Системы возбуждения синхронных генераторов

Ток, протекающий в обмотке статора, создает поле (реакцию якоря), синхронно вращающееся с ротором и влияющее на результирующий поток в воздушном зазоре машины. Степень и характер этого влияния определяют параметры машины, значение и коэффициент нагрузки cos φ. Это подтверждают внешние и регулировочные характеристики (см. рис. 9 и 10). Генератор, в свою очередь, является источником электроэнергии автономной системы и должен обеспечивать заданное качество электроэнергии в статических и динамических режимах. Наряду с обеспечением качества электроэнергии в ЭЭС реализуются различные виды защит. Например, при коротком замыкании защита системы должна быть избирательной (селективной) и отключать только поврежденные участки сети. В настоящее время селективность обеспечивают введением выдержек времени на отключение различных участков, при этом действует принцип: источник электроэнергии должен отключаться в последнюю очередь. Так как существующая защитная аппаратура срабатывает по току, то в момент отключения ток должен быть не меньше определенного значения. Таким образом, на систему возбуждения синхронного генератора (СГ) автономной системы возлагаются функции обеспечения качества электроэнергии и определенного значения тока в режиме короткого замыкания.

Способ возбуждения генератора, а именно три его компоненты: источник возбуждения; принцип регулирования; способ передачи в обмотку возбуждения электроэнергии – представляют собой важнейший фактор, влияющий на все характеристики генератора, в том числе и его конструкцию [9].

Способы передачи электроэнергии в обмотку возбуждения. Относительно передачи энергии в обмотку возбуждения различают СГ со щетками и без щеток.

Принципиальная схема СГ со щетками представлена на рис. 11. В этой схеме обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух неподвижных щеток и двух колец, расположенных на валу (изолированных от вала и одно от другого). Источником возбуждения здесь служит сам генератор.

Рис. 11. Блок-схема системы возбуждения

синхронного генератора со щетками:

САРН – система автоматического регулирования напряжения; ОВ – обмотка возбуждения; ПД – первичный двигатель

Существует достаточно много разновидностей бесщеточных синхронных генераторов. На рис. 12 представлен один из вариантов такого генератора с электромашинным возбудителем.

Рис. 12. Блок-схема системы возбуждения

бесщеточного синхронного генератора с возбудителем (В)

Принципы регулирования тока возбуждения при стабилизации напряжения синхронного генератора. Для регулирования тока возбуждения применяют разные системы, в которых использованы следующие принципы регулирования:

1) по отклонению (U);

2) по возмущению:

– токовое компаундирование – компенсация изменения значения тока нагрузки (I);

– амплитудно-фазовое компаундирование (фазовое компаундирование) – компенсация изменения значения тока и коэффициента мощности нагрузки (I, cos φ);

3) комбинированное – сочетание систем, использующих регулирование по отклонению и по возмущению.

В ЭЭС применяют все три вида систем регулирования напряжения синхронных генераторов. Каждая их них имеет свои области применения, определяемые параметрами генераторов [7].

Регулирование по отклонению, как известно, позволяет компенсировать изменение напряжения при любых видах возмущающих воздействий.

Схемы возбуждения, построенные по этому принципу, целесообразно использовать для генераторов с высоким значением ОКЗ, так как в этом случае регулируемая мощность системы возбуждения будет иметь меньшее значение. Эти схемы характеризуются большим значением коэффициента усиления по мощности и имеют тенденцию к автоколебательному режиму.

Регулирование по возмущающему воздействию компенсирует действие основных факторов, приводящих к снижению напряжения генератора, а также позволяет повысить быстродействие в переходном режиме, так как возмущение воздействует одновременно на объект управления и на его систему регулирования.

Системы возбуждения, реагирующие только на значение нагрузки (системы токового компаундирования), применяют обычно для генераторов с высоким значением ОКЗ. В этом случае регулировочные характеристики при cos φ = 0 и cos φ = 1 незначительно отличаются друг от друга (рис. 13) и точность поддержания напряжения оказывается выше, чем в случае применения генератора с низким ОКЗ.

Для генераторов с низким ОКЗ применяют, как правило, схемы возбуждения, реагирующие на значение и коэффициент мощности нагрузки, то есть схемы амплитудно-фазового (фазового) компаундирования.

0 1 I

Рис. 13. Регулировочные характеристики синхрон-ных генераторов с различными значениями ОКЗ: 1 – ОКЗ = 0,82; 2 – ОКЗ = 1,8

Комбинированное регулирование осуществляют введением в системы компаундирования обратной связи по отклонению, что повышает точность регулирования. Основную роль в таких системах играет канал по возмущению. Канал по отклонению служит для устранения второстепенных возмущений и имеет небольшую мощность. Часто его выполняют в виде корректора напряжения, который имеет два способа включения – на обмотку возбуждения или на элемент системы на стороне переменного тока.

Источник возбуждения.Питать обмотку возбуждения можно от независимого источника электроэнергии (возбудителя) и/или от собственных шин генератора. Системы, в составе которых есть независимый источник энергии, относят к системам косвенного действия. Недостатки таких систем очевидны: они имеют повышенные массогабаритные показатели и ухудшенные показатели по быстродействию, так как к инерционности генератора и системы добавляется инерционность возбудителя. Примером такой системы может служить регулятор УБК-М в генераторах серии МС [4].

Системы прямого действия не имеют независимого источника энергии и для возбуждения используют энергию самого генератора. Регулирующее воздействие в таких системах осуществляется непосредственно в цепи возбуждения генератора. Конструктивно систему возбуждения располагают над статором генератора рядом с воздухоохладителем.

Системы прямого компаундирования.В системах прямого компаундирования ток обмотки возбуждения СГ должны определять две составляющие, пропорциональные напряжению и току. Составляющая, пропорциональная напряжению, необходима для обеспечения режима холостого хода и создания основного потока возбуждения. Составляющая, пропорциональная току нагрузки, служит для компенсации тех факторов, которые вызывают снижение напряжения при изменении нагрузки, а также для обеспечения необходимого для срабатывания защитной аппаратуры значения установившегося тока короткого замыкания.

В зависимости от того, как осуществляется суммирование сигналов, пропорциональных напряжению и току, различают системы:

– прямого токового компаундирования – суммирование арифметическое (рис. 14, а);

– прямого фазового компаундирования – суммирование геометрическое (рис. 14, б).

В схеме прямого токового компаундирования (см. рис. 14, а) суммирование происходит на стороне постоянного тока. В результате фаза тока по отношению к напряжению не учитывается, поэтому ток возбуждения генератора не зависит от коэффициента мощности нагрузки, а определяется только значениями напряжения и тока статора. Такая схема обеспечивает точность лишь ±10%. К ее недостаткам можно также отнести наличие двух выпрямителей.

аб   Рис. 14. Принципиальные схемы прямого компаундирования: а – токового; б – фазового; СГ – синхронный генератор; ТТ – трансформатор тока; ТН – трансформатор напряжения; В – выпрямитель; Zк – компаундирующее сопротивление

Суммирование сигналов возбуждения, пропорциональных току статора и напряжению генератора, в схеме прямого фазового компаундирования (см. рис. 14, б)происходит на стороне переменного тока, то есть с учетом фазы между напряжением и током. Геометрическое суммирование должно выполняться так, чтобы в режиме активной нагрузки угол между составляющими векторами был близок к 90° и уменьшался бы с увеличением значения φ, достигая при φ = 90° (индуктивная нагрузка) значения, близкого нулю. В этом случае ток возбуждения будет возрастать с изменением I и cos φ именно таким образом, как это необходимо нормальному синхронному генератору при сохранении его напряжения неизменным. Такое суммирование можно обеспечить как при параллельном, так и при последовательном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения, вводя в схему дополнительный элемент. Роль этого элемента станет ясной при прочтении материала, приводимого далее.

Суммирование сигналов при параллельном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения [7, 10]. На рис. 15, б приведена принципиальная схема системы при параллельном соединении вторичных обмоток тока и напряжения, причем для упрощения рассмотрен однофазный генератор.

Если пренебречь активными сопротивлениями обмоток, намагничивающими токами трансформаторов, а также активными потерями их в магнитопроводах, то расчетную схему можно представить в следующем виде (рис. 15, а).

а б

Рис. 15. Эквивалентные схемы системы фазового компаундирования:

параллельное (а) и последовательное (б) суммирование каналов тока и напряжения; Z_к – компаундирующее сопротивление; R_в – сопротивление цепи возбуждения генератора

Используя метод суперпозиций, который можно применить при сделанных допущениях, получим:

.

Полагая внутреннее сопротивление источника тока равным бесконечности, можно записать:

,

(40)

где К_u – коэффициент трансформации по напряжению;

r_к, x_к – активное и реактивное сопротивления компаундирующего элемента;

α₁ = α_u – β при β = arctg (x_к/ R_в + r_к),

α_u – начальная фаза напряжения.

Учитывая, что внутреннее сопротивление идеального источника напряжения можно считать равным нулю, получим:

,

(41)

где K_i – коэффициент трансформации по току;

α₂ = α_u – φ + φ_к – β = α₁ – φ + φ_к ;

φ = α_u – α_i ;

φ_к = arctg (x_к/ r_к).

Полагая α_u = 0 и вводя соответствующие обозначения, получим:

.

(42)

Из этого выражения следует, что величину тока возбуждения определяет геометрическая сумма двух составляющих – пропорциональной напряжению генератора и пропорциональной току его нагрузки. При этом характер суммирования зависит от Z_к.

При отсутствии компаундирующего сопротивления ток возбуждения генератора будет определять только составляющая канала напряжения и нормальная работа системы окажется невозможной. По этой причине величина Z_к и названа компаундирующим сопротивлением.

Можно сравнить два крайних режима работы генератора: активная (φ = 0) и реактивная (индуктивная, φ = 90°)нагрузки. Сравнение проведено при разных видах компаундирующих элементов в системах возбуждения: индуктивность (дроссель, φ_к = 90°) и активное сопротивление (φ_к = 0).

1. Активная нагрузка при φ = 0:

– r_к << х_к, φ_к = 90°; α₁ – α₂ = –φ_к = –90° (рис. 16, а);

– r_к >> х_к, φ_к = 0; α₁ – α₂ = 0, (рис. 16, б).

2. Реактивная (индуктивная) нагрузка при φ = 90°:

– r_к << х_к, φ_к = 90°; α₁ – α₂ = φ – φ_к = 0, (рис. 16, в);

– r_к >> х_к, φ_к = 0; α₁ – α₂ = 90°, (рис. 16, г).

в а

Рис. 16. Векторные диаграммы параллельного соединения каналов тока и напряжения: а и в – компаундирующий элемент дросселя; б и г – активное сопротивление; а и б – активная нагрузка генератора; в и г – индуктивная нагрузка генератора

Таким образом, в случае использования в качестве компаундирующего элемента идеальной реактивной катушки (r_к = 0, φ_к = 90°) составляющие канала тока и напряжения в режиме активной нагрузки генератора образуют прямой угол. При индуктивной нагрузке оба вектора расположены на одной прямой, геометрическое суммирование переходит в арифметическое.

Если использовать в качестве компаундирующего элемента активное сопротивление, то составляющие при чисто индуктивной нагрузке будут ортогональны, а при нагрузке с φ = 0 совпадут по фазе, то есть ток возбуждения, обеспечиваемый системой, будет снижаться с уменьшением коэффициента мощности. Это находится в противоречии с задачей регулирования. Следует отметить, что в трехфазных системах возможно использование активных сопротивлений в качестве компаундирующих элементов. Однако при этом необходимо обеспечить соответствующее подключение к фазам генератора трансформаторов тока и напряжения. Ниже такая схема будет рассмотрена на рис. 19.

Система может правильно действовать также при использовании вместо дросселя конденсатора, однако в этом случае необходимо переключать какую-либо обмотку одного из трансформаторов.

Из сказанного выше следует, что точность регулирования во многом зависит от значения φ_к: с его уменьшением будет возрастать погрешность регулирования. В частности, при φ_к = 45° значения тока возбуждения в режиме активной и индуктивной нагрузок оказываются равными. Реальные компаундирующие элементы из-за неизбежных активных потерь имеют |φ_к | < 90°.

Суммирование сигналов при последовательном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения. Принципиальная схема системы при последовательном соединении вторичных обмоток трансформаторов приведена на рис. 17. По расчетной схеме (см. рис. 15, б)можно определить ток IR:

.

(43)

Рис. 17. Схема системы прямого фазового компаундирования при последовательном суммировании каналов тока и напряжения

Это выражение полностью совпадает с полученным ранее – для схемы с параллельным соединением. Поэтому все, сказанное выше о роли компаундирующего элемента, может быть целиком отнесено к рассматриваемому случаю.

На примере двух способов суммирования (соединения) каналов тока и напряжения можно определить роль компаундирующего элемента в системах прямого амплитудно-фазового компаундирования следующим образом:

– компаундирующий элемент обеспечивает согласование каналов тока и напряжения: при параллельном соединении смягчает характеристику канала напряжения; при последовательном смягчает характеристику канала тока;

– компаундирующий элемент обеспечивает заданный закон изменения тока возбуждения при изменении нагрузки генератора в режиме стабилизации напряжения.

Геометрическое суммирование может осуществляться как электрическим (см. рис. 14, б и 17), так и электромагнитным способами. Электромагнитное суммирование сигналов происходит с помощью трехобмоточных (параллельное соединение) или трехстержневых (последовательное соединение) трансформаторов.

На рис. 18 показано использование трехобмоточных трансформаторов с различными техническими решениями согласования каналов тока и напряжения при реализации электромагнитного параллельного суммирования.

Рис. 18. Схемы системы прямого фазового компаундирования

с параллельным электромагнитным суммированием каналов тока

и напряжения посредством трехобмоточного трансформатора:

а – с компаундирующим сопротивлением; б – с магнитным шунтом; W_т, W_н, W_Σ – токовая, напряжения и суммирующая обмотки трансформатора соответственно; Х_к – компаундирующее сопротивление; МШ – магнитный шунт

В трехобмоточном трансформаторе обмотки напряжения, токовая и суммирующая (рабочая), замкнутая на вход выпрямителя, рас полагаются на одном стержне. Роль компаундирующих элементов в схеме на (рис. 18, а) могут выполнять индуктивность или емкость, а в схеме на (рис. 18, б) выполняет магнитный шунт. Последний отделяет обмотку напряжения от токовой и суммирующей обмоток, ослабляя связь между ними. Это равносильно увеличению рассеяния, что эквивалентно последовательному включению индуктивного сопротивления в канал напряжения.

Ранее было отмечено, что при подключении обмоток трансформаторов тока и напряжения определенным образом допустимо использование в качестве компаундирующих элементов активных сопротивлений.

Такую возможность иллюстрирует схема, представленная на рис. 19. На рис. 20 показано, как можно с помощью трехстержневых трансформаторов выполнить фазовое компаундирование, используя разные компаундирующие элементы: дроссель или конденсатор (схема а)или воздушный зазор (схема б). В этих трансформаторах суммируются потоки, а они пропорциональны напряжениям. Следует отметить, что трехфазный трехстержневой трансформатор работать не будет, так как при расположении на одном стержне трех одинаковых обмоток, включенных на симметричную систему токов (напряжений), результирующий поток будет равен нулю.

Рис. 19. Схема системы прямого фазового компаундирования с трехобмоточным трансформатором и активным сопротивлением компаундирования (а) и векторные диаграммы (б), поясняющие суммирование каналов тока и напряжения при активной и реактивной нагрузках генератора: – соответствующие магнитодвижущие силы (МДС)

а б

Рис. 20. Однофазная схема системы прямого фазового компаундирования

с последовательным суммированием каналов тока

и напряжения посредством трехстержневого трансформатора:

а – с сопротивлением компаундирования; б – с воздушным зазором

Опыт проектирования показывает, что в отношении массогабаритных показателей электрическое суммирование целесообразно применять в системах возбуждения генераторов с высокоомными обмотками возбуждения. Отечественные генераторы традиционно выпускают с низкоомными обмотками (0,067 Ом ≤ R_в ≤ 2,62 Ом), поэтому их системы возбуждения имеют, как правило, электромагнитное суммирование.

Точность регулирования систем прямого фазового компаундирования составляет 2 ... 5%, что значительно выше, чем точность регулирования систем токового компаундирования.

Самовозбуждение синхронных генераторов. Начальное самовозбуждение представляет собой один из важнейших вопросов работы СГ с системами прямого компаундирования.

Для успешного самовозбуждения необходимо соблюдение следующих условий:

– наличие остаточного намагничивания генератора;

– подключение обмотки возбуждения к выходным зажимам выпрямительного блока согласно с остаточным намагничиванием;

– сопротивление цепи возбуждения генератора не должно превышать некоторое критическое значение.

К факторам, затрудняющим процесс самовозбуждения можно отнести:

– малое остаточное напряжение (2 ... 5%);

– значительное сопротивление элементов канала напряжения и выпрямителя при малых значениях напряжения;

– нелинейность характеристик вентилей, проявляющаяся на начальных участках характеристик;

– влияние компаундирующего элемента: реакция якоря емкостного компаундирующего элемента – подмагничивающая, индуктивного – размагничивающая.

Для обеспечения устойчивого самовозбуждения применяют различные способы, которые можно разбить на две группы. Первую группу составляют способы, предусматривающие введение дополнительных элементов в систему компаундирования или специальное конструктивное исполнение генераторов. Вторая группа объединяет методы, заключающиеся в надлежащем выборе параметров системы компаундирования. Эти параметры находят, исходя из определенного критерия самовозбуждения, и они не требуют каких-либо изменений в системе или использования дополнительных схем.

Далее представлено описание способов, входящих в первую группу [7]:

1. Увеличение остаточного намагничивания генератора за счет подбора материала магнитопровода или введения вставок в полюсы ротора в виде постоянных магнитов. Такое решение позволяет повысить ЭДС холостого хода (рис. 21), однако оно технологически неудобно и неблагоприятно сказывается на характеристиках генератора. 2. Включение в систему возбуждения резонансных контуров, создаваемых дуальными по отношению к ком-

Рис. 21. Характеристики холостого хода генераторов с различным остаточным намагничиванием

паундирующему сопротивлению элементами. Такое решение использовано в системе фирмы Siemens, представленной на рис. 22. Суть этого способа можно пояснить на примере упрощенной эквивалентной схемы (рис. 22, а). Ток возбуждения определяется по выражению

(44)

а       б

Рис. 22. Система прямого фазового компаундирования фирмы Siemens с резонансным контуром: а – схема системы; б – эквивалентная схема замещения; С, Хс – батарея конденсаторов и их сопротивление; Lк, – компаундирующее сопротивление (дроссель) и его сопротивление; Rв – сопротивление обмотки возбуждения

На частоте, равной 0,9fн, = Х, то есть исключается влияние обмотки возбуждения и ток возбуждения на частоте резонанса достигает максимального значения.

3. Смещение вольт-амперной характеристики системы возбуждения (рис. 23), осуществляемое временным или постоянным подключением обмотки возбуждения к постороннему источнику постоянного тока (аккумуляторной батарее или генератору начального возбуждения).

Рис. 23. Вольт-амперная характеристика системы возбуждения: 1 – без дополнительного источника; 2 – при подключении к ней дополнительного источника

Схемные решения для этого способа представлены на рис. 24, а, б, в.При постоянном подключении источника постоянного тока, установленного параллельно обмотке возбуждения, необходимо предусмотреть его запирание, например, с помощью блока вентилей, после самовозбуждения генератора. Кратковременное подключение источника постоянного тока осуществляется кнопкой, пакетным выключателем или дистанционным контактором. Мощность источника постоянного тока мала и определяется сопротивлением обмотки возбуждения и значениями тока возбуждения, достаточными для обеспечения надежного самовозбуждения.

Рис. 24. Способы обеспечения начального возбуждения

синхронного генератора:

а – генератор начального возбуждения (ГНВ); б – аккумуляторная батарея (АБ); в – трансформатор начального возбуждения; г – шунтирование части компаундирующего сопротивления (Х_к), W_н, W_Σ – обмотки (напряжения и суммирующая соответственно) трехобмоточного трансформатора

4. Частичное или полное шунтирование на период начального самовозбуждения последовательно включенного в цепи напряжения компаундирующего элемента (рис. 24, г). Это позволяет снизить вольт-амперную характеристику системы возбуждения. Время шунтирования компаундирующего сопротивления незначительно и определяется параметрами обмотки возбуждения. После того как генератор начал устойчиво самовозбуждаться, необходимо расшунтировать цепь компаундирующего элемента. Это производят вручную или автоматически (при наличии корректора напряжения).

Способы второй группы основаны на специально разработанных методиках расчета систем возбуждения, обеспечивающих условия самовозбуждения [10]. Для облегчения понимания общих принципов этого подхода представлен рис. 25.

На рис. 25 показаны: характеристика напряжения генератора в зависимости от тока системы возбуждения (кривая 1) и вольт-амперная характеристика системы возбуждения (кривая 2).

Рис. 25. Зависимость напряжения генератора (1) от тока системы возбуждения (I1) и вольт-амперная характеристика (2) системы возбуждения

Очевидно, что установившийся режим (при отсутствии внешней нагрузки) будет определяться точкой пересечения этих кривых. Если пересечение произойдет при I1 < I1х.х. (I1х.х. – ток холостого хода), то генератор до номинального значения не возбудится. Следовательно, для обеспечения нормального самовозбуждения машины необходимо рассчитать параметры системы компаундирования таким образом, чтобы упомянутые кривые пересекались в точке.

Пренебрегая нелинейностью начального участка кривой намагничивания генератора, а также учитывая то обстоятельство, что пересечение характеристик, исключающее самовозбуждение, вероятно только при малых значениях тока возбуждения (то есть в зоне прямолинейного участка характеристики генератора), математическое условие самовозбуждения можно выразить следующим соотношением:

tg β < tg α₁,

где β – угол наклона касательной к вольт-амперной характеристике цепи возбуждения, проведенной через точку с координатами (0, Е_о);

Е_о – остаточная ЭДС;

α₁ – угол наклона прямолинейного участка пересечения характеристики генератора.

Один из способов облегчения процесса самовозбуждения – использование емкостных компаундирующих элементов.

Из рассмотренных способов обеспечения начального самовозбуждения наибольшее распространение получили те, которые предполагают использование источников постоянного тока и резонансных контуров.

Гашение магнитного поля синхронных генераторов. Гашение магнитного поля – это единственный способ форсированного снятия возбуждения. Необходимость такого действия возникает в режимах короткого замыкания в системе или при неполадках в самом генераторе (например, при закорачивании витков обмотки возбуждения).

Под гашением магнитного поля понимают процесс непрерывного и быстрого уменьшения поля генератора до заданного значения, с целью понижения ЭДС генератора.

Тип системы возбуждения определяет и способ его выполнения. Однако вне зависимости от способа система должна обеспечивать: большое быстродействие процесса снижения ЭДС генератора до заданного значения; ограничение напряжения возбуждения.

Системы возбуждения с возбудителями. Наиболее распространенные способы гашения: разряд энергии обмотки возбуждения на активное сопротивление; разряд энергии на дугогасительную решетку; гашение поля путем противовключения возбудителя.

При гашении поля разрядом энергии на активное сопротивление (рис. 26, а)в момент срабатывания защиты замыкается контакт 2 и размыкается с минимальным временем контакт 1. Обмотка возбуждения включается на сопротивление R_ди отсоединяется от возбудителя.

Ток в обмотке возбуждения (рис. 26, б)начнет затухать согласно соотношению

,

(45)

где I_{в о} – значение тока в обмотке возбуждения к началу процесса гашения поля;

Т_в – постоянная времени контура возбуждения, замкнутого на сопротивление R_д;

Тв = .

(46)

От величины добавочного сопротивления R_д зависит как скорость гашения поля, так и максимальное напряжение на зажимах обмотки возбуждения.

б а	Рис. 26. Схема (а) и процесс (б) гашения поля: В – возбудитель; Rд – добавочное сопротивление; ОВГ – обмотка возбуждения генератора и изменения тока (1) и напряжения (2)

Для цепи возбуждения напряжением 110 ... 220 (В) величина добавочного сопротивления обычно составляет (4 ... ,5)R_в, для цепи возбуждения напряжением, равным 24 ... 48 (В), R_д = (7 ... 8) R_в. Время гашения можно значительно уменьшить, если вместо добавочного активного сопротивления включить нелинейное сопротивление, увеличивающееся по мере уменьшения тока возбуждения.

Системы прямого компаундирования. Работа этих систем возбуждения зависит от взаимного расположения регулировочных характеристик системы возбуждения и генератора, точки пересечения которых представляют собой точки установившегося режима.

Увеличение сопротивления цепи возбуждения приводит к тому, что при сопротивлении цепи возбуждения выше критического эти характеристики не пересекаются (рис, 27, б),то есть машина развозбуждается.

Подобный способ гашения поля применяют в схемах компаундирования с последовательным включением канала тока и напряжения (рис. 27, а). Величину добавочного сопротивления определяет требуемое время гашения поля (≈ 4T_в) и допустимое перенапряжение на обмотке возбуждения.

Для схем компаундирования с параллельным включением источника тока и источника напряжения такой способ не подходит, так как источник тока не допускает разрыва вторичной цепи. Поэтому в таких схемах применяют закорачивание обмотки возбуждения (рис. 28). Допустимо шунтирование на постоянном токе и шунтирование входных зажимов выпрямителя со стороны переменного тока (шунтирование на переменном токе). Гашение поля в обеих схемах происходит медленно, с постоянной времени обмотки возбуждения. Однако в схеме с шунтированием на переменном токе процесс гашения поля несколько ускоряется – из-за влияния вентилей в проводящем направлении.

Рис. 27. Схема гашения поля возбуждения

в системах прямого компаундирования:

а – с последовательным соединением каналов тока и напряжения введением добавочного сопротивления в цепь ротора генератора; б – вольт-амперная характеристика системы компаундирования при различных значениях сопротивления цепи ротора в разных режимах работы генератора: 1 – холостой ход; 2 – номинальная нагрузка; R_д – добавочное сопротивление; R_вi – сопротивление цепи возбуждения; R_в – сопротивление обмотки возбуждения; K_г – контакт гашения поля

Для заметного ускорения процесса гашения поля в схемах с шунтированием можно в контур цепи возбуждения включать добавочное сопротивление (по аналогии со схемой на рис. 27, а). Коррекция напряжения в системах возбуждения.Системы компаундирования представляют собой параметрические системы возбуждения с положительными обратными связями по току и напряжению, точность поддержания напряжения которых зависит от точности совпадения регулировочных характеристик генератора и системы возбуждения в различ-

Рис. 28. Схема гашения поля возбуждения синхронного генератора с системой прямого фазового компаундирования с параллельным соединением каналов тока и напряжения при шунтировании цепи возбуждения

ных эксплуатационных режимах. Степень совпадения этих характеристик во многом определяется идентичностью параметров элементов системы возбуждения, а также характеристик однотипных генераторов.

Кроме основных возмущающих факторов, существенное влияние на работу синхронного генератора оказывают частота вращения первичного двигателя, температура окружающей среды и другие параметры, которые не учитывают системы такого типа.

Для повышения точности регулирования систем компаундиро-вания в них вводят отрицательную обратную связь по отклонению напряжения – цепь коррекции напряжения. В цепь коррекции напряжения могут быть введены дополнительные связи по току нагрузки, току возбуждения, частоте.

Корректор напряжения, как любая отрицательная обратная связь по отклонению, должен содержать измерительный орган, усилитель и исполнительный орган.

Многообразие схем компаундирования с коррекцией напряжения принято делить на две основные группы:

– системы, в которых корректор напряжения воздействует непосредственно на обмотку возбуждения;

– системы, в которых корректор напряжения воздействует на элементы системы компаундирования.

Включение выхода корректора напряжения непосредственно на обмотку возбуждения. Такой вариант исполнения получил распространение в схемах с возбудителем или подвозбудителем. В схемах компаундирования синхронных генераторов такое включение корректора не получило распространения, так как это требует значительного увеличения мощности и габаритов корректора.

Схемы возбуждения с корректором напряжения, воздействующим на элементы системы компаундирования. При воздействии корректора напряжения на любой элемент системы компаундирования необходимо рассчитать систему возбуждения таким образом, чтобы при неработающем корректоре напряжение на зажимах генератора было выше номинального при изменении нагрузки от нуля до I_н = 1,25 I_н (с учетом как коэффициента мощности нагрузки, так и скорости вращения первичного двигателя). При выполнении этого условия система компаундирования обеспечит требуемую точность поддержания напряжения во всех режимах. Таким образом, функции корректора сводятся к отбору избыточной мощности системы возбуждения, что упрощенно иллюстрирует рис. 29.

В схемах с последовательным соединением каналов напряжения и тока исполнительный силовой элемент корректора напряжения должен или включаться последовательно, или изменять параметры элементов, включенных последовательно с обмоткой возбуждения. В схемах систем с параллельным соединением каналов напряжения и тока он должен или включаться параллельно, или изменять параметры элементов, включенных параллельно обмотке возбуждения.

Рис. 29. Внешние характеристики генератора: 1 – без корректора напряжения; 2 – с корректором напряжения

В схемах токового компаундирования корректор всегда воздействует на элементы, включенные в канал напряжения.

Системы возбуждения генераторов с применением тиристоров.В последние десятилетия в системах возбуждения синхронных генераторов стали широко применять тиристоры. Они заменяют электромагнитные элементы в цепи корректора напряжения и используются в системах регулирования по отклонению [4, 10].

На рис. 30 приведена схема системы токового компаундирования, в которой обмотка возбуждения синхронного генератора получает питание от цепи статора через два силовых трансформатора, трансформатор напряжения ТН1сполууправляемым выпрямительным блоком и трансформатор тока ТТснеуправляемым выпрямительным блоком. Режим холостого хода генератора обеспечивается каналом напряжения. Влияние нагрузки компенсируется действием токового канала. Стабилизацию напряжения осуществляют регулированием тока полууправляемого выпрямителя, которым управляет корректор напряжения (КН) посредством фазосдвигающего устройства (ФУ). Корректор напряжения и фазосдвигающее устройство получают питание от шин генератора через ТН2.

Рис. 31 показывает использование тиристоров в системах амплитудно-фазового компаундирования в качестве исполнительного органа цепи коррекции.

На рис. 32 представлена схема системы возбуждения генератора с регулированием по отклонению. Отличительная ее особен-

Рис. 30. Схема системы токового компаундирования с применением тиристоров в цепи коррекции напряжения

Рис. 31. Схема системы амплитудно-фазового компаундирования с применением тиристоров в цепи коррекции напряжения: КН – корректор напряжения; Т – тиристор; Д – диод; Wн, Wт, W – соответственно обмотки напряжения, тока и суммирующая трехобмоточного трехфазного трансформатора

Рис. 32. Схема системы возбуждения с регулированием по отклонению

ность – отсутствие канала тока. Стабилизация напряжения генератора производится изменением угла зажигания тиристоров Тпосредством ФУ. Управление ФУ осуществляет корректор напряжения. Мощность силового понижающего трансформатора ТН1должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы обеспечивать возбуждение всех эксплуатационных режимов. Существенный недостаток этой схемы – развозбуждение генератора при коротком замыкании (и, следовательно, отсутствие тока, необходимого для срабатывания существующих устройств защиты).

Бесконтактные синхронные электрические машины.Один из радикальных путей повышения надежности, расширения функциональных возможностей и улучшения общих характеристик электрических машин – отказ от использования щеточных электрических контактов и переход к бесконтактным машинам [2]. На рис. 33 представлена классификация синхронных бесконтактных машин.

Рис. 33. Классификация синхронных бесконтактных электрических машин

Основная особенность таких машин – отсутствие электрической связи с ротором. Магнитный поток в них создается одним из трех способов:

– размещением на роторе постоянных магнитов;

– размещением возбуждения на роторе обмотки, получающей питание через вращающийся выпрямитель от дополнительной обмотки, расположенной также на роторе, в которой электромагнитным путем наводится переменная ЭДС;

– специальной конструкцией.

Бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами. Синхронные машины с постоянными магнитами по сравнению с обычными синхронными машинами обладают рядом особенностей:

– не допускают форсировки возбуждения;

– должны иметь минимальный зазор, так как, чем меньше зазор, тем больше мощность;

– появляющиеся в них потоки рассеяния создают полезные эффекты, ослабляя снижение параметров магнита из-за размагничивающей реакции якоря;

– Хd < Хq,где Хd – индуктивное сопротивление обмотки статора по продольной оси; Хq – то же по поперечной оси;

– в них меньше проявляется насыщение;

– на повышенных частотах в них снижается мощность возбуждения, то есть объем магнитов;

– для них характерны сложность регулирования напряжения и его стабилизации.

Основные способы регулирования напряжения в синхронных бесконтактных генераторах с постоянными магнитами:

1. Введение во внешнюю электрическую цепь генератора емкостных элементов, способствующих появлению продольно-намагни-чивающей реакции якоря. Конденсаторы, обеспечивающие емкостной характер нагрузки, включают последовательно в цепь нагрузки непосредственно или через повышающий трансформатор (который позволяет уменьшить массу конденсаторов за счет увеличения их рабочего напряжения и снижения тока). Возможно также параллельное включение конденсаторов в цепь генератора. Если требуется повышенная точность стабилизации выходного напряжения генератора, в качестве конденсаторов могут использоваться вариконды – нелинейные конденсаторы, изготавливаемые из сегнетокерамики. У сегнетокерамики диэлектрическая проницаемость сильно зависит от приложенного напряжения, как переменного, так и постоянного (рис. 34).

2. Хорошую стабилизацию выходного напряженя генератора можно обеспечить с помощью резонансного контура, содержащего

емкость С и дроссель насыщения L.Контур включается параллельно нагрузке, как показано на рис. 35, а,воднофазном представлении. За счет насыщения дросселя его индуктивность падает с ростом тока, и зависимость напряжения на дросселе от тока дросселя имеет нелинейный характер (рис. 35, б). В то же время зависимость напряжения на емкости от тока – ли-

Рис. 34. Схема регулятора напряжения генератора с варикондами: ИО – измерительный орган; У – усилитель

нейная. В точке пересечения этих кривых, соответствующих номинальному значению напряжения U_н, в контуре существует резонанс тока, то есть I_L = I_с, и реактивный ток в контур извне не поступает. Если напряжение понизится, то I_L < I_с,то есть контур забирает от генератора емкостный ток. Возникающая при этом намагничивающая реакция якоря способствует росту напряжения. Если напряжение повысится, то контур будет забирать от генератора индуктивный ток. Размагничивающая реакция якоря приведет к снижению напряжения.

Перечисленные способы регулирования громоздки. Несмотря на такие достоинства, как отсутствие потребляемой мощности возбуждения, высокий КПД и малую чувствительность к реакции якоря, сложность регулирования напряжения, а также высокая стоимость постоян-

Рис. 35. Стабилизация напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами при помощи резонансного контура: а – схема подключения контура; б – вольт-амперные характеристики

ных магнитов из редкоземельных материалов делают применение таких машин ограниченным.

Бесконтактные машины с обмотками возбуждения получили в настоящее время наибольшее распространение.

Машины этого типа можно разбить на две группы:

1. Обмотки якоря и возбуждения располагаются на статоре, а изменение магнитного потока обеспечивается благодаря специальной форме стального магнитопровода ротора.

2. Обмотка возбуждения находится на роторе, а ее питание постоянным током осуществляется от бесконтактного возбудителя через вращающийся выпрямитель; фактически такая машина объединяет в одном агрегате несколько органически связанных электрических машин.

Бесконтактные синхронные машины с вращающимся выпрямителем. Основной элемент таких машин – обычная синхронная машина, у которой на статоре находится обмотка якоря (ОЯ), а на роторе – полюсы из магнитомягкой стали и обмотка возбуждения (ОВ), питаемая постоянным током. В отличие от обычной синхронной машины, у которой ток подается в обмотку возбуждения через кольцевой щеточный контакт, в рассматриваемой машине питание обмотки возбуждения осуществляется от специального возбудителя (В), обеспечивающего бесконтактную передачу энергии от статора к ротору электромагнитным путем. Поскольку при этом на ротор передается электрическая энергия переменного тока, возбудитель питает обмотку возбуждения через установленный на роторе вращающийся выпрямитель, что и определяет название машины. Типичная компоновка элементов бесконтактной синхронной машины с вращающимся выпрямителем (ВВ) показана на рис. 36.

Рис. 36. Компоновка основных элементов

бесконтактной синхронной машины

с вращающимся выпрямителем

Вентили ВВ соединяют по одной из стандартных выпрямительных схем. Наибольшее распространение получила трехфазная мостовая схема выпрямления (двухполупериодная), обеспечивающая хорошее качество выпрямления тока. Применяют также однополупериодные схемы выпрямления с нулевым проводом (трех-, шестифазные и др.), которые, несмотря на ухудшенные энергетические показатели, позволяют понизить токовые нагрузки на вентили, сократить их число и повысить надежность ВВ.

В качестве возбудителя можно использовать вращающийся трансформатор, асинхронную и синхронную машины. В настоящее время наибольшее распространение получили бесконтактные электрические машины с синхронным возбудителем.

Для синхронных генераторов с синхронным возбудителем и вращающимся выпрямителем существенное значение приобретает проблема самовозбуждения. Принципиально самовозбуждение может осуществляться за счет остаточного намагничивания стальных сердечников. Однако во многих случаях надежность такого вида возбуждения оказывается низкой, а инерционность выхода на режим – недопустимо большой. Поэтому в таких случаях вводят дополнительный элемент – подвозбудитель (П), обеспечивающий быстрое и надежное возбуждение синхронного возбудителя. Подвозбудитель представляет собой синхронный генератор с постоянными магнитами на роторе.

Таким образом, бесконтактный синхронный генератор с вращающимся выпрямителем в общем случае представляет собой органическое объединение трех взаимодействующих каскадов преобразования механической энергии в электрическую, то есть систему трех взаимосвязанных бесконтактных машин. Взаимодействие между ними осуществляется не только путем взаимной передачи энергии, но и по цепям регулирования.

На рис. 37 представлена упрощенная схема регулятора возбуждения с управляемыми вентилями. Питание обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ) от обмотки якоря подвозбудителя (ОЯП) осуществляется через полууправляемый выпрямитель (УВ). Вращающийся выпрямитель (ВВ) также является управляемым и помимо диодов Д содержит тиристоры Т, управляющие электроды которых через вспомогательные вентили подключены к расположенным на роторе вторичным обмоткам вращающихся трансформаторов ВТ.

Рис. 37. Схема регулятора возбуждения

с управляемыми вентилями бесконтактной синхронной машины

Регулирование машины осуществляется электронным автоматическим регулятором напряжения (АРН), который воспринимает сигналы, пропорциональные напряжению и току якоря, и вырабатывает управляющие импульсы. Импульсы по определенному закону подаются на УВ и первичные обмотки ВТ на статоре таким образом, чтобы обеспечить стабилизацию напряжения. Использование управляемого ВВ позволяет осуществить практически безынерционное гашение поля возбуждения при аварийных режимах. Когда к машине предъявляют повышенные требования по надежности, применяется простейший неуправляемый ВВ на диодах, а регулирование осуществляется только с помощью АРН и УВ. В некоторых случаях, наоборот, вместо УВ используется неуправляемый выпрямитель, а быстродействующее регулирование обеспечивается через ВТ и управляемый ВВ.

В качестве примера судового бесконтактного синхронного генератора можно привести генератор серии 2СН. Конструктивно он объединен с возбудителем переменного тока и вращающимся выпрямителем в один агрегат [4].