процессах, и для увеличения устойчивости такое регулирование малоэффективно вследствие механической инерции подобного регулятора, имеющего подвижные части, и электромагнитной инерции цепи возбуждения, обладающей большой индуктивностью. Вследствие такой инерции if будет изменяться с запаздыванием и не будет успевать за изменением U, вследствие чего выдержать условие 11 = = const с необходимой точностью невозможно. Во избежание этого для мощных генераторов, во-первых, применяют статические электромагнитные регуляторы, состоящие из элементов (электронные усилители и пр.), которые не имеют подвижных частей Во-вторых, для преодоления влияния электромагнитной инерции цепи возбуждения необходимо, чтобы действие регулятора было пропорционально не только U, но также скорости изменения U, т. е. dU/dt. Если, например, напряжение U начало резко и быстро падать и поэтому абсолютное значение dU/dt велико, то"регулятор немедленно, когда At/ еще не успело достичь заметной величины, дает сильный импульс на увеличение if. Желательно также, чтобы pefy-лятор возбуждения реагировал на производные других величин, характеризующих режим работы синхронного генератора. Например, как следует из изложенного в § 39-3, для повышения динамической устойчивости желательно, чтобы if было тем больше, чем быстрее растет угол нагрузки в, т. е. чем больше b" - dQ/dt, и наоборот. Так как измерение величины 6 затруднительно, то вместо 8" можно также регулировать по величине производную тока статора /, так как изменения 6 и / при качаниях происходят подобным образом (см. рис. 39-3). Желательно также регулировать if пропорционально вторым производным некоторых величин.

I Регуляторы, которые реагируют не только на величины отклонения определенных параметров, но и на величины их производных во времени, называются регуляторами сильного действия.

Такие регуляторы для синхронных генераторов были впервые разработаны в СССР для Волжской ГЭС им. В. И. Ленина и зарекомендовали себя наилучшим образом.

Следует отметить, что для эффективного действия таких регуляторов необходимо, чтобы электромагнитная инерция системы возбуждения была достаточно мала.

Автоматическими регуляторами возбуждения целесообразно снабжать также синхронные двигатели. Действие их при понижениях напряжения способствует поддержанию постоянства напряжения сети и повышает устойчивость работы двигателей.

Верхний предел (потолок) напряжения возбуждения. При коротких замыканиях в сети напряжение на зажимах генераторов U ревко падает, развиваемая ими мощность поэтому также резко снижается, и так как мощности турбин остаются неизменными, возникает опасность выпадения генераторов из синхронизма.

В этих случаях для поддержания U на возможно более высоком уровне и предотвращения выпадения генераторов из синхронизма применяется так называемая форсировка возбуждения, т. е. напряжение возбуждения Uf по возможности быстро поднимается до максимально возможного значения Uf m .

В схемах возбуждения вида рис. 34-1 это достигается тем, что специальное реле, реагирующее на резкое уменьшение напряжения, своими контактами шунтирует реостат возбуждения 5.

Чтобы форсировка возбуждения была эффективной, верхний предел (потолок) напряжения возбуждения щ т должен быть достаточно большим. Согласно ГОСТ 533-68 и ГОСТ 5616-63, требуется, чтобы у турбогенераторов

Скорость нарастания напряжения возбуждения. При форсировке возбуждения напряжение щ должно возрастать по возможности быстро. Согласно ГОСТ 533-68 и ГОСТ 5616-63, для турбогенераторов скорость нарастания напряжения возбуждения при его форсировке должна быть не менее 2Uf a в секунду, а для гидрогенераторов - не менее 1,5 «у н в секунду.

§ 40-2. Системы возбуждения

Системы возбуждения с генераторами постоянного тока. Классическая система возбуждения синхронных машин, широко используемая и в настоящее время, состоит из возбудителя в виде генератора параллельного возбуждения на общем валу с синхронной машиной (см. рис. 34-1). У тихоходных машин мощностью до Р а яй 5000 кет для уменьшения веса и стоимости возбудителей последние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи.

Гидрогенераторы также обычно имеют возбудитель на одном валу с генератором. Однако при этом у мощных тихоходных генераторов с и н = 60 -J- 150 об/мин размеры и стоимость возбудителя в связи со значительной его мощностью и тихо-ходностью получаются большими. Кроме того, тихоходные возбудители вследствие своих больших размеров обладают большой электромагнитной инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования и форсировки возбуждения. Поэтому применяют также системы возбуждения в виде отдельного быстроходного агрегата (п = 750 -т- 1500 об/мин), состоящего из асинхронного двигателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель при этом получает питание от специального вспомогательного синхронного генератора, расположенного на одном валу с главным гидрогенератором, а в некоторых случаях - с шин собственных нужд гидростанции или с выводов главного гидрогенератора. В последнем случае возбудительный агрегат подвержен влиянию аварий в энергосистеме (короткие замыкания и пр.), и поэтому для повышения его надежности приводные асинхронные двигатели выполняют с повышенным максимальным моментом (М т :> 4 М н), а иногда эти агрегаты снабжают также маховиками. В виде отдельных возбудительных агрегатов выполняются также агрегаты резервного возбуждения электростанций, служащие для резервирования собственных возбудителей- генераторов в случае аварий и неисправностей.

Турбогенераторы мрщностью до Р и = 100 тыс. кет также обычно имеют возбудители в виде генераторов постоянного тока на своем валу. Однако при Р н > > 100 тыс. кет мощность возбудителей становится настолько большой, что их выполнение при п п = 3000 -т- 3600 об/мин по условиям коммутационной надежности становится затруднительным или даже невозможным. При этом применяются разные решения. Например, за границей широко используются возбудители со скоростью вращения и н = 750 -г- 1000 об/мин, соединяемые с валом турбогенератора с помощью редуктора, а также возбудительные агрегаты с асинхронными двигателями, получающими питание с шин станции или с выводов генератора.

Применяются также некоторые разновидности систем возбуждения с машинами постоянного тока. Например, мощные возбудители крупных машин иногда имеют подвозбудители (рис 40-1), которые служат для возбуждения возбудителя.

Регулирование системы возбуждения при этом производится в цепи возбуждения подвозбудителя, в которой протекает малый ток Этим достигается снижение мощности и веса аппаратуры управления и регулирования

Компаундированная система возбуждения с возбудителем постоянного *ока (рис 40-2) В современных системах возбуждения широко применяется принцип компаундирования, т е автоматическое изменение н с возбуждения при изменении тока нагрузки синхронного генератора, подобно тому как это происходит в генераторах постоянного тока со смешанным возбуждением при согласном включении последовательной обмотки возбуждения (см § 9-6) Так как в обмотке якоря синхронной машины протекает переменный ток, а в обмотке возбуж дения 2 - постоянный ток, то ъ схемах компаундирования синхронных машин применяются полупроводниковые выпрямители В приведенной на рис 40-2 принципиальной схеме компаундированной системы возбуждения с возбудителем постоянного тока обмотка возбуждения возбудителя 4 подключена.к якорю возбудителя 3 с реостатом 6 и, кроме того, к выпрямителям 9, получающим питание от последовательных трансформаторов 7.

Рис 40 1 Система возбуждения с возбудителем и подвозбудителем постоянного тока

/ - якорь синхронного генератора, 2 - обмотка возбуждения синхронного генератора, 3 - якорь возбудителя, 4 - обмотка возбуждения возбуди теля, 5 - якорь подвозбудителя, 6 - обмотка возбуждения подвозбудителя

Рис 40-2 Система возбуждения с токовым компаундированием

На холостом ходу генератора обмотка 4 получает питание только от якоря 3 По мере увеличения тока нагрузки генератора / напряжение вторичной обмотки трансформатора 7 будет расти, и уже при небольшой нагрузке это напряжение, выпрямленное выпрямителем 9, сравняется с напряжением обмотки 4 При даль» нейщем увеличении нагрузки обмотка 4 будет подпитываться от трансформатора 7 и поэтому ток этой обмотки и ток возбуждения генератора ц будут расти с уве-* личением нагрузки

При увеличении сопротивления установочного реостата S напряжение, подаваемое на выпрямители 9, и компаундирующее действие трансформатора 7 будут расти При коротких замыканиях компаундирующее устройство осуществляет форсировку возбуждения,

Компаундирующее действие схемы рис. 40-2 зависит только от величины тока / и не зависит от его фазы. Поэтому при индуктивной нагрузке это действие слабее, чем при активной нагрузке. Такое компаундирование называется токовым, и при этом постоянство напряжения U в пределах диапазона нормальных нагрузок удается сохранять с точностью до ± (5-10)%. Такая точность для современных установок недостаточна, и поэтому в схемах рис. 40-2 применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряжения 11, который соединен с помощью трансформатора 10 с зажимами генератора, а также с установочным реостатом 8. Регулятор // реагирует на изменения напряжения U и тока / и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуждения возбудителя 5. Он состоит из статических элементов (магнитный усилитель, насыщенный трансформатор, полупроводниковые выпрямители и др.), и подробности его устройства здесь не рассматриваются.

Подобная система возбуждения широко применяется в СССР для генераторов мощностью до 100 тыс. кет.

Рис. 40-3. Система возбуждения с возбудителями переменного тока и выпрямителями

Система возбуждения с генераторами переменного тока и выпрямителями.

Как указывалось выше, для мощных гндро- и турбогенераторов системы возбуждения с возбудителями постоянного тока, находящимися на одном валу с генераторами, становятся неэкономичными и даже невыполнимыми. В этих случаях применяются системы возбуждения с генераторами переменного тока и управляемыми или неуправляемыми выпрямителями (рис. 40-3).

Схема рис. 40-3, а положена в основу системы возбуждения гидрогенераторов волжских, Братской и Красноярской ГЭС, причем вспомогательный синхронный генератор «юрмальной частоты 3 и возбудитель 7 расположены на одном валу с главным генератором /, а ионный выпрямитель 5 с одноаноднымн вентилями имеет сеточное управление от регулятора возбуждения сильного действия (на рис. 40-3, а не показан). Гашение поля осуществляется переводом выпрямителя 5 в инверторный режим для передачи мощности от обмотки возбуждения главного генератора 2 к вспомогательному генератору 3.

Схема рис. 40-3, б применяется заводом «Электросила» для турбогенераторов мощностью 150 тыс. кет и выше. В этой схеме обмотка возбуждения 2 главного генератора / получает возбуждение от индукторного генератора (возбудителя) 3 частотой 500 гц через кремниевые выпрямители 5. Генератор 3 имеет две обмотки возбуждения: обмотку независимого возбуждения 4, получающую питание от вспомогательного генератора (подвозбудителя) 9 через выпрямители 5, и обмотку последовательного самовозбуждения 6. Генератор 9 имеет» полюсы в виде постоянных магнитов. Генераторы 3 и 9 расположены на одном валу с главным генератором /. Индукторный генератор не имеет обмоток на роторе и поэтому очень надежен в работе. Параллельно к обмотке его якоря присоеди-

нена трехфазная индуктивная катушка (дроссель) 10, подмагничиваемая постоянным током. Катушка 10 потребляет от генератора 3 индуктивный ток, и так как при f = 500 гц индуктивное сопротивление обмотки якоря генератора велико, то напряжение на ее зажимах сильно зависит от тока катушки 10 Путем регулирования тока подмагничивания катушки 10 достигается быстрое регулирование напряжения генератора 3 и тока возбуждения if Обмотка возбуждения 6 способствует форсировке возбуждения при коротких замыканиях за счет действия апериодического переходного тока в обмотке возбуждения 2.

Наиболее мощные современные турбогенераторы имеют if B = 5000 -5- 10000 а, и при этом даже работа контактных колец со щетками становится затруднительной. Поэтому в настоящее время строятся также генераторы с бесконтактными системами возбуждения Такую систему можно выполнить, например, на основе схемы рис. 40-3, а, если обмотку якоря 3 генератора переменного тока поместить

Рис. 40-4. Система самовозбуждения с фазовым компаундированием

на его роторе, укрепленном на валу главного генератора 1, а обмотку возбуждения 4 поместить на статоре. Полупроводниковые выпрямители 5 при этом укрепляются на диске, который также укреплен на валу генератора / и вращается вместе с его ротором и обмоткой возбуждения 2. Задача регулирования тока if в этом случае возлагается на подвозбудитель 7-8, который также можно выполнить в виде бесконтактного генератора переменного тока. Подобные системы возбуждения весьма перспективны, но имеют тот недостаток, что гашение поля можно осуществить только в цепи обмотки 4 и в этом случае поле главного генератора гасится относительно медленно.

Компаундированные генераторы с самовозбуждением. Выше рассматривались независимые системы возбуждения, в которых вся энергия или ее часть для возбуждения синхронного генератора получалась от возбудителей в виде машин постоянного или переменного тока. Наряду с ними применяются также системы самовозбуждения, в которых эта энергия получается из цепи якоря самого.генератора. Особенно широко такие системы возбуждения применяются для генераторов малой и средней мощности, работающих в автономных системах (лесоразработки, транспортные установки и т. д). В последние годы системы самовозбуждения все чаще начинают применять также для крупных генераторов, работающих в мощных энергосистемах, и для синхронных двигателей. При этом обычно используется также принцип компаундирования.

Типичная схема компаундированного генератора с самовозбуждением изображена на рис. 40-4. Вторичная э. д. с. параллельного трансформатора 3 пропорциональна U, а вторичная э. д. с. последовательного трансформатора 5 пропорциональна /. Вторичные обмотки этих трансформаторов включены параллельно и

Ток возбуждения if ~ If зависит не только от величины тока нагрузки /, но и от его фазы, вследствие чего схема рис. 40-4 называется схемой фазового компаундирования. Это позволяет усиливать компаундирующее действие системы возбуждения при индуктивной нагрузке генератора, поскольку индуктивная

Рис. 40-5. Схемы замещения системы самовозбуждения с фазовым компаундированием

составляющая тока нагрузки генератора вызывает наибольшее падение напряжения.

Предположим, что первичные обмотки трансформаторов 3 и 5 приведены к вторичным, сопротивления этих трансформаторов и выпрямителей 6 равны нулю и сопротивление обмотки возбуждения 2, приведенной к стороне переменного тока, равно ri. Тогда схеме рис. 40-4 соответствует схема замещения рис. 40-5, а, Е\ согласно которой

Согласно (40-2), схему замещения можно представить также в виде рис. 40-5, б.

Пусть рассматриваемый генератор является неявнополюсным. Тогда его векторная диаграмма имеет вид, изображенный на рис. 40-6 сплошными линиями. Так как U" и /j пропорциональны U и / и совпадают с ними по фазе (или сдвинуты относительно них на 180°), то схеме рис. 40-5, б и равенству (40-2) соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис. 40-6 штриховыми линиями. Из этого рисунка следует, что при соответствующем выборе коэффициентов трансформации трансформаторов 3 и 5 и сопротивления x L индуктивной катушки 4 векторные диаграммы рис. 40-6 будут подобны. Поэтому при U = const и при любой величине-и фазе / будет Uf -~ E и, согласно (40-2), If ~ E, т. е. при любой нагрузке ток возбуждения if будет индуктировать такую э. д. с. Е, что сохраняется U = const.

Рис. 40-6. Векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора и его системы самовозбуждения с фазовым компаундированием

Из выражения (40-2) следует, что при x L = 0 компаундирование будет отсутствовать. В этом случае при увеличении // трансформатор 5 будет брать на себя нагрузку трансформатора 3 и ток If увеличиваться не будет.

трансформаторы 3 и 5 на рис. 40-4 можно объединить также в один общий трансформатор с двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, присоединенной к выпрямителю 6. Катушку 4 при этом необходимо перенести в первичную обмотку напряжения. Вместо этого можно также искусственно увеличить рассеяние этой обмотки, отделив ее от других обмоток трансформатора магнитным шунтом. При высоком напряжении трансформатор 5 целесообразно включить со стороны нейтрали обмотки якоря генератора. В генераторах малой, мощности иногда отказываются от трансформатора 3 и катушку 4 присоединяют непосредственно к зажимам генератора. Применяются также другие разновидности подобных систем возбуждения.

Вследствие насыщения и других причин как у неявнополюсных, так и явно-полюсных генераторов U = const в действительности поддерживается с точностью =Ь (2-5)%. для генераторов малой мощности такая точность достаточна, но дли генераторов большой мощности необходимо дополнительное регулирова* ние напряжения с помощью корректора или регулятора напряжения. Для этой целя катушку 4 можно выполнить с подмагничиванием постоянным током, -и в этом случае регулятор напряжения регулирует величину этого тока, чем достигается изменение x L и тока %. в необходимом направлении. Если выпрямители S являются управляемыми, то регулятор напряжения может действовать на эти выпрямители.

Самовозбуждение синхронного генератора по схеме рис. 40-4 происходо^ только при наличии потока остаточного намагничивания, как и в генераторах постоянного тока с параллельным возбуждением. Однако вследствие повышену «ого сопротивления выпрямителя при малых токах и других причин остаточный поток обычной величины индуктирует недостаточно большую э. д. с. для обеспечения самовозбуждения синхронного генератора и поэтому необходимо принимать» дополнительные меры (применение резонансных контуров, включение в цепь возбуждения небольшого аккумулятора или добавочного генератора с постоянными магнитами, увеличение остаточного потока посредством магнитных прокладок В полюсах генератора я пр.). Для получения резонансного контура параллельно зажимам выпрямителя 6 (рнс. 40-4) со стйроны переменного тока можно тюдклю* чить конденсатордл 7. Если емкости С подобрать так-гчто во время пуска генера* тора "при я < п„ возникнет резонанс- напряжений, то напряжение на конденсат торах 7 и напряжение выпрямителя 6 повысятся в несколько раз и произойдем самовозбуждение. При п = п п условия резонанса нарушатся, и поэтому конден* саторы оказывают незначительное влияние на работу схемы. В схемах возбужде* ния вида рис. 404, как правило, применяются полупроводниковые выпрямители.; Благодаря своей простоте, надежности и хорошим регулирующим свойствам пФ> добные схемы возбуждения получают все более широкое применение. Для защиты от перенапряжений при асинхронном ходе и других необычных условиях выпря* мителн обычно шунтируются высокоомным и или нелинейными сопротивлениями.

Генераторы малой мощности с рассмотренной системой возбуждения допуч екают прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей, мощности которых соизмеримы с мощностью генераторов. При этом пусковой ток двигателя благодаря компаундированию осуществляют форсировку возбуждения генера*> тора и поэтому его напряжение сильно не снижается, несмотря на большие пусковые токи индуктивного характера»

Применяются и другие разновидности систем возбуждения. Характерным является вое более широкая замена систем с возбудителями ^постоянного. ток# системами с полупроводниковыми выпрямителями.

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∙(U f пот -U f ном )/U f ном ∙t 1 , и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения U f пот /U f ном =К ф - так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь К ф ≥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: К ф =3-4, скорость нарастания возбуждения до 10∙U f H 0 M 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 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).

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.

Схемы возбуждения синхронных генераторов

Для нормальной работы обмотки ротора синхронных генераторов должны получать питание от возбудителей. Изменяя величину тока возбуждения регулируют напряжение синхронного генератора и реактивную мощность, отдаваемую им в сеть.

Характеристики системы возбуждения определяются сочетанием свойств источника питания обмотки возбуждения и устройств автоматического регулирования. Системы возбуждения должны обеспечивать:

1) надежное питание обмотки ротора синхронной машины во всех режимах, в том числе и при авариях;

2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки в пределах номинальной;

3) достаточное быстродействие;

4) форсировку возбуждения;

5) быстрое гашение магнитного поля возбуждения при оперативном отключении генераторов от сети (применяются автоматы гашения поля – АГП).

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает магнитодвижущая сила (МДС) возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле.

В соответствии с ГОСТ 533-76, ГОСТ 5616-81 и ГОСТ 609-75 турбо- и гидрогенераторы, а также синхронные компенсаторы могут иметь только обладающую наибольшей надежностью прямую систему возбуждения или систему самовозбуждения.

Предельная мощность электромашинных возбудителей при частоте вращения 3000 об/мин составляет примерно 600 кВт. Поэтому электромашинные системы возбуждения не могут применяться в турбогенераторах мощностью 200 МВт и выше, у которых мощность возбуждения превышает 1000 кВт.

По мере освоения производства и повышения надежности полупроводниковых выпрямителей все большее распространение получают вентильные системы возбуждения с диодами или тиристорами.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рисунок 5.6, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r 1) и подвозбудителя (r 2).

Рисунок 5.6 – Контактная (а) и бесконтактная (б) системы

электромагнитно­го возбуждения синхронных генераторов

В синхронных генераторах большой мощности – турбогене­раторах – иногда в качестве возбудителя применяют генераторы переменного тока индукторного типа. На выходе такого генератора включают полупроводниковый выпрямитель. Регулировка тока возбуждения синхронного генератора в этом случае осуществляется изменением возбуждения индуктор­ного генератора.

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока (рисунок 5.6, б),у которого обмотка 2,в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения 1 расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь 3, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) - генератора постоянного тока.

Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения син­хронной машины позволяет повысить ее эксплуатационную на­дежность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рисунок 5.7, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Рисунок 5.7 – Принцип самовозбуждения синхронных генера­торов

На рисунок 5.7, б представлена структурная схема автоматиче­ской системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобра­зователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток пода­ется в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразо­вателем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряже­ния на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и тиристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой пе­регрузки.

В синхронных генераторах средней и большой мощности про­цесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

Страница 5 из 7

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

Большинство синхронных машин имеет электромагнит-ное возбуждение. Источниками постоянного тока для обмо-ток возбуждения являются специальные системы возбуж-дения, к которым предъявляется ряд важных требований:

1) надежное и устойчивое регулирование тока возбуж-дения в любых режимах работы машины;

2) достаточное быстродействие, для чего применяется форсировка возбуждения, т. е. быстрое увеличение напря-жения возбуждения до предельного значения, называемого потолочным. Форсировка возбуждения применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварий и в процессе ликвидации их последствий. Потолочное напряжение возбуждения выбирают не менее 1,8-2 номи-нального напряжения возбуждения. Скорость нарастания напряжения при форсировке возбуждения должна быть не менее 1,5-2 номинальных напряжений на контактных кольцах ротора в секунду;

3) быстрое гашение магнитного поля, т. е. уменьшение тока возбуждения машины до нуля без значительного по-вышения напряжения на ее обхмотках. Необходимость в гашении поля возникает при отключении генератора или по-вреждении в нем.

Для возбуждения синхронных машин применяется не-сколько систем. Простейшей из них является электрома-шинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 15). В этой системе в качестве источника ис-пользуют специальный генератор постоянного тока GE , на-зываемый возбудителем; он приводится во вращение от ва-ла синхронного генератора, а его мощность составляет 1- 3 % мощности синхронного генератора. Ток возбуждения синхронной машины I в относительно велик и составляет не-сколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулиру-ют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляют по схеме самовозбуждения (рис. 15) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока GEA , называемого подвозбудителем (рис. 16). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R ш2 при работе генератора не изменяется.

Для гашения магнитного поля применяют автомат га-шения поля (АГП), который состоит из контакторов К 1 и К 2 и гасительного резистора R p . Гашение поля проводит-ся в следующем порядке. При включенном контакторе К 1 включается контактор К 2 , замыкающий обмотку возбуж-дения на гасительный резистор, имеющий сопротивления r p ≈5 r в, где r в - сопротивление обмотки возбуждения. За-тем происходит размыкание контактора К 1 и ток в цепи об-мотки возбуждения генератора уменьшается (рис. 17).

Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля от-ключением только одного контактора К 1 без включения га-сительного резистора. Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой ин-дуктивности обмотки возбуждения L в в ней индуктирова-лась бы большая ЭДС самоиндукции е= - L в ∙ di в / dt , превы-шающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К 1 при его отключении выделя-лась бы значительная энергия, запасенная в магнитном по-ле обмотки возбуждения, что могло бы вызвать разрушение контактора.

Форсировка возбуждения при использовании схем на рис. 15 и 16 осуществляется шунтированием резисто-ра R ш1 включенного в цепь возбуждения возбудителя.

В последнее время вместо электромашинных систем по-лучают все большее применение вентильные системы воз-буждения с диодами и тиристорами. Эти системы возбуж-дения могут быть построены на большие мощности и явля-ются более надежными, чем электромашинные.

Различают три разновидности вентильных систем воз-буждения: систему с самовозбуждением, независимую си-стему возбуждения и бесщеточную систему возбуждения.

В вентильной системе с самовозбуждением (рис. 18) для возбуждения синхронной машины используется энер-гия, отбираемая от обмотки якоря основного генератора G , которая затем преобразуется статическим преобразователем ПУ в энергию постоянного тока. Эта энергия поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генерато-ра происходит за счет остаточного намагничивания его по-люсов.

В вентильной независимой системе возбуждения (рис. 19) энергия для возбуждения получается от специально го возбудителя GN , выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его укреплен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбудителя выпрям-ляется и подводится к обмотке возбуждения.

Разновидностью вентильной независимой системы воз-буждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины раз-мещается якорь возбудителя переменного тока с трехфаз-ной обмоткой. Переменное напряжение этой обмотки с по-мощью выпрямительного моста, закрепленного на валу машины, преобразуется в постоянное напряжение и непо-средственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от независи-мого источника.

Системы возбуждения генераторов можно разделить на группы:

1) независимое возбуждение, т.е. электромашинные возбудители постоянного и переменного тока сопряженные с валом генератора;

2) самовозбуждение (зависимое возбуждение), т.е. системы возбуждения, получающие питание непосредственно с выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы.

Независимое возбуждение генераторов (основное достоинство - возбуждение СГ не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным) наиболее распространено.

Недостатки: сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения (определяется в основном недостатком возбудителя); снижение надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток коллектора (для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения).

Системы самовозбуждения, в общем, менее надежны чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока.

Схема независимого электромашинного возбуждения (слева), схема зависимого электромашинного возбуждения, т. е, самовозбуждения (справа).

На схеме; ОВВ(Г) - обмотка возбуждения возбудителя (генератора); ШР - шунтовой реостат; В - возбудитель; АД-асинхронный.двигатель; М - маховик; СГ - синхронный генератор; СН- шины собственных нужд.

Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, .является система бесщеточного возбуждения, в которой нет подвижных контактных соединений.

Для создания основного магнитного потока генератора делается обмотка возбуждения с постоянным током. При изменении тока возбуждения изменяется напряжение генератора и отдаваемая с сеть реактивная мощность. Параметры системы возбуждения: сброс нарастания напряжения и кратность форсировки. Системы возбуждения бывают независимого возбуждения и самовозбуждения.

Система независимого электромашинного возбуждения . Регулирование напряжения возбудителя и следовательно тока возбуждения основного генератора осуществляется путем изменения тока в обмотке возбуждения возбудителя. Достоинства: не зависит от режима сети. Недостаток: при больших скоростях вращения влияние коммутации, большая реактивная ЭДС приводит к пробою изоляции коллекторных пластин и выходу коллектора из строя. Высокочастотная система возбуждения . Состоит из возбудителя, представляющего собой высокочастотный генератор, с тремя обмотками возбуждения, частота 500 Гц. Первая обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой возбуждения основного генератора. Две другие получают питание от подвозбудителя- генератора с частотой 400 Гц (многополюсный), с постоянными магнитами и обмотками, соединенными в разомкнутый треугольник. Возбудитель и подвозбудитель на одном валу с генератором. Ток в двух других обмотках подвозбудителя регулируется блоками АРВ (поддержание напряжение в нормальном режиме), УБФ (устройство бесконтактной форсировки), подключенными к трансформатору тока и напряжения на выводах генератора. Кратность форсировки 2, скорость нарастания напряжения на менее 2 1/с.

Тиристорная система возбуждения . Возбудитель- трехфазная машина с обмотками, соединенными в звезду. Обмотка его возбуждения питается от выпрямительного трансформатора, через выпрямитель. Обмотка возбуждения основного генератора подключена через 2 группы тиристорных выпрямителей: рабочая VS1, и форсировочная VS. При форсировке рабочие тиристоры закрыты более высоким напряжением на VS2.

Бесщеточная система . Проводники, соединяющие обмотку возбуждения с возбудителем проводниками на валу через вращающийся выпрямитель. Исключает необходимость применения щеток и контактных колец.

Система электромашинного самовозбуждения. Возбудитель вращается двигателем, подключенным к трансформатору собственных нужд блока.

Тиристорная система самовозбуждения . Обмотка генератора подключена к тиристорным выпрямителям, получающим питание от ТСН блока. Состоят из управляемых, регулирующих напряжение в нормальном режиме, и неуправляемых, при форсировке.