Сопротивление на возбуждение генератора

Свойства генератора постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. Существуют генераторы независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения:

с независимым возбуждением : обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, небольшого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, или выпрямителя),

с параллельным возбуждением : обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря и нагрузке,

с последовательным возбуждением : обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой,

со смешанным возбуждением : имеются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная, первая подключена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно с нею и нагрузкой.

Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением относятся к машинам с самовозбуждением, так как питание их обмоток возбуждения осуществляется от самого генератора.

Возбуждение генераторов постоянного тока: а — независимое, б — параллельное, в — последовательное, г — смешанное.

Все перечисленные генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмоток возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготовляют из провода малого сечения, они имеют большое число витков, обмотку последовательного возбуждения — из провода большого сечения, она имеет малое число витков.

О свойствах генераторов постоянного тока судят по их характеристикам: холостого хода, внешней и регулировочной. Ниже будут рассмотрены эти характеристики для генераторов различного типа.

Генератор с независимым возбуждением

Характерной особенностью генератора с независимым возбуждением (рис. 1) является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iя, а определяется только напряжением Uв подаваемым на обмотку возбуждения, и сопротивлением Rв цепи возбуждения.

Рис. 1. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

Обычно ток возбуждения невелик и составляет 2—5 % номинального тока якоря. Для регулирования напряжения генератора в цепь обмотки возбуждения часто включают регулировочный реостат Rрв. На тепловозах ток Iв регулируют путем изменения напряжения Uв.

Характеристика холостого хода генератора (рис. 2, а) — зависимость напряжения Uo при холостом ходе от тока возбуждения Iв при отсутствии нагрузки Rн, т. е. при Iн = Iя = 0 и при постоянной частоте вращения п. При холостом ходе, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение генератора Uo равно его э. д. с. Eo = cЕФn.

Так как при снятии характеристики холостого хода частота вращения n поддерживается неизменной, то напряжение Uo зависит только от магнитного потока Ф. Поэтому характеристика холостого хода будет подобна зависимости потока Ф от тока возбуждения Iя (магнитной характеристике магнитной цепи генератора).

Характеристику холостого хода легко снять экспериментально, постепенно увеличивая ток возбуждения от нуля до значения, при котором U0 = 1,25Uном, а затем уменьшая ток возбуждения до нуля. При этом получаются восходящая 1 и нисходящая 2 ветви характеристики. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная э. д. с. Еост, которая обычно составляет 2—4 % номинального напряжения Uном.

При малых токах возбуждения магнитный поток машины невелик, поэтому в этой области поток и напряжение Uo изменяются прямо пропорционально току возбуждения и начальная часть этой характеристики представляет собой прямую. При увеличении тока возбуждения магнитная цепь генератора насыщается и нарастание напряжения Uo замедляется. Чем больше становится ток возбуждения, тем сильнее сказывается насыщение магнитной цепи машины и тем медленнее возрастает напряжение U0. При очень больших токах возбуждения напряжение Uo практически перестает возрастать.

Характеристика холостого хода позволяет судить о значении возможного напряжения и о магнитных свойствах машины. Номинальное напряжение (указанное в паспорте) для машин общего применения соответствует насыщенной части характеристики («колену» этой кривой). В тепловозных генераторах, требующих регулирования напряжения в широких пределах, используют как криволинейную, так и прямолинейную ненасыщенную часть характеристики.

Э. д. с. машины изменяется пропорционально частоте вращения n , поэтому при n2

Внешняя характеристика генератора (рис. 2, б) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки Iп = Iя при постоянных частоте вращения n и токе возбуждения Iв. Напряжение генератора U всегда меньше его э. д. с. Е на значение падения напряжения во всех обмотках, включенных последовательно в цепь якоря.

С увеличением нагрузки генератора (тока обмотки якоря I_Я — I_Н) напряжение генератора уменьшается по двум причинам:

1) из-за увеличения падения напряжения в цепи обмотки якоря,

2) из-за уменьшения э. д. с. в результате размагничивающего действия потока якоря. Магнитный поток якоря несколько ослабляет главный магнитный поток Ф генератора, что приводит к некоторому уменьшению его э. д. с. Е при нагрузке по сравнению с э. д. с. Ео при холостом ходе.

Изменение напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке в рассматриваемом генераторе составляет 3 — 8℅ от номинального.

Если замкнуть внешнюю цепь на очень малое сопротивление, т. е. произвести короткое замыкание генератора, то напряжение его падает до нуля. Ток в обмотке якоря Iк при коротком замыкании достигнет недопустимого значения, при котором может перегореть обмотка якоря. В машинах малой мощности ток короткого замыкания может в 10—15 раз превысить номинальный ток, в машинах большой мощности это соотношение может достигать 20—25.

Рис. 2. Характеристики генератора с независимым возбуждением: а — холостого хода, б — внешняя, в — регулировочная

Регулировочная характеристика генератора (рис. 2, в) представляет собой зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн при неизменном напряжении U и частоте вращения п. Она показывает, как надо регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.

Достоинствами генератора с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от 0 до Umax путем изменения тока возбуждения и малое изменение напряжения генератора под нагрузкой. Однако он требует наличия внешнего источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

Генератор с параллельным возбуждением.

В этом генераторе (рис. 3, а) ток обмотки якоря Iя разветвляется во внешнюю цепь нагрузки RH (ток Iн) и в обмотку возбуждения (ток Iв), ток Iв для машин средней и большой мощности составляет 2—5 % номинального значения тока в обмотке якоря. В машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Однако самовозбуждение генератора возможно только при выполнении ряда условий.

1. Для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо наличие в магнитной цепи машины потока остаточного магнетизма, который индуцирует в обмотке якоря э. д. с. Еост. Эта э. д. с. обеспечивает протекание по цепи «обмотка якоря — обмотка возбуждения» некоторого начального тока.

2. Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, должен быть направлен согласно с магнитным потоком остаточного магнетизма. В этом случае в процессе самовозбуждения будет нарастать ток возбуждения Iв и, следовательно, магнитный поток Ф машины э. д. с. Е. Это будет продолжаться до тех пор, пока из-за насыщения магнитной цепи машины не прекратится дальнейшее увеличение Ф, а следовательно, Е и Iв. Совпадение по направлению указанных потоков обеспечивается путем правильного присоединения обмотки возбуждения к обмотке якоря. При неправильном ее подключении происходит размагничивание машины (исчезает остаточный магнетизм) и э. д. с. Е уменьшается до нуля.

3. Сопротивление цепи возбуждения RB должно быть меньше некоторого предельного значения, называемого критическим сопротивлением. Поэтому для быстрейшего возбуждения генератора рекомендуется при включении генератора в работу полностью выводить регулировочный реостат Rрв, включенный последовательно с обмоткой возбуждения (см. рис. 3, а). Это условие ограничивает также возможный диапазон регулирования тока возбуждения, а следовательно, и напряжения генератора с параллельным возбуждением. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления цепи обмотки возбуждения можно лишь до (0,64-0,7) Uном.

Рис. 3. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а) и внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением (б)

Следует отметить, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы процесс увеличения его э. д. с. E и тока возбуждения Iв происходил при работе машины в режиме холостого хода. В противном случае из-за малого значения Eoст и большого внутреннего падения напряжения в цепи обмотки якоря напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, может уменьшиться почти до нуля и ток возбуждения не сможет увеличиться. Поэтому нагрузку к генератору следует подключать только после установления на его зажимах напряжения, близкого к номинальному.

При изменении направления вращения якоря изменяется полярность щеток, а следовательно, и направление тока в обмотке возбуждения, в этом случае генератор размагничивается.

Во избежание этого при изменении направления вращения необходимо переключить провода, присоединяющие обмотку возбуждения к обмотке якоря.

Внешняя характеристика генератора (кривая 1 на рис. 3, б) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки Iн при неизменных значениях частоты вращения n и сопротивления цепи возбуждения RB. Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2).

Объясняется это тем, что кроме тех же двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки в генераторе с независимым возбуждением (падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря), в рассматриваемом генераторе существует еще третья причина — уменьшение тока возбуждения.

Так как ток возбуждения IB = U/Rв, т. е. зависит от напряжения U машины, то с уменьшением напряжения по указанным двум причинам уменьшается магнитный поток Ф и э. д. с. генератора Е, что приводит к дополнительному уменьшению напряжения. Максимальный ток Iкр, соответствующий точке а, называется критическим.

При коротком замыкании обмотки якоря ток Iк генератора с параллельным возбуждением мал (точка б), так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Поэтому ток короткого замыкания создается только э. д. с. от остаточного магнетизма и составляет (0,4…0,8) Iном.. Внешняя характеристика точкой а делится на две части: верхнюю — рабочую и нижнюю — нерабочую.

Обычно используется не вся рабочая часть, а только некоторый ее отрезок. Работа на участке аб внешней характеристики неустойчива, в этом случае машина переходит в режим, соответствующий точке б, т. е. в режим короткого замыкания.

Характеристику холостого хода генератора с параллельным возбуждением снимают при независимом возбуждении (когда ток в якоре Iя = 0), поэтому она ничем не отличается от соответствующей характеристики для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 2, а). Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и характеристика для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 2, в).

Генераторы с параллельным возбуждением применяют для питания электрических потребителей в пассажирских вагонах, автомобилях и самолетах, в качестве генераторов управления на электровозах, тепловозах и моторных вагонах и для заряда аккумуляторных батарей.

Генератор с последовательным возбуждением

У этого генератора (рис. 4, а) ток возбуждения Iв равен току нагрузки Iн = Iя и напряжение сильно изменяется при изменении тока нагрузки. При холостом ходе в генераторе индуцируется небольшая э. д. с. Еост, создаваемая потоком остаточного магнетизма (рис. 4, б).

С увеличением тока нагрузки Iи = Iв = Iя возрастают магнитный поток, э. д. с. и напряжение генератора, это возрастание, как и у других самовозбуждающихся машин (генератора с параллельным возбуждением), продолжается до известного предела, обусловленного магнитным насыщением машины.

При увеличении тока нагрузки свыше Iкр напряжение генератора начинает уменьшаться, так как магнитный поток возбуждения из-за насыщения почти перестает увеличиваться, а размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи обмотки якоря IяΣRя продолжают возрастать. Обычно ток Iкр значительно больше номинального тока. Генератор может работать устойчиво только на части аб внешней характеристики, т. е. при токах нагрузки, больших номинального.

Так как в генераторах с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе близко в нулю, они непригодны для питания большинства электрических потребителей. Используют их лишь при электрическом (реостатном) торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

Рис. 4. Принципиальная схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)

Генератор со смешанным возбуждением.

В этом генераторе (рис. 5, а) чаще всего параллельная обмотка возбуждения является основной, а последовательная — вспомогательной. Обе обмотки находятся на одних полюсах и соединены так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки складывались (при согласном включении) или вычитались (при встречном включении).

Генератор со смешанным возбуждением при согласном включении его обмоток возбуждения позволяет получить приблизительно постоянное напряжение при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 5, б) может быть в первом приближении представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой обмоткой возбуждения.

Рис. 5. Принципиальная схема генератора со смешанным возбуждением (а) и его внешние характеристики (б)

При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн напряжение U возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2).

Если подобрать число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔU_ПОСЛ компенсировало суммарное падение напряжения ΔU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, то можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2—3 %.

Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение U_HOM будет больше напряжения Uо при холостом ходе (кривая 4), такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении цепи якоря генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы создаваемый ею магнитный поток был направлен против потока параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет круто падающей (кривая 5).

Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах, работающих в условиях частых коротких замыканий. В таких генераторах при коротком замыкании последовательная обмотка почти полностью размагничивает машину и уменьшает ток к. з. до значения, безопасного для генератора.

Генераторы со встречно включенными обмотками возбуждения используют на некоторых тепловозах в качестве возбудителей тяговых генераторов, они обеспечивают постоянство мощности, отдаваемой генератором.

Такие возбудители применяют также на электровозах постоянного тока. Они питают обмотки возбуждения тяговых двигателей, которые при рекуперативном торможении работают в генераторном режиме, и обеспечивают получение круто падающих внешних характеристик.

Генератор смешанного возбуждения является типичным примером регулирования по возмущающему воздействию.

Генераторы постоянного тока часто включаются параллельно для работы на общую сеть. Необходимым условием параллельной работы генераторов с распределением нагрузки пропорционально номинальной мощности является идентичность их внешних характеристик. В случае применения генераторов смешанного возбуждения их последовательные обмотки для выравнивании токов приходится соединять в общий блок посредством уравнительного провода.

Все турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и двигатели, изготавливаемые в настоящее время, оснащаются современными полупроводниковыми системами возбуждения – рис.5.2 – 5.7. В этих системах используется принцип выпрямления трехфазного переменного тока повышенной или промышленной частоты возбудителей или напряжения возбуждаемой машины.

Электромашинные системы возбуждения (рис.5.1), выпускавшиеся заводами более 30 лет назад и находящиеся до сих пор в эксплуатации, могут быть заменены на современные полупроводниковые статические системы с любым набором заданных функций.

Системы возбуждения обеспечивают следующие режимы работы синхронных машин:

1. начальное возбуждение;
2. холостой ход;
3. включение в сеть методом точной синхронизации или самосинхронизации;
4. работу в энергосистеме с допустимыми нагрузками и перегрузками;
5. форсировку возбуждения по напряжению и по току с заданной кратностью;
6. разгрузку по реактивной мощности и развозбуждение при нарушениях в энергосистемах;
7. гашение поля генератора в аварийных режимах и при нормальной остановке;
8. электрическое торможение агрегата.

Рис.5.1. Система независимого возбуждения с возбудителем постоянного тока.
КК – контактные кольца, Rсс и КСС – сопротивление и контактор самосинхронизации, РВ – резервный возбудитель, АГП – автомат гашения поля, АГПВ – автомат гашения поля возбудителя, Rр – регулировочный реостат, Rд и Rгасв – резисторы добавочный и гасительный в цепи ОВВ, ДОВВ – добавочная обмотка возбуждения возбудителя.

Для оснащения турбо- и гидрогенераторов выпускается три типа систем возбуждения:
• системы тиристорные независимые (СТН) – рис.5.2;
• системы тиристорные самовозбуждения (СТС) – рис.5.3;
• системы бесщеточные диодные (СБД) – рис.5.4

Системы тиристорного независимого возбуждения (СТН)

Системы тиристорные независимые (СТН) предназначены для питания обмотки возбуждения крупных турбо- и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током, применяемые при выработке электроэнергии на ГЭС и других генерирующих станциях – рис.5.2.

В отличие от систем самовозбуждения (СТС), в СТН тиристорные выпрямители главного генератора получают питание от независимого источника напряжения переменного тока промышленной частоты – от вспомогательного синхронного генератора, вращающемся на одном валу с главным генератором.

Рис.5.2. Система тиристорная независимая (СТН) с возбудителем переменного тока и двумя группами тиристоров, в сочетании со схемой резервного возбуждения от двухмашинного агрегата асинхронный двигатель-возбудитель постоянного тока. В – возбудитель (вспомогательный генератор) переменного тока, ОВВ обмотка возбуждения возбудителя, ВРГ, ВФГ – тиристорные вентили рабочей и форсировочной групп, ВВВ – тиристорные вентили выпрямителя возбудителя, СУВРГ, СУВФГ, СУВВВ – системы управления вентилями соответствующих групп, ВТВ – выпрямительный трансформатор возбудителя, ТСНВ – трансформатор СН тиристорных выпрямителей.

Вспомогательный генератор переменного тока возбуждения построен по схеме самовозбуждения. СТН обладает важным преимуществом – её параметры не зависят от процессов, протекающих в энергосистеме.

Благодаря наличию вспомогательного генератора, сохраняется независимость возбуждения от длительности и удаленности КЗ и других возмущений в энергосистеме, и высокая скорость нарастания напряжения возбуждения: не более 25 мс до достижения максимального значения при уменьшении напряжения прямой последовательности в точке регулирования на 5%.

В системе СТН обеспечивается быстрое снятие возбуждения за счет изменения полярности напряжения возбуждения: время развозбуждения от максимального положительного до отрицательного минимального напряжения возбуждения не превышает 100 мс.

Рис.5.3. Система тиристорного самовозбуждения (СТС) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и двумя группами тиристоров. ТСНР, ТСНФ – трансформаторы СН тиристорных выпрямителей рабочей и форсировочной групп.

В системе СТН выпрямленное номинальное напряжение может составлять 700 В, а выпрямленный номинальный ток – до 5500А. Кратности форсировки по напряжению и току составляют не менее двух единиц, а длительность форсировки – от 20 до 50 с. Точность поддержания напряжения генератора – не хуже ±0,5% и до ±1%. Система охлаждения тиристорного выпрямителя в системах СТН и СТС может быть принудительно воздушной, естественной воздушной или водяной.

Система тиристорного самовозбуждения (СТС)

Система тиристорного самовозбуждения (СТС) предназначена для питания обмоток возбуждения турбо и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током – рис.5.3.
Питание тиристорного выпрямителя осуществляется через трансформатор, подключенный к генераторному токопроводу. Для запуска генератора предусмотрена цепь начального возбуждения, которая автоматически формирует кратковременный импульс напряжения на обмотке ротора до появления ЭДС обмотки статора генератора. Импульс напряжения достаточен для поддержания устойчивой работы тиристорного преобразователя в цепи самовозбуждения. Питание цепей начального возбуждения осуществляется как от источника переменного тока, так и от станционной аккумуляторной батареи.

В системе СТС выпрямленное номинальное напряжение составляет до 500 В, а выпрямленный номинальный ток – не более 4000 А, т.е. эти значения несколько ниже, чем в системах СТН.

Благодаря высокому быстродействию управляемого выпрямителя и предельным уровням напряжения и тока возбуждения в сочетании с эффективными законами управления система СТС обеспечивает высокое качество регулирования и большие запасоустойчивости энергосистем. По этим показателям система СТС соответствует значениям системы СТН.

В системе СТН интенсивное гашение поля генераторов в нормальных условиях эксплуатации достигается за счет перевода тиристорного преобразователя в инверторный режим изменением полярности напряжения возбуждения – время развозбуждения не превышает 100 мс.

Экстренное снятие возбуждения в аварийных режимах обеспечивается автоматом гашения поля – электрическим аппаратом специальной конструкции, который при срабатывании производит оптимальное гашение поля генератора (АГП).

Рис.5.4. Система бесщеточная диодная (СБД) независимого возбуждения: а – с подвозбудителем (ПВ), б – без подвозбудителя, с питанием обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ) от выпрямительного трансформатора (ВТ). ДВ – вращающиеся диодные вентили.

Действие АГП заключается в уменьшении времени гашения поля при соблюдении предельно допустимой по условиям электрической прочности изоляции величины напряжения на обмотке возбуждения. Защита ротора от перенапряжений выполняется на основе быстродействующих тиристорных разрядников.

Учитывая высокую надежность тиристорных выпрямителей и улучшение их параметров по токам и напряжениям, в схемах возбуждения могут применяться вместо двух групп вентилей (ВРГ, ВФГ) одну группу с необходимой кратностью форсировки – рис.5.5.

Система тиристорного самовозбуждения резервная (СТСР)

В схемах рис.5.1, 5.2, 5.3 благодаря наличию контактных колец на роторе можно использовать систему резервного возбуждения. В прежних системах использовался двухмашинный агрегат из асинхронного двигателя, соединенного с генератором постоянного тока. Асинхронный двигатель получал питание от шин собственных нужд и был общим для нескольких генераторов.

В современной системе тиристорного самовозбуждения резервной (СТСР) использован принцип тиристорного выпрямления от разделительного трансформатора, также присоединенного к системе собственных нужд станции.

Назначение этих систем – питание обмотки ротора синхронной машины в случаях, когда основная система вследствие неисправности или технического обслуживания выведена из работы. На электростанциях устанавливают одну резервную систему на группу генераторов. На многих станциях продолжают использовать двухмашинные агрегаты, питаемые от шин собственных нужд. Более совершенной является статическая система СТСР, представляющая собой мощный регулируемый источник постоянного тока. Система оснащена всеми необходимыми средствами защиты, управления и коммутации.

Системы бесщеточные диодные (СБД)

Системы бесщеточные диодные (СБД) предназначены для питания обмотки возбуждения турбогенераторов выпрямленным регулируемым током – рис.5.4а,б.
Бесщеточный возбудитель представляет собой синхронный генератор обращенного исполнения, якорь которого с обмоткой переменного тока и диодным выпрямителем жестко соединен с ротором возбужденного турбогенератора. Обмотка возбуждения возбудителя расположена на его статоре.

Главное достоинство бесщеточных возбудителей состоит в отсутствии контактных колец и щеточного контакта в цепи обмотки ротора турбогенератора и в сокращении длины машины.

Это позволяет обеспечить возбуждение сверхмощных машин, токи возбуждения которых превышают 5500А, свойственных системе СТН – рис.5.2. Выпрямленное номинальное напряжение составляет до 600В, а выпрямленный номинальный ток до 7800А. Система охлаждения вращающегося диодного выпрямителя – естественная воздушная.

Регулирование возбуждения генератора осуществляется путем управления током обмотки возбуждения обращенного возбудителя. Типовой комплект системы включает в себя автомат гашения поля, тиристорный разрядник и два преобразовательно-регулирующих канала (AVR-1, AVR-2) автоматических регуляторов возбуждения основного и резервного каналов соответственно. Один из каналов (AVR-1) находится в активном режиме, другой (AVR-2) – в горячем резерве. В частном случае основной канал регулирования получает питание от выпрямительного трансформатора, подключенного к генераторному токопроводу, а резервный – через выпрямительный трансформатор от шин собственных нужд электростанции.

Рис.5.5. Система бесщеточная диодная (СБД) с тиристорным возбуждением (ТВ-1, ТВ-2) обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ). СГ – синхронный генератор; ОВГ – обмотка возбуждения генератора; ДСВ – диодный синхронный возбудитель; ДВ – вращающийся диодный выпрямитель; В – обращенный синхронный возбудитель и его обмотка возбуждения ОВВ; ТВ-1, ТВ-2 – тиристорные выпрямители первого и второго канала для питания ОВВ; ВТ-1, ВТ-2 – выпрямительные трансформаторы первого и второго каналов; АРВ-1, АРВ-2 – автоматические регуляторы возбуждения первого и второго каналов; Р1, Р2, Р3, Р4 – разъединители; ТТ1, ТТ2, ТН1, ТН2 – измерительные трансформаторы тока и напряжения первого и второго каналов; ТА11, ТА12 – датчики тока возбуждения возбудителя; АГП – автомат гашения поля; ТР – тиристорный разрядник.

Рис.5.6. Система бесщеточная диодная (СБД) возбуждения дизель-генератора. СГ – синхронный дизель-генератор; ОВГ – обмотка возбуждения; ДВ – диодный выпрямитель; Т – тиристор; АРВ – автоматический регулятор возбуждения; ИТТ, ИТН – измерительные трансформаторы тока и напряжения; ТСТ с МШ – трехобмоточный суммирующий трансформатор с магнитным шунтом.

Бесщеточная диодная система возбуждения (СБД) обладает меньшим быстродействием по сравнению с тиристорными системами (СТС и СТН). Так, время нарастания напряжения возбуждения до максимального значения при уменьшении напряжения прямой последовательности в точке регулирования на 5% от номинального составляет величину не более 50мс, тогда как в тиристорных системах – не более 25 мс.

В схеме на рис.5.4а питание обмотки возбуждения диодного возбудителя осуществляется от магнитоэлектрического подвозбудителя с постоянными магнитами, а в схеме на рис.5.4б – от выпрямительного трансформатора, подключенного у генераторному токопроводу возбужденной машины. В обоих случаях для питания обмотки возбуждения (ОВВ) обращенного возбудителя (В) используется тиристорный выпрямитель, управляемый системой АРВ.

Рис.5.7. Система бесщеточная диодная (СБД) возбуждения дизель-генератора. СГ – синхронный генератор; ОВГ – обмотка возбуждения генератора; ДСВ – диодный синхронный возбудитель; ДВ – вращающийся диодный выпрямитель; В – обращенный синхронный возбудитель; ОВВ – обмотка возбуждения возбудителя; ПВ – магнитоэлектрический подвозбудитель с постоянными магнитами; АРВ – автоматический регулятор возбуждения; ТВ – тиристорный выпрямитель для питания ОВВ.

Как один из современных вариантов схемы рис.5.4б с выпрямительным трансформатором (ВТ) на рис.5.5 представлена бесщеточная диодная система (СБД) с тиристорным питанием по двум каналам (от сети СН через ВТ-2 и от токопровода генератора через ВТ-1) обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ).

Системы возбуждения для дизель-генераторов

АО «Электросила” является производителем дизель-генераторов мощностью от 200 до 6300 кВт с широким спектром напряжений и частот вращения. Для дизель-генераторов изготавливаются два типа систем возбуждения: паундированием, реализованная на базе трехобмоточного суммирующего трансформатора с магнитным шунтом и управляемого тиристорно-диодного преобразователя представлена на рис.5.6. Силовая часть выполнена в виде блока с принудительным охлаждением и размещена на корпусе генератора. Малогабаритный регулятор напряжения устанавливается в щите управления энергоблоком.

Система бесщеточная с диодным синхронным возбудителем (СБД), магнитоэлектрическим подвозбудителем с постоянными магнитами и статическим тиристорным регулятором возбуждения представлена на рис.5.7.

Вращающаяся часть оборудования системы (дизель-генератор, диодный синхронный возбудитель и магнитоэлектрический подвозбудитель) за счетсовмещения конструкции изготавливается в виде компактного блока, установленного на валу генератора.

Регулятор возбуждения размещен в отдельном шкафу. Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов. Системы возбуждения дизель-генераторов характеризуются полной автономностью – начальное возбуждение обеспечивается исключительно за счет внутренних источников.

Автоматы гашения поля (АГП)

Автоматы гашения поля предназначены для коммутации цепей обмоток возбуждения турбо- и гидрогенераторов, имеющих контактные кольца на роторе, а также для гашения поля этих машин.

Оптимальные условия для интенсивного снижения тока ротора до нулевого значения обеспечиваются при разряде обмотки возбуждения на нелинейный резистор, сопротивление которого изменяется обратно пропорционально величине тока.

Благодаря специальной конструкции кольцевой дугогасительной решетки автомата гашения поля, горящая в ней дуга обладает вольтамперной характеристикой нелинейного резистора, обеспечивающей минимальное время гашения поля и безопасный уровень напряжения на кольцах ротора. Основные характеристики АГП производства АО «Электросила” представлены в табл.5.2.

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(U_f,пот — U_f,ном) / U_f,номt₁ (рис.1), и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения U_f,пот / U_f,ном = k_ф — так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь k_ф≥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 (k_ф=3-4, скорость нарастания возбуждения до 10U_f,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).

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 k_ф=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 k_ф>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.