Цепь возбуждения генератора: виды, схемы, достоинства и недостатки

Содержание

виды, схемы, достоинства и недостатки

Все турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и двигатели, изготавливаемые в настоящее время, оснащаются современными полупроводниковыми системами возбуждения – рис.5.2 – 5.7. В этих системах используется принцип выпрямления трехфазного переменного тока повышенной или промышленной частоты возбудителей или напряжения возбуждаемой машины.

Электромашинные системы возбуждения (рис.5.1), выпускавшиеся заводами более 30 лет назад и находящиеся до сих пор в эксплуатации, могут быть заменены на современные полупроводниковые статические системы с любым набором заданных функций.

Системы возбуждения обеспечивают следующие режимы работы синхронных машин:

  1. начальное возбуждение;
  2.  холостой ход;
  3. включение в сеть методом точной синхронизации или самосинхронизации;
  4. работу в энергосистеме с допустимыми нагрузками и перегрузками;
  5. форсировку возбуждения по напряжению и по току с заданной кратностью;
  6. разгрузку по реактивной мощности и развозбуждение при нарушениях в энергосистемах;
  7. гашение поля генератора в аварийных режимах и при нормальной остановке;
  8. электрическое торможение агрегата.

Рис.5.1. Система независимого возбуждения с возбудителем постоянного тока.
КК – контактные кольца, Rсс и КСС – сопротивление и контактор самосинхронизации, РВ – резервный возбудитель, АГП – автомат гашения поля, АГПВ – автомат гашения поля возбудителя, Rр – регулировочный реостат, Rд и Rгасв – резисторы добавочный и гасительный в цепи ОВВ, ДОВВ – добавочная обмотка возбуждения возбудителя.

Для оснащения турбо- и гидрогенераторов выпускается три типа систем возбуждения:
• системы тиристорные независимые (СТН) – рис.5.2;
• системы тиристорные самовозбуждения (СТС) – рис.5.3;
• системы бесщеточные диодные (СБД) – рис.5.4


Системы тиристорного независимого возбуждения (СТН)

Системы тиристорные независимые (СТН) предназначены для питания обмотки возбуждения крупных турбо- и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током, применяемые при выработке электроэнергии на ГЭС и других генерирующих станциях – рис. 5.2.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

В отличие от систем самовозбуждения (СТС), в СТН тиристорные выпрямители главного генератора получают питание от независимого источника напряжения переменного тока промышленной частоты – от вспомогательного синхронного генератора, вращающемся на одном валу с главным генератором

 

Рис.5.2. Система тиристорная независимая (СТН) с возбудителем переменного тока и двумя группами тиристоров, в сочетании со схемой резервного возбуждения от двухмашинного агрегата асинхронный двигатель-возбудитель постоянного тока. В – возбудитель (вспомогательный генератор) переменного тока, ОВВ обмотка возбуждения возбудителя, ВРГ, ВФГ – тиристорные вентили рабочей и форсировочной групп, ВВВ – тиристорные вентили выпрямителя возбудителя, СУВРГ, СУВФГ, СУВВВ – системы управления вентилями соответствующих групп, ВТВ – выпрямительный трансформатор возбудителя, ТСНВ – трансформатор СН тиристорных выпрямителей.

Вспомогательный генератор переменного тока возбуждения построен по схеме самовозбуждения. СТН обладает важным преимуществом – её параметры не зависят от процессов, протекающих в энергосистеме.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Благодаря наличию вспомогательного генератора, сохраняется независимость возбуждения от длительности и удаленности КЗ и других возмущений в энергосистеме, и высокая скорость нарастания напряжения возбуждения: не более 25 мс до достижения максимального значения при уменьшении напряжения прямой последовательности в точке регулирования на 5%.

В системе СТН обеспечивается быстрое снятие возбуждения за счет изменения полярности напряжения возбуждения: время развозбуждения от максимального положительного до отрицательного минимального напряжения возбуждения не превышает 100 мс.


Рис.5.3. Система тиристорного самовозбуждения (СТС) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и двумя группами тиристоров. ТСНР, ТСНФ – трансформаторы СН тиристорных выпрямителей рабочей и форсировочной групп.

В системе СТН выпрямленное номинальное напряжение может составлять 700 В, а выпрямленный номинальный ток – до 5500А. Кратности форсировки по напряжению и току составляют не менее двух единиц, а длительность форсировки – от 20 до 50 с. Точность поддержания напряжения генератора – не хуже ±0,5% и до ±1%. Система охлаждения тиристорного выпрямителя в системах СТН и СТС может быть принудительно воздушной, естественной воздушной или водяной.

Система тиристорного самовозбуждения (СТС)

Система тиристорного самовозбуждения (СТС) предназначена для питания обмоток возбуждения турбо и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током – рис.5.3.
Питание тиристорного выпрямителя осуществляется через трансформатор, подключенный к генераторному токопроводу. Для запуска генератора предусмотрена цепь начального возбуждения, которая автоматически формирует кратковременный импульс напряжения на обмотке ротора до появления ЭДС обмотки статора генератора. Импульс напряжения достаточен для поддержания устойчивой работы тиристорного преобразователя в цепи самовозбуждения. Питание цепей начального возбуждения осуществляется как от источника переменного тока, так и от станционной аккумуляторной батареи.

В системе СТС выпрямленное номинальное напряжение составляет до 500 В, а выпрямленный номинальный ток – не более 4000 А, т.е. эти значения несколько ниже, чем в системах СТН.

Благодаря высокому быстродействию управляемого выпрямителя и предельным уровням напряжения и тока возбуждения в сочетании с эффективными законами управления система СТС обеспечивает высокое качество регулирования и большие запасоустойчивости энергосистем. По этим показателям система СТС соответствует значениям системы СТН.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

В системе СТН интенсивное гашение поля генераторов в нормальных условиях эксплуатации достигается за счет перевода тиристорного преобразователя в инверторный режим изменением полярности напряжения возбуждения – время развозбуждения не превышает 100 мс.

Экстренное снятие возбуждения в аварийных режимах обеспечивается автоматом гашения поля – электрическим аппаратом специальной конструкции, который при срабатывании производит оптимальное гашение поля генератора (АГП).

Рис.5.4. Система бесщеточная диодная (СБД) независимого возбуждения: а – с подвозбудителем (ПВ), б – без подвозбудителя, с питанием обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ) от выпрямительного трансформатора (ВТ). ДВ – вращающиеся диодные вентили.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Действие АГП заключается в уменьшении времени гашения поля при соблюдении предельно допустимой по условиям электрической прочности изоляции величины напряжения на обмотке возбуждения. Защита ротора от перенапряжений выполняется на основе быстродействующих тиристорных разрядников.

Учитывая высокую надежность тиристорных выпрямителей и улучшение их параметров по токам и напряжениям, в схемах возбуждения могут применяться вместо двух групп вентилей (ВРГ, ВФГ) одну группу с необходимой кратностью форсировки – рис. 5.5.

Система тиристорного самовозбуждения резервная (СТСР)

В схемах рис.5.1, 5.2, 5.3 благодаря наличию контактных колец на роторе можно использовать систему резервного возбуждения. В прежних системах использовался двухмашинный агрегат из асинхронного двигателя, соединенного с генератором постоянного тока. Асинхронный двигатель получал питание от шин собственных нужд и был общим для нескольких генераторов.

В современной системе тиристорного самовозбуждения резервной (СТСР) использован принцип тиристорного выпрямления от разделительного трансформатора, также присоединенного к системе собственных нужд станции.

Назначение этих систем – питание обмотки ротора синхронной машины в случаях, когда основная система вследствие неисправности или технического обслуживания выведена из работы. На электростанциях устанавливают одну резервную систему на группу генераторов. На многих станциях продолжают использовать двухмашинные агрегаты, питаемые от шин собственных нужд. Более совершенной является статическая система СТСР, представляющая собой мощный регулируемый источник постоянного тока. Система оснащена всеми необходимыми средствами защиты, управления и коммутации.

Системы бесщеточные диодные (СБД)

Системы бесщеточные диодные (СБД) предназначены для питания обмотки возбуждения турбогенераторов выпрямленным регулируемым током – рис.5.4а,б.
Бесщеточный возбудитель представляет собой синхронный генератор обращенного исполнения, якорь которого с обмоткой переменного тока и диодным выпрямителем жестко соединен с ротором возбужденного турбогенератора. Обмотка возбуждения возбудителя расположена на его статоре.

Главное достоинство бесщеточных возбудителей состоит в отсутствии контактных колец и щеточного контакта в цепи обмотки ротора турбогенератора и в сокращении длины машины.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Это позволяет обеспечить возбуждение сверхмощных машин, токи возбуждения которых превышают 5500А, свойственных системе СТН – рис. 5.2. Выпрямленное номинальное напряжение составляет до 600В, а выпрямленный номинальный ток до 7800А. Система охлаждения вращающегося диодного выпрямителя – естественная воздушная.

Регулирование возбуждения генератора осуществляется путем управления током обмотки возбуждения обращенного возбудителя. Типовой комплект системы включает в себя автомат гашения поля, тиристорный разрядник и два преобразовательно-регулирующих канала (AVR-1, AVR-2) автоматических регуляторов возбуждения основного и резервного каналов соответственно. Один из каналов (AVR-1) находится в активном режиме, другой (AVR-2) – в горячем резерве. В частном случае основной канал регулирования получает питание от выпрямительного трансформатора, подключенного к генераторному токопроводу, а резервный – через выпрямительный трансформатор от шин собственных нужд электростанции.

Рис.5.5. Система бесщеточная диодная (СБД) с тиристорным возбуждением (ТВ-1, ТВ-2) обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ). СГ – синхронный генератор; ОВГ – обмотка возбуждения генератора; ДСВ – диодный синхронный возбудитель; ДВ – вращающийся диодный выпрямитель; В – обращенный синхронный возбудитель и его обмотка возбуждения ОВВ; ТВ-1, ТВ-2 – тиристорные выпрямители первого и второго канала для питания ОВВ; ВТ-1, ВТ-2 – выпрямительные трансформаторы первого и второго каналов; АРВ-1, АРВ-2 – автоматические регуляторы возбуждения первого и второго каналов; Р1, Р2, Р3, Р4 – разъединители; ТТ1, ТТ2, ТН1, ТН2 – измерительные трансформаторы тока и напряжения первого и второго каналов; ТА11, ТА12 – датчики тока возбуждения возбудителя; АГП – автомат гашения поля; ТР – тиристорный разрядник.

Рис.5.6. Система бесщеточная диодная (СБД) возбуждения дизель-генератора. СГ – синхронный дизель-генератор; ОВГ – обмотка возбуждения; ДВ – диодный выпрямитель; Т – тиристор; АРВ – автоматический регулятор возбуждения; ИТТ, ИТН – измерительные трансформаторы тока и напряжения; ТСТ с МШ – трехобмоточный суммирующий трансформатор с магнитным шунтом.

Бесщеточная диодная система возбуждения (СБД) обладает меньшим быстродействием по сравнению с тиристорными системами (СТС и СТН). Так, время нарастания напряжения возбуждения до максимального значения при уменьшении напряжения прямой последовательности в точке регулирования на 5% от номинального составляет величину не более 50мс, тогда как в тиристорных системах – не более 25 мс.

В схеме на рис.5.4а питание обмотки возбуждения диодного возбудителя осуществляется от магнитоэлектрического подвозбудителя с постоянными магнитами, а в схеме на рис.5.4б – от выпрямительного трансформатора, подключенного у генераторному токопроводу возбужденной машины. В обоих случаях для питания обмотки возбуждения (ОВВ) обращенного возбудителя (В) используется тиристорный выпрямитель, управляемый системой АРВ.

Рис.5.7. Система бесщеточная диодная (СБД) возбуждения дизель-генератора. СГ – синхронный генератор; ОВГ – обмотка возбуждения генератора; ДСВ – диодный синхронный возбудитель; ДВ – вращающийся диодный выпрямитель; В – обращенный синхронный возбудитель; ОВВ – обмотка возбуждения возбудителя; ПВ – магнитоэлектрический подвозбудитель с постоянными магнитами; АРВ – автоматический регулятор возбуждения; ТВ – тиристорный выпрямитель для питания ОВВ.

Как один из современных вариантов схемы рис.5.4б с выпрямительным трансформатором (ВТ) на рис.5.5 представлена бесщеточная диодная система (СБД) с тиристорным питанием по двум каналам (от сети СН через ВТ-2 и от токопровода генератора через ВТ-1) обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ).

Системы возбуждения для дизель-генераторов

АО «Электросила” является производителем дизель-генераторов мощностью от 200 до 6300 кВт с широким спектром напряжений и частот вращения. Для дизель-генераторов изготавливаются два типа систем возбуждения: паундированием, реализованная на базе трехобмоточного суммирующего трансформатора с магнитным шунтом и управляемого тиристорно-диодного преобразователя представлена на рис.5.6. Силовая часть выполнена в виде блока с принудительным охлаждением и размещена на корпусе генератора. Малогабаритный регулятор напряжения устанавливается в щите управления энергоблоком.

Система бесщеточная с диодным синхронным возбудителем (СБД), магнитоэлектрическим подвозбудителем с постоянными магнитами и статическим тиристорным регулятором возбуждения представлена на рис.5.7.

Вращающаяся часть оборудования системы (дизель-генератор, диодный синхронный возбудитель и магнитоэлектрический подвозбудитель) за счетсовмещения конструкции изготавливается в виде компактного блока, установленного на валу генератора.

Регулятор возбуждения размещен в отдельном шкафу. Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов представлены в таблице 5. 1.

Таблица 5.1. Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов. Системы возбуждения дизель-генераторов характеризуются полной автономностью – начальное возбуждение обеспечивается исключительно за счет внутренних источников.

Автоматы гашения поля (АГП)

Автоматы гашения поля предназначены для коммутации цепей обмоток возбуждения турбо- и гидрогенераторов, имеющих контактные кольца на роторе, а также для гашения поля этих машин.

Оптимальные условия для интенсивного снижения тока ротора до нулевого значения обеспечиваются при разряде обмотки возбуждения на нелинейный резистор, сопротивление которого изменяется обратно пропорционально величине тока.

Благодаря специальной конструкции кольцевой дугогасительной решетки автомата гашения поля, горящая в ней дуга обладает вольтамперной характеристикой нелинейного резистора, обеспечивающей минимальное время гашения поля и безопасный уровень напряжения на кольцах ротора. Основные характеристики АГП производства АО «Электросила” представлены в табл.5.2.

Возбуждение синхронных генераторов



Обмотки роторов синхронных генераторов получают питание от специальных источников постоянного тока, называемых возбудителями.

Мощность возбудителей составляет 0,3-1% мощности генератора, а номинальное напряжение — от 100 до 650 В. Чем мощнее генератор, тем обычно больше номинальное напряжение возбуждения.

Современные схемы возбуждения кроме возбудителя содержат большое количество вспомогательного оборудования. Совокупность возбудителя, вспомогательных и регулирующих устройств принято называть системой возбуждения.

Электрическое соединение возбудителя с обмоткой ротора генератора выполняется преимущественно при помощи контактных колец и щеток. Созданы и применяются бесщеточные системы возбуждения.

Системы возбуждения должны быть надежными и экономичными, допускать регулирование тока возбуждения в необходимых пределах, быть достаточно быстродействующими, а также обеспечивать потолочное возбуждение при возникновении аварии в сети.

Регулируя ток возбуждения, изменяют напряжение синхронного генератора и отдаваемую им в сеть реактивную мощность. Регулирование возбуждения генератора позволяет повысить устойчивость параллельной работы.

При глубоких снижениях напряжения, которые имеют место, например, при коротких замыканиях, применяется форсировка (быстрое увеличение) возбуждения генераторов, что способствует прекращению электрических качаний и сохранению устойчивости параллельной работы генераторов. Кроме того, быстродействующее регулирование и форсировка возбуждения повышают надежность работы релейной защиты и облегчают условия самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций.

Рис.1. Изменение напряжения возбуждения при форсировке

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке

V = 0,632(Uf,пот — Uf,ном) / Uf,номt1 (рис. 1), и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения Uf,пот / Uf,ном = kф — так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь kф≥2, а скорость нарастания возбуждения не менее 2 1/с. Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 1/с для гидрогенераторов до 4 MBА включительно и не менее 1,5 1/с для гидрогенераторов больших мощностей.

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние электропередачи, к системам возбуждения предъявляется более высокое требование (k

ф=3-4, скорость нарастания возбуждения до 10Uf,ном в секунду).

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов 800-1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт — 10 с (ГОСТ533-85Е).

Системы возбуждения генераторов можно разделить на две группы: независимое возбуждение и самовозбуждение (зависимое возбуждение).

К первой группе относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом генератора. Вторую группу составляют системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы. К этой группе могут быть отнесены системы возбуждения с отдельно установленными электромашинными возбудителями, приводимыми во вращение электродвигателями переменного тока, которые получают питание от шин собственных нужд электростанций.

Независимое возбуждение генераторов

Независимое возбуждение генераторов получило наибольшее распространение. Основное достоинство этого способа состоит в том, что возбуждение синхронного генератора не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным.

На генераторах мощностью до 100 МВт включительно применяют, как правило, в качестве возбудителя генератор постоянного тока, соединенный с валом синхронного генератора (рис.2).

Рис.2. Принципиальная схема независимого электромашинного возбуждения генератора

Возбуждение самого возбудителя выполнено по схеме самовозбуждения (обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря самого возбудителя). Регулирование возбуждения возбудителя осуществляется вручную шунтовым реостатом RR, установленным в цепи LGE, или автоматически регулятором возбуждения АРВ.

Недостатки системы возбуждения с генератором постоянного тока определяются в основном недостатками самого возбудителя. Одним из недостатков является сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения, особенно у возбудителей гидрогенераторов, которые имеют низкую частоту вращения (V=1-2 1/с).

Другой недостаток рассматриваемой системы возбуждения характерен для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения. Он обусловлен снижением надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток и коллектора (условий коммутации).

Для турбогенераторов мощностью выше 165 МВт мощность возбуждения становится настолько значительной, что выполнить надежно работающий генератор постоянного тока на частоту вращения 3000 об/мин по условиям коммутации становится затруднительным.

Для снижения частоты вращения возбудителя с целью повышения надежности его работы иногда выполняют соединение возбудителя с валом генератора через редуктор. Такая система была применена для ряда турбогенераторов, в том числе и для генераторов ТГВ-300 и ТВМ-300. Недостатком этой системы возбуждения является наличие дополнительной механической передачи.

Для возбуждения крупных генераторов в СССР применяются системы возбуждения с полупроводниковыми выпрямителями.

В системе возбуждения с использованием полупроводниковых выпрямителей с валом турбогенератора сочленен вспомогательный генератор, напряжение которого выпрямляется и подводится к обмотке ротора турбогенератора (рис. 3).

Рис.3. Принципиальная схема высокочастотного возбуждения турбогенератора

В качестве вспомогательного генератора применяется высокочастотный генератор индукторного типа. Такой генератор не имеет обмотки на вращающемся роторе, что повышает его надежность в эксплуатации. Повышенная частота (500 Гц) позволяет уменьшить габариты и повысить быстродействие системы возбуждения.

Индукторный высокочастотный генератор-возбудитель ВГТ имеет три обмотки возбуждения, расположенные вместе с трехфазной обмоткой переменного тока на неподвижном статоре. Первая из них LGE1 включается последовательно с обмоткой ротора основного генератора LG и обеспечивает основное возбуждение ВГТ. Благодаря включению LGE1 последовательно с обмоткой ротора основного генератора обеспечивается резкое увеличение возбуждения ВГТ при коротких замыканиях в энергосистеме вследствие броска тока в роторе. Обмотки IGE2 и LGЕЗ получают питание от высокочастотного подвозбудителя GEA через выпрямители. Подвозбудитель (высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами), как и вспомогательный генератор ВГТ, соединен с валом турбогенератора.

Регулирование тока в LGE2 и LGE3 осуществляется с помощью двух устройств — соответственно регуляторов электромагнитного типа АРВ (автоматический регулятор возбуждения) и УБФ (устройство бесконтактной форсировки возбуждения).

Устройство АРВ обеспечивает поддержание напряжения генератора в нормальном режиме работы изменением тока в обмотке LGE2. Устройство УБФ обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжений более чем на 5%.

Высокочастотная система возбуждения обеспечивает kф=2 и скорость нарастания напряжения возбуждения не менее 2 1/с.

Рис.4. Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения генераторов

Принципиальная схема системы независимого тиристорного возбуждения (ТН) представлена на рис.4. На одном валу с генератором G располагается синхронный вспомогательный генератор GE, который имеет на статоре трехфазную обмотку с отпайками.

В схеме, показанной на рис.4, имеются две группы тиристоров: рабочая VS1 и форсировочная VS2. На стороне переменного тока они включены на разное напряжение, на стороне постоянного тока — параллельно. Возбуждение генератора в нормальном режиме обеспечивает рабочая группа тиристоров VS1, которые открываются подачей на управляющий электрод соответствующего потенциала.

Форсировочная группа при этом почти закрыта. В режиме форсировки возбуждения тиристоры FS2, питающиеся от полного напряжения вспомогательного генератора, открываются полностью и дают весь ток форсировки. Рабочая группа при этом запирается более высоким напряжением форсировочной группы.

Рассмотренная система имеет наибольшее быстродействие по сравнению с другими системами и позволяет получить k

ф>2. Системы независимого тиристорного возбуждения нашли широкое применение. Ранее, до освоения отечественной промышленностью производства тиристоров достаточной мощности, по аналогичным схемам выполнялись схемы ионного независимого возбуждения (ИН), где применялись ртутные вентили с сеточным управлением.

Все генераторы с рассмотренными выше возбудителями имеют специальную конструкцию для подвода тока к обмотке ротора. Она представляет собой контактные кольца на валу ротора, к которым ток подводится с помощью щеток. Такая контактная система недостаточно надежна. Этот недостаток особенно проявляется при токах возбуждения 3000 А и более (генераторы мощностью 300 МВт и больше).

Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, является система бесщеточного возбуждения, не обладающая указанными недостатками. В этой системе возбуждения, сущность которой поясняет рис.5, нет подвижных контактных соединений.

Рис.5. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения генераторов

Источником энергии для питания обмотки ротора LG является вспомогательный синхронный генератор GE. Этот генератор выполнен по типу обратимых машин, т.е. обмотка переменного тока расположена на вращающейся части, а обмотка возбуждения неподвижна. Возбуждение генератора GE осуществляется от возбудителя GEA.

Ток от вращающейся обмотки переменного тока вспомогательного генератора подводится через проводники, закрепленные на валу, к вращающемуся полупроводниковому (обычно кремниевому) выпрямителю. Выпрямленный ток подводится непосредственно к обмотке возбуждения основного генератора.

Регулирование тока возбуждения в обмотке ротора LG производится изменением тока в обмотке возбуждения вспомогательного генератора LGE.

Вращающийся полупроводниковый преобразователь VD снаружи закрывается звукопоглощающим кожухом.

Система бесщеточного возбуждения интенсивно совершенствуется и является перспективной для генераторов всех типов, особенно для турбогенераторов большой мощности (300-1200 МВт).

Системы самовозбуждения

Системы самовозбуждения менее надежны, чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока. Короткие замыкания в сети, сопровождающиеся понижением напряжения, нарушают нормальную работу системы возбуждения, которая именно в этих случаях должна обеспечить форсировку тока в обмотке ротора генератора.

Рис.6. Принципиальная схема зависимого электромашинного возбуждения

Принципиальная схема возбуждения синхронного генератора с электромашинным возбудительным агрегатом показана на рис.6. Возбудительный агрегат состоит из асинхронного двигателя М, питающегося от шин собственных нужд электростанции и генератора постоянного тока GE. Для повышения надежности работы возбудительного агрегата при форсировке возбуждения асинхронный двигатель, вращающий возбудитель GE, выбирается с необходимой перегрузочной способностью.

Такие возбудительные агрегаты получили широкое распространение на электростанциях в качестве резервных источников возбуждения.

Рис.7. Принципиальная схема полупроводникового самовозбуждения

Один из возможных вариантов схем самовозбуждения с полупроводниковыми преобразователями представлен на рис.7.

Основными элементами схемы являются: две группы полупроводниковых преобразователей — неуправляемые вентили VD и управляемые VS, трансформатор силового компаундирования ТА и выпрямительный трансформатор ТЕ.

Неуправляемые вентили VD получают питание от трансформаторов ТА, вторичный ток которых пропорционален току статора генератора, управляемые вентили VS получают питание от трансформатора ТЕ, вторичное напряжение которого пропорционально напряжению генератора.

Вентили VD, ток которых пропорционален току статора генератора, обеспечивают возбуждение машины при нагрузке и форсировку возбуждения при коротких замыканиях. Мощность вентилей VS рассчитывают таким образом, чтобы она была достаточна для возбуждения генераторов на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме. В номинальном режиме неуправляемые вентили обеспечивают 70-80% тока возбуждения генератора. При надлежащем выборе параметров система полупроводникового самовозбуждения по своим свойствам приближается к системе независимого тиристорного (ионного) возбуждения и поэтому применяется на мощных синхронных машинах. Ранее промышленность широко выпускала системы ионного самовозбуждения с ртутными вентилями.



Принцип действия автомобильного генератора | Twokarburators.ru

На примере генератора 37.3701 автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099.
В основе работы генератора лежит преобразование механической энергии в электрическую, появляющуюся при вращении его ротора в постоянном магнитном поле статора (электромагнитная индукция).

Принцип действия генератора

Подача напряжения на обмотку возбуждения генератора

После поворота ключа в замке зажигания в положение «1» — «включено» запитывается обмотка возбуждения генератора расположенная на роторе. Электрический ток проходит по следующей цепи от плюса к минусу:

— «плюс» АКБ – вывод «30» генератора

— контакты 5, 6 колодки Ш8 монтажного блока

— контакт 6 колодки Ш1 монтажного блока

— контакты «30» и «87» реле зажигания

— контакт 3 колодки Ш1 монтажного блока

— предохранитель №5 монтажного блока

— дополнительные резисторы в монтажном блоке

— лампа заряда АКБ на панели приборов

— вывод «61» генератора

— вывод «В» регулятора напряжения

— обмотка возбуждения ротора генератора (через щетку щеточного узла)

— вывод «Ш» регулятора напряжения (через другую щетку)

— «масса»

Контрольная лампа заряда аккумуляторной батареи горит, сигнализируя, что обмотка возбуждения генератора запитана от АКБ и ее цепь исправна.

Работа генератора после пуска двигателя

После пуска двигателя автомобиля генератор приводится в движение ремнем от шкива на коленчатом валу двигателя, начинает вырабатывать электрический ток и подавать его на потребители (электрооборудование автомобиля). Происходит это следующим образом:

— Протекающий по обмотке возбуждения генератора электрический ток создает вокруг полюсов ротора магнитное поле.

— При вращении ротора его полюса попеременно проходят над каждым из зубцов статора генератора. При этом магнитный поток, проходящий через зубцы статора, меняется по величине и направлению. Он пересекает витки обмотки статора и создает в нем электродвижущую силу (ЭДС). Обмотка статора начинает выдавать электрический ток переменного напряжения.

— Переменный ток, вырабатываемый генератором, преобразуется в постоянный в выпрямительном блоке (диодном мосту) генератора и подается потребителям через вывод «30». Он же через дополнительные диоды (их общий вывод) питает обмотку возбуждения генератора.

— Контрольная лампа заряда АКБ гаснет, так как напряжение на выводе «30» и выводе дополнительных диодов «61» одинаково. Ток в этом случае через лампу не протекает и она не горит. Если контрольная  лампа не гаснет после пуска, то возможно генератор вообще не вырабатывет электрический ток, либо напряжение вырабатываемого тока ниже напряжения бортовой сети.

— Чем выше вращение ротора генератора, тем больше напряжение вырабатываемого генератором тока. При достижения порога 13,6 – 14,6 В (для генератора 37.3701) в работу вступает регулятор напряжения. Выходной транзистор в нем запирается, и ток через обмотку возбуждения прерывается. Когда напряжение падает ниже пороговых значений, транзистор отпирается. Такие циклы запирания-отпирания повторяются с большой частотой, поддерживая значение напряжения на выходе с регулятора в пределах 13,6 – 14,6  В.

— После выключения зажигания и остановки двигателя автомобиля генератор перестает вырабатывать электрический ток, питание потребителей происходит от аккумуляторной батареи.

Примечания и дополнения

— Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока проходящего через него.

— Транзистор – полупроводниковый элемент с тремя выводами: подача сильного тока (коллектор), подача слабого управляющего тока (база), выход тока (эмиттер). При определенной величине управляющего тока транзистор меняет свое сопротивление и может либо запирать выход тока, либо, наоборот открывать.

TWOKARBURATORS VK -Еще информация по теме в нашей группе ВКонтакте

Еще статьи по генератору автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

— Проверка диодного моста генератора без снятия его с двигателя

— Неисправности генератора автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

— Проверка генератора автомобиля без снятия его с двигателя

— «Кипит» аккумулятор, почему?

Как проверить возбуждение на генераторе: как происходит возбуждение

Как происходит возбуждение генератора

Генератор – это не просто какой-нибудь узел. По сути, он является электрической машиной, преобразующей мехэнергию в ток. Генератор обеспечивает автомашину подзарядкой, без которой та сможет продержаться в движении не больше 1-2 часов за счет аккумулятора. Узнайте, как происходит возбуждение генератора в автомобиле.

Как происходит возбуждение в гене

Электроэнергия или электрическая сила в генераторе возникает тогда, когда сквозь магнитный поток внутри перемещается проводник. Ток возникает также и в том случае, когда перемещается магнит, а проводник остается неподвижным.

Без теоретических объяснений и выводов, можно представить себе возбуждение гена так:

  • На обмотку гена подается электричество с АКБ. Электрический ток первыми принимают щетки и медные кольца.
  • Реле отсечки – специальная штука, которая не дает аккумулятору разрядиться при остановке генератора. Когда водитель включает зажигание, то напряжение поступает на реле отсечки, оно притягивает внутренние элементы генератора, тем самым, замыкаются контакты. Получается, что реле в этом случае – эффективный переходник, соединяющий обмотку гена с аккумулятором.
  • На приборной панели в салоне автомобиля предусмотрена лампочка. Она дает понять водителю, когда начинается зарядка геном АКБ. Когда включается зажигание, она горит до тех пор, пока напряжение идет с аккумулятора и гаснет, когда процесс энергополучения идет обратно.

Что такое СВ и АРВ

Система возбуждения гена – это комплекс различных устройств, включающих: возбудитель, АРВ, СГП, УБФВ, устройство развозбуждения, а также дополнительные тесто-измерители.

Система возбуждения

АРВ – это не что иное, как регулятор, функционирующий полностью на автомате. СГП – средство, которое гасит магнитное поле. УБФВ – устройство, благодаря которому осуществляется быстрая форсировка возбуждения.

Сам возбудитель является источником питания (ИП) обмотки постоянным напряжением. В данном случае ИП может быть сам ген совместно с полупроводниками и выпрямительным блоком (диодным мостом).

АРВ применяются в синхронном гене. Здесь они выполняют функцию повышения физической стабильности генерирующего устройства. Принято классифицировать АРВ на устройства с пропорциональным шагом и сильным шагом. Одни способны изменять токоэнергию по несоответствию статорного напряжения, а вторые – реагируют в более широком смысле этого слова.

Когда ток снижается, к примеру, при замыкании, предусмотрена форсировка. Она подразумевает скорое увеличение возбуждения, что влияет на остановку спадов напряжения и сохраняет устойчивость.

Корректировка и ускорение значительно повышают надежность функционирования реле.

Когда происходит отключение генератора, что тоже может вызываться внутренними замыканиями, агрегат следует развозбудить. Для этого достаточно погасить магнитполе, что даст возможность уменьшить размеры повреждения статорной обмотки.

Погасить магнитполе – это, значит, быстрое уменьшить магнитпоток возбуждения гена до величины, близкой к 0. Одновременно с этим уменьшается ЭДС агрегата.

Как погасить магнитное поле

Гашение магнитполя осуществляется с помощью АГП – особых устройств-автоматов, действующих от реле. Именно они помогают активировать сопротивление.

В генерирующих устройствах, функционирующих по принципу тиристорвозбуждения, снижение магнитполя осуществляется методом переключения основных вентилей в инверторный порядок. Тем самым, сэкономленная в обмотке энергия, передастся возбудителю или диодному мосту.

Характеризуется СВ номинальным напряжением (НТ), но оно может быть разным.

  • 100 или 600 В, если речь идет о возбуждении на выводах обмотки.
  • 100 или 8000 А, если речь идет о НТ, находящимся непосредственно в обмотке, и соответствует нормальной, стандартной работе генератора.

Следует знать, что НТ возбудителя должен составлять доли процентов от НТ генератора. Как правило, считают значения в 0,2-0,6 процентов от номинальной мощности гена.

Что касается быстродействия возбудителя, то оно зависит от скорости нарастания силы тока на обмотке индуктора (ротора).

СВ (система возбуждения) обязана рассчитываться в зависимости от работы АРВ. Другими словами, без АРВ работа допускается, но только на время, нужное для ремонта или замены. В остальных случаях использование АРВ обязательно.

Примечание. Если СВ, все же, функционирует без АРВ, то нужно обеспечить дополнительную систему защиты. Это РДУ и другие средства, способные обеспечить развозбуждение и автогашение генераторного поля.

СВ обязана обеспечивать ток в продолжительном режиме, превышая НТ генератора не менее чем на 10 процентов.

Бесконтактная система возбуждения

СВ также бывает полупроводниковой. В этом случае она должна иметь РВС (режим внутреннего сохранения).

Важно, чтобы защитные устройства, обеспечивающие стабильность во время перенапряжений, были многократного действия.

Состав системы возбужденияЧто обеспечивает система возбуждения
трансформатор выпрямительныйначальное возбуждение
трансформатор последовательный вольтодобавочныйхолостой ход
тиристорный преобразователь (ТВ 8-2000/) 050- 1У4)включение в сеть методом точной синхронизации в нормальных режимах и самосинхронизации в аварийных режимах
система охлаждения преобразователяработу ГГ в энергосистеме с нагрузками от холостого хода до номинальной и перегрузками
агрегат начального возбуждения (АН В-2)недовозбуждение в пределах устойчивой работы генератора
автоматический регулятор возбуждения (АУ1Г типа АРВ-СД)форсировку возбуждения по току и напряжению
панель гашения поля эффективное гашение поля
релейные панелиразвозбуждение при нормальных остановках агрегата

Разновидности СВ

СВ принято делить на 2 группы. Они классифицируются в зависимости от способа возбуждения. Различают СВ независимого типа (СВНТ) и зависимого (СВЗТ).

К СВНТ относят все возбудители, которые сопряжены с генераторным валом. По сути, они способны вырабатывать напряжение в независимом режиме.

За группу СВЗТ принимают возбудители, схватывающие вольтаж прямиком с концов основного генератора. Ток поступает через трансформаторы особого типа.

Тиристорная система возбуждения

Более выгодно смотрятся СВНТ, так как в них выработка тока не зависит от электроцепи.

Интересный момент. На генах со слабой мощностью в качестве возбудителя применяются отдельные, независимые генераторы, способные вырабатывать ток. Они соединяется с валом основного гена (синхронного).

Другие преимущества СВНТ:

  • Высокий процент быстродействия;
  • Высокая скорость нарастания тока;
  • Возможность замены тиристоров, вышедших из строя, без остановки генератора.

Однако СВНТ имеют и недостатки, связанные с самим устройством возбудителя. К примеру, если быстрота повышения возбуждения не слишком высока.

Кроме того:

  • Слабыми в СВНТ выглядят контакты скользящего типа, так как напряжение к ним подводится через щетки.

Сегодня наиболее востребованы СВ с полупроводниковыми диодными мостами. Они построены по 3-фазной схеме, в них задействуется минимальное количество выстроенных по порядку тиристоров.

Что касается схем диодного моста, то они бывают 1-групповыми и 2-групповыми. Один выпрямитель внедрен в первом случае, два – во втором.

Токоподавателем в СВНТ является синхронный ген, нашедший место между индуктором и верхним кронштейном основного генератора.

Устройство синхронного генератора

СВЗТ менее надежна, чем первая система, так как работа возбудителя здесь полностью зависимая. Другими словами, возбудитель в этом случае будет работать только в том случае, если получит ток от сети. А в сети, как правило, часто возникают замыкания, нарушающие стабильное функционирование СВ. Получается лишняя нагрузка на СВЗТ, которая должна обеспечивать форсировку напряжения в обмотке.

Но СВЗТ в некоторых случаях имеют плюсы перед самостийными системами. Они выражаются простотой схемы. Недостатком же выступает, как и говорилось, непостоянство работы, что более всего заметно в высокомощных машинах.

По мнению экспертов, если подразумевается длительность ремонта, то лучше зарекомендуют себя СВЗТ.

Проверка возбуждения

Основными симптомами, которые доказывают неработоспособность СВ на генераторе, являются показатели внешних характеристик. Говоря иначе, если напряжение через выводы генератора не поступает, то агрегат должен самовозбуждаться по принципу. Если такого не происходит, налицо проблема.

Хорошо заметна работа генератора на дизельных агрегатах. Они получают меньшую, чем обычно дозу топлива, как только генератор развивает небольшую мощность. Таким образом, дизельная установка остается недогруженной.

Проверка системы возбуждения

Ясно, что при уменьшении подачи топлива в цилиндры, снизится и скорость движения. По ней (скорости) можно будет определить снижение напряжения генератора, следовательно, и его возбуждение.

Если в генераторе увеличивается произведение напряжения, то не должно увеличиваться магнитное насыщение СВ, иначе прочность изоляции электромашины не выдержит. Ограниченным в некоторых значениях можно назвать также генераторный ток, который в случае увеличения приведет к перегоранию обмотки якоря.

Цепь возбуждения вспомогательного генератора

В связи с тем, что вспомогательный генератор питает цепи возбуждения возбудителя, освещения, управления и ряд других, напряжение его должно быть постоянным. Постоянное напряжение (75±1) В поддерживается регулятором напряжения, который включен в цепь обмотки параллельного возбуждения вспомогательного генератора.

Перед пуском дизеля при включении тумблера «Топливный насос» вспомогательный генератор получает независимое возбуждение от аккумуляторной батареи. Включение тумблера «Топливный насос» приводит к включению контактора КТН (см. ниже). При этом ток от аккумуляторной батареи будет протекать по обмотке возбуждения вспомогательного генератора. Предварительное возбуждение вспомогательного генератора от аккумуляторной батареи обеспечивает возможность его самовозбуждения после начала работы.

На современных тепловозах применяются бесконтактные регуляторы напряжения. В 1972-1990 гг. выпускались регуляторы БРН-ЗВ, с 1990 г. выпускаются регуляторы БРН-ЗГ. Эти регуляторы работают по принципу компенсации отклонения управляемой величины (см. рис. 25).

Основными узлами регулятора напряжения (рис. 57) являются измерительный орган ИО, который воспринимает отклонения напряжения от заданного значения, и регулирующий орган РО, который получает

Рис. 57. Структурная схема регулятора напряжения: а — БРН-ЗВ; б — БРН-ЗГ
Рис. 58. Принципиальная схема регулятора напряжения, работающего в импульсном ресигнал от измерительного органа и изменяет ток в обмотке возбуждения вспомогательного генератора ВГ. Регулятор напряжения может включать и преобразующий орган ПО, который преобразует сигнал от измерительного органа к регулирующему, а также в отдельных случаях дополнительный орган ДО, обеспечивающий работу основных органов. Регулятор БРН-ЗГ, кроме того, имеет узел ограиичейия тока якоря УОТ с целью защиты вспомогательного генератора от перегрузки.

Бесконтактные регуляторы работают в импульсном режиме (в режиме «ключа»), быстро чередуя включение тока в обмотке возбуждения при напряжении вспомогательного генератора ниже 75 В и выключение тока в этой обмотке при большем напряжении. На принципиальной схеме (рис. 58) изображен условный ключ К, включающий и выключающий ток в обмотке возбуждения. Режим ключа может характеризоваться коэффициентом скважности, представляющим отношение продолжительности включенного состояния к суммарному времени включенного и выключенного состояний. При увеличении частоты вращения якоря, уменьшении тока нагрузки ВГ уменьшается коэффициент скважности регулятора напряжения, а следовательно, снижается средний ток возбуждения ВГ (и наоборот).

Точность поддержания напряжения при регуляторах БРН-ЗВ, БРН-ЗГ составляет ± 1 В. Частота пульсации напряжения 60-80 Гц; амплитуда напряжения не превышает 0,5 В. Повышению точности регулирования и сглаживанию пульсации напряжения способствует работа вспомогательного генератора параллельно с аккумуляторной батареей.

В регуляторах БРН-ЗВ измерительный орган выполнен по мостовой схеме (рис. 59). Первое плечо моста образуют резисторы 1?/, 1?/’ и часть потенциометра второе — оставшаяся часть потенциометра 1?2

и резистор третье — резистор

114, четвертое — стабилитроны ДЗ (или резервный Д6), Д4, Д5. В диагональ моста включен эмиттер-базовый (управляющий) переход транзистора 77. В рассматриваемом мосте падение напряжения вспомогательного генератора между ползунком потенциометра 1?2 и выводом Д2 (т. е. напряжение на втором плече) сравнивается с напряжением стабилизации стабилитрона ДЗ (Д6).

Когда напряжение вспомогательного генератора превысит 75 В, напряжение на втором плече моста станет выше напряжения стабилизации ДЗ и в диагонали моста (в управляющем переходе транзистора 77) потечет ток, который откроет транзистор 77. При этом начнет протекать ток в цепи эмиттер — коллектор этого транзистора, который откроет транзисторы Т2 и ТЗ (типа п-р-п). Сопротивление перехода эмиттер — коллектор этих транзисторов упадет, в результате будет шунтироваться переход управляющий электрод — катод тиристора Т4.

В измерительный орган входят стабилитроны Д4, Д5, которые служат для повышения стабильности его работы (температурной компенсации), диод Д7, уменьшающий ток утечки транзистора ТІ, а также диоды Д1, Д2, защищающие переходы транзистора ТІ от обратных напряжений в момент коммутации.

В регулирующем органе регулятора соединенный последовательно с обмоткой возбуждения ОВ тиристор Т4 обеспечивает включение и выключение тока в этой обмотке в импульсном режиме. Открытие тиристора происходит при достижении напряжением ВГ определенного значения (несколько вольт) и подаче отпирающего импульса на управляющий электрод тиристора по цепи: зажим Ш2, резистор кб, диод Д9, стабилитрон Д17. Сигнал для запирания тиристора подается от измерительного органа путем прерывания тока в цепи управляющий электрод- катод в результате шунтирования этой цепи открывшимися (находящимися в режиме насыщения) транзисторами Т2, ТЗ. Запирается тиристор лишь при подаче на его катод импульса обратной полярности.

Для возможности подачи запирающих импульсов на силовой тиристор Т4 он включен в схему мультивибратора, в которую входят также управляющий тиристор Т5, два последовательно соединенных стабилитрона Д14 и Д15, коммутирующий конденсатор С2, резистор 1?7.

Схема работы мультивибратора

Рис. 59. Принципиальная схема регулятора напряжения БРН-ЗВ

на двух тиристорах представлена на рис. 60. Когда напряжение вспомогательного генератора достигнет определенного значения, на управляющий электрод тиристора Т4 через резистор 1?6 будет подан отпирающий импульс (стрелка 1), и тиристор откроется. Тиристор Т5 пока будет закрыт, так как в цепи его управляющего электрода стабилитроны Д14, Д15 не пропускают ток. При этом конденсатор С2 заряжается по цепи (стрелка 2): резистор 1?7, конденсатор С2 (полярность указана без скобок), тиристор 14. Когда напряжение на конденсаторе станет достаточным для пробоя стабилитронов Д14 и Д15, через них потечет ток (стрелка 3) на управляющий электрод тиристора Т5, который откроется. Разряд конденсатора через тиристор Т5 (стрелка 4) даст отрицательный импульс на тиристор Т4, что приведет к закрытию последнего.

Теперь конденсатор С2 будет перезаряжаться по цепи (стрелка 5): обмотка возбуждения ОВ, конденсатор С2, тиристор Т5 и получит обратную полярность (указана в скобках). При достижении обратным напряжением на конденсаторе определенного значения откроется тиристор Т4, через него потечет разрядный ток конденсатора (стрелка 6), который послужит отрицательным импульсом для тиристора Т5. Тиристор Т5 закроется.

Так создаются автоколебания частотой около 400 Гц, которая зависит от емкости конденсатора С2

и сопротивления резистора Ю. Эти параметры подобраны так, что большую часть цикла тиристор Т4 открыт и, следовательно, ток в обмотке возбуждения ВГ близок к максимальному. Необходимо помнить, что автоколебания происходят лишь при напряжении вспомогательного генератора менее 75 В, когда закрыты транзисторы Т2 и ТЗ. Эти автоколебания накладываются на колебательный процесс, имеющий место при регулировании напряжения вспомогательного генератора. Когда оно превысит 75 В, транзисторы Т2 и ТЗ откроются и автоколебания прекратятся. Ток возбуждения ВГ и, следовательно, его напряжение начнут уменьшаться. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение в диагонали моста измерительного органа, т е. на входе транзистора 77 не снизится настолько, что транзисторы 77, Т2, ТЗ закроются. Тиристор Т4 откроется и процесс повторится.

Диоды Д13, Д16, Д9, Д8 (см. рис. 59) защищают переходы управляющий электрод — катод тиристоров Т4 и Т5 от возникающих при перезарядке конденсатора С2 обратных напряжений. Диод Д8 защищает также переходы транзисторов Т2, ТЗ. Стабилитрон Д17 создает отрицательное смещение на управляющем электроде тиристора Т4, чем обеспечивается отсечка тока управления при открытых транзисторах Т2, ТЗ. Отсекающие диоды Д11, Д12 не допускают самопроизвольных колебаний в контуре обмотка возбуждения — конденсатор С2. Конденсатор С1 сглаживает пульсацию напряжения вспомогательного генератора, которая возникает вследствие импульсного характера процесса регулирования.

Обмотка возбуждения вспомогательного генератора шунтирована диодом Д10, который играет роль нелинейного разрядного сопротивления, снижающего перенапряжения, возникающие при выключении тока.

Применяемые в регуляторе БРН-

ЗВ дроссели Др1 и Др2 уменьшают скорость изменения тока, протекающего через тиристоры Т4, Т5, и тем самым защищают их от коммутационных перенапряжений. Цепочки 1?-С (резисторы 118, 119, конденсаторы СЗ и С4) служат для повышения помехоустойчивости регулятора. Регулятор настраивают вращением регулировочного винта потенциометра Я2: при вращении его по часовой стрелке напряжение вспомогательного генератора растет и наоборот.

Регулятор БРН-ЗГ выполнен с использованием трех аналоговых интегральных микросхем А1, А2, АЗ серии 140УД6 (рис. 61)

Питание интегральных микросхем (см. соединительные провода а, в) осуществляется через параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из последовательно включенных стабилитронов VI, У2 и ограничивающего резистора 1?/.

Измерительный орган регулятора выполнен на интегральном операционном усилителе А1, который работает в режиме компаратора

(нуль-индикатора) и служит для усиления входного сигнала.

Напряжение вспомогательного генератора (напряжение обратной связи, снимаемое с делителя напряжения 1?2, сравнивается на неинвертирующем входе операционного усилителя А1 с опорным сигналом, снимаемым с термокомпен-снроваиного стабилитрона У2. В зависимости от знака сигнала рассогласования на выходе 6 операционного усилителя А1 устанавливается положительное или отрицательное напряжение относительно искусственной средней точки. Искусственная средняя точка источника питания принята между катодом стабилитрона VI и анодом стабилитрона VI.

Регулирующий орган представляет собой ключевой транзисторный усилитель, включающий входной VT1 и выходной VT2 транзисторы. Нагрузкой выходного транзистора является обмотка возбуждения вспомогательного генератора. При включении входного транзистора выходной транзистор запирается и ток в обмотке возбуждения, замыкаясь через диод V8, снижается по экспоненциальному закону. При закрытии входного транзистора открывается выходной, включая ток в обмотке возбуждения.

Рис 61 Принципиальная схема регулятора напряжения БРН-ЗГ

Если напряжение вспомогательного генератора превышает заданную величину, напряжение обратной связи, снимаемое с движка резистора R3 относительно средней точки источника питания, превышает по модулю значение опорного напряжения, и операционный усилитель AI устанавливается в положение положительного насыщения. При этом регулирующий орган запирается, и ток в обмотке возбуждения вспомогательного генератора снижается. Напряжение вспомогательного генератора начинает падать. При снижении напряжения вспомогательного генератора ниже заданной величины операционный усилитель AI переходит в режим отрицательного насыщения, и регулирующий орган открывается, включая ток в обмотке возбуждения. Это вызывает увеличение возбуждения вспомогательного генератора, и процесс регулирования повторяется.

Для компенсации статической ошибки регулирования в схему регулятора введен интегральный канал, включающий аналоговый интегратор на операционном усилителе А2, резисторы R8, R9, RIO, конденсатор СЗ. Ошибка регулирования, равная разности опорного напряжения и напряжения обратной связи, интегрируется в интегральном канале и в качестве корректирующего сигнала подается на инвертирующий вход операционного усилителя AI. Это повышает точность регулирования напряжения вспомогательного генератора, компенсируя возмущающие воздействия как на вспомогательный генератор, так и на регулятор напряжения.

В регуляторе предусмотрен узел ограничения тока вспомогательного генератора. Этот узел включает операционный усилитель A3, который работает в режиме компаратора. На входе его сравнивается с опорным сигналом разность напряжений на зажимах вспомогательного генератора и на резисторе заряда батареи, по которому протекает большая часть тока нагрузки вспомогательного генератора (опорный сигнал определяется напряжением стабилизации стабилитрона У2). Если эта разность напряжений, приведенная к входам операционного усилителя АЗ, превышает опорное напряжение, операционный усилитель АЗ переходит в рё»-жим положительного насыщения. Это приводит к запиранию выходного транзистора УТ2 и уменьшению тока возбуждения вспомогательного генератора.

Контрольные вопросы

1. Какие электрические аппараты входят в силовую тяговую цепь и каково их назначение?

2. От какого источника получает питание обмотка независимого возбуждения тягового генератора? Когда включается ее цепь?

3. Каково назначение резистора СВГ и диода ДГЛ?

4. Какие потребители переменного тока получают питание от синхронного подвозбу-дителя?

5. От какого источника получает питание обмотка независимого возбуждения синхронного подвозбудителя? Когда включается ее цепь?

6. Проследите по схеме направление тока в рабочих обмотках амплистата в первую и вторую половины периода напряжения СПВ.

7. От какого источника получает питание задающая обмотка амплистата? Как изменяется ток в этой обмотке в зависимости от позиции контроллера?

8. Каково назначение бесконтактного та-хометрического блока?

9. Проследите по схеме направление тока в рабочих обмотках ТПН и ТПТ.

10. Каково назначение регулировочной обмотки амплистата? Проследите путь тока в ее цепи.

11. Каково назначение размагничивающей обмотки возбудителя? Проследите по схеме направление тока в ее цепи при нормальном и аварийном режимах работы.

12. Каково назначение аварийного переключателя возбуждения АР?

13. Каково назначение регулятора напряжения?

14. Объясните принцип работы бесконтактных регуляторов напряжения БРН-ЗВ и БРН-ЗГ.

⇐Предыдущая Оглавление Следующая⇒

Возбудитель генератора принцип работы — Electrik-Ufa.ru

Системы возбуждения генераторов

У турбогенераторов возбуждение является неотъемлемой частью, и от надёжности его работы в большой степени зависит надежная и устойчивая работа всего турбогенератора.

Обмотка возбуждения укладывается в пазы ротора генератора, и к ней с помощью контактных колец и щёток, исключением является бесщёточная система возбуждения, подводится постоянный ток от источника. В качестве источника энергии может применяться генератор постоянного или переменного тока, который принято называть возбудителем, а систему возбуждения электромашинной. В безмашинной системе возбуждения источником энергии является сам генератор, поэтому её называют системой самовозбуждения.

Основные 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.

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V=0,632∙(Uf потUf ном)/Uf номt1, и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения Ufпот/Ufном=Кф — так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь Кф≥2, а скорость нарастания возбуждения — не менее 2 с -1 . Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 с -1 для гидрогенераторов мощностью до 4 MBА включительно и не менее 1,5 с -1 для гидрогенераторов больших мощностей.

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние элек­тропередачи, к системам возбуждения предъявляются более высокие требования: Кф=3—4, скорость нарастания возбуждения до 10∙UfHMв секунду.

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов мощностью 800—1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт — 10 с (ГОСТ 533-85Е).

Мощность источника возбуждения составляет обычно 0,5 — 2% мощности турбогенератора, а напряжение возбуждения 115—575 В.

Чем больше мощность турбогенератора, тем выше напряжение и тем меньше относительная мощность возбудителя.

Системы возбуждения можно разделить на два типа: независимое (прямое) возбуждение и зависимое (косвенное) возбуждение (самовозбуждение).

К первому типу относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряжённые с валом турбогенератора (рис. 4.1).

Ко второму типу относятся системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы (рис. 4.2, а) и отдельно установленные электромашинные возбудители, вращаемые двигателями переменного тока, питающимися от шин собственных нужд станции (рис. 4.2, б).

Электромашинные возбудители постоянного тока (рис. 4.1, а) ранее применялись на турбогенераторах малой мощности. В настоящее время такая система возбуждения практически не применяется, так как является маломощной и при скорости вращения 3000 об/мин данную систему возбуждения трудно выполнить из-за тяжелых условий работы коллектора и щеточного аппарата (ухудшение условий коммутации).

На действующих турбогенераторах применяют:

• высокочастотную систему возбуждения;

• бесщёточную систему возбуждения;

• статическую тиристорную независимую систему возбуждения;

• статическую тиристорную систему самовозбуждения.

В перечисленных системах возбуждения возбудителем является генератор переменного тока различного исполнения, не имеющий ограничения по мощности. Для преобразования переменного тока в постоянный применяются неуправляемые и управляемые полупроводниковые выпрямители-вентили.


Принцип работы высокочастотного возбуждения (рис. 4.1, б) заключается в том, что на одном валу с генератором вращается высокочастотный генератор трёхфазного тока 500 Гц, который через полупроводниковые выпрямители В подаёт выпрямленный ток на кольца ротора турбогенератора. При такой системе возбуждения исключается влияние изменения режимов работы внешней сети на возбуждение генератора, что повышает его устойчивость при коротких замыканиях в энергосистеме.

Рис. 4.1. Принципиальные схемы независимой системы возбуждения генераторов:

а — электромашинная с генератором постоянного тока; б — высокочастотная;

СГ — синхронный генератор; ВГ — возбудитель постоянного тока;

ВЧГ — высокочастотный генератор; ПВ — подвозбудитель; В — выпрямитель

Рис. 4.2. Принципиальные схемы зависимой системы возбуждения генераторов;

ВТ — вспомогательный трансформатор; АД — асинхронный двигатель

На современных турбогенераторах высокочастотную систему возбуждения не применяют, как устаревшую. Для мощных турбогенераторов токи возбуждения составляют 5—8 кА. Это создает большие трудности подвода постоянного тока к обмотке возбуждения генератора с помощью скользящих контактов — колец и щёток. Поэтому в настоящее время для ряда генераторов применяется бесщёточная система возбуждения, в которой выпрямительное устройство располагается на роторе, а питается от обратимой машины через воздушный зазор. Поэтому электрическая связь между выпрямителем и обмоткой возбуждения выполняется жестким токопроводом без применения контактных колец и щёток.

В независимой статической системе и системе самовозбуждения применяются управляемые полупроводниковые кремниевые выпрямители — тиристоры. Это позволило увеличить быстродействие данных систем возбуждения по сравнению с системой, например, высокочастотной, где применяются неуправляемые выпрямители. Так как в данных системах возбуждения применяется группа статических управляемых выпрямителей, то для подвода постоянного тока к обмотке возбуждения генератора также применяются скользящие контакты, что является недостатком. Тиристорные системы возбуждения нашли применение для турбогенераторов мощностью 160—500 МВт. На рис. 4.2, а приведена принципиальная схема статического тиристорного самовозбуждения.

На случай повреждения системы возбуждения предусматривается установка резервных возбудителей: по одному на каждые четыре генератора.

В качестве резервного возбудителя устанавливают генераторы постоянного тока, приводимые во вращение асинхронными двигателями, подключёнными к шинам собственных нужд станции (рис. 4.2, б). Чтобы при посадке напряжения, например при КЗ, резервный возбудитель не затормозился, на его валу устанавливают маховик.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 10035 –

| 7812 – или читать все.

Система возбуждения генераторов

Магнитное поле ротора, необходимое для создания электродвижущей силы обмотки статора любого генератора, создается постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения (ОВ). Для питания ОВ предназначена система возбуждения, в значительной степени определяющая надежность работы синхронных генераторов. В связи с этим к системе возбуждения предъявляются следующие основные требования:

  • 1) надежное питание постоянным током ОВ в любых режимах, в том числе при авариях в энергосистемах;
  • 2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки генератора;
  • 3) необходимое быстродействие;
  • 4) форсировка возбуждения, т.е. обеспечение быстрого нарастания тока возбуждения, примерно до двукратного значения;
  • 5) быстрое гашение магнитного поля возбуждения при оперативных отключениях генератора от сети.

В зависимости от источника энергии, используемого для питания обмоток возбуждения, системы возбуждения разделяются на группы:

  • 1) электромашинное возбуждение с использованием генератора постоянного тока;
  • 2) электромашинное возбуждение с использованием генератора переменного тока с преобразованием этого тока в постоянный;
  • 3) самовозбуждение путем преобразования части электрической энергии переменного тока генератора в энергию постоянного тока возбуждения.

Электромашинные системы возбуждения, где источником энергии является генератор постоянного тока, т.е. возбудитель, использовались в течение длительного времени для большинства генераторов. Обычно они находились на одном валу с генератором и приводились во вращение той же турбиной, что и сам генератор. Такая система называется прямой. В случае, если возбудитель приводится во вращение отдельным двигателем, то систему принято называть косвенной. В отечественном генераторостро- ении применяют, как правило, прямую систему возбуждения, имеющую меньшую стоимость и большую надежность.

Увеличение мощностей турбо- и гидрогенераторов, а следовательно, необходимых мощностей возбудителей инициировало необходимость замены генераторов постоянного тока электромашинными системами возбуждения с применением генераторов переменного тока, не имеющих никаких ограничений по мощности. Для преобразования переменного тока в постоянный ранее использовались ртутные выпрямители, которые в дальнейшем уступили место управляемым и неуправляемым полупроводниковым преобразователям на основе диодов, тиристоров, транзисторов. Полупроводниковые преобразователи обладают большей надежностью, а в целом система с генераторами переменного тока большим быстродействием, позволяющим осуществить высокий уровень возбуждения (до четырехкратного номинального напряжения возбуждения при постоянном времени системы возбуждения менее двух сотых секунды). Широкое внедрение систем возбуждения с управляемыми преобразователями было осуществлено впервые в мире в нашей стране. В дальнейшем переход на такие системы был осуществлен и за рубежом.

Мощность генераторов для системы возбуждения составляет 0,5-2% полной мощности главного генератора. Например, для турбогенератора 320 МВт она достигает 2 МВт, для 800 МВт – 6 МВт и т.д., токи возбуждения – тысяч ампер (для мощных турбогенераторов 5-8 тыс. А). Это обстоятельство создает большие трудности при организации токоподвода к обмотке возбуждения с помощью скользящего контакта между контактными кольцами ротора и щетками. Поэтому для ряда генераторов была успешно применена бесщеточная система возбуждения, где постоянный ток подается непосредственно с вращающегося ротора возбудителя на обмотку возбуждения главного генератора.

Переменное напряжение обмотки возбуждения преобразуется в постоянное выпрямительным мостом, установленным на роторе. Силовые роторные вентили должны обладать повышенной механической прочностью и вибростойкостью.

Преимуществом систем самовозбуждения является то, что они не имеют электромашинного возбудителя – генератора. Для питания обмотки ротора главного генератора используется часть энергии статора главного генератора. В результате надежность системы повышается, стоимость ее уменьшается, сокращается длина генератора. Начальное возбуждение генератора осуществляется за счет остаточного намагничивания машины или током от постороннего источника.

В состав системы возбуждения входит автоматический регулятор возбуждения (АРВ). Он осуществляет поддержание заданного уровня напряжения и устойчивость работы генератора при колебаниях напряжения в электрической системе при изменении значения и характера нагрузок, отключении электростанции, линии электропередачи, коротких замыканиях. Основные требования, предъявляемые к АРВ, – это быстродействие, устойчивость регулирования, обеспечение форсировки возбуждения при резких снижениях напряжения в сети, что чревато потерей статической и динамической устойчивости генераторов.

Ввод в эксплуатацию дальних электропередач, объединение отдельных энергосистем в единую сеть, рост мощностей генераторов потребовали существенного повышения их динамической и статической устойчивости. Были созданы АРВ сильного действия (АРВ СД), реагирующие не только на отклонение параметров режима генератора (напряжение, ток, частота), но и на скорость их изменения.

При возникновении аварийных режимов, коротких замыканий в генераторе, шинопроводе или трансформаторе, после внезапного отключения генератора необходимо быстро уменьшить магнитное поле обмотки возбуждения генератора. Эта операция носит название гашение поля и осуществляется специальным автоматом гашения поля (АГП). К устройству АГП предъявляются два основных, иногда противоречащих друг другу, требования: время гашения поля должно быть возможно меньшим, а возникающее при гашении индуктированное перенапряжение в обмотке ротора не должно превосходить допустимых значений.

Возбуждение синхронных генераторов

Обмотки роторов синхронных генераторов получают питание от специальных источников постоянного тока, называемых возбудителями.

Мощность возбудителей составляет 0,3-1% мощности генератора, а номинальное напряжение – от 100 до 650 В. Чем мощнее генератор, тем обычно больше номинальное напряжение возбуждения.

Современные схемы возбуждения кроме возбудителя содержат большое количество вспомогательного оборудования. Совокупность возбудителя, вспомогательных и регулирующих устройств принято называть системой возбуждения.

Электрическое соединение возбудителя с обмоткой ротора генератора выполняется преимущественно при помощи контактных колец и щеток. Созданы и применяются бесщеточные системы возбуждения.

Системы возбуждения должны быть надежными и экономичными, допускать регулирование тока возбуждения в необходимых пределах, быть достаточно быстродействующими, а также обеспечивать потолочное возбуждение при возникновении аварии в сети.

Регулируя ток возбуждения, изменяют напряжение синхронного генератора и отдаваемую им в сеть реактивную мощность. Регулирование возбуждения генератора позволяет повысить устойчивость параллельной работы.

При глубоких снижениях напряжения, которые имеют место, например, при коротких замыканиях, применяется форсировка (быстрое увеличение) возбуждения генераторов, что способствует прекращению электрических качаний и сохранению устойчивости параллельной работы генераторов. Кроме того, быстродействующее регулирование и форсировка возбуждения повышают надежность работы релейной защиты и облегчают условия самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций.

Рис.1. Изменение напряжения возбуждения при форсировке

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V = 0,632(Uf,пот – Uf,ном) / Uf,номt1 (рис.1), и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения Uf,пот / Uf,ном = kф – так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь kф≥2, а скорость нарастания возбуждения не менее 2 1/с. Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 1/с для гидрогенераторов до 4 MBА включительно и не менее 1,5 1/с для гидрогенераторов больших мощностей.

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние электропередачи, к системам возбуждения предъявляется более высокое требование (kф=3-4, скорость нарастания возбуждения до 10Uf,ном в секунду).

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов 800-1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт – 10 с (ГОСТ533-85Е).

Системы возбуждения генераторов можно разделить на две группы: независимое возбуждение и самовозбуждение (зависимое возбуждение).

К первой группе относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом генератора. Вторую группу составляют системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы. К этой группе могут быть отнесены системы возбуждения с отдельно установленными электромашинными возбудителями, приводимыми во вращение электродвигателями переменного тока, которые получают питание от шин собственных нужд электростанций.

Независимое возбуждение генераторов

Независимое возбуждение генераторов получило наибольшее распространение. Основное достоинство этого способа состоит в том, что возбуждение синхронного генератора не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным.

На генераторах мощностью до 100 МВт включительно применяют, как правило, в качестве возбудителя генератор постоянного тока, соединенный с валом синхронного генератора (рис.2).

Рис.2. Принципиальная схема независимого электромашинного возбуждения генератора

Возбуждение самого возбудителя выполнено по схеме самовозбуждения (обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря самого возбудителя). Регулирование возбуждения возбудителя осуществляется вручную шунтовым реостатом RR, установленным в цепи LGE, или автоматически регулятором возбуждения АРВ.

Недостатки системы возбуждения с генератором постоянного тока определяются в основном недостатками самого возбудителя. Одним из недостатков является сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения, особенно у возбудителей гидрогенераторов, которые имеют низкую частоту вращения (V=1-2 1/с).

Другой недостаток рассматриваемой системы возбуждения характерен для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения. Он обусловлен снижением надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток и коллектора (условий коммутации).

Для турбогенераторов мощностью выше 165 МВт мощность возбуждения становится настолько значительной, что выполнить надежно работающий генератор постоянного тока на частоту вращения 3000 об/мин по условиям коммутации становится затруднительным.

Для снижения частоты вращения возбудителя с целью повышения надежности его работы иногда выполняют соединение возбудителя с валом генератора через редуктор. Такая система была применена для ряда турбогенераторов, в том числе и для генераторов ТГВ-300 и ТВМ-300. Недостатком этой системы возбуждения является наличие дополнительной механической передачи.

Для возбуждения крупных генераторов в СССР применяются системы возбуждения с полупроводниковыми выпрямителями.

В системе возбуждения с использованием полупроводниковых выпрямителей с валом турбогенератора сочленен вспомогательный генератор, напряжение которого выпрямляется и подводится к обмотке ротора турбогенератора (рис.3).

Рис.3. Принципиальная схема высокочастотного возбуждения турбогенератора

В качестве вспомогательного генератора применяется высокочастотный генератор индукторного типа. Такой генератор не имеет обмотки на вращающемся роторе, что повышает его надежность в эксплуатации. Повышенная частота (500 Гц) позволяет уменьшить габариты и повысить быстродействие системы возбуждения.

Индукторный высокочастотный генератор-возбудитель ВГТ имеет три обмотки возбуждения, расположенные вместе с трехфазной обмоткой переменного тока на неподвижном статоре. Первая из них LGE1 включается последовательно с обмоткой ротора основного генератора LG и обеспечивает основное возбуждение ВГТ. Благодаря включению LGE1 последовательно с обмоткой ротора основного генератора обеспечивается резкое увеличение возбуждения ВГТ при коротких замыканиях в энергосистеме вследствие броска тока в роторе. Обмотки IGE2 и LGЕЗ получают питание от высокочастотного подвозбудителя GEA через выпрямители. Подвозбудитель (высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами), как и вспомогательный генератор ВГТ, соединен с валом турбогенератора.

Регулирование тока в LGE2 и LGE3 осуществляется с помощью двух устройств – соответственно регуляторов электромагнитного типа АРВ (автоматический регулятор возбуждения) и УБФ (устройство бесконтактной форсировки возбуждения).

Устройство АРВ обеспечивает поддержание напряжения генератора в нормальном режиме работы изменением тока в обмотке LGE2. Устройство УБФ обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжений более чем на 5%.

Высокочастотная система возбуждения обеспечивает kф=2 и скорость нарастания напряжения возбуждения не менее 2 1/с.

Рис.4. Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения генераторов

Принципиальная схема системы независимого тиристорного возбуждения (ТН) представлена на рис.4. На одном валу с генератором G располагается синхронный вспомогательный генератор GE, который имеет на статоре трехфазную обмотку с отпайками. В схеме, показанной на рис.4, имеются две группы тиристоров: рабочая VS1 и форсировочная VS2. На стороне переменного тока они включены на разное напряжение, на стороне постоянного тока – параллельно. Возбуждение генератора в нормальном режиме обеспечивает рабочая группа тиристоров VS1, которые открываются подачей на управляющий электрод соответствующего потенциала.

Форсировочная группа при этом почти закрыта. В режиме форсировки возбуждения тиристоры FS2, питающиеся от полного напряжения вспомогательного генератора, открываются полностью и дают весь ток форсировки. Рабочая группа при этом запирается более высоким напряжением форсировочной группы.

Рассмотренная система имеет наибольшее быстродействие по сравнению с другими системами и позволяет получить kф>2. Системы независимого тиристорного возбуждения нашли широкое применение. Ранее, до освоения отечественной промышленностью производства тиристоров достаточной мощности, по аналогичным схемам выполнялись схемы ионного независимого возбуждения (ИН), где применялись ртутные вентили с сеточным управлением.

Все генераторы с рассмотренными выше возбудителями имеют специальную конструкцию для подвода тока к обмотке ротора. Она представляет собой контактные кольца на валу ротора, к которым ток подводится с помощью щеток. Такая контактная система недостаточно надежна. Этот недостаток особенно проявляется при токах возбуждения 3000 А и более (генераторы мощностью 300 МВт и больше).

Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, является система бесщеточного возбуждения, не обладающая указанными недостатками. В этой системе возбуждения, сущность которой поясняет рис.5, нет подвижных контактных соединений.

Рис.5. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения генераторов

Источником энергии для питания обмотки ротора LG является вспомогательный синхронный генератор GE. Этот генератор выполнен по типу обратимых машин, т.е. обмотка переменного тока расположена на вращающейся части, а обмотка возбуждения неподвижна. Возбуждение генератора GE осуществляется от возбудителя GEA.

Ток от вращающейся обмотки переменного тока вспомогательного генератора подводится через проводники, закрепленные на валу, к вращающемуся полупроводниковому (обычно кремниевому) выпрямителю. Выпрямленный ток подводится непосредственно к обмотке возбуждения основного генератора.

Регулирование тока возбуждения в обмотке ротора LG производится изменением тока в обмотке возбуждения вспомогательного генератора LGE.

Вращающийся полупроводниковый преобразователь VD снаружи закрывается звукопоглощающим кожухом.

Система бесщеточного возбуждения интенсивно совершенствуется и является перспективной для генераторов всех типов, особенно для турбогенераторов большой мощности (300-1200 МВт).

Системы самовозбуждения

Системы самовозбуждения менее надежны, чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока. Короткие замыкания в сети, сопровождающиеся понижением напряжения, нарушают нормальную работу системы возбуждения, которая именно в этих случаях должна обеспечить форсировку тока в обмотке ротора генератора.

Рис.6. Принципиальная схема зависимого электромашинного возбуждения

Принципиальная схема возбуждения синхронного генератора с электромашинным возбудительным агрегатом показана на рис.6. Возбудительный агрегат состоит из асинхронного двигателя М, питающегося от шин собственных нужд электростанции и генератора постоянного тока GE. Для повышения надежности работы возбудительного агрегата при форсировке возбуждения асинхронный двигатель, вращающий возбудитель GE, выбирается с необходимой перегрузочной способностью.

Такие возбудительные агрегаты получили широкое распространение на электростанциях в качестве резервных источников возбуждения.

Рис.7. Принципиальная схема полупроводникового самовозбуждения

Один из возможных вариантов схем самовозбуждения с полупроводниковыми преобразователями представлен на рис.7.

Основными элементами схемы являются: две группы полупроводниковых преобразователей – неуправляемые вентили VD и управляемые VS, трансформатор силового компаундирования ТА и выпрямительный трансформатор ТЕ.

Неуправляемые вентили VD получают питание от трансформаторов ТА, вторичный ток которых пропорционален току статора генератора, управляемые вентили VS получают питание от трансформатора ТЕ, вторичное напряжение которого пропорционально напряжению генератора.

Вентили VD, ток которых пропорционален току статора генератора, обеспечивают возбуждение машины при нагрузке и форсировку возбуждения при коротких замыканиях. Мощность вентилей VS рассчитывают таким образом, чтобы она была достаточна для возбуждения генераторов на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме. В номинальном режиме неуправляемые вентили обеспечивают 70-80% тока возбуждения генератора. При надлежащем выборе параметров система полупроводникового самовозбуждения по своим свойствам приближается к системе независимого тиристорного (ионного) возбуждения и поэтому применяется на мощных синхронных машинах. Ранее промышленность широко выпускала системы ионного самовозбуждения с ртутными вентилями.

Принцип работы и устройство современного автомобильного генератора

В стандартном исполнении в автомобиле существуют два источника питания – генератор и аккумулятор. Разница между ними заключается в том, что АКБ накапливает электроэнергию, а автомобильный генератор ее вырабатывает. То есть это устройство преобразует механическую энергию от двигателя в электрическую с целью дальнейшего питания всех потребителей и заряда аккумулятора.

Функции генератора

При запуске двигателя пусковой ток на стартер подается от аккумулятора. Но сам аккумулятор не вырабатывает энергию, а только ее накапливает и потом отдает. Если использовать для питания всех потребителей только АКБ, то она быстро разрядится. Автомобильный генератор производит электроэнергию, заряжает АКБ и питает бортовую сеть автомобиля во время работы двигателя (при достижении им определенных оборотов вращения коленчатого вала).

Автомобильный генератор

Генератор начинает вырабатывать электрический ток начиная с частоты вращения холостого хода, однако, на оптимальный режим работы он выходит при достижении двигателем 1600-1800 об/мин и более.

Виды генераторов

Выделяют два вида автомобильных генераторов:

  • постоянного тока;
  • переменного тока.

Первый вид генераторов в настоящее время уже не используется. Такие устройства устанавливались на старых моделях автомобилей (ГАЗ-51, Победа и др.). Они имеют много недостатков, такие как:

  • малая мощность и эффективность;
  • необходимость в постоянном контроле и обслуживании;
  • небольшой срок службы.

Сейчас применяются генераторы переменного тока. Главное их отличие в том, что вне зависимости от режима работы двигателя автомобильную сеть питает постоянный ток. Это достигается благодаря полупроводниковому выпрямителю.

Устройство генератора переменного тока

Работу любого генератора можно сравнить с электродвигателем, который работает в обратном режиме, то есть не потребляет, а вырабатывает ток. По типу конструкции современные генераторы делятся на два вида: компактный и традиционный. Они имеют общее устройство, но различаются в компоновке корпуса, вентилятора, выпрямительного узла и приводного шкива. Также у современных устройств имеется три фазы.

Устройство генератора

Генератор состоит из следующих основных элементов:

  • привод со шкивом, подшипниками и валом;
  • ротор с обмоткой возбуждения и контактными кольцами;
  • статор с сердечником и обмоткой;
  • корпус, состоящий из двух крышек;
  • регулятор напряжения;
  • выпрямительный блок или диодный мост;
  • щеточный узел.

Разберем каждый элемент устройства отдельно и подробно.

Корпус

В корпусе находятся все основные элементы генератора. Он состоит из двух крышек (передняя и задняя). Крышки соединяются между собой болтами. Для изготовления крышек используют легкие сплавы алюминия, которые не намагничиваются и хорошо отводят тепло. В крышках есть вентиляционные отверстия и крепежные фланцы.

В задней крышке установлен диодный мост и щеткодержатель со щетками. Также в задней крышке расположен выводной контакт, по которому ток поступает от генератора.

Привод

Вращение от коленчатого вала передается на шкив генератора и вращает ротор. Частота вращения шкива больше частоты вращения коленвала в 2-3 раза. Крутящий момент от двигателя передается посредством ременной передачи. Могут использоваться поликлиновый и клиновый ремень в зависимости от конструкции. Поликлиновый ремень считается более универсальным и современным.

Ротор

На валу ротора находится обмотка возбуждения, которая создает магнитное поле и, по сути, представляет собой обычный электромагнит. Обмотка находится между двух полюсных половин (сердечников), необходимых для регулирования и направления магнитного поля. Каждая из половин имеет по шесть треугольных выступов, называемых клювами. Также на валу ротора расположены два медных контактных кольца. Иногда они изготавливаются из стали или латуни. Через контактные кольца на обмотку возбуждения поступает питание от аккумулятора. Контакты обмотки припаяны к кольцам.

Ротор генератора

На переднем конце вала ротора находится приводной шкив, а на другом крепится крыльчатка вентилятора. Их может быть две. Они нужны для охлаждения внутренних деталей генератора. Также на обоих концах ротора установлены необслуживаемые шариковые подшипники.

Статор

Конструктивно статор имеет форму кольца. Это основная деталь, служащая для создания переменного тока от магнитного поля ротора. Состоит из обмотки и сердечника. В свою очередь, сердечник состоит из соединённых стальных пластин, в которых образуются 36 пазов. В пазы навивается три обмотки, которые образуют трехфазное соединение. Может быть две схемы соединения обмоток: «звезда» и «треугольник». По схеме «звезда» концы каждой из трех обмоток соединены в одной точке. По схеме «треугольник» концы обмоток выводятся отдельно.

Выпрямительный блок или диодный мост

Выпрямительный блок выполняет задачу по преобразованию переменного тока генератора в постоянный, который необходим для питания бортовой сети автомобиля. Другими словами, он выдает напряжение стабильной и одинаковой величины.

Диодный мост

Блок также называют диодным мостом, который состоит из двух радиаторных пластин (положительной и отрицательной) и диодов. На каждую фазу приходится по два диода. Сами диоды герметично вмонтированы в пластины. Диодный мост имеет форму подковы.

С обмотки статора ток поступает на диодный мост, затем «выпрямляется», и подается на выводной контакт на задней крышке.

Через диоды ток проходит только в одном направлении, при этом отсекаются токи обратной полярности. Диодный мост может находиться в корпусе генератора, а может быть вынесен за корпус. Но чаще всего он крепится на внутренней стороне задней крышки.

Регулятор напряжения

Регулятор поддерживает напряжение генератора в определенных пределах. В современных моделях применяются полупроводниковые электронные регуляторы напряжения. Они устанавливаются сверху блока щеткодержателей.

Регулятор напряжения и щеточный узел

Когда двигатель работает на больших оборотах, то напряжение на обмотке статора может доходить до 16В. Такое напряжение не должно поступать в бортовую сеть. Чтобы это исключить, регулятор напряжения, получая ток от АКБ, будет снижать его значение. Малый ток на обмотке ротора будет создавать такое же малое магнитное поле. Это значит, что на обмотке статора будет понижаться напряжение.

Щеточный узел

Щеточный узел в современных генераторах объединен с регулятором напряжения в один неразборный механизм. Он передает ток возбуждения на медные контактные кольца ротора. Это простая конструкция, которая состоит из щеткодержателя, двух графитовых щеток и прижимающих пружин.

Принцип работы

Теперь разберем подробнее работу генератора переменного тока в автомобиле. При включении зажигания, на щеточный узел подается ток от аккумуляторной батареи. Через щеточный узел он попадает на медные контактные кольца, а затем на обмотку возбуждения ротора. Напомним, что ротор, по сути, является электромагнитом, который создает магнитное поле. Коленчатый вал через шкив и ременную передачу начинает вращать ротор. Вокруг ротора расположен статор, который от вращения начинает вырабатывать переменный ток. Когда вращение ротора достигает определенной частоты, обмотка возбуждения питается от самого генератора.

Через диодный мост переменный ток «выпрямляется» и преобразуется в постоянный, необходимый для питания бортовой сети. Так автомобильный генератор обеспечивает питание потребителей и подзаряжает аккумулятор. Регулятор напряжения изменяет работу обмотки возбуждения при возрастании частоты вращения ротора. Таким образом поддерживается стабильная нагрузка.

В салоне автомобиля на приборной панели есть контрольная лампа генератора, которая показывает состояние устройства. Например, лампа может загореться при обрыве ремня. Тогда питание сети будет идти только через аккумулятор. Продолжительность работы в этом случае будет зависеть от уровня заряда АКБ.

Параметры генератора

Работу генератора оценивают по нескольким параметрам:

  • номинальный ток и номинальное напряжение;
  • номинальная частота возбуждения;
  • частота самовозбуждения;
  • коэффициент полезного действия (КПД).

Номинальное напряжение для бортовой сети автомобиля от генератора 12В или 24В. Токоскоростная характеристика показывает зависимость силу тока от частоты вращения генератора.

Характеристика генератора

Напряжение генератора можно измерить мультиметром. При всех выключенных потребителях без нагрузки на холостом ходу мультиметр должен показывать напряжение в пределах 14,3В — 15,5В. Если напряжение после запуска двигателя свыше 14В, то это может говорить о разряде АКБ и зарядке его генератором. При поочередном включении потребителей (фары, подогрев, кондиционер и т.д.) напряжение уменьшается примерно на 0,2 после каждого включения. Но в итоге напряжение не должно снижаться ниже 12,8В. Если значение меньше, то аккумулятор начнет разряжаться. Если напряжение, наоборот, сильно высокое (14В и выше), то это может привести к выходу АКБ из строя. При этом на выходе самого аккумулятора напряжение должно быть в пределах 12,6В — 12,7В.

Напряжение генератора под нагрузкой может отличаться от номинальных значений 12В. После включения всех потребителей тока значение должно быть в пределах 13,5В — 14В. Если ниже, то это может указывать на неисправность устройства. Допустимым пределом считается 13В.

На картинке ниже показана подробная схема подключения генератора в автомобиле.

Схема подключения генератора

Мощность автогенератора

Если включить все энергоемкие приборы в автомобиле, то генератор может не справляться с нагрузкой и часть энергии будет отдавать аккумулятор.

Чтобы рассчитать мощность генератора достаточно воспользоваться простой формулой из школьного курса P = I * U, где Р — мощность, I — сила тока, U — напряжение.

Мы узнали, что напряжение на выходе генератора должно быть в районе 13,5В — 14,2В. Сила тока у разных моделей может отличаться. В среднем это от 80А до 140А. Возьмем среднее значение в 100А.

По формуле получаем 13,5В*100А = 1 350 Вт или 1,35 КВт. Это и есть мощность генератора, которая измеряется в Ваттах. Нужно также учитывать, что это максимальное значение, которое достигается при определенных оборотах двигателя, как правило, от 3000 об/мин и выше. На холостом ходе выдаваемая мощность равняется 75% от максимально возможной. Считается, что для автомобиля хватает 80А. Если применить более мощный автогенератор, то бортовая сеть может не справиться с нагрузкой. Нужно это учитывать. Большая мощность не всегда идет на пользу.

Основные неисправности

Устройство довольно надежное и должно работать продолжительное время, но некоторые компоненты могут выходить из строя по разным причинам. Неисправности могут иметь механический или электрический характер.

Механические неисправности

Главной возможной поломкой может быть обрыв приводного ремня. В этом случае вращение от коленвала на ротор не будет передаваться. Всю нагрузку на себя берет аккумулятор, который начнет разряжаться. Это покажет контрольная лампа в салоне автомобиля. Чтобы избежать обрыва ремня, нужно периодически проверять его состояние и натяжение.

Также может случиться простой износ графитовых щеток. В этом случае надо менять весь щеточный узел.

Электрические неисправности

Неполадки с электрикой в генераторе случаются нередко, и заметить их трудно. Может возникнуть замыкание в обмотках возбуждения ротора или статора, обрыв обмотки. Может выйти из строя регулятор напряжения, что чревато большими проблемами для всей электроники и АКБ. Также случается так называемый пробой диодного моста по различным причинам. Нельзя отключать генератор или АКБ во время работы двигателя. Также нужно следить за надежностью соединений, чистить клеммы и т.д.

Каждому водителю нужно знать устройство и принцип работы автомобильного генератора. Это поможет избежать многих проблем, которые могут возникнуть с устройством. Нужно регулярно следить за компонентами генератора. Проверять натяжение и состояние приводного ремня, крепление устройства, напряжение и другое. При правильной эксплуатации устройство прослужит исправно долгие годы.

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:

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:

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 EA , EB и EC , 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 IA, IB, IC , 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 = Bmax 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 δmax (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!

Система возбуждения генератора и регулятор возбуждения

В полупроводниковой системе возбуждения блок питания возбуждения представляет собой полупроводниковое выпрямительное устройство и его источник переменного тока, а регулятор возбуждения состоит из полупроводникового компонента, твердотельного компонента и электронной схемы. Ранние регуляторы только отражают отклонение напряжения генератора и выполняют коррекцию напряжения, которую часто называют регулятором напряжения. Регулятор тока может всесторонне отражать различные управляющие сигналы, включая сигнал отклонения напряжения, и выполнять регулировку возбуждения, поэтому он называется регулятором возбуждения.Очевидно, что регулятор возбуждения выполняет функцию регулятора напряжения. Краткое введение в полупроводниковый регулятор возбуждения приводится ниже.

1. Система управления возбуждением

Система возбуждения является важной частью синхронного генератора переменного тока , который регулирует напряжение и реактивную мощность синхронного генератора. Кроме того, система управления скоростью регулирует скорость (частоту) и активную мощность первичного двигателя и генератора. Оба являются основными системами управления генераторной установкой.Система управления возбуждением представляет собой систему управления с обратной связью, состоящую из синхронного генератора и его системы возбуждения.

Основная роль системы возбуждения

1) Отрегулируйте ток возбуждения в соответствии с изменением нагрузки генератора, чтобы поддерживать напряжение на клеммах на заданном уровне;

2) Контроль параллельной работы распределения реактивной мощности между генераторами;

3) Повышение статической устойчивости параллельной работы генератора;

4) Повышение переходной стабильности параллельной работы генератора;

5) При возникновении неисправности внутри генератора выполняется снятие возбуждения для уменьшения степени потери при повреждении.

6) Максимальный предел возбуждения и минимальный предел возбуждения применяются к генератору в соответствии с эксплуатационными требованиями.

Система возбуждения генератора — это общий термин для источника питания и вспомогательного оборудования, обеспечивающего ток возбуждения синхронного генератора. Обычно он состоит из блока питания возбуждения и регулятора возбуждения.

Обычно система возбуждения генератора включает возбудитель постоянного тока, бесщеточный возбудитель, возбудитель переменного тока и т. Д.

Регулятор возбуждения является основной частью системы управления возбуждением. Обычно он определяет изменение напряжения генератора и затем оказывает управляющее воздействие на блок питания возбуждения.Блок питания возбуждения не изменяет напряжение возбуждения на своем выходе до тех пор, пока регулятор возбуждения не изменит заданную команду управления.

2. Требования к регулятору возбуждения

1) Высокая надежность и стабильная работа. Соответствующие меры должны быть приняты при проектировании схем, выборе компонентов и процессе сборки.

2) Хорошие устойчивые и динамические характеристики.

3) Постоянная времени регулятора возбуждения должна быть как можно меньше.

4) Структура проста, обслуживание и ремонт удобны, постепенно достигается систематизация, стандартизация и обобщение.

3. Состав регулятора возбуждения

Генераторный полупроводниковый регулятор возбуждения в основном состоит из трех основных блоков: сравнения измерений, комплексного усиления и триггера по фазовому сдвигу. Каждый блок состоит из нескольких ссылок.

1) Блок сравнения измерений состоит из измерения напряжения, настройки сравнения и регулировки.Секция измерения напряжения включает измерительную схему выпрямления и фильтрации, а некоторые имеют фильтры напряжения прямой последовательности. Блок сравнения измерений выполнен с возможностью измерения преобразованного постоянного напряжения, пропорционального напряжению на клеммах генератора, и сравнения его с опорным напряжением, соответствующим номинальному напряжению генератора, для получения отклонения напряжения на клеммах генератора от заданного значения. Сигнал отклонения напряжения вводится в блок интегрального усилителя, а фильтр напряжения прямой последовательности может повысить точность регулятора, когда генератор работает асимметрично, и может улучшить способность возбуждения при возникновении асимметричного короткого замыкания.Функция регулировочного звена заключается в изменении регулировочного коэффициента регулятора для обеспечения стабильного и разумного распределения реактивной мощности между генераторами при параллельной работе.

2) Комплексный блок усиления синтезирует и усиливает измерительный сигнал, чтобы получить хорошие статические и динамические характеристики системы регулировки и удовлетворить эксплуатационные требования, в дополнение к сигналу отклонения напряжения от базового устройства, иногда это необходимо для синтеза других сигналов, таких как стабильные сигналы, предельные сигналы и сигналы компенсации от вспомогательного устройства, в соответствии с требованиями.Интегрированный усиленный управляющий сигнал вводится в блок запуска с фазовым сдвигом.

3) Блок триггера с фазовым сдвигом включает синхронизацию, фазовый сдвиг, формирование импульсов и усиление импульсов. В соответствии с изменением входного управляющего сигнала блок триггера со сдвигом фазы изменяет фазу выходного импульса триггера на тиристор, то есть изменяет угол управления (или угол сдвига фаз), чтобы управлять выходным напряжением Схема тиристорного выпрямителя для регулировки тока возбуждения генератора.Чтобы вызвать импульс для надежного срабатывания тиристора, часто необходимо использовать звено усиления импульса для усиления мощности.

Сигнал синхронизации берется из основного контура тиристорного выпрямителя, обеспечивая подачу импульса запуска, когда анодное напряжение тиристора находится в положительном полупериоде, так что импульс запуска синхронизируется с основным контуром.

Обычно в системе возбуждения есть ручная часть. При выходе из строя автоматической части регулятора возбуждения его можно переключить в ручной режим.

Вышеуказанный контент предоставлен Jiangsu Starlight Power, профессиональным OEM-производителем электроэнергии. Starlight Power — это компания, которая более 40 лет занимается проектированием, поставкой, вводом в эксплуатацию и техническим обслуживанием дизельных генераторов из одного окна. Мы предоставляем пользователям запасные части, технические консультации, руководство по установке, бесплатный ввод в эксплуатацию, бесплатное обслуживание и услуги по обучению персонала в течение длительного времени. Если вы заинтересованы в нашем дизельном генераторе, отправьте электронное письмо по адресу sales @ dieselgeneratortech.com, чтобы узнать цену сейчас!

Типы генераторов постоянного тока с раздельным возбуждением и самовозбуждением

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. Магнитный поток в машине постоянного тока создается катушками возбуждения, по которым проходит ток. Циркулирующий ток в обмотках возбуждения создает магнитный поток, и это явление известно как Возбуждение .

Генераторы постоянного тока

классифицируются по способам возбуждения их поля.

По возбуждению генераторы постоянного тока классифицируются как генераторы постоянного тока с отдельным возбуждением и генераторы постоянного тока с самовозбуждением.Также существует генераторов постоянного тока с постоянными магнитами .

Генераторы постоянного тока с самовозбуждением далее классифицируются как Генераторы постоянного тока с шунтовой обмоткой ; генераторов постоянного тока серии и комбинированных генераторов постоянного тока .

Генераторы постоянного тока с комбинированной обмоткой подразделяются на генераторы постоянного тока с длинной шунтовой обмоткой и генераторы постоянного тока с короткой обмоткой.

Полюс возбуждения генератора постоянного тока неподвижен, а провод якоря вращается.Напряжение, генерируемое в проводе якоря, имеет переменный характер, и это напряжение преобразуется в постоянное напряжение на щетках с помощью коммутатора.

В комплекте:

Подробное описание различных типов генераторов поясняется ниже.

Генератор постоянного тока с постоянным магнитом

В этом типе генератора постоянного тока нет обмотки возбуждения, размещенной вокруг полюсов. Поле, создаваемое полюсами этих машин, остается постоянным.Хотя эти машины очень компактны, но используются только в небольших размерах, как динамо-машины в мотоциклах и т. Д.

Основным недостатком этих машин является то, что магнитный поток, создаваемый магнитами, со временем ухудшается, что изменяет характеристики машины.

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением

Генератор постоянного тока, обмотка или катушка которого возбуждается от отдельного или внешнего источника постоянного тока, называется генератором постоянного тока с отдельным возбуждением. Поток, создаваемый полюсами, зависит от тока поля с ненасыщенной областью магнитного материала полюсов.т.е. поток прямо пропорционален току возбуждения. Но в насыщенной области поток остается постоянным.

Рисунок самовозбуждающегося генератора постоянного тока показан ниже:

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением

Здесь,

I a = I L , где I a — ток якоря, а I L — линейный ток.

Напряжение на клеммах определяется как:

Если известно падение контактной щетки, то уравнение (1) записывается как:

Развиваемая мощность определяется уравнением, показанным ниже:

Выходная мощность определяется уравнением (4), приведенным выше.

Генератор постоянного тока с самовозбуждением

Самовозбуждающийся Генератор постоянного тока — это устройство, в котором ток на обмотку возбуждения подается самим генератором. В самовозбуждающемся генераторе постоянного тока катушки возбуждения могут быть подключены параллельно якорю последовательно, или он может быть включен частично последовательно и частично параллельно обмоткам якоря.

Генератор постоянного тока с самовозбуждением дополнительно классифицируется как

Генератор шунтирующих обмоток

В генераторе с шунтирующей обмоткой, обмотка возбуждения подключена поперек обмотки якоря, образуя параллельную или шунтирующую цепь.Следовательно, на него подается полное напряжение на клеммах. Через него протекает очень небольшой ток возбуждения I sh , потому что эта обмотка имеет много витков тонкой проволоки с очень высоким сопротивлением R sh порядка 100 Ом.

Схема подключения шунтирующего генератора представлена ​​ниже:

Генератор постоянного тока с шунтирующей обмоткой

Ток возбуждения шунта определяется как:

Где R sh — сопротивление шунтирующей обмотки возбуждения.

Поле тока I sh практически постоянно при всех нагрузках. Следовательно, шунтирующая машина постоянного тока считается машиной с постоянным магнитным потоком.

Ток якоря определяется как:

Напряжение на клеммах определяется уравнением, показанным ниже:

Если учитывается падение на щеточном контакте, уравнение напряжения на клеммах становится


Генератор обмоток серии

Генератор с последовательной обмоткой Катушки возбуждения соединены последовательно с обмоткой якоря.По последовательной обмотке возбуждения проходит ток якоря.

Обмотка последовательного возбуждения состоит из нескольких витков толстой проволоки с большим поперечным сечением и низким сопротивлением, обычно порядка менее 1 Ом, поскольку ток якоря имеет очень большое значение.

Его конвекционная диаграмма показана ниже:

Генератор постоянного тока серии

Ток возбуждения серии

определяется как:

R se известен как сопротивление последовательной обмотки возбуждения.

Напряжение на клеммах определяется как:

Если учитывается падение контакта щетки, уравнение напряжения на клеммах записывается как:

Поток, создаваемый последовательной обмоткой возбуждения, прямо пропорционален току, протекающему через нее. Но это верно только до магнитного насыщения после того, как поток насыщения становится постоянным, даже если ток, протекающий через него, увеличивается.

Генератор комбинированной раны

В генераторе с составной обмоткой есть две обмотки возбуждения.Один включен последовательно, а другой — параллельно обмоткам якоря. Есть два типа генераторов с составной обмоткой.

      • Генератор с длинной шунтовой обмоткой
      • Короткий шунтирующий генератор с комбинированной обмоткой

Подробное описание генератора составной обмотки см. В разделе «Генератор составной обмотки».

См. Также: Генератор комплексных ран

Система возбуждения синхронной машины?

Слово Возбуждение означает создание магнитного потока за счет прохождения тока в обмотке возбуждения.Устройство или система, используемая для возбуждения синхронной машины, известна как Система возбуждения . Для возбуждения обмотки возбуждения ротора синхронной машины требуется постоянный ток. Постоянный ток подается в поле ротора небольшой машины от генератора постоянного тока, который называется Exciter . Небольшой генератор постоянного тока под названием Pilot Generator подает ток на возбудитель.

Возбудитель и пилотный возбудитель установлены на главном валу синхронного генератора или двигателя.Постоянный ток с выхода основного возбудителя подается на обмотку возбуждения синхронной машины через щетки и контактные кольца. Пилотный возбудитель исключен в машинах меньшего размера.

Для машин среднего размера используются возбудители переменного тока вместо возбудителя постоянного тока. Возбудители переменного тока — это трехфазные генераторы переменного тока. Выходной сигнал возбудителя переменного тока выпрямляется и подается через щетки и контактные кольца на обмотку ротора синхронной машины.

Для больших синхронных генераторов мощностью в несколько сотен мегаватт требования к системе возбуждения становятся очень большими.Проблема передачи такого большого количества энергии через высокоскоростные скользящие контакты становится огромной.

В настоящее время в больших синхронных машинах используется бесщеточная система возбуждения . Бесщеточный возбудитель — это небольшой генератор переменного тока с прямой связью, цепь возбуждения которого находится на статоре, а цепь якоря — на роторе. Трехфазный выход генератора возбудителя переменного тока выпрямляется твердотельными выпрямителями. Выпрямленный выход подключается непосредственно к обмотке возбуждения, что исключает необходимость использования щеток и контактных колец.

A Бесщеточная система возбуждения требует меньшего обслуживания из-за отсутствия щеток и контактных колец. Также уменьшаются потери мощности. Постоянный ток, необходимый для поля самого возбудителя, иногда обеспечивается небольшим пилотным возбудителем. Пилотный возбудитель — это небольшой генератор переменного тока с постоянным магнитом, установленным на валу ротора, и трехфазной обмоткой на статоре. Он обеспечивает ток возбуждения возбудителя. Возбудитель обеспечивает ток возбуждения основной машины. Таким образом, использование пилотного возбудителя делает возбуждение основного генератора полностью независимым от внешних источников питания.

Системы защиты генератора | Статья о внутренних неисправностях, автоматических выключателях и отказах возбуждения


Защита генератора

При проектировании систем управления генератором компоненты защиты генератора часто включаются в один и тот же шкаф для малых и средних предприятий. Устройства защиты генератора и проводка отделены от устройств цепи управления и проводки. Однако они могут взаимодействовать с системой управления для отключения генератора и сигнализации / мониторинга.

Защиты генератора можно разделить на следующие категории:

  • Внутренние неисправности — замыкания фазы и / или замыкания на землю в статоре и / или обмотке возбуждения (роторе).
  • Ненормальные рабочие условия — такие проблемы, как потеря поля, перегрузка, перенапряжение, пониженная / повышенная частота, потеря синхронизации и т. Д.
Генератор защищен от внутренних повреждений ротора и статора методами заземления. Для заземления генератора используются различные методы.Способы заземления пропорциональны размеру и сложности объекта (более крупные и сложные конструкции требуют более сложной цепи заземления). Если генератор не имеет надлежащего заземления, ротор и / или статор могут быть повреждены без возможности ремонта во время замыкания на землю.

Защита вашего генератора от ненормальных условий эксплуатации определяется системой. Система аварийного питания, которая подает питание только на освещение и аварийные цепи, не нуждается в защите синхронизации.В этой статье содержится информация о возбуждении поля, частоте, обратной мощности, пробоях полюса выключателя и потере ошибок синхронизации.

Отказ автоматического выключателя

Автоматические выключатели защищают ротор и статор генератора от отказа, вызванного компонентом (ами) на стороне нагрузки цепи. Сетевой выключатель или выключатель питания подает напряжение на выключатели системы. Системы, которым требуется бесперебойное питание, могут иметь резервные или резервные возможности для быстрого обхода вышедшего из строя автоматического выключателя.Эта функция может быть автоматической, ручной или их комбинацией, в зависимости от сбоя.

Выключатели выходят из строя двумя способами:

  • Failed Open — Автоматический выключатель не остается в замкнутом состоянии после ремонта цепи. Сработавший прерыватель приводит к разрыву цепи.
  • Failed Closed — Контакты свариваются. Выключатель проводит ток в открытом, закрытом и отключенном положениях. Это может вызвать непреднамеренное включение питания в цепь.
Вспышка прерывателя, также называемая вспышкой дуги, представляет собой свет и тепло, выделяемые как часть дугового замыкания. Считается разновидностью электрического взрыва. Разряд взрыва является результатом низкоомного соединения через воздух и землю или другую фазу напряжения. Дуговой разряд — это сверхзвуковая ударная волна, возникающая, когда неконтролируемая дуга испаряет металлические контакты. Перегорание может произойти во время синхронизации клемм выключателя, когда выключатель разомкнут, из-за внутреннего или внешнего загрязнения, низкого диэлектрического давления и влажности.Схемы защиты разработаны с учетом потребностей объекта.

Отказ возбуждения

Генератор состоит из ротора, вращающегося в магнитном поле. Генераторам, в которых используются катушки возбуждения, необходим ток для создания магнитного поля. Процесс создания магнитного поля с помощью электрического тока называется возбуждением.

Потеря поля может произойти из-за:

  • Выключатель полевого отключения
  • Обрыв или короткое замыкание в цепи возбуждения.Может вызвать перебивание контактных колец.
  • Обрыв питания цепи возбуждения.
Если генераторы работают параллельно, генератор с потерей поля при превышении скорости работает как индукционный генератор, получающий возбуждение от системы. Перегрев компонентов генератора — распространенные проблемы. Цепи защиты от потери поля предназначены для предотвращения небезопасной и вредной работы генератора при потере поля.

Когда генератор получает больше напряжения возбуждения, чем требуется, эффект уравновешивается потоком, движущимся в противоположном направлении, добавляемым источником переменного тока, и работает с опережающим коэффициентом мощности как емкостная нагрузка.Если поле возбуждения неправильное, генератор будет действовать как индуктивная или емкостная нагрузка для системы. Усовершенствованные системы энергоснабжения включают в себя генераторы, которые вырабатывают отказы возбуждения в автономном режиме для устранения неисправностей.

Частота и мощность

Количество магнитных опросов и обороты двигателя генератора включены в расчет для определения частоты генератора. Уравнение: об / мин x полюса / 120. Генератор с 4 полюсами, работающий при 1800 об / мин, будет генерировать частоту 60 Гц.

Если частота вращения двигателя превышает регулируемую уставку или понижается из-за механических проблем или проблем со стороны генератора, частота будет пропорционально следовать за двигателем. Увеличение скорости приведет к более высокой частоте, а уменьшение приведет к ее снижению. Усовершенствованные системы могут защитить неисправный генератор и подключиться к резервному генератору.

Генераторы, демонстрирующие аномальные частоты, должны быть отремонтированы до принятия нагрузки.

Когда генераторы работают параллельно и один генератор выходит из строя, он удовлетворяет критериям состояния обратной мощности.Неисправный генератор может действовать как двигатель и потреблять ток от других генераторов, работающих в сети. Электроэнергия теряется из-за отсутствия питания от вышедшего из строя генератора. Кроме того, вышедший из строя генератор использует энергию сети для работы в качестве двигателя. Более совершенные системы имеют системы автоматического переключения и параллельного включения, в которых используются реле обратной мощности.

Синхронизация — это когда более одного генератора используется для подачи энергии в сеть в параллельной работе. Когда генераторы работают параллельно, скорость и частота генераторов согласовываются пропорционально возрастающей способности сети.Серьезная неисправность может вызвать потерю синхронизма. Это может вывести из строя более одного генератора и вызвать частичную или полную потерю мощности. Были разработаны схемы для вывода генератора из строя с нулевым показанием напряжения до того, как произойдет потеря синхронизации.


>> Вернуться к статьям и информации <<

Защита генератора — Руководство по электрическому монтажу

На рисунке N2 ниже показаны параметры электрических параметров генераторной установки.Pn, Un и In — соответственно мощность теплового двигателя, номинальное напряжение и номинальный ток генератора.

Рис. N2 — Блок-схема генераторной установки

Защита от перегрузки

Кривая защиты генератора должна быть проанализирована (см. Рис. N3).

Стандарты и требования приложений могут также устанавливать особые условия перегрузки. Например:

В / В т
1.1 > 1 ч
1,5 30 с

Возможности настройки устройств защиты от перегрузки (или длительной задержки) будут точно соответствовать этим требованиям.

Примечание по перегрузкам

  • По экономическим причинам тепловой двигатель запасного комплекта может быть рассчитан строго на его номинальную мощность. В случае перегрузки по активной мощности дизельный двигатель заглохнет. Это необходимо учитывать при балансе активной мощности приоритетных нагрузок.
  • Производственный комплект должен выдерживать рабочие перегрузки:
    • Перегрузка на один час
    • Один час 10% перегрузка каждые 12 часов (основная мощность)

Рис.N3 — Пример кривой перегрузки t = f (I / In)

Защита от короткого замыкания

Создание тока короткого замыкания

Ток короткого замыкания складывается из:

  • апериодического тока
  • Из затухающего синусоидального тока

Уравнение тока короткого замыкания показывает, что оно состоит из трех последовательных фаз (см. {»} d} {100 \, S}} \;}

где

S = 3UnIn {\ displaystyle S = {\ sqrt {3}} \, Un \, In}

Переходная фаза

Переходная фаза устанавливается через 100–500 мс после времени повреждения.Начиная со значения тока короткого замыкания в субпереходном периоде, ток падает до 1,5–2-кратного значения тока In.

Импедансом короткого замыкания, который следует учитывать в этот период, является переходное реактивное сопротивление x’d, выраженное производителем в%. Типичное значение составляет от 20 до 30%.

Стационарная фаза

Устойчивое состояние наступает через 500 мсек. Когда неисправность сохраняется, выходное напряжение падает, и регулировка возбудителя пытается поднять это выходное напряжение.Результат — стабилизированный устойчивый ток короткого замыкания:

  • Если возбуждение генератора не увеличивается во время короткого замыкания (нет перевозбуждения поля), но поддерживается на уровне, предшествующем повреждению, ток стабилизируется на значении, которое задается синхронным реактивным сопротивлением Xd генератора. Типичное значение xd больше 200%. Следовательно, конечный ток будет меньше тока полной нагрузки генератора, обычно около 0,5 In.
  • Если генератор оборудован максимальным возбуждением поля (подавление поля) или составным возбуждением, «импульсное» напряжение возбуждения приведет к увеличению тока короткого замыкания в течение 10 секунд, обычно в 2–3 раза больше тока полной нагрузки генератора.

Расчет тока короткого замыкания

Производители обычно указывают значения импеданса и постоянные времени, необходимые для анализа работы в переходных или установившихся режимах (см. Рис. N5).

Рис. N5 — Пример таблицы импеданса (в%)

(кВА) 75 200 400 800 1,600 2,500
x ”d 10,5 10,4 12,9 10,5 18,8 19,1
x’d 21 15,6 19,4 18 33. {‘} d}} \ cdot 100} (x’d в%)

Un — межфазное выходное напряжение генератора.

Примечание : Это значение можно сравнить с током короткого замыкания на выводах трансформатора. Таким образом, при той же мощности токи в случае короткого замыкания вблизи генератора будут в 5–6 раз слабее, чем токи, которые могут возникнуть в трансформаторе (основном источнике).

Это различие еще больше усиливается тем фактом, что мощность генераторной установки обычно меньше, чем у трансформатора (см. Рис. N6).

Рис. N6 — Пример распределительного щита приоритетных служб, питаемого (в аварийной ситуации) от резервной генераторной установки

Когда сеть НН питается от основного источника 1 мощностью 2 000 кВА, ток короткого замыкания составляет 42 кА на шине главной платы НН.Европейский технический отчет CLC / TR 50480 «Определение площади поперечного сечения проводов и выбор защитных устройств» предлагает этот тип расчета размеров и защиты кабеля в соответствии с IEC 60364-4-43.
Обратите внимание, что правильный метод должен быть выбран в соответствии с целью расчета: первая пиковая оценка электродинамической стойкости или включающей способности, среднеквадратичное значение первого периода для отключающей способности устройства защиты от сверхтоков, установившийся ток для расчета минимального замыкания на землю … Система самовозбуждения

для синхронного генератора

1 doi: / ecce / 4 Система самовозбуждения для синхронного генератора Геннадий Залескис (научный сотрудник, Рижский технический университет (РТУ)), Иварс Ранкис (профессор, РТУ), Марцис Приедитис (ассистент, РТУ) Аннотация Самовозбуждение синхронного генератора описан в статье.В основе системы лежит разряд конденсатора входного фильтра понижающего преобразователя через обмотку возбуждения генератора. Понижающий преобразователь подключен к выходам статора через неуправляемый диодный выпрямитель, но в качестве нагрузки используется обмотка возбуждения. Конденсатор входного фильтра преобразователя обеспечивает начальный импульс тока, который намагничивает систему возбуждения и вызывает повышение напряжения генератора, по этой причине конденсатор заряжается до начала процесса самовозбуждения. Получены и представлены результаты компьютерного моделирования и физического эксперимента.Эти результаты показывают, что предлагаемый преобразователь с самовозбуждением в сочетании с входным конденсатором, предварительно заряженным от маломощного электронного генератора, фактически намагничивает систему возбуждения генератора, поэтому напряжение генератора и, соответственно, ток возбуждения возрастают. Стабилизация выходного напряжения генератора происходит при скачке напряжения, но его пиковое значение немного превышает эталонное. Дальнейшее исследование предложенной системы самовозбуждения может включать определение математических уравнений, описывающих переходные процессы в режиме самовозбуждения генератора, и разработку методов управления с целью управления процессом самовозбуждения без пиков напряжения.Компьютерная модель также должна быть улучшена. Ключевые слова Производство энергии ветра, машины переменного тока, генераторы, преобразователи, силовые транзисторы. I. ВВЕДЕНИЕ Возможность использования централизованного электроснабжения в некоторых регионах может быть ограничена техническими или экономическими аспектами, поэтому автономные системы электроснабжения являются актуальным вопросом исследования. В условиях возможных стихийных бедствий централизованное электроснабжение может быть нарушено. В этом случае на некотором изолированном участке генерация электроэнергии может осуществляться только посредством локальной автономной системы.Многие технологические процессы требуют бесперебойного электроснабжения, и автономная система позволит удовлетворить эти требования в случае отключения сети. Таким образом, автономная система электроснабжения должна иметь возможность работать как с подключением к централизованной электросети, так и в автономном режиме работы. С политической точки зрения любая энергетически зависимая страна возбуждает возможность страны-поставщика влиять на экономические и политические процессы в зависимой стране.Системы автономного электроснабжения могут внести значительный вклад в повышение независимости государственной власти. Ветроустановки занимают одно из центральных мест среди систем автономного электроснабжения. Их развитие может дать новые возможности в использовании возобновляемых источников энергии с целью снижения выбросов продуктов сжигания ископаемого топлива в атмосферу, увеличив долю альтернативных источников в государственной энергетике. В последнее время уделяется внимание электрическим машинам, которые широко применяются в ветроэнергетических установках с двойным питанием индукционных генераторов и синхронных генераторах с постоянными магнитами.Исследован проект автономной системы энергоснабжения на основе ветра и водорода в рамках возможности использования индукционного генератора с двойным питанием [1-3] в ветроэнергетической установке автономной системы электроснабжения. Этот тип генераторов популярен для больших ветряных турбин, так как силовой электронный преобразователь потребляет только 30% выходной мощности генератора, но они имеют некоторые недостатки, касающиеся конструктивных особенностей [4], а также низкий остаточный намагниченность генератора, которого недостаточно. для создания напряжения от холодного пуска, поэтому использование данного типа генераторов в системе автономного электроснабжения без подключения к электросети неэффективно [5].Предлагалось использовать комбинированную систему возбуждения, включающую электромагнитное возбуждение и тонкий слой постоянных магнитов, встроенных в пазы обмотки возбуждения. Это решение может увеличить остаточную электродвижущую силу, но необходимо произвести механическую модернизацию машины, что является дорогостоящим мероприятием. Синхронный генератор с постоянными магнитами обеспечивает высокий КПД и высокий установленный коэффициент мощности, он может быть немного дешевле [4], но его выходное напряжение нестабильно и зависит от скорости вращения.Возможен холодный пуск, но есть недостатки, связанные с системой возбуждения [6, 7]. Постоянные магниты дороги, возбуждение фиксированное и неконтролируемое. Рабочие температуры внутри генератора должны быть ограничены, чтобы сохранить магнитные свойства, поскольку возможно размагничивание материала постоянного магнита. Для указанного проекта было принято решение использовать индукционный генератор с двойным питанием в синхронном генераторе с независимым режимом возбуждения. В отличие от генератора с постоянными магнитами, можно управлять машиной с независимым возбуждением.Это особенно полезно при непостоянной, а иногда и слишком большой силе ветра. Если частота вращения генератора слишком высока для нормальной работы, уменьшение значения тока возбуждения предотвращает превышение допустимого уровня выходного напряжения. Использование аккумуляторной батареи для возбуждения генератора, применяемого в указанном проекте, нерационально, так как величина тока возбуждения может достигать 20 А. По этой причине была разработана конденсаторная система самовозбуждения синхронного генератора [8, 9]. Системы самовозбуждения синхронных генераторов, описанные в [10-13], имеют ряд недостатков, например сложность изготовления и низкий уровень остаточного магнетизма.Система самовозбуждения, активируемая конденсатором, была разработана для обеспечения самовозбуждения без перестройки генератора, но тестирование системы 32

2 2013/4 показало, что у нее есть свои недостатки, которые мешают ее использованию. Во-первых, работа системы управления зависит от формы выходного напряжения генератора. Довольно сложно адаптировать систему для измерения частоты напряжения в реальной машине, которой свойственна несинусоидальная форма или искажения.Во-вторых, в этой системе ток возбуждения имеет импульсный характер, так как в схеме не предусмотрено сглаживание тока фильтром. По этим причинам для самовозбуждения синхронного генератора была применена схема DC / DC преобразователя с понижающей топологией [14, 15]. Особенностью данной схемы является зарядка конденсатора входного фильтра преобразователя перед началом работы системы. Заряженный конденсатор обеспечивает необходимый импульс тока для запуска процесса самовозбуждения. В этом случае механическая модернизация генератора не требуется, но система самовозбуждения также позволяет контролировать выходное напряжение генератора.II. СХЕМА И РАБОТА СИСТЕМЫ A. Функциональная схема системы самовозбуждения В отличие от схемы конденсаторной системы самовозбуждения синхронного генератора с независимым возбуждением, описанной в [8], на схеме (рис. 1) с понижающим преобразователем [ 14] обмотка возбуждения подключена как нагрузка понижающего преобразователя с входным фильтром и одним переключающим элементом вместо трех тиристоров, которые использовались в предыдущей конфигурации [8]. К фазовым выводам статора подключен неуправляемый выпрямитель, состоящий из диодов VD1 3.Выпрямленный ток фильтруется конденсатором С1 и управляется транзистором VT1. Для разряда обмотки возбуждения L f используется параллельный диод VD4. Резистор R1 используется для уменьшения тока возбуждения и для ослабления поля последовательности в случае остановки системы, чтобы предотвратить резкое повышение напряжения конденсатора фильтра. В нормальном режиме работы резистор R1 шунтируется транзистором VT2. Б. Работа системы. При низкой скорости остаточная электродвижущая сила генератора мала, но ее частота может быть измерена с помощью единицы измерения (МЕ) системы самовозбуждения [8, 14], таким образом, определяется скорость генератора.Процесс самовозбуждения может быть обеспечен только при правильной частоте вращения генератора [8, 14]. Для запуска процесса самовозбуждения требуется начальный импульс тока [8]. Для этого сначала конденсатор фильтра заряжается маломощным электронным генератором (ЭГ). Электронному генератору необходим источник энергии, но в общей схеме автономной системы электроснабжения, описанной в вышеупомянутом проекте, для питания системы управления и электронного генератора используется аккумуляторная батарея.Когда частота вращения генератора достаточна для нормальной работы, система управления включает транзистор VT1. Замкнутая цепь: на заряженном конденсаторе C1 в переключателе VT1 сформирована обмотка возбуждения L f. В результате разряда конденсатора возникает импульс тока, который намагничивает систему возбуждения, в результате чего напряжение генератора увеличивается [8]. Далее конденсатор С1 используется как входной фильтр преобразователя. Транзистор VT1 переключается с высокой частотой, поэтому скважность выбирается так, чтобы обеспечить необходимый ток возбуждения.Основная задача системы управления — регулирование выходного напряжения генератора при условии, что ток возбуждения не должен превышать некоторого заданного значения. В нормальном рабочем режиме транзистор VT2 постоянно включен, шунтируя резистор R1. В этом случае ток возбуждения протекает через VT2 и диод VD4. В случае постепенного уменьшения значения тока с последующей остановкой системы ослабление поля не требуется, но если работа системы внезапно прерывается, в контуре циркулирует ток: обмотка возбуждения транзистора VT2, диода VD4, вызывает резкое напряжение C1 увеличение.Чтобы этого избежать, в этом случае VT2 отключается, а энергия обмотки возбуждения рассеивается на резисторе R1. C. Процесс самовозбуждения. Эквивалентную схему системы самовозбуждения [14] можно представить как последовательное соединение индуктивностей и сопротивлений обмоток и источника напряжения в зависимости от электродвижущей силы тока цепи (рис. 2). Процесс самовозбуждения состоит из двух стадий. Вначале через обмотку возбуждения L f разряжается один ранее заряженный конденсатор. В применяемом генераторе параметры обмотки возбуждения L f = 17 мГн, R f = 2 Ом.Рис. 1. Система самовозбуждения с понижающим преобразователем. Рис. 2. Эквивалентная схема системы самовозбуждения. 33

3 2013/4 Рис. 3. PSIM-модель системы самовозбуждения синхронного генератора. Этот каскад зависит от параметров схемы и начального напряжения конденсатора C1 U C1: di 1 L f idt U C1 0, (1) dt C1, где C 1 — емкость конденсатора C1. На втором этапе конденсатор используется в качестве фильтра, и дальнейшее самовозбуждение зависит от увеличения электродвижущей силы, связанной с ростом тока.Схема может быть описана как di 1 L L i R R R k 0 G f G f dt C idt. (2) Процесс будет развиваться, только если k> (R G + R f). Показатель k характеризует связь между эквивалентной электродвижущей силой генератора и током в обмотке возбуждения и зависит от скорости вращения генератора. B. Результаты моделирования Диаграммы моделирования показаны на рис. 4. и рис. 5. Через 0,08 с, когда скорость генератора достигает значения эталонной скорости, 1 III. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ A. Модель PSIM Компьютерное моделирование процесса самовозбуждения может быть реализовано в PSIM (рис.3.). Преобразователь самовозбуждения и нагрузка RL подключены к фазам генератора через трехфазный полуволновой диодный выпрямитель и нейтральный провод. Используется простая система управления, задача которой — стабилизировать напряжение нагрузки между двумя соседними расположенными значениями (V_load_ref_H и V_load_ref_L). Следует обратить внимание на относительно высокое значение постоянной интегрирования в системе управления. Его величина сильно влияет на форму тока возбуждения и подбиралась экспериментально. Ограничитель тока ограничивает ток возбуждения, как это видно на рис.4. Источник Speed_ref задает скорость генератора, при которой должен запускаться процесс самовозбуждения, источник Load_on_ref задает напряжение, при котором нагрузка включается переключателем S1. Процесс будет развиваться, только если k> (R G + R f). Показатель k характеризует связь эквивалентной электродвижущей силы генератора с током в обмотке возбуждения и зависит от скорости вращения генератора. конденсатор С1 начинает разряжаться. В результате система возбуждения намагничивается и напряжение генератора возрастает.Ток возбуждения возрастает до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет заданного значения с учетом ограничения тока возбуждения. 34

4 2013/4 По истечении 0,7 с, когда напряжение генератора относительно близко к заданному значению, включается переключатель S1, и нагрузка RL подключается к генератору через упомянутый выпрямитель. Конечно, в реальных условиях резкое включение нагрузки не выгодно, но в этом моделировании пиков тока нагрузки не возникало. В этой компьютерной модели параметры генератора приближены к параметрам реальной машины, используемой в физическом эксперименте, но требуются более точные вычисления.Имеющаяся модель достаточно точно описывает процесс самовозбуждения, реализованный в предыдущих экспериментах [8]. Схема эксперимента показана на рис. 6. Генератор механически связан с электродвигателем переменного тока, приводимым в действие преобразователем частоты. Блок управления системой самовозбуждения подключен к источнику питания 24 В постоянного тока, который имитирует аккумуляторную батарею упомянутой выше автономной системы электроснабжения. Основные параметры генератора: сопротивление обмотки статора 2 Ом; индуктивность обмотки статора 100 мГн; сопротивление обмотки возбуждения 2 Ом; индуктивность обмотки возбуждения 17 мГн.Экспериментальное оборудование, за исключением двигателя и генератора, показано на рис. 7. Рис. 6. Схема эксперимента. Рис. 4. Токи в обмотке возбуждения (Ifield) и цепи нагрузки (Iload). Рис. 5. Конденсатор С1 и напряжения нагрузки. Рис. 7. Экспериментальная установка: 1 система самовозбуждения; 2 преобразователя частоты; 3 измерительных прибора; 4 осциллограф. IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ A. Экспериментальная установка Система самовозбуждения применялась к индукционному генератору с двойным питанием, работающему как синхронный генератор с независимой обмоткой возбуждения [14].35

5 2013/4 Рис. 8. Диаграмма фазных напряжений генератора при 120 об / мин без возбуждения. Рис. 9. Ток возбуждения I f генератора в процессе самовозбуждения. Рис. 10. Напряжение V C1 на входе преобразователя самовозбуждения и ток возбуждения генератора If в процессе самовозбуждения. Рис. 11. Разряд конденсатора С1. Рис. 12. Выходное напряжение генератора. Как было сказано выше, остаточная электродвижущая сила генератора мала (рис.8.), но его частоту можно измерить с помощью единицы измерения. В экспериментальном генераторе процесс самовозбуждения может успешно протекать при минимальной скорости 120 об / мин, соответствующей частоте 52 Гц. Эксперимент, описанный в этой статье, был проведен при частоте вращения генератора 130 об / мин (56,4 Гц). Б. Результаты экспериментов. Поведение генератора с системой самовозбуждения описывается экспериментальными диаграммами, которые подтверждают правильность компьютерного моделирования. На рис. 9 показаны изменения тока возбуждения I f генератора с момента начала процесса до состояния рабочего режима с постоянным током возбуждения и постоянным выходным напряжением генератора.В момент времени t 0, когда конденсатор C1 заряжен и частота вращения генератора находится на необходимом уровне, начинается разрядка C1. Когда конденсатор разряжен, ток возбуждения увеличивается медленнее. В момент времени t 1, когда напряжение достигает максимального заданного значения, система управления поддерживает ток в допустимых пределах с целью стабилизации выходного напряжения. Рис. 10 демонстрирует, что напряжение V C1 конденсатора C1 и, соответственно, выходное напряжение генератора в начале процесса самовозбуждения увеличивается не так быстро, как ток возбуждения, но затем происходит выброс.В этом эксперименте система управления прежде всего должна была ограничить ток возбуждения, поэтому такой скачок мощности был возможен. В свою очередь, ток возбуждения достаточно плавно достигает заданного значения (9,5 А). На рис.11 показан момент разряда ранее заряженного конденсатора С1. Это приводит к всплеску тока возбуждения I f (в ​​момент времени t 0), который, в свою очередь, намагничивает обмотку возбуждения и, таким образом, вызывает увеличение напряжения V C1. На рис. 12 показано фазное напряжение генератора V ph в стационарном режиме работы.Кривая фазного напряжения генератора не является идеальной формой синусоидальной волны из-за влияния высших гармоник, шума измерения и фильтра 10 кГц осциллографа. Влияние высших гармоник также заметно на рис.

6 2013/4 V. ВЫВОДЫ Система самовозбуждения синхронного генератора с независимым возбуждением реализуется подключением обмотки возбуждения к трем фазным выходам статора через трехфазный неуправляемый диодный выпрямитель, понижающий преобразователь и нейтральный провод генератора.Изготовлена ​​компьютерная модель системы. Создан прототип преобразователя самовозбуждения и результаты моделирования подтверждены практическим экспериментом. В экспериментах использовался индукционный генератор с двойным питанием, работающий в синхронном генераторе с независимым режимом возбуждения. Результаты экспериментов показывают, что ранее заряженный входной конденсатор маломощного электронного генератора преобразователя самовозбуждения обеспечивает начальный импульс тока, который намагничивает систему возбуждения генератора, поэтому напряжение генератора и, соответственно, ток возбуждения увеличиваются.Стабилизация выходного напряжения генератора происходит не плавно, а с скачком напряжения, хотя его пиковое значение (100 В) превышает заданное значение только на 30 В, как показано на рис. 10. Дальнейшая работа включает в себя определение математических уравнений, которые описать переходные процессы в режиме самовозбуждения генератора и разработать методы управления с целью управления процессом самовозбуждения без скачков напряжения. Компьютерная модель должна быть улучшена. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] Л. Рибицкис, Г. Дилевс, Э. Якобсонс, Н.Левинс, В. Пугачев, Многополярный индукционный генератор с двойным питанием и двухфазной вторичной обмоткой: Четвертая международная конференция и выставка экологических транспортных средств и возобновляемых источников энергии, Монако, Монте-Карло, март, стр. Re5 23-re5 23. [2] Г. Дилевс , Э. Якобсонс, Управление мощностью многополюсного индукционного ветряного генератора с двойным питанием: RTU zinātniskie raksti. 4. sēr., Enerģētika un elektrotehnika sēj. (2008), lpp. [3] Э. Якобсонс, Г. Дилевс, Управление мощностью многополюсного индукционного генератора с двойным питанием: 8-й Международный симпозиум «Актуальные проблемы в области электротехники и энергетики».Докторская школа энергетики и геотехнологии II », Эстония, Пярну, январь, стр. [4] Х. Полиндер, Д.-Дж. Банг, Х. Ли, З. Чен, М. Мюллер и А. Макдональд, Концептуальный отчет по Топологии генераторов, механическая и электромагнитная оптимизация. Проект UpWind, [5] Г. Дилев, Б. Осе-Зана, Э. Якобсон, Самовозбуждение низкоскоростного индукторного генератора: Латвийский физико-технический журнал, 2012, № 4 , стр. [6] А. Гупта, Д. К. Джайн, С. Дахия, Некоторые исследования последних достижений в системах преобразования энергии ветра, 2012 IACSIT Coimbatore Conferences, vol.28, pp, [7] A. Cimpoeru, Векторное управление PMSG без энкодера для приложений ветряных турбин, Университет Ольборга, Институт энергетических технологий, [8] Г. Залескис, И. Ранкис, Конденсаторно-активированная система самовозбуждения синхронного генератора: Электроника и электротехника, Каунас, KTU, Nr. 7, 2012, стр. [9] Г. Занескис, И. Ранис, Sinhronā ģeneratora pašierosināsanas sistēma, Latvijas Patents uz izgudrojumu Nr. LV 14496, [10] Т. Вильди, Электрические машины, приводы и системы питания: Prentice Hall, NJ, 2002, 886 p.[11] Й. Дирба, К. Кетнерс, Н. Левинс, В. Пугачов, Transporta elektriskās mašīnas: Rīga, Jumava, 2002, 344 с. [12] Цзе-Фун Чан, Вэйминь Ван, Лой Лей Лай, Самовозбужденный синхронный генератор с последовательным подключением для распределенной генерации: Общее собрание Общества энергетики и энергетики, 2010 г., стр. [13] Х. Авад, М. Вади, Э. Хамди, Синхронный генератор с самовозбуждением для малых гидроэлектростанций: 9-я конференция WSEAS по цепям, системам, коммуникациям и компьютерам, мультиконференция, 2005 г., стр. [14] Г. Залескис, И. Ранкис, Система самовозбуждения синхронного генератора с понижающим преобразователем: Труды 54-я Международная научная конференция по энергетике и электротехнике, Рига, РТУ, 14-16 октября 2013 г., стр.1-4 (представлен). [15] Г. Занескис, И. Ранис, Sinhronā ģeneratora pašierosināsanas sistēma ar pazeminošo līdzstrāvas pārveidotāju, патентное письмо pieteikums Nr. P-13-94, Genadijs Zaleskis, M. sc. ing., докт. студент. В 2011 году окончил Рижский технический университет со степенью магистра электротехники. От работал лаборантом в Институте промышленной электроники и электротехники Рижского технического университета. В 2011 году поступает в докторантуру РТУ. С 2011 года работает на кафедре промышленной электроники и электрических технологий Рижского технического университета научным сотрудником.Его основные направления исследований — электротехника и промышленная автоматизация. Рижский технический университет, Институт промышленной электроники и электротехники Адрес: Рижский технический университет, факультет энергетики и электротехники, Латвия, Рига LV-1010, Кронвалда 1. Телефон, Иварс Ранкис, профессор, Hab. Dr. sc. ing. В 1960 году окончил Рижский политехнический институт по специальности инженер-электромеханик. Защитил первую степень доктора наук. (кандидат технических наук) Защитил вторую степень Хаб.Dr. sc. ing. в 1992 году в Рижском техническом университете. С работал инженером на Рижском электромашиностроительном предприятии. С 1966 г. начал учиться в докторантуре, а с 1970 г. — преподавателем различных предметов электротехники в Рижском техническом университете. Научные интересы связаны с силовой электроникой и промышленной автоматизацией. Сейчас профессор кафедры промышленной электроники и электрических технологий Рижского технического университета. Рижский технический университет, Институт промышленной электроники и электротехники Адрес: Рижский технический университет, факультет энергетики и электротехники, Латвия, Рига LV-1010, Кронвалда 1.Телефон: Marcis Prieditis M. sc. ing. В 2013 году окончил Рижский технический университет со степенью магистра интеллектуальных робототехнических систем. С 2011 г. является членом исследовательской группы, которая занимается повышением эффективности промышленной робототехники. С 2013 года работает на кафедре промышленной электроники и электрических технологий Рижского технического университета лаборантом. Рижский технический университет, Институт промышленной электроники и электротехники Рижский технический университет, факультет энергетики и электротехники, Латвия, Рига LV-1010, Кронвалда 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *