§ 41. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ (СТАБИЛИЗАЦИЯ) НАПРЯЖЕНИЯ СЭС
Причины снижения напряжения на зажимах генераторов под влиянием нагрузки рассматривались в курсе «Общая электротехника». Напомним, что напряжение генераторов постоянного тока изменяется вследствие падения напряжения на сопротивлении обмотки якоря, Изменения частоты вращения первичного двигателя, влияния магнитного потока обмотки якоря на поток возбуждения (реакции якоря), зависимости тока возбуждения от напряжения генератора. Последняя причина отсутствует у генераторов независимого возбуждения.
Напряжение синхронных генераторов при изменении нагрузки меняется вследствие тех же причин, что и у генераторов постоянного тока. В самом деле, здесь также существует и падение напряжения в обмотках статора, и уменьшение частоты вращения первичных двигателей, и влияние потока, созданного током статора, на поток возбуждения. Отличие заключается в том, что, во- первых, обмотка статора синхронного генератора, кроме активного сопротивления, обладает индуктивным сопротивлением рассеяния, а во-вторых, физическая картина реакции якоря сложнее, чем у генераторов постоянного тока.
Из курса «Общая электротехника» известно, что поток, созданный током обмотки статора синхронного генератора (поток реакции якоря), всегда вращается с такой же частотой, что и ротор. При активной нагрузке на генератор (ток статора совпадает по фазе с напряжением) поток реакции якоря направлен перпендикулярно потоку, созданному обмоткой ротора. В данном случае взаимодействие потоков напоминает реакцию якоря у генераторов постоянного тока. Строго говоря, здесь следовало бы иметь в виду взаимодействие намагничивающих сил, однако представление о взаимодействии потоков отличается большей наглядностью. Реакция якоря при активной нагрузке, называемая поперечной, оказывает относительно малое влияние на напряжение генератора.
При индуктивной нагрузке (ток статора отстает от напряжения генератора по фазе на 90 град) поток реакции якоря направлен навстречу потоку, созданному обмоткой ротора, что приводит при увеличении нагрузки на генератор к резкому уменьшению результирующего потока возбуждения. Такая реакция называется продольной размагничивающей. Она оказывает сильное влияние на напряжение генератора.
Рис. 99: График зависимости напряжения от тока нагрузки при различных коэффициентах мощности у синхронных генераторов
Случай работы синхронного генератора с емкостной нагрузкой практически значения не имеет, однако напомним, что при этом ток статора опережает по фазе напряжение на 90 эл. град, а поток, созданный током статора, действует согласно с потоком обмотки возбуждения. Такая реакция, называемая продольной подмагничивающей, увеличивает напряжение генератора.
В реальных судовых условиях нагрузка на генераторы является активно-индуктивной, т. е. смешанной, и характер ее определяется коэффициентом мощности cosφ (где φ — угол, на который ток отстает по фазе от напряжения генератора).
На рис. 99 приведены внешние характеристики синхронного генератора для различных значений cosφ. Они показывают, что напряжение генератора сильно зависит как от значения нагрузки, так и от ее характера. Это обстоятельство является очень важным при изучении некоторых принципов автоматического регулирования напряжения.
Одним из важнейших показателей качества электроэнергии, вырабатываемой на электростанции, является поддержание постоянства (стабилизация) напряжения на шинах ГРЩ с заданной точностью при изменении величины и характера нагрузки на генераторы. От этого в большой степени зависит нормальная работа практически всех потребителей электроэнергии. Для примера напомним, что вращающий момент Асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети. Снижение напряжения приводит к увеличению скольжения ротора (возможна остановка его), а значит, к увеличению потерь энергии, что в конечном счете может привести к перегоранию обмоток асинхронного двигателя. Количество тепла, выделяемое нагревательными приборами, также пропорционально квадрату напряжения сети. От напряжения сети сильно зависит световой поток ламп накаливания и срок службы всех источников света и электронных ламп.
Требования Регистра СССР.
Нагрузка на генераторы может изменяться плавно или скачкообразно. В Правилах Регистра СССР учитываются оба случая применительно к различным типам генераторов. Так, при изменении нагрузки на генераторы переменного тока плавно от холостого хода до номинальной при номинальном коэффициенте мощности должно поддерживаться номинальное напряжение с точностью ±2,5%. При этом допускается поддержание номинального напряжения с точностью ±3,5, если коэффициент мощности не номинальный, но не ниже 0,6.
Такая точность обеспечивается применением АРН. Вместе с тем если нагрузка на генераторы изменяется скачкообразно, то никакой регулятор вследствие неизбежного запаздывания не сможет удержать напряжение с указанной точностью. В этом случае при скачкообразном увеличении нагрузки происходит кратковременный провал напряжения, а при уменьшении — кратковременный всплеск его. Провал напряжения должен быть не более 15%, а всплеск — не более 20% номинального напряжения генератора. Автоматический регулятор должен восстанавливать номинальное напряжение в течение 1,5 с с точностью ±3%.
Следует отметить, что на современных судах с электростанциями переменного тока скачкообразное изменение нагрузки связано с пуском относительно мощных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей. Очень часто осуществляется так называемый прямой пуск, т. е. пуск без ограничения пускового тока. Пусковой ток достигает семикратного значения по сравнению с номинальным током электродвигателя и в отдельных случаях может намного превосходить номинальный ток генератора. Если в этом случае провал напряжения превышает 15%, то приходится применять какой-либо способ, ограничивающий пусковой ток.
Кратковременный провал напряжения, выходящий за допустимые пределы, опасен тем, что в этот момент могут отключиться различные контакторы и реле в схемах управления электроприводами, нарушив их нормальную работу. Недопустимо самопроизвольное отключение, скажем, масляного насоса главного двигателя, электропривода рулевого устройства и т. д.
Напряжение генераторов постоянного тока должно поддерживаться номинальным с точностью ±2,5% при изменении нагрузки на них от холостого хода до номинальной. Внешняя характеристика генератора постоянного тока со смешанным возбуждением обеспечивает такую точность, а генераторы с параллельным и независимым возбуждением можно использовать только с автоматическим регулятором напряжения. В судовых электростанциях постоянного тока, как правило, применяют генераторы со смешанным возбуждением.
В Правилах Регистра СССР не оговаривается допустимый провал напряжения при скачкообразном изменении нагрузки на генераторы постоянного тока. Объясняется это тем, что у таких генераторов провал напряжения при набросе 100%-ной нагрузки обычно не превышает 10%. Кроме того, здесь почти отсутствуют причины скачкообразного изменения нагрузки, так как электродвигатели постоянного тока пускаются через реостат и пусковой ток не превышает 2,5 Iн. И, наконец, контакторы и реле постоянного тока отключаются только при снижении напряжения до 30— 40% Uн.
Стабилизация напряжения.
На шинах ГРЩ СЭС переменноного тока стабилизация напряжения возможна только в том случае, если каждый синхронный генератор станции снабжен автоматическим регулятором напряжения.
Угольный регулятор напряжения.
В свое время были широко распространены угольные регуляторы напряжения типа РУН. В настоящее время они еще встречаются на судах старой постройки и некоторых современных судах в аварийной электростанции. Угольный регулятор отличается простотой, невысокой стоимостью, малыми размерами и массой. Он обеспечивает достаточную точность регулирования и может применяться для регулирования напряжения генераторов переменного и постоянного тока.
Серьезным недостатком угольных регуляторов напряжения является их малое быстродействие. При скачкообразном набросе нагрузки на генератор происходит мгновенный провал напряжения. Время восстановления напряжения и характеризует быстродействие регулятора. Наличие подвижных частей у регуляторов типа РУН и возбудителя затягивает переходный процесс восстановления напряжения до 1,5 с и более. Вследствие этого угольные регуляторы позволяют осуществлять прямой пуск только асинхронных двигателей, мощность которых существенно мала по сравнению с мощностью генераторов электростанции. При пуске относительно мощных электродвигателей приходится ограничивать пусковой ток, иначе не выполняется требование в отношении провала напряжения и времени его восстановления. Надежность угольных регуляторов снижают угольные шайбы, которые разрушаются при сильной вибрации и тряске.
Кроме автоматических регуляторов типа РУН, существуют электромашинные и электронные АРН. Однако из-за относительной сложности они не нашли распространения на судах.
Автоматическая стабилизация напряжения синхронных генераторов с самовозбуждением.
Недостатки, присущие угольным регуляторам, привели к разработке новых принципов регулирования напряжения. Наиболее популярна идея, положенная в основу регулирования напряжения генераторов постоянного тока смешанного возбуждения, у которых ток нагрузки участвует в создании определенной части намагничивающей силы возбуждения. Использование этого принципа в синхронных генераторах усложняется двумя обстоятельствами. Во-первых, намагничивающая сила возбуждения генератора создается постоянным током, а ток нагрузки является переменным. Во-вторых, напряжение на зажимах синхронных генераторов, как уже отмечалось, зависит не только от величины, но и от характера нагрузки. Следовательно, для поддержания напряжения генератора постоянным с заданной точностью необходимо, чтобы его ток возбуждения зависел как от величины тока статора, так и от его фазы, т. е. от коэффициента МОЩНОСТИ;
Регуляторы, в которых осуществляется этот принцип, получили название систем амплитудно-фазового регулирования (компаундирования). Их можно применять для генераторов переменного тока с независимым возбуждением и с самовозбуждением.
Рис. 100. Синхронный генератор с ПАФР с самовозбуждением
В последнем случае такие регуляторы называются системами прямого амплитудно-фазового регулирования (ПАФР).
На современных судах системы ПАФР нашли самое широкое применение.
Рассмотрим для примера наиболее простой вариант рассматриваемой системы (рис. 100), разработанный заводом «Элмо» в г. Дессау (ГДР) и применяемый на больших сериях судов типов «Андижан», «Повенец», «Пионер», «Михаил Калинин», «Выборг», «Варнемюнде», «Художник Сарьян».
Процесс самовозбуждения происходит так же, как у генераторов постоянного тока. Полюса ротора, на которых расположена обмотка возбуждения, приобретают остаточное намагничивание. При вращении ротора в обмотках статора индуктируется небольшая э. д. с. (5—7 В) за счет потока остаточного намагничивания. Под действием этой э. д. с. через трехфазный дроссель Др (индуктивное сопротивление), полупроводниковый выпрямитель ВП и обмотку возбуждения генератора ОВГ потечет ток, который увеличит, поток возбуждения. В результате увеличится э. д. с. в обмотках статора, еще более увеличится ток возбуждения и т. д. Процесс самовозбуждения протекает лавинообразно до номинального напряжения генератора.
Здесь следует обратить внимание на то, что надежность самовозбуждения зависит от наличия остаточного намагничивания железа ротора. Сильная вибрация и удары могут привести к исчезновению остаточного намагничивания, особенно у генераторов, выведенных из эксплуатации на длительное время. В этом случае начальное возбуждение можно осуществить от источника постоянного тока, например от аккумуляторной батареи БА, подключив ее кратковременно (см. рис. 98 и 100, а).
При работе возбужденного генератора на холостом ходу возбуждение его осуществляется только за счет тока ΙV, пропорционального напряжению генератора и проходящего через дроссель Др. При работе генератора под нагрузкой во вторичных обмотках трансформатора тока ТрТ потечет ток ΙI пропорциональный току нагрузки IН генератора. Происходит электрическое сложение токов ΙV и II, а результирующий ток Iр после выпрямления и будет являться током возбуждения генератора.
Из схемы нетрудно видеть, как изменение значения нагрузка приводит к изменению тока возбуждения генератора. Влияние же характера нагрузки на ток возбуждения генератора поясняется векторной диаграммой (рис. 100, б).
Ток нагрузки IΗ отстает от напряжения U генератора на угол φ. На такой же угол отстает от напряжения и пропорциональный току нагрузки ток ΙV. Благодаря наличию дросселя ток ΙV отстает от напряжения генератора на угол, равный почти 90°. В результате геометрического сложения токов ΙV и ΙI получается ток Ip. При изменении характера нагрузки, например при уменьшении коэффициента мощности от cosφ1 до cosφ2, векторы ΙΗ и v поворачиваются на угол φ2, но результирующий вектор Ζρ при этом увеличивается, т. е. увеличивается ток возбуждения генератора.
На судах применяют различные системы ПАФР как отечественного, так и зарубежного производства. Принципиально они выполняют одни и те же задачи и различаются лишь техническим решением отдельных узлов. Так, для получения сдвига тока на угол 90° иногда вместо дросселей применяют конденсаторы. В некоторых системах токи ΙV и ΙI суммируются не электрическим, а электромагнитным путем с использованием многообмоточных трансформаторов.
Для повышения точности регулирования напряжения и для лучшего распределения реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами довольно часто одновременно с амплитудно-фазовым регулированием применяют корректор напряжения, который осуществляет дополнительное регулирование по отклонению напряжения генератора.
Главное достоинство систем ПАФР заключается в их высоком быстродействии и точности регулирования. Провал напряжения восстанавливается за доли секунды. Благодаря этому стало возможным производить прямой пуск асинхронных короткозамкнутых электродвигателей, мощность которых составляет более 25% мощности генератора электростанции. Важным до£тоинством генераторов с самовозбуждением является отсутствие возбудителя — электрической машины постоянного тока, требующей особого ухода за коллектором и щеточным аппаратом. Система ПАФР состоит из статических элементов, что принципиально предопределяет ее высокую надежность.
На отечественных судах переход от угольных регуляторов напряжения к системам ПАФР был сделан не сразу. В 1955 г. Институт электротехники АН УССР разработал автоматический регулятор напряжения типа УБК. В нем также использовался принцип амплитудно-фазового регулирования, но применительно к синхронным генераторам с независимым возбуждением, что позволило заменять угольные регуляторы более совершенными без замены самих генераторов на уже построенных судах.
Применение управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) и полупроводниковых триодов (транзисторов) в системах автоматического регулирования напряжения позволяет еще больше повысить быстродействие, точность и надежность регуляторов, уменьшить их массу и размеры, повысить устойчивость параллельной работы генераторов и улучшить распределение реактивной нагрузки между ними.
Тиристорные АРН.
Такие регуляторы чаще всего действуют по отклонению регулируемой величины — напряжения генератора. Регулирующим органом является управляемый полупроводниковый выпрямитель, напряжение на выходе которого изменяется в широких пределах в зависимости от угла а регулирования (открытия) тиристоров. Следовательно, при уменьшении напряжения на зажимах генератора измерительный орган регулятора воздействует на уменьшение угла а, что приводит к увеличению тока возбуждения генератора.
В качестве примера рассмотрим систему автоматического регулирования (САР) напряжения генераторов банановоза «Марина Раскова» (рис. 101, I). Для удобства изучения схему регулятора можно представить в виде отдельных функциональных блоков.
Блок управляемого выпрямителя (БУВ), питающий обмотку возбуждения генератора и меняющий свое напряжение при изменении напряжения генератора, собран по однофазной мостовой схеме на двух управляемых полупроводниковых вентилях В1 и В2 и двух тиристорах Т1 и Т2. Со стороны переменного тока к нему подводится фазное напряжение генератора, а выпрямленное напряжение подается на обмотку возбуждения ОВГ. Кроме силовых вентилей, в этот блок входят дроссели Др3, Др4, Др5, плавкие быстродействующие предохранители Пр1 и Пр2, вспомогательные диоды Д7, Д8, реле Р и цепи R—С.
Блок формирования управляющих импульсов (БФУИ) вырабатывает импульсы, поступающие на управляющие электроды тиристоров Τ1 и Т2 с определенной задержкой, на которую влияет отклонение напряжения генератора от номинального значения. Эти импульсы вырабатываются двумя самовозбуждающимися блокинг-генераторами, выполненными на транзисторах ΠΠ1 и ПП2. В цепи коллекторов, обоих транзисторов включены первичные обмотки импульсных трансформаторов ТрИ1 и ТрИ2. При открытии транзистора ПП1 или ПП2 во вторичной выходной обмотке импульсного трансформатора ТрИ1 или ТрИ2 возникает последовательность импульсов, которые через диоды Д3 или Д4 подаются на управляющие электроды соответствующих тиристоров. Базовые обмотки импульсных трансформаторов осуществляют через резисторы R12 и R13 обратную связь блокинг-генераторов.
Питание коллекторных цепей блокинг-генераторов осуществляется от вторичных полуобмоток трансформатора ТрН3 через однополупериодные выпрямители на диодах В3 и В4. Стабилитроны Ст3 и Ст4 и балластный резистор R3 стабилизируют напряжение (рис. 101, II, а—г). Транзисторы ПП1 и ПП2 открываются в том случае, когда на их базы подаются отрицательные напряжения с резисторов R8 и R9, включенных во вторую вторичную обмотку трансформатора ТрН3. Благодаря наличию в цепи этой обмотки дросселя Др2 напряжение на резисторах R8 и R9 отстает от напряжения фазы генератора, а следовательно, и от напряжения на тиристорах на угол 80°.
Рис. 101. Тиристорная САР напряжения синхронного генератора с самовозбуждением
Кроме того, в блок БФУИ входят диоды Д1, Д2, Д5, Д6 (см. рис. 101, I) резисторы R10, R11, R14, R15, стабилитроны Ст5 и Ст6.
Блок измерения напряжения (БИН) генератора обеспечивает получение дополнительного постоянного напряжения, пропорционального изменению напряжения генератора, для подачи его на базы транзисторов ПП1 или ПП2 й регулирования момента открывания блокинг-генераторов.
Трехфазное напряжение генератора через понижающий трансформатор ТрН2 подводится на выпрямитель ВП2. Нагрузкой выпрямителя является мост, состоящий из резисторов R6 и R7 и стабилитронов Ст1 и Ст2, которые находятся под обратным напряжением. Стабилитроны выполняют здесь роль нелинейных резисторов. На рис. 101, II, г показаны вольт-амперные характеристики резисторов R6 и R7 и стабилитронов. Вольт-амперная характеристика резисторов представляет собой прямую линию, следовательно, сопротивление этих резисторов не зависит от приложенного напряжения. Напротив, вольт-амперная характеристика стабилитронов имеет ярко выраженный нелинейный характер, показывающий, что с увеличением приложенного напряжения сопротивление стабилитронов резко уменьшается.
Характеристики стабилитронов и резисторов подобраны таким образом, что при номинальном напряжении генераторов UΓ=г.н выполняется условие R6 R7= Rст1 Rст2, и при этом мост уравновешен и напряжение диагонали места UB>r равно нулю. При отклонении напряжения генератора от номинального в ту или иную сторону соответственно увеличивается или уменьшается сопротивление стабилитронов и между точками в и г появляется напряжение той или иной полярности.
Выпрямитель ВП2 дает незначительную пульсацию выпрямленного напряжения, которое еще более сглаживается дросселем Др1. Резистор R2 позволяет изменять уставку напряжения генератора.
Блок распределения реактивной нагрузки (БРРН) при одиночной работе генератора не принимает участия в процессе регулирования напряжения. Он действует только при параллельной работе генераторов, осуществляя равномерное распределение реактивной нагрузки между ними. В блок входят трансформатор напряжения ТрН1, трансформатор тока ТрТ, выпрямитель ВП1, резисторы R4 и R5.
Работа схемы.
Задача сводится к тому, чтобы при изменении напряжения генератора соответственно изменялся угол регулирования тиристоров, что, в свою очередь, приведет к увеличению или уменьшению тока возбуждения генератора.
Но прежде чем рассмотреть этот процесс последовательно, следует кратко остановиться на самовозбуждении генератора. Как и в системах ПАФР, самовозбуждение генератора здесь происходит за счет остаточного намагничивания железа ротора и протекает лавинообразно. Однако в данном случае условия самовозбуждения осложняются тем обстоятельством, что БФУИ вырабатывает управляющие импульсы только тогда, когда напряжение на зажимах генератора уже достигнет определенной величины. Для того чтобы процесс самовозбуждения мог развиваться успешно, на управляющие электроды тиристоров подается положительный потенциал непосредственно с их анодов через дроссели Др4 и Др5, диоды Д7 и Д8 и размыкающие контакты реле Р. При этом угол α равен нулю и выпрямитель работает как неуправляемый. Нарастание, тока возбуждения генератора приводит к срабатыванию реле Р, катушка которого включена последовательно с ОВГ. Контакты реле размыкаются, и управление тиристорами переключается на БФУИ.
Работу схемы при регулировании напряжения рассмотрим на примере управления тиристором Т1. Управление тиристором Т2 происходит аналогично во вторую половину периода. Все общие напряжения, являющиеся положительными по отношению к тиристору Т1 и транзистору ПП1, являются отрицательными по отношению к тиристору Т2 и транзистору ПП2, и наоборот. Исключение составляет напряжение Uв,г полярность которого по отношению к базам обоих транзисторов одинакова.
При номинальном напряжении генератора, как уже отмечалось, напряжение Uв,г равно нулю и на базу транзистора подается лишь синусоидальное напряжение UR8 с соответствующим фазовым сдвигом (см. рис. 101, II, в). В момент перехода этого напряжения через нуль в отрицательную часть полупериода транзистор ΠΙΊ1 открывается и на вторичной обмотке трансформатора ТрИ1 появляется серия импульсов, открывающих тиристор T1. В принципе тиристор может открываться и одним импульсом, но в данном случае блокинг-генератор в течение почти полупериода вырабатывает серию коротких прямоугольных импульсов, обеспечивающих наиболее оптимальный режим работы тиристора. Угол регулирования α=80°, и тиристор Т1 пропускает только часть (заштрихованную) положительной полуволны напряжения (см. рис. 101, II, а).
Если напряжение генератора уменьшается, то между точками в и г появляется напряжение (—Uв,г), поступающее на базу транзистора ПП1 и отрицательное по отношению к ней. Сложение этого напряжения с напряжением UR8 (см. рис. 101, II, в) приводит к тому, что транзистор ПП1 начинает открываться раньше, т. е. угол α уменьшается до значения α2, а среднее значение выпрямленного напряжения БУВ увеличивается.
Если напряжение генератора увеличивается по сравнению с номинальным, то напряжение Uв,г становится положительным по отношению к базе транзистора ПП1. Сложение напряжений с Ur8 приводит к тому, что транзистор ПП1 начинает открываться позднее. Это значит, что угол α увеличивается до значения α1, а среднее выпрямленное напряжение и ток возбуждения генератора уменьшаются.
Эксплуатация существующих тиристорных систем возбуждения на судах подтверждает их высокие технико-эксплуатационные показатели.
