В процессе создания вентильных систем возбуждения широко используется как теоретический анализ, так и исследования и испытания на опытно-промышленных
установках и электродинамических моделях. Это позволяет проверить правильность основных конструктивных решений и рассмотреть основные режимы системы возбуждения.
Так, разработке системы ионного возбуждения гидрогенераторов Волжской ГЭС им. В. И. Ленина предшествовали испытания и исследования, проведенные на опытной установке ионного возбуждения гидрогенератора мощностью 55 МВт. На Волжской ГЭС им. В. И. Ленина испытывалась система возбуждения, разрабатываемая для Братской ГЭС, а на Братской ГЭС — система возбуждения для Красноярской ГЭС и система тиристорного возбуждения и т. д. На гидрогенераторе 55 МВт была испытана система самовозбуждения с сериесными трансформаторами.
Вентильные системы возбуждения турбогенераторов начали внедряться с учетом опыта их эксплуатации на гидрогенераторах. Тем не менее продолжалось создание опытных установок, на которых изучались специфические вопросы (опытная установка системы ионного возбуждения ВНИИЭ для турбогенератора 3 МВт, опытная установка завода «Электросила» высокочастотной системы возбуждения турбогенератора 30 МВт, опытная установка комбинированной вентильной системы возбуждения турбогенератора 50 МВт, опытная установка бесщеточной системы возбуждения турбогенератора 30 МВт и т. д.). На электродинамической модели Института электромеханики АН СССР выполнено исследование ионной системы самовозбуждения с последовательными трансформаторами и двумя группами вентилей в переходных режимах турбогенератора 300 МВт.
Большие работы по усовершенствованию систем возбуждения, повышению их надежности выполняются наладочными организациями во время пусконаладочных испытаний головных образцов систем возбуждения. Во время этих испытаний окончательно проверяется работоспособность системы возбуждения в основных режимах, правильность всех проектных и конструкторских решений, намечаются пути усовершенствования отдельных узлов и схем.
Для широкого внедрения вентильных систем возбуждения особенно важное значение имеет работа персонала электростанций по накоплению и анализу опыта эксплуатации систем возбуждения. Положительную роль играют натурные испытания систем возбуждения и регулирования, проводимые по широким программам при участии представителей заводов-изготовителей, научно-исследовательских институтов, проектных и наладочных организаций и персонала электростанций. Такие испытания наиболее полно выявляют достоинства и недостатки системы возбуждения в целом, углубляют знания о процессах в системе возбуждения, а также позволяют определить пути дальнейшего их совершенствования.
За последние 5—10 лет развился метод испытаний и исследований систем возбуждения на аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Испытания на АВМ имеют целый ряд преимуществ перед испытаниями другими методами. Наглядность получаемого результата и простота его расшифровки сочетаются с возможностью быстрого и неограниченного варьирования параметров элементов и режимов работы. При физическом моделировании (электродинамические модели) и на натурных установках варьирование параметров и режимов сопряжено с большими материальными затратами, а часто просто невозможно. Вместе с тем моделирование на АВМ имеет один существенный недостаток. Точность отражения процессов на модели определяется точностью их математического описания, которое должно быть возможно более простым, чтобы модель не была очень сложной.
Пренебрежение тем или иным фактором процесса в конкретных условиях может привести к неверному результату. Поэтому испытания на АВМ целесообразно проводить, имея осциллограммы некоторых процессов натурных испытаний. Добиваясь совпадения результатов испытаний на АВМ и в натуре для некоторых режимов, можно затем переходить к различным вариациям параметров и режимов с большей уверенностью в правильности полученных результатов. Указанные способы моделирования используются в основном в исследовательских организациях. Освоение этих способов наладочными организациями и персоналом электростанций существенно повысит надежность работы систем возбуждения, увеличит скорость ввода их в работу и культуру эксплуатации.
Способы моделирования цепей с вентилями можно разделить на три группы. По первому способу вентили моделируются математически. Сущность этой методики заключается в том, что в сколь угодно сложной цепи
выделяется элементарная цепочка, содержащая в общем случае индуктивное и активное сопротивления и вентиль и имеющая напряжение входа и выхода. Далее составляется дифференциальное уравнение напряжений для этой цепочки, которое затем решается на АВМ. При этом моделирование управляемых вентилей требует дополнительно на каждую цепочку с вентилем построения следящей системы, которая «управляет» моментом открытия вентиля. Данный способ моделирования может быть использован для простейших схем преобразования. Применение его для моделирования практически встречающихся схем систем возбуждения вызывает большие трудности вследствие большого числа усилителей и электронных следящих систем. Второй способ (также математический) состоит в моделировании внешней характеристики преобразователя и является пока единственным способом моделирования двухгрупповых схем выпрямления. По этому способу внешняя характеристика преобразователя набирается на специальном функциональном блоке, а источник питания вентилей представляется соответствующими уравнениями. Методика может быть с успехом использована для исследования форсировочной способности системы возбуждения в различных режимах работы генератора. К ее недостаткам следует отнести невозможность рассмотрения процессов в вентилях. В третьем способе используется смешанное (физическое и математическое) моделирование цепей с вентилями. Его сущность заключается в том, что неуправляемый вентиль на модели заменяется маломощным диодом, а управляемый — диодом и релейной схемой. При этом решение дифференциального уравнения цепи питания вентилей производится по обычным правилам математического моделирования. Релейная схема реализует логику работы управляемого вентиля, т. е. подключает неуправляемый вентиль к источнику питания выпрямителя в моменты времени, соответствующие углу открытия, и отключает неуправляемый вентиль от источника питания по окончании протекания тока в вентиле. Управление релейной схемой осуществляется посредством решающих усилителей или с помощью схемы на транзисторах. Данный метод моделирования проще первого, модель легче настраивается и работает устойчиво. Однако по этой методике требуется большое замедление процессов. Масштаб времени при моделировании должен быть примерно равен mt = 100-:-500, что необходимо для обеспечения надежной работы релейной схемы и отстройки схемы модели от собственного времени срабатывания реле. Такой масштаб времени при рассмотрении электромеханических переходных процессов применять нельзя, так как это приводит к большим погрешностям. Оптимальным масштабом времени для исследования электромеханических переходных процессов в генераторе является масштаб 5. Электромагнитные процессы в преобразователе можно рассматривать при любом масштабе времени, но и в этом случае предпочтительней не очень большое замедление процессов (m = 5-:-20). Одним из авторов данной книги [Л. 22] разработана и осуществлена методика физического и математического моделирования, по которой мощные управляемые вентили (ртутные или кремниевые) на модели заменяются маломощными тиристорами. Тиристоры управляются специальной схемой, разработанной с учетом специфики работы усилителей АВМ и являющейся физической моделью натурной схемы управления тиристорами. Такой способ моделирования управляемых вентилей не накладывает ограничений на круг рассматриваемых вопросов. Воздействие на схему управления тиристорами модели может осуществляться либо от модели АРВ, либо от натурного АРВ, либо вручную.
В главе, посвященной испытаниям систем возбуждения, приводятся структурные схемы моделирования и некоторые результаты испытания системы возбуждения на АВМ (см. § 32).
