Лекция 3. Автоматическое регулирование напряжения

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

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

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

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

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

- обеспечение самовозбуждения генератора;

- поддержание заданного уровня напряжения при изменении нагрузки;

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

- пропорциональное распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами.

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

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

Рисунок 1.1 – Структурная схема СВАРН СГ

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

По принципу действия все САРН делятся на следующие типы:

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

- системы, действующие по отклонению регулируемой величины Uг;

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

Системы, действующие по возмущению

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Системы, действующие по отклонению напряжения

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

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

Через КН осуществляется отрицательная обратная связь по напряжению.

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

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

Комбинированные системы

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

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