CAPÍTULO 45 MÁQUINAS SINCRÓNICAS
§ 40-1. El problema de regular la excitación de las máquinas síncronas y los requisitos para los sistemas de excitación.
El sistema de excitación de una máquina síncrona es un conjunto de máquinas, dispositivos y dispositivos diseñados para suministrar corriente continua a su devanado de excitación. si yoregulando la magnitud de esta corriente.
Los siguientes requisitos básicos se imponen en los sistemas de excitación: 1) alta confiabilidad operacional y 2) la mayor simplicidad posible y bajo costo. Además, la necesidad de regular el voltaje y garantizar el funcionamiento estable de las máquinas síncronas impone una serie de requisitos adicionales al sistema de excitación.
Mantener voltaje constante. Uen los terminales del generador al cambiar la carga se debe ajustar siy en consecuencia tuen una amplia gama Según GOST 533-68, la magnitud mínima estable de la tensión de excitación tu■ El turbogenerador no debe ser más de 0.2 UF H.En patógenos en forma de generadores, se logra una excitación paralela.<: помощью мостиков насыщения в магнитной цепи (см. § 9-4).
El problema de la regulación automática de la excitación.
Los potentes generadores síncronos, y en muchos casos los generadores de baja potencia, se suministran con reguladores automáticos de corriente de excitación, cuyo propósito es: 1) mantener un voltaje constante Ucon cambios de carga y 2) aumentando la estabilidad estática y dinámica del generador. La segunda tarea es especialmente importante para los generadores de alta potencia y, al mismo tiempo, se imponen mayores requisitos a los sistemas y controladores de excitación.
Con cambios lentos Upara mantener U - U n -constante es suficiente para llevar a cabo el llamado control proporcional cuando la excitación o el regulador de voltaje reacciona a un cambio. Ues decir, por AU= U- U ny dependiendo del tamaño y signo. AUafecta al cuerpo, cambiando el valor en consecuencia. siPor ejemplo, los reguladores de voltaje de carbón se utilizan para generadores de baja potencia, que consisten en una columna de discos de carbono o grafito, un resorte que comprime esta columna y un electroimán. La barra de carbono reemplaza el reóstato de excitación 6 en los diagramas de la fig. 34-1, y la bobina de un electroimán
se conecta a los terminales del generador. Al aumentar Uel electroimán debilita la presión del resorte, la fuerza de compresión de la columna disminuye, su resistencia aumenta como resultado y sidisminuye Mientras que disminuye Ula acción sucede en orden inverso.
Sin embargo, con cambios rápidos. Ucomo es el caso durante transitorios, y para aumentar la estabilidad, tal regulación es ineficaz debido a la inercia mecánica de un regulador similar con partes móviles, y la inercia electromagnética del circuito de excitación, que tiene una alta inductancia. Debido a tal inercia sicambiará con retraso y no seguirá el ritmo del cambio Upor lo cual soportar la condición 11 = = const con la precisión requerida es imposible. Para evitar esto, para generadores potentes, primero, utilizan reguladores electromagnéticos estáticos que consisten en elementos (amplificadores electrónicos, etc.) que no tienen partes móviles. Segundo, para superar la influencia de la inercia electromagnética del circuito de excitación, es necesario que la acción del regulador sea proporcional. no solo Upero también la tasa de cambio Ues decir, dU / dt.Si por ejemplo el voltaje Ucomenzando a caer bruscamente y rápidamente y por lo tanto el valor absoluto dU / dtgrande, el "regulador inmediatamente, cuando At / todavía no ha logrado alcanzar una magnitud notable, da un fuerte impulso para aumentar siTambién es deseable que el generador de excitación reaccione a derivados de otras cantidades que caracterizan el modo de operación del generador síncrono. Por ejemplo, como se indica en el § 39-3, para aumentar la estabilidad dinámica, es deseable que sicuanto más, más rápido aumenta el ángulo de carga, es decir, cuanto mayor b "- dQ / dt,y viceversa. Dado que la medición del valor 6 es difícil, en lugar de 8 ", también es posible ajustar la magnitud de la derivada de la corriente del estator /, ya que los cambios de 6 y / durante las oscilaciones ocurren de manera similar (ver Fig. 39-3). También es deseable ajustar siproporcional a la segunda derivada de algunas cantidades.
I Los reguladores que reaccionan no solo a la desviación de ciertos parámetros, sino también a los valores de sus derivados en el tiempo, se denominan reguladores fuertes.
Tales reguladores para generadores síncronos se desarrollaron por primera vez en la URSS para la Central Hidroeléctrica Volga. V. I. Lenin y se probaron de la mejor manera.
Cabe señalar que para el funcionamiento eficaz de dichos reguladores es necesario que la inercia electromagnética del sistema de excitación sea lo suficientemente pequeña.
También es recomendable suministrar motores síncronos con reguladores automáticos de excitación. Su acción a baja tensión ayuda a mantener la constancia de la tensión de la red y aumenta la estabilidad de los motores.
El límite superior (techo) de la tensión de excitación. En caso de cortocircuito en la red, la tensión en los terminales de los generadores Ucae un estruendo, la potencia desarrollada por ellos también disminuye bruscamente y, como la potencia de las turbinas no cambia, existe el peligro de que los generadores pierdan la sincronicidad.
En estos casos, mantener. Uen el nivel más alto posible y evitando que los generadores pierdan la sincronicidad, se aplica el llamado forzamiento de excitación, es decir, el voltaje de excitación Uflo más rápido posible se eleva al máximo valor posible. Uf m.
En los circuitos de excitación de la forma. 34-1 Esto se logra por el hecho de que un relé especial que reacciona a una disminución brusca del voltaje, por sus contactos, desvía un reóstato de excitación 5.
Para que el impulso de excitación sea efectivo, el límite superior (techo) de la tensión de excitación u tdebe ser lo suficientemente grande. De acuerdo con GOST 533-68 y GOST 5616-63, se requiere que los generadores de turbina
La tasa de aumento de la tensión de excitación. Cuando la fuerza de excitación tudebe crecer lo más rápido posible. De acuerdo con GOST 533-68 y GOST 5616-63, para generadores de turbina, la tasa de aumento de la tensión de excitación cuando se fuerza, debe ser al menos 2Uf apor segundo, y para los hidrogeneradores, no menos de 1.5 "y n por segundo.
§ 40-2. Sistemas de excitación
Sistemas de excitación con generadores de corriente continua. El sistema clásico de excitación de máquinas síncronas, que se usa ampliamente en la actualidad, consiste en un patógeno en forma de un generador de excitación paralela en un eje común con una máquina síncrona (ver. Fig. 34-1). En máquinas de baja velocidad con potencia hasta R ayay 5000 ketpara reducir el peso y el costo de los patógenos, estos últimos a veces se conectan al eje de una máquina síncrona mediante una transmisión de correa trapezoidal.
Los hidrogeneradores también suelen tener un patógeno en el mismo eje que el generador. Sin embargo, al mismo tiempo, potentes generadores de baja velocidad con y n = 60 -J-150 rpmlas dimensiones y el costo del patógeno en relación con su considerable potencia y tranquilidad son grandes. Además, los patógenos de baja velocidad debido a su gran tamaño tienen una gran inercia electromagnética, lo que reduce la eficiencia del control automático y el forzamiento de la excitación. Por lo tanto, los sistemas de excitación también se utilizan como una unidad separada de alta velocidad. (n =750 -t-1500 rpm)consiste en un motor asíncrono y un generador de corriente continua. El motor asíncrono al mismo tiempo recibe energía de un generador sincrónico auxiliar especial ubicado en el mismo eje con el hidrogenerador principal y, en algunos casos, de los buses auxiliares de la hidrostación o de los terminales del hidrogenerador principal. En este último caso, la unidad de excitación se ve afectada por accidentes en el sistema de alimentación (cortocircuitos, etc.) y, por lo tanto, para aumentar su confiabilidad, los motores asíncronos de accionamiento funcionan con un par máximo incrementado. (M t:\u003e 4 M n), y algunas veces estas unidades también suministran volantes. En forma de agregados excitatorios separados, también se usan agregados de reserva de excitación de las centrales eléctricas, que sirven para reservar sus propios patógenos-generadores en caso de accidentes y mal funcionamiento.
Generadores de turbina hasta P y= 100 mil kettambién suelen tener patógenos en forma de generadores de corriente continua en su eje. Sin embargo, cuando R n \u003e\u003e 100 mil ketel poder de los patógenos se vuelve tan grande que su implementación en n p= 3000 -t-3,600 rpmbajo los términos de cambio, la fiabilidad se vuelve difícil o incluso imposible. Al mismo tiempo, se aplican diferentes soluciones. Por ejemplo, los patógenos con velocidad de rotación y n = 750-g-1000 se usan ampliamente en el extranjero. rpmconectado al eje del turbogenerador con la ayuda de un reductor, así como unidades excitadoras con motores asíncronos que se accionan desde los autobuses de la estación o desde los terminales del generador.
También se utilizan algunos tipos de sistemas de excitación con máquinas de corriente continua. Por ejemplo, los patógenos poderosos de los autos grandes a veces tienen subagentes (Figura 40-1), que sirven para excitar al patógeno.
Al mismo tiempo, el sistema de excitación se regula en el circuito de excitación del excitador, en el cual fluye una pequeña corriente, lo que se logra al reducir la potencia y el peso del equipo de control y regulación.
Sistema de excitación compuesto con patógeno ocular constante * (Fig. 40-2) En los sistemas de excitación modernos, el principio de composición se usa ampliamente, es decir, el cambio automático de la excitación cuando cambia la corriente de carga de un generador síncrono, al igual que en los generadores de CC con excitación mixta de acuerdo con la inclusión de un devanado de campo en serie (ver § 9-6). Dado que una corriente alterna fluye en el devanado de armadura de la máquina síncrona, y en el devanado de excitación 2 - corriente continua, entonces ъlos circuitos de compuestos de las máquinas síncronas aplican rectificadores semiconductores. En el esquema básico de un sistema de excitación compuesto con un excitador de CC que se muestra en la Fig. 40-2, el devanado de excitación del patógeno 4 conectado al ancla del patógeno 3 con un reóstato. 6 y además de rectificadores. 9, alimentado por transformadores en serie 7.
Fig. 40 1 Sistema de excitación con excitador y excitador de corriente continua.
/ - generador síncrono de anclaje 2 - bobinado de excitación del generador síncrono, 3 - patógeno de anclaje, 4 - bobina de excitación del excitador, 5 - ancla del conductor del ancla, 6 - sinuoso excitador
Figura 40-2 Sistema de excitación compuesto actual
Generador de bobinado de ralentí 4 recibe energía solo de la armadura 3 A medida que aumenta la corriente de carga del generador / la tensión secundaria del transformador 7 crecerá, y ya con una pequeña carga esta tensión rectificada por el rectificador. 9, igual a la tensión del devanado 4 Con un aumento adicional de la carga, el devanado 4 será alimentado por un transformador 7 y por tanto la corriente de este devanado y la corriente de excitación del generador. ccrecerá con carga creciente
Al aumento de la resistencia del reóstato de ajuste Svoltaje del rectificador 9, y la acción de composición del transformador 7 crecerá. Con un cortocircuito, el dispositivo de composición acelera la excitación,
Acción compositiva del esquema de la fig. 40-2 depende solo de la magnitud de la corriente / y no depende de su fase. Por lo tanto, con carga inductiva, esta acción es más débil que con una carga activa. Dicha composición se llama corriente, y al mismo tiempo la constancia de voltaje Udentro del rango de cargas normales se puede mantener con exactitud ± (5-10)%. Tal precisión para instalaciones modernas es insuficiente, y por lo tanto en los diagramas de la fig. 40-2 aplicar corrector adicional o regulador de voltaje automático 11, que está conectado por un transformador 10 con clips de generador, así como con resistencias de instalación. 8. Regulador // reacciona a los cambios de voltaje Uy la corriente / y alimenta un bobinado de excitación adicional de corriente directa del patógeno 5. Consiste en elementos estáticos (amplificador magnético, transformador saturado, rectificadores semiconductores, etc.), y los detalles de su dispositivo no se consideran aquí.
Dicho sistema de excitación se usa ampliamente en la URSS para generadores con una capacidad de hasta 100 mil. ket
La figura 40-3. Sistema de excitación con corriente alterna de patógenos y rectificadores.
Sistema de excitación con alternadores y rectificadores.
Como se mencionó anteriormente, para los potentes generadores gndro y turbo, los sistemas de excitación con patógenos de corriente directa ubicados en el mismo eje que los generadores se vuelven antieconómicos e incluso inviables. En estos casos, se utilizan sistemas de excitación con alternadores y rectificadores controlados o no administrados (Fig. 40-3).
Esquema fig. 40-3, unes la base del sistema de excitación de los generadores hidroeléctricos de las centrales hidroeléctricas Volga, Bratsk y Krasnoyarsk, con un generador síncrono auxiliar de "frecuencia natural". 3 y el excitador 7 está ubicado en el mismo eje con el generador principal, y el rectificador de iones 5 con válvulas de compuerta única tiene un control de la red desde un controlador de excitación de acción fuerte (en la Fig. 40-3, unno se muestra). La cancelación del campo se realiza mediante transferencia rectificadora. 5 en el modo inversor para transferir energía desde el devanado de excitación del generador principal 2 al generador auxiliar 3.
Esquema fig. 40-3, butilizado por la planta "Electrosila" para turbogeneradores con una capacidad de 150 mil. kety encima En este circuito, el devanado de excitación. 2 generador principal / se excita de un generador inductor (patógeno) 3 frecuencia de 500 hertza través de rectificadores de silicio 5. Generador 3 tiene dos bobinas de excitación: una bobina de excitación independiente. 4, alimentado por un generador auxiliar 9 a través de rectificadores 5, y autoexcitación secuencial sinuosa 6. Grupo electrógeno 9 tiene "polos en forma de imanes permanentes. Generadores 3 y 9 ubicado en el mismo eje con el generador principal. El generador de inducción no tiene devanados en el rotor y, por lo tanto, es muy confiable en su funcionamiento. En paralelo al devanado de su ancla.
nena bobina inductiva trifásica (choke) 10, dC magnetizado. Bobina 10 consume del generador 3 corriente inductiva, y como con f =500 hertzla resistencia inductiva del devanado de inducido del generador es grande, entonces el voltaje en sus terminales depende en gran medida de la corriente de la bobina. 10 Ajustando la corriente de polarización de la bobina 10 se logra una rápida regulación del voltaje del generador. 3 y corriente de excitación siBobina de excitación 6 contribuye a la aceleración de la excitación durante cortocircuitos debido a la acción de una corriente transitoria aperiódica en el devanado de excitación 2.
Los generadores de turbina modernos más potentes tienen si B= 5000 -5- 10000 a, e incluso el trabajo de los anillos de contacto con los cepillos se vuelve difícil. Por lo tanto, en la actualidad, también se están construyendo generadores con sistemas de excitación sin contacto. Dicho sistema se puede implementar, por ejemplo, sobre la base del diagrama de la Fig. 40-3, unsi la armadura serpentea 3 lugar del alternador
La figura 40-4. Sistema de autoexcitación con composición de fases.
en su rotor montado en el eje del generador principal. 1, y el devanado de excitación 4 poner en el estator. Rectificadores semiconductores 5 al mismo tiempo, se fijan en el disco, que también se monta en el eje del generador / ygira con su rotor y su bobinado de excitación. 2. Tarea de control actual sien este caso, se confía al sub-excitador 7-8, que también se puede realizar como un alternador sin contacto. Tales sistemas de excitación son muy prometedores, pero tienen la desventaja de que la extinción de campo solo se puede realizar en un circuito de bobinado. 4 en este caso, el campo del generador principal se extingue de manera relativamente lenta.
Osciladores compuestos de autoexcitación.Anteriormente, consideramos sistemas de excitación independientes en los que toda o parte de la energía para excitar un generador síncrono se obtenía de patógenos en forma de máquinas de CC o CA. Junto con ellos, también se utilizan sistemas de autoexcitación, en los que esta energía se obtiene del circuito de armadura del propio generador. Dichos sistemas de excitación se utilizan especialmente para generadores de baja y media potencia que funcionan en sistemas autónomos (silvicultura, instalaciones de transporte, etc.). En los últimos años, los sistemas de autoexcitación se están comenzando a usar cada vez más también para generadores grandes que operan en potentes sistemas de energía, ypara motores síncronos. En este caso, el principio de composición también se usa comúnmente.
Un diagrama típico de un generador compuesto autoexcitado se muestra en la Fig. 40-4. Secundaria e. d. El transformador paralelo 3 es proporcional. Uy secundaria e. d. transformador serial 5 proporcional a /. Los bobinados secundarios de estos transformadores están conectados en paralelo. y
Corriente de excitación si~ Sidepende no solo de la magnitud de la corriente de carga /, sino también de su fase, como resultado de lo cual el circuito en la fig. 40-4 se llama esquema de composición de fases. Esto le permite mejorar la acción de composición del sistema de excitación bajo carga inductiva del generador, ya que la inductiva
La figura 40-5. Esquemas de sustitución de autoexcitación con composición de fases.
el componente de la corriente de carga del generador provoca la mayor caída de voltaje.
Supongamos que los devanados primarios de transformadores 3 y 5 dados a los secundarios, la resistencia de estos transformadores y rectificadores. 6 igual a cero y la resistencia del devanado de excitación 2, reducido al lado AC, igual a riLuego el diagrama en la fig. 40-4 corresponde al circuito equivalente de la fig. 40-5 a, e \\según la cual
Según (40-2), el esquema equivalente también se puede representar como en la fig. 40-5 b.
Dejemos que el generador en cuestión sea polar implícito. Entonces su diagrama vectorial tiene la forma mostrada en la fig. 40-6 líneas continuas. Asi como U "y / j son proporcionales Uy / y coinciden con ellos en la fase (o cambian en relación con ellos en 180 °), luego el diagrama en la fig. 40-5, by la igualdad (40-2) corresponde al diagrama vectorial mostrado en la fig. 40-6 por líneas discontinuas. De esta figura, se deduce que con una elección adecuada de los ratios de transformación del transformador 3 y 5 y resistencia x lbobina inductiva 4 diagramas vectoriales fig. 40-6 será similar. Por lo tanto, cuando U= const y en cualquier valor, y fase / voluntad Uf - ~ Ey, según (40-2), Si ~ E,es decir, en cualquier carga la corriente de excitación siinducirá tal una. d. E,lo que se conserva U= const.
La figura 40-6. Diagramas vectoriales de un generador síncrono polar implícito y su sistema de autoexcitación con composición de fase
De la expresión (40-2) se deduce que con x L =0 composición estará ausente. En este caso, al aumentar // el transformador 5 tomará la carga del transformador 3 y actual Sino aumentará.
transformadores 3 y 5 en la fig. 40-4 también se puede combinar en un transformador común con dos devanados primarios y un devanado secundario conectado al rectificador 6. Bobina 4 al mismo tiempo, es necesario transferir la tensión al devanado primario. En su lugar, también puede aumentar artificialmente la dispersión de este devanado, separándolo de otros devanados de transformador mediante una derivación magnética. En transformador de alta tensión. 5 es recomendable encender el lado neutro de la armadura del generador. En generadores de pequeña potencia a veces se rechazan transformadores. 3 y bobina 4 adjuntar directamente aterminales generadores. También se utilizan otras variedades de sistemas de excitación similares.
Debido a la saturación y otras causas de los generadores de polo explícito y polo explícito U= const se mantiene con precisión = b (2-5)%. Para generadores de baja potencia, esta precisión es suficiente, pero la longitud de los generadores de alta potencia requiere una regulación de voltaje adicional con la ayuda de un corrector o regulador de voltaje. Para ello, la bobina. 4 se puede realizar con corriente continua de polarización, y en este caso el regulador de voltaje regula la magnitud de esta corriente, logrando así un cambio. x ly actual %. en la direccion correcta Si los rectificadores S son controlables, entonces un regulador de voltaje puede actuar sobre estos rectificadores.
Autoexcitación de un generador síncrono según el esquema de la fig. 40-4 ocurre solo en presencia de un flujo de magnetización residual, como en generadores de corriente continua con excitación paralela. Sin embargo, debido al aumento de la resistencia del rectificador a bajas corrientes y otras causas, el flujo residual de magnitud ordinaria induce una e insuficientemente grande. d. para proporcionar la autoexcitación de un generador síncrono, por lo tanto, es necesario tomar medidas adicionales (el uso de circuitos resonantes, la inclusión de una pequeña batería o un generador adicional con imanes permanentes en el circuito de excitación, un aumento del flujo residual mediante tiras magnéticas en los polos del generador, etc.) Para obtener un circuito resonante paralelo a los terminales del rectificador. 6 (RNS. 40-4) Los condensadores de CA pueden conectarse desde el cable de alimentación de CA 7. Si se selecciona la capacitancia C durante el arranque del generador * tor< п„ возникнет резонанс- напряжений, то напряжение на конденсат торах 7 y voltaje del rectificador 6 se levantará varias veces y se producirá autoexcitación. Con n= n pse violan las condiciones de resonancia y, por lo tanto, los condensadores tienen un efecto insignificante en el funcionamiento del circuito. En los esquemas de excitación de la forma de la fig. 404, los rectificadores semiconductores son generalmente utilizados. Por su simplicidad, fiabilidad y buenas propiedades reguladoras. pf\u003etales circuitos de excitación son cada vez más utilizados. Para protección contra sobretensiones durante el funcionamiento asíncrono y otras condiciones inusuales, el rectificador * meteln generalmente se desvía por una alta resistencia o por resistencias no lineales.
Los generadores de baja potencia con el sistema de excitación considerado permiten el arranque directo de motores asíncronos cortocircuitados cuyas potencias son proporcionales a la potencia de los generadores. En este caso, la corriente de arranque del motor debido a la composición hace que la excitación del generador *\u003e toro y, por lo tanto, su voltaje no disminuya significativamente, a pesar de las grandes corrientes de arranque de naturaleza inductiva "
También se utilizan otros tipos de sistemas de excitación. Una característica es la sustitución más amplia de sistemas con patógenos de constante. # sistemas actuales con rectificadores semiconductores.
La excitación de los turbogeneradores es una parte integral, y el funcionamiento confiable y estable de todo el turbogenerador depende en gran medida de la confiabilidad de su funcionamiento.
El devanado de excitación encaja en las ranuras del rotor del generador y, mediante el uso de anillos de contacto y cepillos, con la excepción del sistema de excitación sin escobillas, se suministra corriente continua desde la fuente. Como fuente de energía se puede utilizar un generador de corriente directa o alterna, que se denomina agente causal, y el sistema de excitación es una máquina eléctrica. En un sistema de excitación sin máquina, el generador en sí mismo es la fuente de energía, por lo que se denomina sistema de autoexcitación.
Los sistemas básicos de excitación deben:
Proporcione potencia confiable al devanado del rotor en modo normal y de emergencia;
Permitir la regulación de la tensión de excitación en límites suficientes;
Proporcionar control de excitación de alta velocidad con altas velocidades en modo de emergencia;
Para llevar a cabo una rápida desenergización y, si es necesario, realizar la extinción del campo en situaciones de emergencia.
Las características más importantes de los sistemas de excitación son: la velocidad, determinada por la tasa de aumento de voltaje en el devanado del rotor durante el forzado V=0,632∙(U f sudor U f nom ) / U f Señor ∙ t 1,y la relación de la tensión de techo a la tensión de excitación nominal U f sudor / U f Señor = A f - la llamada multiplicidad de forzar.
Según GOST, los generadores de turbina deben tener A f ≥ 2, y la tasa de aumento de la excitación - no menos de 2 s -1. La multiplicidad de forzamientos para los hidrogeneradores debe ser al menos 1.8 para los patógenos colectores conectados al eje del generador, y al menos 2 para otros sistemas de excitación. La tasa de aumento de la tensión de excitación debe ser de al menos 1.3 s -1 para los hidrogeneradores con una capacidad de hasta 4 MBA inclusive y al menos 1.5 s -1 para los hidrogeneradores de alta potencia.
Para los hidrogeneradores de alta potencia que operan en transmisiones de larga distancia, se imponen requisitos más altos en los sistemas de excitación: A f = 3-4, la tasa de aumento de la excitación a 10 U f H 0 M por segundo.
El devanado del rotor y el sistema de excitación de los generadores con enfriamiento indirecto deben soportar el doble con respecto a la corriente nominal durante 50 s. Para generadores con enfriamiento directo de los devanados del rotor, este tiempo se reduce a 20 s, para generadores con una capacidad de 800-1000 MW, se acepta un tiempo de 15 s, 1200 MW son 10 s (GOST 533-85Е).
La potencia de la fuente de excitación suele ser del 0,5-2% de la potencia del turbogenerador, y la tensión de excitación es de 115-575 V.
Cuanto mayor sea la potencia del turbogenerador, mayor será el voltaje y menor será la potencia relativa del patógeno.
Los sistemas de excitación se pueden dividir en dos tipos: excitación independiente (directa) y excitación dependiente (indirecta) (autoexcitación).
El primer tipo incluye todos los patógenos de corriente alterna eléctricos y de corriente continua asociados con el eje del turbogenerador (Fig. 4.1).
El segundo tipo incluye sistemas de excitación que reciben energía directamente de los terminales del generador a través de transformadores reductores especiales (Fig. 4.2, un) y los excitadores eléctricos de la máquina instalados por separado, girados por los motores de corriente alterna impulsados por los propios neumáticos de las necesidades de la estación (Fig. 4.2, b).
Patógenos eléctricos DC (Fig. 4.1, un) utilizado anteriormente en turbogeneradores de baja potencia. Actualmente, este sistema de excitación prácticamente no se usa, ya que es de baja potencia y, a una velocidad de rotación de 3000 rpm, este sistema de excitación es difícil de realizar debido a las difíciles condiciones de trabajo del colector y del dispositivo de cepillado (deterioro de las condiciones de conmutación).
En el uso de generadores de turbina existentes:
Sistema de excitación de alta frecuencia;
Sistema de excitación sin escobillas;
Sistema de excitación independiente del tiristor estático;
Sistema tiristor estático de autoexcitación.
En estos sistemas de excitación, el agente causal es un generador de corriente alterna de varios diseños, que no tiene límite de potencia. Las válvulas rectificadoras de semiconductores controladas y no controladas se utilizan para convertir CA en CC.
El principio de funcionamiento de la excitación de alta frecuencia (Fig. 4.1, b) es que en el mismo eje con el generador gira un generador de alta frecuencia de corriente trifásica de 500 Hz, que a través de los rectificadores semiconductores B suministra la corriente rectificada a los anillos del rotor del turbogenerador. Con tal sistema de excitación, se elimina la influencia de los cambios en los modos de operación de la red externa sobre la excitación del generador, lo que aumenta su estabilidad durante los cortocircuitos en el sistema de energía.
La figura 4.1. Diagramas esquemáticos de un sistema de excitación generador independiente:
un - Máquina eléctrica con un generador de corriente continua. b - alta frecuencia;
SG - generador síncrono; VG - DC excitador;
VCG - generador de alta frecuencia; PV - Sub agente; En - rectificador
La figura 4.2. Diagramas esquemáticos del sistema de excitación del generador dependiente;
BT - transformador auxiliar; AD - motor asíncrono
En los turbogeneradores modernos, el sistema de excitación de alta frecuencia no se utiliza como obsoleto. Para potentes generadores turbo, las corrientes de excitación son 5-8 kA. Esto crea grandes dificultades para suministrar corriente directa al devanado de excitación del generador con la ayuda de contactos deslizantes: anillos y cepillos. Por lo tanto, en la actualidad, se utiliza un sistema de excitación sin escobillas para varios generadores, en los cuales el dispositivo rectificador está ubicado en el rotor y es alimentado por una máquina reversible a través del espacio de aire. Por lo tanto, la conexión eléctrica entre el rectificador y el devanado de excitación se realiza mediante un conductor rígido sin el uso de anillos deslizantes y cepillos.
En un sistema estático independiente y un sistema de autoexcitación, se utilizan rectificadores de silicio semiconductores controlados (tiristores). Esto hizo posible aumentar la velocidad de estos sistemas de excitación en comparación con un sistema, por ejemplo, uno de alta frecuencia, donde se utilizan rectificadores no administrados. Dado que en estos sistemas de excitación, se utiliza un grupo de rectificadores controlados estáticos, los contactos deslizantes también se utilizan para suministrar corriente directa al devanado de excitación del generador, lo cual es una desventaja. Se han utilizado sistemas de excitación de tiristores para turbogeneradores con una capacidad de 160-500 MW. En la fig. 4.2, unse proporciona un diagrama esquemático de una autoexcitación de tiristor estática.
En caso de daños en el sistema de excitación, se planea instalar patógenos de respaldo: uno por cada cuatro generadores.
Como un patógeno de respaldo, instale generadores de CC, impulsados en rotación por motores asíncronos conectados a los neumáticos de las necesidades de la estación (Fig. 4.2, b). De modo que cuando se establece el voltaje, por ejemplo, con un cortocircuito, el agente patógeno de respaldo no disminuye, se instala un volante en su eje.
Para un funcionamiento normal, los devanados del rotor de los generadores síncronos deben ser alimentados por agentes patógenos. El cambio de la magnitud de la corriente de excitación regula la tensión del generador síncrono y la potencia reactiva que se les da en la red.
Las características del sistema de excitación están determinadas por la combinación de las propiedades de la fuente de alimentación del devanado de excitación y los dispositivos de control automático. Los sistemas de excitación deben proporcionar:
1) fuente de alimentación confiable del devanado del rotor de una máquina síncrona en todos los modos, incluso en caso de accidentes;
2) regulación estable de la corriente de excitación cuando la carga varía dentro de la nominal;
3) velocidad suficiente;
4) forzando la excitación;
5) enfriamiento rápido del campo magnético de excitación con la desconexión operativa de los generadores de la red (se utilizan máquinas de enfriamiento de campo - AGP).
La principal forma de excitar las máquinas síncronas es la excitación electromagnética, cuya esencia es que el devanado de excitación está ubicado en los polos del rotor. Al pasar por este devanado de CC, surge una fuerza de excitación magnetomotriz (MDS), que induce un campo magnético en el sistema magnético de la máquina.
De acuerdo con GOST 533-76, GOST 5616-81 y GOST 609-75, los turbogeneradores e hidro-generadores, así como los compensadores síncronos, pueden tener solo el sistema de excitación directa o sistema de autoexcitación más confiable.
La potencia máxima de los excitadores eléctricos a una frecuencia de 3000 rpm es de aproximadamente 600 kW. Por lo tanto, los sistemas de excitación eléctrica no pueden utilizarse en turbogeneradores con una capacidad de 200 MW o más, cuya potencia de excitación exceda los 1000 kW.
Con el desarrollo de la producción y la mejora de la confiabilidad de los rectificadores semiconductores, los sistemas de excitación de válvulas con diodos o tiristores son cada vez más comunes.
Hasta hace poco, se utilizaban generadores de CC de corriente directa especiales de excitación independiente, llamados excitadores B (Figura 5.6, a), para alimentar el devanado de excitación, cuyo devanado de excitación recibió corriente directa de otro generador (excitación paralela) llamado el excitador (PV). El rotor de la máquina síncrona y el anclaje del patógeno y el excitador están ubicados en un eje común y giran simultáneamente. En este caso, la corriente en el devanado de excitación de la máquina síncrona se introduce a través de anillos deslizantes y cepillos. Para regular la corriente de excitación, se utilizan reóstatos de ajuste, que se incluyen en los circuitos de excitación del patógeno (r 1) y sub-excitador (r 2).
Figura 5.6 - Sistemas de contacto (a) y sin contacto (b)
excitación electromagnética de generadores síncronos.
En generadores síncronos de alta potencia, turbogeneradores, a veces se utilizan alternadores de tipo inductor como patógenos. En la salida de un generador de este tipo incluye un rectificador semiconductor. El ajuste de la corriente de excitación del generador síncrono en este caso se realiza cambiando la excitación del generador de inductor.
El sistema sin contacto de excitación electromagnética, en el que el generador síncrono no tiene anillos de contacto en el rotor, se ha utilizado en generadores síncronos.
En este caso, se utiliza un alternador (Figura 5.6, b) como patógeno, en el cual el devanado 2, en el que se induce una fuerza electromotriz (devanado de inducido), se ubica en el rotor, y el devanado de excitación 1 se ubica en el estator. Como resultado, el devanado del inducido del excitador y el devanado de excitación de la máquina síncrona giran, y su conexión eléctrica se realiza directamente, sin anillos de contacto ni cepillos. Pero como el excitador es un generador de corriente alterna, y el devanado de excitación debe ser alimentado por corriente continua, el devanado del inducido del excitador incluye un convertidor de semiconductor 3 montado en el eje de la máquina síncrona y girando junto con el devanado de excitación de la máquina síncrona. La alimentación de CC del devanado de excitación 1 del patógeno se realiza desde el subproveedor (DF), un generador de CC.
La ausencia de contactos deslizantes en el circuito de excitación de una máquina síncrona permite aumentar su fiabilidad operativa y aumentar la eficiencia.
En los generadores síncronos, incluidos los hidrogeneradores, el principio de autoexcitación (Figura 5.7, a) se generalizó cuando la energía de corriente alterna necesaria para la excitación se toma del devanado del estator del generador síncrono y, a través de un transformador reductor y un convertidor de semiconductores rectificador (PP) se convierte en energía constante. corriente El principio de autoexcitación se basa en el hecho de que la excitación inicial del generador se produce debido al magnetismo residual del circuito magnético de la máquina.
Figura 5.7 - Principio de autoexcitación de generadores síncronos.
La Figura 5.7b muestra un diagrama de bloques de un sistema automático de autoexcitación de un generador síncrono (SG) con un transformador rectificador (VT) y un convertidor de tiristores (TP), a través del cual la energía eléctrica de CA del circuito del estator del SG se convierte en una corriente continua después de la conversión en corriente continua. El convertidor de tiristores es controlado por el controlador automático de excitación ARV, que recibe señales de voltaje en la salida SG (a través del transformador de voltaje ТН) y la corriente de carga SG (del transformador de corriente ТТ) en su entrada. El circuito contiene un bloque de protección BZ, que proporciona protección al devanado de excitación y al convertidor de tiristor TP de sobretensión y sobrecorriente.
En los generadores síncronos de media y alta potencia, el proceso de regulación de la corriente de excitación es automatizado.
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SISTEMAS DE EXCITACION DE MAQUINAS SINCRONICAS
La mayoría de las máquinas síncronas tienen excitación electromagnética. Las fuentes de corriente continua para la corriente de excitación del devanado son sistemas de excitación especiales, que están sujetos a una serie de requisitos importantes:
1) regulación confiable y estable de la corriente de excitación en cualquier modo de operación de la máquina;
2) Velocidad suficiente, para la cual se aplica el forzado de excitación, es decir, un rápido aumento en el voltaje de excitación hasta el valor límite, llamado de techo. La activación forzada se utiliza para mantener el funcionamiento estable de la máquina durante los accidentes y en el proceso de eliminar sus consecuencias. El voltaje de excitación del techo no es menor que 1.8-2 voltaje de excitación nominal. La tasa de aumento de voltaje durante el forzado de excitación debe ser de al menos 1.5-2 voltajes nominales en los anillos deslizantes del rotor por segundo;
3) enfriamiento rápido del campo magnético, es decir, una disminución de la corriente de excitación de la máquina a cero sin un aumento significativo del voltaje en sus bobinas. La necesidad de supresión de campo surge cuando el generador se apaga o se daña en él.
Para la excitación de máquinas síncronas se utilizan varios sistemas. El más simple de estos es el sistema de excitación de electro-bus con un controlador de corriente directa (Fig. 15). En este sistema, se utiliza un generador de CC especial como fuente. Ge, patógeno llamado se impulsa a la rotación desde el generador síncrono, y su potencia es del 1-3% de la potencia del generador síncrono. Máquina síncrona de corriente de excitación. Yo En un tamaño relativamente grande y asciende a varios cientos o incluso miles de amperios. Por lo tanto, está regulado por medio de reóstatos instalados en el circuito de excitación del patógeno. La excitación del patógeno se lleva a cabo de acuerdo con el esquema de autoexcitación (Fig. 15) o excitación independiente de un generador de CC especial. GEA, llamado agente sustituto (fig. 16). El sub-conductor trabaja con autoexcitación y resistencia de resistencia. R w2 cuando el generador no se cambia.
Para apagar un campo magnético, se usa un apagador automático de campo (AGP), que consiste en contactores A 1
y A 2 y resistencia de amortiguación R p .
La limpieza del campo se realiza en el siguiente orden. Con contactor en A 1
contactor está encendido A 2, cerrando el devanado de excitación en una resistencia de amortiguación, teniendo resistencia r p ≈5
r en donde r - resistencia del devanado de excitación. Entonces el contactor se abre. A 1
y la corriente en el circuito del devanado de excitación del generador disminuye (Fig. 17). 
La corriente de excitación podría reducirse a cero con un solo contactor. A 1 sin resistencia de gas. La corriente de excitación en este caso desaparecería casi instantáneamente. Pero la ruptura instantánea del circuito de excitación es inaceptable, debido a la alta inductancia del devanado de excitación. L en ella se induciría una gran fem de autoinducción. e = - L en ∙ di en/ dtexcediendo varias veces la tensión nominal, lo que resulta en una posible ruptura del aislamiento de este devanado. Además, en el contactor. A 1 cuando se apaga, se liberaría una cantidad significativa de energía almacenada en el campo magnético del devanado de excitación, lo que podría causar la falla del contactor.
Forzando la excitación cuando se usan los esquemas de la Fig. 15 y 16 se lleva a cabo mediante resistencia de derivación. R w1 incluido en el circuito de excitación del patógeno.
Recientemente, en lugar de sistemas eléctricos, hay un uso cada vez mayor de sistemas de excitación de válvulas con diodos y tiristores. Estos sistemas de excitación pueden construirse a alta potencia y son más confiables que las máquinas eléctricas.
Hay tres tipos de sistemas de válvulas de excitación: un sistema con autoexcitación, un sistema independiente de excitación y un sistema de excitación sin escobillas.
En un sistema de válvula autoexcitado (Fig. 18), la energía se toma del devanado del inducido del generador principal para excitar una máquina síncrona. Gque luego se convierte por un convertidor estático PUen corriente continua. Esta energía entra en el devanado de excitación. La excitación inicial del generador se debe a la magnetización residual de sus polos.
En un sistema de excitación independiente de la válvula (Fig. 19), la energía para la excitación se obtiene de un patógeno específico. GN, realizado en forma de generador síncrono trifásico. Su rotor está montado en el eje del generador principal. La tensión alterna del patógeno se rectifica y se suministra al devanado de campo.
Una variedad de sistema de excitación independiente de la válvula es un sistema de excitación sin escobillas. En este caso, en el eje de la máquina síncrona principal, se coloca la armadura del excitador de corriente alterna con un devanado trifásico. El voltaje alterno de este devanado se transforma en un voltaje directo por medio de un puente rectificador fijo en el eje de la máquina y se alimenta directamente (sin anillos) al devanado de excitación del generador principal. El devanado de excitación del patógeno se encuentra en el estator y recibe energía de una fuente independiente.
Los sistemas de excitación del generador se pueden dividir en grupos:
1) excitación independiente, es decir, Controladores eléctricos de CC y CA asociados con el eje del generador;
2) autoexcitación (excitación dependiente), es decir, Sistemas de excitación que reciben energía directamente de los terminales del generador a través de transformadores reductores especiales.
La excitación independiente de los generadores (la principal ventaja: la excitación de SG no depende del modo de la red eléctrica y, por lo tanto, es la más confiable) es la más común.
Desventajas: una tasa relativamente baja de aumento en la excitación (principalmente determinada por el agente causal) ); disminución de la confiabilidad del generador de CC debido a la vibración y a las condiciones severas de operación de los cepillos colectores (para turbogeneradores que tienen una alta velocidad de rotación).
Los sistemas de autoexcitación, en general, son menos confiables que los sistemas de excitación independientes, porque el funcionamiento del excitador en ellos depende del modo de la red de CA.
El esquema de excitación independiente del motor eléctrico (izquierda), el esquema de excitación del motor eléctrico dependiente, es decir, autoexcitación (derecha).
En el diagrama; OVV (G) - devanado del excitador del patógeno (generador); ShR - resistencia de derivación; B - patógeno; Motor BP-asíncrono; M - volante de inercia; SG - generador síncrono; Bus propio CH necesita.
Un prometedor, especialmente para los turbogeneradores de alta potencia, es un sistema de excitación sin escobillas, en el que no hay conexiones de contacto móviles.
Para crear el generador de flujo magnético principal es un devanado de excitación con una corriente constante. Cuando cambia la corriente de excitación, la tensión del generador y la salida de potencia reactiva de la red cambian. Parámetros del sistema de excitación: restablecer el aumento de voltaje y la multiplicidad del forzado. Los sistemas de excitación son excitación independiente y autoexcitación.
Sistema de excitación eléctrica independiente.. La regulación del voltaje del patógeno y, por lo tanto, la corriente de excitación del generador principal se lleva a cabo cambiando la corriente en el devanado de excitación del patógeno. Ventajas: no depende del modo de red. Desventaja: a altas velocidades de rotación, la influencia de la conmutación, un gran EMF reactivo conduce a la ruptura del aislamiento de las placas colectoras y al fallo del colector. Sistema de excitación de alta frecuencia.. Consiste en el patógeno, que es un generador de alta frecuencia, con tres devanados de excitación, frecuencia de 500 Hz. El primer devanado de excitación está conectado en serie con el devanado de excitación del generador principal. Los otros dos están alimentados por un generador de pre-excitador con una frecuencia de 400 Hz (multipolar), con imanes permanentes y devanados conectados en un triángulo abierto. El agente causal y el conductor en el mismo eje con el generador. La corriente en los otros dos devanados del subexcitador está regulada por los bloques APB (manteniendo el voltaje en el modo normal), UBF (dispositivo de refuerzo sin contacto) conectado al transformador de corriente y el voltaje en los terminales del generador. La multiplicidad de la fuerza es 2, la tasa de aumento de voltaje es menor que 2 1 / s.
Sistema de excitación tiristor. El agente causal es una máquina trifásica con devanados conectados en una estrella. Su bobinado de excitación es alimentado por un transformador rectificador, a través de un rectificador. El devanado de excitación del generador principal está conectado a través de 2 grupos de rectificadores de tiristores: VS1 en funcionamiento, y forzando VS. Al forzar, los tiristores en funcionamiento se cierran con un voltaje más alto en VS2.
Sistema sin escobillas. Conductores que conectan el devanado de excitación con el excitador con conductores en el eje a través de un rectificador giratorio. Elimina la necesidad de cepillos y anillos de deslizamiento.
El sistema de autoexcitación eléctrica. El agente causal es girado por un motor conectado al transformador de las propias necesidades de la unidad.
Sistema de autoexcitación del tiristor.. El bobinado del generador está conectado a los rectificadores de tiristores, que reciben energía de la unidad TSN. Consiste en controlado, regular el voltaje en el modo normal, y no controlado, cuando es forzado.
