Система возбуждения тиристорная – виды, схемы, достоинства и недостатки

виды, схемы, достоинства и недостатки

2 Системы тиристорного независимого возбуждения

Тиристорные системы самовозбуждения

СТС, СТН

Возбуждение синхронных генераторов

4 Система тиристорного самовозбуждения резервная

Тиристорная система – возбуждение – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Системы тиристорного независимого возбуждения (СТН)

Система тиристорного самовозбуждения (СТС)

Система тиристорного самовозбуждения резервная (СТСР)

Системы бесщеточные диодные (СБД)

Системы возбуждения для дизель-генераторов

Автоматы гашения поля (АГП)

Системы частотного управления синхронным двигателем

СТАТИЧЕСКИЕ ТИРИСТОРНЫЕ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Независимое возбуждение генераторов

Системы самовозбуждения

5 Системы бесщеточные диодные

Тиристорная система – возбуждение

TOP HEADLINES

alexxlab | 03.10.2019 | 0 | Вопросы и ответы

Содержание

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:

начальное возбуждение;
холостой ход;
включение в сеть методом точной синхронизации или самосинхронизации;
работу в энергосистеме с допустимыми нагрузками и перегрузками;
форсировку возбуждения по напряжению и по току с заданной кратностью;
разгрузку по реактивной мощности и развозбуждение при нарушениях в энергосистемах;
гашение поля генератора в аварийных режимах и при нормальной остановке;
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 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.

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) 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.

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) 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).

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.

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 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.

pue8.ru

Системы тиристорные независимые (СТН) предназначены для питания обмотки возбуждения крупных турбогенераторов и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током, применяемые при выработке электроэнергии на ГЭС и других генерирующих станциях изображены на рисунке 2.

В – возбудитель 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 собственных нужд выпрямителей Рисунок 2 – Система тиристорная независимая с возбудителем переменного тока и двумя группами тиристоров, в сочетании со схемой резервного возбуждения от двухмашинного агрегата асинхронного возбудителя постоянного тока

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. 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 потельного до отрицательного минимального напряжения возбуждения не превышает 100 мс.

Система охлаждения тиристорного выпрямителя в системах СТН может быть принудительно воздушной, естественной воздушной или водяной.

3 Системы тиристорного самовозбуждения

Система тиристорного самовозбуждения (СТС) предназначена для питания обмоток возбуждения турбо и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током и представлена на рисунке 3.

ТСНР, ТСНФ – трансформаторы собственных нужд тиристорных выпрямителей рабочей и форсировочной групп

Рисунок 3 – Система тиристорного самовозбуждения с выпрямительным трансформатором и двумя группами тиристоров

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 запасы устойчивости энергосистем. По этим показателям система СТС соответствует значениям системы СТН, в ней 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). 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.

studfiles.net

рования. Недостатком АВ является потребность в большой мощности управления, достигающей 50…80% номинальной мощности возбудителя.

Рис. 2.2.1.36. Бесконтактная синхронная машина с асинхронным (а) и синхронным (б) возбудителями

Синхронные возбудители имеют в 10…15 раз большие постоянные времени, чем у АВ. Это является их недостатком. Но у СВ существенно меньшей является мощность управления, определяемая потерями в обмотке возбуждения СВ. Чтобы повысить быстродействие, СВ могут выполняться без демпферных обмоток. Это приводит к увеличению индуктивного фазного сопротивления коммутации, определяемого значением переходного индуктивного сопротивления СВ, и к ухудшению режима коммутации вращающегося ППВ.

Одним из эффективных способов улучшения показателей синхронных машин со статическими системами возбуждения является снижение напряжения на обмотке возбуждения ОВ при соответствующем росте тока. Понижение напряжения на ОВ облегчает условия охлаждения машины благодаря уменьшению числа витков и увеличению сечения проводников ОВ, увеличивает полезное сечение ОВ на 60…80 % за счет уменьшения объема изоляции.

Однако для получения токов возбуждения в тысячи ампер при значительно меньших значениях токов, допускаемых тиристорами, приходится применять параллельное соединение тиристоров в ППВ, что вызывает определенные трудности с равномерным распределением токов между тиристорами параллельных ветвей. Это объясняется неодинаковыми параметрами тиристоров, что приводит к перегрузке по току тиристоров, имеющих более крутые ветви прямой вольт-ампернойхарактеристики.

Кроме независимой вентильной системы возбуждения, применяются и системы самовозбуждения. Преимуществом таких систем является то, что они не имеют электромашинного возбудителя; необходимая для возбуждения синхронной машины энергия отбирается от главной или дополнительной

обмотки якоря. В результате повышается надежность системы, уменьшается ее стоимость.

На рис. 2.2.1.37 показана схема тиристорного самовозбуждения турбогенератора ТГВ-300.

Рис. 2.2.1.37. Тиристорная система самовозбуждения:

РР — разрядник, защищающий обмотку возбуждения от перенапряжения; ГС — гасящее сопротивление; КС — контактор (ГС и КС используются

при включении турбогенератора в сеть способом самосинхронизации) 74

Система возбуждения имеет две группы тиристоров, одна из которых (РГВ) образует рабочий выпрямитель, а другая (ФГВ) — форсировочный. Рабочая группа тиристоров, обеспечивающая в основном нормальный режим работы, присоединена к ответвлению трансформатора ВТ, подключенного к выводам обмотки статора турбогенератора. К форсировочной группе тиристоров подводится геометрическая сумма напряжений двух трансформаторов: выпрямительного ВТ и последовательного СТ. Первичная обмотка последовательного трансформатора — СТ1 — включена последовательно в цепь статора турбогенератора, а вторичная — СТ2 — последовательно со вторичной обмоткой выпрямительного трансформатора. Благодаря этому выпрямленное напряжение зависит не только от напряжения турбогенератора, но и от тока его обмотки статора. Это позволяет обеспечить как нормальные режимы работы турбогенераторов, так и форсировку тока ротора при удаленных и близких коротких замыканиях. При этом в случае удаленных КЗ форсировка тока возбуждения создается напряжением выпрямительного трансформатора ВТ, а при близких КЗ — напряжением последовательного трансформатора. Поэтому требуемая кратность форсировки достигается во всех случаях. Применяются также схемы только с выпрямительным трансформатором. Они проще, однако при КЗ вблизи генератора напряжение на его выводах снижается, что приводит к снижению напряжения и на тиристорах. Таким образом, последовательный трансформатор обеспечивает более надежное возбуждение при близких КЗ. Как рабочий, так и форсировочный выпрямители имеют по шесть параллельных ветвей в каждом плече и в каждой ветви по три тиристора, включенных последовательно. Распределение тока по ветвям достигается индуктивными делителями тока. В каждой ветви установлены предохранители для защиты от коротких замыканий внутри преобразователя. Система возбуждения сохраняет свою работоспособность при выходе из строя одной из параллельных ветвей в плечах мостов преобразователей. Для измерений токов ротора рабочей и форсировочной групп тиристоров в схеме установлены измерительные шунты Ш1…ШЗ. Отключение одного моста или автоматического регулятора возбуждения АРВ в двух групповой схеме не приводит к потере возбуждения турбогенератора. Управление тиристорами и током возбуждения осуществляется от систем управления СУТР и СУТФ. При пуске турбогенератора, когда напряжение на обмотке статора отсутствует, ток в ротор подается от постороннего источника включением контактора 1К. Схема начального возбуждения автоматически отключается после начала процесса самовозбуждения. Гашение поля производится автоматом гашения поля АГП с одновременным переводом тиристоров в инверторный режим. Контактор 2АВ переключает обмотку ро-

тора на резервный возбудитель. Недостатком системы самовозбуждения

является относительно низкая стабильность напряжения.

Использование полупроводниковых преобразователей частоты открывает большие возможности при создании электромеханических систем с синхронными двигателями (СД). Эти системы обладают такими несомненными достоинствами, как стабильность угловой скорости независимо от момента нагрузки во всем диапазоне регулирования угловой скорости, большими значениями моментов на ползучих скоростях при регулировании напряжения и тока возбуждения. Они позволяют получить высокую точность синхронного движения управляемых машин.

Напомним, что электромагнитный момент синхронного двигателя с явно выраженными полюсами определяется следующей зависимостью:

	3UE	0		3U2	1		1
M =		0	sin(θ)+			−		sin(2θ),	(2.2.1.63)
M =			sin(θ)+			−		sin(2θ),	(2.2.1.63)
	ω0xd
	ω0xd			2ω0xq			xd

где U — напряжение якоря;Е0 — ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря;ω0 — угловая скорость магнитного поля;xd — синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси;xq — синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси;θ — угол нагрузки.

Это выражение удобно представить, пренебрегая насыщением в виде

	UI	B	U		2
M = A			sin(θ)+B		sin(2θ),	(2.2.1.64)

	f			f

где IВ — ток возбуждения синхронного двигателя; А и В — постоянные величины.

Рассмотрим режим работы СД при f = const;U = var;IB = var. Этот режим является наиболее характерным для нерегулируемых систем с синхронными двигателями. Формула электромагнитного момента для этого случая имеет вид:

M =C1UIB sin(θ)+C2U 2 sin(2θ),

(2.2.1.65)

где C1 =A/f;C2 =B/f2.

Для характеристики электромеханических свойств удобно рассматривать регулирование синхронного двигателя отдельно при Iв = var;U = const иIв = const;U = var.Моментно-угловыехарактеристики при этом соответственно представлены на рис. 2.2.1.38 и рис. 2.2.1.39. При частотном регулировании СД, когдаU/f = const;IB = var, аналитическая зависимость для момента

имеет вид
M =C1IB sin(θ)+C2 sin(2θ),	(2.2.1.66)

где C1=AU/f; C2 = B(U/f)2.

Характеристики для этого случая представлены на рис. 2.2.1.40. Рассмотрим режим частотного регулирования СД при U = const;Iв = const;f = var. Формула электромагнитного момента:

где C1=AUIB; C2 = BU2.

Из последнего выражения видно, что при сниженных угловых скоростях (частотах напряжения статора) синхронный двигатель обладает значительным максимальным моментом. Моментно-угловыехарактеристики для случая изменения только частоты приведены на рис. 2.2.1.41.

Рис. 2.2.1.38. Моментно-угловыехарактеристики синхронного двигателя приIВ = var;U = const: 1 — нормальное возбуждение; 2

—повышенное возбуждение; 3

—пониженное возбуждение; М1

—момент от поля возбуждения;

М2 — момент от явнополюсности; М — суммарный момент

Рис. 2.2.1.39. Моментноугловые характеристики синхронного двигателя при IВ =

const; U = var: 1 -U =Uном; 2 –U >UHOМ, 3 -U<UHOM;M1 —

момент от поля возбуждения; M2 — момент от явнополюсности;M — суммарный момент

Увеличение максимального момента при снижении угловой скорости (частоты статорного напряжения) СД, но при неизменном напряжении связано с большим значением тока статора, которое определяется уменьшением противоЭДС и реактивных сопротивлений машины.

Закон регулирования напряжения и тока возбуждения неявно полюсного синхронного двигателя или приближенный закон регулирования для крупных явно полюсных синхронных двигателей при изменении угловой скорости (частоты) и момента нагрузки и заданном запасе статической устойчивости найдем, воспользовавшись первой составляющей (2.2.1.64) для электромагнитного момента.

При постоянстве угла нагрузки синхронного двигателя закон регулирования напряжения и тока возбуждения находим следующим образом:

1sin(θном)= AUномIВ.ном(fномMном )= AU IB(fM ),

откуда

UIB(UномIВ.ном)= f M (fномMном ).

(2.2.1.68)

При U/f =Uном/fном = const получим зависимость регулирования тока возбуждения синхронного двигателя от момента на валу:

Рис. 2.2.1.40. Моментно-угловые		Рис. 2.2.1.41. Моментно-
характеристики	частотно-	угловые	характеристики син-
регулируемого	синхронного	хронного двигателя при U =
электропривода при U/f= const;Iв		const; Iв = const;f = var:M1 —
= var: 1 — нормальное возбуж-		момент от поля возбуждения,
дение; 2 — повышенное возбуж-		M2 — момент от явнополюс-
дение; 3 — пониженное возбуж-		ности; М — суммарный мо-
дение; М1 — момент от поля		мент
возбуждения; М2 — момент от
явнополюсности; М — суммар-
ный момент	Iв/Iв.ном= M/Мном.		(2.2.1.69)

Из выражения (2.2.1.69) следует,		что при постоянном отношении U/f

возбуждение синхронного двигателя должно изменяться прямо пропорционально изменению момента на валу.

Для Iв =Iв.ном = const из (2.2.1.68) следует, чтоU/f =Uном/fном = const, и

регулирование производится при постоянном моменте.

При постоянной мощности регулирование осуществляется изменением только частоты при неизменном возбуждении и напряжении.

f = const при Р = Рном = const; U/f2

По аналогии с двухзонным регулированием двигателей постоянного тока независимого возбуждения можно осуществить двухзонное регулирование угловой скорости синхронных двигателей; при постоянном моменте используется регулирование в зоне до номинальной угловой скорости, а при постоянной мощности — в зоне регулирования выше номинальной угловой скорости.

Для синхронных двигателей с явно выраженными полюсами при существенном влиянии реактивной составляющей момента закон регулирования напряжения определяется таким же образом, как и для неявно полюсной машины. Из уравнения (2.2.1.63) при условии постоянства угла θ и тока возбуждения (IВ = const), приняв в ограниченном диапазоне регулирования угловой скоростиE ≈ U, получим

U	=	f	M ,	(2.2.1.70)
Uном		fном	M ном

т. е. закон регулирования имеет тот же вид, что и для асинхронного двигателя при частотном управлении. Следовательно, и частотные законы регулирования для различного вида нагрузок будут одинаковыми для обоих типов машин:

U/f = const приМ =Мном = const,U/= const при вентиляторной нагрузке.

При низких частотах пренебрежение активным сопротивлением статорной обмотки вносит значительное искажение в расчетное значение электромагнитного момента. Однако отрицательное влияние активного сопротивления статора на характеристики синхронного двигателя проявляется в меньшей степени и при относительно более низких частотах, чем в случае асинхронного двигателя, и может быть в определенной мере скомпенсировано регулированием возбуждения.

Частотное регулирование, являясь практически единственным способом регулирования угловой скорости синхронных двигателей, характеризуется в основном такими же показателями, что и частотное регулирование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Современные электромеханические системы с СД, несмотря на разнообразие вариантов, имеют определенные общие черты в отношении состава, взаимосвязи основных частей, принципа действия [4], которые отражены на функциональной схеме, представленной на рис. 2.2.1.42.

Обмотка якоря двигателя М питается от полупроводникового преобразователя частотыUF, обмотка возбуждения — от полупроводникового возбудителя ME. Управление преобразователем частоты (ПЧ) и возбудителем осуществляет устройство автоматического регулирования ACL. В это устройство вводится задание скорости системы от органа ручного управления АСН или от системы автоматического управления скоростными режимами технологического агрегата.

В устройство регулирования поступает информация о положении ротора двигателя от датчика углового положения ротора BG, механически соединенного с двигателем, а также об электрическом состоянии двигателя от датчиков тока якоря UA и возбуждения UAE (возможно использование и других датчиков). В большинстве современных электромеханических систем с СД управление преобразователем частоты осуществляется в функции углового положения ротора двигателя. При этом в любом установившемся режиме выходная частота ПЧ в точности совпадает с частотой ЭДС вращения СД.

Рис. 2.2.1.42. Общая функциональная схема регулируемого электропривода с синхронным двигателем

Рассмотрим ПЧ, применяемые для питания якоря СД в регулируемых системах. Ими могут быть НПЧ, представляющие собой совокупность нескольких реверсивных комплектов тиристорных преобразователей, выполненных по системе выпрямитель—инвертор(ВИ).

Если имеется три реверсивных ВИ и на их входы поданы синусоидальные сигналы с одинаковой амплитудой и сдвигом на 1/3 периода, то образуется симметричный трехфазный источник с регулируемой частотой и амплитудой, который может быть использован для питания трехфазной обмотки якоря.

Коммутация тиристоров ВИ — естественная под действием напряжения источника питания. Для питания трехфазной обмотки якоря используются три ВИ; возможные варианты схемы цепей якоря показаны на рис. 2.2.1.43. На рис. 2.2.1.43,а фазы якоря изолированы друг от друга, питание же трех ВИ осуществляется от общего трехфазного источника — трансформатора или генератора. На рис. 2.2.1.43,б фазы якоря соединены друг с другом, например по схеме Y, но для питания выпрямителя необходимы три изолированных друг от друга источника — три трехфазных обмотки трансформатора или генератора.

В системах большей мощности используются ВИ по двенадцатитактной схеме: последовательной (рис. 2.2.1.44,а) или параллельной (рис. 2.2.1.44,б).

Формирование управляющих импульсов в НПЧ для тиристоров каждого из ВИ осуществляется СИФУ.

Рис. 2.2.1.43. Схемы главных цепей синхронного двигателя с НПЧ: а — изолированное питание обмоток;б — трехпроводная схема

Частота выходного напряжения может изменяться от нуля. По мере увеличения выходной частоты ухудшается гармонический состав выходного напряжения НПЧ и токов, потребляемых им от источника питания; нагрузка тиристоров становится неравномерной; для сглаживания пульсаций токов якоря необходимы в этом случае индуктивности.

Некоторую их часть составляют индуктивности рассеяния якоря. При росте частоты растет и напряжение на этих индуктивностях, режим работы электромеханической системы становится весьма неэкономичным. Эти обстоятельства ограничивают сверху частотный диапазон уровнем 1/4…1/3 частоты источника у шеститактных преобразователей, 1/3…1/2 у двенадцатитактных.

Рис. 2.2.1.44. Схемы двенадцатитактных НПЧ: а — последовательная;б — параллельная

Каждый ВИ, входящий в НПЧ, потребляет от источника реактивную мощность. Потребление реактивной мощности тем больше, чем меньше выходное напряжение.

Для питания маломощных (до 10 кВт) СД используются инверторы напряжения с широтно-импульсноймодуляцией (ИН с ШИМ) (рис. 2.2.1.45,а), которые преобразуют постоянное напряжение в напряжение регулируемой частоты и амплитуды.

Силовая цепь ИН с ШИМ образуется полностью управляемыми ключевыми элементами (рис. 2.2.1.45,б). Для трехфазного якоря используется шесть ключей, соединенных по мостовой схеме. Ключ должен не только открываться, но и закрываться по сигналам управления. Наиболее перспективны ИН с ШИМ на основе полностью управляемых полупроводниковых приборов: двухоперационных тиристоров или силовых транзисторов.

Каждая пара ключей (А1…А4, А3…А6, А5…А2) с определенной периодичностью (период модуляции) переключается. Для снижения коммутационных потерь энергии желательно иметь частоту модуляции fм как можно более низкой. Однако имеются обстоятельства, которые ограничивают снизу частоту модуляции. Объясняется это тем, что при малом отношении частоты

модуляции к максимальной рабочей частоте fsmax затруднено сглаживание токов якоря. Кроме того, при малом отношении частот неблагоприятно влияет дискретный характер управления ИН с ШИМ. Поэтому обычное отношение частот принимают по условиюfM/fsmax ≈ 10…20.

Рис. 2.2.1.45. Схемы главных цепей синхронного двигателя, питаемого от инвертора напряжения с ШИМ

Для питания якорей СД, особенно быстроходных, широко применяются преобразователи частоты с АИТ. Схема главной цепи ПЧ с АИТ представляет собой совокупность двух нереверсивных тиристорных ВИ, один из которых — UV — подключен к источнику питания (трансформатору, генератору), другой — UZ — к якорю СД (рис. 2.2.1.46).

Рис. 2.2.1.46. Схема главных цепей синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты с АИТ

В промежуточной цепи постоянного тока включен сглаживающий реактор L. В двигательном режиме СД преобразователь UV работает выпрямителем; он передает энергию от источника в цепь постоянного тока.

Преобразователь UZ работает как инвертор, он передает энергию из цепи постоянного тока в якорь синхронного двигателя. В тормозном режиме СД преобразователь UZ переходит в выпрямительный режим, а преобразователь UV — в инверторный.

Преобразователь UV, как и любой ВИ, подключенный к источнику, работает во всех режимах с естественной коммутацией вентилей от напряжения источника. В АИТ (преобразователь UZ) — коммутация естественная от ЭДС вращения СД. Необходимая для работы АИТ реактивная мощность поступает от синхронного двигателя, который должен работать как источник реактивной мощности с опережающим током якоря. Условия коммутации тиристоров АИТ накладывают ограничения на режимы синхронного двигателя, вследствие этого несколько ухудшаются его массогабаритные и энергетические показатели.

Современные преобразователи частоты с АИТ позволяют получить выходную частоту до 1000… 5000 Гц. Диапазон регулирования скорости сравнительно невелик — до 10:1.

Объясняется это тем, что при малых угловых скоростях ЭДС вращения недостаточна для коммутации тиристоров АИТ.

Области применения разновидностей синхронных двигателей для регулируемых систем

Каждый из видов двигателей имеет свою целесообразную область практического применения в регулируемых электромеханических систе-

мах. Для СД такой областью являются прежде всего системы средней и большой мощности (с номинальным моментомMном > 3 кН м) и диапазоном регулирования скорости более 2:1. В этой области СД по сравнению, например, с асинхронным имеет более высокие энергетические показатели (КПД и соsϕ). Кроме того, СД обладает повышенной управляемостью. Специальные виды СД: с постоянными магнитами, с когтеобразными полюсами гомополярные машины — позволяют использовать преимущества СД и в системах малой мощности, и в мощных быстроходных и сверхбыстроходных электроприводах.

Неявнополюсный СД с электромагнитным возбуждением по одной оси имеет преимущества перед явнополюсным СД по механической надежности, но уступает ему в отношении потерь на возбуждение. Для низкочастотных высокодинамичных электроприводов существенное значение имеет и другой недостаток неявнополюсного СД: требуется повышенный запас по напряжению якоря, что вызывается повышенным эквивалентным значением поперечной составляющей индуктивного сопротивленияХmqэ. Уголθ между вектором основного потока Фδ и продольной осью СД изменяется в широких пределах при изменении момента, и для быстрого поворота вектора Фδ требуется значительное динамическое напряжение якоря. Поэтому данная разновидность СД, как и в случае питания от сети, может быть рекомендована для быстроходных приводов с максимальной частотой вращения 1500…3000мин-1 со спокойным режимом работы, например для насосов и турбокомпрессоров.

Явнополюсный синхронный двигатель с электромагнитным возбужде-

нием по одной оси — основной вид СД для регулируемых электромеханических систем. Он имеет высокие энергетические показатели по сравнению с другими разновидностями СД. Эти двигатели перспективны для главных приводов и большинства механизмов прокатных станов, электроприводов крупных экскаваторов, крупных цементных и рудоразмольных мельниц.

Противопоказания к применению явнополюсного СД связаны с контактным токосъемом и недостаточной механической надежностью ротора с обмотками (даже в обращенной конструкции), поэтому этот двигатель нецелесообразно применять для быстроходных систем с максимальной частотой вращения свыше 1500 мин-1.

Бесконтактный синхронный двигатель с электромагнитным возбуж-

дением применяется для систем в тех случаях, когда недопустим контактный токосъем. Такой двигатель позволяет создавать регулируемые электроприводы средней и большой мощности на большие частоты вращения — свыше 3000 мин-1.Для сверхбыстроходных систем перспективны гомополярные синхронные двигатели. Они применяются для быстроходных турбокомпрессоров, главных приводов скоростных проволочных станов.

Машины с когтеобразными полюсами отличаются более полным ис-

пользованием активных материалов. Их можно применять для электромеханических систем средней мощности и скорости. Явнополюсный компенсированный синхронный двигатель перспективен для низкочастотных сверхдинамичных электроприводов средней и большой мощности (чаще всего — в обращенной конструкции). По сравнению с некомпенсированным СД требуется пониженное динамическое напряжение якоря, поскольку вектор Фδ в целесообразных режимах компенсированного СД не отклоняется от продольной оси.

СД с постоянными магнитами — наиболее удачный вариант двигателя для электроприводов малой мощности с однозонным регулированием скорости, работающих при моментах, близких к номинальному. При недогрузке и перегрузке энергетические показатели этих двигателей заметно ухудшаются, что препятствует их применению в высокодинамичных электроприводах с частыми перегрузками, особенно при повышенных требованиях к энергетическим и массогабаритным показателям.

СД с комбинированным возбуждением не уступает по динамическим качествам СД с электромагнитным возбуждением. Так как СД с комбинированным возбуждением являются контактными, они отличаются от бесконтактных СД с электромагнитным возбуждением улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями: вследствие применения постоянных магнитов существенно понижаются ток возбуждения и потери на возбуждение. Синхронный двигатель с комбинированным возбуждением по своим динамическим свойствам и режимам имеет преимущества по сравне-

нию с СД с постоянными магнитами: обеспечивает двухзонное регулирование скорости, высокоэкономичные режимы при резкопеременной нагрузке.

Итак, областью целесообразного применения СД с комбинированным возбуждением являются высокодинамичные электроприводы малой мощности с повышенными требованиями к массогабаритным и энергетическим показателям. Примером такого электропривода может служить мотор-колесоэлектромобиля.

2.2.1.5. Системы электропривода с шаговым двигателем. Системы электропривода с вентильным двигателем

В системах автоматики для преобразования управляющих импульсов в заданный угол поворота применяются синхронные двигатели, в которых магнитное поле статора не вращается равномерно, а поворачивается дискретно при подаче управляющего сигнала. При этом вращающий момент резко изменяется во времени и имеет форму импульсов, а ротор совершает дискретные перемещения. Такие СД называют импульсными или шаговыми

(ШД).

Статор ШД имеет две (иногда несколько) смещенные в пространстве сосредоточенные или распределенные обмотки, которые последовательно питаются постоянным током от сети постоянного тока через коммутатор. При этом полюсы ротора устанавливаются против возбужденных полюсов статора, по обмоткам которых протекает ток. При подаче тока в другие обмотки статора ротор поворачивается на один шаг в положение, при котором его полюсы устанавливаются против следующих возбужденных полюсов статора. При каждом переключении постоянного тока в обмотках статора (обмотках управления) ротор ШД поворачивается на один шаг, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов или шагов, совершаемых по апериодическому или колебательному закону.

Функциональная схема электромеханической системы с шаговым двигателем приведена на рис. 2.2.1.47 [4].

ШД

fвх	ЭК
ФИ	(РИ)	УМ

БУ Рис. 2.2.1.47. Функциональная схема шагового привода

Состоит из ШД и электронного блока управления БУ. БУ преобразует последовательность импульсов входного сигнала fвх в многофазную систему напряжений, приложенных к фазам ШД. БУ состоит из ФИ – формирователь

studfiles.net

Статические тиристорные системы возбуждения генераторов делятся на системы самовозбуждения (СТС) и системы независимого возбуждения (СТН). В первых источноком энергии для возбудителя является сам генератор (выпрямительный (выпрямительный трансформатор подключён к выводам генератора). В СТН источником энергии является либо специальный генератор, либо собственные нужды станции.

Характеристика

Значение

Выпрямленное номинальное напряжение,В

100-520

Выпрямленный номинальный ток, А

320-3900

Потолок по напряжению, о.е.

3,0; 2,5 (2,0)

Потолок по току, о.е.

2,0

Длительность форсировки, с.

20-50

Быстродействие системы возбуждения при форсировке, с.

Не более 0,06

Время изменения напряжения возбуждения от номинального до потолочного из режима при посадке напряжения статора на 10% при номинальной мощности и номинальном cos , с.

Время изменения напряжения возбуждения от номинального до отрицательного, равного 0.75 потолочного, при повышении напряжения статора на 10% при номинальных мощности и coscp, с.

Пределы изменения коэффициента усиления основного канала регулирования е.в. ном./е.н.

15-200

Система охлаждения тиристорного преобразователя

Естеств. воздушн.; Принудит, воздушн.

Микропроцессорная, резервированная, унифицированная

Статическая тиристорная система самовозбуждения

Пример записи системы самовозбуждения при ее заказе: СТС-100-320-2,5-6,3 УХЛ 4 ТУ 16-94 (ИАКР.651422.003ТУ) – система самовозбуждения с номинальными параметрами:

напряжение возбуждения —100 В; ток возбуждения 320 А; потолок по напряжению- 2,5 о .е.; напряжение питания преобразовательного трансформатора – 6,3 кВ; климатическое исполнение и категория размещения – УХЛ4.

Статические тиристорные системы возбуждения могут быть выполнены:

• одноканальными;

• двухканальными с одним главным АРВ и двумя резервными РРВ;

• двухканальными со 100% резервом по регулированию и управлению.

Питание тиристорного преобразователя осуществляется от выпрямительного трансформатора ВТ, подключенного либо к выводам генератора (система самовозбуждения – СТС), либо к шинам собственных нужд станции (независимое возбуждение – СТН).

Обозначения :

Г – генератор

УГП – устройство гашения поля

КМ – контактор

R з – защитное сопротивление ротора

ТР – тиристорный разрядник

ТП – тиристорный преобразователь

АРВ – автоматический регулятор возбуждения

РРН – резервный регулятор напряжения

СУТ – система управления тиристорами

СУВ – система управления возбуждением

ВТ – выпрямительный трансформатор

ТТ – трансформатор тока

ТН – трансформатор напряжения

Аппаратура управления возбуждением СУВ и система информации выполнены на базе микропроцессорных средств управляющей вычислительной техники. СУВ осуществляет автоматизированное управление устройствами системы возбуждения, обеспечивая функции технологического управления режимами генератора, контроля оборудования системы возбуждения, информационные функции и т.д. Вся информация отображается на местном пульте и заносится в |дневник| с указанием последовательности событий.

Автоматический регулятор возбуждения АРВ осуществляет поддержание напряжения на выводах генератора по ПИД закону в соответствии с заданными уставкой и статизмом в нормальных режимах работы генератора, имеет стабилизирующие каналы регулирования по отклонению и первой производной частоты, производным напряжения генератора и тока ротора.

Защита тиристорного преобразователя и обмотки ротора от перенапряжений осуществляется тиристорным разрядником ТР многократного действия. При срабатывании разрядника обмотка ротора замыкается на активное сопротивление Кзащ. Гашение разрядника производится путем шунтирования его контактором самосинхронизации КМ.

Гашение поля генератора производится переводом преобразователя в инверторный режим, либо автоматом гашения поля.

Начальное возбуждение генератора производится с помощью устройства начального возбуждения УНВ, получающего питание от сети собственных нужд 380 В электростанции, либо от аккумуляторной батареи.

Блок защит КЗСВ представляет собой аналогово-цифровой комплекс на интегральных микросхемах.

При одноканальной системе возбуждения имеется один тиристорный преобразователь с системой управления тиристорами, основной регулятор возбуждения сильного действия АРВ и резервный регулятор напряжения РРН.

При двухканальной системе возбуждения с одним главным АРВ и двумя резервными регуляторами РРН имеется один регулятор возбуждения сильного действия, два резервных регулятора РРВ1 и РРВ2, две системы управления тиристорами СУТ1 и СУТ2, система управления возбуждением СУВ.

Двухканальная система со 100% резервом выполняется с двумя автономными и равноценными преобразовательно-регулирующими каналами, каждый из которых способен самостоятельно обеспечить все режимы работы генератора.

Преобразовательно-регулирующие каналы включены параллельно и работают раздельно таким образом, что при появлении неисправностей в работающем канале, обеспечивается автоматическое вступление в работу резервного канала без изменения режима работы генератора.

Комплектность

В комплект поставки систем возбуждения типа СТС и СТН входят изделия:

• установка преобразовательная;

• преобразовательный трансформатор с трансформаторами тока;

• сопротивление самосинхронизации.

Системы выпускаются по ТУ16-94 (ИАКР.651422.003 ТУ) и ТУ 16-95 (ИАКР.615422.006) внутри страны и на экспорт.

www.klgcorp.ru

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 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 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.

www.gigavat.com

В схемах на ранее представленных рисунках 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 двигательполучал 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) предназначены для питания обмотки возбуждения турбогенераторов выпрямленным регулируемым током и представлены на рисунке 4.

а – с подвозбудителем; б – без подвозбудителя, с питанием обмотки возбуждения возбудителя от выпрямительного трансформатора

Рисунок 4 – Система бесщеточная диодная независимого возбуждения

В схеме на рисунке 4 а питание обмотки возбуждения диодного возбудителя осуществляется от магнитоэлектрического подвозбудителя с постоянными магнитами, а в схеме на рисунке 4 б – 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.

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 5500 А, свойственных системе СТН. Выпрямленное номинальное напряжение составляет до 600 В, а выпрямленный номинальный ток до 7800 А. Система охлаждения вращающегося диодного выпрямителя – естественная воздушная.

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 Рисунок 5 – Система бесщеточная диодная с тиристорным возбуждением обмотки возбуждения возбудителя

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.

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 50 мс, тогда как в тиристорных системах – не более 25 мс. Как один из современных вариантов схемы на рисунке 4 б с выпрямительным трансформатором (ВТ) на рисунке 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).

6 Система возбуждения для дизель–генераторов

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 рисунке 6. Силовая часть выполнена в виде блока с принудительным охлаждением и размещена на корпусе генератора. Малогабаритный регулятор напряжения устанавливается в щите управления энергоблоком.

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

Рисунок 6 – Система бесщеточная диодная возбуждения дизель-генератора

Система бесщеточная с диодным синхронным возбудителем (СБД), магнитоэлектрическим подвозбудителем с постоянными магнитами и статическим тиристорным регулятором возбуждения представлена на рисунке 7.

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

Рисунок 7 – Система бесщеточная диодная возбуждения дизель-генератора

Вращающаяся часть оборудования системы (дизель-генератор, диодный синхронный возбудитель и магнитоэлектрический подвозбудитель) за счет совмещения конструкции изготавливается в виде компактного блока, установленного на валу генератора. Регулятор возбуждения размещен в отдельном шкафу. Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов:

– диапазон уставок напряжения генератора, % от номинального значения;

– статизм внешней характеристики, % от номинального значения;

– форсировочная способность обеспечивающая кратность тока короткого замыкания при замыкании выводов генератора, о. е.;

– время восстановления напряжения генератора при внезапных изменениях нагрузки вплоть до 100 %, с;

– точность поддержания напряжения генератора при изменении нагрузки по току от 0 до 100 % и коэффициенте мощности не хуже, %;

– точность распределения реактивных нагрузок при параллельной работе генераторов, не хуже, %.

Системы возбуждения дизель-генераторов характеризуются полной автономностью – начальное возбуждение обеспечивается исключительно за счет внутренних источников.

studfiles.net

Cтраница 2

Для турбогенераторов мощностью 500 МВт применяется независимая тиристорная система возбуждения с питанием обмотки ротора от вспомогательного синхронного трехфазного генератора, с преобразователем переменного тока в постоянный с помощью статических тиристорных преобразователей. [16]

Устройство было испытано на электродинамической модели тиристорной системы возбуждения. [17]

Расчет установившегося режима для СД с тиристорной системой возбуждения аналогичен расчету / становившегося режима для СД с электромашинной системой возбуждения. [18]

Для турбогенераторов мощностью 160 – 800 МВт применяется тиристорная система независймбгб возбуждения. В качестве возбудителя Используются синхронные трехфазные генераторы переменного тока. Генераторы имеют замкнутую воздушную вентиляцию, вбздух охлаждается охладителями, встроенными в корпус статора. Возбудители имеют два стояковых подшипника скольжения с принудительной смазкой. Возбуждение регулируется автоматическим регулятором. [19]

Использование явления сверхпроводимости может представлять определенный интерес для бесщеточных тиристорных систем возбуждения обычных турбогенераторов большой мощности. В данном случае прочность листовой электротехнической стали ограничивает размеры якоря, а следовательно, и мощность обращенной синхронной машины. Применение сверхпроводящей обмотки позволяет для данной мощности снизить габариты возбудителя или при заданных габаритах существенно увеличить его мощность. Для тиристорного преобразователя необходимо приблизительное поддержание напряжения возбудителя. Сверхпроводящая обмотка возбуждения обеспечивает постоянство магнитного потока, в результате чего напряжение якоря будет приблизительно неизменным. [20]

Эти недостатки частично устранены в бесконтактной бесщеточной) тиристорной системе возбуждения БТВУ-300, проходящей с 1981 года опытно-промышленную проверку на ряде ТЭС страны, и БТВ-500-4, установленной на одной из АЭС. [21]

В последние годы в ряде стран разрабатываются и внедряются бесщеточные диодные и тиристорные системы возбуждения, являющиеся, по-видимому, наиболее перспективными системами возбуждения для крупных синхронных машин. Эти системы ( рис. 4.2, е, ж) содержат источник переменного тока и полупроводниковый преобразователь, расположенные на валу ротора возбуждаемой машины. При этом все три основных элемента системы возбуждения – источник переменного тока, преобразователь, обмотка возбуждения синхронной машины – соединяются жестко без вращающихся контактных переходов. В качестве источника переменного тока ( возбудителя) используется так называемый обращенный синхронный генератор с обмоткой возбуждения, расположенной на неподвижном статоре, и трехфазной обмоткой переменного тока, расположенной на вращающемся роторе возбуждаемой синхронной машины. [22]

Не предусматривается установка агрегатов резервного возбуждения на турбогенераторах, оснащенных тиристорными системами возбуждения со 100 % – ным резервированием. Такие системы выполняются с двумя одинаковыми и автономными преобразовательно-регулирующими каналами. [23]

По применяемой системе возбуждения турбогенераторы классифицируются на машины со статической системой самовозбуждения, независимой тиристорной системой возбуждения и бесщеточным возбуждением. [24]

Начиная с 1972 г. заводы перешли на изготовление более надежных и простых в эксплуатации тиристорных систем возбуждения, резко снизив выпуск ртутных вентилей. [25]

Управление возбуждением синхронного двигателя 10 кВ мощностью 8000 кВт магистрального насоса в соответствии с техническими условиями осуществляется с помощью тиристорной системы возбуждения. Напряжение цепей управления принято 220 В постоянного тока. Двигатель 8000 кВт завод поставляет с тиристорным возбудительным устройством ТВУ-247-320М и согласующим транс – Форматором. [26]

Синхронные двигатели единой серии СТД изготовляют мощностью свыше 5000 кВт только в закрытом исполнении с замкнутым циклом вентиляции с тиристорной системой возбуждения ( ТВУ-2), с бесщеточной системой возбуждения ( БВУ) – до 5000 кВт, с отдельно стоящим агрегатом в составе асинхронного двигателя и генератора постоянного тока для двигателей мощностью 6300 – 12 500 кВт или с возбудителем серии ВТ на одном валу. [27]

Регулирование возбуждения генератора производится путем воздействия на управление выпрямителем ТВ с помощью автоматического регулятора возбуждения или вручную изменением уставки АРВ, аналогично тиристорной системе возбуждения. [29]

В настоящее время синхронные двигатели единой серии СТД изготовляются мощностью свыше 5000 кВт только в закрытом исполнении с замкнутым циклом вентиляции с тиристорной системой возбуждения ( ТВУ-2), с бесщеточной системой возбуждения ( БВУ) до 5000 кВт, с отдельно стоящим агрегатом в составе асинхронного двигателя и генератора постоянного тока для двигателей мощностью от 6300 до 12 500 кВт или с возбудителями серии ВТ на одном валу. [30]

Страницы: 1 2 3 4

www.ngpedia.ru

(2.2.1.67)