Устройство системы возбуждения и предъявляемые к ней требования

Для питания обмотки возбуждения синхронного генератора необходим источник постоянного тока — возбудитель. Наиболее часто в качестве возбудителя используется электромашинный генератор постоянного тока, якорь которого механически сопряжён с валом синхронной машины.

Рис. 6.1. Схема электромашинной системы возбуждения синхронного генератора

Р — ротор машины; В — возбудитель (генератор постоянного тока с параллельно-независимым возбуждением); ПВ — подвозбудитель, генератор постоянного тока с независимым возбуждением; РР и РР' — регулировочные резисторы; К_ф и К_1ф — контакторы для форсировки возбуждения; R_ф и R^’_ф — резисторы, закорачиваемые при форсировке; K₁ и К₂ — контакты автомата гашения поля (АГП); R_г — гасительный резистор.

Схемы возбуждения с генератором постоянного тока показаны на рис. 6.1, 6.2, а. Кроме самого возбудителя, система включает подвозбудитель, питающий независимую обмотку возбуждения главного возбудителя, регулировочные реостаты, контакторы, аппаратуру дистанционного управления, автоматические регуляторы напряжения и другие устройства.

1) Регулирование тока возбуждения. Ток возбуждения I_f в крупных синхронных машинах составляет несколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому экономически нецелесообразно регулировать его с помощью реостата, включённого в контур обмотки возбуждения — якоря возбудителя. Потери в реостате заметно понижали бы КПД синхронной машины.

Управление током возбуждения осуществляется исключительно за счет изменения напряжения возбудителя U_f, пропорционально которому изменяется ток

I_f=U_f /R_f.

В зависимости от режима, в котором работает синхронный генератор, должны устойчиво поддерживаться различные токи возбуждения и соответственно различные напряжения возбудителя U_f. В электромашинной схеме по рис. 6.1 для регулирования напряжения возбудителя В служат реостаты РР и РР' соответственно в цепи параллельной обмотки возбудителя и подвозбудителя. За счет введения в схему подвозбудителя ПВ пределы регулирования

Рис. 6.2. Системы возбуждения синхронных генераторов.

а — прямая злектромашинная; б — прямая с использованием выпрямителей; в — система самовозбуждения; / — синхронный генератор; 2 — возбудитель постоянного тока; 3 — возбудитель переменного тока; 4 — подвозбудитель возбудителя переменного тока; 5 — выпрямитель ионный или полупроводниковый; 6 — регулятор возбуждения; 7 — транс­форматор; 8 — управляемый от регулятора возбуждения реактор; 9 — трансформатор.

напряжения возбудителя существенно расширяются. В менее мощных синхронных машинах (а также при расширении пределов регулирования напряжения возбудителя путем введения нелинейных сопротивлений в цепь его параллельной обмотки) подвозбудитель может отсутствовать.

2) Гашение поля возбуждения. В схеме возбуждения предусматривается специальное устройство, с помощью которого можно в аварийной ситуации с достаточной быстротой уменьшить ток возбуждения до нуля («погасить» магнитное поле). «Гашение поля» осуществляется как при нормальной эксплуатации, так и в аварийной ситуации (например, при внутренних коротких замыканиях в обмотке статора) с помощью автомата гашения поля (АГП), объединяющего контакторы K₁ и К₂, и гасительного сопротивления R_г. Прямой разрыв цепи возбуждения контактором К₁ наиболее быстро привёл бы к желаемой цели (кривая 1 на рис. 6-3). Однако в сопротивлении электрической дуги, возникающей между размыкаемыми контактами К₁, выделяется за время гашения вся энергия, запасённая в магнитном поле возбуждения. В крупных машинах эта энергия настолько велика, что при прямом разрыве контакты были бы разрушены. Кроме того, при столь быстром уменьшении тока возбуждения (за счет введения в цепь весьма большого сопротивления дуги) в обмотке появляется значительная ЭДС самоиндукции

,

которая во много раз превосходит номинальное напряжение на обмотке возбуждения и может повредить ее изоляцию.

Рис. 6.3. Затухание тока Рис. 6.4. Нарастание напряжения

возбуждения при гаше- возбудителя и тока возбуждения

шении поля при форсировке возбуждения.

1 – при прямом выключении

К₁; 2 – при гашении поля

с помощью АГП.

Для исключения этих явлений «гашение поля» проводится с помощью АГП в следующем порядке. При включенном контакторе К₁ включается контактор К₂ (t = t₂), замыкающий обмотку возбуждения на гасительное сопротивление R_г≈5R_f. Затем (t = 0) размыкается контактор K₁ и возбудитель отделяется от обмотки возбуждения. Поскольку энергия магнитного поля возбуждения в самой синхронной машине при этом не изменяется, размыкание К₁ происходит без нежелательных осложнений. После этого ток возбуждения затухает с постоянной времени

,

где T_f = L_f /R_f — постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутых других обмотках, в соответствии с уравнением

по кривой 2 на рис. 6-3.

Гасительное сопротивление подбирается таким образом, чтобы гашение поля происходило достаточно быстро, но без появления недопустимых по условиям электрической прочности изоляции напряжений

.

При обычно рекомендуемом гасительном сопротивлении R_Г=5R_f постоянная времени гашения поля T_f=1/6(T_f)≈1 с; напряжение на гасительном сопротивлении u_г не превосходит пятикратного номинального напряжения возбуждения.

3) Форсировка возбуждения. Для удержания синхронного генератора в синхронизме при снижении напряжения сети, которое может произойти при удалённых коротких замыканиях, прибегают к форсированию ее тока возбуждения. Форсирование производится автоматически релейной защитой машины, от которой поступает импульс на включение контакторов К_ф и К_1ф (рис. 6.1). При этом замыкаются накоротко форсировочные резисторы R_ф и R^’_ф и регулировочный резистор РР, и напряжение на якоре возбудителя с большой скоростью возрастает до предельного значения U_fm (рис. 6.4). С запозданием, определяемым постоянной времени обмотки возбуждения синхронной машины, ток возбуждения достигает предельного значения:

.

Согласно стандарту ГОСТ эффективность форсировки возбуждения характеризуется кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя, под которой понимается отношение наибольшего установившегося напряжения возбудителя U_fm к номинальному напряжению возбуждения U_fн=R_fI_fн , атакже номинальной скоростью нарастания напряжения возбудителя (на участке от точки 1 до точки 2 на рис. 6.4), определяемой по формуле

.

Крупные генераторы и компенсаторы должны иметь кратность предельного установившегося напряжения возбудителя 1,8—2,0 и номинальную скорость нарастания напряжения возбудителя 1,5—2,0 номинального напряжения на контактных кольцах в секунду. Для прочих синхронных машин кратность — не менее 1,4; скорость — не менее 0,8 номинального напряжения в секунду.