Коротков В.Ф. Автоматическое управление напряжением и реактивной мощностью синхронных генераторов и электрических станций: учеб. пособие

Подождите немного. Документ загружается.

101

.constUU

устио

При этом

ск

зск

нуст

RIURIUU

−=−=

(3.3)

где

– заданное напряжение СГ.

Из (3.3) следует, что при увеличении тока нагрузки СГ напряже-

ние на его выводах снижается, что соответствует положительному ста-

тизму (рис.3.14,а).

Рис.3.14. Статическая (внешняя) характеристика СГ, снабженного УК и кор-

ректором напряжения с устройством токовой стабилизации (а) и токовой ком-

пенсации (б)

Коэффициент статизма, характеризующий наклон статической

характеристики, определяется значением сопротивления резистора R

cк

Если изменить полярность подключения цепей тока к резистору

cк

, то напряжение на входе измерительного органа корректора будет

равно

устск

тн

ио

U =−=

т.е.

зск

нуст

IUR

IкUU +=−=

(3.4)

что соответствует отрицательному статизму, т.к. с увеличением тока

нагрузки генератора напряжение на его выводах будет увеличиваться

(рис.3.14,б).

Устройство искусственного получения отрицательного статизма

в электроэнергетике принято называть устройством токовой компен-

сации [22].

102

Учитывая, что регулирование напряжения неразрывно связано с

регулированием реактивной мощности, желательно, чтобы статизм

регулирования напряжения определялся не полным током статора СГ,

а его реактивной составляющей. Это можно обеспечить соответст-

вующим выбором фаз напряжения и тока, подводимых к измеритель-

ному органу корректора.

Например, если к измерительному органу подвести напряжение

и ток

трехфазного СГ (рис.3.15,а), то абсолютное значение на-

пряжения

ио

будет в основном зависеть не от полного тока

, а толь-

ко от его реактивной составляющей

ар

(рис.3.15,б). Это означает, что

статическая характеристика СГ будет соответствовать рис.3.14,а, если

по оси абсцисс откладывать не полный ток I, а его реактивную состав-

ляющую

Аналогичное имеет место и для случая отрицательного

статизма (рис.3.14,б).

Рис.3.15. Схема включения устройства искусственного статизма по реактив-

ному току статора СГ (а) и векторная диаграмма напряжений и токов (б)

Если с помощью УАТ изменить заданное значение напряжения

СГ

то статическая характеристика СГ (рис.3.14) сместится парал-

лельно самой себе вверх или вниз в зависимости от знака изменения

задания.

Для повышения устойчивости процесса регулирования, умень-

шения длительности переходных процессов и эффективного их демп-

фирования в корректоре напряжения используется гибкая отрицатель-

ная обратная связь (ГОС) по напряжению возбуждения (рис.3.7).

Устройство ГОС в электромагнитном корректоре осуществляется

с помощью трансформатора стабилизации [32], имеющего передаточ-

ную функцию реального дифференцирующего звена.

На первичную обмотку трансформатора стабилизации через по-

следовательно включенный резистор подается напряжение с выводов

103

возбудителя, а вторичная обмотка подключается к специальной обмот-

ке ГОС магнитного усилителя (рис.3.10,а).

В нормальном установившемся режиме постоянное напряжение

возбуждения не трансформируется во вторичную обмотку трансфор-

матора и обратная связь не проявляется.

В переходных режимах напряжение возбуждения СГ меняется во

времени, что вызывает появление тока во вторичной обмотке транс-

форматора стабилизации и, следовательно, в обмотке ГОС магнитного

усилителя, оказывая благоприятное влияние на устойчивость и качест-

во регулирования напряжения СГ.

На ряде электрических станций, генераторы которых имеют

электромашинное возбуждение, в эксплуатации находится электро-

магнитная панель автоматики ЭПА-305, в настоящее время снятая с

производства. Эта панель включает в себя УК, электромагнитный кор-

ректор напряжения и УРФ, рассматриваемое в 3.6.

3.4. Фазовое компаундирование

Устройство фазового компаундирования (УФК) как автоматиче-

ский регулятор возбуждения обеспечивает регулирование напряжения

синхронного генератора по двум возмущающим воздействиям: току

нагрузки и его фазе относительно напряжения. В отличие от компаун-

дирования полным током, при фазовом компаундировании обеспечи-

вается более высокая точность регулирования напряжения СГ при из-

менении коэффициента мощности нагрузки (cos

Фазовое компаундирование, как и компаундирование полным то-

ком, используется на СГ с электромашинным возбудителем.

Принципиальная схема УФК приведена на рис.3.16.

Основным элементом УФК является суммирующий трансформа-

тор TL, имеющий две первичные обмотки (W

и W

) и одну вторичную

). Одна из первичных обмоток TL подключена к трансформатору

тока СГ, а другая – через вспомогательное устройство ВУ к трансфор-

матору напряжения.

Если пренебречь током намагничивания TL, то, по закону полно-

го тока, имеет место равенство

ннтт

WWW

III

&&&

(3.5)

где W

, W

– число витков соответствующих обмоток TL

(рис.3.17);

, I

– токи в этих обмотках.

104

Рис.3.16. Принципиальная схема устройства фазового компаундирования: G –

статор СГ; LG – обмотка ротора (возбуждения) СГ; GЕ – якорь электрома-

шинного возбудителя; LЕ – обмотка самовозбуждения возбудителя; R

– шун-

товой реостат в цепи самовозбуждения возбудителя; ДП – диодный преобразо-

ватель (выпрямитель); TL – суммирующий трансформатор; ТV – измеритель-

ный трансформатор напряжения; ТА – измерительный трансформатор тока;

ВУ – вспомогательное устройство

Из (3.5) получим

III

&&&

(3.6)

Ток выхода УФК определяется абсолютным (выпрямленным)

значением тока

который, в свою очередь, определяется геометри-

ческой суммой двух приведенных к вторичной обмотке TL токов:

фк

IIII

&&&&

+==

(3.7)

Один из токов пропорционален току статора СГ, как при компа-

ундировании полным током, а второй пропорционален напряжению.

За счет геометрического суммирования значение тока

фк

зависит от

сдвига фаз между токами

и, следовательно, от фазы

тока

относительно напряжения

Итак, ток на выходе УФК определяется значением тока статора

СГ, как при компаундировании полным током, и его фазой относи-

тельно напряжения.

Выясним, какой должна быть зависимость тока

фк

от угла

чтобы УФК поддерживало постоянное напряжение на выводах СГ.

Для этого рассмотрим три векторные диаграммы СГ (рис.3.17), по-

строенные при

U = const, I = const

и трех значениях угла

/2;

0; +

/2), а также соответствующие им векторные диаграммы намагни-

105

чивающих сил обмоток суммирующего трансформатора TL в предпо-

ложении, что при

= 0 намагничивающие силы первичных обмоток

складываются под углом

= -

/2, т.е.

/2.

Рис.3.17. Векторные диаграммы токов и напряжений СГ (а) и намагничиваю-

щих сил суммирующего трансформатора (б)

Анализ векторных диаграмм токов и напряжений СГ (рис.3.17,а)

показывает, что для обеспечения

U = const

при одном и том же зна-

чении тока I при

/2 требуется наибольшая ЭДС, а при

= -

/2 –

наименьшая. Следовательно, примерно так же при изменении угла

должен изменяться ток

фк

, определяемый током

(или намагничи-

вающей силой

) на выходе суммирующего трансформатора.

Аналогично, из анализа векторных диаграмм намагничивающих

сил (рис.3.17,б) следует, что если при чисто активной нагрузке СГ

(

=0) обеспечить сложение намагничивающих сил первичных обмо-

ток TL под углом

= -

/2, то при изменении угла

изменение тока

будет соответствовать требуемому изменению ЭДС

. При этом так

называемая фазовая характеристика УФК будет иметь вид, показанный

на рис.3.18.

Угол

, изменяющийся при изменении угла

, зависит от сле-

дующих факторов:

- схемы соединений вторичных обмоток измерительных транс-

форматоров тока СГ, установленных в разных фазах;

- группы соединений обмоток трансформатора напряжения СГ;

106

- угла сопротивления цепи обмотки напряжения (W

) суммирую-

щего трансформатора, определяющего фазу тока

относительно на-

пряжения

;

- выбора зажимов (а, b, c) вторичной обмотки трансформатора

напряжения СГ, к которым подключается цепь обмотки напряжения

суммирующего трансформатора.

Рис.3.18. Фазовая характеристика УФК

Для устройств фазового компаундирования обычно используется

одна из следующих схем соединений вторичных обмоток трансформа-

торов тока:

- на разность токов двух фаз (неполный треугольник);

- на сумму – разность токов трех фаз.

Например, при использовании трансформаторов тока, установ-

ленных в фазах A и C генератора, ток

в обмотке тока суммирующе-

го трансформатора определяется выражением

),(

СА

III

&&&

−=

где

, I

– первичные токи фаз А и С;

– коэффициент трансформации трансформаторов тока.

При этом ток

отстает от тока фазы А на угол 30°.

При использовании трансформаторов тока, установленных в трех

фазах СГ, можно использовать соединение вторичных обмоток, при

котором

).(

III

&&&&

−+=

В этом случае ток

отстает от тока фазы А на 60°.

Обмотки трансформатора напряжения СГ, к которому подключа-

ется УФК, обычно соединяют по схеме ∆/Υ−11, при которой вторичное

напряжение опережает одноименное первичное на 30°.

107

Сопротивление цепи обмотки напряжения суммирующего транс-

форматора имеет преимущественно индуктивный характер, и значение

угла этого сопротивления (обычно около 60°) дается в паспорте регу-

лятора.

С учетом рассмотренных фазовых углов для правильной работы

УФК выбирают такое подключение цепи обмотки трансформатора к

выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения, чтобы при

= 0 выполнялось условие

≈ -

/2, где

– угол между намагничи-

вающими силами обмоток тока W

и напряжения W

суммирующего

трансформатора (рис.3.17,б).

Особенностью суммирующего трансформатора является то, что

две первичные обмотки, находящиеся на общем магнитном сердечни-

ке, питаются от источников с разной величиной внутренних сопротив-

лений.

Обмотка тока W

питается от трансформаторов тока, внутреннее

сопротивление которых (со стороны вторичных зажимов) стремится к

бесконечности, а обмотка напряжения W

– от трансформатора напря-

жения с внутренним сопротивлением, близким к нулю. Поэтому цепь

обмотки W

как бы шунтирует обмотку W

т,

и ток

частично транс-

формируется не в обмотку W

, что требуется для цели компаундирова-

ния, а в обмотку W

. Для ослабления этого явления сопротивление це-

пи обмотки напряжения искусственно увеличивается включением бал-

ластного сопротивления в виде дросселя.

Цепь обмотки напряжения, имеющая преимущественно индук-

тивный характер сопротивления, потребляет от трансформатора на-

пряжения СГ в основном реактивную мощность. Для разгрузки транс-

форматора напряжения от указанной реактивной мощности парал-

лельно обмотке W

с дросселем включается конденсатор.

В реальных конструкциях УФК для создания требуемого значе-

ния тока

(рис.3.16) приходится повышать напряжение на входе цепи

обмотки напряжения суммирующего трансформатора. Это осуществ-

ляется обычно с помощью повышающего автотрансформатора.

Перечисленные элементы (дроссель, конденсатор и повышающий

автотрансформатор) образуют вспомогательное устройство ВУ

(рис.3.16). Схема устройства ВУ и соответствующая ему векторная

диаграмма токов и напряжения приведена на рис.3.19.

108

Рис.3.19. Принципиальная схема (а) и векторная диаграмма (б) вспомогатель-

ного устройства в цепи напряжения суммирующего трансформатора УФК

(рис.3.17): LR – дроссель; С – конденсатор; АТ – повышающий автотрансфор-

матор

Если емкость конденсатора С подобрать таким образом, чтобы

ток в его цепи

был равен по величине реактивной составляющей

нр

тока

то трансформатор напряжения СГ будет нагружен только ак-

тивной составляющей

на

тока

3.5. Управляемое фазовое компаундирование

При фазовом компаундировании ошибка регулирования напря-

жения СГ меньше, чем при компаундировании полным током. Однако

необходимость в корректоре напряжения, как правило, сохраняется, но

от него требуется меньшая мощность, чем при компаундировании

полным током.

Устройство фазового компаундирования, снабженное корректо-

ром напряжения, принято называть устройством управляемого фазо-

вого компаундирования (УУФК). Такое название обусловлено тем, что

в УУФК выход корректора напряжения подключается не к обмотке

независимого возбуждения электромашинного возбудителя, как при

компаундировании полным током, а к специальной обмотке управле-

ния суммирующего трансформатора. Поэтому корректор как бы

управляет током выхода устройства фазового компаундирования в

функции напряжения СГ.

Упрощенная принципиальная схема УУФК дана на рис.3.20.

109

Рис.3.20. Упрощенная принципиальная схема устройства управляемого фазо-

вого компаундирования: G – статор СГ; LG – обмотка ротора (возбуждения)

СГ; GЕ – якорь возбудителя; LЕ – обмотка возбуждения возбудителя; R

–

шунтовой реостат; УТП – универсальный трансформатор с подмагничиванием;

ДП – диодный преобразователь (выпрямитель); TL – суммирующий трансфор-

матор; ВУ – вспомогательное устройство; КН – корректор напряжения; ТV,

ТА – трансформаторы тока и напряжения

Суммирующий трансформатор, снабженный обмоткой управле-

ния постоянного тока, принято называть универсальным трансформа-

тором с подмагничиванием (УТП).

При подмагничивании сердечника УТП постоянным током (через

обмотку управления W

) уменьшается сопротивление намагничивания,

что вызывает увеличение тока намагничивания и, следовательно,

уменьшение тока вторичной обмотки

которым определяется ток на

выходе устройства

уфк

Качественная зависимость сопротивления намагничивания

нам

тока намагничивания

нам

УТП от тока управления

показана на

рис.3.21.

Рис.3.21. Зависимость сопротивления намагничивания (Z

нам

) и тока намагни-

чивания (I

нам

) УТП от тока управления

110

С учетом (3.7), при наличии тока управления УТП ток выхода

УУФК определяется выражением

2 нам

туфк

IIIII

&&&&

−+==

(3.8)

где

нам

– приведенный к вторичной обмотке ток намагничивания

УТП.

Из (3.8) следует, что ток намагничивания и, следовательно, ток

управления УТП должны увеличиваться с увеличением напряжения

СГ, чтобы при этом уменьшался ток

уфк

Такую зависимость обеспе-

чивает противовключенный корректор напряжения. Таким образом, в

УУФК должен использоваться противовключенный корректор напря-

жения, обеспечивающий на своем выходе выпрямленный ток

, уве-

личивающийся при увеличении напряжения СГ и уменьшающийся при

уменьшении напряжения (см. рис.3.12,в).

Проходные характеристики УУФК при различных значениях то-

ка I и коэффициента мощности cos

нагрузки показаны на рис.3.22,б.

Рис.3.22. Проходные характеристики противовключенного корректора на-

пряжения (а) и УУФК (б): 1 – I

= 0; 2 – I

> 0, cos

= cos

; 3 – I

= I

cos

< cos

; 4 – I

> I

cos

= cos

; 5 – I

= I

cos

< cos