Автоматическое регулирование возбуждения синхронных генераторов с электромашинными возбудителями переменного тока

Автоматическое регулирование  возбуждения синхронных генераторов  с электромашинными возбудителями  переменного тока

 

1. Особенности возбуждения  современных синхронных генераторов  большой мощности

 

На генераторах мощностью 200 МВт  и выше обычные машинные возбудители  постоянного тока, расположенные  непосредственно на валу турбогенератора, применять затруднительно по следующим  двум основным причинам:

1. при большой мощности турбогенератора и большой скорости (частоте) вращения у машинных возбудителей трудно выполнить надежно работающий коллектор, особенно в условиях форсировки возбуждения, а при малой частоте вращения (гидрогенераторы) возбудитель получается громоздким и механически недостаточно надежным;
2. электромагнитные постоянные времени таких возбудителей относительно велики и затрудняют надежное обеспечение устойчивости синхронной работы генераторов.

Поэтому для генераторов большой мощности в основном применяют две группы возбудителей:

1) машинно-полупроводниковые с выпрямлением переменного тока повышенной частоты (с неуправляемыми вентилями);

2) с управляемыми вентилями (тиристорами).

 Увеличение  единичной мощности турбогенераторов.

вызвало затруднения с выполнением щеточного  аппарата ротора генератора. Поэтому разрабатываются и осваиваются схемы с соединением возбудителя с ротором без скользящих контактов (бесщеточное возбуждение).

Машинно-полупроводниковые системы  возбуждения синхронных генераторов  выпрямленным током повышенной частоты выпускаются ЛПЭО «Электросила». В процессе развития разрабатывались и совместно с наладочными (Союзтехэнерго, Электроиентрмонтаж и др.) и эксплуатационными организациями и некоторыми НИИ исследовались и проверялись в условиях эксплуатации несколько модификаций систем возбуждения: двухмашинные (возбудитель и подвозбудитель) и одномашинные - без подвозбудителя. На турбогенераторах 150 и 200 МВт обычно устанавливается одномашинная система без подвозбудителя, а на турбогенераторах 300 и 500 МВт - двухмашинная с подвозбудителем. Соответственно разработаны разные модификации электромагнитных автоматических регуляторов типа ЭПА-325.

 

2. Схемы возбуждения

На рис. 2-1 и 2-2 приведены упрощенные структурные схемы двух основных модификаций систем возбуждения  и автоматического регулирования  возбуждения. Автоматическое регулирование осуществляется по отклонению напряжения статора генератора.

Основное возбуждение возбудителя  создается током самовозбуждения Iо,св в обмотке ОСВ, равным току ротора турбогенератора Iо,св = Iо,р. Управление возбуждением осуществляется двумя токами Iо,рег,1 и Iо,рег,2. действующими встречно в обмотках ОВ1 и ОВ2 возбуждения возбудителя. Токи Iо,рег,1 и Iо,рег,2 являются токами автоматического регулятора возбуждения и создают регулирующее воздействие на возбуждение возбудителя по отклонению напряжения ∆Uг статора турбогенератора. Автоматический регулятор аналогичен двухсистемному электромагнитному корректору напряжения компаундированного синхронного генератора.

Источники питания магнитных усилителей регулятора в разных модификациях системы регулирования возбуждения различны. В схеме, приведенной на рис. 2-1, питание магнитных усилителей МУ1 и МУ2 регулятора осуществляется от подвозбудителя. В схеме, приведенной на рис. 2-2, магнитные усилители питаются от статора возбудителя через понижающий промежуточный трансформатор ТП. В регуляторе типа ЭПА-325Б усилитель МУ1 подключен к возбудителю, а МУ2 - к подвозбудителю.

 

Рис. 2-2. Схема одномашинного возбуждения и автоматического регулирования возбуждения

 

Рис. 2-1. Схема двухмашинного возбуждения  и автоматического регулирования возбужденяи.

Ниже в качестве иллюстрации  рассмотрена одна из модификаций  системы возбуждения и автоматического  регулирования, а именно - двухмашинная система возбуждения    и    автоматического    регулирования типа ЭПА-325В. Система возбуждения (см. рис. 2-1) состоит [9] из высокочастотного подвозбудителя ПВ (типа ГПСМ-30/400); высокочастотного возбудителя В (типа ВГТ-4500/500); двух последовательно включенных трехфазных     кремниевых     выпрямителей     ВС (типа ВУТГ-3000), через которые выпрямленный ток от обмоток статора возбудителя подается в обмотку ротора турбогенератора Г.

ωτ

Рис. 2-4. Изменение магнитного потока и э. д. с. в обмотках переменного возбудителя ВГТ.

 

Рис. 2-3. Возбудитель ВГТ.

1 — обмотки возбуждения; 2 — обмотки переменного тока.

 

Подвозбудитель представляет собой  трехфазный синхронный генератор переменного тока (мощностью 37,5 кВА) с постоянными магнитами на роторе. Ротор ПВ имеет восемь пар вращающихся постоянных магнитов; при вращении с частотой 3000 об/мин в обмотках статора ПВ наводится э. д. с. с частотой 400 Гц. Номинальное напряжение (при соединении обмоток в треугольник) равно Uпв =220-230 В; номинальный ток Iпв=93,5 А.

Возбудитель В представляет собой трехфазный синхронный генератор переменного тока индукторного типа, у которого обмотки переменного тока и обмотки возбуждения постоянного (выпрямленного) тока располо жены на статоре. Статор имеет четыре полюса для обмоток возбуждения и две независимые трехфазные обмотки переменного тока (по восемь параллельных ветвей на фазу каждой обмотки).

Обмотки возбуждения ОСВ, ОВ1 и ОВ2 (см. рис. 2-1) расположены на четырех полюсах (рис. 2-3). Ротор возбудителя выполнен в виде десятизубцового сердечника. При наличии в обмотках возбуждения постоянного (ра обмотки выпрямленного) тока и вращении ротора с частотой 3000 об/мин за счет неодинакового магнитного сопротивления в воздушных зазорах против зубцов и пазов ротора переменного тока пересекаются пульсирующим магнитным потоком возбуждения, в каждой обмотке наводится э. д. с. частотой 500 Гц (рис. 2-4).

Рис. 2-5. Схемы обмоток возбуждения возбудителя ВГТ.

Обмотка самовозбуждения ОСВ состоит из четырех параллельных ветвей с равным числом витков, каждая из которых расположена на одном из четырех полюсов. Ток в каждой из ветвей равен одной четверти тока Iо,р ротора (рис. 2-5). Каждая из обмоток возбуждения ОВ1 и ОВ2 состоит из четырех секций с равными числами витков ωв, расположенных соответственно на четырех полюсах и соединенных последовательно.

Для повышения скорости нарастания возбуждения при к. з. в сети ток Iо,св в обмотке ОСВ создает некоторое перевозбуждение возбудителя. Для обеспечения устойчивого возбуждения в режимах нормальной работы турбогенератора перевозбуждение возбудителя компенсируется током Iо,рег,2 в противовключенной обмотке ОВ2. Согласно схеме, приведенной на рис. 2-1, резуль тирующая магнитодвижущая сила (м. д. с.) возбуждения

 

 
определяется как:

(Ioω)в = Io,свωсв + Io,рег,1ωв,1 - Io,рег,2ωв,2

 

Рис. 2-6. Характеристики возбуждения возбудителя.

В режимах нормальной работы турбогенератора м. д. с. Io,рег,2ωв,2 компенсирует м. д. с. перевозбуждения ∆Io,ωв и м. д. с. Io,рег,1ωв,1) обмотки ОВ1, как условно показано на диаграмме (рис. 2-6).

Количественные соотношения между  магнитодвижущими силами Io,свωсв , Io,рег,1ωв,1 и Io,рег,2ωв,2 в установившемся режиме нормальной нагрузки генератора можно видеть из следующего примера.

Параметры возбудителя типа ВГТ-4500/500 к генератору ТВВ-320-2: напряжение каждой обмотки возбуждения Uо,в = 200 В; напряжение ротора генератора Uо,р = 400 В; выпрямленный ток в обмотке ОСВ (ток ротора генератора) Iо,св = Iо,р = 3000 А; выходные выпрямленные токи магнитных усилителей МУ1 и МУ2 соответственно Io,рег,1=5А; Io,рег,2=25А; числа витков обмоток возбуждения на полюс: ωсв = 4; ωв,1 = ωв,2 =32.

 

Магнитодвижущие силы возбуждения:

Io,свωсв = 3000/4*4 = 3000 А;

Io,рег,1ωв,1 = 5-32 = 160 А;

Io,рег,2ωв,2 = 25-32 = 800 А;

 

Результирующая м. д. с. возбуждения

(Io,ω) = 3000 + 160 - 800 = 2360 А.

 

 

 
3. Автоматическая система регулирования возбуждения.

 

Автоматическая система регулирования  должна обеспечить заданное возбуждение  в следующих режимах работы генератора: в условиях начального возбуждения; в режиме нормальной нагрузки; при  понижениях напряжения, вызванных к. з. в сети (форсировка возбуждения в пределах заданной кратности и длительности); в условиях повышения напряжения при сбросах нагрузки.

Упрощенная принципиальная схема  автоматической системы регулирования  в однолинейном исполнении с регулятором  ЭПА-325В [9, 10] приведена на рис. 2-7. В  систему регулирования входят:

1. турбогенератор с описанной выше схемой возбуждения (регулируемый объект);
2. автоматический регулятор, состоящий из магнитных усилителей МУ1*, подающих выпрямленный ток Io,рег,1 в обмотку подвозбуждения ОВ1, магнитных усилителей МУ2, подающих выпрямленный ток Io,рег,2 в обмотку ОВ2 развозбуждения возбудителя В; измерительного органа, управляющего усилителями МУ1 и МУ2 в функции отклонения напряжения ∆Uг турбогенератора (ТИ, Вл, ВнЛ и установочные резисторы Rу, устройства изменения статизма Rс,к, ТПс,к) и гибкой отрицательной обратной связи ГОС (обмотки ωгос магнитных усилителей, Rос, Сос);
3. устройство ограничения по напряжению форси-ровки возбуждения возбудителя УОФ;
4. устройство расфорсировки возбуждения возбудителя (РН1, РВ1, РП1, РП2) (см. рис. 2-18) и аварийного отключения генератора (РВ1, РН2, РВ2) в случаях превышения допустимой форсировки возбуждения по напряжению и длительности (защита от повышения напряжения);
5. устройство подпора напряжением Uо,пв линейных элементов для управления МУ1 и МУ2 при глубоких снижениях напряжения Uг турбогенератора (от ПВ через ТПпв и 5ПВ);

 

 

 

 

 

Рис. 2-7. Принципиальная однолинейная схема автоматической системы регулирования возбуждения.

 

 

 

 

6) устройство ограничения начального  возбуждения генератора (введения  тока Io,см смещения МУ1 от Uо,пв через контакт АГП6 и резистор Rсм).

Автоматический регулятор  возбуждения. Из схемы, приведенной на рис. 2-7, можно видеть, что обмотка самовозбуждения возбудителя ОСВ включена последовательно через силовые выпрямители ВС с обмоткой ротора турбогенератора (ток ротора Iо,р турбогенератора Г создает компаундирование возбудителя В.

Токи Io,рег,1 Io,рег,2 в обмотках ОВ1 и ОВ2 являются выпрямленными токами рабочих (силовых) обмоток магнитных усилителей МУ1 и МУ2. Магнитные усилители МУ1 и МУ2 питаются от подвозбудителя ПВ. Выпрямленные однополупериодные токи в силовых обмотках магнитных усилителей создают самоподмагничивание их сердечников (положительная внутренняя обратная связь). На сердечниках магнитных усилителей МУ1 и МУ2 расположены: обмотки управления ωу,л током Io,л линейного элемента; обмотки управления ωн,л током Iо,о,ф нелинейного элемента; обмотки ωуоф обтекаемые током Iо,о,ф от устройства ограничения форсировки возбуждения возбудителя; обмотки   ωгос отрицательной гибкой обратной связи (ГОС) и обмотка шд на сердечнике МУ2, в некоторых случаях используемая для настройки расфорсировки возбуждения возбудителя.

 На рис. 2-8 приведена типовая характеристика магнитных усилителей МУ1, МУ2 — зависимость выходного выпрямленного тока от м. д. с. управления Io,рег = f(Ioω)у.

 

 

Рис. 2-8. Характеристика Io,рег = f(Ioω)у магнитных усилителей МУ1 н МУ2 с самоподмагничиванием.

74

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Измерительный орган напряжения регулятора аналогичен измерительному органу корректора напряжения компаундированного На рис. 2-9,а приведены зависимости 1 и 2 от напряжения генератора выпрямленных токов Iо,л, Iо.вл линейного и нелинейного элементов соответственно. Особенности измерительного органа напряжения регулятора заключаются в возможности осуществления так называемого подпора линейного элемента выпрямленным напряжением Uо,пв подвозбудителя и наличии двух дополнительных установочных реостатов Rу,1 Rу,2 для настройки регулятора в целом (см. рис. 2-7).

 

 

 

 

 

Подпор необходим для обеспечения  работы измерительного органа при глубоких снижениях напряжения генератора.

При выпрямленном напряжении линейного  элемента Uо,л>100 В ток /0,п не проходит, поскольку напряжение Uо,л> Uо,пв и выпрямитель Впв закрыт. При снижении напряжения до Uо,л<100 В напряжение Uо,пв>Uо,л возбуждает ток Io,п подпора, который остается неизменным, поскольку выпрямитель Вл закрывается (прямая 2 на рис. 2-9,б). Таким образом, в области напряжения Uг~Uо,л<100 В ток Io,л Io,п =const в обмотках управления магнитных усилителей МУ1 и МУ2 определяет соответствующие неизменные токи регулятора.

В нормальных установившихся режимах  работы результирующие м. д. с. управления магнитными усилите лями определяются соответствующими разностями м. д. с. (см. рис. 2-7):

 

 

 

 

 

На рис. 2-9,в показаны зависимости указанных м.д.с. от напряжения Uг с учетом подпора током Iо,п. На рис. 2-10 и 2-11 приведены характеристики магнитных усилителей МУ1 и МУ2. Из характеристик, приведенных на рис. 2-10,а, б, с учетом уравнения (2-1) можно видеть, что выпрямленный ток Iо,рег,1 в обмотке ОВ1 возбуждения возбудителя увеличивается со снижением напряжения турбогенератора, так же, как и ток согласованного корректора напряжения.

Из характеристик, приведенных  на рис. 2-11,а, б, с учетом уравнения (2-2) можно видеть, что выпрямленный ток Iо.рег.2 в обмотке ОВ2 увеличивается при повышении напряжения турбогенератора (так же, как ток противовключенного корректора напряжения).

Влияние тока Io,п подпора на изменение тока Io,л, магнитодвижущей силы Io,лωу.л линейного элемента и изменение выпрямленного тока Iо.рег,1 при снижении напряжения турбогенератора показано на рис. 2-12. При отсутствии напряжения Uо,п и снижении напряжения генератора результирующая м.д.с. управления (Iоω)у и выпрямленный ток Iо.рег,1 изменялись бы соответственно по характеристикам 3 и 3', показанным пунктиром. При наличии тока Iо,п и тех же условиях величины (Io,ω)у и Iо.рег,1 изменяются соответственно по характеристикам 5 и 5'. Как видно, при снижении напряжения Uг до нуля и наличии тока Iо,п подпора выпрямленный ток Iо.рег,1 магнитного усилителя МУ1 не снижается до значения, отмеченного точкой N, а достигает своего максимального значения.

Типовые зависимости выходных токов Iо.рег,1 и Iо.рег,2 магнитных усилителей МУ1 и МУ2 в функции напряжения Uг, по заводским данным, показаны на рис. 2-13. В режиме нормальной нагрузки и при номинальном напряжении Uг.ном турбогенератора токи имеют следующие абсолютные значения: Iо.рег,1,ном=5-10А, Iо.рег,2,ном=20-25А. Как можно видеть, зависимости указанных токов от напряжения Uг имеют большую крутизну и при отклонении напряжения Uг турбогенератора более чем на ∆U*,г=±5% номинального токи могут достигать 65А. При этом обеспечивается скорость изменения возбуждения не менее 2 отн.ед./с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройства ограничения  форсировки возбуждения. Упрощенная принципиальная схема устройства ограничения форсировки возбуждения (УОФ) показана на рис. 2-14. По существу УОФ представляет собой электромагнитный противовключенный корректор напряжения на магнитном  усилителе МУуоф     с самонасыщением и внешней обратной связью (ωос). В зависимости от требуемой крутизны характеристики выходного тока Iо,оф (см. рис. 2-15) внешняя обратная связь может устанавливаться при наладке как положительной, так и отрицательной.