Меню

Как регулировать напряжение асинхронного генератора

Регулирование частоты и напряжения асинхронного генератора.Регулирование изменений

Vestas V66-1,75 МВт ветровых турбин парка Tauern ветра вблизи Oberzeiring

Общие проблемы регулирования асинхронного генератора

При оценке общих показателей автономного асинхронного генератора необходимо учитывать существенное изменения напряжения такие эксплуатационные факторы, как изменение частоты генерируемого
напряжения, которая варьирует с изменением нагрузки и скольжения, если частота вращения ротора поддерживается постоянной, а также колебания выходного напряжения U, появляющиеся вследствие электрической и магнитной несимметрии ротора.

Пульсации напряжения, обусловленные электрической не симметрией, возрастают при увеличении нагрузки и могут быть сведены к минимуму при качественной заливке короткозамкнутой клетки и выбраковке роторов с дефектами обмотки.
Магнитная несимметричность, связанная с возможной овальностью пакетов ротора и статора, эксцентриситетом, магнитной анизотропией сердечников, приводит к периодическим изменениям магнитного сопротивления на пути основного магнитного ротора и, как следствие, к колебаниям выходного напряжения. Устранение овальности и веерная сборка пакета ротора практически полностью исключают эту причину колебаний напряжения.
При оценке технико-экономических показателей автономного асинхронного генератора учитывается также необходимость в конденсаторной батарее как источнике реактивной мощности для создания магнитного ноля и компенсации реактивности нагрузки.
Значение реактивной мощности, затрачиваемой на создание магнитного поля асинхронного генератора с магнитной индукцией в зазоре Вт, определяется из соотношения может регулироваться или изменением емкости конденсаторов Ск, или же величиной напряжения Uc.

В настоящее время практическое применение находят конденсаторы типа К-71 с улучшенными массогабаритными показателями, имеющими удельную массу 0,3 — 0,6 кг/кВА. Если учесть, что cos

На рис. 5.30 приведены зависимости емкости С от относительной частоты вращения n2/n ном. при поддержании неизменным стабилизированного напряжения асинхронного генератора мощностью 4,5 кВт при работе в режиме холостого хода. Как видно, подбор необходимой емкости пришлось выполнять, исходя из соотношений:

Из этих соотношении следует, что при значениях скорости вращения ротора п2 регулируется напряжение холостого хода, а значит, и рабочее напряжение Асинхронного генератора.

Рис. 5-30. Схема автоматического регулирования асинхронного генератора с управляемым
силовым транзистором (а) и с подмагничиванием ярма статора (б).

Наиболее сломаю стабилизировать напряжение асинхронного генератора при переменной частоте вращения ротора и изменении нагрузки, когда одновременно изменяется и величина, и частота выходного напряжения.

Схемы регулирования напряжения и частоты асинхронного генератора

Достаточно эффективными для регулирования напряжения и частоты могут быть названы два типа схем автоматического регулирования асинхронного генератора с к.з. ротором.

На рис. 5.30, а показана схема, при которой реактивная мощность асинхронного генератора регулируется изменением емкости конденсаторной батареи с помощью силового транзистора, работающего либо в режиме непрерывного регулирования, либо в импульсном режиме. Мощность конденсаторной батареи должна быть достаточной и для компенсации реактивной составляющей нагрузки.
На рис. 5.30, б приведена схема регулирования с подмагничиванием ярма статора регулируемого асинхронного генератора. Необходимый диапазон изменения сопротивления намагничивающего контура определяется из регулировочной характеристики, при этом для эффективной стабилизации напряжения при изменении нагрузки в пределах (0,5…1,25)Р„ необходимо использовать 25…30% плошади паза, что должно быть предусмотрено при проектировании.

Следует отметить, что это не приводит к существенному увеличению габаритов асинхронного генератора, однако сопровождаемся искажением кривой ноля в воздушном зазоре и соответствующими искажениями в кривой напряжения даже при синусоидальном распределении МДС.

Схема автоматического регулирования напряжения и частоты асинхронного генератора на варикондах (рис. 5.31),

которая работам следующим образом.Измерители частоты и напряжения ИЧ и ИН фиксируют отклонение этих параметров or номинальных значений и формируют сигналы на усилители УЭ и УБ, которые затем выпрямляются и после преобразования подаются на вариконды. Вариконды в зависимости oт величины управляющего сигнала увеличивают или уменьшают емкостный ток возбуждения, стабилизируя напряжение на выходе регулируемого асинхронного генератора. На выходе канала частоты ИЧ-УБ установлен серводвигатель СД, частота вращения,которого изменяется и воздействует на регулятор оборотов приводного двигателя ПД.На рис. 5.32 приведена схема регулирования, построенная на применении бесконтактных тиристорных ключей БТК, управляемых вычислительным элементом и подключающих отдельные секции батареиконденсаторов С1.С2…Сп в зависимости от изменения напряжения регулируемого асинхронного генератора.

Вычислительное устройство включает в себя суммирующее устройство СУ, формирующее сигнал по отклонению напряжения, импульсный элемент ИЭ, к спорый преобразует этот сигнал в импульсный и передает на вычислительный элемент ВЭ, суммирующий импульсы с учетом знака отклонения и обеспечивающий определенный закон регулирования напряжения.
Преобразованный таким образом сигнал поступает на ступенчатый преобразователь и далее — на ВТК.

Применение варикондов в системах регулирования асинхронного генератора привлекательно еще одним замечательным свойством — высоким сопротивлением постоянному току, что позволяет управлять их емкостью с ничтожно малой величиной мощности канала управления.

В работе описана такая схема (рис. 5.33) регулирования варикондов постоянным напряжением, пропорциональным — разности заданного и фактического напряжения в предположении, что нагрузка регулируемого асинхронного генератора остается неизменной, а частота его вращения меняется.Датчик частоты вращения 1 индукционного типа формирует высокочастотный сигнал (60 кГц) с частотой срывов, пропорциональной частоте вращения регулируемого асинхронного генератора. В преобразователе 2 сигнал прямоугольной формы преобразуется в импульсы со строго определенной длительностью и параметров этих импульсов (пауз) меняется в зависимости от временных среднее значение тока и, последовательно, напряжение на входе и выходе формирователя 5 сигнала
управления варикондами.

Читайте также:  Напряжение зажигания искрового разряда

Для регулирования напряжения весьма эффективным может быть использование трансформатора

с переменным коэффициентом трансформации. На рис. 5.34 приведена схема стабилизации, построенная на изменении напряжения на конденсаторах возбуждения.
Если конденсаторы возбуждения включать на повышающую обмотку трансформатора с переменным коэффициентом трансформации к, можно уменьшить их габариты и массу. При обычной частоте (50 Гц) масса и габаритные размеры трансформатора оказываются весьма значительными.
Кроме того, для компенсации реактивного тока самого трансформатора требуются дополнительно емкости конденсаторов.Регулировать выходное напряжение асинхронного генератора можно также включением насыщающего реактора (L) (рис. 5.35).
При уменьшении напряжения генератора, связанного с увеличением нагрузки, насыщение реактора уменьшается, а его индуктивность увеличивается. Это приводит к уменьшению индуктивного тока и, как следствие, к увеличению напряжения регулируемого реактора. Как и в предыдущей схеме, в данном случае также необходимо предусматриваю» увеличение емкости конденсаторов.В качестве асинхронного генератора могут успешно применяться асинхронные машины с фазным ротором. При этом возможны следующие варианты включения:
1. Конденсаторы возбуждения включаются на зажимы статорной обмотки, параллельно нагрузке. Реостат через контактные кольца подключается к фазному ротору. Стабилизация частоты достигается одновременным изменением емкости конденсаторов и активного сопротивления реостата.
2. Конденсаторы возбуждения включаются в цепь фазного ротора, нагрузка — в цепь статора. Стабилизация частоты осуществляется изменением емкости конденсаторов возбуждения.
3. Конденсаторы возбуждения включаются в цепь статора или ротора через трансформатор или автотрансформатор с переменным коэффициентом трансформации (рис. 5.36). Регулирование частоты обеспечивается изменением коэффициента трансформации, при этом конденсаторы возбуждения включаются во вторичную цепь повышающего трансформатора,что значительно уменьшает необходимую емкость конденсаторов.

Источник



РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Напряжение генераторов постоянного и переменного тока зависит от частоты вращения ротора, значения отдаваемого тока, магнит­ного потока возбуждения, сопротивления обмотки якоря (у гене­ратора постоянного тока) и полного сопротивления обмотки ста­тора (у генераторов переменного тока).

•Если учитывать (при грубом приближении) только основные фак­торы, то можно считать, что

Таким образом, для обеспечения постоянства напряжения гене­ратора при изменении частоты вращения ротора необходимо обратно пропорционально частоте изменять магнитный поток. Так как магнитный поток определяется силой тока возбуждения, регулирование напряжения осуществляется периодическим включе­нием в цепь возбуждения генератора и отключением из этой цепи добавочного резистора с постоянным сопротивлением. В настоя­щее время применяются вибрационные и полупроводниковые регу­ляторы напряжения.

Вибрационный регулятор напряжения. Вибрационный регулятор (рис. 18,а) имеет добавочный резистор Rд, который включается по­следовательно с обмоткой возбуждения ОВ. При замыкании контак­тов 4, один из которых неподвижен, а другой расположен на якорьке 3, добавочный резистор замкнут накоротко. Основная обмот­ка ОО регулятора, намотанная на сердечнике 5, включена на пол­ное напряжение генератора. Пружина 2 оттягивает якорек вверх, удерживая контакты в замкнутом состоянии. При этом обмотка возбуждения ОВ через контакты, якорек и ярмо 1 подключена, минуя добавочный резистор.

При неработающем генераторе в основной обмотке 00 регуля­тора тока нет и контакты под действием пружины замкнуты. С увеличением частоты вращения сила тока возбуждения генерато­ра и его напряжение растут. При этом увеличивается сила тока основной обмотки 00 регулятора и намагничивание сердечника. Пока напряжение генератора меньше установленной величины, силы магнитного притяжения якорька к сердечнику недостаточно для преодоления силы натяжения пружины и контакты регуля­тора остаются замкнутыми, а ток в обмотку возбуждения про­ходит, минуя добавочный резистор.

При дальнейшем увеличении напряжения генератора наступает такой момент, когда сила магнитного притяжения якорька к сердечнику преодолевает силу натяжения пружины и контакты регулятора размыкаются. Вследствие этого в цепь обмотки возбуж­дения включается добавочный резистор, и напряжение генератора резко падает.

Уменьшение напряжения приводит к уменьшению тока в обмотке регулятора напряжения и, следовательно, силы притяжения якорька к сердечнику. В результате контакты регулятора вновь замыкаются, а затем при увеличении напряжения генератора размыкаются.

Описанный процесс периодически повторяется. В результате этого возникают пульсации напряжения (рис. 18, б). Среднее значение напряжения Uср, измеряемое вольтметром, определяет регули­руемое напряжение генератора. С увеличением частоты враще­ния увеличивается время разомкнутого состояния t р и уменьшается время замкнутого состояния t 3. Это приводит к уменьшению тока возбуждения I B (рис. 19).

Напряжение генератора, поддерживаемое регулятором, зависит от силы натяжения пружины. Изменением силы натяжения пружины осуществляется регулировка напряжения генераторной установки.

Уменьшение пульсаций напряжения происходит следующим обра­зом. Пульсации напряжения генератора зависят от частоты колебаний якорька регулятора. Чтобы пульсации напряжения не оказывали влияния на работу потребителей, якорек регулятора должен колебаться с частотой не менее 30 Гц. Кроме того, с увеличением частоты колебаний якорька уменьшается износ контактов.

Читайте также:  Однополюсный указатель напряжения до 1000в применение

Частоту колебаний повышают применением специальных уско­ряющих обмоток, которые наматывают на сердечник регулятора, или ускоряющих резисторов. Наиболее часто применяют схему вибрационного регулятора напряжения с ускоряющим резистором (рис. 20). Здесь основная обмотка 00 регулятора подключается к генератору через ускоряющий резистор Rу, который включен последовательно с резистором Rд. Резистор Rу также является добавочным в цепи обмотки возбуждения генератора. Таким обра­зом, напряжение на обмотке регулятора равно разности между напряжением генератора и падением напряжения в ускоряющем резисторе.

Ускоряющее действие резистора Rу заключается в следующем.При замкнутых контактах регулятора через ускоряющий резистор походит ток только обмотки регулятора, величина которого составляет доли ампера. Напряжение, приложенное к обмотке регулятора, почти равно напряжению генератора, так как падение напряжения в ускоряющем резисторе очень незначительно.

При размыкании контактов ток возбуждения генератора, который вследствие явления самоиндукции не может изменяться скачком, в первый момент сохраняет свою величину и направление. Ток возбуждения проходит по ускоряющему резистору, что приво­дит к резкому увеличению падения напряжения на нем и резкому уменьшению напряжения на обмотке регулятора. Скачкообразное уменьшение напряжения в ос­новной обмотке 00 регулятора в момент размыкания контактов резко уменьшает в ней ток, а следовательно, и силу притя­жения якоря регулятора к се­рдечнику. Благодаря этому кон­такты быстро замыкаются вновь. В результате частота колебаний якоря увеличива­ется до 150—250 Гц и, сле­довательно, уменьшается пуль­сация напряжения. При при­менении ускоряющих устройств возникает отрицательное явление, связанное с увеличением напряжения генератора при увеличении частоты вращения ротора. Возрастание напряжения с увеличением частоты вращения ротора предотвращается при помощи выравнивающих обмоток или выравнивающих резисторов.

Для стабилизации напряжения наибольшее распространение получили схемы с выравнивающими обмотками (рис. 21).

Выравнивающую обмотку ВО включают в цепь через контакты регулятора последовательно с обмоткой возбуждения ОВ генератора. Ее наматывают на сердечник таким образом, чтобы ее магнитный по­ток противодействовал магнитному потоку основной обмотки 00 ре­гулятора. Магнитный поток, создаваемый выравнивающей обмоткой, значительно меньше магнитного потока, создаваемого основной обмоткой регулятора.

При увеличении частоты вращения ротора в результате увеличе­ния времени разомкнутого состояния контактов уменьшается сила то­ка не только в основной, но и в выравнивающей обмотке. Поэ­тому уменьшение магнитного потока, создаваемого основной об­моткой, сопровождается таким же по величине уменьшением магнит­ного потока, создаваемого выравнивающей обмоткой, и результи­рующий магнитный поток почти не изменяется. В результате размыкание контактов регулятора происходит независимо от частоты вращения ротора при напряжении, установленном регулировкой.

Рабочая температура регулятора меняется в значительных преде­лах (от -50 до +125 °С). Сопротивление основной обмотки регулятора напряжения, выполняемой из меди, изменяется от тем­пературы (возрастает на 40% при нагреве обмотки на 100 °С). Поэ­тому при повышении температуры основной обмотки уменьшается ток в ней и, следовательно, магнитный поток. В результате регулятор начинает работать при напряжении, большем того, на которое он от­регулирован.

Температурная компенсация осуществляется следующим обра­зом.

Для уменьшения влияния температуры на работу вибрацион­ного регулятора последовательно основной обмотке регулятора, которую выполняют с меньшим сопротивлением, включают доба­вочный резистор из нихрома или константана. Сопротивление этих материалов практически не* меняется от температуры. В резуль­тате суммарное изменение сопротивления цепи основной обмотки регулятора от температуры в несколько раз уменьшится. Таким образом, возрастание регулируемого напряжения составит пример­но 10% при нагреве на 100 °С. В ряде регуляторов роль термокомпенсационного резистора выполняет ускоряющий резистор.

Для более полной термокомпенсации вместе с резистором применяют биметаллическую пластину, на которой подвешивают якорек регулятора. Биметаллическая пластина имеет два слоя. Материалы слоев обладают резко отличающимися коэффициентами теплового расширения.

Биметаллическую пластину приклепывают к якорьку и закреп­ляют на ярме регулятора. При этом слой материала с малым коэф­фициентом температурного расширения обращен к сердечнику. При повышении температуры пластина изгибается и создает усилие, направленное против усилия пружины, и таким образом способствует вступлению регулятора в работу при меньшем напря­жении. Таким образом и обеспечивается температурная компенсация.

Для термокомпенсации применяют также магнитные шунты. Маг­нитный шунт МШ (см. рис. 26) представляет собой пластину из железоникелевого или иного термомагнитного сплава с магнитным сопротивлением, увеличивающимся при повышении температуры. Пластина закреплена в верхней части регулятора между сердечником и ярмом параллельно якорьку.

При повышении температуры магнитное сопротивление шунта возрастает. При низких температурах магнитное сопротивление шунта мало, и часть магнитного потока сердечника, минуя якорек, замыкается через магнитный шунт. Таким образом компенсируется изменение магнитного потока, возникающее в резуль­тате изменения сопротивления основной обмотки регулятора от температуры. Применение магнитного шунта исключает необходи­мость в термокомпенсационном резисторе и биметаллической пла­стине.

Недостатки вибрационных регуляторов состоят в следующем. Вибрирующие контакты и пружины являются основным недо­статком вибрационных регуляторов, затрудняющим их настройку и повышающим чувствительность к вибрации. В результате изменения характеристик пружин вибрационные устройства подвер­жены разрегулировкам.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения rucelf котел 1200 стабилизатор

Обычный вибрационный регулятор напряжения может приме­няться с генераторами, у которых сила тока возбуждения не более 1,5—1,8 А. При больших значениях силы тока значительно сокра­щается срок службы контактов.

Особенно сказываются недостатки вибрационных регуляторов при работе с генераторными установками переменного тока, у которых сила тока возбуждения значительно больше, чем у гене­раторов постоянного тока. Чтобы получить возможность использо­вать вибрационный регулятор с мощными генераторами, применя­ют следующие способы. Часто используют не один, а два регуля­тора напряжения. Для этого обмотку возбуждения генератора раз­деляют на две одинаковые по своим параметрам и параллельно включенные ветви. Сила тока каждой ветви регулируется своим регулятором. При этом сила тока, разрываемого контактами, уменьшается вдвое.

Для уменьшения силы тока разрыва применяют также двухсту­пенчатое регулирование напряжения. Двухступенчатый регулятор напряжения имеет две пары контактов и добавочный резистор с меньшим сопротивлением. Подробно работа двухступенчатого регу­лятора рассмотрена на конкретном примере. Недостатки вибрационных регуляторов вызвали в последние годы применение с мощными генераторами полупроводниковых регуляторов напряже­ния.

Полупроводниковые регуляторы напряжения. В полупроводнико­вых регуляторах сила тока возбуждения регулируется при помощи транзисторов, эмиттерноколлекторная цепь которого включена по­следовательно с обмоткой возбуждения генератора.

Транзистор работает аналогично контактам вибрационного регу­лятора. При повышении напряжения генератора выше заданного уровня транзистор переключается в закрытое состояние (разомкну­тые контакты). При понижении уровня регулируемого напряжения транзистор переключается в открытое состояние (замкнутые кон­такты). В состоянии «открыт» сопротивление транзистора составляет доли ома, в состоянии «закрыт» — бесконечно большое значение. Полупроводниковые регуляторы напряжения могут выполняться контактно-транзисторными и бесконтактными.

Контактно-транзисторный регулятор (рис. 22) содержит в своей схеме вибрационное реле, управляющее транзистором Т.

Работает регулятор следующим образом. До момента достиже­ния генератором регулируемого значения напряжения U r силы тока обмотки вибрационного реле недостаточно, чтобы контакты замкну­лись. При этом транзистор открыт, так как через него проте­кает ток базы по цепи: «плюс» генератора, переход эмиттер-база, резистор R б, корпус генератора.

Через обмотку возбуждения ОВ в этом случае протекает полный ток возбуждения, и напряжение генератора возрастает с возрастанием частоты вращения ротора. Полное отпирание тран­зистора осуществляется подбором сопротивления резистора R б.

При достижении напряжением генератора регулируемого значе­ния ток в основной обмотке OO реле достигает значения, при котором реле срабатывает. При замкнутых контактах потенциалы базы и эмиттера становятся равными, так как контакты шунтиру­ют переход эмиттер — база. Вследствие этого ток базы становится равным нулю, что приводит к запиранию транзистора.

В результате запирания транзистора ток возбуждения, под­держиваемый э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения, протекая через гасящий диод Д r, уменьшается. При этом уменьшается напряжение генератора U r, контакты реле размыкаются, и тран­зистор открывается. Затем процесс повторяется.

Гасящий контур, выполняемый обычно в виде диода Д r, явля­ется обязательным элементом любого транзисторного регулятора. Если бы его не было, э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения, возникающая в момент закрытого состояния транзистора и достига­ющая несколько сотен вольт, могла бы вызвать пробой коллектор­ного перехода и отказ транзистора в работе.

В контактно-транзисторном регуляторе напряжения через контакты протекает незначительный ток, благодаря чему увеличива­ется срок их службы. Однако надежность работы регулятора по-прежнему определяется усталостной прочностью и возможной разрегулировкой пружины. Указанный недостаток исключен в бес­контактных схемах регулирования напряжения.

Бесконтактный регулятор напряжения (рис. 23) содержит тран­зистор T1, который выполняет функции контактов в контактно транзисторном регуляторе. Управление транзистором T1 осуществля­ется резисторами R1, R2 и стабилитроном Д1.

При напряжении генератора меньше регулируемого значения напряжение на резисторе R1, включенном параллельно стабилитро­ну Д1, меньше значения, соответствующего пробою стабилитрона. Стабилитрон при этом не проводит ток. следовательно, ток базы транзистора T1 равен нулю. Транзистор T1 при этом закрыт, что соответствует разомкнутому состоянию контактов, а транзистор Т2 открыт.

При достижении генератором уровня напряжения, соответ­ствующего регулируемому значению, напряжение на резисторе R1 повышается до значения, при котором стабилитрон пробивается, т. е. его сопротивление в обратном направлении резко уменьша­ется. В результате возникает ток базы транзистора T1, проте­кающий по цепи: «плюс» генератора, переход эмиттер — база тран­зистора T1, стабилитрон Д1, резистор R2, «минус» генератора. Транзистор T1 при этом открывается, что соответствует замкнутому состоянию контактов, транзистор Т2 запирается, а ток возбуждения и напряжение генератора уменьшаются. Вследствие этого напряже­ние на стабилитроне снижается ниже напряжения стабилизации, и он запирается, прерывая ток базы транзистора T1. Транзистор T1 запи­рается, а транзистор Т2 переключается в открытое состояние и т. д. Соотношение сопротивлений резисторов R1 и R2 определяет уровень регулируемого напряжения.

Схемы бесконтактных регуляторов, применяемых на практике, имеют ряд дополнительных элементов, улучшающих рабочие ха­рактеристики. Назначение дополнительных элементов рассмотрено на примерах схем конкретных регуляторов.

Источник