Схемы возбуждения генераторов. Вольдек. Электрические машины

• 1) надежное питание постоянным током ОВ в любых режимах, в том числе при авариях в энергосистемах;
• 2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки генератора;
• 3) необходимое быстродействие;
• 4) форсировка возбуждения, т.е. обеспечение быстрого нарастания тока возбуждения, примерно до двукратного значения;
• 5) быстрое гашение магнитного поля возбуждения при оперативных отключениях генератора от сети.

• 1) электромашинное возбуждение с использованием генератора постоянного тока;
• 2) электромашинное возбуждение с использованием генератора переменного тока с преобразованием этого тока в постоянный;
• 3) самовозбуждение путем преобразования части электрической энергии переменного тока генератора в энергию постоянного тока возбуждения.

Увеличение мощностей турбо- и гидрогенераторов, а следовательно, необходимых мощностей возбудителей инициировало необходимость замены генераторов постоянного тока электромашинными системами возбуждения с применением генераторов переменного тока, не имеющих никаких ограничений по мощности. Для преобразования переменного тока в постоянный ранее использовались ртутные выпрямители, которые в дальнейшем уступили место управляемым и неуправляемым полупроводниковым преобразователям на основе диодов, тиристоров, транзисторов. Полупроводниковые преобразователи обладают большей надежностью, а в целом система с генераторами переменного тока большим быстродействием, позволяющим осуществить высокий уровень возбуждения (до четырехкратного номинального напряжения возбуждения при постоянной времени системы возбуждения менее двух сотых секунды). Широкое внедрение систем возбуждения с управляемыми преобразователями было осуществлено впервые в мире в нашей стране. В дальнейшем переход на такие системы был осуществлен и за рубежом.

Мощность генераторов для системы возбуждения составляет 0,5—2 % полной мощности главного генератора. Например, для турбогенератора 320 МВт она достигает 2 МВт, для 800 МВт — 6 МВт и т.д., токи возбуждения — тысяч ампер (для мощных турбогенераторов 5—8 тыс. А). Это обстоятельство создает большие трудности при организации токоподвода к обмотке возбуждения с помощью скользящего контакта между контактными кольцами ротора и щетками. Поэтому для ряда генераторов была успешно применена бесщеточная система возбуждения, где постоянный ток подается непосредственно с вращающегося ротора возбудителя на обмотку возбуждения главного генератора. Переменное напряжение обмотки возбуждения преобразуется в постоянное выпрямительным мостом, установленным на роторе. Силовые роторные вентили должны обладать повышенной механической прочностью и вибростойкостью.

Преимуществом систем самовозбуждения является то, что они не имеют электромашинного возбудителя — генератора. Для питания обмотки ротора главного генератора используется часть энергии статора главного генератора. В результате надежность системы повышается, стоимость ее уменьшается, сокращается длина генератора. Начальное возбуждение генератора осуществляется за счет остаточного намагничивания машины или током от постороннего источника.

В состав системы возбуждения входит автоматический регулятор возбуждения (АРВ). Он осуществляет поддержание заданного уровня напряжения и устойчивость работы генератора при колебаниях напряжения в электроэнергетической системе при изменении значения и характера нагрузок, отключении электростанции, линии электропередачи, коротких замыканиях. Основные требования, предъявляемые к АРВ, — это быстродействие, устойчивость регулирования, обеспечение форсировки возбуждения при резких снижениях напряжения в сети, что чревато потерей статической и динамической устойчивости генераторов.

Ввод в эксплуатацию дальних электропередач, объединение отдельных энергосистем в единую сеть, рост мощностей генераторов потребовали существенного повышения их динамической и статической устойчивости. Были созданы АРВ сильного действия (АРВ СД), реагирующие не только на отклонение параметров режима генератора (напряжение, ток, частота), но и на скорость их изменения.

При возникновении аварийных режимов, коротких замыканий в генераторе, шинопроводе или трансформаторе, после внезапного отключения генератора необходимо быстро уменьшить магнитное поле обмотки возбуждения генератора. Эта операция носит название гашение поля и осуществляется специальным автоматом гашения поля (АГП). К устройству АГП предъявляются два основных, иногда противоречащих друг другу, требования: время гашения поля должно быть возможно меньшим, а возникающее при гашении индуктированное перенапряжение в обмотке ротора не должно превосходить допустимых значений.

Полнотекстовый поиск:

Главная > Реферат >Коммуникации и связь

турбогенераторов

Основное преимущество бесщеточных систем возбуждения состоит в исключении щеток и контактных колец. Применение вращающегося выпрямительного блока открывает возможности соз-дания наиболее компактной возбудительной системы.

Идея создания бесщеточной синхронной машины была впервые высказана О. Ирион в 1927 г. . В 30-40-х годах Е. Г. Комар и Е. А. Ватсон предложили дальнейшее развитие этой идеи. В последующем проводились интенсивные исследования в области бесщеточных систем возбуждения синхронных машин в СССР и за рубежом .

В 50-х годах специалисты фирмы «Вестингауз» (США) провели разработки, на основе которых был создан бесщеточный возбудитель для турбогенератора мощностью 50 МВА, 3600 об/мин . Обращенный трехфазный вспомогательный генератор мощностью 180 кВт с частотой 420 Гц имеет собственные подшипники и подвозбудитель с постоянными магнитами в консольном исполнении. Вращающийся выпрямительный блок выполнен по мостовой трехфазной системе, с двумя последовательными диодами и тремя параллельными ветвями в каждом плече. Номинальное напряжение и ток возбуждения 250 В и 720 А. Защита кремниевых диодов осуществляется кварцевыми предохранителями с серебряной вставкой. Предохранители имеют указатели их целости. АРВ и бесщеточный возбудитель обеспечивают точность поддержания напряжения турбогенератора Регулирование достигается за счет изменения тока возбуждения неподвижного индуктора. Бесщеточная система возбуждения успешно эксплуатируется до настоящего времени.

В дальнейшем фирма «Вестингауз» перешла к широкому использованию бесщеточных возбудителей для турбогенераторов. Уже в 1965 г. эксплуатировалось более 30 таких возбудителей. В дальнейшем практически все возбудительные системы вплоть до мощности 3500 и 4400 кВт и более выпускаются в бесщеточном исполнении .

Опыт фирмы «Вестингауз» был использован фирмой «Сименс» (ФРГ), а позднее вновь созданной фирмой «Крафтверкунион» (ФРГ), которая перешла к серийному изготовлению бесщеточных возбудителей на турбогенераторах мощностью 200, 400 и 750 МВА. В частности, самые крупные в мире турбогенераторы 4-полюсного типа, 1500 об/мин, мощностью 1500-1600 МВА выпускаются этой фирмой с бесщеточными возбудителями. В последнем случае в одной ветви трехфазной мостовой схемы используются 40 параллельных кремниевых диодов на 200 А и обратное напряжение 2500 В. Номинальный ток возбудителя равен 12 000 А. Предохранители с плавкой вставкой (один предохранитель на два диода) рассчитаны на ток 800 А и напряжение 750 В. Подвозбудитель 400 Гц с постоянными магнитами мощностью 120 кВА в режиме форсирования работает с мощностью 160-170 кВА. Передача тока от вращающегося выпрямительного блока к обмотке ротора турбогенератора осуществляется, как и фирмой «Вестингауз», через муфту с пружинящими серебряными контактами (пальцы-гнезда), что обеспечивает надежный контакт в условиях неизбежной вибрации валопровода. На основе расчетов вибрационного состояния валопровода было найдено, что наилучшим решением является выполнение возбудителя с одним подшипником на конце валопровода. Второй опорой возбудителя служит подшипник главного генератора.

Фирма «Жемон-Шнейдер» (Франция) в 1968 г. изготовила первый бесщеточный возбудитель для турбогенератора мощностью 600 МВт, 3000 об/мин. Вращающийся выпрямитель этого возбудителя выполнен по трехфазной мостовой схеме. Каждое плечо выпрямителя состоит из 12 параллельных цепей, образованных двумя последовательно соединенными вентилями и плавкими предохранителями. Полное число кремниевых диодов равно 144, а число предохранителей - 72. Имеется стробоскопическое устройство для наблюдения за целостностью предохранителей. Система возбуждения имеет следующие показатели: в номинальном режиме напряжение 475 В, ток 3300 А; в режиме форсирования длительностью 10 с напряжение 760 В, ток 5280 А.

Весьма интересны работы фирмы «Альстом» (Франция) по бесщеточным возбудителям серии турбогенераторов мощностью 900 - 1000 МВт, 1500 об/мин для АЭС. Вращающийся якорь закрепляется консольно на валу турбогенератора и расположен снаружи индуктора. Такое решение позволяет иметь компактную плоскую конструкцию с малой длиной. Возможность этого основана на том, что при частоте вращения агрегата 1500 об/мин вращающиеся части машины могут иметь больший диаметр, чем при 3000 об/мин.

Энергетическое управление Англии проявляет большой интерес к бесщеточным системам возбуждения турбогенераторов. Поэтому обе крупные электротехнические фирмы «Парсонс» и «Дженерал Электрик» занимаются разработкой, изготовлением и внедрением таких систем для мощных блоков 500 и 660 МВт, 3000 об/мин . В связи с накопленным положительным опытом в эксплуатации первых установок упомянутое управление начиная с 1969 г. заказывает турбогенераторы мощностью 660 МВт только с бесщеточным возбудителем.

В качестве примера технических показателей вращающихся выпрямительных блоков можно привести данные для бесщеточного возбудителя турбогенератора 660 МВт, разработанного фирмой «Дженерал Электрик» (Англия) в 1969 г. Общее число кремниевых диодов (в каждой ветви по одному диоду) равно 54; они имеют следующие параметры: средний ток 250 А, обратное напряжение 3000 В. Возбудитель в целом удовлетворительно работает в длительном режиме при токе 4450 А и напряжении550 В, а также в режиме форсирования при токе 6150 А и напряжении 760 В. Таким образом, в длительном режиме каждый диод будет иметь средний ток 165 А при напряжении 550 В.

Следует обратить внимание на ряд оригинальных решений, используемых фирмой «Парсонс» в бесщеточных возбудителях .

Измерение тока возбуждения с помощью кольца, к одной точке которого подводится ток возбуждения турбогенератора, а от второй точки, смещенной на 180 эл. град, по отношению к первой, ток отводится. При таком прохождении тока по кольцу исключается намагничивание вала. Ток, протекающий по кольцу, создает магнитный поток, который измеряется датчиком Холла.

Измерение напряжения возбуждения производится с помощью вращающегося радиопередатчика и неподвижных приемника и регистрирующего прибора.

Температура обмотки ротора вычисляется цифровым устройством на основе измерений напряжения и тока возбуждения.

Целостность предохранителей выявляется неоновой лампочкой, включаемой параллельно предохранителю. Свет лампочки воспринимается неподвижным фотоэлементом.

Измерение напряжения, приложенного к изоляции обмотки возбуждения, по отношению к потенциалу земли производится, как и измерение напряжения возбуждения, с помощью радиопередатчика и приемника. При недопустимом снижении уровня изоляции срабатывает сигнализация.

Ряд интересных работ в области бесщеточных возбудителей был выполнен в Японии , Швейцарии и Бельгии .

В связи с тем что в СССР работы в области создания и внедрения бесщеточных систем возбуждения турбогенераторов были начаты позднее, чем за рубежом, возникла трудная научно-техническая проблема: не повторять решений зарубежных фирм, а разработать более совершенные системы возбуждения с тем, чтобы осуществить их внедрение на блоках мощностью 300 МВт и создать таким образом основу для разработки бесщеточного возбудителя турбогенератора мощностью 1200 МВт. В частности, были проведены исследования и созданы кремниевые диоды на повышенные токи и напряжения. Это позволило уменьшить количество диодов во вращающемся выпрямительном блоке и исключить последовательное соединение диодов, причем диоды рассчитаны на работу с большими ускорениями (до 7000-8000 g , где g - ускорение силы тяжести). Кроме того, в целях упрощения конструкции вращающегося выпрямительного блока диоды имеют два исполнения: с нормальным р- n переходом и обращенным п -р- переходом .

Разработка и создание бесщеточных возбудителей для мощных турбогенераторов в нашей стране ведутся в двух направлениях отличающихся схемным и конструктивным исполнением синхронного генератора-возбудителя. Одно из них, принятое ЛПЭО «Электросила» и ВНИИэлектромаш, основывается на использовании трехфазного возбудителя с синусоидальной формой эдс обмотки якоря генератора; другое, принятое ПО «Электротяжмаш», - на применении многофазного возбудителя с трапецеидальной формой кривой эдс обмотки якоря.

Бесщеточная система возбуждения ЛПЭО «Электросила» - ВНИИэлектромаш впервые была применена для турбогенераторов типа ТВВ-320-2 с целью накопления опыта проектирования и эксплуатации бесщеточных возбудителей.

Сначала был создан и испытан на стенде завода опытный вращающийся выпрямительный блок с тремя контактными кольцами для подвода трехфазного питания и двумя контактными кольцами для выпрямленного тока. Далее изготовили и испытали на заводском стенде бесщёточную систему возбуждения, которая позднее была установлена, испытана и введена в эксплуатацию на Киришской ГРЭС на блоке мощностью 300 МВт.

Опытно-промышленный образец бесщеточной системы возбуждения турбогенератора ТВВ-320-2 пущен в эксплуатацию на Киришской ГРЭС в 1972 г. Затем после некоторой модернизации такие бесщеточные возбудители были установлены в 1974 г. на Рязанской и Литовской ГРЭС. Бесщеточный возбудитель турбогенератора ТВВ-320-2 явился базовой конструкцией для более мощных бесщеточных возбудителей. На нем проверены основные схемные и конструктивные решения, которые широко использованы при создании бесщеточных возбудителей для турбогенераторов мощностью 500, 1000 и 1200 МВт.

В качестве возбудителя выбран трехфазный синхронный генератор обращенного исполнения, у которого якорная обмотка вращается, а индукторная неподвижна. При разработке было рассмотрено несколько вариантов исполнения синхронного генератора с разными частотами. Наиболее приемлемым как по затратам активных материалов, так и по параметрам оказался генератор частотой 150 Гц.

Все элементы вращающегося выпрямителя размещены на двух токоведущих колесах из магнитной стали, причем одно из них имеет положительную, второе - отрицательную полярность. Оба насажены с натягом горячей посадкой на изолированную втулку п отделены друг от друга в аксиальном направлении воздушным промежутком. Втулка с колесами насаживается на вал с натягом прессовой посадкой.

В ободе каждого колеса имеется по 36 наклоненных к продольной оси радиальных отверстий, являющихся напорным элементом вентиляционной цепи вращающегося выпрямителя. 18 диодов прямой проводимости располагаются на кольцевом силуминовом радиаторе одного колеса, а 18 диодов обратной проводимости размещаются на таком же радиаторе другого колеса. Силуминовые радиаторы в виде кольца, имеющего 180 вентиляционных аксиальных отверстий прямоугольного сечения (по 10 отверстий на каждый диод), запрессовываются в вентильные колеса. Диоды крепятся к радиаторам винтами.

Переменный ток от обмотки якоря синхронного генератора подводится по шинам токоподвода через предохранители, которые располагаются на уступах вентильных колес против каждого из диодов. Предохранители изолированы от вентильных колес текстолитовыми прокладками. Изолированные шпильки токоподвода переменного тока располагаются аксиально в вентильных колесах. Постоянный ток отводится от вентильных колес по шинам токоподвода постоянного тока и токоведущим болтам, которые соединяются со стержнями токоподвода, расположенными в осевом отверстии вала.

Вращающийся выпрямитель располагается в разъемном корпусе, имеющем внутренние щитки и воздухоразделительные перегородки. При вращении охлаждающий воздух прогоняется через воздухоохладители, расположенные в фундаментной плите, засасывается в радиаторы и снимает тепловые потери. Использование вентильных колес в качестве токоведущих элементов и вентилятора, а также рациональное размещение диодов и предохранителей на вентильных колесах дали возможность получить компактную конструкцию вращающегося выпрямителя с минимальным количеством токоведущих перемычек и изоляции.

Синхронный генератор и вращающийся выпрямитель обособлены друг от друга и имеют собственные корпусы и автономные замкнутые вентиляционные системы. Водяные воздухоохладители выпрямителя и синхронного генератора располагаются в фундаментной плите возбудителя. Подвозбудитель, установленный за подшипником возбудителя на фундаментной подставке, имеет с валом возбудителя эластичное соединение посредством торсионного валика. Для снижения уровня шума возбудительных агрегатов применяется наружный кожух.

Для передачи постоянного тока от вращающегося выпрямителя к обмотке возбуждения турбогенератора Г. П. Вартаньян предложил и осуществил клиновой электрический разъем в соединительной муфте между турбогенератором и возбудителем. Идея этого предложения заключается в том, что между двумя парами шин, изолированных от полумуфт, под действием центробежных сил входят в соприкосновение два клина: один для шинопровода с положительным, а второй для шинопровода с отрицательным потенциалом. Шины и клинья изготовляются из меди с посеребрёнными поверхностями. Проверка такого простого способа показала его высокую эффективность и надежность.

Для контроля за целостностью предохранителей и измерения тока ротора турбогенератора было разработано, выполнено и испытано оригинальное бесконтактное устройство. Оно состоит из двух зубчатых дисков. Один из них размещен на валу между якорем возбудителя и выпрямителем, второй - на валу между возбудителем и подвозбудителем. Число пазов дисков равно числу ветвей катодной или анодной групп выпрямителя. Через каждый паз первого диска проходит провод, подключенный к средней точке двух ветвей, одна из которых относится к анодной, вторая - к катодной группе вентилей. В результате в каждом проводе протекает ток одного вентиля катодной и одного вентиля анодной групп. Для выявления этих токов на неподвижной траверзе около окружности первого диска размещаются два датчика токовых импульсов, которые представляют собой П-образные сердечники с обмотками и смещены в пространстве относительно друг друга на 60 эл. град. Второй диск без проводников в пазах используется для отметки начала отсчета и выдачи синхронных порядковых импульсов. Логическая схема позволяет выявить одну или более ветвей выпрямителя, в которых нет тока. При этом на передней панели устройства бесконтактного контроля и измерения (УБКИ) загорается индикаторная лампа, указывающая номер соответствующей ветви. Кроме того, подается сигнал о выходе одной или более ветвей из строя. При выходе из строя двух ветвей запрещается форсирование возбуждения воздействием на АРВ.

Помимо системы контроля предохранителей, устройство УБКИ включает измерительный элемент, который суммирует сигналы датчиков токовых импульсов и вырабатывает сигнал, пропорциональный току обмотки возбуждения турбогенераторов. Этот сигнал поступает на прибор передней панели УБКИ и во внешние цепи. В случае превышения допустимого значения тока возбуждения включается индикаторная лампа на передней панели УБКИ и подается сигнал о перегрузке во внешние цепи.

Наряду с изложенным способом измерения тока возбуждения турбогенератора был использован метод, основанный на выявлении высших гармонических мдс обмотки якоря возбудителя . Поскольку высшие гармонические составляющие мдс пропорциональны фазному току, то для их выявления в промежутке между двумя полюсами устанавливается измерительная катушка. В случае ненасыщенной машины напряжение измерительной катушки получается приблизительно пропорциональным току возбуждения турбогенератора.

Важной научной проблемой является повышение быстродействия диодной бесщеточной системы возбуждения, приближающейся к быстродействию тиристорной системы и позволяющей применить АРВ сильного действия. Обычная диодная бесщеточная система возбуждения - инерционная система. Ее постоянная времении в основном определяется параметрами обмотки возбуждения возбудителя переменного тока. При таком значении постоянной времени снижается эффективность форсирования возбуждения генератора и исключается возможность применения сильного регулирования с целью повышения пределов устойчивости . В этих условиях искусственное уменьшение постоянной времени возбудительной системы до значения приблизило бы ее по своей эффективности к тиристорным системам возбуждения. Включение добавочного сопротивления в цепь обмотки возбуждения возбудителя переменного тока связано с большими потерями. Поэтому было предложено другое решение, основанное на использовании тиристорного выпрямителя в цепи возбуждения возбудителя с высокими кратностями форсирования и введении жесткой отрицательной обратной связи. При форсировании возбуждения АРВ открывает тиристорный выпрямитель, и на обмотке возбуждения возбудителя появляется полное напряжение.

Ток возбуждения возбудителя, а следовательно, и напряжение на обмотке ротора турбогенератора увеличивается с постоянной времени Т е возбудителя. В связи с большой кратностью форсирования можно получить высокую скорость изменения напряжения на обмотке ротора турбогенератора. Это в свою очередь позволяет повысить уровень динамической устойчивости турбогенератора. Для обеспечения высокого уровня статической устойчивости и возможности использования АРВ сильного действия необходимо существенно уменьшить эквивалентную постоянную времени возбудителя. Последнее достигается за счет жесткой обратной связи, охватывающей возбудитель и тиристорный выпрямитель.

Для ограничения напряжения на обмотке ротора турбогенератора двукратной его величиной во время форсирования возбуждения возможно введение дополнительного элемента (рис.1). С этой целью включается небольшое добавочное сопротивление R , напряжение с которого подается через стабилитрон и диод на сопротивление R o в цепи управления тиристорного выпрямителя ТВ. Стабилитрон выбирается с таким напряжением, чтобы напряжение на сопротивлении R o появлялось только после достижения током возбуждения возбудителя величины, соответствующей двукратному напряжению на обмотке ротора турбогенератора. Только после этого начинается режим ограничения форсирования возбуждения.

Рнс.1. Схема ограничения форсирования бесщеточного возбудителя.

В - возбудитель, Д - добавочное сопротивление, ТВ - тиристорный выпрямитель,

R 0 - добавочное сопротивление в цели управления ТВ, С - стабилитрон, Д – диод,

АРВ - автоматический регулятор возбуждения, ПВ - подвозбудитель.

Исследования показали, что быстродействующая диодная система обеспечивает предельные значения мощностей по условиям статической и динамической устойчивости, близкие к пределам тиристорной системы возбуждения. Однако демпфирование качаний в послеаварийном режиме получается хуже. Это объясняется невозможностью создания в диодной бесщеточной системе отрицательного напряжения на обмотке ротора турбогенератора после прекращения форсирования возбуждения.

Регулирование возбуждения турбогенератора осуществляется воздействием автоматического регулятора возбуждения через управляемый преобразователь на обмотку возбуждения возбудителя. Питание регулятора обеспечивается от подвозбудителя - высокочастотного индукторного генератора. При этом напряжение на зажимах подвозбудителя поддерживается на заданном уровне с помощью собственного автоматического регулятора напряжения. В связи с большим диапазоном изменения напряжения управляемый преобразователь в цепи обмотки возбуждения возбудителя турбогенератора 300 МВт выполнен двухгрупповым. Рабочий выпрямитель обеспечивает возбуждение в нормальных режимах работы генератора, а форсированный - при аварийном снижении напряжения на шинах станции. Для создания необходимого закона регулирования на вход автоматического регулятора подаются сигналы, пропорциональные напряжению и току статора турбогенератора, а также его току и напряжению возбуждения.

1 - турбогенератор, 2 - бесщеточный возбудитель, 3 - подвозбудитель, 4 - устройство начального возбуждения, 5 - автоматический регулятор напряжения подвозбудителя, б - тиристорный выпрямитель в схеме автоматического регулирования, 6" - то же в системе ручного регулирования, 7 - АРВ, 8 - добавочное сопротивление, 9 - устройство бесконтактного контроля предохранителей и измерение тока ротора, 10 – блок защиты и измерения.

Значительный рост мощности возбудителей турбогенераторов ТВВ-500-2, ТВВ-1000-4 и TBB-120Q-2 по сравнению с турбогенераторами ТВВ-320-2, а также повышенные требования к надежности и быстродействию системы возбуждения определили новые проблемы, которые были решены при разработке этих возбудителей .

Быстродействующие бесщеточные системы возбуждения турбогенераторов ТВВ-500-2 и ТВВ-1200-2 (рис. 2.) выполнены унифицированными с использованием аналогичных устройств регулирования, контроля и элементов конструкции возбудителей.

В отличие от бесщеточного возбудителя турбогенератора ТВВ-500-2 возбудитель турбогенератора ТВВ-1200-2 состоит из двух возбудительных блоков 2 и 2", каждый из которых включает в себя обращенный трехфазный генератор и вращающийся выпрямитель. Роторные вентили, предохранители и защитные цепочки R-С вращающегося выпрямителя размещаются на вентильных колесах аналогично бесщеточному возбудителю турбогенератора ТВВ-320-2, но только в цепь каждого роторного предохранителя включаются параллельно два роторных вентиля, располагаемые попарно по оси кольцевого радиатора выпрямителя.

В этом случае значительно увеличивается нагрузочная способность по току вращающегося выпрямителя и повышается надежность его работы. Возбудительные блоки соединены параллельно на стороне выпрямительного тока. Обмотки возбуждения синхронных генераторов соединены последовательно. Такое исполнение бесщеточного возбудителя позволяет максимально использовать технические решения, проверенные на бесщеточном возбудителе турбогенератора ТВВ-320-2, и повысить надежность системы возбуждения.

Турбогенераторы ТВВ-500-2, ТВВ-1000-4 и ТВВ-1200-2 с бесщеточными возбудителями не имеют контактных колец для резервного возбуждения, поэтому на роторе бесщеточных возбудителей предусмотрены кольца для подключения блока защиты и измерения 10, необходимого для защиты обмотки ротора турбогенераторов от перенапряжений в переходных режимах и измерения напряжения ротора.

Бесконтактный контроль роторных предохранителей бесщеточного возбудителя турбогенератора ТВВ-1200-2 осуществляется раздельно для двух вращающихся выпрямителей, а в цепи сигнализации и защиты от комплекта бесконтактного контроля и измерения 9 выдаются общие сигналы. С целью улучшения контроля в бесщеточных возбудителях турбогенераторов ТВВ-500-2 и ТВВ-1200-2 по сравнению с возбудителем турбогенератора ТВВ-320-2 в два раза увеличено число токовых электромагнитных датчиков, а два шихтованных диска с шинопроводами переменного тока выполнены с дополнительными магнитными перемычками, чередующимися через один паз.

Рис.3. Структурная схема устройства бесконтактного контроля и измерения.

Первый образец устройства бесконтактного контроля и измерения (УБКИ) был разработан для диодного бесщеточного возбудителя турбогенератора ТВВ-320 . Из структурной схемы УБКИ (рис.3) следует, что в датчиках тока ДТ1 и ДТ2 возникают импульсы напряжения, пропорциональные токам в шинах, соединяющих якорь возбудителя и выпрямитель. Шины расположены в пазах шихтованного сердечника. Каждая из них соединена с двумя вентилями, токи которых смещены на 180°. Последовательно с вентилями включены предохранители. Для возможности контроля обоих вентилей используются два датчика, смещенные в пространстве на 60° (180 эл. град, при).

Определение номеров отсутствующих импульсов осуществляется с помощью датчика синхронизации ДС и датчика начала отсчета ДН. Для создания магнитного потока ДС и ДН имеют подмагничивающие обмотки.

Импульсы от датчиков поступают на формирователи Ф1 -Ф4. Управляемые вентили В1 и В2 открываются только при повреждении роторного вентиля и отсутствии соответствующего токового импульса. Выходной сигнал от вентилей В1 и В2 поступает на электронный коммутатор К, который распределяет сигналы по емкостным накопителям устройства Н. Число емкостных накопителей равно числу роторных вентилей. Переключение каналов устройства Н происходит синфазно с вращением ротора с помощью схемы управления У. В случае сгорания предохранителя во время каждого оборота ротора в накопитель будет поступать импульс по соответствующему каналу. Для исключения влияния помех выходное реле срабатывает после накопления трех последовательных импульсов. Реле включает сигнальную лампу, соответствующую номеру предохранителя, на панели П и включает сигнал на блочном щите управления. Выявление выхода из строя двух роторных вентилей осуществляется логической схемой Л.

Бесконтактное измерение тока возбуждения турбогенератора выполняется с помощью схемы И, в которой происходит выпрямление токовых импульсов и сглаживание выпрямленного напряжения, пропорционального току возбуждения.

Принципиальная схема бесщеточной системы возбуждения, разработанная заводом «Электротяжхмаш» и Энергетическим институтом им. Г. М. Кржижановского , приведена на рис.4. В возбудительной системе турбогенератора типа ТГВ-300 мощностью 300 МВт обмотка ротора получает питание от вращающегося выпрямительного блока, имеющего многофазную мостовую схему. В данном случае в каждом плече 16-фазной мостовой схемы имеется только один диод.

Рассмотрим далее возбудители с вращающимися тиристорньми блоками. Эта возбудительная система является практически безынерционной и обеспечивает возможность быстрого гашения поля ротора турбогенератора посредством инверторного режима. Впервые в мировой практике такая система возбуждения для мощного турбогенератора создана в СССР. Она применена для турбогенератора типа ТВВ-320-2 (рис. 5). Ее разработка осуществлена ВНИИэлектромашем и ЛПЭО «Электросила».

С целью быстрейшего внедрения тиристорных бесщеточных систем возбуждения и проверки их в условиях эксплуатации тиристорный бесщеточный возбудитель выполнен на базе диодного возбудителя с минимальными переделками и уменьшенной до 1.6-1.7 кратностью форсировки. Вместо роторных диодов во вращающемся выпрямителе установлены роторные тиристоры таблеточного исполнения типа ТЗ-500, (500 А, 2500 В). Для обеспечения включения тиристоров и равномерного распределения тока менаду ними роторные тиристоры подключены к отдельным параллельным ветвям якорной обмотки синхронного генератора. Внутри вала возбудителя проложены экранированные проводники для подачи управляющих импульсов к роторным тиристорам.

Передача управляющих импульсов на ротор тиристорного бесщеточного возбудителя осуществляется с помощью блока динамических импульсных трансформаторов (БДТ), ротор

которого прифланцован к валу возбудителя. На корпусе БДТ располагается устройство импульсной синхронизации (УИС), датчики которого подключены к устройству формирования импульсов (УФИ).

УФИ питается от подвозбудителя с постоянными магнитами (ПМ), а на вход УФИ поступает сигнал управления от автоматического регулятора возбуждения (АРВ). С целью повышения надежности работы тиристорной бесщеточной системы возбуждения система управления выполнена с резервированием устройства формирования импульсов и импульсной синхронизации. В случае повреждения одного из блоков рабочей системы управления си-стема автоматически переключается на резервную. В УФИ синхронно с напряжением обмотки якоря генератора возбудителя происходит шестиканальное формирование управляющих импуль-сов, которые поступают на первичные обмотки статора БДТ.

Бесконтактный контроль роторных предохранителей тиристорного бесщеточного возбудителя осуществляется аналогично диодному возбудителю с помощью контрольно-измерительного устройства (КИУ), где для повышения надежности устройства контроля использованы унифицированные блоки на микросхемах и малогабаритные электромагнитные датчики.

Для поддержания на заданном уровне напряжения синхронного генератора при изменении нагрузки тиристорного возбудителя используется тиристорный преобразователь (ТП), подключенный к подвозбудителю через согласующий трансформатор (ТС).

Бесконтактный контроль предохранителей и измерение выпрямленного тока в тиристорном бесщеточном возбудителе имеют некоторые особенности . Они вызваны фазовым сдвигом токов якоря, а следовательно, и импульсов датчиков тока ДТ1 и ДТ2 (рис.5) при изменении угла управления тиристоров. Поэтому регистрация токов в шинах, соединяющих якорь с выпрямителем, производится в узких интервалах, не превышающих 30 эл. град. Для этой цели схема контроля дополняется устройствами стробирующих сигналов.

В результате испытаний и исследований опытного образца тиристорного бесщеточного возбудителя проверена его работоспособность в различных режимах и определены необходимые усовершенствования, которые учли при создании промышленного образца тиристорного бесщеточного возбудителя для турбогенератора ТВВ-320-2 (рис.5). В частности, в этом возбудителе улучшена конструкция блока динамических импульсных трансформаторов, повышена мощность защитных цепочек R -С, улучшена вентиляция лобовых частей якорной обмотки синхронного генератора, введены резервные блоки системы управления и установлен подвозбудитель с постоянными магнитами мощностью 30 кВт.

Рис. 5. Структурная схема тиристорной бесщеточной системы возбуждения турбогенератора ТВВ-320-2 (а) и аксонометрическое изображение тиристорного бесщеточного возбудителя типа БВТ-1300-300 для турбогенератора 300 МВт (б).

1 - турбогенератор, 2 - вспомогательный синхронный генератор, 3 - вращающийся тиристорный выпрямитель, 4 - подвозбудитель с постоянными магнитами, 5 - блок динамических трансформаторов, 6 - устройство импульсной синхронизации, 7 - устройство формирования импульсов, 8 - согласующий трансформатор, 9 - тиристорный пре-образователь, 10 - контрольно-измерительное устройство, 11 - блок защиты ротора турбогенератора, 12 - автоматический регулятор напряжения, 13 – автоматический регулятор возбуждения.

К наиболее интересным зарубежным исследованиям и разработкам быстродействующих диодных и тиристорных бесщеточных систем возбуждения следует отнести работы фирм «Вестингауз» и «Парсонс» .

Рис 6. Зависимости мощности возбуждения Р в

от мощности двух- и четырехполюсных

турбогенераторов Ртг.

Развитие электроэнергетики сопровождается ростом единичных мощностей турбогенераторов, а следовательно, и мощностей их возбудительных систем (рис.6). В результате этого токи возбуждения получаются очень большими, и проблема обеспече-ния надежной работы щеточно-контактного аппарата становится все более сложной. Ее решение может идти по пути использования бесщеточных систем возбуждения или применения жидкометаллического контакта. Несмотря на длительные работы в последнем направлении, пока не удалось достигнуть существенных успехов. Поэтому основными в решении проблемы возбуждения сверхмощных турбогенераторов будут, по-видимому, являться бесщеточные возбудители. Величина диаметра якоря ограничена прочностью листовой стали, а вращающихся выпрямителей - прочностью вентильных колес. Длина возбудительного агрегата должна быть по возможности меньшей для обеспечения необходимого уровня вибраций валопровода. В этих условиях размеры бесщеточных возбудителей не могут значительно увеличиваться при росте мощностей. В связи с неизбежным ростом потерь в обращенном синхронном генераторе и выпрямителе необходим переход на более интенсивные способы охлаждения по сравнению с применяемым в настоящее время воздушным охлаждением. Естественно, что к таким более эффективным методам следует отнести водородное и водяное охлаждения , а также использование явления сверхпроводимости .

Наличие сверхпроводящей обмотки позволяет поддерживать магнитный поток в машине постоянным, значительно упрощает схему возбуждения и конструкцию возбудителя и исключает подвозбудительное устройство, обычно состоящее из подвозбудителя переменного тока, управляемого выпрямителя и автоматического регулятора напряжения. Для первоначального возбуждения сверх-проводящей обмотки, а также при необходимости для периодической подпитки ее можно использовать специальный источник питания.

Сверхпроводящая обмотка может быть выполнена из сплава ниобий-титан, а в последующем для получения еще меньших размеров из интерметаллоидов ниобий-олово, ниобий-германий, ванадий-галий и др. Для обеспечения сверхпроводящего состояния обмотка должна охлаждаться жидким гелием. В связи с большой мдс индуктора якорь может не иметь стального сердечника. Поэтому якорь получается беспазовым и располагается внутри криостата в теплой зоне.

Существенный интерес представляет применение криотронов взамен тиристоров.

Следует заметить, что наряду с электромагнитными и электрическими способами управления может оказаться перспективным применение фототиристоров.

Кратко рассмотрим возможность применения бесщеточных возбудителей для гидрогенераторов. В связи со значительно меньшей окружной скоростью контактных колец гидрогенераторов по сравнению с турбогенераторами и даже при значительно больших размерах щеточно-контактного аппарата гидрогенераторов передача тока через скользящий контакт не вызывает больших трудностей. Тем не менее имеется ряд случаев применения бесщеточных возбудителей и для гидрогенераторов.

Фирмы «Мицубиси» и «Хитачи» (Япония) выполнили несколько гидрогенераторов с бесщеточными диодными возбудителями . Фирма «Альстом» (Франция) применяет бесщеточные возбудители для гидрогенераторов капсульного типа в связи с большей трудностью обслуживания щеточно-контактного аппарата в таких машинах, а также с простотой размещения диодов непосредственно на спицах сравнительно медленно вращающегося ротора. Фирма «Дженерал Электрик» (США) ввела в 1971 г. в эксплуатацию 3 гидрогенератора мощностью по 142 кВА каждый с частотой вращения 90 об/мин . Эти генераторы имеют бесщеточную тиристорную систему возбуждения. Трехфазный возбудитель с вращающимся якорем работает с постоянным напряжением.

Изложив основные принципы работы бесщеточных систем воз-буждения, следует рассмотреть тенденции их применения для генераторов. В США существуют две такие тенденции: одна принадлежит фирме «Вестингауз», вторая - «Дженерал Электрик». «Вестингауз» использует бесщеточные возбудители в качестве основного решения для турбогенераторов всех мощностей, а «Дженерал Электрик» - для генераторов малых мощностей и частично для гидрогенераторов. В СССР бесщеточные возбудители будут находить все более широкое применение для турбогенераторов больших мощностей, где затруднено обеспечение высокой надежности скользящего контакта, а также для дизель-генераторов. Приблизительно такие же тенденции имеются и в западноевропейских странах.

Бесщеточные системы возбуждения синхронных компенсаторов

Раньше для синхронных компенсаторов применялись электромашинные возбудительные агрегаты, состоящие из асинхронного короткозамкнутого двигателя, генератора постоянного тока (возбудителя с подвозбудителем) и маховика. При этом инерционная постоянная времени возбудительного агрегата выбиралась не менее 60 с. В дальнейшем стали применяться системы ионного возбуждения. В последние годы синхронные компенсаторы стали выпускаться со статическими тиристорными системами возбуждения и с бесщеточными диодными возбудителями .

В тиристорной системе возбуждения используются две группы тиристоров, одна из которых обеспечивает длительно ток возбуждения от нулевого значения до величины, соответствующей номинальной емкостной мощности, вторая - отрицательное воз-буждение. Обе группы вентилей собраны по трехфазным мостовым схемам. В связи с тем что трансформатор выпрямителей получает питание от той же сети, что и синхронный компенсатор, система возбуждения выполняется с повышенной кратностью форсирования по напряжению (3-^-3.5). Ток возбуждения не превышает двукратного номинального.

Рис. 7. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения синхронного компенсатора мощностью 50 МВА.

1 - компенсатор, 2 - пусковое сопротивление, 3 - диодный выпрямитель, 4 - вспомогательный генератор, 5 - автоматический регулятор возбуждения, 6 – тиристорный выпрямитель.

В бесщеточном возбудителе (рис.7) применяются специальные кремниевые диоды для вращающегося выпрямительного блока 3. Диоды размещены на двух дисках, изолированных от вала синхронного компенсатора. Схема выпрямления - трехфазная мостовая. Одна половина диодов устанавливается без изоляции на одном диске, образуя катодную группу, вторая половина дио-дов с обращенными переходами образует аналогичным образом анодную группу. Количество вентилей выбирается из требований режима форсирования, а также из расчета обеспечения номинального возбуждения при выходе из строя 1/3 вентилей. Выпрямители питаются от вспомогательного обращенного синхронного гене-ратора-возбудителя 4. Возбуждение генератора осуществляется от сети собственных нужд через тиристорный преобразователь 6. Параллельно обмотке возбуждения компенсатора 1 постоянно включено сопротивление 2, выполняющее роль пускового при асинхронном пуске и защитного от аварийных перенапряжений. Величина сопротивления принимается 10-кратной по отношению к сопротивлению обмотки возбуждения. Это сопротивление целесо-образно выполнять нелинейным для снижения потерь мощности в нормальном режиме. Важно отметить, что бесщеточный возбудитель размещается практически в том же объеме, что и щеточно-контактный аппарат.

При токе возбуждения, равном нулю, потребление реактивной мощности достигает Q = U 2 / x d , где U - напряжение синхронного компенсатора, отн. ед. Дальнейшее увеличение потребления возможно при возбуждении машины током обратной полярности. Наибольшая реактивная мощность в этом режимеQ = U 2 / x d достигается при угле

Для увеличения потребляемой реактивной мощности до 0.7 номинальной потребовалось создание реверсивной бесщеточной системы возбуждения. Структурные схемы реверсивных бесщеточных систем возбуждения синхронных компенсаторов мощностью 50, 100 и 160 МВА представлены на рис.8, а аксонометрическое изображение - на рис.9. Синхронные компенсаторы с реверсивными бесщеточными возбудителями, кроме основной обмотки возбуждения ОВ1, имеют дополнительную обмотку возбуждения ОВ2, устанавливаемую на роторе вместо изолирующих полюсных шайб. Реверсивный бесщеточный возбудитель состоит из блоков положительного ВБД и отрицательного воз-буждения ВБДО.

Блок ВБД синхронного компенсатора КСВБО-50-11 схемно и конструктивно полностью соответствует нереверсивному бесщеточному возбудителю компенсатора КСВБ-50-11. Блок ВБДО размещен внутри корпуса компенсатора.

Питание обмоток возбуждения реверсивного бесщеточного возбудителя осуществляется от тиристорных преобразователей ТП1 и ТП2, подключенных к шинам собственных нужд подстанции через согласующий трансформатор ТС и управляемых автоматическим регулятором возбуждения АРВ. Защита реверсивного возбудителя от внутренних коротких замыканий осуществляется с помощью устройства защиты УЗ, на вход которого поступают сигналы от измерительных междуполюсных катушек К и датчиков тока ДТ1 и ДТ2.

Рис. 8. Структурные схемы для реверсивных бесщеточных систем возбуждения для синхронных компенсаторов КСВБО-50-11 (а) и компенсаторов КСВБО-100-11 и КСВБО-160-15 (б).

При коротком замыкании в одном из блоков возбудителя устройство защиты снимает сигналы управления тиристорных преобразователей положительного и отрицательного возбуждений и сигнализирует о неисправности возбудителя.

Контроль изоляции основной обмотки возбуждения компенсатора производится устройством контроля изоляции УКИ, две измерительные щетки которого во время контроля опускаются на вентильные колеса. Для компенсаторов КСВБО-100-11 мощностью 100 МВА и КСВБО-160-15 мощностью 160 МВА дополнительно используется комплект защиты ротора КЗР-3 с постоянно подключаемыми измерительными щетками. Для ограничения пере-напряжений в основной обмотке возбуждения компенсатора при переходных режимах его работы подключено защитное пуске-вое сопротивление

Рис.9. Синхронный компенсатор КСВБО-50-11 с реверсивным бесщеточным возбудителем.

В отличие от синхронного компенсатора КСВБО-50-11 при разработке реверсивных бесщеточных возбудителей для КСВБО-100-11 и КСВБО-160-15 возникли новые задачи, связанные со значительным увеличением мощности бесщеточных возбудителей и особенностями конструкции синхронных компенсаторов. При выборе принципиальной схемы вращающегося выпрямителя блока положительного возбуждения ВБД с целью повышения надеж-ности возбудителя был принят вариант с подключением каждой пары роторных вентилей к отдельным группам параллельных ветвей якорной обмотки генератора возбудителя. В этом случае достигается равномерное распределение тока между роторными вентилями и уменьшение контурного тока короткого замыкания при пробое вентилей. G целью наибольшей унификации оборудования для КСВБО-100-11 и КСВБО-160-15 выбраны один тип блока отрицательного возбуждения, одинаковые вращающиеся выпрямители блока положительного возбуждения, консольное размещение реверсивного возбудителя на обоих концах вала синхронного компенсатора.

С целью упрощения систем возбуждения синхронных компенсаторов в них в отличие от турбогенераторов не применяются предохранители. Защита возбудителя от внутренних коротких замыканий осуществляется с помощью измерительной катушки, размещаемой между полюсами индуктора обращенного синхронного генератора . Высшие пространственные гармонические составляющие магнитного потока, величина которых пропорцио-нальна току якоря, индуктируют в межполюсной катушке эдс. Катушка подсоединяется к одной из обмоток дифференциального реле, вторая его обмотка подключается к датчику тока или напряжения возбуждения возбудителя. Ток якоря пропорционален току индуктора в установившихся режимах. Коэффициент про-порциональности между напряжением межполюсной катушки и током якоря получается разным при работе в режиме нагрузки и при коротком замыкании, в частности трехфазном. Это и позволяет выявить внутреннее короткое замыкание бесщеточного возбудителя.

Необходимо обратить внимание на то, что реверсивные бесщеточные возбудители позволяют не только увеличить потребляемую реактивную мощность, но и облегчить асинхронный пуск компенсаторов. При наличии двух выпрямителей разной полярности во время пуска обе полуволны тока замыкаются через вращающиеся выпрямители . Это приводит к уменьшению тормозного момента при пуске, возникающего под действием постоянной составляющей тока ротора. Кроме того, наличие электромагнитной связи между основной и дополнительной обмотками способствует существенному уменьшению напряжений в цепях воз-буждения синхронного компенсатора в процессе его пуска.

Для полного использования синхронного компенсатора в режиме потребления эффективно применение дополнительной обмотки на роторе в поперечной оси. Такие обмотки предлагались и ранее для повышения динамической и статической устойчивости генераторов и синхронных компенсаторов . В данном случае маломощная поперечная обмотка играет роль удерживающей, обеспечивающей сохранение угла 6, близкого к нулю, при отрицательных токах возбуждения. В случае безынерционного ре-гулирования тока в поперечной обмотке предельная реактивная мощность Q

Характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения Цель работы: Экспериментальное определение... необходимо знание момента инерции системы , состоящей из вращающихся частей... приведен ного момента инерции системы электропривод - механизм чаще...

Страница 7 из 111

Системы возбуждения относятся к числу наиболее ответственных элементов генератора. Несмотря на то, что относительная мощность возбудителей невелика и составляет всего 0,4-0,6 % мощности генераторов, их характеристики существенно влияют как на устойчивость работы генераторов, так и на устойчивость двигательной нагрузки собственных нужд электростанции. Последнее очень существенно для обеспечения устойчивости технологического режима мощных блочных станций.
Системы возбуждения должны отвечать следующим общим требованиям: обеспечивать надежное питание обмотки возбуждения синхронного генератора в нормальных и аварийных режимах; допускать регулирование напряжения возбуждения в заданных пределах; обеспечивать быстродействующее автоматическое регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах; осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимости производить гашение поля в аварийных режимах.
Быстродействие системы возбуждения определяется кратностью форсирования = UBm/UB_H (отношение максимального напряжения возбуждения к его номинальному значению) и скоростью нарастания напряжения возбудителя (с-1) при форсировании

где тх - время нарастания напряжения возбудителя от номинального И в. и ДО значения {/„. и + 0,632 (UBm - Рв.и). Возбудители современных турбогенераторов имеют, не меньшее двукратного номинального напряжения в секунду. Допустимая длительность форсировочного режима с предельным током возбуждения зависит от системы охлаждения генератора и должна быть не меньше 50 с при косвенной системе охлаждения, 30 с при непосредственном охлаждении ротора и косвенном охлаждении статора, 20 с при непосредственном охлаждении ротора и статора.
Системы возбуждения подразделяются на электромашинные и вентильные. В электромашинной системе возбуждения источником постоянного тока является вспомогательный генератор постоянного тока - возбудитель, непосредственно связанный с валом главного синхронного генератора или приводимый независимым двигателем, синхронным или асинхронным. В вентильной системе источником выпрямленного тока являются ртутные или полупроводниковые вентили, получающие питание от вспомогательного или главного синхронного генератора.

В зависимости от источника энергии, используемого для возбуждения, все системы разделяются на системы независимого возбуждения и самовозбуждения. Преимущественное применение нашли схемы независимого возбуждения, в которых используется механическая энергия на валу возбуждаемой синхронной машины. В этом случае возбудитель не связан с сетью системы и возбуждение может осуществляться независимо от режима ее работы. Здесь в качестве возбудителя используется генератор постоянного тока (рис.. 1-17) или генератор переменного тока в сочетании в вентильными выпрямителями (рис. 1-18-1-20).
При самовозбуждении используется энергия, вырабатываемая возбуждаемой машиной или получаемая из сети. В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока или вентильные выпрямители (рис. 1-21).
До недавнего времени у генераторов всех типов наибольшее распространение имела электромашинная система возбуждения с генератором постоянного тока, непосредственно соединенным с валом основной машины. Предельная мощность электромашинных возбудителей при частоте вращения 3000 об/мин составляет 500 кВт. Этого достаточно лишь для возбуждения турбогенераторов с косвенным охлаждением мощностью до 150 МВт и турбогенераторов с непосредственным охлаждением до 100 МВт. Уменьшение частоты вращения до 750 об/мин позволяет повысить предельную мощность возбудителей до 3 МВт, но требует редуктора, что снижает надежность и увеличивает габариты машинного зала. По этой причине электромашинная система возбуждения с редуктором нашла у нас применение лишь на нескольких турбогенераторах мощностью 300 МВт (ТГВ-300 и ТВМ-300).
Электромашинные системы возбуждения снабжаются автоматическим регулятором в виде устройства компаундирования с корректором напряжения, но быстродействие их по сравнению с другими системами является невысоким (кф = 2, постоянная времени возбудителя Тв = 0,3ч-6,0 с). Поэтому такие системы могут быть применены лишь для возбуждения турбогенераторов, к которым не предъявляют повышенных требований в отношении устойчивости.
В настоящее время электромашинные возбудители применяют только на турбогенераторах мощностью до 100 МВт, на гидрогенераторах небольшой мощности и в качестве резервных возбудителей, в том числе и для генераторов с вентильными системами возбуждения.



Рис. 1-17. Электромашинная система возбуждения с генератором постоянного тока: а - с самовозбуждением возбудителя; б - с подвозбудителем I - синхронный генератор; 2 - обмотка возбуждения генератора; 3 - автомат гашения поля; 4 - дугогасительная решетка; 5 - возбудитель; 6 - обмотка возбуждения возбудителя; 7 - подвозбудитель
Для генераторов больших мощностей применяются вентильные системы возбуждения о неуправляемыми (рис. 1-18) или управляемыми вентилями (см. рис. 1-19).
Полупроводниковая система возбуждения с высокочастотным возбудителем является основной для турбогенераторов серии ТВВ мощностью 165, 200, -300 и 500 МВт. Высокочастотный возбудитель представляет собой сильно компаундированную индукторную машину, возбуждение которой определяется в основном обмоткой: самовозбуждения, включенной последовательно с обмоткой ротора генератора.


Рис. 1-18. Высокочастотная система возбуждения с неуправляемыми полупроводниковыми выпрямителями 1 - синхронный генератор; 2 - обмотка возбуждения генератора (ОВГ); 3 - автомат гашения поля (АГП); 4 - выпрямительное устройство; 5 - высокочастотный возбудитель; 6, 7 - последовательная (ОПВ) и независимые (ОНВ) обмотки возбуждения высокочастотного возбудителя (ВЧВ); 8 - высокочастотный подвозбудитель (Г1В); 9 - выпрямитель (В); 10, 11 - магнитные усилители (МУ) бесконтактной форсировки и автоматического регулятора возбуждения (APB); Р - разрядник

Рис. 3-19. Независимая система возбуждения с управляемыми вентилями
1 - синхронный генератор; 2 - обмотка возбуждения; 3 - возбудитель - вспомогательный генератор с двумя обмоткам и на статоре; 4 - обмотка возбуждения возбудителя; 5 подвозбудитель; 6 - обмотка возбуждения подвозбудителя; 7, 8 - форсировочная и рабочая группы управляемых вентилей



Рис. 1-20. Бесконтактная система возбуждения: 1 - синхронный генератор; 2 - обмотка возбуждения; 3 - вращающиеся полупроводниковые выпрямители, 4 - высокочастотный возбудитель (обращенная индукторная машина); 5 - обмотка возбуждения возбудителя; 6 - высокочастотный подвозбудитель; 7 - выпрямитель; 8 - магнитный усилитель цепи возбуждения подвозбудителя
При переходных процессах свободный ток ротора, протекая по обмотке самовозбуждения, создает необходимый компаундирующий эффект.
Устойчивость работы и регулирование обеспечиваются устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ) и бесконтактной форсировки (УБФ), включенными на одинаковые независимые обмотки возбуждения высокочастотного возбудителя и представляющими собой двухсистемный корректор. УБФ получает питание от статорной обмотки высокочастотного возбудителя, а устройство АРВ-от высокочастотного подвозбудителя. Подвозбудитель (машина с постоянными магнитами) находится на одном валу с возбудителем и основным генератором.



Рис. 1-21. Схема самовозбуждения с управляемыми вентилям
1 - синхронный генератор; 2 - обмотка возбуждения; 3 - выпрямительный трансформатор; 4, 6 - рабочая и форсировочная группы управляемых вентилей
Регулирование возбуждения осуществляется изменением токов в независимых обмотках возбуждения высокочастотного генератора. По своему быстродействию эта система превосходит электромашинную с генератором постоянного тока и обеспечивает скорость нарастания напряжения vy = 2-4 с-1.
Существенного повышения быстродействия системы возбуждения можно достигнуть с помощью управляемых вентилей, ионных или тиристорных, преобразующих переменный ток вспомогательного синхронного генератора частотой 50 Гц в постоянный (рис. 1-19). Вспомогательный генератор имеет электромашинную систему возбуждения и при независимой системе располагается на одном валу с главным. При высокой кратности форсирования возбуждения (кф > 2) обычно применяют две группы управляемых вентилей: рабочую и форсировочную. Обе группы выполняют по шести- или трехфазной мостовой схеме, соединяют параллельно и подключают к обмотке возбуждения генератора. Рабочая группа вентилей работает с малыми углами регулирования и обеспечивает возбуждение генератора в нормальных режимах. Форсировочная группа в нормальном режиме работает с большими углами регулирования и дает не более 30 % тока возбуждения. При форсировке эта группа полностью открывается и дает весь ток форсировки, а при гашении поля переводится в инверторный режим.
Каждая фаза вспомогательного генератора выполняется из двух частей: низковольтной, к которой присоединены вентили рабочей группы, и высоковольтной - для питания вентилей форсировочной группы. Защита вентилей и вспомогательного генератора от токов при обратных зажиганиях (в случае ионных вентилей) осуществляется с помощью шестиполюсных быстродействующих анодных выключателей. Управление вентилями осуществляется от автоматического регулятора возбуждения.
Вследствие безынерционности вентилей такая система возбуждения имеет малые постоянные времени (Тв < 0,02 с) и при высокой кратности форсирования (кф = 4) обеспечивает скорость нарастания напряжения возбудителя vy = 40 с-1. Независимая ионная система возбуждения применена на некоторых турбогенераторах серии ТГВ мощностью 300 и 500 МВт и целесообразна, когда генераторы работают на длинные линии электропередачи и расположены вблизи потребителей с резко переменной нагрузкой.
Рассмотренные выше системы возбуждения называются контактными, так как обмотка возбуждения синхронного генератора соединяется здесь с возбудителем посредством контактных колец и щеток. В настоящее время для турбогенераторов мощностью 300 МВт и выше разработаны так называемые бесконтактные системы возбуждения с непосредственным соединением возбудителя и обмотки возбуждаемой машины (рис. 1-20). В этой схеме высокочастотный возбудитель имеет обращенное исполнение с размещением трехфазной обмотки на роторе, а обмотки возбуждения на статоре. Полупроводниковые неуправляемые вентили и индивидуальные предохранители встроены в барабан, расположенный между соединительной муфтой и якорем возбудителя. Число вентилей выбрано с запасом, чтобы при выходе из строя до 20 % их оставшиеся могли обеспечить возбуждение в режиме форсировки. Поскольку трехфазная обмотка возбудителя, выпрямители и обмотка возбуждения вращаются с одинаковой частотой, их можно соединить электрически без контактных колец и щеток. Регулирование напряжения возбудителя осуществляется автоматически от высокочастотного подвозбудителя.
Бесконтактная схема существенно повышает надежность системы возбуждения и особенно перспективна для генераторов большой мощности с токами возбуждения 3 кА и выше. Так, подобная система установлена на крупнейшем в стране генераторе 1200 МВт, имеющем ток возбуждения более 7,5 кА (Костромская ГРЭС). Однако она не лишена некоторых недостатков, в частности, при этой системе гашение поля происходит сравнительно медленно, а из-за инерционности высокочастотного возбудителя не могут быть получены большие скорости повышения напряжения при форсировке. Следует также указать на невозможность работы на резервном возбуждении. Медленное гашение поля вызывается отсутствием размыкающих контактов в цепи обмотки возбуждения и осуществлением этого процесса через АГП возбудителя.
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.
Эти системы имеют следующие отличия от существующих:
в них применен специальный вспомогательный шестнадцатифазный генератор с трапецеидальной э. д. с., обладающий повышенным быстродействием в диодном исполнении;
импульсы управления вращающимися тиристорами создаются, формируются и смещаются по фазе при помощи бесконтактной системы управления, включающей в себя специальный многофазный генератор управляющих импульсов и синусно-косинусное устройство;
комбинированный способ управления и регулирования в сочетании с высоким быстродействием возбудителя обеспечивает высокое быстродействие системы возбуждения во всех режимах;
процесс гашения поля турбогенератора значительно убыстряется, так как в этой системе он осуществляется релейным переводом вращающегося выпрямителя в инверторный режим путем изменения угла регулирования от 38,9 до 137°.
Бесщеточные возбудители подобного типа обладают высоким быстродействием при форсировке возбуждения. На блоках с турбогенераторами ТГВ-300 при двукратной форсировке возбудителя из номинального режима достигается скорость нарастания напряжения до 13Uв.,/с, а на блоках с ТГВ-200 - до 20UB. и/с.
Специальные испытания показали, что при мощности генератора, равной половине номинальной, асинхронный режим не опасен для тиристорной бесщеточной системы.
Системы самовозбуждения (рис. 1-21) обычно выполняются на базе статических преобразователей с управляемыми ртутными (ионное самовозбуждение) или полупроводниковыми вентилями. Система ионного самовозбуждения использована на турбогенераторах ТГВ-200 и некоторых машинах ТГВ-300, Выпрямительный трансформатор подключен ответвлением к генераторному токопроводу и имеет две вторичные обмотки, соединенные между собой уравнительным реактором. Каждая из обмоток имеет выводы высокого и низкого напряжения для подключения рабочей и форсировочной групп вентилей. Управление вентилями осуществляется так же, как в схеме на рис. 1-19. Ионный возбудитель с автоматическим регулятором возбуждения сильного действия обеспечивает устойчивую работу возбуждения во всех режимах, если напряжение генератора выше 0,8f/n. Для самовозбуждения при более значительных снижениях напряжения в некоторых случаях применяют схему сильного компаундирования с дополнительным трансформатором, первичная обмотка которого включена последовательно в цепь каждой фазы генератора, а вторичная - последовательно со вторичной обмоткой выпрямительного трансформатора.
По быстродействию система ионного самовозбуждения близка к схеме на рис. 1-19 и имеет скорость нарастания напряжения при форсировке до 30 с-1. По экономическим показателям система самовозбуждения с управляемыми вентилями (рис. 1-21) превосходит систему независимого возбуждения (рис. 1-19), но имеет меньшую стабильность напряжения из-за прямой электрической связи с сетью.
Для резервного возбуждения турбогенераторов любых мощностей применяют систему самовозбуждения с генератором постоянного тока, приводимым во вращение асинхронным двигателем, получающим питание от шин собственных нужд станции (рис. 1-22). Мощность таких генераторов постоянного тока, выполненных на частоту вращения 750 об/мин, достигает 2 МВт, а перегрузочная мощность, рассчитанная на длительность форсировки до 30 с, колеблется в пределах 4-6 МВт. Для уменьшения влияния колебаний напряжения и частоты в системе на режим возбуждения синхронной машины применяют либо асинхронный двигатель с большим запасом по мощности, либо специальный маховик для увеличения механической инерции вращающихся масс. Динамические характеристики генератора при работе на резервном возбудителе хуже, чем при работе на основном. Обычно на два-четыре блока устанавливают один резервный возбудитель.

Ряс. 1-22. Схема реверсивного (бесконтактного) возбуждения синхронного компенсатора КСВБО
1 - пусковой выключатель; 2 - рабочий выключатель; 3 - пусковой реактор: 4 - синхронный компенсатор КСВБО; 5 - выпрямители; 6 - обращенные синхронные генераторы-возбудители; 7 - возбудитель компенсатора в индуктивном режиме; 8 - обмотки возбуждения обращенных генераторов-возбудителей; 9 - автоматический регулятор возбуждения; 10 - возбудитель компенсатора в емкостном режиме; 11 - трансформатор питания АРВ
На ГЭС при мощности гидрогенераторов до 120, а иногда до 170 MB.А наибольшее распространение получила прямая электрошинная система независимого возбуждения (рис. 1-17), при которой возбудитель (генератор постоянного тока) и подвозбудитель, если он имеется, приводятся во вращение непосредственно от вала гидрогенератора. Такая система обеспечивает кратность форсировки кф 2 и максимальную скорость нарастания напряжения va ^ 1,5 с1. Номинальная мощность таких возбудителей не превышает 1 МВт, а частота вращения находится в пределах 62,5 - 600 об/мин.
В последнее время, учитывая присущие электромашинному возбуждению недостатки, для группы гидрогенераторов средней мощности (1,25 - 170 MB. А) рекомендуется замена этих систем возбуждения на статические тиристорные системы параллельного самовозбуждения, отличающиеся относительной простотой и достаточной надежностью.
При этом удается избежать таких недостатков электромашинного возбуждения, как склонность к вибрации при значительных вращающихся массах, укрепленных консольно на валу генератора (возбудитель, подвозбудитель, генератор с постоянными магнитами), что требует учащенных капитальных ремонтов и центровок генератора.
Избегаем также другого серьезного недостатка электромашинного возбуждения: сложности обслуживания возбудителей, их щеточного аппарата и вспомогательных агрегатов.
Некоторых недостатков тиристорных параллельных систем самовозбуждения (зависимость от режимов статорных цепей, опасность развозбуждения генератора при близких коротких замыканиях) можно избежать схемными решениями и соответствующим выбором параметров силового оборудования.
Для наиболее мощных гидрогенераторов (200-600 MB.А), работающих на дальние электропередачи, требуются системы возбуждения с высоким быстродействием: k$ = 3-f-4, Vu > 100c“l. Его обеспечивают системы независимого возбуждения с управляемыми вентилями (ионными или тиристорными) (см. рис. 1-19). Небольшое число мощных гидрогенераторов имеет ионную или тиристорную систему самовозбуждения (см. рис. 1-21). Тиристорное самовозбуждение наиболее рационально для капсульных гидрогенераторов, имеющих пока сравнительно небольшую мощность (до 46 MB. А). Ограниченное число гидрогенераторов средней мощности имеет схему самовозбуждения, показанную на рис. 1-17. Что касается резервного возбуждения, то на гидроагрегатах оно, как правило, не применяется.
На мощных синхронных компенсаторах с водородным охлаждением 50, 100 и 160 MB. А также устанавливаются бесщеточные тиристорные системы возбуждения. В соответствии с назначением компенсаторов и диапазоном их регулирования на компенсаторах серии КСВБ устанавливают системы только положительного возбуждения; на компенсаторах же серии КСВБО, предназначенных для регулирования реактивной мощности в режимах генерирования и потребления ее,- системы с реверсивным возбуждением (рис. 1-22).
Реверсивное возбуждение позволило увеличить мощность компенсаторов в режиме с отстающим током (индуктивный режим) до 80 % номинальной вместо 50 % при работе компенсатора в индуктивном режиме без возбуждения. При этом крайние пакеты статора имеют необходимый запас по нагреву.
В компенсаторах КСВБО на роторе размещены две обмотки: основная для положительного возбуждения и дополнительная для отрицательного возбуждения. Намагничивающая сила отрицательной обмотки составляет примерно 20 % и. с. основной обмотки. Каждая из обмоток ротора - и положительная, и отрицательная - питается от своего возбудителя, состоящего из обращенного синхронного генератора и вращающегося выпрямителя. Регулирование тока ротора производится изменением тока возбуждения возбудителя.
Бесщеточная (бесконтактная) система возбуждения упростила эксплуатацию и повысила надежность работы компенсаторов, так как без контактных колец и щеточного аппарата исключены угольная пыль на обмотках, простои машины на замену щеток и ремонт контактных колец.

Системы возбуждения генераторов можно разделить на группы:

1) независимое возбуждение, т.е. электромашинные возбудители постоянного и переменного тока сопряженные с валом генератора;

2) самовозбуждение (зависимое возбуждение), т.е. системы возбуждения, получающие питание непосредственно с выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы.

Независимое возбуждение генераторов (основное достоинство — возбуждение СГ не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным) наиболее распространено.

Недостатки: сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения (определяется в основном недостатком возбудителя); снижение надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток коллектора (для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения).

Системы самовозбуждения, в общем, менее надежны чем системы независимого возбуждения, поскольку в них …
работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока.

Схема независимого электромашинного возбуждения (слева), схема зависимого электромашинного возбуждения, т. е, самовозбуждения (справа).

На схеме; ОВВ(Г) — обмотка возбуждения возбудителя (генератора); ШР — шунтовой реостат; В — возбудитель; АД-асинхронный.двигатель; М — маховик; СГ — синхронный генератор; СН- шины собственных нужд.

Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, .является система бесщеточного возбуждения, в которой нет подвижных контактных соединений.

Для создания основного магнитного потока генератора делается обмотка возбуждения с постоянным током. При изменении тока возбуждения изменяется напряжение генератора и отдаваемая с сеть реактивная мощность. Параметры системы возбуждения: сброс нарастания напряжения и кратность форсировки. Системы возбуждения бывают независимого возбуждения и самовозбуждения.

Система независимого электромашинного возбуждения . Регулирование напряжения возбудителя и следовательно тока возбуждения основного генератора осуществляется путем изменения тока в обмотке возбуждения возбудителя. Достоинства: не зависит от режима сети. Недостаток: при больших скоростях вращения влияние коммутации, большая реактивная ЭДС приводит к пробою изоляции коллекторных пластин и выходу коллектора из строя. Высокочастотная система возбуждения . Состоит из возбудителя, представляющего собой высокочастотный генератор, с тремя обмотками возбуждения, частота 500 Гц. Первая обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой возбуждения основного генератора. Две другие получают питание от подвозбудителя- генератора с частотой 400 Гц (многополюсный), с постоянными магнитами и обмотками, соединенными в разомкнутый треугольник. Возбудитель и подвозбудитель на одном валу с генератором. Ток в двух других обмотках подвозбудителя регулируется блоками АРВ (поддержание напряжение в нормальном режиме), УБФ (устройство бесконтактной форсировки), подключенными к трансформатору тока и напряжения на выводах генератора. Кратность форсировки 2, скорость нарастания напряжения на менее 2 1/с.

Тиристорная система возбуждения . Возбудитель- трехфазная машина с обмотками, соединенными в звезду. Обмотка его возбуждения питается от выпрямительного трансформатора, через выпрямитель. Обмотка возбуждения основного генератора подключена через 2 группы тиристорных выпрямителей: рабочая VS1, и форсировочная VS. При форсировке рабочие тиристоры закрыты более высоким напряжением на VS2.

Бесщеточная система . Проводники, соединяющие обмотку возбуждения с возбудителем проводниками на валу через вращающийся выпрямитель. Исключает необходимость применения щеток и контактных колец.

Система электромашинного самовозбуждения. Возбудитель вращается двигателем, подключенным к трансформатору собственных нужд блока.

Тиристорная система самовозбуждения . Обмотка генератора подключена к тиристорным выпрямителям, получающим питание от ТСН блока. Состоят из управляемых, регулирующих напряжение в нормальном режиме, и неуправляемых, при форсировке.

Обмотка ротора синхронного генератора питается постоянным током, который создает магнитный поток возбуждения. Обмотка ротора, источник постоянного тока, устройства регулирования и коммутации составляют систему возбуждения генератора.

Системы возбуждения должны:

обеспечивать надежное питание обмотки ротора в нормальных и аварийных режимах;

допускать регулирование напряжения возбуждения в достаточ­ных пределах;

обеспечивать быстродействующее регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах;

осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимо­сти производить гашение поля в аварийных режимах.

В зависимости от источника питания системы возбуждения раз­деляются на системы независимого возбуждения и са­мовозбуждения.

В системе независимого возбуждения на одном валу с генера­тором находится возбудитель - генератор постоянного или пере­менного тока. В системе самовозбуждения питание обмотки воз­буждения осуществляется от выводов генератора через специаль­ные понижающие трансформаторы и выпрямительные устройства.

Для генераторов мощностью до 100 МВт в качестве возбудителя применяется генератор постоянного тока GE , соединенный с ва­лом генератора (рис. 2.9, а). Обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря возбудителя, ток в ней регулируется реостатом RR или автоматическим регулятором возбуждения АРВ. Ток, пода­ваемый в обмотку возбуждения LG синхронного генератора G , оп­ределяется величиной напряжения на возбудителе. Недостатком такой системы возбуждения является невысокая надежность рабо­ты генератора постоянного тока GE из-за вибрации и тяжелых ус­ловий коммутации при высокой частоте вращения 3000 об/мин. Другим недостатком является невысокая скорость нарастания воз­буждения, особенно у гидрогенераторов (V = 1 - 2 с" 1).

В системе самовозбуждения (рис. 2.9, б) обмотка возбуждения генератора LG получает питание от трансформатора ТЕ, присо­единенного к выводам генератора, через управляемые от АРВ вен­тили VS и от трансформаторов тока ТА через неуправляемые вен­тили VD . Ток вентилей VD пропорционален току статора, поэтому они обеспечивают форсировку возбуждения и работу генератора при нагрузке. Управляемые вентили VS подают ток, пропорцио­нальный напряжению генератора, и обеспечивают регулирование напряжения в нормальном режиме. Такая система применяется для мощных синхронных машин.

Широкое распространение получила система возбуждения с ма­шинным возбудителем 50 Гц и статическими выпрямителями (с т а-тическая тиристорная система независимого возбуждения - рис. 2.10). На одном валу с генератором G на­ходится вспомогательный синхронный генератор GE , который име­ет на статоре трехфазную обмотку с отпайками, к которым при­соединены две группы тиристоров: рабочая группа VD 1 - на низ­кое напряжение возбудителя и форсировочная группа VD 2 - на полное напряжение. Применение двух групп тиристоров обеспе­чивает потолок возбуждения до 4U fH 0 M и высокое быстродействие (V= 50 с -1)- Обе группы соединяются параллельно по трехфазной мостовой схеме. На рис. 2.10 для упрощения чтения схемы показа­ны тиристоры только в одной фазе.

Система управления тиристорами AVD 2 и AVD 1 питается от трансформатора ТА1 и связана с АРВ (автоматическое регулиро­вание возбуждения). Возбудитель GE имеет обмотку возбуждения LGE , получающую питание от трансформатора ТА2 через венти­ли VD . В рассмотренной схеме также показаны элементы схемы автоматического гашения магнитного поля (АГП): автомат АГП, резистор R , разрядник FV и контактор КМ.

Рис. 2.11. Бесщеточная система возбуждения

Рис. 2.10. Статическая тиристорная система независимого возбуждения

К недостаткам схемы следует отнести наличие возбудителя пе­ременного тока, который услож­няет эксплуатацию, а также на­личие скользящих контактов между неподвижными щетками, к которым присоединена систе­ма неподвижных тиристоров, и подвижными контактными коль­цами КК, вращающимися на валу ротора.

Последний недостаток привел t к разработке бесщеточной системы возбуждения - (рис. 2.11). В качестве возбудителя GE в этой системе используется синхронный генератор 50 Гц, об­мотка возбуждения которого LE расположена на неподвижном ста­торе, а трехфазная обмотка - на вращающемся роторе. Обмотка LE получает питание от подвозбудителя GEA через выпрямитель VDE . ; На одном валу с возбудителем на специальных дисках укреплены тиристоры VD , которые выпрямляют переменный ток возбудителя и подают его в ротор генератора по жестким шинам без i колец и щеток, так как ротор генератора, тиристоры VD и ротор возбудителя вращаются на одном валу с одинаковой скоростью. Регулирование тока возбуждения осуществляется от АРВ путем воздействия на тиристоры через импульсное устройство А и вра­щающийся трансформатор ТА.

Достоинством этой системы является отсутствие контактных колец и щеток, недостатком - необходимость останова генерато­ра для переключения на резервное возбуждение или для замены тиристоров.