Система возбуждения асинхронизированной электрической машины
EXCITATION SYSTEM OF ASYNCHRONIZED ELECTRIC MACHINE

Область техники
Изобретение относится к электротехническим устройствам, предназначенным для управления продольно-поперечным возбуждением асинхронизированных генераторов и компенсаторов, которые используются в электроэнергетике для генерирования активной и реактивной мощности.
Уровень техники
Наряду с традиционными синхронными генераторами и компенсаторами, имеющими на роторе одну обмотку возбуждения, в электроэнергетике применяются машины с продольно-поперечным возбуждением (асинхронизированные машины), имеющие на роторе две (продольную и поперечную) обмотки возбуждения, размещенные под определенным углом друг к другу (например, 90 эл. градусов) по окружности ротора.
Асинхронизированные машины обладают предпочтительными техническими характеристиками в сравнении с синхронными машинами по устойчивости при возмущениях в энергосистеме [Лабунец И.А., Лохматов А.П., Шакарян Ю.Г. «Режимы работы, статические и динамические характеристики асинхронизированных турбогенераторов». Изд. АН УССР, Киев, 1987].
В отсутствие возмущений токи в обмотках возбуждения асинхронизированной машины поддерживаются равными. При значительных кратковременных возмущениях в энергосистеме (сброс-наброс нагрузки, короткие замыкания) токи в обмотках ротора раздельно регулируются по величине и направлению для поворота и даже вращения магнитного поля возбуждения относительно ротора.
Схема прототипа заявленной системы возбуждения асинхронизированной машины представлена на фиг. 1 [Чернышев Е.В., Кузин Г.А., Воронов В.К., Картошкин А.В. «Опыт промышленной эксплуатации статической реверсивной тиристорной системы самовозбуждения на турбогенераторе ТЗФА-110-2УЗ», ж-л «Электрические станции» №11, 2005 г., стр. 6-8].
Прототип содержит расположенные на роторе машины продольную и поперечную обмотки возбуждения, каждая из которых подключена к вторичным обмоткам питающего трехфазного трансформатора через два встречно-параллельно включенных выпрямителя, управляемых автоматическим регулятором возбуждения (АРВ). Каждая из обмоток возбуждения питается отдельно от соответствующей пары управляемых выпрямителей. Каждый из четырех управляемых выпрямителей выполнен по схеме трехфазного моста Ларионова и содержит, как минимум, шесть тиристоров.
Для питания обмотки возбуждения выпрямленным током одного направления АРВ включает соответствующий выпрямитель в режим управляемого шестифазного выпрямления и выключает тиристоры встречно-параллельно включенного моста.
Как следует из схемы фиг. 1 для подвода тока от шкафа с управляемыми выпрямителями к обмоткам возбуждения, расположенным на вращающемся роторе электрической машины, в прототипе требуется четыре шинопровода (как правило, длиной десятки метров) и четыре щеточно-кольцевых контакта на роторе, предназначенных для длительного протекания тока обмотки возбуждения.
Недостаток прототипа - усложненность и многоэлементность силовой схемы (минимум 24 тиристора), повышенные электрические потери энергии в тиристорах, шинопроводах и щеточно-кольцевых контактах ротора.
Современные мощные асинхронизированные турбогенераторы и компенсаторы имеют малое количество витков обмоток возбуждения, что предопределяет работу систем возбуждения с низкими значениями напряжения возбуждения и большими токами (до нескольких тысяч ампер). Это усугубляет отмеченные недостатки, поскольку требуются тиристоры на предельные токи либо параллельное соединение тиристоров, что приводит к дальнейшему усложнению системы возбуждения, росту потерь в тиристорах, шинопроводах и трансформаторах.
Сущность полезной модели
Техническим результатом изобретения является упрощение системы возбуждения и снижение потерь энергии в ее элементах. Результат достигается путем изменения конфигурации силовой схемы, обеспечивающей сокращение числа силовых тиристоров, необходимых для обеспечения всех режимов питания двух обмоток возбуждения, сокращение требуемого числа силовых шинопроводов (и их общей протяженности) и щеточно-кольцевых контактов на роторе асинхронизированной электрической машины.
Предметом изобретения является система возбуждения асинхронизированной электрической машины, содержащая расположенные на ее роторе продольную и поперечную обмотки возбуждения, подключенные к вторичным обмоткам питающего трехфазного трансформатора через два встречно-параллельно включенных выпрямителя, управляемых автоматическим регулятором возбуждения, отличающаяся тем, что указанные обмотки возбуждения соединены последовательно, а их общая точка через цепь гальванической связи соединена с нулевой точкой вторичных обмоток питающего трехфазного трансформатора.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
Первое развитие изобретения состоит в том, что в цепь указанной гальванической связи введен заградительный фильтр третьей гармоники частоты питающей сети, выполненный в виде параллельного LC-контура.
Это улучшает гармонический состав токов возбуждения.
Второе развитие изобретения состоит в том, что вторичные обмотки питающего трехфазного трансформатора выполнены из полуобмоток и соединены в зигзаг.
Это позволяет расширить диапазон регулирования токов возбуждения.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлена функциональная схема прототипа.
На фиг. 2 представлена функциональная схема заявляемой системы возбуждения.
Осуществление изобретения с учетом его развитий
Заявляемая система возбуждения (фиг. 2) содержит продольную обмотку 1 возбуждения и поперечную обмотку 2 возбуждения, расположенные на роторе асинхронизированной машины, имеющем щеточно-кольцевые контакты для подвода токов возбуждения к обмоткам 1 и 2.
Система возбуждения питается от трехфазного трансформатора 3. Обмотки 1 и 2 подключены к питающему трансформатору 3 через два встречно-параллельно включенных трехфазных управляемых выпрямителя, каждый из которых выполнен по трехфазной мостовой схеме (схеме Ларионова). Первый мостовой выпрямитель образуют тиристорные группы 4 и 5, второй мостовой выпрямитель - тиристорные группы 6 и 7. Каждая тиристорная группа состоит из трех тиристоров. Тиристоры внутри групп 4 и 7 объединены катодами, тиристоры внутри групп 5 и 6 - анодами.
Выпрямители управляются автоматическим регулятором возбуждения 8, воздействующим на их тиристорные группы 4-7.
Обмотки 1 и 2 соединены последовательно. Их общая точка 9 гальванически связана с нулевой точкой 10 вторичных обмоток питающего трансформатора 3 цепью 11. Гальваническая связь может быть осуществлена, как показано на фиг. 2, через введенную в цепь 11 индуктивность 12, которая совместно с конденсатором 13 образует параллельный LC-контур. При соответствующей настройке этот контур образует в цепи 11 заградительный фильтр третьей гармоники частоты питающей сети 14.
Во избежание насыщения сердечника трансформатора 3 его вторичные обмотки, питающие систему возбуждения, могут быть выполнены из полуобмоток и соединены в зигзаг.
Система возбуждения работает следующим образом.
Автоматический регулятор 8 формирует управляющие воздействия на тиристоры групп 4-7 в виде последовательности импульсов фазового управления. В зависимости от требуемого направления тока через обмотки 1 и 2 одновременно работают тиристорные группы 4, 5 или 6, 7.
В установившемся режиме регулятор 8 формирует управляющие воздействия, при которых постоянные составляющие выпрямленных токов возбуждения в обмотках 1 и 2 равны между собой и равны последовательно протекающему через них общему току. В цепи 11, подключенной к общей точке обмоток 1 и 2, протекает разность их токов. Поэтому постоянная составляющая тока, протекающего в цепи 11, близка к нулю. Но в цепи 11 протекает переменная составляющая, равная разности переменных составляющих выпрямленного тока возбуждения, протекающих в обмотках 1 и 2. Основная гармоника этой составляющей равна утроенной частоте питающей сети.
Введение в цепь 11 заградительного фильтра (из индуктивности 12 и конденсатора 13), настроенного на третью гармонику частоты питающей сети, существенно (в 6-7 раз) снижает токовую нагрузку цепи 11 и улучшает гармонический состав тока возбуждения в обеих обмотках 1 и 2.
В идентичных режимах работы заявляемой системы возбуждения и прототипа (одинаковые параметры обмоток, одинаковая мощность возбуждения и токи возбуждения) ток, потребляемый заявляемой системой возбуждения от вторичных обмоток трансформатора 3 в два раза ниже по сравнению с прототипом, в котором ток возбуждения равен сумме токов возбуждения двух обмоток.
При динамических возмущениях в энергосистеме (короткое замыкание, сброс-наброс нагрузки, скачек напряжения) автоматический регулятор 8, в соответствии с заложенной в нем программой управления (направленной на поддержание устойчивости и стабилизацию работы возбуждаемой машины), может одновременно форсировать токи возбуждения в обмотках 1 и 2 или изменять их независимо по величине и знаку. При одновременной форсировке токи в обмотках изменяются практически одинаково и заявляемая система возбуждения работает аналогично вышеописанному.
При значительных динамических возмущениях в энергосистеме, сопровождающихся угловым сдвигом ротора асинхронизированной машины, воздействия регулятора 8 на тиристоры групп 4-7 направлены на соответствующий поворот вектора результирующего магнитного поля обмоток 1 и 2 для сохранения устойчивости генератора (компенсатора) и энергосистемы. При этом токи возбуждения в обмотках 1 и 2, задаваемые регулятором 8, могут существенно отличаться друг от друга, что приведет к возникновению значительного разностного тока в цепи 11.
Однако такой режим возникает крайне редко (только при авариях в энергосистеме) и существует кратковременно, поскольку он способствует возврату ротора в исходное положение и, как следствие, выравниванию токов, задаваемых регулятором 8 в обмотках 1 и 2 возбуждения. Поэтому токонесущая способность элементов цепи 11 (заградительного фильтра из элементов 12 и 13, кабеля и щеточно-кольцевого контакта) могут выбираться только исходя из условий их термической и механической стойкости к редко возникающим кратковременным перегрузкам.
В прототипе требуется четыре щеточно-кольцевых контакта на роторе асинхронизированной машины, каждый из которых рассчитан на длительное протекание полного тока возбуждения, а для работы заявляемой системы требуется только два щеточно-кольцевых контакта на такую нагрузку и третий контакт облегченной конструкции для кратковременных токов, протекающих через общую точку 9 обмоток 1, 2 и цепь 11.
Из изложенного следует, что совокупность признаков заявляемой системы возбуждения обеспечивает по сравнению с прототипом двукратное уменьшение числа управляемых вентилей, двукратное уменьшение тока нагрузки вторичных обмоток питающего трансформатора, уменьшение числа рабочих щеточно-кольцевых контактов на роторе машины и числа шиноподводов к ним (три вместо четырех в прототипе), причем в стационарном режиме работы машины нагружены током только два из трех контактов. Уменьшение числа стационарно нагруженных щеточно-кольцевых контактов и шиноподводов, в свою очередь, снижает потери электроэнергии, позволяет уменьшить мощность систем охлаждения, упростить конструкцию щеточно-контактного узла ротора машины, снизить материалоемкость и стоимость системы возбуждения, повысить ее надежность.
Выполнение вторичных обмоток трансформатора 3 из полуобмоток и соединение их по схеме зигзаг обеспечивает магнитно уравновешенный режим трансформатора 3, что исключает его насыщение и, тем самым, расширяет диапазон регулирования токов возбуждения в динамических режимах.