§ 13. СИСТЕМЫ С ФАЗОВЫМ КОМПАУНДИРОВАНИЕМ
Устройство и принцип действия. Система стабилизации напряжения СГ, основанная на принципе ПФК с корректором напряжения, обеспечивает (при изменении нагрузки СГ от 0 до 100%, частоты вращения — до ±2% номинальной, cosф — от 0,6 до 1) поддержание напряжения СГ в пределах ±1% номинального значения.
Система, примененная для синхронных генераторов типа МСК (рис. 24), состоит из компаундирующего трансформатора с магнитным шунтом ТрКШ, силовых выпрямителей ВС, дросселя отбора ДО, блока конденсаторов С2, блока сопротивлений БС и корректора напряжения КН. Трансформатор ТрКШ — основной элемент ССН — состоит из магнитопровода на трех стержнях с магнитным шунтом, на стержнях трансформатора расположены обмотки. По одну сторону магнитного шунта расположены обмотки напряжения ОН и питания цепей корректора напряжения ОК, по другую сторону — обмотки О ДО для питания дросселя и блока конденсаторов С2. В трансформаторе расположена вторичная обмотка ОСВ, которая подключена к силовым выпрямителям ВС. В двух фазах трансформатора сверху вторичной обмотки расположена токовая обмотка ОТ из нескольких витков медной шины, соединенная последовательно с обмоткой статора СГ.
Для стабилизации напряжения СГ при изменении нагрузки и cos ф необходимо регулировать ток возбуждения. В данной ССН это осуществляется с помощью ПФК и корректора напряжения, где применяется комбинированное регулирование напряжения СГ. Трансформатор ТрКШ содержит все необходимые элементы для ПФК. Компаундирующим сопротивлением является магнитный шунт трансформатора.
Рис. 25. Векторная диаграмма суммирования составляющих намагничивающих сил в ТрКШ
На векторной диаграмме (рис. 25) ток в обмотке возбуждения СГ пропорционален намагничивающей силе.
Потокосцепление обмотки ОСВ (см. рис. 24) определяется суммарной намагничивающей силой Fsв, создаваемой всеми обмотками ТрКШ. При этом намагничивающие силы /-он и /-от обмоток ОН и ОТ суммируются геометрически под углом, близким к 90°, при активной нагрузке (вследствие наличия в магнитопроводе ТрКШ магнитного шунта, выполняющего роль компаундирующего сопротивления ZK), и являются намагничивающими. Намагничивающие силы обмоток ОСВ, ОДО и обмотки питания конденсаторов также суммируются геометрически и являются размагничивающими.
При суммировании составляющих намагничивающих сил ПФК без большой погрешности можно допустить, что для ОН как в режиме холостого хода, так и при нагрузке, пропорциональной выходному напряжению, намагничивающая сила остается неизменной. Намагничивающая сила ОТ совпадает по фазе с током нагрузки и изменяется при изменении тока и cos ф. С уменьшением cos ф фазовый угол сдвига между напряжением и током нагрузки увеличивается, а угол между намагничивающими силами Fot и Роев уменьшается и практически при со5ф=0 приближается к нулю. Вследствие этого суммарная намагничивающая сила обмоток ОТ и ОН увеличивается, что приводит к увеличению Роев и тока возбуждения СГ.
Заданная точность стабилизации напряжения СГ ±1% достигается при совместной работе ПФК и корректора напряжения, воздействующих на управление дросселя отбора. При изменении тока управления дросселя отбора меняется размагничивающая сила обмотки ОДО и соответственно потокосцепление обмотки ОСВ и ток возбуждения СГ. В схеме предусмотрены конденсаторы Cl—СЗ для защиты от помех радиоприема, выключатели гашения поля ВГП генератора, блок сопротивления БС с резисторами R1, R2, включенными в обмотку ОК и обмотку дросселя отбора ДО.
Рис. 26. Принципиальная схема корректора напряжения и диаграмма его работы
В ССН корректор напряжения предназначен для компенсации гистерезиса магнитной системы, магнитного насыщения, влияния температур обмоток генератора и его частоты вращения.
Корректор напряжения. Для точности поддержания постоянства напряжения СГ служит корректор напряжения. В комплекте с СГ типов МСК и ГМС применяют корректор напряжения типа БКН, представляющий собой релейно-импульсный регулятор с усилителем мощности на тиристоре (рис. 26, а). Корректор обеспечивает регулирование напряжения по отклонению напряжения СГ путем сравнения пропорционального напряжения СГ с эталонным и воздействует через тиристор на ток дросселя отбора.
Измерительный орган корректора служит для измерения каждой положительной полуволны напряжения генератора. Силовой тиристор Д4 работает в релейном режиме и регулирует ток дросселя отбора, что в свою очередь приводит к изменению тока возбуждения СГ. Измерительный орган состоит из триггера, выполненного на транзисторах 77 и Т2, и источника опорного напряжения на стабилитроне ДЗ.
На вход триггера и в цепь его питания (рис. 26, б, I) через диод Д1 подается однополупериодное напряжение Ui_3 (рис. 26, б, II), пропорциональное напряжению генератора. Тиристор Д4 включен :на напряжение (У,_5 последовательно с цепью управления дросселя отбора. Вывод 1 является общим для тиристора Д4 и схемы управления. Если амплитуда измеряемого напряжения Ui_3 на резисторе R1 превышает напряжение стабилизации [/ст стабилитрона ДЗ, то триггер срабатывает — транзисторы Т1 и Т2 открываются (рис. 26, б, III). Сформированный импульс управления /упр (рис. 26, б, IV) подается в цепь управляющего электрода тиристора Д4, который будет открыт в течение времени п—а, где а — угол регулирования (рис. 26, б, V).
При уменьшении напряжения генератора Ui_3 транзисторы Т1 и Т2 триггера закрываются и отключают ток, протекающий через .дроссель отбора. Уменьшение тока будет происходить с постоянной времени, определяемой значениями индуктивного и активного сопротивлений этой обмотки и обратным сопротивлением диода Д6.
Резисторы R6 и R11 определяют диапазон срабатывания триггера. Диод Д2 ограничивает обратное напряжение между эмиттером и базой транзистора Т1. Резистор R10 ограничивает ток базы транзистора Т2, резистор R13 — ток управляющего электрода тиристора. Диоды Д5 и Д7 служат для уменьшения обратного напряжения между анодом и катодом тиристора Д4. Резистор R8 определяет максимальный коллекторный ток транзистора Tin совместно с резистором R10 обеспечивает запирание транзистора Т2 в режимах, когда тиристор Д4 закрыт. Контролируемое напряжение -обмотки корректора подается на измерительный орган через низкочастотный фильтр, состоящий из резисторов R5 (точной установки напряжения), R2 и конденсатора СЗ. Фильтр предназначен .для выделения первой гармоники измеряемого напряжения.
Последовательно с потенциометром грубой уставки R1 включены резисторы R7, RnI и Rn2, на которые подается напряжение обратной связи по напряжению обмотки возбуждения генератора и по напряжению на аноде тиристора через низкочастотный фильтр (потенциометр R3 и конденсаторы Cl, С2). Подключение цепи обратной связи к обмотке возбуждения генератора осуществляется через потенциометр R15, к аноду тиристора — через резистор R4 и потенциометр R14. Диод Д8 служит для защиты электролитического конденсатора С1 при неправильном подсоединении цепей обратной связи. Реактивная нагрузка СГ зависит от тока возбуждения, от изменения которого зависит статизм внешней характеристики СГ. Равномерное распределение реактивных нагрузок между параллельно работающими СГ возможно при близком положительном статизме их внешних характеристик. В данной ССН при параллельной работе СГ изменение статизма характеристик обеспечивается трансформатором параллельной работы ТрПР резисторами статизма R„1 и Rn2. Переключатель kl замкнут при автономной работе СГ и разомкнут при их параллельной работе, k2 замкнут при параллельной работе СГ. Увеличение реактивной нагрузки
СГ вызывает повышение напряжения обмотки управления дросселя отбора и соответственно его переменного тока, что приводит к уменьшению тока возбуждения и напряжения одного из СГ, у второго СГ, наоборот, увеличиваются ток возбуждения и соответственно напряжение. В результате достигается автоматическое равномерное распределение реактивных нагрузок параллельно работающих СГ. При параллельной работе СГ одинаковых типа и мощности без изменения статизма внешних характеристик требуется предусмотреть уравнительные соединения между их обмотками возбуждения. При нарушении равномерного распределения реактивных нагрузок между СГ напряжения на обмотках возбуждения становятся неодинаковыми и в уравнительных соединениях появляется уравнительный ток.
В корректоре напряжения ССН (см. рис. 26, а) предусматривается устройство для параллельной работы, состоящее из трансформатора параллельной работы ТрПР и подключенных к нему резисторов Rnl и Rn2. Посредством этого устройства обеспечиваются автономная параллельная работа СГ с требуемым статизмом внешних характеристик с работой других СГ, а также параллельная работа СГ, имеющего уравнительные соединения обмоток, с другими генераторами с аналогичной системой возбуждения.
При загрузке СГ по обмотке ОСТ трансформатора ТрПР протекает ток, который создает намагничивающие силы в половинах обмотки ОСИ, равные между собой и направленные друг против друга. Поэтому при автономной работе СГ падения напряжения на резисторах Rnl и Rn2 равны между собой. Намагничивающие силы, создаваемые в двух половинах вторичной обмотки ОСН, равны и противоположны. Они не влияют на изменение статизма внешней характеристики СГ и соответственно их выходного напряжения.
При равномерном распределении реактивных нагрузок между параллельно работающими СГ, имеющими уравнительные соединения, благодаря равенству падений напряжений на резисторах и соответственно на обмотках ОСУ ток через уравнительные соединения протекать не будет.
В случае нарушения равномерного распределения нагрузок напряжения на обмотках ОСУ становятся неодинаковыми, вследствие чего в уравнительных соединениях появляется ток, нарушается равенство намагничивающих сил в двух полуобмотках ОСН трансформатора ТрПР. При этом на входе измерительного органа корректора нагрузки у СГ с большей нагрузкой напряжение увеличивается, ток возбуждения уменьшается, а у СГ с меньшей нагрузкой напряжение уменьшается, а ток возбуждения увеличивается. В результате выравниваются реактивные нагрузки и ток в уравнительных соединениях не протекает.
Рис. 27. Схема уравнительных соединений при параллельной работе
генераторов
Известно, что при изменении тока возбуждения СГ меняется статизм внешних характеристик СГ. При параллельной работе двух и более генераторов без уравнительных соединений необходимо его изменить. В случае параллельной работы СГ без изменения статизма (рис. 27) следует соединить между собой уравнительными проводами обмотки ОСУ, расположенные на однотипных трансформаторах параллельно работающих СГ (см. рис. 26, а). При равномерном распределении реактивных нагрузок между СГ, как было показано, не будет протекать ток в уравнительных проводах, а при нарушении распределения автоматически посредством трансформатора ТрПР и резисторов Rnl и Rn2 нагрузки будут уравниваться.
Для равномерного распределения реактивных нагрузок в цепь возбуждения СГ с большим напряжением можно включить уравнительный резистор. Он должен быть таким, чтобы в цепях возбуждения при автономной работе СГ (находящихся в одинаковом тепловом состоянии) напряжения были равны при номинальных нагрузке и напряжении. Тогда при параллельной работе СГ с одинаковой нагрузкой ток в уравнительных соединениях отсутствует.
Начальное возбуждение СГ при холостом ходе обеспечивается наличием остаточного намагничивания в магнитной системе СГ. При вращении ротора с остаточным магнитным потоком в обмотке возбуждения возникает э.д.с., под действием которой появляется напряжение на обмотке ОС В трансформатора ТрКШ (см. рис. 24) и соответственно начальный ток возбуждения. Этот ток весьма мал из-за небольшого остаточного напряжения возбуждения и большого сопротивления силовых выпрямителей ВС в области малых напряжений. Для начального самовозбуждения СГ в схеме использован резонансный контур, состоящий из емкостного сопротивления конденсатора С2 и индуктивного сопротивления, обусловленного наличием магнитного шунта в ТрКШ. Индуктивное сопротивление можно изменить регулированием воздушного зазора магнитного шунта. Контур настраивается на резонанс при частоте, близкой к номинальной. Внешней нагрузкой резонансного контура является обмотка возбуждения СГ и силовых выпрямителей. При достижении СГ частоты вращения, близкой к номинальной, напряжение от остаточного намагничивания СГ вызывает появление в обмотке трансформатора ТрКШ резонансного тока, под влиянием которого напряжение в обмотке возбуждения достигает значения, достаточного для самовозбуждения СГ.
Рис. 28. Характеристики холостого хода СГ и самовозбуждения
На процесс самовозбуждения СГ (рис. 28) влияет взаимное расположение характеристики холостого хода генератора, определяемой его параметрами (кривая 1), и характеристики для самовозбуждения с корректором напряжения (кривая 2), определяемой параметрами как системы самовозбуждения, так и генератора. Кривая 3 — характеристика системы самовозбуждения без корректора напряжения. Угол наклона характеристики самовозбуждения пропорционален индуктивному сопротивлению магнитного шунта трансформатора. Напряжение генератора будет нарастать до значения, определяемого точкой пересечения характеристик холостого хода генератора и самовозбуждения. В точке пересечения характеристик 3 и 1 — высшее напряжение генератора, составляющее около 120—125% номинального.
При номинальном напряжении вступает в действие корректор напряжения. Процесс самовозбуждения заканчивается при напряжении генератора, определяемом заданным сопротивлением уставки.
