Анализ конструктивных схем и работоспособности систем возбуждения синхронных генераторов

УДК 621.313.126

АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

В.М. Степанов, Д. А. Карпунин

Показано, что система возбуждения является неотъемлемой частью синхронного генератора, надёжность её работы определяет безопасность и устойчивость работы всей синхронноймашины. Представлены различные виды систем возбуждения с их параметрами.

Ключевые слова: система возбуждения, синхронный генератор, обмотка возбуждения, форсировочная способность.

Система возбуждения необходима для создания в обмотке возбуждения синхронной машины постоянного тока и автоматического регулирования тока возбуждения.

Систему возбуждения характеризуют номинальным напряжением возбуждения на выводах обмотки возбуждения и номинальным током в обмотке возбуждения, которые соответствуют номинальному режиму работы электрической машины; форсировочной способностью; быстродействием системы возбуждения при авариях и неисправностях в энергосистеме; быстротой развозбуждения генератора в случаях его повреждения.

Системы возбуждения обеспечивают следующие режимы работы синхронных генераторов:

- начальное возбуждение;

- холостой ход;

- включение в сеть методом точной синхронизации или самосинхронизации;

- работу в энергосистеме с допустимыми нагрузками и перегрузками;

- форсировку возбуждения по напряжению и по току с заданной кратностью;

- разгрузку по реактивной мощности и развозбуждения при неисправности энергосистемы;

- гашения поля генератора в аварийных режимах и при нормальной остановке;

- электрическое торможение агрегата.

Обмотка возбуждения в большинстве случаев укладывается в пазы ротора генератора, к ней с помощью контактных колец и щёток подводится постоянный ток. Источником постоянного тока может быть генератор как постоянного, так и переменного тока, который принято называть воз-

будителем, а систему возбуждения - машинной. Если источником постоянного тока является сам генератор, то система возбуждения называется безмашинной или системой самовозбуждения.

Системы возбуждения принято делить на две основные группы:

- независимое (прямое) возбуждение;

- зависимое (косвенное) самовозбуждение.

К независимому возбуждению относятся электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом турбогенератора механической связью. Основным достоинством этих систем является полная автономность, заключающаяся в том, что они в состоянии обеспечить требуемые ток и напряжение возбуждения независимо от условий работы и режима синхронного генератора или электрической сети.

К зависимым системам возбуждения относятся системы, питающиеся от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы и отдельно установленные электромашинные возбудители, вращаемые двигателями переменного тока, запитанными от шин собственных нужд станции. В данных системах отсутствуют вращающиеся машины, что является несомненным достоинством. Недостатком является зависимость тока и напряжения возбуждения от условий и режима работы синхронного генератора.

В комбинированных системах энергия на возбуждение частично берется от вспомогательного генератора и частично с выводов возбуждаемого синхронного генератора или от сети, на которую он работает.

Независимые системы возбуждения. Примерно до середины 50-х годов прошлого века, получили распространение электромашинные системы с генератором постоянного тока в качестве возбудителя. Они распространены и сейчас, но на электрических станциях с генераторами малой и средней мощности, введённых в эксплуатацию до начала 70-х годов прошлого века. Системы независимого возбуждения с постоянным током являются медленнодействующими в силу значительной электромагнитной инерционности, обусловленной индуктивностью обмоток возбуждения возбудителя, также из-за насыщения магнитной системы возбудителя, ограниченно максимальное напряжение форсировки. Предельная техническая целесообразная мощность электромашинного возбудителя постоянного тока не более 350... 450 кВт.

Поэтому стали появляться системы независимого возбуждения, использующие для возбуждения генераторы переменного тока. Различают следующие виды независимых систем возбуждения переменного тока: высокочастотные, бесщёточные и тиристорные системы.

В высокочастотных системах возбуждения (рис. 1) используется генератор тока повышенной частоты (обычно 500 Гц), находящийся на общем валу с турбиной и возбуждаемым синхронным генератором. Для выпрямления переменного тока применяют диодный преобразователь. Дан-

ные системы являются медленнодействующими, однако по сравнению с электромашинными системами постоянного тока быстродействие выше. Используются в основном на турбогенераторах серии ТВВ.

•IV

гШ-

Рис. 1. Высокочастотная система возбуждения: С - синхронный генератор; СЕ - высокочастотный генератор;

СЕЛ - подвозбудитель; АРВ - автоматическое регулирование возбуждения; А - магнитный усилитель; ТУ - трансформатор напряжения; ТА - трансформатор тока; ЬС - обмотка возбуждения генератора; ЬЕ - обмотка возбуждения возбудителя; ЕУ - разрядник;

КМ - контактор; УБ - диодные преобразователи

В связи с увеличением единичной мощности турбогенератора и значения тока возбуждения, стало затруднительно передавать постоянный ток от неподвижных элементов системы возбуждения к вращающемуся ротору синхронного генератора, через контактные кольца и щётки. В связи с этим стали появляться бесщёточные системы возбуждения. Для них характерно использование в качестве возбудителя вспомогательного генератора переменного тока обращённого исполнения, обмотка переменного тока, находящаяся на роторе возбудителя, непосредственно соединена с вращающимся преобразователем, выход которого соединен с вращающейся обмоткой ротора синхронного генератора. Изменение тока возбуждения синхронного генератора в данной системе, достигается путем изменения тока возбуждения возбудителя, что снижает инерционность бесщёточной системы возбуждения. Данная система возбуждения изображена на рис. 2.

Бесщёточные системы с вращающимся тиристорным преобразователем являются быстродействующими, так как позволяют изменить ток возбуждения синхронного генератора путем изменения угла открытия тиристоров преобразователя в цепи обмотки ротора. Также процесс гашения поля ускорен путём перевода тиристорного преобразователя в инвертор-ный режим.

Рис. 2. Принципиальная схема бесщёточной системы возбуждения: С - синхронный генератор; СЕ - возбудитель; СЕЛ - подвозбудитель;

АРВ - автоматическое регулирование возбуждения;

ТУ - трансформатор напряжения; ТА - трансформатор тока; Т - трансформатор; ЬС - обмотка возбуждения генератора; ЬСЕ - обмотка возбуждения возбудителя; ЬСЕЛ - обмотка возбуждения подвозбудителя; ВДП - вращающийся диодный преобразователь; ДП- диодный преобразователь;

ТК - тиристорный ключ

В тиристорных системах независимого возбуждения возбудителем является вспомогательный синхронный генератор, расположенный на общем валу с основным синхронным генератором. Выпрямление переменного тока вспомогательного генератора осуществляется с помощью тири-сторного преобразователя. Изменение тока возбуждения синхронного генератора осуществляется путем изменения угла открытия тиристоров. Данные системы возбуждения являются самыми быстродействующими. Тиристорные системы возбуждения пришли на смену, преобразователям с ионными выпрямителями, которые обычно выполнялись двухгрупповыми.

Зависимые системы самовозбуждения. Системы самовозбуждения обычно выполняются с тиристорными преобразователями, что обеспечивает высокое быстродействие и возможность гашения поля синхронного генератора, путём перевода тиристоров в инверторный режим.

Различают параллельное и смешанное самовозбуждение. В системе параллельного самовозбуждения энергия возбуждения определяется параметрами напряжения статора синхронного генератора или сети в которую он вырабатывает электроэнергию. Недостаток данной системы снижение

напряжения на преобразователе при близких коротких замыканиях. В системах смешанного самовозбуждения энергия возбуждения определяется как напряжением статора синхронного генератора, так и током статора.

Упрощённая принципиальная схема одногрупповой тиристорной системы самовозбуждения (СТС) представлена на рис. 3.

(Я

т

(

ТАЗ

гя-

Рис. 3. Схема тиристорной системы самовозбуждения: G - синхронный генератор; LG - обмотка возбуждения генератора; АРВ - автоматическое регулирование возбуждения; УНВ - устройство начального возбуждения; ТП1, ТП2 - тиристорные преобразователи; FV- тиристорный разрядник; КМ - электромагнитный контактор;

TV - трансформатор напряжения; ТА - трансформатор тока;

Т - трансформатор

Вывод. В настоящее время наиболее перспективными для синхронных генераторов являются независимые тиристорные системы возбуждения и тиристорные системы самовозбуждения, т. к. они обладают высоким быстродействием и широким диапазоном номинального тока и напряжения обмотки возбуждения. Однако для синхронных генераторов, давно введённых в эксплуатацию, или небольшой мощности применяют системы независимого возбуждения: с генератором постоянного тока, высокочастотные или бесщёточные.

Список литературы

1. Электрическая часть станций и подстанций / А. А. Васильев, И.П. Крючков, Е.Ф. Наяшкова, М.Н. Околович. М.: Энергоатомиздат, 1990. 551 с.

2. Коротков В.Ф. Автоматическое управление напряжением и реактивной мощностью синхронного генератора и электрических станций: учеб. пособие. Иваново: Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина, 2008. 192 с.

3. Коломиец Н.В. Электрическая часть электростанций и подстанций: учеб. пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. 143 с.

4. Котеленко С.В. Определение топологии структуры систем рекуперации с системой управления рекуперацией, управления дозированного питания электроэнергией и управления дозированного заряда/разряда накопительной установки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2012. Вып. 12. Ч. 3. С. 202207.

5. Степанов В.М., Котеленко С.В. Анализ технических решений по рекуперации электрической энергии // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2011. Вып. 6. Ч. 1. С. 152-158.

6. Степанов В.М., Котеленко С.В. Моделирование режима рекуперации в многодвигательных подъёмно-транспортных механизмах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2011. Вып. 6. Ч. 1. С. 158-165.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., x280xx@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Карпунин Дмитрий Александрович, студент, x280xx@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF CONSTRUCTIVE SCHEMES AND OPERABILITY OF EXCITATION SYSTEM OF SYNCHRONOUS GENERATORS

V.M. Stepanov, D.A. Karpunin

It is shown, that the excitation system is integral synchronous generator, reliability of excitement determines the safety and stability work of the entire synchronous machine. The different types of excitation systems with parameters are presented.

Key words: excitation system, synchronous generator, coil of excitation, field-forcing capability.

Stepanov Vladimir Mihailovich, doctor of technical sciences, professor, x280xx@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Karpunin Dmitry Alexandrovich, student, x280xx@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University