Глава 4
СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
§ 11. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Во всех режимах функционирования СЭС изменяется нагрузка приемников электроэнергии, что вызывает отклонение напряжения СГ. В установившихся режимах при плавном изменении нагрузки напряжение СГ‘ изменяется незначительно, а в переходных режимах, при резком изменении нагрузки — значительно. Затем через определенное время оно восстанавливается до номинального значения.
Системы стабилизации напряжения (ССН) генераторов постоянного и переменного тока должны поддерживать в установившихся режимах напряжение СГ с точностью ±2,5% для диапазона нагрузок от холостого хода до номинальной при изменении cos φ от 0.2 до 0,4. В переходных режимах при набросе на СГ 100% номинального тока и сбросе его или при сбросе 50% номинального тока максимальное изменение напряжения должно быть не более 20% и восстанавливаться до номинального значения с точностью ±2,5% за 1,5 с (при coscp не более 0,4).
Рис. 17. График изменения напряжения СГ при внезапном приложении нагрузки.
Основным и наиболее сложным случаем внезапного изменения нагрузки на СГ является прямой пуск асинхронных короткозамкнутых электродвигателей (АКД), мощность которых соизмерима с мощностью СГ. В первый момент включения пусковые токи электродвигателей достигают 5—7 /ном. Большие пусковые токи вызывают резкое понижение напряжения судовой сети, что может привести к снижению моментов и частоты вращения работающих электродвигателей или их отключению. Подобные процессы происходят при внезапном включении или отключении нагрузки, а также при коротких замыканиях в судовой сети.
Процесс изменения напряжения СГ под влиянием пусковых токов АКД характеризуется несколькими периодами (рис. 17).
В первый момент при включении АКД напряжение СГ мгновенно падает вследствие индуктивного падения напряжения в обмотке статора СГ и размагничивающего действия реакции статора. Это мгновенное падение напряжения не зависит от быстродействия систем ССН и в основном определяется параметрами СГ и приложенной нагрузкой.
При отсутствии ССН после мгновенного падения напряжения происходит его дальнейшее падение, определяемое в основном индуктивными сопротивлениями генератора по продольной оси. При наличии ССН быстро нарастает ток возбуждения генератора и повышается напряжение СГ.
В основе переходных процессов в СГ при включении асинхронной нагрузки, соизмеримой с мощностью генератора, лежит принцип постоянства потокосцеплений его обмоток. При нарушении установившегося режима ток возбуждения генератора изменяется скачкообразно и потокосцепление обмоток возбуждения, зависящее от тока статора по продольной оси и тока возбуждения, остается неизменным. Вследствие этого э.д.с. СГ за переходным индуктивным сопротивлением Е, определяемая потокосцеплением обмотки возбуждения, не может изменяться мгновенно из-за свободного тока, н в начальный момент нарушения режима СГ остается неизменной. По мере затухания свободного тока в обмотке возбуждения генератора э.д.с. Е также затухает.
Рис. 18. Осциллограмма пуска асинхронного электродвигателя от СГ типа МСК
Для пояснения процессов изменения напряжения UT, тока статора , тока возбуждения и частоты f СГ на рис. 18 приведена осциллограмма пуска АКД мощностью 40 кВт при холостом ходе СГ типа МСК мощностью 150 кВт, напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Из осциллограммы видно, что максимальное снижение напряжения AU при пуске двигателя составляет 0,3 Uном, время полного восстановления напряжения до номинального значения — 1,4 с, частота в начальный момент резко снижается, затем медленно восстанавливается до нового установившегося значения.
Современные ССН обеспечивают более высокие качественные и количественные показатели системы в установившихся и переходных режимах. На судах в настоящее время широко применяют статические системы возбуждения СГ, которые преобразуют постоянный ток в переменный посредством неуправляемых и управляемых вентилей. Судовые СГ со статическими системами регулирования возбуждения основаны на принципе комбинированного регулирования по току и его фазе с дополнительным регулированием по отклонению напряжения (корректор напряжения). В этих системах используют статические преобразователи (полупроводниковые устройства и трансформаторы). На некоторых судах еще сохранен ССН с регулированием возбуждения СГ по отклонению регулируемой величины — напряжения. ССН синхронных генераторов с регулированием возбуждения посредством тиристоров используют в качестве регулирующих органов в главных контурах системы возбуждения.
Разрабатывают СГ с бесщеточными системами возбуждения, обладающими высокой надежностью, улучшенными количественными и качественными показателями.
ССН в установившихся режимах обеспечивает стабилизацию напряжения СГ с заданной точностью в определенных пределах изменения нагрузки, а также пропорциональное распределение реактивных нагрузок между параллельно работающими СГ. В переходных режимах ССН поддерживает в требуемых пределах отклонение напряжения СГ от установившегося значения в заданное время и форсирует возбуждение СГ до наибольшего значения в аварийных режимах.
Рис. 19. Статические и астатические внешние характеристики СГ
Основными причинами изменения напряжения СГ при изменении нагрузки являются размагничивающее действие реакции статора и индуктивное падение напряжения. В СГ при изменении токов соответственно изменяются напряжения. При этом ССН регулирует ток возбуждения. ССН должна обеспечивать регулирование тока возбуждения СГ посредством технических средств, осуществляющих преобразование переменного тока в постоянный, а также автоматическое регулирование тока возбуждения.
Основные показатели, характеризующие ССН, следующие: статизм внешней характеристики — усредненный наклон, определяемый как разность напряжений генератора при холостом ходе и при номинальном токе нагрузки. Статизм измеряется в
процентах от номинального напряжения
100.
Статизм определяют при номинальном коэффициенте мощности нагрузки. По статизму различают внешние характеристики: астатическую (6 = 0), статическую (0>6>0), положительную (6>0), отрицательную (б<0). Практически судовые генераторы имеют положительную внешнюю характеристику, т. е. с увеличением нагрузки напряжение генератора несколько снижается (рис. 19);
нечувствительность ССН Д£/ — отклонение напряжения генератора, на которое система регулирования не реагирует. Нечувствительность, определяемая по экспериментальным данным, характеризует допустимые отклонения напряжения от усредненного значения. Графически нечувствительность изображается зоной, имеющей определенную ширину (см. рис. 19);
точность поддержания напряжения — выражаемое в процентах предельное отклонение напряжения генератора от среднего значения во всем заданном диапазоне тока нагрузки при данном коэффициенте мощности нагрузки
уставка напряжения — наибольшее и наименьшее значения вновь установленного уровня напряжения, поддерживаемого ССН; измеряется в процентах или относительных единицах от номинального напряжения генератора;
увод напряжения — отклонение напряжения от заданного значения при прогреве элементов ССН после пуска генератора и включения его на нагрузку; измеряется в процентах от номинального напряжения генератора;
неравномерность распределения реактивных токов — выражаемая в процентах разность значений реактивных токов каждого из параллельно работающих СГ, отнесенная к номинальным токам
соответствующих генераторов
наибольшее снижение (провал) напряжения генератора — разность между напряжением до включения нагрузки и минимальным его значением в переходном режиме; определяется в процентах от номинального напряжения генератора (см. рис. 17):
время первого достижения номинального напряжения (см. рис. 17)—время с момента внезапного включения нагрузки до момента, когда напряжение генератора впервые достигнет номинального значения;
время полного восстановления напряжения t2 (см. рис. 17) — время с момента внезапного включения нагрузки до момента, когда напряжение генератора устанавливается в пределах, соответствующих статической характеристике СГ;
значение перерегулирования напряжения AU2 (см. рис. 17) — положительная разность между наибольшим значением напряжения генератора в переходном процессе после внезапного включения нагрузки и номинальным напряжением;
максимальное (поточное) напряжение возбуждения генератора при работе с ССН — напряжение (ток) возбуждения генератора при максимальном форсировании системы регулирования в установившемся режиме короткого замыкания. Максимальное напряжение измеряется в относительных единицах или процентах, причем за базисное значение принимается напряжение возбуждения холостого хода или напряжение в номинальном режиме работы генератора;
максимальное (поточное) напряжение источника питания обмотки возбуждения (возбудителя) — максимально возможное напряжение возбудителя в режиме короткого замыкания генератора, определяемое степенью насыщения возбудителя; измеряется в относительных единицах либо в вольтах;
начальное снижение напряжения AU (см. рис. 17) при внезапном включении нагрузки — разность между напряжениями генератора до включения нагрузки и непосредственно после включения нагрузки (Uо);
скорость нарастания напряжения возбуждения генератора 
или возбудителя dUвв.n/dt — среднее значение производной по времени от напряжения возбуждения генератора при внезапном увеличении его нагрузки или коротком замыкании на выводах, определяемое за 0,5 с и относимое к номинальному напряжению возбуждения; измеряется в относительных единицах в секунду.
Технические и эксплуатационные показатели ССН следующие: надежность функционирования системы; срок службы отдельных элементов, блоков и устройств; удобство и простота обслуживания; минимальные массы и размеры элементов; наибольшее число конструктивно и функционально законченных блоков, построенных на единой элементной базе.
Систему классифицируют по основным определяющим признакам.
- По типам возбуждения СГ: системы независимого (косвенного) возбуждения, статические системы самовозбуждения и системы бесщеточных генераторов.
Преобразование электроэнергии производится: электромашинным способом (применяют автономные возбудители — генераторы постоянного тока или бесщеточные генераторы переменного тока); статическими устройствами — выпрямителями и трансформаторами, осуществляющими преобразование по роду тока и напряжению.
Косвенные системы возбуждения СГ имеют также комбинированные устройства, в которых преобразование электроэнергии производится электромашинными и статическими преобразователями. Системы независимого возбуждения СГ имеют автономный источник для питания обмотки возбуждения. Статическая система самовозбуждения СГ состоит из системы токового компаундирования (возбуждение СГ регулируется по сигналу изменения тока) и прямого и косвенного фазового компаундирования. - По управляющим воздействиям: отклонению регулируемой величины U, вырабатываемой в зависимости от ошибки; возмущающему воздействию — току нагрузки (токовое компаундирование) ; отклонению регулируемой величины U и возмущающему воздействию (току нагрузки I и cos φ) — комбинированные системы.
- По способу суммирования сигналов напряжения и типа нагрузки: суммирование электрическое при токовом компаундировании и электромагнитное при прямом и косвенном фазовом компаундировании.
- По характеру связей между входными и выходными сигналами: непрерывного действия, имеющие на входе и выходе сигналы всех элементов системы с непрерывными функциями времени; прерывистого действия, обеспечивающие связь между сигналом на входе и выходе элементов системы с интервалами, т. е. периодически.
- По способам начального самовозбуждения: с помощью резонансного контура; введением источника постоянного или переменного тока с выпрямителем, искусственное повышение остаточного магнитного потока (применение специальной магнитной стали).
Для СЭС начинают применять бесконтактные системы возбуждения (СВ) генераторов — бесщеточные генераторы с управляемыми и вращающимися вентилями. В таких СГ отсутствуют контактные соединения между ротором и неподвижными элементами.
В бесконтактных системах возбуждения СГ должны быть предусмотрены бесконтактные способы образования магнитного поля ротора и преобразования электроэнергии по току и частоте для питания обмотки возбуждения. Начальное возбуждение должно обеспечиваться как подвозбудителями, так и без них. Для преобразования энергии служат вращающие трансформаторы. Применяют асинхронные возбудители с вращающими вентилями и трансформаторы с вращающими вентилями.
