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

Подождите немного. Документ загружается.

При

нвв

= 0

напряжение возбуждения СГ равно

=(R

+ R

св

вв

св

(2.5)

что на рис. 2.6 соответствует прямой линии в координатах (

вв

Рис. 2.6. Изменение напряжения возбуждения U

путем изменения тока в об-

мотке независимого возбуждения возбудителя за счет тока выхода АРВ (I

нвв

)

При

нвв

≠ 0

получим

нвнввсвcвввв

IIF +=

что означает увеличение абсциссы каждой точки прямой линии на ве-

личину

нвв

нв

(рис.2.6), т.е. смещение этой линии вправо вдоль оси

абсцисс на эту величину.

При изменении тока

нвв

изменяется ордината точки пересечения

прямой линии (2.5) с кривой нагрузочной характеристики возбудителя

и, следовательно, напряжение возбуждения

В общем случае указанные способы управления током возбужде-

ния СГ могут использоваться в совокупности.

Рассмотренная одномашинная система возбуждения использует-

ся для турбогенераторов относительно небольшой мощности. Механи-

ческая прочность и условия коммутации коллектора возбудителя на-

кладывают ограничения на величину его номинальной мощности. По-

этому при обычно используемых скоростях вращения турбогенерато-

ров электромашинный возбудитель не может быть выполнен для СГ

большой мощности (например, для двухполюсных турбогенераторов с

мощностью более 100 – 150 МВт). Для турбогенераторов вновь строя-

щихся электрических станций применять данную систему возбужде-

ния не рекомендуется. Исключение может составлять использование

ее как резервной для нескольких генераторов с приводом от электро-

двигателя, питаемого с шин собственных нужд станций.

Для гидрогенераторов, имеющих малую скорость вращения ро-

тора, рассмотренная одномашинная система не может быть использо-

вана из-за значительных трудностей получения требуемых значений

быстродействия и потолочного напряжения при форсировке. Поэтому

для гидрогенераторов ряда гидроэлектростанций старой постройки

применяется двухмашинная система возбуждения (рис.2.7).

Рис.2.7. Принципиальная схема электромашинной системы возбуждения с

независимым возбуждением возбудителя (двухмашинная система): G – СГ;

GЕ – якорь возбудителя (генератор постоянного тока с независимым возбуж-

дением); LE – обмотка возбуждения возбудителя; GЕA – якорь подвозбудителя

(генератор постоянного тока с самовозбуждением); LEA – обмотка самовозбу-

ждения подвозбудителя; R1, R2 – регулировочные резисторы; TA – трансфор-

матор тока; TV – трансформатор напряжения; AV – автоматический регулятор

возбуждения; ASV – автомат гашения поля

Для возбуждения возбудителя в этой системе используется ещё

один вспомогательный генератор постоянного тока меньшей мощно-

сти (подвозбудитель), якорь GEA которого также находится на общем

валу. Возбуждение подвозбудителя организуется по схеме самовозбу-

ждения.

Управление током возбуждения СГ в этой системе может осуще-

ствляться путем изменения сопротивления резистора R

в цепи обмот-

ки самовозбуждения возбудителя LE (ручное управление) или за счет

изменения тока I

на выходе АРВ, подключаемого к этой же обмотке.

На рис.2.8 в соответствующих осях координат приведены нагру-

зочные характеристики подвозбудителя (первый квадрант координат-

ной плоскости) и возбудителя (третий квадрант).

Для контура самовозбуждения подвозбудителя справедливо урав-

нение

).R(RI

впввпвпв

(2.6)

В координатах (

впв

, U

пв

) уравнение (2.6) является уравнением

прямой линии (рис.2.8, линия 1), пересекающейся в точке А с кривой

нагрузочной характеристики подвозбудителя.

Рис.2.8. Изменение напряжения возбуждения U

путем изменения сопротивле-

ния резистора R

(а) и изменения тока выхода АРВ Iк (б)

При

= 0

для контура возбуждения возбудителя справедливо

уравнение

),R(RIU

ввввпв

(2.7)

Уравнению (2.7) на рис.2.8,а соответствует семейство линий 2,

построенных при разных значениях сопротивления резистора

(

'''

=>> RRR

). Согласно нагрузочной характеристике возбуди-

теля, каждому значению

соответствует определенное значение на-

пряжения возбуждения

на выводах возбудителя. При

получа-

ется потолочное напряжение возбуждения

в.п

, что соответствует ре-

жиму форсировки.

В определенных пределах напряжение возбуждения можно также

изменять путем изменения сопротивления

, от которого зависит на-

клон линии 1 и, следовательно, положение точки А на кривой нагру-

зочной характеристики подвозбудителя (рис.2.8).

При

≠ 0

в уравнение (2.7) следует подставить

кнвввв

III +=

где

нвв

– ток независимого возбуждения возбудителя, получаемый от

подвозбудителя;

– ток на выходе АРВ.

Это соответствует тому, что линии 2 в координатах (

вв

, U

вп

)

смещаются параллельно вдоль оси

вв

в положительном направлении

на величину

(рис.2.8,б). Соответственно изменяется и напряжение

возбуждения генератора

в.

Двухмашинная система возбуждения позволяет изменить ток

возбуждения СГ в более широких пределах, чем одномашинная. По-

этому до появления более совершенных тиристорных систем возбуж-

дения она применялась также для синхронных компенсаторов, для ко-

торых необходим большой диапазон изменения тока возбуждения.

2.5.Высокочастотные системы возбуждения

В высокочастотных системах возбуждения в качестве возбудите-

ля используется вспомогательный генератор переменного тока повы-

шенной частоты индукторного типа. Упрощенная принципиальная

схема одного из вариантов двухмашинной высокочастотной системы

возбуждения приведена на рис.2.9.

Рис.2.9. Принципиальная схема двухмашинной высокочастотной системы воз-

буждения: G – СГ; GЕ – высокочастотный возбудитель; LE – обмотка возбуж-

дения возбудителя; GЕA – подвозбудитель; ДП1, ДП2 – диодные преобразова-

тели (выпрямительные мосты); TA – трансформатор тока; TV – трансформатор

напряжения; AV – автоматический регулятор возбуждения; ASV – автомат га-

шения поля

Индукторный генератор GE в данном варианте системы возбуж-

дения имеет две трехфазные обмотки переменного тока и две обмотки

возбуждения. Все обмотки находятся на статоре, т.е. являются непод-

вижными. Ротор обмоток не имеет и выполнен в виде 10-зубцового

барабана, собранного из листовой электротехнической стали. За счет

наличия зубцов и впадин при вращении ротора происходит пульсация

магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения, в результа-

те чего в обмотках переменного тока индуктируется ЭДС с частотой

500 Гц (при числе оборотов 3000 в минуту).

Каждая из трехфазных обмоток работает на отдельный диодный

преобразователь ДП1 и ДП2, которые по постоянному току соединены

между собой последовательно. Поэтому выпрямленное напряжение

обмоток переменного тока удваивается. Выпрямленный ток кроме об-

мотки возбуждения (ротора) LG генератора проходит через последова-

тельно соединенную с ней обмотку 1 возбуждения возбудителя, осу-

ществляя его самовозбуждение. Причем намагничивающая сила само-

возбуждения, создаваемая обмоткой 1, несколько превышает значение,

требуемое для нормального режима работы СГ, т.е. возбудитель за

счет обмотки 1 перевозбужден. Избыток намагничивающей силы сни-

мается за счет тока выхода АРВ через обмотку независимого возбуж-

дения 3, имеющую обратную полярность по отношению к обмотке 1.

Благодаря этому осуществляется автоматическое регулирование на-

пряжения на выводах СГ в нормальном режиме. При снижении напря-

жения СГ ток в обмотке 3 также уменьшается, а при увеличении на-

пряжения увеличивается. При этом ток в обмотке независимого воз-

буждения 2, имеющей полярность, совпадающую с обмоткой 1, прак-

тически отсутствует.

При снижении напряжения СГ до заранее установленного уровня

ток в обмотке 3 уменьшается практически до нуля, а ток в согласно

включенной обмотке 2 резко возрастает. Благодаря этому осуществля-

ется форсировка возбуждения СГ.

Форсировке возбуждения способствует также так называемый

компаундирующий эффект свободной апериодической составляющей,

возникающей в обмотке ротора СГ и, следовательно, в обмотке само-

возбуждения 1 при КЗ в электрической сети, на которую работает СГ.

Апериодический ток осуществляет дополнительное возбуждение воз-

будителя подобно постоянному току.

В систему возбуждения входит подвозбудитель GEA в виде трех-

фазного генератора с постоянными магнитами на роторе. Ротор под-

возбудителя имеет 8 пар постоянных магнитов; при вращении с часто-

той 3000 об/мин в обмотках статора подвозбудителя наводится ЭДС с

частотой 400 Гц [21].

Подвозбудитель предназначен для выполнения следующих ос-

новных функций:

- создание начального возбуждения при пуске генератора;

- питание силовых цепей АРВ;

- улучшение характеристики измерительного органа АРВ путем

так называемого подпора напряжения на его выходе при глубоких

снижениях напряжения СГ, вызванных, например, КЗ в электрической

сети.

Высокочастотная система возбуждения, по сравнению с электро-

машинной, имеет более высокое быстродействие. Однако она относит-

ся к категории медленнодействующих, т.к. изменение тока возбужде-

ния СГ осуществляется не непосредственно, а путём изменения намаг-

ничивающей силы возбуждения возбудителя (через обмотки незави-

симого возбуждения 2 и 3 (рис.2.9)).

В целях повышения быстродействия возбудитель рассчитывается

и выполняется на кратность форсировки по напряжению значительно

больше двух.

На рис.2.10 приведены переходные характеристики возбуди-

теля в режиме форсировки для двух значений кратности форсировки

(

фн

= 2

– кривая 1 и

фн

= 5

– кривая 2) при одинаковом значении

электромагнитной постоянной времени возбуждения возбудителя

вв

По кривой 1 двукратное потолочное напряжение достигается за время

t > 2T

вв

, а по кривой 2 – за время

t << T

вв

. Однако, учитывая, что для

современных СГ повышение напряжения на роторе выше двукратного

является нежелательным, при

фн

> 2

вводится ограничение напря-

жения возбуждения при форсировке на двукратном номинальном

уровне (кривая 2*). Это ограничение является одной из функций со-

временных АРВ [22].

Рис.2.10.Переходные характеристики высокочастотного возбудителя

Для турбогенераторов ЛПЭО «Электросила» мощностью до

120 МВт в 70-х гг. была разработана комбинированная система возбу-

ждения, сочетающая использование высокочастотного возбудителя и

силового токового компаундирования (рис.2.11). В качестве АРВ для

такой системы возбуждения применяется специальный магнитно-

полупроводниковый регулятор типа ЭПА-120 [21]. Особенностью ука-

занной системы возбуждения является силовое токовое компаундиро-

вание. Выпрямленный ток силового компаундирования проходит по

обмотке самовозбуждения 1 возбудителя через диодный преобразова-

тель ДП2 от группы трансформаторов тока генератора ТА

. Компаун-

дирование называется силовым потому, что ток компаундирования

проходит и по обмотке ротора турбогенератора. Силовое компаунди-

рование в номинальном режиме работы генератора обеспечивает около

половины номинального тока ротора [21].

Рис.2.11. Принципиальная схема высокочастотной системы возбуждения с

силовым токовым компаундированием: G – возбуждаемый СГ; GЕ – возбуди-

тель; LGE – обмотка возбуждения возбудителя; GЕA – подвозбудитель; ДП1,

ДП2 – диодные преобразователи; TA

– трансформаторы тока силового компа-

ундирования; AV – автоматический регулятор возбуждения; ASV – автомат

гашения поля; TA,TV – трансформаторы тока и напряжения СГ

Использование силового компаундирования позволяет снизить

мощность и габариты высокочастотного возбудителя. Кроме того, из-

менение тока возбуждения возбудителя в функции тока статора гене-

ратора эквивалентно регулированию его напряжения по основному

возмущающему воздействию (току нагрузки). Благодаря этому умень-

шаются отклонения напряжения на выводах СГ, обусловленные изме-

нением нагрузки, и к регулятору возбуждения, который в заводской

документации называется корректором напряжения [21], могут быть

предъявлены более мягкие требования по мощности.

Наличие силового токового компаундирования повышает также

форсировочную способность системы возбуждения при КЗ в электри-

ческой сети за счет существенного возрастания тока статора СГ.

Высокочастотная система возбуждения является достаточно про-

стой и надежной из-за отсутствия коллектора и обмоток на роторе воз-

будителя. Самым ненадежным элементом этой системы является под-

возбудитель, работающий в условиях повышенных механических виб-

раций. Поэтому в дальнейшем была произведена модернизация рас-

сматриваемой системы возбуждения, одной из задач которой был от-

каз от использования подвозбудителя [23].

Упрощенная принципиальная функциональная схема модернизи-

рованной высокочастотной системы возбуждения приведена на

рис.2.12.

Рис.2.12. Упрощенная принципиально-функциональная схема модернизиро-

ванной высокочастотной системы возбуждения: G – возбуждаемый СГ; GЕ –

высокочастотный возбудитель; LG – обмотка возбуждения СГ; ASV – автомат

гашения поля; ДП – диодный преобразователь; БОС – блок обратной связи;

LЕ – обмотки (2 и 3 по рис. 2.10) независимого возбуждения возбудителя;

TП1,TП2 – тиристорные преобразователи; T1,T2 – полупроводниковые диоды;

ТПС1, ТПС2 – питающие трансформаторы; ЗУ1, ЗУ2 – варисторные защитные

устройства; СУТ1, СУТ2 – системы управления тиристорными преобразовате-

лями; АV – основной регулятор возбуждения; РРВ1, РРВ2 – резервные регуля-

торы возбуждения; БКН1, БКН2 – блоки контроля напряжения; БКП – блок

контроля преобразователей; Т – промежуточный трансформатор; ТА1 – транс-

форматор тока возбудителя; TA,TV – трансформаторы тока и напряжения гене-

ратора

В схеме исключены подвозбудитель и последовательная обмотка

самовозбуждения возбудителя. Обмотки независимого возбуждения

соединены последовательно. Для повышения надежности система воз-

буждения высокочастотного возбудителя выполнена двухканальной со

стопроцентным резервированием по силовому оборудованию и по сис-

темам управления и регулирования возбуждением. В каждый из двух

каналов входят питающий трансформатор ТПС1 (ТПС2), тиристорный

преобразователь ТП1 (ТП2) с системой управления тиристорами СУТ1

(СУТ2), блок контроля напряжения БКН1 (БКН2) с резервным регуля-

тором возбуждения РРВ1 (РРВ2). Питающие трансформаторы ТПС1 и

ТПС2 подключаются к разным секциям собственных нужд. Один из

них – к секции 0,4 кВ собственных нужд генератора (блока), а второй –

к одной из секций общестанционных собственных нужд.

В работе постоянно находится один канал, второй находится в

резерве со снятыми импульсами управления.

При потере питания ТПС, повреждениях СУТ или тиристорного

преобразователя, находящихся в работе, блок контроля преобразовате-

лей БКП осуществляет автоматическое переключение на резервный

канал. При этом снимаются импульсы управления с поврежденного

канала и подаются на резервный канал, вступающий в работу.

В случае повреждения основного АРВ блоки БКН производят пе-

реключение канала, находящегося в работе, на резервный регулятор.

Защита тиристорного преобразователя и обмотки возбуждения возбу-

дителя от перенапряжений, возникающих в сети собственных нужд,

осуществляется варисторными защитными устройствами ЗУ.

Диоды VД1 и VД2 служат для разделения мостов в случае воз-

никновения внутреннего повреждения в одном из них.

В целях повышения быстродействия системы возбуждения воз-

будитель GE и преобразователь ДП охвачены жесткой отрицательной

обратной связью по напряжению возбуждения СГ через блок обратной

связи БОС. Кроме того, возбудитель выполнен на пятикратное номи-

нальное потолочное напряжение.

Благодаря этим мерам номинальная скорость нарастания напря-

жения возбуждения при форсировке для рассматриваемой системы

возбуждения достигает 7 – 10 отн.ед/c [23].

Подобная же модернизация осуществлена и в рассмотренной

выше (рис.2.11) высокочастотной системе возбуждения с силовым то-

ковым компаундированием, в которой исключен подвозбудитель с

обмоткой последовательного самовозбуждения, а возбуждение возбу-

дителя осуществляется через тиристорный преобразователь и преобра-

зовательный трансформатор, подключенный к выводам СГ [7].

2.6. Бесщеточные системы возбуждения

Бесщеточной называется система возбуждения СГ, в которой пе-

редача энергии от возбудителя к обмотке возбуждения СГ осуществ-

ляется без использования скользящего щеточного контакта [18].

По мере роста единичной мощности СГ (500, 800, 1000,

1200 МВт) размеры щеточного аппарата ротора генератора стали не-

приемлемо большими. Число токопроводящих щеток при допустимой

плотности тока под щетками 8 – 10 А/мм

возросло до 270 и более, что

потребовало увеличения размеров поверхности токосъемных колец и

осложнило конструктивное выполнение щеток, их искусственное ох-

лаждение и пр. Диаметр и ширина (по длине вала) токосъемных колец

на роторе превысила предельно допустимые значения. Дальнейшее

увеличение размеров колец ротора считается нецелесообразным по

следующим причинам:

- увеличение диаметра приводит к повышению окружной скоро-

сти, требующей уменьшения плотности тока под щетками, а значит, –

увеличения числа щеток;

- увеличение ширины колец приводит к удлинению консольного

конца вала, на котором укрепляются кольца, и к повышению биения

колец;

- возрастает количество накапливаемой под щетками медной и

угольной пыли, на очистку которой требуется значительное время при

остановленном генераторе.

Повышение напряжения для снижения тока возбуждения счита-

ется также нецелесообразным, поскольку приводит к увеличению чис-

ла витков обмотки ротора, усилению изоляции и затруднению их ис-

кусственного охлаждения [21].

Основная отличительная особенность бесщеточного возбуждения

заключается в выполнении возбудителя и способе выпрямления тока

его якоря, подаваемого в обмотку возбуждения (ротора) СГ. Возбуди-

тель представляет собой обращенный синхронный генератор перемен-

ного тока, у которого обмотки возбуждения расположены на статоре

(неподвижны), а обмотки переменного тока (якоря) расположены на

роторе и подключены к вращающемуся преобразователю. Выпрямлен-

ный ток поступает в обмотку ротора СГ непосредственно.

В бесщеточных системах возбуждения в качестве возбудителя

используются обращенные синхронные генераторы переменного тока

обычно повышенной частоты: от 150 до 400 – 500 Гц [21]. Наиболее

приемлемым как по затратам активных материалов, так и по парамет-

рам является возбудитель с частотой 150 Гц [6].

Различают также трехфазные и многофазные (в частности, шест-

надцатифазные) возбудители. Чаще применяются трехфазные возбу-

дители, как более простые по конструктивному исполнению и обеспе-

чивающие лучшее использование активных материалов (меди) обмо-

ток, чем многофазные возбудители с синусоидальной формой кривой

ЭДС. Однако при трапециевидной форме кривой ЭДС многофазные

возбудители могут обеспечить большее быстродействие.

Возбуждение возбудителя может осуществляться от следующих

источников:

- подвозбудителя в виде синхронного генератора с постоянными

магнитами;

- высокочастотного подвозбудителя индукторного типа;