У турбогенераторов система возбуждения является неотъемлемой частью, и от надежности ее 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 щеток подводится постоянный ток.
Мощность источника возбуждения составляет обычно 0,3— 1 % мощности турбогенератора, а напряжение возбуждения 115—575 В. Чем больше мощность турбогенератора, тем выше напряжение и тем меньше относительная мощность возбудителя.
Системы возбуждения турбогенераторов можно разделить на два типа: независимое (прямое) возбуждение и зависимое (косвенное) возбуждение (или так называемое самовозбуждение).
К первому типу относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом турбогенератора (рис. 2-7). Ко второму типу относятся системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы (рис. 2-8,а) и отдельно установленные электромашинные возбудители, вращаемые двигателями переменного тока, питающимися от шин собственных нужд станции (рис. 2-8,б).
Электромашинные возбудители постоянного тока (рис. 2-7,а) применяются обычно на турбогенераторах мощностью до 100—150 МВт, так как при большей мощности их и при частоте вращения 3000 об/мин эту систему возбуждения трудно выполнить из-за тяжелых условий работы коллектора и щеточного аппарата (ухудшение условий коммутации). Поэтому на турбогенераторах большой мощности (165—500 МВт) применяется высокочастотное или ионное возбуждение, а также редукторное соединение возбудителя с генератором. Последний вид возбуждения применен на турбогенераторах ТВМ-300.
Принцип работы высокочастотного возбуждения (рис. 2-7,б) заключается в том, что на одном валу с генератором вращается высокочастотный генератор трехфазного тока 500 Гц, который через полупроводниковые выпрямители В подает выпрямленный ток на кольца ротора турбогенератора. При этой системе возбуждения исключается влияние изменения режимов работы внешней сети на возбуждение генератора, что повышает его устойчивость при к. з. в энергосистеме. Этот тип возбуждения применен на турбогенераторе ТВВ.
Рис. 2-7. Принципиальные схемы независимого возбуждения генераторов.
а — электромашинное; б — высокочастотное; СГ — синхронный генератор; ВГ — возбудитель постоянного тока; ВЧГ — высокочастотный генератор; ПВ — подвозбудитель; В — выпрямитель.
Рис. 2-8. Принципиальные схемы зависимого возбуждения генераторов.
а — ионное; б — электромашинное; ВТ — вспомогательный трансформатор; АД — асинхронный двигатель. Остальные обозначения см. на рис. 2-7.
Системы возбуждения с управляемыми ртутными выпрямителями называют обычно системами «ионного возбуждения». Раньше данная система применялась только на гидрогенератоpax, а в настоящее время она нашла применение на мощных турбогенераторах, причем на ТГВ мощностью 200 и 300 МВт она выполнена по схеме самовозбуждения (рис. 2-8, а) с питанием ртутных выпрямителей от специального трансформатора ВТ, подключенного к шинам генераторного напряжения, а на ТГВ-500 управляемые ртутные выпрямители питаются от генератора переменного тока (турбовозбудителя) типа СТВ-12, соединенного непосредственно с валом турбогенератора (схема независимого ионного возбуждения).
В последнее время благодаря развитию полупроводниковой техники вместо ртутных выпрямителей применяют управляемые полупроводниковые диоды — тиристоры, что повышает надежность системы возбуждения, увеличивает срок службы и упрощает эксплуатацию.
Во всех рассмотренных выше системах возбуждения постоянный ток к обмотке возбуждения подводится с помощью контактных колец и щеток. Такая контактная система недостаточно надежна, особенно при токах возбуждения 3000 А и более (генераторы мощностью 300 МВт и больше). В связи с этим перспективной является система бесщеточного возбуждения, не обладающая указанными недостатками.
Такая система возбуждения будет применена на ТВВ-1200, устанавливаемом на Костромской ГРЭС. В этой системе возбуждения нет подвижных контактных соединений и в качестве возбудителя используется вспомогательный генератор особой конструкции: его обмотка возбуждения расположена на неподвижном статоре, а обмотка трехфазного переменного тока — на вращающемся роторе. Ток от вращающейся обмотки переменного тока вспомогательного генератора подводится через проводники, закрепленные на валу, к вращающемуся полупроводниковому (обычно кремниевому) выпрямителю, а выпрямленный ток подводится непосредственно к обмотке возбуждения основного генератора.
На случай повреждения системы возбуждения турбогенераторов предусматривается установка резервных возбудителей: по одному на станцию при единичной мощности генераторов до 100 МВт включительно и один на четыре генератора при единичной мощности 160 МВт и выше [23]. В качестве резервного возбудителя устанавливают генераторы постоянного тока, приводимые во вращение асинхронными двигателями, подключенными к шинам с. н. станции (рис. 2-8,б).
Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) служит для поддержания напряжения у генераторов и на шинах станции при изменениях нагрузки и быстрого повышения возбуждения генераторов при к. з. Необходимо отметить, что быстрое увеличение возбуждения генератора при к. з. в сети помогает сохранить устойчивость параллельной работы, ускорить восстановление напряжения у потребителей после отключения к. з.
Простейшим автоматическим устройством, предназначенным для быстрого увеличения возбуждения синхронных генераторов в аварийном режиме, является релейная форсировка возбуждения. Принцип действия ее состоит в том, что при резком снижении напряжения на зажимах генератора (при к. з.) реле минимального напряжения PH замыкает свои контакты и приводит в действие промежуточный контактор КП, который при включении закорачивает (шунтирует) сопротивление шунтового реостата ШР в цепи возбудителя. В результате ток возбуждения быстро возрастает до некоторого максимального значения, следовательно, и возбуждение генератора увеличивается до предельного значения (рис. 2-9).
Согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ) все генераторы независимо от их мощности и напряжения должны иметь устройство релейной форсировки возбуждения, а генераторы мощностью 3 МВт и выше должны также иметь и автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) для поддержания напряжения в нормальном режиме. Наиболее распространенными являются устройства компаундирования в сочетании с корректором напряжения.
Устройство компаундирования основано на принципе подпитки обмотки возбуждения возбудителя дополнительным током, пропорциональным току статора генератора. Оно состоит из измерительного трансформатора тока ТТ, вспомогательного трансформатора ТВ, выпрямителя В и установочного реостата УР, служащего для настройки компаундирующего устройства.
Рис. 2-9. Схема устройства компаундирования с электромагнитным корректором напряжения.
Однако это устройство не обеспечивает стабильности напряжения генератора при колебании его на шинах станции. Для этой цели устройство компаундирования дополняется корректором напряжения, который питается через установочный автотрансформатор УАТ от трансформатора напряжения TH. На выходе корректора создается выпрямленный ток Iкор, который поступает в добавочную обмотку возбуждения возбудителя ОВВ-2 в том или другом направлении, усиливая или уменьшая основной ток возбуждения возбудителя.
