Электромашинное возбуждение синхронных генераторов

Системы возбуждения синхронных генераторов

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.

Электромашинное возбуждение синхронных генераторов

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

Большинство синхронных машин имеет электромагнит­ное возбуждение. Источниками постоянного тока для обмо­ток возбуждения являются специальные системы возбуж­дения, к которым предъявляется ряд важных требований:

1) надежное и устойчивое регулирование тока возбуж­дения в любых режимах работы машины;

2) достаточное быстродействие, для чего применяется форсировка возбуждения, т. е. быстрое увеличение напря­жения возбуждения до предельного значения, называемого потолочным. Форсировка возбуждения применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварий и в процессе ликвидации их последствий. Потолочное напряжение возбуждения выбирают не менее 1,8-2 номи­нального напряжения возбуждения. Скорость нарастания напряжения при форсировке возбуждения должна быть не менее 1,5-2 номинальных напряжений на контактных кольцах ротора в секунду;

3) быстрое гашение магнитного поля, т. е. уменьшение тока возбуждения машины до нуля без значительного по­вышения напряжения на ее обхмотках. Необходимость в гашении поля возникает при отключении генератора или по­вреждении в нем.

Для возбуждения синхронных машин применяется не­сколько систем. Простейшей из них является электрома­шинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 15). В этой системе в качестве источника ис­пользуют специальный генератор постоянного тока GE, на­зываемый возбудителем; он приводится во вращение от ва­ла синхронного генератора, а его мощность составляет 1- 3 % мощности синхронного генератора. Ток возбуждения синхронной машины I_в относительно велик и составляет не­сколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулиру­ют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляют по схеме самовозбуждения (рис. 15) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока GEA, называемого подвозбудителем (рис. 16). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R_ш2 при работе генератора не изменяется.

Для гашения магнитного поля применяют автомат га­шения поля (АГП), который состоит из контакторов К₁ и К₂ и гасительного резистора R_p. Гашение поля проводит­ся в следующем порядке. При включенном контакторе К₁ включается контактор К₂, замыкающий обмотку возбуж­дения на гасительный резистор, имеющий сопротивления r_p≈5 r_в, где r_в — сопротивление обмотки возбуждения. За­тем происходит размыкание контактора К₁ и ток в цепи об­мотки возбуждения генератора уменьшается (рис. 17).

Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля от­ключением только одного контактора К₁ без включения га­сительного резистора. Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой ин­дуктивности обмотки возбуждения L_в в ней индуктирова­лась бы большая ЭДС самоиндукции е= — L_в ∙ di_в/dt, превы­шающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К₁ при его отключении выделя­лась бы значительная энергия, запасенная в магнитном по­ле обмотки возбуждения, что могло бы вызвать разрушение контактора.

Форсировка возбуждения при использовании схем на рис. 15 и 16 осуществляется шунтированием резисто­ра R_ш1 включенного в цепь возбуждения возбудителя.

В последнее время вместо электромашинных систем по­лучают все большее применение вентильные системы воз­буждения с диодами и тиристорами. Эти системы возбуж­дения могут быть построены на большие мощности и явля­ются более надежными, чем электромашинные.

Различают три разновидности вентильных систем воз­буждения: систему с самовозбуждением, независимую си­стему возбуждения и бесщеточную систему возбуждения.

В вентильной системе с самовозбуждением (рис. 18) для возбуждения синхронной машины используется энер­гия, отбираемая от обмотки якоря основного генератора G, которая затем преобразуется статическим преобразователем ПУ в энергию постоянного тока. Эта энергия поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генерато­ра происходит за счет остаточного намагничивания его по­люсов.

Разновидностью вентильной независимой системы воз­буждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины раз­мещается якорь возбудителя переменного тока с трехфаз­ной обмоткой. Переменное напряжение этой обмотки с по­мощью выпрямительного моста, закрепленного на валу машины, преобразуется в постоянное напряжение и непо­средственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от независи­мого источника.

Генераторы переменного тока

Генератор — устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60·f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС E_A , E_B и E_C , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи I_A, I_B, I_C , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = B_max sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ_max (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r₁ и подвозбудителя r₂ . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s — скольжение.

здесь:
n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n _r — частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Основные элементы системы возбуждения

Основные элементы системы возбуждения

Неотъемлемой частью синхронных машин является система возбуждения. Система возбуждения предназначена для питания обмотки возбуждения генератора, автоматически регулируемым постоянным током.

Системой возбуждения (СВ) называется совокупность оборудования, аппаратов и устройств, объединённых соответствующими цепями, которая обеспечивает необходимое возбуждение генераторов и синхронных компенсаторов в нормальных и аварийных режимах, предусмотренных ГОСТ и техническими условиями. В систему возбуждения входят: возбудитель, автоматический регулятор возбуждения (АРВ), коммутационная аппаратура, измерительные приборы, средства защиты ротора от перенапряжений и защиты оборудования системы возбуждения от повреждений [п.5.2.36, ПУЭ].

Обобщенная схема соединения генератора, системы возбуждения и АРВ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная схема соединения генератора, системы возбуждения и АРВ

Напряжение на выходе системы возбуждения Uf и ток возбуждения if изменяются под действием сигнала, поступающего от АРВ. Требуемый вид этого сигнала зависит от технического исполнения системы возбуждения. В целом схема рис. 1 представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, управляемую на основе обработки по определенному алгоритму режимных параметров, получаемых от трансформаторов напряжения и тока.

Основной элемент системы возбуждения (СВ) – возбудитель, являющийся регулируемым источником постоянного тока. Он может быть выполнен в виде коллекторного генератора постоянного тока, генератора переменного тока с выпрямительным преобразователем или трансформатора с выпрямительным преобразователем. Применение генератора постоянного тока для возбуждения турбогенератора ограничено трудностями, связанными с работой коллектора при высокой скорости вращения. Поэтому на более мощных генераторах применяются возбудители с выпрямителями. Если источником переменного тока, питающим возбудитель, является генератор, выпрямитель может быть неуправляемым (диодным) или управляемым (тиристорным). В первом случае выпрямительный преобразователь проще и надежнее, во втором обеспечено более высокое быстродействие. Если выпрямительный преобразователь питается от трансформатора, он выполняется тиристорным.

Неотъемлемым элементом системы возбуждения является АРВ. Основными задачами АРВ являются поддержание заданного уровня напряжения на выводах генератора (на шинах высокого напряжения электростанций) с заданным статизмом (1-5%). Также с помощью АРВ обеспечивается повышение устойчивости параллельной работы генераторов при нарушениях нормального режима работы энергосистемы. Наиболее распространённым видом АРВ является АРВ сильного действия (АРВ-СД), в котором содержатся каналы демпфирования по производным напряжения и частоты статора и тока ротора.

Помимо перечисленных устройств, в систему возбуждения входят автомат гашения поля (АГП) и устройство начального возбуждения.

Классификация систем возбуждения.

Системы возбуждения генераторов и СК классифицируются по разным признакам.

П.1. Системы возбуждения по способу получения питания разделяют на системы независимого возбуждения (СНВ) и системы самовозбуждения (ССВ) и комбинированные.

Независимость оценивается относительно цепи якоря возбуждаемой машины. В схеме СНВ источником является вспомогательный генератор (ВГ), сочленённый с валом возбуждаемой машины (рис. 2г, д, е). Основным преимуществом этого способа является независимость возбуждения от режима работы электрической сети и, как следствие, большая надёжность. Недостатки такой системы определяются недостатками самого возбудителя: невысокая скорость нарастания возбуждения, сниженная надёжность работы коллекторного узла при высоких частотах вращения. В схемах ССВ источниками являются выпрямительные трансформаторы ВТ и ПТ, подключенные непосредственно к цепи якоря генератора (рис. 1а, б). Такие системы возбуждения менее надёжны, чем СНВ. Короткие замыкания в сети, сопровождающиеся понижением напряжения, нарушают нормальную работу системы возбуждения, которая именно в этих режимах должна обеспечивать форсировку тока в обмотке ротора генератора. В комбинированных системах главный преобразователь – диодный выпрямитель питается от ВГ, а тиристорный преобразователь (ТП) питается через выпрямительный трансформатор от выводов генератора (рис. 1в). Примеры каждого из видов показаны на рис. 2.

Рис. 2. Структурные схемы систем возбуждения

а – статическая тиристорная система параллельного самовозбуждения,

б – статическая система смешанного возбуждения,

в – комбинированная одномашинная диодная система возбуждения (как правило, бесщёточная),

г – одномашинная система независимого тиристорного возбуждения,

д – одномашинная диодная система независимого возбуждения (высокочастотная),

е – двухмашинная диодная система независимого возбуждения (высокочастотная или бесщёточная)

П.2. Системы возбуждения по типу вентилей главного преобразователя разделяют на диодные и тиристорные.

В тиристорных системах АРВ воздействует на управление тиристорными преобразователями, в диодных – на управление возбуждением ВГ.

П.3. Системы возбуждения также разделяют на статические, бесщёточные (вращающиеся) и комбинированные.

Статические СВ – это системы, содержащие только неподвижные элементы. Статическими являются только ССВ. У бесщёточных СВ вращаются вентильный преобразователь и якорь обращённого ВГ, и поэтому связь с обмоткой возбуждения генератора осуществляется жёстким соединением без контактных колец и щёток. У комбинированных СВ статическим является вентильный преобразователь, питаемый от ВГ традиционного исполнения.

Помимо сказанного, выделяют параллельные и комбинированные ССВ. Первые (рис. 2а) содержат только один выпрямительный трансформатор, подключаемый к зажимам генератора. Вторые имеют еще и последовательный трансформатор (ПТ), включаемый последовательно в цепь статора (рис. 2б).

У бесщёточных СВ генератор и преобразователь выполняются трёхфазными и многофазными, у комбинированных СНВ вспомогательный генератор выполняется синхронным или индукторным (высокочастотным).

Независимые СВ выполняются одномашинными (рис. 2г, д) и двухмашинными (рис. 2е). У одномашинных СВ ВГ имеет систему самовозбуждения, у двухмашинных – на основе подвозбудителя, выполняемого в виде генератора с постоянными магнитами или индукторного генератора.

Кроме этого, тиристорные СВ могут иметь одногрупповой или двухгрупповой ТП. У последних одна группа, рабочая, рассчитывается на уровни напряжения нормальных режимов, а вторая, форсировочная, имеет повышенное напряжение питания, обеспечивающее форсировку возбуждения.

Общие требования к системам возбуждения.

В нормальном режиме источник возбуждения должен обеспечивать на кольцах ротора номинальное напряжение и номинальный ток возбуждения, при которых генератор выдаёт номинальную мощность. В целях создания запаса по нагреву номинальные значения напряжения и тока системы возбуждения должны превышать номинальные значения напряжения и тока обмотки возбуждения генератора или компенсатора не менее чем 10%.

В аварийном режиме к источнику возбуждения предъявляются требования в отношении быстродействия и предела изменения напряжения на кольцах ротора. С этих позиций система возбуждения оценивается двумя величинами: скоростью нарастания напряжения и кратностью максимального значения напряжения по отношению к номинальному.

Рис. 3. Изменение напряжения возбуждения при форсировке

В соответствии с изложенным количественные характеристики систем возбуждения определяются следующим образом.

П.1.Кратность форсировки возбуждения по напряжению – это потолочное установившееся напряжение системы возбуждения, выраженное в долях номинального напряжения возбуждения

где – потолочное напряжение СВ, – номинальное напряжение СВ.

Для современных систем возбуждения кратность форсировки возбуждения по напряжению составляет

П.2.Скорость изменения напряжения возбуждения – это скорость нарастания или снижения напряжения системы возбуждения или возбудителя при необходимости изменения этого напряжения, выраженная в вольтах в секунду или в относительных единицах в секунду по отношению к номинальному напряжению возбуждения синхронной машины.

, о.е./с.

где – разница между потолочным и номинальным значением напряжения возбуждения, – номинальное напряжение возбуждения, t1 – время, за которое напряжение возрастает от номинального значения до значения

Так как скорость изменения напряжения возбуждения определяется по точке эквивалентного экспоненциального процесса, то представляется возможным заменить в приближенных исследованиях (!) систему возбуждения инерционным звеном первого порядка с передаточной функцией

где – коэффициент усиления звена, замещающего систему возбуждения, – постоянная времени звена.

Различные системы возбуждения имеют ориентировочно следующие постоянные времени:

Тиристорные= 0.02-0.04 с.

Бесщеточная = 0.1-0.15 с.

Высокочастотная = 0.35 с.

Электромашинная с генератором постоянного тока = 0.3-0.5 с.

Номинальная скорость нарастания напряжения возбуждения принимается равной 2 относительных единиц в секунду. Большинство современных вентильных СВ имеет скорость нарастания напряжения значительно большую, чем представленная.

11. Системы возбуждение синхронных генераторов

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 VD1 — на низ­кое напряжение возбудителя и форсировочная группа VD2 — на полное напряжение. Применение двух групп тиристоров обеспе­чивает потолок возбуждения до 4U_fH0M 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 AVD2 и AVD1 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.

Что такое система возбуждения в генераторе переменного тока?

Понятие возбуждения и его особенности

Возбуждение – это термин, используемый инженерами-электриками, означающий создание магнитного поля. Простой магнит, используемый в этой главе для иллюстрации работы генератора, конечно способен создать ток в обмотках генератора, но постоянный магнит перестает быть постоянным под действием вибраций и нагрева.

Описание процесса

Обычно ротор выполняется в виде электромагнита, изготовленного из мягкой стали или железа, на который намотана катушка. Через катушку пропускается постоянный ток, индуцирующий в железном роторе магнитное поле. Напряженность наведенного таким обрезом магнитного поля зависит от силы тока, пропускаемого через обмотку возбуждения, и этот факт дает еще одно преимущество, поскольку позволяет регулировать э.д.с, в статорных обмотках генератора.

Простой электромагнит и концентрация поля

Если катушку ротора намотать не железный сердечник так, как показано на рис. 3.13(а), то получится магнит с одной парой полюсов N (North – северный) и S (South – южный).

Рис. 3.13(а). Простой электромагнит.

Из-за большого расстояния между полюсами магнитные силовые линии окажутся сильно рассеянными в пространстве. Теперь протянем полюса магнита навстречу друг другу, так, чтобы между ними остался лишь небольшой зазор (см. рис. 3.13(б)).

Рис. 3.13(6). Загнем концы электромагнита, чтобы сконцентрировать поле.

И, наконец, выполним полюса магнита в виде набора зубьев, входящих друг в друга, но без соприкосновения (см. рис. 3.14). Мы получим в сумме длинный узкий зазор между полюсами N и S, через который будет происходить “утечка” магнитного поля наружу. При вращении ротора эта “утечка” будет пересекать обмотки статора, и наводить в них э.д.с.

Питание ротора постоянным током: особенности процесса

Для того чтобы магнитное поле в роторе не меняло направления, его катушка должна питаться постоянным током одной полярности. Подвод тока к вращающейся катушке осуществляется через угольные щетки и коллекторные кольца.

Для питания обмотки ротора постоянным током применяют два способа: самовозбуждение и возбуждение от внешнего источника (обычно от аккумулятора).

Рис. 3.14. Зубчатый ротор генератора.

Возбуждение генератора: знакомство с определением

Возбуждение генератора – это процесс, который происходит на основе магнитодвижущей силы. Она выполняет процесс наведения магнитного поля, которое, в свою очередь, производит процесс образования электроэнергии. Для возбуждения генераторов первого поколения использовали специальные ротаторы постоянного тока, которые еще принято называть возбудителями. Их обмотка получала питание постоянного тока от другого генератора, его принято называть подвозбудителем. Все компоненты размещаются на одном валу, а их вращение происходит синхронно.

Обмотка возбуждения генератора: знакомство с определением

Обмотка возбуждения генератора – это один из основных конструктивных элементов синхронного генератора. Она получает питание от источника, предоставляющего постоянный ток. Чаще всего функцию источника выполняет электронный генератор напряжения. Такие регуляторы используется в новых моделях, работающих на основе самовозбудителя. А самовозбуждение, в свою очередь, основано на том, что первоначальное возбуждение происходит с помощью остаточного магнетизма магнитопровода синхронного генератора (СГ). Важно понимать, что энергия переменного тока поступает именно от обмотки статора СГ, трансформируя ее в энергию постоянного тока.

Для чего служит обмотка возбуждения генератора

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока. Ротор вращается с помощью первичного двигателя, тем самым магнитное поле, создаваемое в роторе, тоже вращается вместе с ним с той же скоростью. Теперь линии магнитного поля пересекают обмотку статора, расположенную вокруг ротора. В результате в обмотке образуемся переменная электродвижущая сила (эдс).

Катушка возбуждения генератора: знакомство с определением

Катушка возбуждения генератора – это специальный электромагнит, который используют для генерации электромагнитного поля в электромагнитных машинах. В его состав входит катушка и проволока, по которой протекает ток. Если взять к примеру вращающиеся машины, то там катушки возбуждения наматываются на специальный железный магнитный сердечник. Именно последний выполняет функцию направления силовой линии магнитного поля. В состав магнитопровода входит два основные компонента:

• Статор – он неподвижный.
• Ротор – производит вращения вокруг статора.

Силовые линий магнитного поля непрерывно проходят от от статора к ротору и обратно. Катушки возбуждения могут располагаться либо на статоре, либо на роторе.