Судовые электрические станции - Системы самовозбуждения и прямого компаундирования синхронных генераторов

§ 2.2. СИСТЕМЫ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЯМОГО КОМПАУНДИРОВАНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Самовозбуждение и компаундирование СГ принципиально не отличаются от самовозбуждения и компаундирования генераторов постоянного тока. При питании цепей возбуждения СГ задача усложняется необходимостью преобразования переменного тока статора в постоянный ток, необходимый для цепи ротора. Поэтому развитие систем самовозбуждения и прямого компаундирования СГ оказалось возможным лишь после создания простых, надежных, обладающих высоким коэффициентам полезного действия полупроводниковых выпрямителей.
У машин постоянного тока задача компаундирования упрощается тем, что при неизменной частоте вращения каждому току нагрузки соответствует одно по величине падение напряжения из-за реакции якоря и сопротивления цепи якоря. У СГ при неизменной частоте вращения каждому току нагрузки могут соответствовать различные величины падения напряжения, так как последние зависят не только от величины тока нагрузки, но и от величины коэффициента мощности
ее. У синхронных генераторов последовательно с обмоткой ротора включаются полупроводниковые выпрямители, иногда трансформаторы, дроссели и др. Благодаря этому у СГ сопротивление цепи ротора оказывается больше сопротивления обмотки возбуждения. Поэтому процесс начального возбуждения СГ требует соблюдения ряда условий либо применения специальных устройств, обеспечивающих возможность самовозбуждения (реле, возбудители для начального возбуждения и др.).
В настоящее время в СССР и за рубежом создано большое количество разнообразных схем, успешно решающих задачу самовозбуждения и прямого компаундирования СГ. Описанные ниже некоторые системы самовозбуждения и прямого компаундирования могут быть разбиты на две основные группы: системы токового компаундирования, реагирующие лишь на величину тока нагрузки и не учитывающие ее коэффициента мощности, и системы фазового компаундирования, реагирующие как на величину тока нагрузки, так и на угол сдвига его относительно напряжения.
В системах токового компаундирования сложение двух составляющих тока возбуждения генератора — от напряжения и от тока нагрузки — осуществляется на стороне постоянного тока. 

Рис. 2.1. Принципиальная схема самовозбуждения и токового компаундирования СГ

Примером такой системы может служить схема рис. 2.1. Как видно из этого рисунка, обмотка возбуждения СГ получает питание от двух параллельно соединенных полупроводниковых выпрямителей Вп1 и Вп2. Выпрямитель Bn1, соединенный по трехфазной схеме, получает питание от вторичной обмотки трансформатора напряжения Тр1, первичная обмотка которого включена параллельно зажимам синхронного генератора и обеспечивает необходимый ток возбуждения при раб те генератора вхолостую с номинальным возбуждением. Выпрямитель Вп2, также соединенный по трехфазной схеме, получает питание от вторичной обмотки трансформатора тока Трп2 и компаундирует генератор своим током. Напряжение на кольцах и ток ротора, таким образом, в схеме рис. 2.1 зависят от тока нагрузки генератора, но не зависят от коэффициента мощности нагрузки.

Рис. 2,2. Характеристики СГ при токовом компаундировании: а — регулировочные; б — внешние
Известно, что регулировочные характеристики синхронных машин при разных значениях коэффициента мощности нагрузки представляются кривыми (рис. 2.2, а). Так как схемы токового компаундирования могут обеспечить только одну характеристику, рассчитанную обычно на номинальный коэффициент мощности нагрузки, то напряжение генератора не зависит от тока нагрузки лишь при одном коэффициенте мощности (cos φном), на который данная система возбуждения рассчитана. При коэффициенте мощности, меньшем чем расчетный, напряжение генератора уменьшается; при большем — увеличивается вместе с увеличением тока нагрузки (рис. 2.2, б). Начальное возбуждение в схеме (см. рис. 2.1) обеспечивается включением на обмотку ротора источника постоянного тока Б низкого напряжения. Диод Д предусмотрен в схеме для автоматического запирания цепи, когда напряжение на кольцах окажется выше напряжения источника тока Б. Подобная схема самовозбуждения и компаундирования СГ, естественно, является пригодной лишь в тех случаях, когда генератор питает нагрузку с постоянным или малоизменяющимся коэффициентом мощности. Для улучшения работы системы возбуждения вводят вместе с токовым компаундированием дополнительное устройство — корректор напряжения, в задачу которого входит изменение тока возбуждения генератора так, чтобы напряжение генератора, независимо от величины тока и коэффициента мощности нагрузки, оставалось номинальным.
На рис. 2.3 приведена такая схема. Принципиальное отличие ее от описанной выше заключается в наличии корректора напряжения КН, в состав которого входит магнитный усилитель МУ, управляющий током вторичной обмотки трансформатора напряжения Тр1, питающего цепь ротора через выпрямитель Вп1. Обмотка управления магнитного усилителя получает питание от корректора напряжения, ток выхода которого зависит нелинейно от напряжения генератора. При незначительных отклонениях напряжения от номинальной величины в сторону снижения ток обмотки управления резко возрастает, в результате чего увеличивается и ток ротора СГ, компенсируя падение напряжения последнего. 

Рис. 2.3. Принципиальная схема самовозбуждения и токового компаундирования СГ с корректором напряжения

Измерительный элемент содержит в себе корректор по частоте, который при отклонениях в ту или иную сторону частоты генератора, а вместе с ней и напряжение, восстанавливает последнее до уровня, близкого к номинальному напряжению машины, воздействуя на ток обмотки управления магнитного усилителя. Наличие в схеме корректора напряжения обеспечивает высокую точность поддержания напряжения. Система самовозбуждения и компаундирования совместно с корректором напряжения обеспечивают постоянство напряжения с точностью около ±1 % при изменениях нагрузки от нуля до номинальной величины при номинальном коэффициенте мощности.
Как говорилось выше, начальное самовозбуждение СГ затруднено. В описываемой схеме начальное возбуждение машины обеспечивается с помощью аккумуляторной батареи, напряжение которой при пуске машины выключателем В подается на кольца ротора и на обмотку управления магнитного усилителя. Благодаря этому увеличивается остаточная э. д. с. машины, а также и напряжение, подводимое к кольцам ротора со стороны трансформатора напряжения Тр1 и выпрямительного устройства Вп1. В динамических режимах система возбуждения обеспечивает быстрое восстановление напряжения на зажимах генератора при внезапных изменениях нагрузки. При набросе на генератор нагрузки, равной 50% номинальной, и при номинальном коэффициенте мощности максимальный провал напряжения составляет около 7%, время же до первого восстановления напряжения — около 0,15 сек.
В отличие от токового компаундирования, когда ток ротора изменяется в зависимости от тока нагрузки и не зависит от коэффициента мощности нагрузки, фазовое компаундирование учитывает как величину тока нагрузки, так и фазу — коэффициент мощности нагрузки. Такое компаундирование может обеспечить более высокую точность поддержания постоянства напряжения, не требуя применения корректора (погрешность в этом случае может составить ± 2—4%) или может облегчить условия работы и уменьшить размеры корректора напряжения в том случае, когда он применяется в целях получения большей точности. 

Рис. 2.4. Принципиальные схемы включения трансформаторов при амплитудно-фазовом компаундировании:
а — параллельное включение; б — последовательное включение
Для обеспечения фазового компаундирования суммирование составляющих, пропорциональных напряжению и току нагрузки, осуществляется путем геометрического сложения величин на стороне переменного тока. При этом необходимо иметь в виду, что при одних и тех же токах нагрузки ток возбуждения генератора при неизменном напряжении на его зажимах должен быть тем больше, чем ниже коэффициент мощности нагрузки (см. регулировочные характеристики для разных коэффициентов мощности нагрузки на рис. 2.2). Это обстоятельство приводит к необходимости осуществлять геометрическое суммирование величин, пропорциональных току и напряжению в системах самовозбуждения и фазового компаундирования, так, чтобы в режиме активной нагрузки угол между соответствующими векторами был близок к 90° и чтобы при индуктивной нагрузке векторы располагались по одной прямой. В схемах фазового компаундирования применяются как параллельное, так и последовательное соединения вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения, каждое из которых имеет свои особенности. Рассмотрим эти особенности суммирования составляющих при параллельном (рис. 2.4, а) и при последовательном (рис. 2.4, б) включении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения.

Суммирование при параллельном соединении вторичных обмоток.

На рис. 2.4, а изображена принципиальная схема системы, причем для упрощения рассматривается однофазный генератор. Дополнительно в схему введен пассивный линейный двухполюсник (компаундирующее сопротивление zκ). Пренебрегая активным сопротивлением обмоток, рассеянием и активными потерями в магнитопроводах трансформаторов, переходим к расчетной схеме замещения (рис. 2.5, а). В расчетной схеме обозначены: Rb — сопротивление цепи возбуждения генератора, измеренное со стороны входа выпрямителя, т. е. включающее в себя сопротивление выпрямителя. Rb предполагаются неизмененными во всех режимах работы системы под нагрузкой; x1μ — сопротивление намагничивающего контура в эквивалентной схеме замещения трансформатора тока; Хиμ — тоже, но для трансформатора напряжения; rк и хк — активное и реактивное сопротивления компаундирующего элемента; Rin Ки — коэффициенты трансформации потоку и напряжению; U и I — напряжение генератора и его ток нагрузки.

Рис. 2.5. Схема замещения трансформаторов при амплитудно-фазовом компаундировании:
а — параллельное соединение; б — последовательное соединение

Заменяя эквивалентными синусоидами несинусоидальные периодически изменяющиеся величины и используя символический метод, определяем ток 1ц, а тем самым и пропорциональный ему ток возбуждения генератора. Получаемое решение, естественно, явится приближенным, однако оно позволяет правильно оценить качественную работу рассматриваемой системы.
По принципу наложения имеем:
Полагая внутреннее сопротивление источника тока равным бесконечности, находим

причем φ = aU — аI — угол фазного сдвига между напряжением и током нагрузки генератора.
Полагая аU = 0 и вводя соответствующие обозначения, окончательно получаем

Из этого выражения следует, что ток возбуждения определяется геометрической суммой двух составляющих: одной — зависящей от тока нагрузки, другой — зависящей от напряжения. Характер суммирования при этом зависит от величины ζκ. При отсутствии компаундирующего сопротивления (гк = 0) ток возбуждения генератора будет определяться только составляющей от напряжения и нормальная работа системы окажется невозможной. Это обстоятельство и дало основание именовать элемент гк компаундирующим сопротивлением. В случае использования компаундирующего элемента дросселя с малым активным сопротивлением (гк хк) составляющие в режиме активной нагрузки (φ = 0) образуют прямой угол: ах — а2 = —φκ = — 90°. При индуктивной нагрузке (φ = 90°) разность фаз составляющих токов равна нулю; оба вектора расположены по одной прямой: а1—а2=0. Изложенное иллюстрируется векторной диаграммой на рис. 2.6. Такой характер изменения тока возбуждения соответствует задаче прямого амплитудно-фазового компаундирования.
Нормальная работа системы возможна также и при использовании конденсатора вместо дросселя; однако в этом случае необходимо переключить любую обмотку одного из трансформаторов. Нетрудно убедиться, что при значении угла фазного сдвига компаундирующего элемента, существенно отличающегося от ±90°, задача регулирования не может быть решена. Так например, при φκ=0 (активное сопротивление) ток возбуждения генератора в режиме активной нагрузки оказывается больше, чем в режиме индуктивной нагрузки; в случае φκ = 45° токи возбуждения при φκ = 0 и φκ=90° равны.  Здесь необходимо заметить, что в условиях реальной установки всегда есть некоторое активное сопротивление в цепи компаундирующего элемента. Как показывают исследования, при применении дросселя это приводит к тому, что суммирование составляющих в режиме активной нагрузки генератора будет производиться под острым углом. При включении же конденсатора этот угол оказывается тупым. В обоих случаях величина угла между составляющими близка к 90°. Из-за этого обстоятельства при использовании конденсаторов наблюдается «провал» внешней характеристики в области малых активных нагрузок. На рис. 2.7 для пояснения приведена векторная диаграмма, из которой следует, что ток возбуждения генератора при увеличении активной нагрузки от режима холостого хода до номинальной вначале уменьшается.
В системах с дросселями характер суммирования составляющих с этой точки зрения оказывается более благоприятным.

Суммирование при последовательном соединении вторичных обмоток.

Рис. 2.6. Векторная диаграмма токов при индуктивной нагрузке

Рис. 2.7. Векторная диаграмма токов при активной нагрузке

Принципиальная и расчетные схемы изображены на рис. 2.4, б и 2.5, б, допущения те же, что и при суммировании с параллельным соединением вторичных обмоток.

В случае φ = 0 составляющие образуют угол 90о. При φ = 90° оба вектора совпадают по фазе. Следовательно, изменение тока возбуждения обеспечивает нормальную работу системы. Из полученного выражения следует, что решающее значение для выполнения правильного суммирования имеет величина х1μ. При х1μ=∞ составляющая тока возбуждения от напряжения генератора будет равна нулю. Таким образом, надо либо выполнять трансформатор тока с зазором (х1μ≠∞), либо шунтировать его вторичную обмотку компаундирующим сопротивлением. Как и в предыдущем случае, в качестве компаундирующего сопротивления можно использовать дроссель или конденсатор (при переключении обмотки). Шунтирование обмотки активным сопротивлением или двухполюсником с малым значением угла фазного сдвига φκ не обеспечивает нормальной работы системы.
Суммирование трехобмоточным трансформатором принципиально не отличается от суммирования при параллельном соединении обмоток, так же как и суммирование трехстержневым трансформатором не отличается от суммирования при последовательном соединении обмоток. Следовательно, для нормальной работы системы в обоих случаях необходимо включать реактивные сопротивления: в первом — последовательно с обмоткой напряжения, во втором — параллельно токовой обмотке. Возможно также и специальное конструктивное исполнение трансформаторов.
Следует заметить, что рассмотренные выше методы суммирования относятся к системам с однофазным генератором. 

Рис. 2.8. Векторная диаграмма системы при различных cos<p нагрузки

Рис. 2.9. Векторная диаграмма при разных токах нагрузки

В трехфазных системах нормальная работа схемы прямого амплитудно-фазового компаундирования может быть обеспечена не только введением реактивных компаундирующих сопротивлений, но также и путем соответствующего включения обмоток. В этих случаях возможно использование компаундирующих сопротивлений с малым значением угла фазного сдвига.
В заключение рассмотрим векторные диаграммы при трехобмоточном трансформаторе и конденсаторах.
На рис. 2.8 изображена векторная диаграмма, соответствующая работе системы при неизменных значениях U и I, но при переменном угле фазного сдвига. На рис. 2.9 приведена диаграмма системы, работающей при неизменных значениях напряжения и угла фазного сдвига φ, но при различных величинах тока нагрузки I. На диаграммах приняты обозначения: Iа — ток фазы рабочей обмотки трансформатора, замкнутой на выпрямитель; I2х.х — ток рабочей обмотки в режиме холостого хода системы, пропорциональный напряжению генератора; I2к — компаундирующая составляющая тока рабочей обмотки, пропорциональная току нагрузки генератора; δ — угол, зависящий от соотношения между параметрами системы компаундирования, I2=I2Х.Х+I2К.
По векторным диаграммам легко построить регулировочные характеристики системы I2=f(I) для различных значений коэффициента мощности, что в относительных величинах и выполнено на рис. 2.10. Нетрудно установить, что вид полученных кривых соответствует характеру регулировочных характеристик нормальных СГ промышленной частоты. Следовательно, при согласовании регулировочных характеристик системы и генератора, что выполняется надлежащим расчетом, возможно обеспечить постоянство напряжения на нагрузке со значительной точностью. Следует отметить, что расчет систем прямого компаундирования осложняется необходимостью обеспечения начального самовозбуждения СГ. Принципиально процесс самовозбуждения СГ не отличается от процесса самовозбуждения машин постоянного тока и может быть осуществлен при выполнении следующих очевидных условий: генератор обладает остаточным намагничиванием; правильно выполнено подключение обмотки возбуждения к выходным зажимам выпрямителя системы; сопротивление цепи возбуждения генератора меньше некоторой критической величины.

Рис. 2.10. Регулировочные характеристики СГ при разных коэффициентах мощности нагрузки
Осуществление требуемых для самовозбуждения условий в установках с СГ достаточно затруднено прежде всего вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики цепи возбуждения, включающей выпрямитель, сопротивление элементов которого зависит от величины тока. Как известно, сопротивление полупроводниковых выпрямителей возрастает при уменьшении тока нагрузки. Особенно резко это проявляется в случае использования селеновых вентилей. У машин с низковольтной обмоткой возбуждения увеличивается также сопротивление цепи ротора при токах возбуждения генератора Iв<<Iв.х.х, где Iв.х.х— ток возбуждения в режиме холостого хода. Объясняется это тем, что падение напряжения в щеточном контакте составляет значительную долю общего падения напряжения в цепи возбуждения. В практике нашли применение следующие основные методы обеспечения начального самовозбуждения СГ в системах прямого компаундирования: искусственное повышение остаточного потока генератора, достигаемое применением магнитной стали для части магнитопровода машины (прокладок у сердечников полюсов, втулки ротора и т. п.); кратковременное подключение в цепи обмотки возбуждения аккумуляторной батареи или генератора малой мощности; кратковременное короткое замыкание главной цепи генератора; шунтирование части компаундирующих сопротивлений; включение в систему компаундирования резонансных контуров, снижающих сопротивление цепи возбуждения при частоте несколько ниже номинальной; использование в качестве компаундирующих сопротивлений конденсаторов, при которых генератор в начале процесса самовозбуждения подмагничивается.

Система ЛЭТИ самовозбуждения и амплитудно-фазового компаундирования синхронных генераторов с трехобмоточным трансформатором. 

Так же, как и предыдущая система, система самовозбуждения и компаундирования, предложенная ЛЭТИ (рис. 2.11), имеет эквивалентную схему с параллельным соединением вторичных обмоток трансформаторов напряжения и тока. В качестве компаундирующих сопротивлений здесь могут быть использованы конденсаторы или дроссели.
Начальное самовозбуждение генератора облегчается наличием в цепи обмотки напряжения W1 конденсаторов С, благодаря которым без каких-либо конструктивных изменений самого генератора машина надежно самовозбуждается при остаточном напряжении около I—2%. 

Рис. 2.11. Система ЛЭТИ самовозбуждения и амплитудно-фазового компаундирования СГ с трехобмоточным трансформатором и корректором напряжения:
Тр — трехобмоточный трансформатор; С — емкость; Вп — выпрямитель; Др1 — насыщенный дроссель; Др2 — дроссель отбора тока; R — потенциометр
Рис. 2.12. Внешние характеристики СГ с самовозбуждением и амплитудно-фазовым компаундированием
Система самовозбуждения и компаундирования ЛЭТИ обеспечивает поддержание постоянства напряжения с отклонением от номинального значения на ±(3-5)% при изменениях тока нагрузки от 0 до 1,25Iном и изменениях cos φ в пределах от 1 до 0,2 без применения корректора напряжения. На рис. 2.12 приведены внешние характеристики генератора МС с рассматриваемой системой самовозбуждения и компаундирования при работе его без корректора напряжения. В тех случаях, когда к точности поддержания постоянства напряжения генератора предъявляются повышенные требования, в системе ЛЭТИ предусмотрено применение корректора напряжения дроссельного типа. Принцип действия этого корректора напряжения основан на следующем: параллельно выпрямителю, питающему цепь возбуждения СГ, подключен регулируемый дроссель, шунтирующий выпрямитель. В зависимости от сопротивления этого дросселя в него ответвляется большая или меньшая часть тока выходной обмотки трехобмоточного трансформатора; этим и достигается регулирование напряжения генератора. Цепь управления регулируемого дросселя получает питание через полупроводниковый выпрямитель от нелинейного сопротивления, имеющего круто падающую характеристику. В качестве такого элемента может быть применен насыщенный дроссель, полупроводниковое нелинейное сопротивление, кремниевые приборы и др. 

Рис. 2.13. Схема амплитудно-фазового компаундирования с четырехобмоточным трансформатором
При отклонении напряжения генератора от номинальной величины, например при снижении напряжения, ток в цепи дросселя Др1 (см. рис. 2.11) резко падает. Уменьшение этого тока, а следовательно, и тока управления дросселя Др2 приводит к увеличению сопротивления рабочих обмоток последнего, уменьшению тока в них и, соответственно, к увеличению тока в обмотке возбуждения СГ. Напряжение последнего при этом восстанавливается почти до первоначальной величины. Поддержание постоянства напряжения на зажимах генератора при применении корректора напряжения может быть получено со значительно более высокой степенью точности. В осуществленных схемах ЛЭТИ с корректором напряжения отклонения последнего от номинальной величины на всем указанном выше изменении диапазона тока нагрузки и коэффициента мощности нагрузки не превосходили величины порядка ±(0,5-1%).
Повышение точности работы системы приобретается, однако, ценой снижения некоторых других качеств ее. Для возможности регулирования тока возбуждения путем шунтирования цепи возбуждения необходимо увеличить мощность трехобмоточного трансформатора и конденсаторов на величину мощности, шунтируемой управляемым дросселем. В системе возбуждения появляются дополнительные элементы, принадлежащие корректору напряжения, что усложняет схему и снижает надежность ее действия. Вес и габариты корректора имеют значительную величину. Чем выше точность, которую необходимо получить, тем больше увеличение элементов системы возбуждения. Другим фактором, приводящим к увеличению элементов системы возбуждения, является перегрузочная способность ее. Чем выше возможная кратковременная перегрузка генератора по току, при которой необходимо сохранение постоянства напряжения, тем ниже должна быть взята индукция стали трехобмоточного трансформатора и тем, следовательно, выше оказываются габариты и вес последнего. Сказанное, естественно, относится не только к системе ЛЭТИ, но и к другим системам самовозбуждения и прямого компаундирования.

Система самовозбуждения и прямого фазового компаундирования фирмы «Сименс».

Как видно из рис. 2.13, система самовозбуждения и прямого компаундирования содержит четырехобмоточный компаундирующий трансформатор Тр1, индуктивность L, емкость С и выпрямительное устройство Вп. По принципу действия эта система не отличается от рассмотренной выше системы ЛЭТИ. 

Рис. 2.14. Изменение напряжения на зажимах СГ с самовозбуждением и компаундированием при внезапном изменении нагрузки:
а — система самовозбуждения и прямого фазового компаундирования; б — система с машинным возбуждением
Сдвиг составляющей н. с. трансформатора, пропорциональной напряжению по фазе относительно напряжения, осуществляется индуктивным сопротивлением xL, которое служит одновременно и разделительным сопротивлением в системе возбуждения. Резонансный контур, состоящий из подобранных соответствующим образом хL и хС, обеспечивает надежное начальное возбуждение генераторов при частотах, меньших номинальной, во время разгона генераторного агрегата. Система проста, надежна и применяется без корректора напряжения. Напряжение генератора, по данным фирмы, поддерживается с отклонениями, не превосходящими +4% на всем диапазоне изменения нагрузки — от нуля до номинальной, и в пределах изменения коэффициента мощности от 1 до 0,7. На рис. 2.14 приведены результаты обработки осциллограмм наброса и сброса 110%-ной номинальной нагрузки на СГ, выпускаемые фирмой «Сименс», имеющие две разных системы возбуждения. 

Рис. 2.15. Схема амплитудно-фазового компаундирования фирмы АЕГ

Как видно из приведенных осциллограмм, в первом случае провал напряжения составил 20% и напряжение восстановилось через 0,08 сек., во втором случае провал напряжения составил 27% напряжение восстановилось через 0,65 сек. Из этого сравнения видно, что системы самовозбуждения и прямого фазового компаундирования, благодаря меньшим по величине и длительности отклонениям напряжения при внезапных изменениях нагрузки, допускают применение на судах электродвигателей с прямым включением в сеть значительно большей мощности по сравнению с применявшейся до последнего времени системой возбуждения с машинными возбудителями.

Системы самовозбуждения и прямого фазового компаундирования фирмы АЕГ.

В этой системе (рис. 2.15) сложение составляющих тока ротора, пропорциональных напряжению и току нагрузки генератора, происходит путем сложения тока вторичной обмотки трансформаторов тока Тр1 и тока дросселя Др, сдвинутого по фазе относительно напряжения на угол, близкий к 90°. Трансформаторы тока Тр1 — управляемые. Обмотка управления их получает питание от корректора напряжения. Корректор напряжения простейшего типа состоит из понизительного автотрансформатора Тр3 и насыщенного дросселя Др1 с крутой нелинейной характеристикой. В режиме, когда напряжение на зажимах генератора номинальное, через насыщенный дроссель проходит ток, соответствующий этому режиму. При отклонении напряжения генератора от номинального значения в ту или иную сторону происходит значительно большее отклонение тока в цепи дросселя Др1 и, соответственно, выпрямленного тока в цепи обмотки управления трансформаторов тока Тр1. Так, например, при снижении напряжения ток в цепи нелинейного сопротивления уменьшается. При этом увеличивается напряжение вторичных обмоток трансформаторов тока, ток ротора и напряжение генератора повышаются до значения, близкого к первоначальному номинальному значению. Отклонения напряжения от номинальной величины у генераторов с описанной системой возбуждения не превосходят 1—2% при широком диапазоне изменения тока и коэффициента мощности нагрузки.

Рис. 2.17. Схема амплитудно-фазового компаундирования фирмы «Дессау»

Рис. 2.16. Переходный процесс при внезапном набросе нагрузки на генератор фирмы ЛЕГ
Начальное самовозбуждение генераторов, по данным фирмы, происходит надежно, без применения каких-либо дополнительных средств.
На рис. 2.16 приведены результаты обработки осциллограммы изменения напряжения СГ фирмы АЕГ при набросе на него нагрузки I=Iном при cos φ = 0,8 и при cos φ=0.
Система амплитудно-фазового компаундирования фирмы «Дессау» (рис. 2.17) отличается от предыдущей схемы отсутствием корректора напряжения. Для настройки системы в ней применены регулируемый дроссель Др, секционированный трансформатор тока Тр и потенциометр R. Принцип действия системы тот же, что и системы фирмы АЕГ. 

Рис. 2.18. Схема системы самовозбуждения и амплитудно-фазового компаундирования для генераторов МСК

В числе преимуществ систем самовозбуждения и прямого компаундирования СГ, по сравнению с другими системами возбуждения, наиболее существенными являются: высокая надежность действия, простота эксплуатации, высокое быстродействие и, как следствие, меньшие величины отклонений напряжения от номинальной величины при внезапных изменениях нагрузки и меньшие периоды времени восстановления напряжения, а также уменьшение длины генераторных агрегатов за счет машинных возбудителей.

Системы компаундирования Баранчинского электромеханического завода имени М. И. Калинина.

На рис. 2.18 представлена комбинированная система автоматического регулирования напряжения, которая действует как по возмущению, так и по отклонению регулируемой величины.
Основными элементами системы являются: силовой трансформатор компаундирования Тр1 дроссель отбора Др; блоки выпрямителей Вп1 и Вп2, корректор напряжения КН; блок управления с устройством параллельной работы УПР; генератор начального возбуждения (на рисунке не показан). 

Трансформатор компаундирования Тр1 с магнитным шунтом имеет четыре трехфазные обмотки: токовую W3, напряжения W1, рабочую W2 и обмотку питания корректора W4. Дроссель отбора собран из трех скрепленных между собой сердечников Ш-образной формы, на средние стержни которых уложены катушки трехфазной обмотки и одна катушка обмотки управления ОУ.
Для обеспечения самовозбуждения СГ применяется генератор начального возбуждения (ГНВ), представляющий собой тахогенератор переменного тока с постоянными магнитами, который конструктивно встроен в корпус СГ и подключен к обмотке возбуждения ОВГ через селеновые выпрямители. Мощность ГНВ не превышает 80 вт. Напряжение СГ поддерживается с определенной точностью на заданном уровне совместным действием компаундирующего устройства и корректора напряжения, включенного на обмотку управления ОУ дросселя отбора. При отсутствии подмагничивания дросселя напряжение генератора при 100%-ной нагрузке составляет 107— 110% номинального значения.
Корректор напряжения КН типа КН2 представляет собой схему, собранную из полупроводниковых элементов и работающую в импульсном режиме. Он состоит из измерительного элемента и усилителя.
Задачей измерительного элемента является сравнение напряжения на зажимах генератора с заданным напряжением. Полученное приращение напряжения служит входным сигналом полупроводникового усилителя, выход которого включен на обмотку управления дросселя отбора. В комплект измерительного элемента входят: измерительный трансформатор Тр3, выпрямитель Вп3, стабилитрон Д2, конденсатор С1, сопротивления R1, R2, R8, R9, кремниевый триод Т1 (п-р-п переход).
На первичную обмотку трансформатора Тр3 через сопротивление уставки уровня напряжения R подается напряжение генератора. Вторичная обмотка трансформатора Тр3 через выпрямительный мост нагружена на сопротивления R1, R2. Для сглаживания пульсации высших гармоник выпрямленного напряжения предусмотрен фильтр, состоящий из конденсатора С1 и сопротивления R8. Напряжение с выхода фильтра подается через стабилитрон Д2 на вход германиевого триода Т1. Характеристики стабилитрона Д2 подобраны так, что он запирает цепь до тех пор, пока напряжение UT на конденсаторе С1 не превышает напряжения пробоя стабилитрона, при котором обратное напряжение Uοбρ=Uгο (рис. 2.19).
Если напряжение Uг становится больше Uго, то в цепи базы триода Т1 появляется ток и открывает триод. При этом процесс «открыт—закрыт» триода происходит в соответствии с двухполупериодной пульсацией измеряемого напряжения. Если напряжение на стабилитроне Д2 значительно превышает напряжение пробоя, то соответственно увеличиваются импульсы тока базы триода Т1, а следовательно, и величина импульсов тока в цепи его коллектора. Таким образом, отклонение напряжения на входе измерительного элемента корректора напряжения от заданной величины преобразуется в импульсы тока, возрастающие с ростом отклонения напряжения.

Усилитель корректора напряжения состоит из триодов Т2, Т3 и Т4 (триоды Τ1, Т2 имеют п-р-п переход, триоды Т2, Т4, р-п-р переход), выпрямителей Д3 и Д4, конденсатора С3 и сопротивлений.
Импульсы выходного тока измерительного элемента подаются на конденсатор С3, который заряжается при подаче импульса и затем разряжается на параллельно включенное сопротивление R10. К зажимам эмиттер—база триода Т2 приложена разность напряжений — снимаемого с делителя напряжения на сопротивлении R12 и напряжения на сопротивлении R10. Если напряжение на сопротивлении R10 будет увеличиваться вследствие увеличения тока выхода измерительного элемента, то напряжение на базе триода Т2 будет уменьшаться и ток в цепи его коллектора снижаться.
При отсутствии или снижении сигнала измерительного элемента напряжение на сопротивлении R10 станет меньше, чем на делителе R12, это приведет к возрастанию напряжения на базе триода Т3 и соответственно к увеличению тока в цепи коллектора. Так как цепь коллектора триода Т2 является цепью базы триода Т3, то при открытом триоде Т2 будет полностью открыт также и триод Т3, т. е. падение напряжения на нем значительно уменьшается и весь ток его коллектора идет через сопротивление R11.
Цепь эмиттер — база триода Т4 включена на постоянное напряжение источника питания усилителя, а коллекторная цепь — на обмотку управления ОУ дросселя Др.
Если триод Т3 открыт до насыщения, то по его коллекторной цепи протекает большой ток, а напряжение на зажимах эмиттер — коллектор очень мало (порядка 0,2 в). При этом благодаря относительно большому падению напряжения в выпрямителе Д4 потенциал базы триода Т4 будет положителен по отношению к потенциалу его эмиттера и триод Т4 будет закрыт. При закрытом триоде Т3 потенциал базы триода Т4 меняется на противоположный, последний открывается, и по обмотке управления дросселя отбора пойдет ток, который изменит режим его работы. При увеличении тока управления сопротивление рабочих обмоток дросселя уменьшается, а следовательно, по ним проходит большая часть тока выходной обмотки трехобмоточного трансформатора.
Таким образом, увеличение напряжения на входе измерительного органа, начиная с некоторой величины, равной величине напряжения пробоя стабилитрона (эквивалентного в данном случае номинальному напряжению генератора), вызывает появление в обмотке управления ОУ импульсов напряжения тем большей длительности, чем больше напряжение на входе измерительного органа отклоняется от напряжения пробоя стабилитрона.
Величина напряжения выхода корректора изменяется от нуля до полного значения напряжения источника питания при изменении напряжения на входе измерительной части корректора на 1—1,5%.
Для защиты выходного триода Т4 (см. рис. 2.18) от возможных перенапряжений в обмотке управления установлены вентили В5 и В6. Вентиль В5 закорачивает обмотку при перенапряжениях в ней, а вентиль В6 шунтирует триод.
В комплект источника питания корректора КН входят блок выпрямителей Вп2 и обмотка W4, расположенная на сердечнике трансформатора Тр1.
Для обеспечения устойчивой работы системы регулирования предусмотрена гибкая обратная связь, состоящая из сопротивления R5 и конденсатора С2. Кроме того, чтобы предотвратить влияние нагрева обмоток измерительного трансформатора Тр3, сопротивления и стабилитрона Д2 на точность регулирования напряжения СГ, в измерительную цепь корректора КН введено термосопротивление R7 с подстроечным сопротивлением R6.

Рис. 2.20. Схема системы самовозбуждения и амплитудно-фазового компаундирования для генераторов МСК
Система фазового компаундирования с корректором поддерживает напряжение с ошибкой, не превышающей +1% при изменении нагрузки от 0 до 100%, коэффициента мощности от 0 до 1 и частоты в пределах ±2,5% от номинальной.
На рис. 2.20 приведен другой вариант системы возбуждения завода имени М. И. Калинина.
В этой системе используется компаундирующий трансформатор Тр с подмагничиванием и магнитным шунтом. Обмотка подмагничивания W4 трансформатора получает питание от корректора напряжения КН типа K.H2, принцип работы которого рассмотрен выше.
Для обеспечения начального возбуждения в системе предусмотрен генератор Г1 с постоянными магнитами, встроенный в подшипниковый щит машины. Одно из плеч силового выпрямителя Вп используется для выпрямления тока генератора.
Статическая ошибка регулирования напряжения СГ не превышает ±1,5% во всех режимах нагрузки по величине и по коэффициенту мощности.

Системы автоматического регулирования напряжения СГ с управляемыми диодами.

 Кремниевые управляемые диоды, как уже отмечалось, обладают рядом особенностей, оказывающихся весьма ценными при применении этих диодов в схемах самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения судовых СГ. Дополнительно отметим, что управляемые диоды могут быть так конструктивно выполнены, что их механическая прочность, ударо- и вибростойкость будут удовлетворять самым высоким требованиям. Отсутствие подвижных элементов обеспечивает бесшумность работы, высокую надежность, простоту и удобство эксплуатации. Герметизация диодов позволяет применять их в судовых условиях.
Кремниевые управляемые диоды могут работать в относительно широком диапазоне изменения температуры. Они обладают высоким быстродействием и постоянной готовностью к действию. Мощность управления ими мала. Недостаток управляемых кремниевых диодов — их малая перегрузочная способность по току и напряжению в обратном, запирающем направлении. Для устранения этого недостатка следует выбирать диоды с запасом по току и напряжению и применять защитные- устройства, ограничивающие величину тока и напряжения.
Разработанные системы регулирования напряжения СГ с управля- мыми диодами можно разделить на две группы. К первой группе относятся системы, действующие на принципе регулирования по отклонению, а ко второй группе — комбинированные системы, в которых управляемые диоды заменяют электромагнитные элементы в цепи корректора напряжения.

Рис. 2.21. Схема системы автоматического регулирования напряжения СГ с применением управляемых диодов
Рассмотрим некоторые системы. На рис. 2.21 приведена принципиальная схема, в которой обмотка возбуждения синхронного генератора СГ включена на обмотку его статора через понизительный силовой трансформатор напряжения Тр1 и управляемый мост Вп1. Цепь управления тиристоров получает питание от фазосдвигающего устройства ФУ. При отклонении напряжения генератора в ту или иную сторону от номинальной величины, что фиксируется корректором напряжения ДН, изменяется фаза сигналов, поступающих на управляющие электроды кремниевых тиристоров, благодаря чему изменяется ток возбуждения генератора. Трансформатор напряжения Тр2 питает корректор напряжения и фазосдвигающее устройство; трансформатор тока Тр3 включен на корректор напряжения.
По сравнению с системой прямого токового или фазового компаундирования СГ эта схема не требует дополнительных корректирующих устройств, благодаря чему она имеет весовые и габаритные преимущества. Естественно, мощность силового трансформатора Тр1 должна обеспечивать форсировочные режимы СГ.
При глухом коротком замыкании СГ, так же как и при малой электрической удаленности точки короткого замыкания от его зажимов, машина теряет возбуждение (в схеме отсутствует компаундирующее устройство); это является серьезным недостатком схемы.
На рис. 2.22 приведена принципиальная схема, в которой обмотка возбуждения СГ получает питание от обмотки статора через два силовых трансформатора: трансформатор напряжения Тр1 с полууправляемым выпрямительным блоком Вп1 и трансформатор тока Тр2 с неуправляемым выпрямительным блоком Вп2. При такой схеме питания цепи возбуждения СГ режим холостого хода обеспечивается током возбуждения, получаемым от трансформатора напряжения Тр1 через полууправляемый выпрямительный блок Вп1.
При нагрузке и при коротких замыканиях к этому току добавляется ток, поступающий через неуправляемый выпрямительный блок Вп2 от трансформатора тока Тр2. Генератор получает возбуждение, степень форсировки которого определяется форсировочной способностью трансформатора тока. Как и в предыдущей схеме (рис. 2.21), стабилизация напряжения СГ при различных режимах работы обеспечивается регулированием тока полууправляемого блока Вп1 посредством корректора напряжения КН и фазосдвигающего устройства ФУ, получающих питание через трансформатор Тр3.

Рис. 2.22. Схема системы токового компаундирования СГ с применением управляемых диодов

Рис. 2.23. Схема системы амплитудно-фазового компаундирования с применением управляемых диодов в цепи корректора напряжения

На рис. 2.23 приведена принципиальная схема амплитудно-фазового компаундирования СГ с применением управляемых кремниевых диодов Д в качестве регулирующего элемента корректора напряжения КН, шунтирующих цепь возбуждения генератора. В этой схеме дроссель отбора заменен управляемым вентильным блоком, имеющим меньшие вес и габариты и большее быстродействие. В состав системы амплитудно-фазового компаундирования входят трансформатор Тр, дроссель Др и выпрямитель Вп.

Бесконтактные.

СГ, работающие в условиях, когда наличие скользящих электрических контактов нежелательно или недопустимо, могут выполняться без контактных колец в цепи ротора. Это достигается различными способами. В некоторых конструкциях в качестве возбудителя генератора предусматривается синхронная машина, встроенная в основную машину. Статор возбудителя Г2 (рис. 2.24) имеет неподвижную обмотку возбуждения постоянного тока. Обмотка ротора возбудителя через полупроводниковые вентили Вп2, смонтированные на роторе и вращающиеся вместе с ним, питает обмотку ротора основной машины Г1. Естественно, что при такой конструкции отпадает надобность в контактных кольцах. Принципиальная схема СГ с машинным возбудителем без контактных колец и с устройством амплитудно-фазового компаундирования приведена на рис. 2.24.
Достоинством таких машин является их высокая надежность вследствие отсутствия колец, а недостатками — большая электромагнитная постоянная времени системы возбуждения из-за наличия промежуточного инерционного звена (возбудителя) и усложнение конструкции. 

Анализ работы систем прямого фазового компаундирования в статических режимах. Методика определения основных параметров.

Рис. 2.24. Схема СГ с машинным возбудителем без контактных колец с амплитудно-фазовым компаундированием:
П — синхронный генератор; Г2 — возбудитель; Тр — суммирующий трансформатор; Др — дроссель; Вп1 и Вп2 — выпрямительные блоки

Анализ работы систем прямого фазового компаундирования в статических режимах и вывод соотношений, определяющих их основные параметры, представляется целесообразным выполнить так, чтобы соответствующие выражения были в известной степени общими, универсальными, легко распространимыми на различные частные случаи. В соответствии с этим проведем анализ работы систем применительно к системе, содержащей трехобмоточный трансформатор с воздушным зазором и конденсаторы в качестве компаундирующих элементов (один из вариантов систем завода имени М. И. Калинина), принципиальная схема которой аналогична системе ЛЭТИ.
Если в полученных выражениях принять сопротивление намагничивающего контура равным бесконечности (что близко к отсутствию воздушного зазора), то будет осуществлен переход к системе ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ленина).
Замена конденсаторов дросселями с переключением зажимов любой из первичных обмоток при нормальном исполнении трансформатора (без зазора) дает переход к системе; выражения, соответствующие этому случаю, легко могут быть получены из общих соотношений.
Основные уравнения. Для составления системы исходных уравнений рассмотрим схему, приведенную на рис. 2.25. На схеме обозначены: W1—обмотка напряжения с числом витков wp, W2 — токовая обмотка с числом витков w2; W3 — рабочая обмотка с числом витков w3. Звездочками помечены однополярные зажимы обмоток.
Предполагая систему симметричной, анализ ее работы в целом можно произвести, исследуя любую фазу. Расчетная схема приведена на рис. 2.26.
Так как величина пульсации напряжения при использовании трехфазной мостовой схемы выпрямления невелика (4,2%), то при некотором допущении можно не считаться с проявлением влияния индуктивности в цепи нагрузки и принять, что выпрямитель замкнут на одно активное сопротивление.
В расчетной схеме Rв является эквивалентным сопротивлением нагрузки одной фазы рабочей обмотки и определяется сопротивлением цепи обмотки возбуждения генератора и групп вентилей в проводящем направлении. Через М1,2, м³,2 и M1,3 обозначены коэффициенты взаимоиндукции соответствующих обмоток.

Пренебрегая потоками рассеяния и активными потерями в магнитопроводе трансформатора, можно видоизменить расчетную схему, введя для учета намагничивающего тока в цепь первичной обмотки W1 идеальную индуктивность с сопротивлением а в цепь обмотки W3 — индуктивность с сопротивлением, где(рис. 2.27).
Зависимость сопротивления вентилей от тока приводит к тому, что в общем случае физические величины, характеризующие работу системы (тока, напряжения), могут изменяться во времени по законам, отличным от гармонических функций.
Для упрощения решения задачи заменим, как и ранее, несинусоидальные периодически изменяющиеся величины эквивалентными синусоидами, а реальные параметры — эквивалентными. Это позволит составить исходную систему уравнений в символической форме и достаточно просто получить зависимости между отдельными параметрами, определяющими работу системы.
Как показывает опыт, вариация эквивалентных параметров оказывается не столь значительной и погрешность при их определении не превосходит 7—10%.

Рис. 2.25. Схема системы амплитудно-фазового компаундирования ЛЭТИ без корректора напряжения:
Тр — суммирующий трансформатор; С — емкость; Вп — выпрямительный блок

Рис. 2.26. Эквивалентная схема фазы исследуемой системы

Рис. 2.27. Эквивалентная схема фазы системы с вынесенным намагничивающим контуром

В соответствии с изложенным можно составить следующую систему исходных уравнений:

Введем обозначения:

В режиме активной нагрузки угол между векторами I2x.x и I'2к близок к прямому. При использовании в качестве компаундирующего элемента конденсатора этот угол больше 90°, а при использовании дросселей — меньше 90°. С уменьшением коэффициента мощности (φ>0) фаза I2К изменяется, и при cos φ=0 оба вектора во всех случаях располагаются под углом, близким к 0°.

1. Если в качестве компаундирующих элементов применяются конденсаторы, то наблюдается характерное уменьшение тока I2 при малых активных нагрузках. В случае применения дросселей ток I2 не уменьшается.
2. Напряжение на клеммах генератора отличается от напряжения на приемнике и по действующему значению, и по фазе. При использовании конденсаторов в режиме активной нагрузки Ur > U с коэффициентом мощности (φ>0) разница уменьшается, а при φ = 90° можно считать, что Uг≈U. Если применяются дроссели, то характер изменения в основном сохраняется. Однако, так как величины К3,2 и к3 обычно малы, различие между напряжениями на зажимах генератора и приемника незначительно.
3. Как следует из п.п. 2 и 3, напряжение генератора при постоянстве напряжения на приемнике в режиме активной нагрузки системы должно возрастать с увеличением тока нагрузки.

Однако в системах с конденсаторами ток I2 и пропорциональный ему ток возбуждения генератора при малых активных нагрузках уменьшается. Это противоречит задаче регулирования СГ.
В системах с дросселями характер суммирования составляющих тока I2 оказывается с этой точки зрения более благоприятным.

1. Уменьшить величину статической ошибки при малых активных нагрузках в системах с конденсаторами можно за счет увеличения угла δ' (система ЛЭТИ) — соответствующим расчетом или использованием специальных схем включения обмотки напряжения (схема «зигзаг»),

С увеличением угла δ в системе ЛЭТИ одновременно возрастает угол φ1, это приводит к сближению вектора I2к с нормалью к вектору I2x.x, что улучшает условия их суммирования.
При расчете системы возможно увеличение тока против значения, определяемого режимом холостого хода. В этом случае провал во внешней характеристике сохранится, однако статическая ошибка может быть снижена.
В приведенных ранее соотношениях учитывались активные сопротивления обмоток трансформатора; сделано это было для более полного выявления характерных особенностей рассматриваемых систем. Однако в дальнейшем сопротивлениями обмоток будем пренебрегать, так как определение их возможно лишь после детального конструирования трансформатора.
Для упрощения также примем, что напряжения на нагрузке и клеммах генератора равны, т. е. пренебрежем падением напряжения в токовой обмотке трансформатора. Как показывают многочисленные эксперименты, указанные два допущения не вносят значительной погрешности в расчет.

Выведенные соотношения, определяющие относительные коэффициенты, могут быть использованы и при расчете систем компаундирования, в которых предусмотрены раздельные трансформаторы напряжения и тока при любом соединении их вторичных обмоток (параллельном или последовательном). В частности, для системы AEG и других, в которых трансформатор напряжения отсутствует, следует принять К1,2=1. При этом условии определяется значение К1,2отн и затем через δ — остальные величины.            ’
Заметим, что системы с трехобмоточными трансформаторами, а также содержащие трансформаторы тока и напряжения характеризуются бесчисленным множеством возможных сочетаний параметров /С12, К. з,2> Хс, удовлетворяющих решению задачи. Если же в системе отсутствует трансформатор напряжения или трансформатор тока, то значения параметров будут единственными.
Все соотношения, определяющие коэффициенты трансформации К1,2 и К3,2 также сопротивления компаундирующих элементов зависят от некоторого расчетного параметра р (или δ); при этом было установлено, что в общем случае значение может быть произвольным. Если предъявить к системе требование самовозбуждения, то область возможных величин δ оказывается существенно ограниченной.