Элементы системы возбуждения

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

 

А.А. Толстов

 

 

УСТРОЙСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
СУДОВЫХ СИНХРОННЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ

 

Учебное пособие

 

 

Одесса – 2006

ББК 31.261-1

Т 52

УДК 621.313.332

 

Толстов А.А. Устройство и эксплуатация судовых синхронных генераторов [Текст]: учебное пособие для курсантов и студентов морских вузов. – Одесса: ОНМА, 2006. – 150 с.

 

 

Рецензенты: — Яровенко В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электрооборудования судов Одесского национального морского университета;

 

Слободниченко Б.И., к.т.н., доцент кафедры электротехники Академии холода.

 

Обсуждено и одобрено ученым советом ОНМА в качестве учебного пособия для курсантов (студентов) высших морских учебных заведений направления 0922 «Электромеханика» по дисциплине «СЭЭС» 27 января 2007 г., протокол № 3

 

© А.А. Толстов, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.. 4

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 5

Глава 1. Системы возбуждения бесщёточных синхронных генераторов. 6

Глава 2. Автоматические регуляторы напряжения и АРН типа FUJI EL. 17

Глава 3. Бесщеточный синхронный генератор «Siemens» с системой возбуждения типа THYRIPART 28

Глава 4. Система возбуждения типа ТR бесщеточного синхронного генератора 41

Глава 5. Система возбуждения MITSUBISHI с АРН типа VRG-BS7M... 55

Глава 6. Система возбуждения и регулирования напряжения синхронных генераторов типа BASLER EECTRIC 61

Глава 7. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения типа TAIYO 72

Глава 8. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения WGSY судовых синхронных генераторов типа GD и GBdm... 80

Глава 9. Цифровой тиристорный регулятор напряжения судовых генераторов ЦТРН 90

Глава 10. Регулятор напряжения типа ТРН.. 100

Глава 11. Система возбуждения ELIN.. 111

Глава 12. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения STRÖMBERG 117

Глава 13. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения типа STAMFORD 133

Глава 14. Система возбуждения и АРН типа NISHISHIBA.. 142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 148

Список использованной литературы.. 149

 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АРН — автоматический регулятор напряжения;

АСУ — автоматическая система управления;

АСВ — автоматический выключатель генератора;

БСГ — бесщеточный синхронный генератор;

ГА — генераторный агрегат;

ГНВ — генератор начального возбуждения;

ГООС — гибкая отрицательная обратная связь;

ГРЩ — главный распределительный щит;

ДГ — дизель-генератор;

EVA — внешняя уставка напряжения (External Voltage Adjuster);

Ех — возбудитель (Exciter);

КН — корректор напряжения;

ОВ — обмотка возбуждения;

ОВГ — обмотка возбуждения генератора;

ОВВ — обмотка возбуждения возбудителя;

ООС — отрицательная обратная связь;

РН — регулятор напряжения;

CАРН — система автоматического регулирования напряжения;

СГ — синхронный генератор;

СИФУ — система импульсно-фазового управления;

СЭЭС — судовые электроэнергетические системы;

СФК — система фазового компаундирования;

ТРН — тиристорный регулятор напряжения;

ТР — терморезистор;

ТФК — трансформатор фазового компаундирования;

ЦПР — цепь параллельной работы.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое читателю издание представляет собой учебное пособие по дисциплине «Судовые электроэнергетические системы». Назначение ее заключается в том, чтобы дать курсантам, слушателям курсов повышения квалификации судовых специалистов необходимые знания в части автоматических регуляторов напряжения и их элементов.

После издания книг Ю.И. Максимова «Эксплуатация судовых синхронных генераторов» в 1969 и в 1983 г.г. автоматические регуляторы напряжения претерпели большие изменения — от инерционных магнитных схем до быстродействующих тиристорных, транзисторных и цифровых. Автором описаны современные регуляторы напряжения, причем, они представлены как в части устройств – описания, так и в части эксплуатации — устранения неисправностей.

Книга предназначена для курсантов ФЭМ и РЭ, ФА и может быть полезной судовым электроинженерам.

Автор выражает глубокую благодарность курсантам ФА, ФЭМ и РЭ за предоставление судовых инструкций на английском языке по разрабатываемой теме.

Большую помощь в работе над книгой оказали: д.т.н., профессор Власенко А.А., к.т.н., заведующий кафедрой Судовых электрических машин и автоматизированных приводов, профессор Васильев В.Н. и к.т.н., заведующий кафедрой Электрооборудования и автоматики судов доцент Луковцев В.С. Автор выражает им глубокую благодарность.

Рукопись одобрена и рекомендована к печати учёным советом ФЭМ и РЭ в качестве учебного пособия для курсантов 3-6 курсов.

Критические замечания и пожелания и прошу направлять по адресу: Одесса, ул. Дидрихсона 8, «ИздатИнформ».

Глава 1.
Системы возбуждения бесщёточных синхронных генераторов

Системы возбуждения, используемые в настоящее время на судах действующего флота, являются замкнутыми комбинированного типа прямого действия с амплитудно-фазовым компаундированием. В качестве объекта управления в основном применяется надежный бесщеточный синхронный генератор с предвозбудителем или без него.

1.1 Бесщёточный синхронный генератор

Одним из основных недостатков при обслуживании судовых синхронных генераторов является наличие щёточно-кольцевого аппарата. Этот узел наиболее изнашивается в процессе работы. Большое количество пыли от угольных щёток загрязняет обмотки, создавая проводниковые мосты между токоведущими частями синхронного генератора и корпусом: ухудшается изоляция генератора, уменьшая срок их службы, требуется внеочередной ремонт с полной разборкой.

Всё это отсутствует у бесщёточных синхронных генераторов. Возбуждение СГ осуществляется небольшим по размерам возбудителем переменного тока, состоящим из трёхфазной обмотки, расположенной на роторе генератора и электромагнитных полюсов, находящихся на статоре рядом со статорной обмоткой основной машины. Обмотка возбуждения возбудителя питается постоянным током от автоматического регулятора напряжения. Трёхфазный переменный ток, генерируемый в роторной обмотке, выпрямляется трёхфазным выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя и поступает на роторную обмотку возбуждения генератора. Выпрямительное устройство бесщёточного генератора состоит из кремниевых диодов, соединённых по трёхфазной мостовой схеме, регулируемого балластного резистора и сглаживающего конденсатора.

Бесщёточный синхронный генератор (рис. 1.1) состоит из следующих компонентов, где:

G — статорная обмотка, выходная;

F_G — роторная обмотка возбуждения генератора;

Si — блок вращающихся кремниевых выпрямителей;

E — роторная обмотка возбудителя, выходная;

F_E — статорная обмотка возбуждения;

EVA — внешний реостат задающего напряжения;

AVR — автоматический регулятор напряжения (АРН).

Статорная обмотка синхронного генератора уложена в пазы железа статора и представляет собой три обмотки, соединенные звездой.

Конструктивно БСГ объединён с возбудителем переменного тока и вращающимся выпрямительным устройством в один агрегат. Отличительной особенностью БСГ является отсутствие контактных колец и щёток.

Возбудитель представляет собой обращённый трёхфазный синхронный генератор, у которого обмотка возбуждения является неподвижной и питается непосредственно от автоматического регулятора напряжения. В некоторых рассматриваемых далее системах возбуждения и регулирования напряжения генераторов (например,“TAIYO”, “MITSUBISHI”) обмотка возбуждения возбудителя состоит из двух частей: основной и управляемой от AРН, что обеспечивает более надёжное начальное возбуждение. Трёхфазная роторная обмотка возбудителя, соединённая звездой подключена к роторной обмотке генератора через трёхфазный блок вращающихся кремниевых выпрямителей, который находится между этими двумя обмотками, ближе к возбудителю, на специально

Рис. 1.1. Бесщёточный синхронный генератор

смонтированном изоляционном кольце. Кольцо и вентили вращаются вместе с роторами генератора и возбудителя и размещёны на общем валу.

Трёхфазный переменный ток, генерируемый при вращении в роторной обмотке возбудителя, выпрямляется трёхфазным кремниевым выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя, и постоянное напряжение поступает на роторную обмотку генератора. Расположение вращающихся выпрямителей на роторной обмотке возбудителя удобно как для воздушного охлаждения, так и проведения обслуживания и ремонтных работ при проверке и замене вентилей.

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно выходному напряжению подключается сглаживающий конденсатор и разрядный резистор для предотвращения обмотки возбуждения и конденсатора от пробоя.

Благодаря такой конструкции, исчезает необходимость в контактных кольцах и щётках для подвода тока к обмотке возбуждения генератора. Таким образом, возбудитель совместно с AРН позволяет поддерживать напряжение генератора с заданным отклонением при малых и больших нагрузках и обеспечивает защиту от короткого замыкания. Отсутствие щёточной аппаратуры значительно повышает надёжность БСГ, сокращает трудозатраты на обслуживание ввиду отсутствия угольной пыли на обмотках. Они также могут применяться и на высоких частотах вращения первичных двигателей, чем обеспечивается более надёжное возбуждение.

У БСГ, также как и у обычных синхронных генераторов, имеется демпферная обмотка. Она находится на явных полюсах ротора и имеет вид широких медных шин, соединенных в беличью клетку. Назначением демпферной обмотки является предотвращение колебаний напряжения ввиду резкого изменения нагрузки при параллельной работе генераторов, а также ограничение повышения третьей гармоники напряжения с увеличением нагрузки.

В результате совместных усилий обмоток статора генератора и возбудителя создаётся результирующая магнитодвижущая сила а, следовательно, и поток возбуждения, обеспечивая реакцию ротора и падение напряжения в обмотке статора генератора во всех режимах работы – от холостого хода до номинальной нагрузки.

Возбудитель переменного тока представляет собой обращённый синхронный генератор роторного типа. Ротор установлен на том же валу, что и ротор генератора и представляет собой трехфазную обмотку переменного тока. Нагрузкой возбудителя является обмотка возбуждения статора, поэтому необходим возбудитель переменного тока высокой частоты: чем выше частота, тем больше возбуждение. Однако высокая частота стремится увеличить потери в железе. Так как увеличение числа полюсов пропорционально увеличению частоты, то частота особенно ограничивается при использовании на низкой частоте вращения с точки зрения экономичности конструкции. В основном, для возбудителя переменного тока принята частота 60 Гц.

Кремниевый выпрямитель возбудителя переменного тока. Учитывая электрические и механические свойства, кремниевый выпрямитель для бесщёточного синхронного генератора должен быть высоконадежным, небольших габаритов и массы.

Он состоит из кремниевой части, которая закреплена вертикально на тонкой пластине основания, для надежного контакта пластины, основания и элемента, и питающего провода. Этот силовой тип контакта кремниевого элемента выпрямителя использует свою огромную силу, когда она приложена вертикально вместе с давлением по направлению к пластине основания и проявляет великолепные характеристики, учитывая такие механические недостатки как внешнее давление, центробежная сила, вибрация системы в действии. Все главные части кремниевого элемента типа P-N перехода помещены в кожух, в котором находится инертный газ, на работу которого не влияют окружающие атмосферные условия.

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно подключены конденсатор и резистор для предотвращения от чрезмерного напряжения обмоток, предохраняя их от пробоя. При сборке вышеупомянутых компонентов FUJI El. произвел тщательную проверку их механической силы и местоположения, минимизируя пространство для установки, добиваясь однородной и эффективной вентиляции.

По габаритам БСГ сохранил те же размеры что и обычные СГ.

В настоящее время бесщеточные синхронные генераторы успешно используются на судах в качестве основных и аварийных источников электроэнергии.

Рис. 1.2. Изоляция вала БСГ от наводящих токов

Для предотвращения возникновения токов на валу генератора, появляющихся благодаря разбалансу магнитного сопротивления магнитных цепей, используются изоляторы на боковых крышках, как показано на рис. 1.2. Напряжение на валу для генераторов повышенных напряжений и частот обычно составляет 1 В и менее, и реже несколько вольт. Значение сопротивления изолятора должно быть 1-3 кΩ. Если масляная пленка с принудительной смазкой местами исчезает, это может привести к поломке подшипника или аварии генератора в целом.

В основном БСГ не требует особых трудозатрат на обслуживание. Достаточно почаще менять фильтры на воздухозаборах.

Таким образом, БСГ обеспечивает максимум надежности при минимуме трудозатрат на обслуживание.

Требования, предъявляемые к системам возбуждения и АРН

К судовым системам возбуждения СГ предъявляются более жёсткие требования, чем к промышленным. Объясняется это ограниченными мощностями судовых синхронных генераторов, изменениями напряжения и частоты, соизмеримыми с мощностью генераторов нагрузок. Они должны иметь повышенную эксплуатационную надёжность, малые габариты, водозащищённое исполнение, достаточную точность и т.д.

Кроме этого, генерирующие агрегаты с АРН должны вырабатывать электроэнергию требуемого качества и количества. Под этим необходимо понимать, прежде всего, поддержание напряжения и частоты в заданных пределах.

Существующие «Правила класифікації та побудови морських суден» предусматривают следующие требования (том IV, часть XI, 10, 6.2).

1. Каждый генератор переменного тока должен иметь отдельную независимую систему для автоматического регулирования напряжения.

2. Генераторы переменного тока должны иметь системы автоматического регулирования напряжения, которые обеспечивают поддержание напряжения в пределах ±2,5% (аварийные генераторы — до 3,5%) от номинальной при изменении нагрузки от ноля до номинальной при номинальном коэффициенте мощности

3. Генераторы переменного тока должны иметь достаточный резерв возбуждения для поддержания в течение 2 мин, номинального напряжения с точностью 10% при перегрузке генератора током, равным 150% номинального и коэффициенте мощности равном 0,6.

4. Внезапное изменение симметричной нагрузки генератора, включаемого при номинальной частоте вращения и номинальной нагрузке, при имеющемся току и коэффициенте мощности, не должно вызывать понижения напряжения ниже 85% и повышения более 120% от номинального значения. После окончания переходных процессов напряжение генератора должно восстанавливаться в течение не более 1,5 с и с отклонением от номинального значения в пределах ±3%.Для аварийных агрегатов эти значения могут быть увеличены по времени до 5 с и по напряжению до ±4% от номинального. В случае отсутствия точных данных о максимальной внезапной нагрузке, которая включается на уже нагруженный генератор, можно использовать нагрузку величиной 60% номинального тока с индуктивным коэффициентом мощности 0,4 и меньше, которая включается на холостом ходу и потом выключается. При этом частота вращения должна быть в пределах обусловленных в 2.11.3 части IX «Механизмы».

5. Для генераторов переменного тока отклонение от синусоидальной формы напряжения не должно превышать 5% от пикового значения основной гармоники.

6. Генераторы переменного тока, предназначенные для параллельной работы, должны обеспечиваться такой системой компенсации реактивного падения напряжения, чтобы во время параллельной работы распределение реактивной нагрузки между генераторами не отличалась от пропорциональной их нагрузки более, чем на 10% номинальной нагрузки наибольшего генератора.

7. Генераторы переменного тока вместе с системами возбуждения и автоматическими регуляторами напряжения при коротком замыкании должны выдерживать трехразовый номинальный ток в течение времени 2 с.

Автоматический регулятор напряжения работает по принципу отклонения регулируемой величины (напряжения) от заданного значения и состоит из: измерительного органа, усилителя и регулирующего элемента. Применяются различные схемы и устройства АРН: электромагнитные, цифровые и на полупроводниковых элементах. В зависимости от системы возбуждения генератора выходной сигнал АРН поступает на обмотку возбуждения возбудителя F_E1, дополнительную обмотку возбудителя F_E2, на обмотку управления трансформатора фазового компаундирования — обмотку управления ТФК или на обмотку управления дросселя отсоса и т.п.

АРН типа FUJI El.

В качестве примера рассмотрим АРН фирмы FUJI ELECTRIC. Корректор имеет множество модификаций, зависящих как от количества тиристоров, так и от количества обмоток возбуждения генератора, различных трансформаторов и схем их подключения в системе возбуждения. Предлагаемый АРН состоит из следующих цепей (рис. 2.3):

§ определителя отклонения;

§ источника напряжения;

§ PID-усилителя;

§ контроля синхронизации;

§ контроля фазировки;

§ главного тиристора.

Рис. 2.3. Блок-схема АРН

Цепи определителя отклонения, PID-усилителя и контроля фазировки объединены в одну печатную плату и вложены в корпус с питающим трансформатором PT₁ и главным тиристором.

Закон PID-регулирования, согласно которому функционирует АРН, выражается следующей формулой:

 

,

где k — коэффициент пропорциональности; Ti, Td — постоянные времени интегрирования и дифференцирования, соответственно.

Блок определителя отклонения формирует дифференциал между входным напряжением Uтек, преобразованным в постоянное напряжение соответствующего значения, который является пропорциональным напряжению генератора, и заданным напряжением Uзад, которое не зависит от напряжения генератора UG и является заданным значением напряжения генератора:

 

ΔU = ±(Uтек – Uзад).

 

Соотношение между напряжениями UG, Uтек, Uзад и ΔU показано на рис. 2.4.

Рис. 2.4. График соотношения напряжений

Основной частью PID-усилителя является операционный усилитель. Отклонение сигнала ΔU усиливается операционным усилителем этого контроллера и усиленный сигнал разницы ΔU' преобразуется в единственный контролируемый импульс в цепи управления углом открытия тиристора.

Автоматический регулятор напряжения включает в себя две печатные платы и тиристор. Одна из печатных плат содержит PID-усилитель, разработанный для подачи сигналов в цепь фазового сдвига в случае отклонения напряжения генератора от заданного значения. После усиления цепь фазового сдвига будет питать входные тиристорные цепи соответствующей фазы, используя выход напряжения генератора как вход, а пульсирующий усилитель служит для увеличения сигнала на выходе этой цепи.

Рис. 2.5. Эпюры управления тиристором

Другая печатная плата содержит выпрямитель, разработанный для выпрямления тока генератора, и цепи защиты от перенапряжения для управления током короткого замыкания, протекающим, когда генератор короткозамкнут.

Выходная цепь трёхфазного трансформатора включает цепь возбуждения и цепь короткого замыкания, которые установлены параллельно. Шунтирующим током управляет АРН.

В цепи определителя переменный резистор R₁₇ (рис. 2.6) регулирует уставку АРН. В случае нестабильного выходного напряжения необходимо вращать R₁₇ по часовой стрелке до появления стабильного выходного напряжения генератора. При помощи переменного резистора R₁ также можно регулировать напряжение генератора на входе определителя, но с меньшей точностью.

PID-усилитель предотвращает колебания напряжения генератора при помощи резистора R₁. Переменные резисторы R₄, R₇ , R₁₀, R₃₄ и R₃₆ не должны регулироваться.

Напряжение ΔU = ±(Uтек – Uзад), усиливается PID-усилителем, представляющий собой одновременно компаратор и усилитель Q1,

Рис. 2.6. Автоматический регулятор напряжения фирмы FUJI ELECTRIC

выход с которого поступает на узел определения фазы, который синхронизируется с пилообразным напряжением сети для подачи импульса на управляющий электрод тиристора в соответствии с фазой пилообразного напряжения генератора в каждой его фазе. Степень открытия угла α будет зависеть от входного напряжения генератора U_G, поступающего на вход, клеммы: R1, S1, T1.

Задающее напряжение регулируется внешним реостатом EVA уставки напряжения. Цепь параллельной работы подключена к выводам l и k, которые связаны с трансформаторами параллельной работы ССТ и DCT. Управляющие импульсы поступают на управляющие электроды G₁, G₂ тиристоров SCR₁, SCR₂, связанные с обмоткой управления возбудителя 3А, 4А. Чем больше напряжение генератора на входе корректора напряжения, тем больше будет угол открытия тиристоров и тем меньше будет управляющий ток возбуждения возбудителя. Цепь питания через тиристоры питает обмотку управления возбудителя, которые включаются в зависимости от величины напряжения генератора. Таким образом, АРН управляет шунтирующим током.

При конструировании АРН используются два различных типа корпусов: первый — водозащищённый монтаж схемы, второй — блочно-панельный монтаж. В случае блочно-панельного монтажа базовая конструкция идентична с первой за исключением кабельных соединений. Усилитель постоянного тока (Micropak), в котором интегральная схема для усиления постоянного тока и RC-цепь для стабилизации тока объединены и установлены в цепи контроля напряжения. AРН в дополнение ко многим другим достоинствам обеспечивает более устойчивый контроль напряжения и большую точность по сравнению с упрощённой схемой, имеет небольшие габариты и жёсткую конструкцию.

Обычно АРН, внешний реостат уставки EVA, питающий трансформатор РТ и устройство параллельной работы устанавливаются на ГРЩ, в то время как другие элементы системы возбуждения и автоматического регулирования напряжения установлены в водозащищенной клеммной коробке сверху на СГ.

Автоматический регулятор напряжения фирмы FUJI ELECTRICS удовлетворяет всем требованиям по точности регулирования напряжения генератора, предъявляемым к устройствам подобного типа и успешно используются на судах иностранных компаний.

Контрольные вопросы

1. По какому закону регулирования действует АРН?

2. Блок-схема ТРН, назначение основных цепей.

3. АРН типа FUJI El:состав и работа.

Глава 3.
Бесщеточный синхронный генератор «Siemens» с системой возбуждения
типа THYRIPART

Бесщеточный синхронный генератор состоит из собственно генератора и возбудителя. Роторная обмотка возбуждения генератора питается от роторной трехфазной обмотки возбудителя через вращающийся трехфазный выпрямительный мост. Стационарная статорная обмотка возбуждения возбудителя в свою очередь питается от статической системы возбуждения.

Устройство возбуждения и тиристорный регулятор напряжения составляют систему возбуждения THYRIPART.

Когда БСГ работает, результирующее магнитное поле индуцирует напряжение в статорной обмотке генератора. Часть этой генерируемой энергии шунтируется к ОВВ благодаря тиристору, проходя через систему возбуждения. Схема, представляющая возбуждение, образует замкнутый контур управления шунтирующим устройством и импульсно-фазовое управление тиристором.

Состав. Принципиальная схема БСГ с системой возбуждения THYRIPART (рис. 3.1) состоит из:

§ G1 — синхронного генератора;

§ G2 — возбудителя — обращенной синхронной машины, у которой индуктор неподвижен, а обмотка переменного тока вращается. Синхронный возбудитель представляет собой электрическую машину с фазным ротором, работающую в режиме синхронного генератора;

§ А1 — ТРН с силовым модулем;

§ С — блока конденсаторов;

Рис. 3.1. Принципиальная схема соединений системы
возбуждения и регулирования THYRIPART

§ L — реактора, предназначенного для сдвига тока холостого хода генератора относительно его напряжения на угол, близкий к 90° в сторону отставания;

§ RR — вращающегося выпрямителя (rotating rectifier);

§ TWT — трёхобмоточного трансформатора;

§ EVA — внешнего реостата задающего напряжения генератора;

§ СТ — измерительного токового трансформатора для измерения нагрузки генератора;

§ V22 — главного тиристора;

§ V102 — силового модуля;

§ R101 — последовательного резистора;

§ V101 — вспомогательного тиристора;

§ Х1, Х2, Х4, Х40 — контактных разъемов ТРН.

Схемы соединений основных компонентов системы возбуждения Siemens – THYRIPART имеют несколько модификаций, где ТРН имеет свой силовой модуль. Модификации отличаются наличием у последнего промежуточных трансформаторов в цепи выходной обмотки TWT.

Принцип действия. Система возбуждения представляет собой систему амплитудно-фазового управления возбуждением синхронного генератора, которое обеспечивается компаундирующим трансформатором тока — СТ, пропорционально току нагрузки. Напряжение генератора сравнивается с заданным напряжением. Управляющий сигнал для открытия тиристора формируется в зависимости от вида пилообразного напряжения, получаемого после сравнения и усиления напряжения генератора. Результирующий ток возбуждения, чья интенсивность слегка выше, индуцируется в номинальное напряжение генератора. В этом случае ТРН неактивен: выходное напряжение генератора зависит только от тока возбуждения возбудителя, регулируемого током нагрузки.

ТРН обеспечивает напряжение требуемой величины, регулируя изменение тока возбуждения при помощи угла открытия тиристора в шунтирующей цепи. Трехфазный вспомогательный возбудитель, преобразуя механическую энергию в электрическую, повышает энергию возбуждения примерно в 20 раз. Эта энергия поступает на обмотку возбуждения генератора, проходя через вращающийся диодный мост (RR). В этом случае ток возбуждения при низком его значении регулируется ТРН.

На рис. 3.2 представлена блочная схема ТРН. Она состоит из:

§ модуля регулирования, RM — regulating module;

§ модуля управления тиристорами с обратной связью, FM — firing module;

§ силового модуля, PM — power module.

Модуль регулирования в свою очередь состоит из:

§ блока силовых выпрямителей, RB — rectifier block — 1;

§ компаратора текущего и заданного значений напряжений генератора — 2;

§ блока питания компонентов модулей — 3;

§ усилителя выходной величины компаратора — 4.

Рис. 3.2. Блок-схема РН

Работа. Трехфазное напряжение генератора, снимаемое с клемм 17, 18 и 19, поступает на блок выпрямителей 1, выпрямляется, сглаживается и поступает на вход компаратора 2 (клеммы 20, 22). Этот входной сигнал представляет собой величину, пропорциональную текущему напряжению генератора — Uтек. Через клеммы 20, 21 на вход компаратора поступает сигнал, пропорциональный заданному значению напряжения генератора — Uзад. Результирующий сигнал от двух напряжений Uтек и Uзад в виде пилообразного напряжения поступает на вход усилителя 4, представляющего собой PID-регулятор. Для настройки уровня усиления используют имеющиеся потенциометры K и T. Усиленный сигнал поступает на вход модуля управления тиристорами. Таким образом, назначение модуля регулирования ТРН является:

§ формирование сигнала, пропорционального текущему значению напряжения генератора Uтек;

§ формирование и регулировка при помощи EVA сигнала заданного значения напряжения генератора Uзад;

§ сравнение этих двух сигналов и определение величины разности —∆U;

§ усиление величины этой разности;

§ питание всех компонентов ТРН.

Модуль управления тиристорами состоит из:

§ блока управления тиристорами, представляющего собой систему импульсно-фазового управления, работа которого зависит от дифференциала текущего и заданного значений напряжений генератора;

§ блока защиты от перенапряжений, более 600 В между клеммами 1 и 5, обеспечивающего открытие тиристора 7;

§ главного тиристора.

В зависимости от потенциала компаратора 2, усилитель 4 может дать дополнительный импульс постоянного тока. Ток возбуждения в нормальных условиях обеспечивается одним импульсом. Если требуется форсировка возбуждения, ТРН формирует подряд два импульса.

Силовой модуль ТРН состоит из:

§ трехфазного выпрямителя V102;

§ вспомогательного тиристора V101, управляемого главным тиристором V22.

В нормальном режиме, когда напряжение генератора равно номинальному значению, ТРН не работает. Оба тиристора закрыты, и ток возбуждения регулируется только током нагрузки. В случае понижения напряжения генератора вследствие высокой нагрузки включается в работу ТРН, и угол открытия тиристоров будет зависеть от величины разности напряжений:

 

∆U = ±(Uтек − Uзад).

 

 

Тиристорный регулятор напряжения представлен на рис. 3.3. Он получает напряжение от синхронного генератора через разъемы Х1/1 и Х1/3. Это напряжение поступает на понижающий трансформатор Т1 и выпрямляется на диодном мосту V1 – V4. Постоянное напряжение от выпрямителя, примерно 30V, является пропорциональным текущему напряжению генератора. Второе напряжение, задающее, поступает от внешнего реостата EVA (разъемы Х2/1, Х2/3) и более точно регулируется потенциометром U. Эти два постоянных напряжений поступают на компаратор С, где они усиливаются, и выходной сигнал в виде пилообразного напряжения поступает на вход усилителя А

Рис. 3.3. Тиристорный регулятор напряжения

Потенциометр K используется для регулировки коэффициента усиления контроллера, а потенциометр T — для регулировки времени цикла, тогда как потенциометр R47 используется в цепи сравнения управляющего усилителя для регулирования динамического режима.

Вращая ручку K в направлении уменьшения чисел и ручку T в направлении увеличения чисел, стабилизируем управляющее напряжение и уменьшаем номинальное значение напряжения генератора.

Выход с РА (Pulse Amplifier) находится в цепи управляющего электрода главного тиристора V22, управляющего вспомогательным тиристором V101, шунтирующим часть силового выпрямителя V102 обмотки возбуждения возбудителя.

OV (overvoltage) обеспечивает защиту от перенапряжения.

ТРН имеет пять регулировочных потенциометров: U, К, Т, R17 и S. Номинальное напряжение генератора регулируется потенциометром U, а динамический режим — потенциометрами K, T и R47.

На холостом ходу генератора ТРН регулирует напряжение в соответствии с его текущим значением. Частота при этом изменяется в соответствии с наклонной характеристикой первичного двигателя вне зависимости от точности выходного напряжения генератора.

Составной частью регулятора является частотный модуль. Через разъём Х40/3 положительное или отрицательное дополнительное напряжение Usеt supp. поступает от высоковольтной цепи или изменяемой частоты частотного модуля. Отношение между Uген и Usеt supp. примерно следующее:

 

,

 

где R18 измеряется в кОм.

Цепь параллельной работы БСГ необходима при работе в параллели с другим генератором. Активная мощность генератора регулируется при помощи регулятора первичного двигателя. Скоростная характеристика первичного двигателя должна быть линейной и статизм должен составлять от 3% до 5% (рис. 3.4) между напряжениями генератора при номинальной нагрузке и холостым ходом.

 

 

,

 

где δ — статизм; UH — напряжение номинальной нагрузки; UX.X. — напряжение при холостом ходе.

Параллельное соединение обмоток возбуждения или цепей параллельной работы (контакты S1/1) обеспечивает равномерное распределение реактивной нагрузки и уменьшает напряжение генератора в прямой пропорции к увеличению реактивного тока.

Рис. 3.4. Внешние характеристики генератора и AVR

Реактивную мощность, измеряемую трансформатором тока в цепи параллельной работы, можно регулировать при помощи потенциометра S контроллера таким образом, чтобы номинальное напряжение генератора не изменялось при cos φ = 1, а при cos φ = 0 статизм мог доходить до 6 % (рис. 3.5). Соответствующее изменение напряжения при обычном cos φ = 0,8 составит 3,6 %.

Рис. 3.5. Диаграмма определения статизма регулятора напряжения

При одиночной работе генератора цепь параллельной работы не задействована. Это обеспечивается шунтированием вторичной обмотки трансформатора тока или установкой потенциометра S в крайнее левое положение. При одиночной работе генератора на любых нагрузках отношение между реактивной нагрузкой генератора In, номинальным током генератора I и статизмом регулирования d определится по формуле:

При cos j = 0,8 отношение In/I=1, тогда

 

.

Эту величину можно регулировать с помощью потенцио­метра S.

Таким образом, статизм системы регулирования может достигать величины 3-5 %.

Типичная характеристика AVR бесщёточного синхронного генератора показана на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Внешняя характеристика AVR

На рис. 3.4 внешние характеристики генератора на холостом ходу (1) и полной нагрузке (2) пересекаются с характеристикой AVR в точках C и E. Предположим, генератор работает в режиме холостого хода. При этом напряжение генератора будет представлено как U0, а ток возбуждения — iC. При увеличении нагрузки, внешняя характеристика генератора будет смещаться по кривой АВ.

Допустим, ток возбуждения не может увеличиться выше точки iC, напряжение генератора упадёт до значения UL. AVR, контролирующий ток возбуждения, обнаруживает малейшие изменения в напряжении генератора, вызванные увеличением нагрузки, и увеличивает ток возбуждения до отметки iD, чтобы получить разницу с номинальным напряжением, равную нулю, поддерживая выходное напряжение генератора в точке D.

Таким образом, независимо от увеличения либо уменьшения нагрузки, напряжение генератора всегда поддерживается в определённой точке на кривой АВ.

Если кривая AB перпендикулярна к ординате напряжения, ∆U достигает нуля и регулирование напряжения не происходит, так как в этом нет необходимости. С другой стороны, чем меньше угол кривой AB с ординатой напряжения, тем больше диапазон регулирования напряжения.

Кривую, соответствующую внешней характеристике AVR также можно изменять и она будет иметь другие углы наклона с ординатой. Это можно осуществить при помощи регулировочных потенциометров ТРН.

При различных нагрузках регулирования мы будем иметь семейство кривых, относящихся к внешним нагрузкам генератора. При этом характер изменения тока возбуждения генератора будет пропорциональным и углу и нагрузке.