§ 12. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ССН
Для стабилизации напряжения СГ при изменении нагрузки необходимо изменить намагничивающую силу и соответственно ток возбуждения таким образом, чтобы скомпенсировать падение напряжения СГ по продольной и поперечной осям. Характер изменения тока возбуждения при изменении нагрузки и cosф должен соответствовать регулировочным характеристикам при постоянных напряжении и частоте вращения.
Регулировочные характеристики для нагрузок индуктивной смешанной и активной (см. рис. 7) показывают, что для одного и того же тока нагрузки при разных cos ср необходимы различные значения тока возбуждения iB; наибольшее — при чисто индуктивной нагрузке и наименьшее — при активной. Это обусловлено тем, что при индуктивной нагрузке намагничивающая сила реакции статора направлена по продольной оси против основной намагничивающей силы, а при активной нагрузке — поперек основного поля. В первом случае необходимо увеличить основную намагничивающую силу вследствие увеличения тока возбуждения, чтобы скомпенсировать намагничивающую силу реакции статора. Во втором случае практически не требуется компенсации реакции статора по продольной оси.
Таким образом, для стабилизации напряжения СГ при изменении нагрузки необходимо обеспечить регулирование тока возбуждения согласно регулировочным характеристикам СГ.
Из курса электрических машин известно, что ток возбуждения явнополюсного СГ при изменении нагрузки и cos φ изменяется по кривой, весьма близкой к окружности, — годографу (рис. 20). При этом намагничивающая сила и соответственно ток возбуждения СГ определяются геометрической суммой двух составляющих: тока возбуждения холостого хода и компаундирующей составляющей, соответствующей току нагрузки.
Рис. 20. Диаграмма изменения составляющих тока возбуждения СГ при изменении нагрузки и cos ф
Стабилизация напряжения СГ при различных токе нагрузки и cosa может быть достигнута геометрическим суммированием составляющих токов возбуждения, соответствующих напряжению и току нагрузки. При суммировании арифметически ток возбуждения не будет зависеть от cosф и согласованной окажется одна пара регулировочных характеристик при определенном значении cosф.
Рис. 21. Принципиальные схемы ССН с прямым и косвенным фазовым компаундированием и с токовым компаундированием СГ
В зависимости от суммирования составляющих тока возбуждения ССН могут быть построены по фазовому или по токовому компаундированию. В настоящее время на судах применяют ССН прямого и косвенного фазового компаундирования, встречаются отдельные ССН с прямым токовым компаундированием. Широко применяют комбинированные ССН, действующие по внешнему воздействию (изменением тока нагрузки и cosф) и отклонению регулируемой величины (напряжения) и состоящие из каналов компаундирования и коррекции напряжения, не зависимых один от другого.
На рис. 21, а представлена принципиальная схема ПФК генераторов. Она состоит из трансформаторов тока Тр2 и напряжения Тр1, вторичные обмотки которых соединены параллельно и подключены к выпрямительным устройствам ВУ, которые соединены с обмоткой возбуждения СГ. В схемах может быть применено последовательное соединение вторичных обмоток трансформаторов. Для геометрического суммирования составляющих в цепь обмотки трансформатора включают компаундирующий элемент ZK, который может быть дросселем, конденсатором и магнитным шунтом в трансформаторе фазового компаундирования. Согласно приведенной схеме электромагнитное суммирование составляющих происходит на стороне переменного тока. Ток возбуждения генератора определяется геометрической суммой, соответствующей току нагрузки, току (напряжению) и зависит от cos ф нагрузки.
Принципиальную схему фазового компаундирования СГ (рис. 22, а) можно привести к эквивалентной, если в эквивалентной схеме (рис. 22, б) пренебречь рассеиванием, активным сопротивлением обмоток, намагничивающим током трансформаторов и активными потерями в магнитопроводах трансформатора. Из эквивалентной схемы следует, что ток возбуждения
(9)
(10)
где kv — коэффициент компаундирования по напряжению;
Uв — напряжение возбуждения СГ, В.
Ток компаундирования равен
где ks — коэффициент компаундирования по току;
/г — ток С Г, А.
Напряжение возбуждения СГ равно
где ZB — эквивалентное сопротивление обмотки возбуждения СГ, Ом.
Подставляя в уравнения (9) и (10) приведенные выражения, получим выражение для тока возбуждения СГ:
(и;
Рис. 23. Характеристики СГ при токовом компаундировании
Из выражения (11) видно, что при отсутствии компаундирующего сопротивления (ZK=0) ток возбуждения СГ будет определяться только составляющей тока напряжения и не будет обеспечена нормальная работа ССН при нагрузке. Ток возбуждения зависит от соотношения активной и реактивной составляющих ZK. Если сопротивление ZK — чисто индуктивное, то угол сдвига между векторами составляет около 90° (см. рис. 20). При этом происходит суммирование токов, что соответствует току возбуждения СГ. При чисто индуктивной нагрузке составляющие тока возбуждения суммируются (см. годограф на рис. 20). В ССН суммирование этих составляющих производится трансформатором фазового компаундирования с магнитным шунтом. Кроме систем ПФК, имеются ССН, построенные с косвенным фазовым компаундированием, где регулирующее воздействие осуществляется через возбудитель.
Схема ССН с косвенным фазовым компаундированием (рис. 21, б) состоит из трансформатора фазового компаундирования ТрФК, с включенным в обмотку напряжения дросселя ДрФ. В схеме ДрФ необходимо для обеспечения в ТрФК. геометрического суммирования токов соответствующих напряжению и току нагрузки с учетом cos φ. Управляющее воздействие суммарного тока через выпрямительное устройство ВУ передается на возбудитель В и далее на обмотку возбуждения генератора. Эта система по сравнению с системой ПФК имеет меньшее быстродействие (из-за наличия промежуточного звена возбудителя) и соответственно меньшую надежность работы.
В системах, построенных по прямому токовому компаундированию (рис. 21, в), ток возбуждения определяется током нагрузки при определенном значении cos φ. Токи возбуждения, пропорциональные току и напряжению, арифметически суммируются. Вторичные обмотки трансформатора тока Тр2 и трансформатора напряжения Тр1 подсоединены на отдельные силовые выпрямители СВ1 и СВ2, включенные на обмотку возбуждения СГ.
Схема токового компаундирования обеспечивает суммирование составляющих тока возбуждения с номинальным значением cos φ, при всех других значениях cos φ невозможна стабилизация напряжения С Г.
Из регулировочных (рис. 23, а) и внешних (рис. 23, б) характеристик СГ при токовом компаундировании видно, что стабилизация напряжения СГ достигается только при номинальном значении cos ф. На большинстве судов имеются различные ССН с прямым и косвенным фазовым компаундированием, поэтому здесь детальна рассматриваются наиболее характерные ССН, построенные на общих принципах.
Все ССН синхронных генераторов должны обеспечивать заданную точность стабилизации напряжения и устойчивую параллельную работу в установившихся и переходных режимах, начальное самовозбуждение, равномерное распределение реактивных нагрузок между параллельно работающими генераторами.
