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

Подождите немного. Документ загружается.

- специального трансформатора, подключенного к выводам воз-

буждаемого СГ;

- шин собственных нужд электрической станции.

При использовании подвозбудителя применяется автоматическое

регулирование напряжения на его выводах.

Выпрямление переменного тока возбудителя осуществляется

вращающимся неуправляемым (диодным) или управляемым (тири-

сторным) преобразователем.

Диоды смонтированы в специальных так называемых вентильных

колесах и собраны в виде мостовых схем. Число мостовых схем равно

числу параллельных ветвей каждой фазы возбудителя. Например, у

трехфазного диодного бесщеточного возбудителя турбогенератора

300 МВт ЛПЭО «Электросила» обмотка каждой фазы состоит из шес-

ти параллельных ветвей, расположенных по окружности якоря [21]. По

постоянному току мосты включены параллельно на обмотку ротора

СГ. Такое выполнение позволяет обеспечить равномерное распределе-

ние токов между диодами. Все диоды снабжены радиаторами для

обеспечения отводов тепла. Конструктивно радиаторы представляют

собой блоки, несущие диоды соответственно прямой и обратной по-

лярности, варисторы для защиты диодов вращающегося преобразова-

теля от перенапряжений со стороны ротора турбогенератора при пере-

ходных процессах и блоки с конденсаторами и резисторами для защи-

ты диодов от коммутационных перенапряжений, а также предохрани-

тели для защиты от сверхтоков. Радиаторы диодов изолированы от

ступицы вентильного колеса и между собой.

Управление током возбуждения СГ с диодной бесщеточной сис-

темой возбуждения осуществляется изменением тока возбуждения

возбудителя. Поэтому обычная диодная бесщеточная система возбуж-

дения является инерционной. Ее постоянная времени Т ≥ 0,5 с

в ос-

новном определяется параметрами обмотки возбуждения возбудителя

переменного тока [6]. Для повышения быстродействия диодной бес-

щеточной системы возбуждения применяются следующие способы:

- включение в цепь обмотки возбуждения возбудителя балластно-

го сопротивления;

- выполнение возбудителя на повышенное потолочное напряже-

ние с принудительным ограничением его на двукратном уровне с по-

мощью АРВ;

- охват возбудителя и преобразователя жесткой отрицательной

обратной связью по напряжению ротора СГ;

- введение в АРВ сигнала жесткой отрицательной обратной связи

по току возбуждения возбудителя.

Быстродействие современных диодных бесщеточных систем воз-

буждения приближается к быстродействию наиболее быстродейст-

вующих тиристорных систем возбуждения. По данным отечественных

производителей, номинальная скорость нарастания напряжения воз-

буждения при форсировке не ниже 10 отн. ед/с.

В тиристорных бесщеточных системах возбуждения высокое бы-

стродействие обеспечивается тем, что управление током возбуждения

СГ осуществляется непосредственно (минуя возбудитель) путем изме-

нения угла открытия тиристоров вращающегося преобразователя. Од-

новременно в этих системах решается проблема быстрого гашения

поля СГ путем перевода тиристорного преобразователя в инверторный

режим. В диодных бесщеточных системах гашение поля СГ осуществ-

ляется путем гашения поля возбудителя, поэтому является замедлен-

ным.

На рис. 2.13 приведена упрощенная принципиальная схема вари-

анта бесщеточной диодной двухмашинной системы возбуждения с

индукторным высокочастотным подвозбудителем [22].

Рис.2.13. Упрощенная принципиальная схема бесщеточной диодной двухма-

шинной системы возбуждения: G – возбуждаемый СГ; GЕ – возбудитель; LG –

обмотка возбуждения СГ; ВДП – вращающийся диодный преобразователь; Т –

трансформатор; ТК – тиристорный ключ; GEA – подвозбудитель; ДП – диод-

ный преобразователь; AV – автоматический регулятор возбуждения СГ; АРН –

автоматический регулятор напряжения подвозбудителя; TA – трансформатор

тока; TV – трансформатор напряжения

Возбудитель GE – обращенный трехфазный генератор перемен-

ного тока частотой 150 Гц. Каждая фаза имеет 6 параллельных ветвей,

соответственно вращающийся преобразователь ВДП состоит из 6 мос-

товых схем выпрямителей, по постоянному току включенных парал-

лельно на обмотку ротора СГ.

Подвозбудителем GEA служит трехфазный индукторный генера-

тор переменного тока частотой 500 Гц. Энергия подвозбудителя по-

ступает на обмотку возбуждения возбудителя через тиристорный

управляемый ключ ТК, промежуточный трансформатор Т и выпрями-

тель ДП. Тиристорный ключ ТК периодически открывается и вновь

закрывается за счет сигналов с выхода АРВ. Причем продолжитель-

ность открытого состояния ключа зависит от уровня сигнала АРВ и,

следовательно, уровня напряжения СГ. Чем ниже это напряжение, тем

больше продолжительность открытого состояния ключа и, следова-

тельно, больше среднее значение выпрямленного тока в обмотке воз-

буждения возбудителя, и наоборот.

Возбуждение подвозбудителя осуществляется по схеме последо-

вательного самовозбуждения через обмотку 1, включенную последова-

тельно с обмоткой возбуждения возбудителя. В эту же цепь включен

балластный резистор R

для уменьшения постоянной времени обмотки

возбуждения возбудителя и, следовательно, повышения быстродейст-

вия системы возбуждения. Напряжение на выводах подвозбудителя

поддерживается постоянным с помощью автоматического регулятора

напряжения АРН через обмотку независимого возбуждения 2.

На рис.2.14 приведен вариант схемы одномашинной (без подвоз-

будителя) бесщеточной диодной системы возбуждения.

Рис.2.14. Упрощенная принципиально-функциональная схема одномашинной

бесщеточной диодной системы возбуждения с двухканальным управлением и

резервированием тиристорных преобразователей возбудителя: G – возбуждае-

мый СГ; GЕ – возбудитель; LGЕ – обмотка возбуждения возбудителя; ВДП –

вращающийся диодный преобразователь; TП1, TП2 – тиристорные преобразо-

ватели; А1, А2 – автоматические выключатели; Т – преобразовательный транс-

форматор; АV1, АV2 – автоматические регуляторы возбуждения; СУТ1,

СУТП2 – системы управления тиристорными преобразователями

Основные отличия этой системы возбуждения от рассмотренной

выше (рис.2.13) состоят в организации возбуждения возбудителя. Ис-

точником энергии возбуждения возбудителя является преобразова-

тельный трансформатор Т, подключенный к выводам возбуждаемого

генератора. Поэтому данная система в некоторой степени является

комбинированной. При необходимости питание может быть переведе-

но на шины собственных нужд 0,4 кВ электрической станции.

В качестве выпрямителя в цепи возбуждения возбудителя ис-

пользуются два тиристорных преобразователя TП1 и TП2, один из ко-

торых постоянно находится в работе, а другой – в резерве. При повре-

ждении рабочего преобразователя перевод его на резервный преобра-

зователь происходит автоматически путем переключения автоматиче-

ских выключателей А1, А2

(цепи управления на схеме не указаны).

Каждый тиристорный преобразователь имеет отдельный канал управ-

ления через систему управления тиристорами СУТ1 (СУТ2) и управля-

ется индивидуальным автоматическим регулятором возбуждения АV1

(АV2). Поэтому кроме резервирования тиристорных преобразователей

происходит резервирование и их каналов управления, включая АРВ.

Кроме того, в каждом из каналов управления кроме основного автома-

тического регулятора возбуждения АV1 (АV2) имеется резервный регу-

лятор (на схеме не показан), размещенный в кассете СУТ1 (СУТ2).

Причем резервный регулятор постоянно отслеживает состояние рабо-

чего и готов заменить его в любой момент времени без нарушения

процесса регулирования. Таким образом, в рассматриваемой системе

используется стопроцентное резервирование цепей возбуждения воз-

будителя, включая системы управления и регулирования возбуждения.

С учетом отсутствия вращающегося подвозбудителя, это обеспечивает

очень высокую надежность этой системы бесщеточного возбуждения.

Системы управления и АРВ выполнены на базе микропроцессор-

ных контроллеров, что обеспечивает большие функциональные воз-

можности, реализацию сложных алгоритмов регулирования возбужде-

ния, включая форсировку, а также программное начальное возбужде-

ние.

В рассматриваемой системе возбуждения управление током воз-

буждения СГ осуществляется путем изменения тока возбуждения воз-

будителя за счет изменения угла открытия тиристоров преобразовате-

лей TП1 (TП2). Для повышения быстродействия в АРВ вводится жест-

кая отрицательная обратная связь по току возбуждения возбудителя

(через трансформатор тока ТА1 в цепи преобразовательного трансфор-

матора). Благодаря этому система возбуждения является быстродейст-

вующей. Гашение поля СГ осуществляется переводом преобразовате-

лей TП1 (TП2) в инверторный режим, т.е. путем гашения поля возбу-

дителя.

Дальнейшее повышение быстродействия бесщеточных систем

возбуждения достигается переходом на использование тиристорных

вращающихся преобразователей вместо диодных. Одна из таких сис-

тем создана заводом «Электротяжмаш» им. В. И. Ленина с участием

ЭНИН им. Г. М. Кржижановского. В 1984 г. система прошла успеш-

ные испытания на турбогенераторе 300 МВт Змиевской ГРЭС [24].

Система с бесщеточным тиристорным возбуждением имеет сле-

дующие особенности:

- в качестве возбудителя используется специальный многофазный

(число фаз 16) генератор с трапециевидной ЭДС, обладающий повы-

шенным быстродействием;

- импульсы управления вращающимися тиристорами создаются,

формируются и смещаются по фазе при помощи бесконтактной систе-

мы управления, включающей в себя специальный многофазный гене-

ратор управляющих импульсов и синусно-косинусное устройство для

изменения фазы управляющих импульсов;

- используется комбинированный способ регулирования, что в

сочетании с быстродействующим возбудителем позволяет обеспечить

высокое быстродействие системы во всех режимах.

При комбинированном способе регулирования возбудитель в но-

минальном режиме перевозбужден незначительно (в пределах 1,1 – 1,3

номинального напряжения), а при форсировке вместе с максимальным

открытием тиристоров преобразователя форсируется ток возбуждения

возбудителя до величины, соответствующей, например, двукратному

напряжению. Это позволяет существенно снизить габариты вспомога-

тельного генератора.

Работы по дальнейшему повышению эффективности использова-

ния активных материалов, ведущих к снижению габаритов возбудите-

ля тиристорных бесщеточных систем возбуждения, ведутся в направ-

лении магнитного и электрического совмещения в одной магнитной

системе возбудителя и подвозбудителя [25]. Ведутся также работы по

расширению области устойчивости синхронной машины с тиристор-

ной бесщеточной системой возбуждения в режимах недовозбуждения

и отрицательного возбуждения [26].

При разработке любой бесщеточной системы возбуждения воз-

никают дополнительные научно-технические проблемы, связанные с

тем, что основные элементы системы возбуждения являются вращаю-

щимися:

- измерение тока и напряжения СГ;

- контроль изоляции цепей возбуждения и их защита;

- контроль исправности диодов (или тиристоров) вращающегося

преобразователя;

- контроль срабатывания предохранителей вращающегося преоб-

разователя и др.

Перечисленные проблемы в настоящее время успешно решены, и

все бесщеточные системы возбуждения снабжаются специальными

устройствами бесконтактного контроля и измерения цепей возбужде-

ния. Рассмотрение этих устройств выходит за рамки содержания на-

стоящего пособия.

Бесщеточные системы возбуждения в настоящее время находят

очень широкое применение как для мощных СГ, так и для генераторов

малой мощности, а также для синхронных компенсаторов.

2.7.Тиристорные системы независимого

возбуждения

В тиристорной системе независимого возбуждения, упрощенная

принципиальная схема которой изображена на рис.2.15 [22], возбуди-

телем является вспомогательный синхронный генератор промышлен-

ной частоты, находящийся на одном валу с основным СГ.

Трехфазная обмотка переменного тока возбудителя имеет шесть

линейных выводов, три из которых обеспечивают напряжение возбуж-

дения, соответствующее напряжению возбуждения нормального рабо-

чего режима СГ, а вторые три – удвоенное напряжение.

Выпрямление переменного тока возбудителя осуществляется

двумя трехфазными управляемыми тиристорными преобразователями

ТП1 и ТП2, образующими так называемые рабочую (РГ

) и форсиро-

вочную (ФГ

) группы соответственно. По постоянному току РГ

и ФГ

включены параллельно на обмотку ротора СГ. Такая система возбуж-

дения называется двухгрупповой.

Регулирование тока возбуждения СГ осуществляется путем из-

менения момента (угла) открытия (включения) тиристоров в течение

каждого полупериода синусоидального напряжения возбудителя с по-

мощью схем управления СУТ

и СУТ

В режимах СГ от холостого хода до номинального основную на-

грузку возбуждения несет рабочая группа, а тиристоры форсировочной

группы работают с углом открытия, обеспечивающим примерно 10%

номинального тока возбуждения СГ.

Рис.2.15. Упрощенная принципиальная схема двухгрупповой тиристорной

системы независимого возбуждения: G – возбуждаемый СГ; LG – обмотка

возбуждения СГ; GЕ – возбудитель; LЕ – обмотка возбуждения возбудителя;

ДП – диодный преобразователь; TП1, TП2, TП3 – трехфазные управляемые

(тиристорные) преобразователи; СУТ

, СУТ

, СУТ – системы управления ти-

ристорными преобразователями; Т – преобразовательный трансформатор са-

мовозбуждения возбудителя; ТА – трансформатор тока СГ; TV, TV1 – транс-

форматоры напряжения; АV – автоматический регулятор возбуждения СГ;

АРН – автоматический регулятор напряжения возбудителя; ASV – автомат

гашения поля

При аварийном снижении напряжения СГ, обусловленном, на-

пример, КЗ в электрической сети, угол открытия тиристоров рабочей и

форсировочной групп изменяется так, чтобы обеспечить двукратное

(относительно номинального) увеличение среднего выпрямленного

тока возбуждения. Однако при этом практически работает только фор-

сировочная группа, т.к. тиристоры рабочей группы закрыты со сторо-

ны выпрямленного тока более высоким выпрямленным напряжением

форсировочного преобразователя.

Развозбуждение (гашение поля) в нормальных эксплуатационных

режимах СГ осуществляется путем перевода тиристоров в инвертор-

ный режим работы. Для развозбуждения СГ в экстренных случаях от-

ключается автомат гашения поля.

Возбуждение возбудителя осуществляется по схеме параллельно-

го самовозбуждения через выпрямительный трансформатор Т и управ-

ляемый тиристорный преобразователь ТП3. Напряжение на выводах

возбудителя поддерживается постоянным автоматическим регулято-

ром напряжения АРН пропорционального действия.

Начальное возбуждение возбудителя при пуске СГ осуществля-

ется от постороннего источника начального возбуждения, в качестве

которого могут выступать аккумуляторная батарея или шины собст-

венных нужд электрической станции.

Основное достоинство рассматриваемой системы возбуждения –

высокое быстродействие. Оно обусловлено непосредственным (а не

через возбудитель) воздействием на изменение тока ротора СГ. Это

дает возможность использования автоматического регулятора воз-

буждения сильного действия.

Система тиристорного независимого возбуждения используется

главным образом на гидрогенераторах большой мощности.

В настоящее время более распространенными являются одно-

групповые тиристорные системы независимого возбуждения. В них в

качестве возбудителя используется вспомогательный синхронный ге-

нератор не с шестью, а с тремя линейными выводами, напряжение ко-

торых рассчитано на осуществление двукратной форсировки возбуж-

дения СГ. Однако число тиристорных преобразователей, включенных

параллельно по постоянному и переменному току, остается не меньше

двух в целях повышения надежности. С этой же целью резервируются

каналы управления тиристорами преобразователей, включая автома-

тические регуляторы возбуждения (двухканальные системы возбужде-

ния).

2.8. Тиристорные системы самовозбуждения

Как указывалось в 2.3, системы самовозбуждения делятся на сис-

темы параллельного и смешанного самовозбуждения. Из-за отсутствия

вращающихся возбудителей эти системы возбуждения часто называют

статическими.

При параллельном самовозбуждении энергия на обмотку возбуж-

дения СГ поступает с его выводов через понижающий преобразова-

тельный трансформатор (трехфазный или три однофазных) и управ-

ляемый тиристорный преобразователь. Управление током возбужде-

ния СГ (автоматическое и ручное) осуществляется путем изменения

угла открытия тиристоров.

На рис. 2.16 приведена упрощенная принципиальная схема вари-

анта одногрупповой двухканальной статической тиристорной системы

параллельного самовозбуждения (СТС). Система считается одногруп-

повой, т.к. для обеспечения нормального режима СГ и режима форси-

ровки используется единая группа тиристорных преобразователей.

К выводам СГ жестко подключен преобразовательный трансфор-

матор возбуждения ТВ, питающий 5 (в некоторых вариантах 4 или 6)

тиристорных преобразователей ТП1 ÷ТП5, по постоянному току со-

единенных параллельно через коммутационные аппараты (на схеме не

показаны) и подключенных через автомат гашения поля (АГП) к об-

мотке ротора СГ.

Каждый из преобразователей собран по трехфазной мостовой

схеме. В каждом плече моста установлен один сильноточный тири-

стор, защищенный предохранителем с индикатором состояния. От

коммутационных перенапряжений каждый тиристорный мост защи-

щен RC-цепочками на входе преобразователя. Равномерное распреде-

ление токов между мостами достигается установкой так называемых

делителей тока в каждой фазе моста.

Рис.2.16. Упрощенная принципиальная схема одногрупповой двухканальной

тиристорной системы самовозбуждения (СТС): G – возбуждаемый СГ; LG –

обмотка возбуждения СГ; TП1÷TП5 – тиристорные преобразователи; ASV –

автомат гашения поля; УНВ – устройство начального возбуждения; FV – тири-

сторный разрядник; КМ – электромагнитный контактор; ТА, TV1, TV2 – транс-

форматоры тока и напряжения генератора; TА1, ТА2 – трансформаторы тока

выпрямительного трансформатора; TV3 – трансформатор напряжения шин

станции

Тиристоры имеют естественное воздушное охлаждение. Для кон-

троля температурного режима каждый преобразователь укомплектован

датчиком контроля температуры воздуха в шкафу преобразователя и

датчиками контроля температуры каждого тиристора.

Защита тиристорных преобразователей и обмотки ротора от пе-

ренапряжений осуществляется тиристорным разрядником FV много-

кратного действия. Разрядник состоит из двух сильноточных тиристо-

ров, включенных встречно-параллельно. Единовременно может срабо-

тать один тиристор, в зависимости от полярности перенапряжения.

При срабатывании открывшийся тиристор замыкает обмотку ро-

тора СГ на защитное сопротивление R

сс

, что приводит к снижению

уровня перенапряжения.

Гашение разрядника производится путем шунтирования его кон-

тактором КМ. После отключения контактора разрядник готов к по-

вторному действию.

Контактор КМ включается так же и замыкает обмотку ротора СГ

на защитное сопротивление при отключении АГП.

В нормальном режиме гашение поля генератора производится

переводом тиристорного преобразователя в инверторный режим (с

последующим снятием управляющих импульсов), а в экстренных слу-

чаях (например, при срабатывании релейной защиты СГ) – отключени-

ем АГП.

Группа тиристорных преобразователей имеет два независимых

цифровых канала управления, один из которых является основным

(активным), другой – резервным (пассивным).

Каждый из каналов содержит аппаратуру автоматического

управления, регулирования и защиты в микропроцессорном исполне-

нии.

Резервный канал управления работает как следящий для обеспе-

чения плавного перехода при переключении регуляторов. Резервный

канал управления контролирует исправность активного и при появле-

нии неисправности последнего начинает вести процесс регулирования.

В процессе работы системы каждый канал управления постоянно

выполняет программу самотестирования.

Каждый канал управления имеет собственную автономную сис-

тему питания, работающую как от сети трехфазного переменного тока

системы собственных нужд станции, так и от аккумуляторной батареи.

Режим начального возбуждения генератора обеспечивается с по-

мощью специального устройства начального возбуждения УНВ, полу-

чающего питание от сети собственных нужд станции или от аккумуля-

торной батареи.

Возможны и другие варианты выполнения тиристорных систем

параллельного самовозбуждения. Например, ООО «СКБ ЭЦМ» разра-

ботана и производится система самовозбуждения с микропроцессор-

ным управлением СТСТМУ [27, 28]. В отличие от рассмотренной вы-

ше системы, в которой в целях повышения надежности силовой части

системы используется несколько трехфазных тиристорных преобразо-

вателей, включенных параллельно, в упомянутой системе использует-

ся один тиристорный преобразователь с избыточным числом парал-

лельных ветвей в плече. Несколько иначе организованы каналы управ-