Системы возбуждения

Эти системы обеспечивают питание обмотки возбуждения синхронной машины постоянным током и его регулирование. Их основным элементом является возбудитель – источник постоянного тока. На электрических схемах он имеет позиционное обозначение GE, а сам генератор - позиционное обозначение G.

Требования к системам возбуждения: - допускать регулирование напряжения в заданных пределах;

- обеспечивать быстродействующее автоматическое регулирование с высокой кратностью тока;

- осуществлять в случае необходимости быстрое снижение тока возбуждения в аварийных режимах.

Системы возбуждения подразделяются на прямые и косвенные. В прямых системах возбудитель непосредственно соединен с валом генератора (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Прямые системы возбуждения:

а - с генератором постоянного тока; б – с генератором переменного тока

К достоинствам прямых систем возбуждения относится то, что частота вращения возбудителя при КЗ практически остается неизменной. Кроме того, эти системы имеют высокую надежность и малую стоимость. Имеются следующие недостатки: ремонт и ревизия возбудителя возможны только при остановленном генераторе, системы невозможно использовать для мощных турбогенераторов.

В косвенных системах возбудитель приводится во вращение электродвигателем.

На рис. 1.12 этот электродвигатель имеет позиционное обозначение М.

Рис. 1.12. Косвенные системы возбуждения:

а - зависимая; б - независимая

В косвенных зависимых системах электродвигатель подключен к шинам системы собственных нужд электростанции (рис. 1.12, а), в независимых он получает питание от отдельного генератора (рис. 1.12, б). Свое название (зависимые или независимые) эти системы получили в связи тем, что при коротком замыкании в системе собственных нужд режим первой из них нарушается (электродвигатель затормаживается), а во второй он от такого замыкания не зависит. Независимая система возбуждения применяется в тихоходных гидрогенераторах, а зависимая в капсульных гидрогенераторах, синхронных компенсаторах и в резервном возбуждении.

Косвенные системы возбуждения имеют такие достоинства:

- наличие отдельного двигателя позволяет выбрать рациональную частоту вращения возбудителя;

- применимость к генераторам любой мощности.

К недостаткам этих систем относятся их сложность и меньшая надежность.

Слабым местом описанных систем возбуждения является наличие в них щеточного узла. Контактные щетки требуют постоянного наблюдения и периодической замены. Эти недостатки устранены в бесщеточной системе возбуждения (рис. 1.13). В ней высокочастотный возбудитель GE имеет обращенное исполнение – его трехфазная обмотка размещена на роторе, а обмотка возбуждения на статоре. Выпрямители и индивидуальные предохранители встроены в барабан, расположенный между соединительной муфтой генератора G и якорем возбудителя GE. Так как трехфазная обмотка возбудителя, выпрямители и обмотка возбуждения генератора вращаются с одинаковой частотой, то они соединены электрически без контактных колец и щеток.

Рис. 1.13. Бесщеточная система возбуждения

Бесщеточная система возбуждения применяется в некоторых турбогенераторах мощностью более 800 МВт и синхронных компенсаторах 50 МВ·А и более. Ее достоинством является высокая надежность и облегчение эксплуатации. Однако она не лишена и некоторых недостатков.

В частности, требуется остановка генератора для замены вышедших из строя выпрямителей и предохранителей. Гашение поля генератора происходит относительно медленно. Невозможна работа на резервном возбуждении.

Режимы работы систем возбуждения

Нормальный режим работы систем возбуждения характеризуется следующими цифрами:

Р_Е. _ном = (0,2-0,6) % P_{г. ном};

U_Е. _ном = 80-600 В;

I _Е. _ном - до 8 кА.

Для поддержания постоянного уровня напряжения на выводах генератора системы возбуждения снабжают автоматическими регуляторами тока возбуждения - АРВ. Существует несколько видов АРВ. Самые простые из них реагируют на отклонение напряжения генератора.

Широкое распространение получило токовое компаундирование (рис. 1.14). В нем дополнительное возбуждение осуществляется за счет вторичного тока основного синхронного генератора, при этом АРВ регулирует возбуждение возбудителя выпрямленным током, пропорциональным току статора генератора. Основным достоинством токового компаундирования является быстродействие, то есть обеспечение быстрого роста тока возбуждения при больших снижениях напряжения, вызванных КЗ. Недостаток заключается в малой точности регулирования напряжения.

Рис. 1.14. Токовое компаундирование

Однако поддержание рабочего напряжения на выводах генератора при разных режимах его работы посредством одного токового компаундирования невозможно, так как на падение напряжения внутри генератора влияет не только ток статора, но и фазовый сдвиг между током и напряжением. Поэтому в дополнение к токовому компаундированию предусматриваются корректоры напряжения. Одна из систем АРВ с корректором напряжения показана на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Токовое компаундирование с коррекцией по напряжению

Трансформатор Т этой системы имеет две первичных обмотки, одна из которых подключена к трансформатору тока, а вторая - к трансформатору напряжения. Полярность включения обмоток выбрана такой, что магнитные потоки, создаваемые этими обмотками, направлены встречно друг другу. При снижении напряжения из-за роста нагрузки генератора магнитный поток трансформатора растет, что приводит к повышению напряжения его вторичной обмотки, к возрастанию тока возбуждения и к подъему напряжения генератора. Такая схема обеспечивает более точное регулирование.

Кроме нормальной ситуации системы возбуждения должны обеспечивать работу генератора в аварийных режимах. Таких режимов два: форсировка напряжения и гашение поля генератора. При глубоких снижениях напряжения электрической сети, например, при КЗ в обмотке статора или на его выводах применяется форсировка (быстрое увеличение тока возбуждения генераторов). Это повышает устойчивость работы генераторов и надежность работы релейной защиты, а также уменьшает размеры повреждения обмотки статора при пробоях изоляции внутри машины, облегчает условия самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций. В режиме форсировки системы возбуждения характеризуются скоростью нарастания возбуждения и кратностью форсировки U_{возб..форс} / U_{возб..ном}.

Простейшая схема форсировки - релейная. Она показана на рис. 1.16. Ее основные элементы - это минимальное реле напряжения KV, контактор KM и резистор R в цепи обмотки возбуждения возбудителя GE.

Рис. 1.16. Релейная форсировка

В нормальном режиме работы реле KV находится в состоянии срабатывания и его контакт в цепи обмотки контактора КМ разомкнут. Поэтому контакты КМ в цепи обмотки возбуждения возбудителя GE также разомкнуты. Если же произойдет сильное снижение напряжения в сети, то якорь реле KV отпадет и контакты этого реле включат контактор KM, который своим контактом зашунтирует резистор R. Это приведет к росту напряжения генератора.

Второй аварийный режим - это гашение поля. Для этого используется автомат гашения поля (АГП) - электрический аппарат специальной конструкции, который при срабатывании производит оптимальное снижение тока возбуждения. Действие АГП заключается в уменьшении времени гашения поля при соблюдении предельно допустимой величины напряжения на обмотке возбуждения по условиям электрической прочности изоляции .

Рис. 1.17. Тиристорная система возбуждения

Имеются две разновидности автоматов гашения поля - АГП с разрядным резистором

и АГП с дугогасительной решеткой. Схема с первым из них приведена на рис. 1.17, причем контакты АГП показаны для нормального режима работы генератора G.

Рис. 1.18. Цепь возбуждения, имеющая АГП с разрядным резистором

Контакты 1 и 2 автомата выполнены так, что при включении АГП (гашение поля) сначала замыкается контакт 1, и только потом размыкается контакт 2. Таким образом, не происходит размыкание цепи обмотки возбуждения генератора G. Энергия, запасенная в роторе генератора, расходуется на нагрев резистора R. При этом ток в обмотке возбуждения генератора G снижается по закону экспоненты от начала процесса до точки t₂ (рис.1.19), то есть время гашения будет равно t₂ . Если бы снижение тока возбуждения шло по линейному закону, то время гашения сократилось бы до величины t₁. Именно это делается в АГП с дугогасительной решеткой (рис. 1.20).

Рис.1.19. Характер изменения тока в обмотке возбуждения

Рис.1.20. Цепь возбуждения, имеющая АГП с дугогасительной решеткой

Этот автомат также имеет два контакта, работающих поочередно. В нормальном режиме они оба замкнуты, а при гашении поля первым размыкается рабочий контакт 1, а за ним размыкается дугогасительный контакт 2. Такая работа контактов предотвращает обгорание рабочего контакта 1 электрической дугой, возникающей при размыкании цепи возбуждения. Когда же разомкнется контакт 2, то под действием тепла электрическая дуга устремится вверх, по направлению к дугогасительной решетке. Эта решетка состоит из ряда металлических пластин, подключенных к отводам резистора R. На пластинах решетки дуга разбивается на ряд коротких дуг, которые поочередно гаснут. Отводы резистора R подобраны так, что обеспечивается снижение тока возбуждения по линейному закону.

Выпускается три типа тиристорных систем возбуждения:

- независимые (СТН);

- самовозбуждения (СТС);

- бесщеточные диодные (СБД).

В СТН тиристорные выпрямители главного генератора получают питание от вспомогательного генератора, соединенного с валом главного генератора. Для гашения поля делается перевод выпрямителя в инверторный режим.

В СТС выпрямитель получает питание от трансформатора, подключенного к генераторному токопроводу.

В СБД применены вращающиеся выпрямители. Эта система имеет меньшее быстродействие по сравнению с СТС и СТН.

Гашение поля генератора должно выполняться и при его нормальной остановке.