Меню

Автоматическое регулирование напряжения синхронного генератора

Автоматические регуляторы напряжения синхронных генераторов и способы их технической реализации Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Рак А. Н., Сацюк А. В., Лыков А. Г.

В статье проведён анализ существующих схем методов управления синхронными генераторами. Рассмотрен опыт разработки и апробирована схема автоматического управлением режимами работы синхронного генератора.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Рак А. Н., Сацюк А. В., Лыков А. Г.

Automatic voltage regulators for synchronous generators and methods for their technical implementation

The article analyzes the existing schemes of control methods for synchronous generators. The experience of development is considered and the scheme for automatic control of the operating modes of the synchronous generator is tested.

Текст научной работы на тему «Автоматические регуляторы напряжения синхронных генераторов и способы их технической реализации»

литой короткозамкнутой обмоткой ротора / В.Ф. Сивокобыленко, В.А. Павлюков, Ю.Н. Папазов, А.В. Железняков // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ / Под общей ред. академика НАН Украины Г.Г. Пивняка.- Донецк: УкрНИИВЭ, 2008. — С. 152 — 162.

Разработана математическая модель для анализа статических и динамических режимов работы ПЭД с ЛМКО ротора, на базе Т-образной схемы замещения, отличающаяся учётом потерь мощности в стали, с учётом

зависимости от тока индуктивных сопротивлений рассеяния статора, ротора и ветви намагничивания.

Ключевые слова: погружной

асинхронный электродвигатель, литая медная короткозамкнутая обмотка, математическая модель.

A mathematical model is developed for the analysis of the static and dynamic modes of operations of SEM with CSCW rotor on the base of the L-equivalent circuit with account losses of power in steel.

Keywords: submersible asynchronous electric motor, cast copper short-circuited winding, mathematical model

доцент (Донецкий национальный технический университет) старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)

старший преподаватель (Донецкий национальный технический университет)

Автоматические регуляторы напряжения синхронных генераторов и способы их технической реализации

Rak A.N., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DONNTU), Satsuk A.V., Senior lecturer (DRTI), Lykov A G., Senior lecturer t (DONNTU)

Automatic voltage regulators for synchronous generators and methods for their technical implementation

электроэнергетическими системами (СЭЭС), определяется стабильностью таких параметров как напряжение и частота.

При переменной нагрузке СЭЭС происходит изменение вырабатываемой

мощности синхронных генераторов, работающих параллельно. Такой характер работы влияет на изменение напряжения и частоты системы в целом, что отрицательно сказывается на качестве производимой электроэнергии и моторесурсе приводных дизель-генераторов. Особенно это проявляется при неординарных ситуациях: сбросе-набросе большой нагрузки, включении

мощных потребителей, соизмеримых с мощностью генератора. При аварийных ситуациях, коротких замыканиях -возможен выход генератора из синхронизма, потеря устойчивости, мощная дуга и выведение электроэнергетической системы из строя.

Точность компенсации внешнего воздействия непосредственно

определяется точностью задания характеристик и измерения

Целью исследования является

разработка схемы регулирования

режимами работы синхронного генератора.

процессом производства и

распределения электроэнергии на морских судах предполагает прежде всего автоматическое регулирование напряжения и частоты и, связанных с ними реактивной и активной мощностей синхронных генераторов (СГ) (реактивной мощности синхронных компенсаторов).

Напряжение и частота тока, применяемых в условиях производства электроэнергии на судовых

электростанциях являются основными показателями качества электрической энергии, которые в соответствии с требованиями Российского морского регистра судоходства РС приведены в [1] и табл. 1.

Допустимые отклонения параметров питания_

Параметры Отклонение от номинальных значений

Длительное, % К] )атковременное

Напряжение (переменный ток) Частота +6. -10 +5 +20 +10 1,5 5

Напряжение (постоянный ток) +10 5 10 Циклическое отклонение Пульсации

Примечание. При питании от аккумуляторной батареи: длительное изменение напряжения должно находиться в пределах от +30 до -25% для оборудования, питающегося от аккумуляторной батареи, подключенной к зарядному устройству; длительное изменение напряжения должно находиться в пределах от -20 до -25% для оборудования, не подключенного к батарее во время зарядки.

На рис. 1 для примера показана элементарная энергосистема с дизелем (Д), генератором (Г), линией

электропередачи с сопротивлением Zл и шинами, от которых питаются электроэнергией потребители. В

идеальных условиях напряжение и частота у потребителей должны быть неизменными и равными номинальным значениям ипр.ном; /ном. Для выполнения этого требования напряжения в различных точках энергосистемы должны быть различными, а частота переменного тока должна оставаться одинаковой.

В частности, напряжение иг на выводах генератора должно изменяться в зависимости от тока в линии 1л в соответствии с известным равенством:

иГ _ иПР.НОМ + 1Л ‘ ^ Л . (1)

В процессе работы энергетической системы непрерывно происходят

изменения потребляемой и

генераторами мощности. При отсутствии регулирования эти изменения мощности вызывают отклонения от нормальных значений напряжения и частоты и приводят к ухудшению качества электрической энергии, передаваемой потребителям. Поэтому на дизеле и генераторе устанавливаются автоматические

устройства регулирования частоты (АРЧ) и напряжения (АРН) Устройство АРЧ должно автоматически

поддерживать неизменной частоту вращения, а устройство АРН автоматически изменять напряжение генератора в соответствии с (1).

Рис. 1. Схема элементарной энергосистемы

Изменения напряжения и частоты особенно резко проявляются в аварийных условиях, например при коротких замыканиях в сети, при внезапных отключениях генераторов большой мощности и т.п. В этих условиях нарушается баланс между мощностью, подводимой к дизелям, и мощностью, отдаваемой генераторами. В результате отдельные генераторы могут получать значительные ускорения по отношению к другим и выходить из синхронизма. Опыт эксплуатации энергетических систем показывает, что с точки зрения устойчивой работы энергосистемы быстродействующее

регулирование частоты вращения и особенно напряжения имеет

исключительно важное значение.

Аварии с нарушением

автономных систем в современных условиях приносят значительный вред работе судовых механизмов и оборудования.

регуляторами напряжения. Но ситуация осложняется еще и тем, что все известные фирмы-производители

современных генераторов, например SIEMENS, не предоставляют никакой

информации о регуляторах кроме их типа. Во всей имеющейся технической документации они представляются в виде системы «черный ящик» (ЧЯ), а в лучшем случае в виде структурных схем [2, 3].

Для поддержания надлежащего уровня напряжения и частоты в энергосистеме необходимо производить соответствующие изменения

напряжения возбуждения генераторов для восстановления напряжения и подачи топлива дизеля для восстановления частоты.

напряжения, частоты и нагрузок генераторов и линий электропередачи на заданном уровне или изменение их по заранее заданному закону, и

составляет предмет автоматического регулирования основных электрических величин в энергосистемах.

напряжения, как правило, состоит из следующих основных явно или неявно выраженных частей и элементов (рис. 2):

— измерительной части (ИЧ), формирующей значение и знак отклонения регулируемой величины от заданного значения (сигнал по отклонению, например Диг) и другие сигналы;

— усилителя (У), в общем случае операционного;

— логической части (ЛЧ), координирующей прохождение сигналов измерительной части и операционного усилителя;

Рис. 2. Функциональная схема автоматического регулятора

— исполнительного элемента (ИЭ), производящего регулирующим

воздействием (РВ) соответствующие изменения первичного фактора, воздействующего на возвращение регулируемой величины к ее первоначальному или другому заданному значению.

Измерительная часть может состоять из нескольких измерительных органов. В измерительную часть обычно входит так называемый задающий элемент, устанавливающий заданное (предписанное) значение регулируемой величины, например игзад, для сравнения с ее действительным значением. В автоматических системах

регулирования всегда имеются цепи отрицательных обратных связей (ООС), стабилизирующих процесс

регулирования; элементы статизма, обеспечивающие определенную

устройства распределения активной и

реактивной нагрузки генераторов и др.

элементов, частей и их сочетание в различных типах автоматических регуляторов очень разнообразны.

регулирования может находиться или в состоянии установившегося

устойчивого равновесия, или в процессе перехода от одного установившегося состояния к другому. Всякое новое состояние устойчивого равновесия может наступить: или когда регулируемая величина вернется к своему первоначальному значению (предшествующему переходному

процессу) или когда регулируемая величина примет какое-то новое значение в соответствии с заданным знаком ее изменения.

В [2] и на рис. 3 приведены характеристики регулирования СГ. В случае (рис. 3, а) регулирование получается зависимым, а в случае рис. 3, б — независимым.

Рис. 3. Характеристики регулирования СГ: а — статическая; б — астатическая

регулирования СГ описывается выражением:

Шст = 4 1 — о2р • (—), (2)

где cosф — значение коэффициента мощности генератора, указывается в паспортной табличке генератора. Как показывает опыт практической эксплуатации генераторов, как правило,

Например, при = 0,8; — = 1;

Шст = 4 1- оф- (—) = 4 1 — 0,82 -1 = 2,4,%

При регулировании по

характеристике (рис. 3, а) каждому новому значению тока статора /8 соответствует свое, новое

установившееся значение регулируемой величины иг.

Для поддержания в допустимых пределах уровня выходного напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до

номинального значения используются системы автоматического

Читайте также:  Какое напряжение электроэнергии вырабатывают электростанции

структурные схемы которой приведены на рис. 4 и рис. 5.

Текущее значение выходного напряжения от напряжения снимается с помощью трансформатора напряжения TV и преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя В1 и сглаживающего фильтра Ф1. дальнейшей работы системы.

напряжение сравнивается в компараторе Ком1 с выходным сигналом генератора линейно-изменяющего напряжения (ГЛИН).

Рис. 4. Структурная схема аналогового автоматического регулятора напряжения

Рис. 5. Структурная схема аналогового автоматического регулятора напряжения -стабилизатора напряжения (в качестве источника питания)

В результате чего на выходе компаратора Ком1 формируются прямоугольные импульсы с постоянным периодом и изменяющейся

длительностью в зависимости от уровня постоянного напряжения (реализуется принцип широтно-импульсной

модуляции). Выходной сигнал компаратора приводится к требуемому уровню с помощью ограничителя напряжения ОН (при необходимости) и управляет работой транзисторного ключа Кл, включенного

последовательно с обмоткой двигателя, и который, в свою очередь, управляет

величиной тока, потребляемого от источника питания ИП. Регулирование напряжения производится при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения. Контроль величины тока нагрузки осуществляется с помощью трансформатора тока ТТ, выходной сигнал которого

преобразуется в постоянное напряжение с помощью выпрямителя В2 и сглаживающего фильтра Ф2. Полученное постоянное напряжение, пропорциональное току нагрузки, сравнивается в компараторе Ком2 с опорным, соответствующему

номинальному значению тока нагрузки. При превышении текущего значения тока нагрузки над номинальным компаратор Ком2 срабатывает и запрещает работу транзисторного ключа.

Выше были рассмотрены аналоговые способы регулирования возбуждения СГ.

Регулировка тока возбуждения в индуктор СГ осуществляется регулятором, который построен на базе микропроцессорного устройства.

Основной задачей регулятора является:

— опрос выходного напряжения и на статоре;

— опрос выходного тока в статоре 1а ;

— генерация ШИМ сигнала и регулировка тока возбуждения по закону представленном на графике (рис. 6);

— отслеживать и выявлять предаварийный режим работы системы.

представлена на рис. 7.

Основным узлом решающей задачи регулятора является

высокопроизводительный 8-разрядный микроконтроллер (МК) серии AVRAtmega48.

Посредством микросхемы DD3 через внутренний АЦП (порт ADC5)MK осуществляет опрос тока в статорной обмотке. Микросхема DD3

представляет собой бесконтактный датчик Холла марки ACS758LCB-300B, который рассчитан на ток измерения до 300 А. Элементы Tri, R2, R3 обеспечивают контроль уровня фазного напряжения. Этот сигнал поступает на вход третьего канала внутреннего АЦП МК (порт ADC3).

Рис. 7. Принципиальная схема регулятора тока возбуждения в синхронном генераторе

Для управления током

возбуждения индуктора МК генерирует ШИМ сигнал (порт ОСОВ) (рис. 8). Силовым ключом, который усиливает сигнал от МК, был выбран ЮВТ транзистор КЛН60№0С2. Данный транзистор способен коммутировать напряжения 600 В, ток 300 А и работать в импульсном режиме на частотах до 2 КГц. С учетом особенностей МК и силовой части схемы при номинально напряжении индуктора 64В, схема (рис. 7) способна регулировать напряжения с точностью ±970мкВ.

Для надежного управления транзистором КСН60№0С2 был выбран драйвер IGBTSKYPER32.

показателей драйвер отслеживает критический ток, напряжения и температуру на транзисторе. В случае их превышения схема оповещает МК сигналом (порт АОС1) предаварийного режима и отключает регулятор.

Рис. 8 Широтноимпульсный модулированный сигнал на затворе ключа

1. Рассмотренные выше аналоговые схемы, применяемые для регулирования напряжения имеют ряд недостатков, наиболее существенными из которых являются:

— сравнительно невысокая точность, определяемая соотношением диапазона изменения напряжений полезных сигналов и уровнями помех, дрейфа нуля усилителей и т.п., например, при диапазоне изменения информационных сигналов от -10 В до +10 В и уровне различных помех в схеме от -0,1 до +0,1 В относительная погрешность устройства не может быть менее, что зачастую недопустимо;

— для перенастройки параметров или изменения алгоритма функционирования необходимо изменить схему устройства (т.е. вносить в него аппаратные изменения).

2. Преодоление этих недостатков можно осуществить с помощью цифрового способа представления и обработки информации. Цифровая реализация регулятора напряжения позволяет:

— избежать влияния помех (уровень которых обычно не превышает десятых долей вольта);

— применение численных методов обработки информации позволяет достичь практически любой (заданной) точности;

— перенастройка параметров схемы достигается не за счет изменения его аппаратной части, а за счет изменения программной.

1. Правила классификации и постройки морских судов. Часть XI. Электрическое оборудование. НД №2 -020101-087. Российский морской регистр судоходства. Электронный аналог печатного издания, утвержденного 30.09.15. Санкт-Петербург, 2016. — 130 с.

2. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: Учеб. Пособие для студентов вузов. — М.: Высш. школа, 1982. — 272с., ил.

3. Operating Instructions Synchronous Generator. Common items. Instruction Manual. Hyundai heavy industries Co., Ltd. Электронный ресурс.

В статье проведён анализ существующих схем методов управления синхронными генераторами. Рассмотрен опыт разработки и апробирована схема автоматического управлением режимами работы синхронного генератора.

Ключевые слова: характеристики погрузок, крупноразмерные

металлоконструкции, сцепные транспортеры, схемы погрузок, железная дорога.

The article analyzes the existing schemes of control methods for synchronous generators. The experience of development is considered and the scheme for automatic control of the operating modes of the synchronous generator is tested.

Keywords: loading characteristics, large-sized steel structures, coupling transporters, loading schemes, railroad.

Источник

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

  • главная
  • инфо
  • блог
  • словарь электромеханика
  • электроника
  • крюинговые компании
    • Одесса/Odessa
    • Николаев/Nikolaev
  • Обучение
    • Предметы по специальности
      • АГЭУ
      • АСЭЭС
      • Диагностика и обслуживание судовых технических средств
      • Мехатронные системы
      • Микропроцессоры
      • Моделирование электромеханических систем
      • МПСУ
      • САЭП
      • САЭЭС
      • СДВС
      • СИВС
      • Силовая электроника
      • Судовые компьютерные ceти
      • СУЭ и ОСУ
      • ТАУ
      • Технология судоремонта
      • ТЭП
      • ТЭЭО и АС
    • Общие предметы
      • Безопасность жизнедеятельности
      • Высшая математика
      • Ділова українська мова
      • Интеллектуальная собственность
      • Культурология
      • Материаловедение
      • Охрана труда
      • Политология
      • Системы технологий
      • Судовые вспомогательные механизмы
      • Судовые холодильные установки
    • I курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • II курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • III курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • IV курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • V курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
  • Теория
    • английский
    • интернет-ресурсы
    • литература
    • тематические статьи
  • Практика
    • типы судов
    • пиратство
    • видеоуроки
  • мануалы
  • морской словарь
  • технический словарь
  • история
  • новости науки и техники
    • авиация
    • автомобили
    • военная техника
    • робототехника

26.09.2014

Автоматические регуляторы напряжения генераторов

Одним из наиболее важных условий, обеспечивающих правильную работу электрических установок, является постоянство напряжения питающих генераторов.

В установках постоянного тока достаточная степень постоянства напряжения обеспечивается компаундными генераторами. В установках переменного тока для сохранения постоянства напряжения приходится прибегать к автоматическим регуляторам напряжения.

Автоматические регуляторы напряжения генераторов

Принципиальная схема включения угольного автоматического регулятора напряжения

На рис. 1 изображена принципиальная схема включения угольного автоматического регулятора напряжения. В состав схемы входят: угольный реостат 1, электромагнит с двумя обмотками 2 и 3 и пружина 5, создающая усилие, противодействующее электромагниту.

Обмотка 2 электромагнита включена на напряжение генератора Г между фазами А и С через выпрямитель 6.

Обмотка 3 электромагнита включена на вторичную обмотку трансформатора 4, первичная обмотка которого питается от возбудителя генератора В.

При нормальном напряжении генератора втягивающая сила электромагнита уравновешивается силой натяжения пружины. С повышением напряжения генератора сила электромагнита преодолевает натяжение пружины, якорь притягивается к сердечнику электромагнита, и поворачиваясь вокруг своей неподвижной оси, через вертикальный стержень передает растягивающее усилие на угольный столбик.

Сила натяжения на угольные шайбы уменьшается, сопротивление столбика возрастает, напряжение возбудителя уменьшается, в связи с чем уменьшается и напряжение генератора Г.

С уменьшением напряжения генератора Г втягивающая сила электромагнита уменьшается, под действием натяжения пружины якорь поворачивается и увеличивается сжатие угольного реостата.

Сопротивление реостата уменьшается, ток возбуждения увеличивается и напряжение генератора возрастает.

Если бы на электромагните была только обмотка 2, описанный процесс регулирования никогда бы не прекращался и напряжение генератора, изменившись один раз под действием какой-либо внешней причины, в дальнейшем колебалось бы под влиянием работы регулятора вокруг своего номинального значения.

Назначение обмотки 3 — сделать эти колебания затухающими и прекратить их после нескольких циклов с уменьшающейся амплитудой.

Магнитный поток обмотки 3 направлен навстречу потоку обмотки 2 и ослабляет действие обмотки 2 по мере подхода напряжения к номинальному значению, чем способствует быстрейшему прекращению колебаний напряжения.

Сопротивление 1C в цепи питания выпрямителя 6 служит для изменения пределов регулирования. Обычно его выбирают так, чтобы регулятор поддерживал напряжение в пределах от 95 до 105% номинального.

Назначение сопротивления 2С, питаемого от трансформатора тока ТТ, включенного в третью фазу, — создавать на своих зажимах падение напряжения. Падение напряжения на зажимах сопротивления 2С, складываясь геометрически с напряжением между фазами А и С, изменяет выходное напряжение выпрямителя в зависимости от реактивной нагрузки генератора. Это обусловливает постоянное распределение реактивной нагрузки между генераторами при их параллельной работе.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения 115 вольт

При работе одиночного генератора это устройство (так называемый компенсатор реактивной мощности) следует исключать из схемы регулятора, так как его наличие вызывает увеличение провала напряжения при пуске мощных асинхронных двигателей.

Изменяя величину сопротивления 3С, можно усилить или ослабить действие обмотки 3, т. е. в конечном итоге изменить время, в течение которого генератор достигает номинального напряжения.

Угольные регуляторы имеют ряд недостатков. Одним из наиболее существенных является малый срок службы угольных реостатов. В процессе эксплуатации угольные шайбы, из которых набирается реостат, «стареют», происходит их усадка и износ. Вследствие неравномерности этого явления равенство электрических сопротивлений отдельных угольных столбов нарушается, ток в столбах, имеющих минимальное сопротивление, увеличивается выше допустимого. При этом отдельные шайбы перегреваются, становятся хрупкими и при переменном сжатии их или вследствие вибрации и тряски судна дают трещины или рассыпаются. Иногда часть столба, работающего с перегрузкой, полностью выгорает.

Кроме того, угольным регуляторам свойственна небольшая скорость действия из-за наличия подвижных частей, имеющих определенную инерцию.

Более совершенным методом регулирования напряжения синхронных генераторов является компаундирование возбуждения.

Принципиальная схема компаундирования возбудителя синхронного генератора

На рис. 2 изображена принципиальная схема компаундирования возбудителя синхронного генератора. Возбудитель В генератора Г, кроме основной обмотки возбуждения ООВ, имеет дополнительную ДОВ. Дополнительная обмотка возбуждения питается током, пропорциональным току нагрузки генератора, получаемому от трансформатора тока ТТ через разделительный трансформатор напряжения РТ и выпрямитель В.

С увеличением тока нагрузки напряжение генератора Г падает. Одновременно увеличивается ток возбуждения в обмотке ДОВ возбудителя, его напряжение возрастает, ток возбуждения генератора Г усиливается и напряжение генератора поднимается.

Схема компаундирования регулируется таким образом, чтобы напряжение генератора сохранялось постоянным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной. Однако напряжение синхронных генераторов, кроме тока нагрузки, зависит также и от коэффициента мощности последней. Чтобы избежать влияние изменяющегося коэффициента мощности, в схему компаундирования вводят электромагнитный корректор.

Наилучшие результаты в части поддержания постоянства напряжения дают синхронные генераторы с самовозбуждением и саморегулированием напряжения.

Принципиальная схема системы самовозбуждения и саморегулирования синхронного генератора

На рис. 3 дана принципиальная схема системы самовозбуждения и саморегулирования синхронного генератора.

Существенной частью этой системы является специальный трехобмоточный трансформатор Т. Обмотка I (обмотка напряжения) этого трансформатора подключена к клеммам статора генератора и в ней течет ток Iн, пропорциональный напряжению генератора: Iн = K1U. Действие этой обмотки аналогично действию параллельной обмотки возбуждения генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением.

Обмотка II (токовая) включена на трансформатор тока главной цепи генератора, через нее проходит ток Iт = K2I, пропорциональный току нагрузки генератора. Назначение этой обмотки аналогично назначению последовательной обмотки генератора со смешанным возбуждением.

Обмотка III является вторичной обмоткой трансформатора, ток в ней Iв равен геометрической сумме токов Iн и Iт. Этот ток, выпрямленный полупроводниковым выпрямителем В, питает обмотку возбуждения генератора ОВ.

Рассмотрим, как работает эта система. При вращении ротора генератора вследствие наличия в стали ротора остаточного магнетизма, генератор разовьет некоторую начальную э. д. с. При этом через обмотку I трансформатора Т пройдет ток. Образовавшееся в сердечнике трансформатора магнитное поле индуктирует вторичную э. д. с. в обмотке III и в ее цепи, а следовательно, и в обмотке ротора генератора потечет ток. Ток ротора усилит магнитное поле генератора, э. д. с. последнего возрастет, что в свою очередь вызовет увеличение тока в обмотке I трансформатора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на клеммах генератора достигнет номинальной величины. В дальнейшем, при холостом ходе генератора и при сохранении неизменной скорости его вращения, напряжение генератора будет сохраняться постоянным.

Если в статорной обмотке генератора появится ток нагрузки, то он создаст магнитный поток реакции якоря, который ослабит магнитный поток ротора, вследствие чего напряжение на клеммах генератора должно было бы уменьшиться. Однако этому будет противодействовать обмотка II трансформатора. При появлении в ней тока, пропорционального току нагрузки, магнитный поток, создаваемый этим током в сердечнике трансформатора, вызовет увеличение э. д. с. вторичной обмотки и тем самым увеличение тока в обмотке возбуждения генератора. Напряжение на клеммах последнего возрастет до прежней величины.

Таким образом, принцип действия синхронного генератора с самовозбуждением и саморегулированием напряжения подобен принципу действия генератора смешанного возбуждения постоянного тока.

Однако следует учесть, что напряжение, развиваемое синхронным генератором, зависит не только от его нагрузки, но и от величины коэффициента мощности. При уменьшении коэффициента мощности, т, е. при возрастании угла ψ, напряжение генератора уменьшается и для его восстановления до прежней величины необходимо увеличить ток возбуждения.

Для того чтобы получить увеличение тока возбуждения, пропорциональное увеличению угла ψ, обмотку напряжения трансформатора Т подключают к клеммам генератора не непосредственно, а через дроссель Д. Величина индуктивного сопротивления дросселя выбирается такой, чтобы угол сдвига фаз между напряжением генератора и током в обмотке I трансформатора был бы равен почти 90°.

В этом случае диаграмма геометрического сложения токов в обмотках трансформатора Т будет иметь вид, изображенный на рис. 4.

Диаграмма геометрического сложения токов в обмотках трансформатора

Легко убедиться, что при увеличении угла ψ1 до величины ψ2 результирующий ток возбуждения генератора также возрастает, как это показано на рис. 4, а пунктиром.
Если бы фаза тока в обмотке I трансформатора Т совпадала бы с фазой напряжения генератора (как это изображено на рис. 4, б), то в этом случае, при увеличении угла ψ, величина результирующего тока возбуждения будет уменьшаться.

Уместно отметить еще одну особенность синхронных генераторов описываемой системы по сравнению с генераторами, получающими возбуждение от машинного возбудителя и оборудованными автоматическими регуляторами напряжения.

У генераторов с возбудителем и автоматическим регулятором напряжения неизбежно имеет место некоторое запаздывание восстановления напряжения.

Это запаздывание объясняется следующими причинами.

1. Автоматический регулятор начинает действовать только после того, как на регулятор поступит уже изменившееся напряжение.
2. После поступления на регулятор сигнала об изменении напряжения необходимо некоторое время на срабатывание самого регулятора.
3. Возбудитель генератора вследствие наличия у него электромагнитной инерции изменяет свое напряжение, а следовательно, и напряжение генератора с некоторым замедлением.

У синхронных генераторов с самовозбуждением процесс регулирования напряжения начинается не после изменения напряжения, а одновременно с изменением тока статора, которое должно вызвать изменение напряжения.

Вследствие этой особенности системы как абсолютное значение величины изменения напряжения генератора при резких колебаниях его нагрузки, так и время восстановления напряжения значительно меньше, чем у генераторов с возбудителем и автоматическим регулятором напряжения.

Иногда в схемах самовозбуждения, для облегчения начала процесса самовозбуждения, предусматривают установку конденсаторов, включаемых в цепь дросселя, как указано на рис. 3 пунктиром. Емкость конденсаторов подбирается так, чтобы в их цепи возник резонанс напряжения, тогда начальное напряжение на обмотке III трансформатора Т резко возрастает и генератор уверенно возбуждается. Кроме установки конденсаторов, для тех же целей применяются и другие методы.

В качестве примера конкретных генераторов, выпускаемых промышленностью рассмотрим схему самовозбуждения и саморегулирования отечественных синхронных генераторов серии МСС (рис. 5).

Схема самовозбуждения и саморегулирования синхронных генераторов серии МСС

У этих генераторов, так же как и в описанной выше принципиальной схеме, применен трансформатор с тремя обмотками: напряжения I, токовой II и результирующей III. Необходимый сдвиг фазы тока в обмотке I относительно напряжения генератора осуществляется с помощью магнитного шунта, находящегося в трансформаторе, вследствие чего отпадает необходимость в отдельном дросселе. Новым элементом в этой схеме является дроссель Д. Этот дроссель служит для подрегулировки вручную напряжения генератора в пределах ±5% от номинального напряжения. На дросселе, помимо основных обмоток, помещены две дополнительные а и б. Обмотка а питается постоянным током от выпрямителя В3, подключенного к обмотке напряжения трансформатора Т.

С помощью регулировочного реостата Р1 можно менять величину тока в обмотке а. Изменение тока в этой обмотке вызывает изменение магнитного потока в сердечнике дросселя и, как следствие изменение его реактивного сопротивления. При изменении тока в дросселе одновременно изменяется ток, поступающий на выпрямитель B1, а следовательно, и ток возбуждения генератора.

Обмотка б используется при параллельной работе генераторов с разной мощностью, а также для поддержания постоянства напряжения генератора при колебании его частоты.

Для обеспечения начального самовозбуждения у генераторов серии МСС предусмотрен небольшой встроенный, вспомогательный генератор переменного тока с постоянными магнитами. Этот генератор включен на обмотку возбуждения главного генератора через свой выпрямитель В2. Начальный ток возбуждения обмотки ротора генератора получают через этот выпрямитель. В дальнейшем, когда вступит в действие основной выпрямитель B1, вспомогательный генератор возбуждения автоматически исключается из схемы, так как его выпрямитель В2 окажется запертым более высоким напряжением выпрямителя B1.

Элементы системы самовозбуждения и саморегулирования генераторов серии МСС выполняются в виде самостоятельных блоков размещаемых отдельно от генератора.

Следует отметить, что возможно создать очень большое число различных систем самовозбуждения и саморегулирования, отличающихся по числу, типу и способу включения входящих в них элементов. Почти каждая зарубежная фирма выпускает синхронные генераторы со своей системой самовозбуждения и саморегулирования. Изложенные в настоящей статье общие принципы помогут разобраться в особенностях различных систем, могущих встретиться на морских судах.

Читайте также:  Отличие стабилизатора напряжения ресанта

Источник



Лекция 3. Автоматическое регулирование напряжения

В процессе работы судовой электростанции происходит непрерывное изменение нагрузки генераторов, которое вызывает отклонения напряжения в системе. Особенно резко проявляются колебания напряжения в аварийных ситуациях, например, при коротких замыканиях в системе, внезапных отключениях генераторов, а также при включении и отключении мощных потребителей электроэнергии и т.п.

Основными факторами, определяющими изменение напряжения, являются реакция якоря и внутреннее индуктивное падение напряжения. Наиболее сильно размагничивающее действие реакции якоря проявляется при индуктивной нагрузке, когда реакция якоря направлена по продольной оси полюса против основного магнитного потока (продольная размагничивающая реакция). По этой причине в синхронных генераторах при отсутствии автоматического регулирования возбуждения генераторов величина изменения напряжения может достигать более 40% номинального значения.

Для восстановления напряжения в системе после его изменения в нормальном или аварийном режимах необходимо произвести изменение возбуждения генераторов. Генераторы судовых электростанций имеют ручные и автоматические регуляторы напряжения. Ручные регуляторы служат для установки номинального напряжения при постоянном или медленно изменяющемся режиме нагрузки генератора, когда необходима ручная регулировка напряжения. Ручной регулятор напряжения представляет собой реостат, включенный в цепь обмотки возбуждения генератора; устанавливают его, как правило, на генераторной панели ГРЩ. Автоматические регуляторы осуществляют регулирование возбуждения без участия дежурного персонала в статических и динамических режимах при изменении нагрузки от нуля до принятого предела и аварийных ситуациях, обеспечивая эффективное регулирование напряжения, как по точности, так и по скорости.

Комплексное устройство, обеспечивающее самовозбуждение генератора и стабилизацию его напряжения, называют системой возбуждения и автоматического регулирования напряжения (СВАРН).

В СВАРН часть энергии переменного тока отбирается с выводов генератора, регулируется элементами автоматического регулятора напряжения (АРН), преобразуется в электрическую энергию постоянного тока и подается в обмотку возбуждения генератора. Можно выделить следующие основные функции, которые возлагаются на систему СВАРН:

— обеспечение самовозбуждения генератора;

— поддержание заданного уровня напряжения при изменении нагрузки;

— форсировка возбуждения генераторов при коротких замыканиях и других аварийных снижениях напряжения для повышения статической и динамической устойчивости системы;

— пропорциональное распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами.

В системах АРН регулируемой (управляемой) величиной является напряжение генератора Uг, управляющей (регулирующей) величиной – напряжение Uв или ток Iв возбуждения генератора. Основное внешнее возмущающее воздействие на генератор и его выходное напряжение оказывает ток нагрузки Iг и фаза j тока нагрузки генератора.

На рисунке 1.1 изображена структурная схема СВАРН СГ. Питание обмотки возбуждения генератора LG осуществляется по двум каналам: по каналу напряжения Iu и по каналу тока нагрузки Ii.

Рисунок 1.1 – Структурная схема СВАРН СГ

В режиме холостого хода процесс возбуждения обеспечивается по каналу напряжения, а при нагрузке – еще и по каналу тока.

По принципу действия все САРН делятся на следующие типы:

— системы, действующие по возмущению – току нагрузки генератора Iг;

— системы, действующие по отклонению регулируемой величины Uг;

— комбинированные системы, действующие одновременно по возмущению и по отклонению.

Системы, действующие по возмущению

Системы, действующие по возмущению, делятся на системы токового компаундирования и системы фазового компаундирования (их называют также амплитудно–фазового компаундирования). Компаундирование обозначает смешивание. В системах производится суммирование сигналов по току и по напряжению.

Характерной особенностью систем токового компаундирования является арифметическое сложение выпрямленных токов, поступающих на обмотку возбуждения LG по каналам напряжения и тока (см. рис. 1.2 а).

а) б)
Рисунок 1.2 – Структурные схемы СВАРН СГ с токовым компаундированием (а), с фазовым компаундированием (б)

Это значит, что составляющая тока в обмотке LG, поступающая по каналу тока, зависит только от нагрузки СГ и не зависит от характера (cos j) этой нагрузки.

Характерной особенностью для систем с фазовым компаундированием является геометрическое суммирование составляющих токов, поступающих на LG по каналам напряжения (Iu) и тока (Iі), что обеспечивается благодаря включению компаундирующего элемента, в данной схеме фазового дросселя L в канале напряжения (см. рис. 1.2 б). В качестве компаундирующих элементов могут быть применены не только дроссель, но и конденсатор, магнитный шунт и т.д.

В качестве примера рассмотрим принцип действия системы амплитудно–фазового компаундирования, выполненной на базе трансформатора компаундирования ТК (см. рис. 1.3). Трансформатор ТК представляет собой трехфазный трехобмоточный трехстержневой трансформатор, имеющий две первичные обмотки: Wт – токовую и Wн –напряжения и одну вторичную обмотку Wс – суммирующую. Компаундирующим элементом служит дроссель L, благодаря которому вектор магнитного потока обмотки напряжения отстает от вектора напряжения на угол 90°.

а) б)
в)
Рисунок 1.3 – Схема СВАРН с управлением по возмущению В схеме приняты следующие обозначения: ТК – трансформатор компаундирования Wн – обмотка напряжения ТК (первичная); Wт – обмотка токовая ТК (первичная); Wс – обмотка суммирующая ТК (вторичная); UZ – выпрямитель; L – компаундирующий элемент, дроссель.

Принцип действия. Токи, протекающие по первичным обмоткам ТК Wт и Wн создают магнитные потоки и соответственно. Значение вектора магнитного потока , создаваемого обмотками Wт, определяется значением тока нагрузки генератора, а его направление совпадает с направлением вектора полного тока генератора (см. рис. 1.3 б). Значение и направление вектора не зависит от нагрузки генератора и определяется сопротивлением цепи обмотки Wн. Благодаря включению компаундирующего элемента дросселя L, вектор тока и магнитного потока в обмотках Wн отстает от вектора напряжения на угол 90°. В ТК потоки и складываются и образуют суммарный поток . Переменный пронизывает обмотку Wс и наводит в ней переменную ЭДС, которая подается на выпрямитель UZ и преобразуется в постоянный ток возбуждения генератора.

В случае увеличения тока нагрузки (см. рис. 1.3 б) напряжение генератора может уменьшиться, однако, вместе с током нагрузки увеличивается поток токовой обмотки до значения и увеличивается результирующий поток до значения . Ток возбуждения генератора увеличивается и напряжение восстанавливается до номинального значения.

В случае увеличения реактивной составляющей тока нагрузки увеличится размагничивающее действие реакции статора и ЭДС генератора уменьшит свое значение. На векторной диаграмме (см. рис. 3 в) вектор потока развернется и займет положение . Суммарный магнитный поток увеличится до значения . Ток возбуждения СГ увеличится, а напряжение стабилизируется.

Принципиально суммирование сигналов по току и напряжению может выполняться не только электромагнитным путем, но и электрическим, путем суммирования токов или напряжений.

Принцип суммирования сигналов рассмотрим на примере системы возбуждения однофазного синхронного генератора. При параллельном включении каналов напряжения и тока (см. рис. 1.4 а) происходит суммирование токов .

а) б)
Рисунок 1.4 – Принципиальные схемы СВАРН СГ с прямым фазовым компаундированием при параллельном соединении каналов напряжения и тока (а), и при последовательном соединении каналов напряжения и тока (б)

При последовательном соединении каналов напряжения и тока (см. рис. 1.4 б) происходит суммирование напряжений вторичных обмоток трансформаторов ТV и ТА . Вместо дросселя применяют трансформатор тока с воздушным зазором, т.е. компаундирующий элемент включен в цепь источника тока параллельно.

К недостаткам систем компаундирования относятся большие размеры и масса трансформаторов компаундирования, значительное время регулирования.

Системы, действующие по отклонению напряжения

В таких системах исключен трансформатор компаундирования, а АРН работает как корректор напряжения (КН). Корректором измеряется истинное значение напряжения СГ, и в случае его отклонения, вырабатывается управляющий сигнал, который через регулирующий элемент корректирует ток возбуждения генератора (см. рис. 1.5 а).

а) б)
Рисунок 1.5 – СВАРН с управлением по отклонению с корректором напряжения (а), комбинированная (б)

Через КН осуществляется отрицательная обратная связь по напряжению.

Через КН дополнительно осуществляется коррекция напряжения по температуре, частоте, также в КН включают контур для автоматического распределения реактивных нагрузок при параллельной работе генераторов.

Достоинства системы. Без трансформатора компаундирования СВАРН более компактна, имеет меньшую массу и небольшое время регулирования.

В схемах этих СВАРН имеется трансформатор компаундирования ТК и корректор напряжения КН. Схема приведена на рисунке 1.5 б.

С помощью ТК регулирование выполняется с недостаточной точностью, однако, это компенсируется наличием КН. Комбинированные СВАРН обладают высокой точностью стабилизации напряжения. Сигнал с выхода КН воздействует на обмотку Wу управления ТК, либо на систему управления управляемого выпрямителя UZ. Так как корректор напряжения выполняет отрицательную обратную связь по напряжению, то при отключении КН напряжение на генераторе увеличивается приблизительно на (10 – 15)% номинального. Ток обмотки Wу размагничивает ТК, уменьшая результирующий магнитный поток.

Источник