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

Подождите немного. Документ загружается.

пряжения переменного тока в системе собственных нужд гидроэлек-

тростанции.

Средства автоматического регулирования возбуждения должны

обеспечивать:

- начальное возбуждение;

- дистанционное изменение уставки АРВ;

- заданную точность (дрейф) поддержания напряжения на выво-

дах генератора или на шинах высшего напряжения станции;

- заданный статизм поддержания напряжения по полному току

статора или его составляющим;

- изменение коэффициентов режимных параметров АРВ при его

настройке;

- ограничение тока ротора до 1,1 тока возбуждения холостого хо-

да при работе генератора на холостом ходу;

- ограничение тока ротора до двойного номинального значения

без выдержки времени, а также ограничение тока ротора в соответст-

вии с требованиями, относящимися к случаям выхода из строя фаз или

параллельных ветвей полупроводниковых преобразователей систем

возбуждения (см. ранее);

- ограничение перегрузки ротора. Для СГ с непосредственным

охлаждением обмотки возбуждения, кроме турбогенераторов мощно-

стью менее 60 МВт, а также для машин, устанавливаемых на автома-

тизированных станциях и подстанциях без постоянного дежурного

персонала, ограничение перегрузки должно быть основано на инте-

гральном принципе (интегрирование по времени квадрата тока возбу-

ждения), обеспечивающем использование полной перегрузочной спо-

собности синхронных машин;

- ограничение минимального возбуждения с уставкой, зависящей

от активной мощности, для генераторов мощностью выше 60 МВт, а

для генераторов меньшей мощности – по заказу потребителя. Переход

в режим ограничений и обратно следует сигнализировать.

Аппаратура автоматического регулирования возбуждения должна

иметь устройства, обеспечивающие работу в общестанционной систе-

ме группового регулирования напряжения (группового управления

возбуждением). Устройство дистанционного изменения уставки АРВ

должно быть рассчитано на работу в режиме командных воздействий

от систем регулирования верхних уровней частотой от 6 до 20 команд

в 1 мин.

Система автоматического регулирования должна также реализо-

вать следующие функции:

- подгонку уставки напряжения при автоматической синхрониза-

ции и самосинхронизации СГ с сетью;

- поддержание постоянного значения тока возбуждения в режиме

выбега генератора (для атомных электростанций) по требованию по-

требителя;

- автоматическое слежение уставки ручного управления или ре-

гулятора, находящегося в резерве, за уставкой работающего АРВ.

2.3. Классификация систем возбуждения

В основу классификации систем возбуждения, как уже указыва-

лось ранее, обычно берется вид источника энергии возбуждения (воз-

будителя). В соответствии с этим различают следующие системы:

- независимого возбуждения;

- самовозбуждения;

- комбинированные.

Системой независимого возбуждения СГ называется система, в

которой возбудитель получает энергию от источника, не связанного с

напряжением или током статора возбуждаемого СГ или сети, на кото-

рую он работает [18].

В системах независимого возбуждения в качестве возбудителя

используется вспомогательный генератор постоянного или переменно-

го тока (промышленной или повышенной частоты), обычно находя-

щийся на одном валу с возбуждаемым генератором. Основным досто-

инством этих систем является полная автономность, заключающаяся в

том, что они в состоянии обеспечить требуемые ток и напряжение воз-

буждения независимо от условий работы и режима СГ или электриче-

ской сети.

В системах самовозбуждения источником энергии возбуждения

является сам возбуждаемый генератор или сеть, на которую он работа-

ет. С выводов СГ через специальные преобразовательные трансформа-

торы и полупроводниковые преобразователи отбирается часть энер-

гии, идущей на возбуждение. В этих системах отсутствуют вращаю-

щиеся машины, что является несомненным достоинством.

Недостаток систем самовозбуждения – зависимость тока и на-

пряжения возбуждения от условий и режима работы СГ.

В комбинированных системах энергия на возбуждение частично

берется от вспомогательного генератора и частично – с выводов воз-

буждаемого СГ или от сети, на которую он работает.

Более подробная классификация известных систем возбуждения

синхронных машин (СМ) приведена на рис. 2.2.

Рис.2.2. Классификация систем возбуждения синхронных машин

Среди систем независимого возбуждения примерно до середины

50-х гг. прошлого века наиболее распространенными были электрома-

шинные системы с генератором постоянного тока в качестве возбуди-

теля (далее будем условно называть эти системы просто электрома-

шинными). Они достаточно распространены в настоящее время, но

главным образом только на электрических станциях с генераторами

малой и средней мощности с косвенным охлаждением обмоток и вве-

денных в эксплуатацию примерно до конца 60-х – начала 70-х гг. про-

шлого века.

Электромашинные системы делятся на одномашинные и двух-

машинные. В одномашинных системах возбуждение возбудителя (ге-

нератора постоянного тока) осуществляется по схеме параллельного

самовозбуждения. В двухмашинных системах используется независи-

мое возбуждение возбудителя от дополнительного генератора посто-

янного тока – подвозбудителя, устанавливаемого на общем валу с воз-

будителем и возбуждаемым СГ.

Оставшиеся до настоящего времени в эксплуатации двухмашин-

ные системы используются главным образом на гидрогенераторах, а

одномашинные – на турбогенераторах.

Электромашинные системы являются медленнодействующими в

силу значительной электромагнитной инерционности, обусловленной

индуктивностью обмоток возбуждения возбудителя. Кроме того, по

причине насыщения магнитной системы возбудителя ограничена воз-

можность получения высоких значений потолочного напряжения воз-

буждения при форсировке. Наличие коллектора, механическую проч-

ность которого трудно обеспечить высокой, снижает надежность сис-

темы возбуждения и ограничивает область ее возможного использова-

ния. Предельная технически целесообразная мощность электромашин-

ного возбудителя постоянного тока не превышает 350 – 450 кВт [20].

Необходимая мощность возбуждения современных СГ от 200 до

1000 МВт составляет от 800 до 4000 кВт. Поэтому для мощных СГ

потребовалась разработка новых систем возбуждения с генераторами

переменного тока в качестве возбудителя.

Среди систем независимого возбуждения, использующих в каче-

стве возбудителя генераторы переменного тока, различают высокочас-

тотные, бесщеточные и тиристорные системы.

В высокочастотных системах возбуждения в качестве возбудите-

ля используется вспомогательный генератор переменного тока повы-

шенной частоты (обычно 500 Гц) индукторного типа, находящийся на

общем валу с турбиной и возбуждаемым СГ. Для выпрямления пере-

менного тока используется диодный преобразователь.

Возбуждение возбудителя осуществляется либо по схеме само-

возбуждения (одномашинная система), либо от подвозбудителя (двух-

машинная система), в качестве которого обычно используется индук-

торная машина повышенной частоты (например, 400 Гц) с постоянны-

ми магнитами на роторе.

Двухмашинные системы, по сравнению с одномашинными, обла-

дают меньшей надежностью. Это определяется недостаточной меха-

нической прочностью подвозбудителя, который устанавливается на

общем валу консольно и поэтому вынужден работать в условиях по-

вышенных вибраций.

Высокочастотные системы, так же, как и электромашинные, яв-

ляются медленнодействующими. Однако по сравнению с электрома-

шинными системами быстродействие их оказывается выше. Это дос-

тигается за счет специального выполнения возбудителя, рассчитывае-

мого на получение потолочного напряжения при форсировке значи-

тельно больше требуемого двукратного номинального. Кроме того,

отсутствие коллектора и обмоток на вращающемся роторе обеспечива-

ет высокую надежность этих систем (особенно одномашинных) и ши-

рокую область использования.

Высокочастотные системы используются главным образом на

давно введенных в эксплуатацию турбогенераторах серии ТВВ.

С увеличением единичной мощности турбогенераторов и соот-

ветствующим увеличением значений тока возбуждения (например,

номинальный ток возбуждения СГ 1000 МВт достигает 8000 А) стало

затруднительно передавать постоянный ток от неподвижных элемен-

тов системы возбуждения к вращающемуся ротору СГ через контакт-

ные кольца и щетки. В связи с этим возникла необходимость в разра-

ботке так называемых бесщеточных систем возбуждения, не требую-

щих наличия скользящего контакта между электрическими цепями

возбудителя и обмоткой ротора СГ.

Разработка бесщеточных систем возбуждения в СССР началась

еще в конце 50-х гг. ХХ в. и в первую очередь для турбогенераторов

большой мощности [21].

Для бесщеточных систем возбуждения характерно использование

в качестве возбудителя вспомогательного генератора переменного то-

ка обращенного исполнения, обмотка переменного тока которого, на-

ходящаяся на роторе возбудителя, непосредственно соединена с вра-

щающимся преобразователем (выпрямителем), выход которого соеди-

нен с вращающейся обмоткой ротора СГ. В настоящее время наиболее

распространены диодные бесщеточные системы возбуждения, у кото-

рых вращающийся преобразователь является неуправляемым. Измене-

ние тока возбуждения СГ в таких системах осуществляется путем из-

менения тока возбуждения возбудителя, что обусловливает инерцион-

ность этих систем. Для повышения их быстродействия в цепь обмотки

возбуждения возбудителя обычно включается балластный резистор,

что уменьшает постоянную времени цепи обмотки возбуждения.

В диодных бесщеточных системах замедленным также является

процесс гашения поля СГ, т.к. осуществляется путем гашения поля

возбудителя.

Бесщеточные системы с вращающимся тиристорным преобразо-

вателем являются быстродействующими, т.к. позволяют непосредст-

венно изменять ток возбуждения СГ путем изменения угла открытия

тиристоров преобразователя в цепи обмотки ротора. Кроме того, в

этих системах процесс гашения поля СГ может осуществляться путем

перевода тиристорного преобразователя в инверторный режим, что

ускоряет процесс гашения.

Как уже указывалось, первоначально бесщеточные системы раз-

рабатывались для СГ большой мощности. Однако положительный

опыт их эксплуатации позволил существенно расширить область их

использования вплоть до синхронных машин так называемой малой

энергетики (мощностью несколько сотен киловатт), а также синхрон-

ных компенсаторов.

В тиристорных системах независимого возбуждения возбудите-

лем является вспомогательный СГ, располагаемый на общем валу с

основным СГ. Выпрямление переменного тока вспомогательного гене-

ратора осуществляется с помощью тиристорного преобразователя. Из-

менение тока возбуждения СГ осуществляется путем изменения угла

открытия тиристоров (через специальную систему управления), т.е., по

существу, непосредственно. Поэтому тиристорные системы возбужде-

ния являются наиболее быстродействующими.

Перевод тиристоров в инверторный режим позволяет осущест-

вить процесс гашения поля СГ.

Тиристорные системы возбуждения пришли на смену так назы-

ваемым ионным системам [21], в которых в качестве преобразователей

использовались ионные (ртутные) выпрямители. Ионные системы

обычно выполнялись двухгрупповыми. Одна группа выпрямителей,

рассчитанная на напряжение нормального режима СГ, являлась рабо-

чей, а вторая группа, рассчитанная на удвоенное напряжение по отно-

шению к рабочей, – форсировочной. По постоянному току обе группы

включались параллельно, но в нормальном режиме основную нагрузку

(более 70%) несла рабочая группа, а форсировочная группа была в по-

стоянной готовности взять на себя всю нагрузку возбуждения в режи-

ме форсировки.

После того как отечественная электротехническая промышлен-

ность освоила выпуск тиристоров соответствующей мощности, все

ионные системы возбуждения были заменены тиристорными. Перво-

начально тиристорные системы также преимущественно выполнялись

как двухгрупповые. Однако в настоящее время наметилась тенденция

использования одногрупповых тиристорных систем возбуждения.

Тиристорные системы возбуждения могут быть реверсивными и

нереверсивными. Реверсивной называется система возбуждения, обес-

печивающая принудительное изменение знака магнитного потока, соз-

даваемого обмоткой или обмотками возбуждения синхронной машины

[18]. Другими словами, реверсивные системы имеют возможность из-

менять знак (направление) тока возбуждения. Такая необходимость

возникает у синхронных компенсаторов, а также у асинхронизирован-

ных генераторов.

Системы самовозбуждения также обычно выполняются с тири-

сторным преобразователем, что обеспечивает высокое быстродействие

и возможность гашения поля СГ переводом тиристоров в инверторный

режим.

Различают системы параллельного и смешанного самовозбужде-

ния. В системе параллельного самовозбуждения энергия возбуждения

определяется напряжением статора возбуждаемого СГ (или сети, на

которую он работает), получаемым с помощью специального преобра-

зовательного трансформатора. Недостатком такой системы является

возможность значительных снижений напряжения на преобразователе

при близких КЗ в электрической сети, что ограничивает значение по-

толочного напряжения.

В системах смешанного самовозбуждения энергия возбуждения

определяется как напряжением статора возбуждаемого СГ или сети, на

которую он работает, так и током статора СГ.

По аналогии с тиристорными системами независимого возбужде-

ния системы самовозбуждения могут быть одногрупповыми или двух-

групповыми, а также реверсивными или нереверсивными.

Из комбинированных систем возбуждения наиболее известна

система, используемая для генератора типа ТВФ-120 и имеющая в сво-

ем составе высокочастотный возбудитель (независимая часть) с диод-

ным преобразователем и устройство силового токового компаундиро-

вания (самовозбуждение) в виде трансформаторов тока, первичные

обмотки которых включены в фазы СГ, а вторичные подключены к

диодному преобразователю. По постоянному току оба преобразователя

включены параллельно на обмотку ротора СГ. В режимах малых на-

грузок СГ возбуждение осуществляется от высокочастотного возбуди-

теля, а при больших нагрузках, а также при КЗ в электрической сети

примерно половина энергии возбуждения идет по цепи силового ком-

паундирования.

2.4. Электромашинные системы возбуждения

На рис.2.3. приведена принципиальная схема электромашинной

системы возбуждения, в которой в качестве возбудителя используется

генератор постоянного тока, якорь GE которого находится на одном

валу с ротором возбуждаемого генератора G. Возбуждение возбудите-

ля осуществляется по схеме параллельного самовозбуждения через

обмотку LE1, в цепь которой включен резистор R

обычно называе-

мый шунтовым реостатом. Кроме обмотки самовозбуждения LE1

возбудитель обычно имеет одну (LE2) или две (на рис.2.3 не показано)

обмотки независимого возбуждения.

Рис.2.3. Принципиальная схема электромашинной системы возбуждения с

самовозбуждением возбудителя: G – СГ; GЕ – якорь возбудителя (генератор

постоянного тока); LE1 – обмотка самовозбуждения возбудителя; LE2 – об-

мотка независимого возбуждения возбудителя; R

– шунтовой реостат; TA –

трансформатор тока; TV – трансформатор напряжения; AV – автоматический

регулятор возбуждения; ASV – автомат гашения поля

Управление током возбуждения СГ может осуществляться сле-

дующими способами:

- изменением сопротивления шунтового реостата R

(обычно

при ручном управлении);

- изменением тока в обмотке самовозбуждения LE1 за счет изме-

нения тока

выхода АРВ

подключенного к этой обмотке;

- за счет изменения тока

нвв

выхода АРВ

подключенного к од-

ной (LE2) или двум обмоткам независимого возбуждения.

Токи выходов АРВ в зависимости от выполнения могут быть

функциями тока

или напряжения

статора генератора или того и

другого одновременно.

Рассмотрим сущность управления током возбуждения СГ путем

изменения сопротивления R

Предположим, что токи выхода АРВ

нвв

равны нулю. Тогда

ток в обмотке самовозбуждения возбудителя по закону Ома будет ра-

вен

свш

свввв

(2.1)

где

вв

– ток возбуждения возбудителя;

свв

– ток самовозбуждения возбудителя;

– напряжение на выводах возбудителя;

– сопротивление шунтового реостата;

св

– сопротивление обмотки самовозбуждения возбудителя.

Из (2.1) следует

вв

+ R

св

)

. (2.2)

Выражение (2.2) является уравнением прямой линии в координа-

тах (

вв

, U

), угловой коэффициент которой определяется суммой со-

противлений

св

(рис.2.4).

С другой стороны, напряжение возбуждения

определяется то-

ком возбуждения возбудителя в соответствии с нагрузочной характе-

ристикой возбудителя как машины постоянного тока, нагруженной на

сопротивление обмотки ротора СГ (рис.2.4).

Рис.2.4. Изменение напряжения возбуждения U

путем изменения сопротивле-

ния Rш (R’ш > R’’ш > 0)

Напряжение

на выводах возбудителя определяется ординатой

точки пересечения кривой нагрузочной характеристики и прямой ли-

нии (2.2). При уменьшении сопротивления

уменьшается угол на-

клона прямой линии, чему соответствует увеличение

и наоборот.

Если полностью закоротить резистор R

, то напряжение возбуж-

дения достигнет потолочного значения

в.п

Поэтому в электрома-

шинных системах форсировка возбуждения обычно осуществляется

путем закорачивания шунтового реостата. Иногда для получения дву-

кратной форсировки достаточно R

закоротить частично.

Ток возбуждения СГ в установившемся режиме определяется за-

коном Ома

где

– сопротивление обмотки ротора СГ.

Изменение тока возбуждения СГ путем изменения сопротивления

осуществляют в случае отсутствия АРВ (ручное регулирование), а

также при так называемой релейной форсировке возбуждения.

Если имеется АРВ и его ток выхода

является функцией тока

статора генератора

(компаундирование), то выход регулятора обычно

подключают к обмотке самовозбуждения возбудителя. Рассмотрим,

как в этом случае будет происходить изменение напряжения и, следо-

вательно, тока возбуждения СГ.

Пусть

= const, I

нвв

= 0, I

≠ 0

, тогда

ксвввв

III +=

. (2.3)

По 2-му закону Кирхгофа для контура самовозбуждения возбуди-

теля с учетом (2.3) получим

шксвшввсвввшсввв

RI)R(RIRIRIU −+=+=

. (2.4)

Уравнение прямой линии (2.4) отличается от уравнения (2.2) тем,

что ординаты ее уменьшаются на величину

, чему соответствует

смещение прямой линии (2.3) вдоль оси ординат нагрузочной характе-

ристики вниз на эту величину (рис.2.5).

Рис.2.5. Изменение напряжения возбуждения U

путем изменения тока в об-

мотке самовозбуждения возбудителя за счёт тока выхода АРВ (I

)

При изменении тока

изменяется ордината точки пересечения

прямой линии (2.4.) с кривой нагрузочной характеристики и, следова-

тельно, напряжение возбуждения

Если за счет АРВ изменяется ток

нвв

в обмотке независимого

возбуждения возбудителя, то необходимо учитывать, что напряжение

возбуждения

определяется суммой намагничивающих сил обеих

обмоток возбуждения.

При

= const, I

=0, I

нвв

≠0

результирующая намагничиваю-

щая сила возбуждения возбудителя равна

нвнввсвcвввв

IIF +=

где W

св

нв

– число витков обмоток самовозбуждения и независимого

возбуждения соответственно.