§ 17. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СО СМЕШАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ
Особенностью синхронных генераторов, отличающих их от генераторов постоянного тока с точки зрения возбуждения, является то, что в обмотках статора синхронного генератора индуктируется переменное напряжение, в то время как для питания обмотки возбуждения его требуется постоянный ток. Это существенно усложняет задачу осуществления самовозбуждения машин переменного тока. Однако современное развитие полупроводниковых селеновых выпрямителей, освоенных промышленностью и обладающих уже в настоящее время достаточно высокими техническими показателями, реальные перспективы получения в ближайшие годы промышленных образцов еще более совершенных выпрямителей — германиевых и кремниевых, существенно облегчает решение этой задачи.
Высокая надежность и простота схем самовозбуждения синхронных генераторов в сочетании со схемами компаундирования, которые также могут быть осуществлены с полупроводниковыми выпрямителями, делают их наиболее перспективными. В связи с этим они заслуживают наибольшего внимания.
На рис. 61 приведена простейшая схема самовозбуждения трехфазного синхронного генератора.
Как видно из этой схемы, переменное напряжение статора генератора подводится к трехфазному двухполупериодному выпрямителю В. Выпрямленное напряжение от выпрямителя подается через кольца ротора к обмотке возбуждения генератора ОВГ, В тех случаях, как это чаще всего и имеет место на практике, когда напряжение на кольцах ротора не соответствует напряжению последнего, между статором и выпрямителем вводят промежуточный трансформатор или на статоре генератора делают две обмотки — одну рабочую, вторую вспомогательную, рассчитанную на напряжение ротора и предназначенную только для питания последнего, или, наконец, питают обмотку ротора от части обмотки статора.
В рассмотренных схемах имеет место параллельное самовозбуждение синхронного генератора.
При таком возбуждении напряжение генератора, благодаря значительным сопротивлению обмотки статора и величине реакции статора в большой степени зависит от величины нагрузки.
Для обеспечения большего постоянства напряжения на зажимах синхронных генераторов возможно компаундирование их током статора.
Простейшая схема синхронного генератора с самовозбуждением и компаундированием приведена на рис. 62.
Рис. 62. Схема самовозбуждения и компаундирования синхронного генератора с трансформаторами тока и полупроводниковыми выпрямителями
Рис. 63. Векторная диаграмма напряжений, подводимых к выпрямителю при работе генератора по схеме рис. 62 при разных токах нагрузки
Как видно из этого рисунка, к напряжению каждой фазы обмотки статора генератора, питающей выпрямитель, добавляется напряжение вторичной обмотки трансформатора тока, включенного в ту же фазу.
Вследствие этого к выпрямителю подводится напряжение, состоящее из двух составляющих — одной пропорциональной напряжению синхронного генератора, а другой пропорциональной току нагрузки его.
На рис. 63 приведены упрощенные векторные диаграммы напряжения, подводимого к выпрямителю для двух различных по величине токов нагрузок.
Как видно из этих диаграмм, результирующее напряжение Uв,подводимое к выпрямителю, при наличии токовой составляющей увеличивается. Это увеличение должно быть подобрано так, чтобы ток возбуждения генератора при холостом ходе и при номинальной нагрузке обеспечивал на зажимах генератора номинальное напряжение при номинальном коэффициенте мощности.
Приведенная выше схема обладает, однако, существенным недостатком — при коэффициентах мощности нагрузки, отличных от номинальных, напряжение синхронных генераторов также отличается от номинального.
Рис. 64. Векторная диаграмма напряжений, подводимых к выпрямителю при работе генератора по схеме рис. 62 при разных коэффициентах мощности и одинаковых токах нагрузки
Рис. 65. Внешние характеристики синхронного генератора с самовозбуждением и компаундированием при разных коэффициентах мощности
Причиной этому служат два обстоятельства. Как известно, у синхронных генераторов при уменьшении коэффициента мощности, при одной и той же величине тока нагрузки, реакция статора увеличивается и напряжение соответственно уменьшается.
Для сохранения величины напряжения, при уменьшении коэффициента мощности и неизменном значении тока нагрузки, требуется увеличение тока возбуждения генератора.
Между тем, как это видно из диаграммы рис. 64, соответствующего работе генератора по схеме рис. 62, уменьшение коэффициента мощности при неизменной величине тока нагрузки приводит не к увеличению, а к уменьшению результирующего вектора напряжения, подводимого к обмотке ротора. Следствием этих двух факторов является то, что при настройке схемы самовозбуждения и компаундирования синхронного генератора на режим работы его с номинальным напряжением при номинальном коэффициенте мощности, при меньшем коэффициенте мощности напряжение его оказывается меньше, а при большем — больше номинального (рис. 65).
Генераторы с самовозбуждением и компаундированием посредством полупроводниковых выпрямителей, разработанные ВЭИ имени Ленина, выпускаются отечественной промышленностью с 1940 г. для сельского хозяйства и передвижных установок. Отечественные генераторы выпускаются с несколькими модификациями схем.
Наибольший интерес представляет схема, в которой применен трехобмоточный стабилизирующий трансформатор Тс (рис. 66).
Одна из обмоток (ВО) этого трансформатора включена параллельно статору генератора. Она обеспечивает на выходе трансформатора (в обмотке НО) составляющую, пропорциональную напряжению генератора.
Вторая обмотка (ПО), включенная последовательно в цепь статора, обеспечивает на выходе трансформатора составляющую напряжения, пропорциональную току нагрузки генератора. Напряжение обмотки НО через полупроводниковый выпрямитель подается на кольца ротора синхронного генератора.
Таким образом, стабилизирующий трансформатор заменяет собою трансформатор напряжения и трансформатор тока.
Рис. 66. Схема самовозбуждения и компаундирования синхронного генератора с полупроводниковыми выпрямителями и трехобмоточным стабилизирующим трансформатором
Для изменения величины составляющей напряжения в стабилизирующем трансформаторе предусматривается магнитный шунт, устанавливаемый между обмоткой НО и двумя другими обмотками. Изменение сечения шунта приводит к изменению напряжения на выходе трансформатора.
Однако описанная схема не предусматривает учета коэффициента мощности нагрузки. Благодаря этому отклонения напряжения у этих генераторов от номинальной величины составляют значительную величину порядка + 6% даже при относительно малом изменении cos φ= 0,8-1,0.
Такие величины отклонения напряжения от номинального значения неприемлемы для судовых установок.
В целях повышения точности поддержания постоянства напряжения синхронных генераторов с самовозбуждением и компаундированием с полупроводниковыми выпрямителями, в последние годы стали применять схемы (рис. 67), отличающиеся от схемы рис. 66 тем, что последовательно с обмоткой ВО трехобмоточного трансформатора включается индуктивное сопротивление Д. Сопротивление обмотки ВО в таком случае подбирается значительно меньше сопротивления Хд. При этом ток в обмотке ВО оказывается сдвинутым относительно напряжения генератора на угол близкий 90° и диаграмма напряжения на выходе трансформатора (Тс) оказывается такой, как это показано на рис. 68.
Рис. 67. Схема самовозбуждения синхронного генератора с полупроводниковыми выпрямителями, трехобмоточным стабилизирующим трансформатором и дросселем
Рис. 68. Диаграмма напряжений на зажимах выпрямителя самовозбуждающегося синхронного генератора при работе его по схеме рис. 67
При повороте составляющей напряжения возбуждения генератора, пропорциональной напряжению генератора на угол 90° (Uв(Uг)) результирующее выходное напряжение (Uв) трехобмоточного трансформатора увеличивается с уменьшением коэффициента мощности нагрузки.
Как показали исследования, выполненные Ленинградским электротехническим институтом имени В. И. Ульянова (Ленина), при такой системе возбуждения, соответствующим подбором параметров ее, можно добиться того, что отклонения напряжения от номинальной величины при всех изменениях нагрузки от 0 до 125% номинальной и коэффициенте мощности от 0,2 до 1,0 не будут превосходить + 2-3%.
Рис. 69. Схема самовозбуждающегося синхронного генератора с полупроводниковыми выпрямителями, четырехобмоточным стабилизирующим трансформатором, дросселем и ' резонансным контуром
Процесс возбуждения генератора с самовозбуждением и компаундированием при холостом ходе его протекает так же, как и у машин постоянного тока. У синхронного генератора при его вращении возникает э. д. с. и ток возбуждения, обусловленные остаточным магнетизмом. Под действием этого тока увеличивается магнитный поток машины, что, в свою очередь, увеличивает ее э. д. с. и ток возбуждения. Процесс нарастания тока возбуждения продолжается до тех пор, пока э. д. с. генератора не становится равной величине, соответствующей пересечению вольтамперной характеристики цепи возбуждения с характеристикой холостого хода генератора.
Сопротивление цепи возбуждения генератора с самовозбуждением состоит из ряда элементов: полупроводникового выпрямителя, обмотки возбуждения генератора. Эти сопротивления, кроме сопротивления полупроводниковых выпрямителей, в процессе самовозбуждения остаются постоянными. Сопротивление же полупроводниковых выпрямителей, в процессе самовозбуждения изменяется в несколько раз в зависимости от величины тока возбуждения. В начале процесса самовозбуждения, при малом токе возбуждения, оно в несколько раз больше того, какое имеет место после окончания процесса самовозбуждения при токе, соответствующем номинальному напряжению. Большая величина сопротивления цепи возбуждения синхронного генератора требует и соответственной величины остаточного напряжения его. Последнее затрудняет практическое выполнение способов самовозбуждения синхронных генераторов с полупроводниковыми селеновыми выпрямителями, имеющими большое внутреннее сопротивление.
Для обеспечения самовозбуждения применяются различные средства. Наиболее простым из них является увеличение тем или иным способом остаточного намагничивания ротора генератора. Однако это приводит к существенному усложнению конструкции генератора и увеличению его размеров.
В последние годы нашли распространение для целей самовозбуждения генераторов схемы с резонансными контурами. Одна такая схема приведена на рис. 69.
Она отличается от схемы рис. 67 наличием дополнительной, четвертой обмотки РО, замкнутой на емкость С. Эта обмотка является частью резонансной цепи, состоящей из емкости и самоиндукции, настроенной на резонанс при частоте, меньшей номинальной, приблизительно при 40—50% номинальной частоты.
Процесс самовозбуждения машины происходит следующим образом. При пуске первичного двигателя генератора, по достижении 40—50% номинальной скорости вращения, напряжение от остаточного намагничивания вызывает появление резонанса в цепи, содержащей емкость и самоиндукцию, в которую входит обмотка РО стабилизирующего четырехобмоточного трансформатора.
Под влиянием резонансного тока в этой обмотке, напряжение в обмотке НО достигает величины, достаточной для самовозбуждения генератора. Генератор самовозбуждается и при больших скоростях, благодаря пологой форме резонансной кривой. В схеме рис. 67 самовозбуждение синхронного генератора может быть при пуске получено также шунтированием части сопротивления Д кнопкой или контактором.
Рассмотренные выше различные схемы самовозбуждения синхронных генераторов чувствительны к изменениям частоты.
Так, при работе генератора по схеме рис. 66 уменьшение скорости вращения первичного двигателя генератора приводит к пропорциональному снижению его частоты и напряжения. Последнее приводит к уменьшению тока возбуждения и еще большему снижению напряжения генератора.
В связи с тем, что стабилизирующий трансформатор имеет токовую составляющую, величина напряжения генератора зависит от поведения нагрузки при уменьшении частоты и напряжения.
При работе генератора по схеме рис. 67 падение напряжения его с уменьшением частоты меньше, чем в предыдущих схемах, благодаря тому, что при снижении частоты происходит пропорциональное ей уменьшение индуктивного сопротивления дросселя Д.
Благодаря этому составляющая тока возбуждения машины, пропорциональная напряжению генератора, изменяется мало, так как уменьшение напряжения на зажимах дросселя Д в значительной степени компенсируется уменьшением его сопротивления.
Поворот составляющей вектора выходного напряжения можно осуществить не только включением последовательно с обмоткой ВО трансформатора индуктивного (Д) сопротивления, но и включением емкостного сопротивления С.
Такая схема, разработанная и осуществленная лабораторией электрооборудования судов Ленинградского электротехнического института имени В. И. Ульянова (Ленина) для синхронных генераторов 15 кВт, 230 в, 1500 об/мин и других приведена на рис. 70.
Рис. 70. Схема самовозбуждающегося синхронного генератора с полупроводниковыми выпрямителями и корректором напряжения с дросселем насыщения
В этой схеме для повышения статической точности регулирования применен корректор напряжения.
Как видно из этой схемы, корректор напряжения представляет собою три регулируемых индуктивных сопротивления Д1, включенные параллельно выходной обмотке трехобмоточного стабилизирующего трансформатора. Обмотки постоянного тока этих дросселей получают питание от зажимов синхронного генератора через насыщенный дроссель Д2 и выпрямитель В2. При снижении напряжения синхронного генератора на некоторую величину, ток в цепи насыщенного дросселя Д2 уменьшается в значительно большей степени. В такой же степени уменьшается и выпрямленный ток в регулирующих обмотках дросселей Д1. Их индуктивное сопротивление возрастает и ток в обмотке возбуждения синхронного генератора увеличивается настолько, что напряжение его восстанавливается почти до первоначальной величины. При повышении напряжения на зажимах синхронного генератора имеет место обратная картина.
Схема рис. 70 обеспечивает постоянство напряжения на зажимах генератора с отклонением его от номинальной величины не более +1 % при изменении нагрузки от 0 до 1,25 номинальной при коэффициентах мощности нагрузки, изменяющихся от 0,2 до 1,0.
При набросе 100% нагрузки по току при cos φ = 0,2, при предшествовавшей ей нагрузке генератора равной нулю, напряжение генератора падает на 13% и затем восстанавливается за 0,16 сек. до номинальной величины. При сбросе этой нагрузки напряжение генератора увеличивается примерно до той же величины и затем за 0,12 сек. снижается до номинального значения. При набросе 140% нагрузки по току при cos φ=1 имеет место провал напряжения порядка 13%. Напряжение восстанавливается до 97—98% номинального значения за 0,14 сек. При сбросе той же нагрузки превышение напряжения составило 5,3% и время восстановления его 0,12 сек.
При набросе 230% нагрузки по току при cos φ = 0,2 провал напряжения составил 29%.
Рис. 71. Схема самовозбуждающегося синхронного генератора с полупроводниковыми выпрямителями и корректором напряжения
Напряжение восстановилось до 92% за время 0,14 сек. При сбросе нагрузки имел место подъем напряжения на 19%, после которого напряжение восстановилось до номинального значения за 0,18 сек.
Из приведенных данных видно, что система самовозбуждения и компаундирование с полупроводниковыми выпрямителями обладает высоким быстродействием, благодаря которому максимальный провал напряжения определяется только параметрами генератора. Напряжение генератора восстанавливается до номинального значения в течение 0,1—0,2 сек. при набросе 100% нагрузки с cos φ = 0,2.
При набросах нагрузок больше номинальной, напряжение восстанавливается столь же быстро, но новое установившееся напряжение, естественно, несколько снижается (всего на 8% при набросе 240% нагрузки по току), так как система коррекции и стабилизующий трансформатор в приведенной схеме были рассчитаны на поддержание постоянства напряжения в пределах до 125% изменения нагрузки по току, при постоянной частоте. От этого генератора производился пуск короткозамкнутого асинхронного электродвигателя мощностью 13 кВт прямым включением на зажимы генератора.
Двигатель приводил во вращение низковольтный генератор постоянного тока без нагрузки.
Кратность пускового тока двигателя, при номинальном напряжении на его зажимах, составляет 6,9 номинального значения тока синхронного генератора. При пуске двигателя в ход с холостого хода генератора максимальный провал напряжения у генератора составил величину порядка 54%, ток при пуске достиг величины порядка 3,9 номинального значения тока генератора, при напряжении на зажимах его, составившем 56% номинального. Пуск двигателя завершился за время меньшее одной секунды. Благодаря большой активной нагрузке на генератор, сопровождавшей пуск двигателя, во время пуска наблюдался провал скорости вращения первичного двигателя синхронного генератора, максимальное значение которого достигло величины порядка 25% номинальной скорости вращения первичного двигателя.
В настоящее время подобные системы регулирования изготовлены и для генераторов 25 и 100 кВт, для буксира 1200 л. с., но без корректора напряжения.
В последние годы за рубежом нашли применение схемы, подобные приведенной на рис. 71.
Питание цепи возбуждения генератора в этой схеме осуществляется через дроссели Д1 и регулируемые трансформаторы тока ТТ. В качестве корректора, так же как и в схеме рис. 70, применен насыщенный дроссель Д2, через выпрямитель В2 питающий управляющие обмотки постоянного тока трансформаторов тока.
