§ 6. Возбуждение и развозбуждение ударного генератора
Схема возбуждения ударного генератора отличается от обычной схемы отсутствием АГП, но зато в цепь возбуждения включается балластное сопротивление и вводятся контакторы для изменения направления тока возбуждения в возбудителе, как это показано на рис. 27.
Рабочий магнитный поток синхронного генератора обусловлен намагничивающими ампер-витками обмотки возбуждения и ампер-витками от тока якоря (так называемой «реакцией» якоря). Обычно векторы этих составляющих направлены встречно. Лишь в том случае, когда генератор нагружен емкостной нагрузкой, указанные векторы направлены согласно. Постоянный ток возбуждения синхронного генератора в установившемся режиме и магнитный поток холостого хода определяются значениями напряжения источника питания и активным сопротивлением цепи возбуждения. Рабочий поток нагруженного генератора меньше потока ненагруженного генератора при одинаковом токе возбуждения. После сброса нагрузки ударного генератора магнитный поток возрастает, что приводит к увеличению напряжения генератора. Перенапряжение может быть весьма значительным при сбросе нагрузки и сильно возбужденном генераторе, как это имеет место при работе генератора по схеме ударного возбуждения. Для того чтобы при испытаниях аппаратов на мощность отключения ограничить перенапряжения, необходимо развозбуждать генератор, т. е. принимать меры к гашению магнитного поля генератора. Рассмотрим схемы, применяемые для гашения поля. При быстром разрыве цепи тока возбуждения магнитная энергия переходит в электростатическую, что приводит к резкому повышению напряжения на обмотке возбуждения и может вызывать пробой изоляции. Поэтому при гашении поля необходимо накопленную магнитную энергию превратить в тепловую или механическую, а затем в тепловую, для рассеяния ее в окружающее пространство.
По характеру энергетических процессов применяемые схемы развозбуждения можно разделить на два класса: первый — объединяет схемы, в которых превращение магнитной энергии в тепловую происходит в гасителях с активным сопротивлением, и второй класс — включает схемы гасителей, где сначала магнитная энергия превращается в механическую, а затем при помощи трения переходит в тепловую и рассеивается в окружающее пространство — это так называемые моторные, или двигательные, гасители.
Гасители с сопротивлением
Для гашения магнитного поля генератора обмотка его возбужденного ротора замыкается на активное сопротивление гасителя R2. Процесс исчезновения магнитного поля вызывает наведение в контуре э. д. с., что в свою очередь вызывает протекание электрического тока. При протекании тока в замкнутом контуре энергия магнитной системы выделяется в активном сопротивлении R2 и превращается в тепло, рассеиваемое в пространстве.
Рассмотрим влияние параметров схемы гашения на указанный процесс гашения. На рис. 29, а показана принципиальная схема гасителя с сопротивлением. Пусть в момент t = 0 переключатель П переводится из рабочего положения 1 в положение 2 для гашения магнитного поля ротора генератора путем замыкания катушки L, по которой в момент замыкания протекает ток I, на сопротивление R2.
Переходный режим для схемы рис. 29, а можно выразить дифференциальным уравнением:
(1-6)
Разделив переменные, получим уравнение
(1-7) решением которого будет
(1-8)
При определении постоянной интегрирования К в качестве начального условия примем, что в момент t = 0
Рис. 29. Методы гашения поля:
а — принципиальная схема гашения с сопротивлением; R — гасительное сопротивление; П — переключатель; r — активное сопротивление обмотки ротора; б — кривые изменения тока i при гашении поля включением в цепь сопротивления в — кривая изменения во времени напряжения на кольцах ротора в процессе гашения поля.
Рис. 30. Основные схемы гашения поля: а, б, в — при помощи гасительных сопротивлений; г — кривая изменения тока в цепи ротора при гашении поля по схеме в.
Характер изменения напряжения на роторе показан на рис. 29, в. Значение максимального напряжения на кольцах ротора при гашении магнитного поля замыканием ротора на сопротивление R2 пропорционально величине гасительного сопротивления, или обратно пропорционально постоянной времени гасительного контура. Из рассмотренного вытекает, что задача получения минимального времени гашения поля генератора и минимального перенапряжения на кольцах ротора, для предохранения изоляции от пробоя, требует компромиссного решения. Поэтому при выборе величины гасительного сопротивления следует искать оптимальное решение. На рис. 30 показаны три основные схемы гашения поля при помощи гасительных сопротивлений. По схеме на рис. 30, а при гашении поля автомат а замыкается, после чего автомат b размыкается. По схеме на рис. 30, б оба автомата а и b при развозбуждении размыкаются. В этой схеме развозбуждение происходит не до величины, определяемой остаточным магнетизмом, а до некоторой величины установившегося режима, который соответствует установившемуся току возбуждения при наличии в цепи сопротивлений и r2. При одинаковых значениях R, L и I в цепи схемы на рис. 30, а и б подъем напряжения на кольцах ротора в начальный момент развозбуждения будет меньше на величину напряжения возбудителя в схеме рис. 30, б, по сравнению со схемой рис. 30, а. Схема развозбуждения рис. 30, в предложена Рюденбергом. В этой схеме процесс развозбуждения берет начало с момента включения в гасительный контур сопротивлений R1 и R2 (размыкание контактов автомата а и b) и закорачиванием сопротивления R3. Теперь ток будет протекать через якорь возбудителя и обмотку возбуждения его ОВВ.
В связи с этим возбудитель перемагничивается, изменяется его полярность, что обусловливает уменьшение тока в цепи ротора генератора и изменение его полярности (рис. 30, г). Колебательный процесс быстро затухает. Для указанного процесса развозбуждения необходимо выбрать соответствующее соотношение величин сопротивлений R1 и R2. К недостаткам этой схемы следует отнести:
- невозможность осуществить одним возбудителем возбуждение нескольких генераторов;
- после развозбуждения для намагничивания возбудителя надо иметь дополнительный источник постоянного тока.
Двигательный гаситель
Принципиальная схема гасителя поля второго класса представлена на рис. 31,а. При размыкании автомата а начинается гашение поля. При этом ток ротора генератора протекает через обмотку якоря двигателя Д, который начинает вращаться. Наводимая в двигателе э. д. с. направлена встречно по отношению к току и последний уменьшается. Таким образом, спад магнитной энергии генератора, при развозбуждении, будет обусловлен частичным переходом в кинетическую энергию вращающихся масс двигателя и потерями на трение в двигателе. Далее, в ходе развозбуждения наступает момент, когда значения э. д. с. якоря двигателя и э. д. с., наводимая в роторе генератора, становятся равными. Затем в связи с инерцией двигателя его э. д. с. становится больше, и он начинает отдавать энергию в цепь, изменяя направление тока в цепи гашения. Наличие Джоулевых потерь тепла и потерь на трение обусловливает быстрое затухание колебаний в цепи.
Характер изменения тока во времени показан на рис. 31, б. В настоящее время двигательные гасители не представляют интереса.
Рис. 31. Двигательный гаситель поля: а — принципиальная схема; б — кривая изменения тока во времени.
Гашение поля изменением полярности возбудителя (реверсом поля)
Характеристику развозбуждения (рис. 31, б) можно получить, применив вместо двигателя, в двигательном гасителе, изменение полярности возбудителя (реверс поля). Характеристика такого гасителя лучше, поэтому практически применяются гасители с реверсом поля.
В момент прохождения тока через нулевое значение возбудитель необходимо отключить, иначе ток будет нарастать в противоположном направлении, что не даст эффекта гашения поля. Изменение тока во времени для гасителя с реверсом поля определяется при решении дифференциального уравнения
(1-15) где — добавочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения (рис. 32);
r — сопротивление обмотки возбуждения.
При прохождении тока i через нулевое значение возбудитель отключается, так как без выключения его будет нарастать ток обратного направления, что исключает гашение поля. Значение постоянных времени Т для схем гасителей поля с сопротивлениями в несколько раз меньше (в связи с тем, что величина гасительного сопротивления R в этой схеме больше)
по сравнению со схемой гашения реверсом поля. Поэтому повышение напряжения на обмотке возбуждения при гашении реверсом поля будет меньше, чем для первой группы гасителей на сопротивлениях.
Рис. 32. Принципиальная схема гашения поля методом реверса.
Схема первичной коммутации возбуждения ударного генератора ТИ-12-2
Рассмотрим схему возбуждения и развозбуждения лаборатории мощности отключения на базе ударного генератора ТИ-12-2. Примем схему нормального возбуждения ударного генератора. По схеме нормального возбуждения (рис. 33) ударный генератор возбуждается от главного возбудителя ГВ, когда требуется длительная отдача мощности, например, при испытаниях на термическую и динамическую устойчивость. Возбуждение производится в следующем порядке. Одновременно с генератором Г разворачивается и возбудитель ГВ. Включается разъединитель 3Р и 2Р. Разъединитель 5Р замыкается на клеммы 1—2. Этим заканчивается подготовка цепи подачи постоянного напряжения на обмотку возбуждения возбудителя ГВ. Затем с пульта управления включаются контакторы: 1M, который закорачивает гасительное сопротивление R1 гас, и 2М, который замыкает цепь возбуждения генератора. После этого включаются контакторы 3М и 4М, при этом нормально замкнутый контакт 4М размыкается и от шин постоянного тока подается возбуждение на возбудитель ГВ. Теперь ударный генератор возбуждается до требуемого напряжения и оперативным выключателем ОВ производится короткое замыкание. Команда на оперативный выключатель подается от прибора автоматического управления опытом (ПАУ). После соответствующей выдержки времени протекания тока короткого замыкания, которое задается ПАУ, генератор отключается защитным выключателем ЗВВ, или испытуемым выключателем, в зависимости от принятого цикла испытаний. Одновременно команда от ПАУ подается на контактор 4М, контакты которого включены таким образом, что при замыкании нормально разомкнутых контактов возбуждение возбудителя ГВ реверсируется: развозбуждается возбудитель ГВ и генератор. После того как генератор полностью развозбудится, напряжение на шинах при этом станет равным нулю, при помощи нулевого реле (или реле времени) отключается контактор ЗМ и полностью снимает возбуждение ГВ. Для более быстрого гашения поля расшунтируется гасительное сопротивление R1 гас. Для этого от ПАУ одновременно с подачей импульса тока на отключающую катушку контактора 4М подается импульс тока в катушку контактора 1М, который размыкает свои контакты и включает в цепь возбуждения гасительное сопротивление R1 гас. Рациональный выбор момента прекращения возбуждения после реверса поля определяется из следующих соображений. Магнитный поток генератора образуется за счет суммарного действия тока возбуждения и токов Фуко. Судить о том, в какой степени погашено поле генератора, можно по величине его магнитного потока (или э. д. с.). Наиболее рациональным моментом прекращения возбуждения возбудителя будет момент прохождения магнитным потоком своего нулевого значения.
Для лаборатории мощности отключения ВЭИ, где установлен ударный генератор ТИ-12-2, найдено: в случае нормальных испытаний можно прекращать возбуждение возбудителя через 5,98 сек. В случае гашения поля после ударного возбуждения это время равно 2,45 сек. Обычно в схему управления вводят специальный элемент, который отмечает нулевое значение магнитного потока. В качестве такого элемента может быть нулевое реле, или реле напряжения, подключенное через трансформатор напряжения к шинам генератора. Напряжение, подводимое к реле, будет пропорционально потоку машины. Проанализируем работу нулевого реле, схема которого дана на рис. 34. При срабатывании промежуточного реле 11РП, которое включается одновременно с реле времени при подаче импульса на гашение поля, подается питание на анод тиратрона ТГ-2050. На управляющую сетку тиратрона подается отрицательное смещение через выпрямители от трансформатора напряжения TH, подключенного к шинам ударного генератора.
Рис. 33. Схема первичной коммутации ЛМО на базе ударного генератора ТИ-12-2.
Рис. 34. Схема нулевого реле.
Пока на шинах ударного генератора есть напряжение, ток протекает через сопротивление и напряжение на этом сопротивлении своим отрицательным полюсом приложено к сетке тиратрона. Поэтому, пока на шинах ударного генератора есть напряжение, тиратрон этим напряжением заперт. Как только генераторное напряжение становится равным нулю, тиратрон отпирается и через него протекает ток. При этом срабатывает реле РП-2050, замыкая свои контакты в цепи другого, промежуточного реле, которое снимает возбуждение с возбудителя. Другой способ управления развозбуждением ударного генератора основан на применении прибора автоматического управления опытом, осуществляющего последовательность операций при испытании (см. гл. X).
