Устройство и назначение основных блоков арн

В последнее время в АРН в качестве управляющего органа используются тиристоры. Тиристорные регуляторы напряжения с БСГ обеспечивают более точное регулирование напряжения ±1% Uн при cos φ = 0,8, при статизме регулирования не более ±3% и изменении нагрузки от 0 до 100% (см. рис. 2.1).

На рис. 2.2 представлена функциональная схема тиристорного регулятора напряжения.

Рис. 2.2. Блочная схема тиристорного регулятора напряжения: G — гене­ратор; D — определитель ΔU = ±(Uтек – Uзад); EVA — внешний задающий реостат напряжения (Uзад); PID — усилитель; PF — фазосдвигающий блок (Pulse Phase); PA — усилитель фазных импульсов (Pulse Amplifier); Tr — тиристор; OV — защита от перенапряжения; F_G — обмотка возбуждения генератора

Текущее напряжение генератора Uтек и заданное напряжение Uзад от внешнего реостата напряжения подаются на определитель D, где получаем разницу напряжений ΔU, равное:

 

ΔU = ±(Uтек – Uзад).

 

Эта величина, равная 1 - 5 В, усиливается PID-усилителем и от него поступает на фазосдвигающий блок, определяющий фазу и угол открытия тиристора. Блок PA усиливает полученный сигнал и подаёт его на управляющий электрод тиристора. Поступающее напряжение на обмотку возбуждения генератора F_G будет зависеть от угла открытия тиристора.

Защита от перенапряжения, например, при коротком замыкании, обеспечивается блоком OV (Overvoltage). В этом случае тиристор полностью открыт, чем исключается возможность возбуждения генератора.

Системы прямого фазового компаундирования успешно используются на современных судах. Они обеспечивают достаточно высокую точность регулирования Ur от 2,5 % до 1 %. Среди них: Siemens, Mitsubishi, Fuji, Basler, Taiyo, Stamford, Nishishioba, Cosimat-N+ и др.

Кроме поддержания стабильности U_r, системы автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов, предназначенных для параллельной работы, должны обеспечить распределение реактивной нагрузки между ними соответственно мощностям каждого из них с точностью 10 % от номинальной мощности данного генератора. Такое регулирование должно иметь место при нагрузках от 20 до 100 % номинальной.

Для систем со статическими характеристиками автоматического регулирования напряжения распределение реактивной нагрузки будет зависеть от наклона внешних характеристик. Для оценки неравномерности распределения реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами, имеющими различный статизм регулировочных характеристик (без учета нелинейности), составляющая тока любого генератора может быть определена по формуле:

 

 

,

 

 

где Iг.р.1, Iг.р.2, … Iг.р.n — реактивная нагрузка, соответственно 1-го, 2-го,... n-го генераторов; k_с1 k_с2, … k_сn — коэффициенты статизма их регулировочных характеристик.

Из формулы видно, что при статических характеристиках регулирования, реактивная нагрузка распределяется между генераторами обратно пропорционально коэффициентам статизма: чем меньше статизм системы регулирования, тем большую часть приращения суммарного реактивного тока генераторов он компенсирует.

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.

Точность поддержания напряжения бесщеточных синхронных генераторов типа “Siemens” составляет примерно ±1 %. Тем не менее, для параллельной работы с целью повышения стабильности при распределении реактивной нагрузки, генераторы отрегулированы таким образом, чтобы напряжение не могло понизиться на ±3 % при номинальных значениях нагрузки и коэффициенте мощности cos φ при наличии цепи параллельной работы в схеме ТРН.

Приведенная схема позволяет регулировать Uг в заданных пределах. Конструкция и регулировка синхронного генератора, возбудителя, системы возбуждения позволяет регулировать напряжение регулятора в пределах ± 5 % от его номинального значения при помощи потенциометра U при стабильных условиях и в условиях изменения нагрузки от холостого хода до номинального значения при cos j = 0,8.

Точность поддержания напряжения у генератора при одиночной работе или в параллель составляет ±1,8 % его номинального значения, что соответствует требованиям международных морских инспекций.

Система возбуждения и автоматического регулирования Siemens – Thyripart широко используется на вновь строящихся судах для Германии под наблюдением Germanische Lloyd.

Возможные неисправности сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1. Возможные неисправности и их причины

Неисправность	Причина
1. Прерывание цепи возбуждения: UГ < UН	Проверить разъёмы Х2, Х6 и Х7 на выпрямителе и реакторе
2. Прерывание истинного значения входного напряжения контроллера: UГ > 1,1UН	Проверить разъём Х1 и концы между V и W.
3. Перемычка АВ на плате:
§ замкнута (EVA не работает);	Разомкнуть АВ
§ разомкнута (UГ > 1,1UН)	Замкнуть АВ без регулирования EVA
4. Цепь параллельной работы не действует (не пропорциональное распределение на­грузки)	Отрегулировать при помощи потенциометра S
5. Обрыв или к. з. между ЦПР и АРН (не пропорциональное распределение активной нагрузки)	Устранить к.з., проверить СТ и разъем Х2
6. Резистор R48 в цепи обратной связи не отрегулирован (колебания напряжения генератора и тока)	Отрегулировать R48

Таблица 3.2. Обслуживание

Ежедневное:	1. Проверка работы подшипников: § наличие смазки; § отсутствие посторонних шумов, вибрации, повышенных температур. 2. Проверка электрических цепей: § замер сопротивления изоляции щитовым мегомметром. 3. Проверка параметров генератора и сети: § напряжения, частоты, распределение активной и реактивной мощностей.
Ежемесячное:	1. Проверка сопротивления изоляции переносным мегомметром. Критическое значение сопротивления изоляции определяется по формуле: МОм/кВ. Для генераторов с напряжением 440 В: Rиз.кр.=0,22 МОм Примечание: перед замером сопротивления изоляции отсоединить провода от ТРН. 2. Проверка наличия вентиляции, чистка или замена фильтров.
Каждые 6 месяцев:	1. Замена масла и промывка подшипников.
2. Чистка генераторов, продувка воздухом.
3. Проверка электрических соединений, поджать, если необходимо.
4. Проверка статического возбудителя, всех соединений, продувка сжатым воздухом, чистка составом при помощи пульверизатора.

Рис. 3.7. Печатные платы модулей и АРН в сборе

На рис. 3.7 представлены печатные платы модулей и АРН в сборе.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия системы возбуждения THYRIPART.

2. Устройство АРН.

3. Принцип действия АРН.

4. Возможные неисправности системы возбуждения.

5. Обслуживание системы возбуждения THYRIPART.

 

Глава 4.
Система возбуждения типа ТR бесщеточного синхронного генератора

Хорошо известно, что компаундная система возбуждения, имеющая кремниевые выпрямители, широко используется для судовых синхронных генераторов.

Это объясняется её преимуществами: нет необходимости в уходе и инспекции коллектора возбудителя постоянного тока и замене щеточно-кольцевого аппарата. В последние годы, однако, бесщёточные синхронные генераторы, которые свободны от ухода и инспекций генераторных щеток, не говоря о вышесказанном уходе и инспекциях, являются более предпочтительными в смысле трудозатрат и совершенствования судов.

Единственным недостатком БСГ является ненадёжная работа возбудителя, находящегося на вращающемся роторе. Проблема состоит в медленном возбуждении системы, представленной здесь, которая, в свою очередь, состоит из:

§ возбудителя переменного тока Ex;

§ цепи шунтирования тиристором, который связан с обмоткой возбуждения возбудителя;

§ автоматического регулятора напряжения AVR, включая простой, но всё же надёжный операционный усилитель для управления упомянутой цепи шунтирования.

Рис. 4.1 показывает электрическую схему СГ с системой возбуждения

Возбудитель имеет отличные рабочие характеристики регулирования напряжения, восстановления напряжения и подпитки при коротком замыкании, подобно обычному самовозбуждающемуся СГ с компаундным возбудителем.

Рис. 4.1. Принципиальная схема системы самовозбуждения типа TR бесщеточного синхронного генератора

Часть возбуждения в этой схеме поступает от выходного напряжения генератора на реактор X и далее на обмотку напряжения трехобмоточного трансформатора фазового компаундирования TWT. Первичная обмотка CW является токовой. Для лучшего возбуждения СГ в схеме использован блок конденсаторов ЗС, который совместно с реактором X обеспечивает резонансный контур, при котором сопротивление обмотки возбуждения генератора уменьшается.

Токовая обмотка TWT связана с током нагрузки. Таким образом, результирующий ток возбуждения If от 2-х составляющих: тока и напряжения генератора, выпрямляется выпрямителем MR и затем поступает на ОВ возбудителя.

В дополнение к основному току возбуждения, система возбуждения ТR имеет цепь шунтирования тиристором выходной обмотки TWT, в которой избыток тока шунтируется и управляется в соответствии с изменением напряжения генератора, для поддержания его на номинальном значении.

Чтобы быть точным, тиристорная схема шунта управляется сигналом открытия тиристора автоматического регулятора напряжения ТРН. Если напряжение генератора повышается сверх номинального значения, угол открытия тиристора увеличивается также, повышается шунтовой ток. Если напряжение генератора падает, угол открытия тиристора уменьшается, чтобы увеличить напряжение генератора. Когда реактор X и емкость ЗС образуют резонанс, влияние сопротивления ОВГ на систему управления сведено к минимуму.

В схеме улучшена и температурная стабилизация, поэтому первоначальное самовозбуждение СГ достигается легко.

ТРН получает питание от трансформатора РТ, пониженное напряжение которого пропорционально текущему напряжению генератора.

Если текущее напряжение генератора выше его заданного значения, АРН увеличивает фазный угол управляющего электрода, предназначенного для того, чтобы увеличить шунтирующий ток тиристора. Когда напряжение СГ падает, ТРН работает так, чтобы уменьшить шунтирующий ток тиристора задержкой подачи управляющего импульса. При этом If и Uг увеличиваются пропорционально углу открытия тиристора.

Схема самовозбуждения СГ включает комбинацию упомянутого основного тока возбуждения и шунтовой схемы тиристора. В этом разделе детализирована основная цепь самовозбуждающегося СГ.

Схема, представленная на рис. 4.1, может быть заменена однофазной эквивалентной схемой; как показано на рис. 4.2, где:

jX — реактивное сопротивление реактора в фазе;

jXc — реактивное сопротивление конденсатора в фазе;

Rf — эквивалентное сопротивление ОВГ;

Th — тиристор шунтирующей цепи.

Рис. 4.2. Однофазная эквивалентная схема

Со ссылкой на эквивалентную схему, показанную выше, ток возбуждения СГ может быть выражен следующим уравнением.

.

Если Х=Хс, то есть, когда реактор и конденсатор находятся в резонансе, ток возбуждения СГ может быть получен таким образом.

.

Ток возбуждения if не имеет никакого отношения к сопротивлению Rf обмотки возбуждения генератора. Поэтому изменением сопротивления ОВГ из-за повышения температуры можно пренебречь.

Рис. 4.3 показывает векторную диаграмму зависимости тока возбуждения СГ if от тока нагрузки генератора Ig. Коэффициент трансформации токового трансформатора СТ выбран так, чтобы достигнуть результирующего тока ОВГ, требуемого на время полной нагрузки с реактивным сопротивлением X, и так, чтобы ток холостого хода if0 = V/jX падал при отсутствии нагрузки. Таким образом, теоретически, система возбуждения может поддерживать постоянство напряжения генератора независимо от нагрузки и коэффициента мощности.

Рис. 4.3. Векторная диаграмма зависимости тока возбуждения
if от тока нагрузки генератора Ig

Схема тиристорного шунта (рис. 4.4) состоит из тиристора Th, шунтового резистора Rs и трёхфазного блока силовых выпрямителей MR.

Рис. 4.4. Тиристорная схема шунта

Выходной ток if трехобмоточного трансформатора TWT состоит из 2-х компонентов: тока обмотки возбуждения возбудителя if и тока шунта ITh:

if = (If – Ith)K.

 

В этой системе Ith управляется сигналом открытия тиристора.

На рис. 4.5 представлена вольт-амперная характеристика (а), условное обозначение (b) и цепь включения тиристора (с). Рассмотрим вольт-амперную характеристику тиристора подробно. Линия нагрузки MN имеет 3 отрезка в точках J, K, L, и только в точках J и L работа тиристора является устойчивой.

Рис. 4.5. Тиристор

Вообще, когда сигнал открытия тиристора отсутствует и ток не проходит через тиристор, рабочая точка лежит на лини ОJА. Если сигнал подан, когда тиристор работает, точка J, рабочая точка будет сдвинута к точке L. Эта вновь установленная точка не может быть сдвинута назад даже, когда сигнала открытия тиристора нет. Именно это требуется, чтобы ток проходил ниже линии ON для того, чтобы характеристика проходила по линии OJA. Этот минимальный ток (ON) называется удерживающим током.

В реальной схеме тиристорного шунта — это не что иное, как напряжение тиристора Vsi представленное на рис. 4.6, или фрагмент заштрихованной части синусоиды тиристорного напряжения.

Когда управляющий импульс находится в точке N, сопротивление тиристора уменьшается почти до нуля, посредством чего тиристор пропускает ток, обусловленный величиной собственного сопротивления, а также напряжением, соответствующим заштрихованной секции между В и D, т.е. также изменяется до нуля. Если, с другой стороны, управляющий импульс проходит в точке С, ток, соответствующий заштрихованной части, между С и D, проходит через тиристор. В этот период напряжение тиристора также уменьшается до нуля, т.о., с увеличением угла открытия тиристора, уменьшается шунтирующий ток.

Рис. 4.6. Эпюры напряжения и импульсного тока тиристора

Именно управляя углом открытия тиристора, можно регулировать напряжение генератора.

Автоматический регулятор напряжения состоит из двух печатных плат. Одна из них включает в себя:

§ PI-контроллер, который усиливает ошибку сигналов, полученных в отношении к напряжению генератора и посылает управляющие сигналы в цепь сдвига фаз;

§ цепь сдвига фаз, которая посылает управляющие сигналы к тиристору под нужным фазным углом;

§ импульсный усилитель, который усиливает выход цепи сдвига фаз.

Другая плата (RPO-87) состоит из выпрямителя напряжения генератора и цепи защиты от сверхнапряжения, которая ограничивает ток короткого замыкания.

Рассмотрим принципиальную схему АРН (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Принципиальная схема АРН типа TR

Контроллер. Основной составной частью PI-контролера является усилитель постоянного тока, называемый МР (микропак), в котором IС (интегральная схема) усилителя постоянного тока и стабилизирующая RC цепь собраны в один пак. На рис. 4.8 представлена принципиальная схема PI-контролера. DC-усилитель питается постоянным током (P) и (N), который получается выпрямлением (U) и стабилизацией (ZD) выходного напряжения СГ.

Выходная цепь DC-усилителя сравнивает текущее напряжение генератора с заданным, которое устанавливается внешним резистором EVA. Эти две входные величины дают их разность или дифференциал. Именно эта результирующая величина усиливается DC- усилителем. Выход DC-усилителя совместно с цепочкой RC образуют отрицательную обратную связь — ООС и замкнутую цепь управления, включая DC-усилитель, когда PI-управ­ление комбинируется с СГ.

Рис. 4.8. Принципиальная схема PI-контроллера

Стабильность системы регулирования можно повысить, т.к. коэффициент усиления регулируется потенциометром VRp, а время интегрирования — конденсатором С1 (комбинированное управление).

На рис. 4.9 показана выходная характеристика напряжения PI‑контроллера (вход-выход).

Рис. 4.9. Выходная характеристика напряжений PI-контроллера

Цепь сдвига фаз. Выходное напряжение от PI-контролера является входным для цепи сдвига фаз, которая посылает импульсы открытия тиристора. Входное напряжение с PI-управления приложено между базой Т1 и М (OV). Соответственно, значение напряжения эмиттер-коллекторного перехода транзистора зависит от величины выходного напряжения PI-управления. Т.о. скорость зарядки конденсатора пропорциональна входному напряжению. Когда потенциал конденсатора достигает напряжения зарядки составного транзистора UJT, цепь между базами В1 и В2 станет проводимой. Выходной импульс UJT усили