Системы возбуждения

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 форсировки в аварийных режимах; осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимости производить гашение поля в аварийных режимах. Быстродействие системы возбуждения определяется кратностью форсирования

r_ф=U_{B. m}/U_{B. н} (отношению максимального напряжения возбуждения к его номинальному значению) и скоростью нарастания напряжения возбудителя (с ^-1) при форсировании:

(1-11)

где - время нарастания напряжения возбудителя от номинальною до значения . Возбудители современных турбогенераторов имеют r_ф≥2,0 и не менее двух единиц номинального напряжения в секунду. Допустимая длительность форснровочного режима с предельным током возбуждения зависит от системы охлаждения генератора и должна быть не менее 50с 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 пли главного синхронного генератора.

В зависимости от источника энергии, используемого для возбуждения, все системы разделяются на схемы 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 с вентильными выпрямителями (см. рис. 1-18 - 1-20).

При самовозбуждении используется энергия, вырабатываемая возбуждаемой машиной или получаемая из сети. В качестве возбудителя используется генератор постоянною тока (см. рис. 1-22) или вентильные выпрямители (см. рис. 1-21).

До недавнего времени на генераторах 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 применения редуктора, что снижает надежность и увеличивает габариты машинного зала. По той 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

Рис. 1-17. Электромашинная система возбуждения с генератором постоянного тока: а-- с самовозбуждением возбудителя; 6— с подвозбудителем.

1 — синхронный генератор: 2 — обмотка возбуждения генератора; 3— автомат гашения ноля; 4 -- возбудитель; 5 — обмотка возбуждения возбудителя; 6 — подвозбудитель.

напряжения, но быстродействие их по сравнению с другими системами является невысоким (r_ф ≈2, постоянная времени возбудителя Т_В = 0,3 ÷ 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 н в качестве резервных возбудителей, в том числе и для генераторов с вентильными системами возбуждения.

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 независимая обмотки возбуждения (ОНВ) высокочастотного возбудителя (ВЧВ); 8 — высокочастотный подвозбудитель (ПВ); 9, II — магнитные усилители (МУ) бесконтактной форсирован и автоматического регулятора возбуждения (АРВ); 10 — выпрямители (В); Р — разрядник.

Для генераторов больших мощностей применяются вентильные системы возбуждения с 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. При переходных процессах свободный ток ротора, протекая по обмотке самовозбуждения, создает необходимый компаундирующий зффект.

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. Устройство 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.

Регулирование возбуждения осуществляется изменением токов в независимых обмотках возбуждения высокочастотного генератора.

Рис. 1-19. Независимая система возбуждения с управляемыми вентилями

1 — синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения; 3 — возбудитель - вспомогательный генератор; 4 — обмотка возбуждения возбудителя: 5 — подвозбудитель; 6 — обмотка возбуждения под возбудителя; 7,8 — форсировочная и рабочая группы управляемых вентилей.

По своему быстродействию эта система превосходит электромашинную с генератором постоянного тока и обеспечивает скорость нарастания напряжения 2÷4 с^-1.

Существенного повышения быстродействия системы возбуждения можно достигнуть за счет применения управляемых вентилей, ионных и 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 высоких потолках возбуждения (r_ф> 2) обычно применяют две группы управляемых вентилей рабочую и форсировочную. Обе группы выполняют по шеста- или трехфазной мостовой схеме и соединяют параллельно на обмотку 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 форснровки. 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 шести полюсных быстродействующих анодных выключателей. Управление вентилями осуществляется от автоматического регулятора возбуждения.

Вследствие без инерционности вентилей такая система возбуждения имеет малые постоянные времени (Т_в ^< 0,02 с) и при высоких потолках форсировки (r_ф = 4) обеспечивает скорость нарастания напряжения возбудителя =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 называют контактными, гак как обмотка возбуждения синхронною 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 н 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 н индивидуальные предохранители встроены в барабан, расположенный между соединительной муфтой и якорем возбудителя. Количество вентилей выбрано с запасом, чтобы при выходе из строя до 20% их числа оставшиеся могли обеспечить возбуждение в режиме форсировки. Поскольку трехфазная обмотка возбудителя, выпрямители и обмотка возбуждения вращаются с одинаковой частотой, их можно соединить электрически без применения контактных колец и щеток. Регулирование напряжения возбудителя осуществляется автоматически от высокочастотного подвозбудителя.

Бесконтактная схема существенно повышает надежность системы возбуждения и является особенно перспективной для генераторов большой мощности с токами возбуждения 3 кА и больше. 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 вызвано отсутствием размыкающих контактов в цепи обмотки возбуждения и осуществлением этою процесса через АГП возбудителя.

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.

Рис, 1-20. Бесконтактная система возбуждения

1 — синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения; 3 — вращающиеся полупроводниковые выпрямители; 4 высокочастотный возбудитель; 5 — обмотка возбуждения возбудителя; 6 — высокочастотный подвозбудитель; 7— магнитный усилитель цепи возбуждения подвозбудителя; 8 — выпрямитель

Выпрямительный трансформатор подключен ответвлением к генераторному токопроводу и имеет две вторичные обмотки, соединенные между собой уравнительным реактором. Каждая из обмоток имеет выводы высокого и низкою 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 0,8 U_н. Для обеспечения 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 резервною 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

Рис. 1-21. Схема самовозбуждения с управляемыми вентилями

1 - синхронный генератор; 2 - обмотка возбуждения; 3 — выпрямительный трансформатор; 4,5 — рабочая и форсировочная группы управляемые вентилей.

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—б 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 установку специального маховика для увеличения механической инерции вращающихся масс. Динамические характеристики генератора при работе на резервном возбудителе хуже, чем на основном. Обычно на два-четыре блока устанавливают одни резервный возбудитель.

На ГЭС при мощности гидрогенераторов до 120 и иногда до 170 МВА наибольшее распространение получила прямая электромашинная 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 r_ф>2 и максимальную скорость нарастания напряжения > 1,5 с^-1 . Номинальная мощность таких возбудителей не превышает 1 МВт, а частота вращения находится в пределах 62,5— 600 об/мин.

Для наиболее мощных гидрогенераторов (200—600 МВ-А), работающих на дальние электропередачи, требуются системы возбуждения с высоким быстродействием: r_ф=3-4, >100 с^-1. Это обеспечивается применением независимых систем возбуждения с управляемыми вентилями (ионными или тиристорными) (см, рис. 1.39). Небольшое число мощных гидрогенераторов имеет ионную

Рис. 1-22. Схема резервного возбуждения

1 — рабочий трансформатор собственных нужд; 2 — синхронный генератор, 3 --- обмотка возбуждения; 4 — электромашинный возбудитель; 5 — обмотка возбуждения резервного возбудителя: 6 — асинхронный электродвигатель

или тиристорную систему самовозбуждения (см. рис. 1-21). Тиристорное самовозбуждение наиболее рационально для капсульных гидрогенераторов, имеющих пока сравнительно небольшую мощность (до 46 МВ-А). Ограниченное число гидрогенераторов средней мощности имеет схему самовозбуждения, показанную на рис. 1-22 Что касается резервною возбуждения, то на гидроагрегатах оно, как правило, не применяется.