Глава вторая
СХЕМЫ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ
СХЕМЫ СИЛОВЫХ ЦЕПЕЙ
На рис. 1 представлена принципиальная схема независимой вентильной системы возбуждения, которая применяется для возбуждения крупных гидрогенераторов, а также турбогенераторов мощностью 500 и 800 МВт.
Рис. 1. Принципиальная схема независимой вентильной системы возбуждения.
ГГ — главный генератор; ВГ — вспомогательный генератор; В — возбудитель ВГ; ОВВ — обмотки возбуждения возбудителя; РГВ и ФГВ — рабочая и форсировочная группы вентилей; ВАБ - быстродействующий анодный выключатель;
ТСН — трансформатор СН-ионного возбуждения; РР и PC — разрядники ротора ГГ и статора ВГ; ГС — гасящий резистор ротора ГГ; КС — контактор самосинхронизации; С — гасящий резистор ротора ВГ; 1ТПТ— 3ТПТ — трансформаторы постоянного тока; 2К — АГП ВГ; ШРВ — шкаф управления ртутными вентилями; АРВ — автоматический регулятор возбуждения; ТИ1 и ТН2 — трансформаторы напряжения; ТТ — трансформатор тока; Р1 — разъединитель; ШР — регулируемый резистор.
Источником питания вентилей является вспомогательный генератор ВГ, расположенный на одном валу с главным генератором ГГ. Выпрямитель содержит две параллельно включенные трехфазные мостовые схемы: рабочую РГВ и форсировочную ФГВ группы. (Для турбогенераторов применяются схемы выпрямления с нулевым выводом и уравнительным реактором.)
Форсировочная группа вентилей подключается на полное напряжение фазы вспомогательного генератора, а рабочая — к ответвлению. Отношение форсировочного Uф и рабочего Uр напряжений определяется кратностью форсировки напряжения возбуждения и в общем случае находится в диапазоне 2—3.
Для системы возбуждения гидрогенераторов оно равно: Uф/Uρ=2,67.
Рабочая группа вентилей несет основную нагрузку в нормальных эксплуатационных режимах (0,6—0,8/ном). Остальная часть тока ротора (0,4—0,2/ном) приходится на форсировочную группу вентилей, которая обеспечивает также форсировку возбуждения, развозбуждение и гашение поля ротора. Кроме того, протекание тока по форсировочной группе в случае использования ртутных вентилей позволяет подогревать аноды, поддерживая их тем самым в состоянии готовности к принятию нагрузки во время форсировки и гашения поля ротора. В качестве вентилей в таких схемах сначала применялись ртутные вентили с непрерывной и периодической откачкой. В настоящее время переходят на тиристоры.
Для защиты ртутных вентилей от обратных зажиганий в питающей цепи устанавливаются быстродействующие анодные выключатели ВАБ.
Разъединитель Р1 (или автомат) предназначен для переключения питания ионных вентилей со вспомогательного генератора на специальный подформовочный трансформатор.
При включении генераторов в сеть методом самосинхронизации, а также при потере возбуждения и возникновении асинхронного хода обмотка ротора должна быть замкнута на сопротивление резистора. Для этого в схеме предусмотрены гасящий резистор ГС и контактор самосинхронизации КС.
Защита ротора от перенапряжений, возникающих при обрыве дуги ртутного вентиля, или асинхронном ходе, или других переходных режимах, осуществляется разрядником РР однократного (в первых проектах) или многократного действия типа Р3 или РД2. При пробое разрядника обмотка ротора замыкается на сопротивление ГС.
Для защиты статора вспомогательного генератора от перенапряжений, возникающих в указанных выше режимах, применяются разрядники PC роговые или вентильные, устанавливаемые между фазами.
Трансформаторы постоянного тока ТПТ совместно с комплектом вспомогательного измерительного устройства (на чертеже не показан) предназначены для измерения тока ротора и тока рабочей и форсировочной групп.
Трансформатор напряжения ТН2 служит для питания цепей измерения и защиты вспомогательного генератора, а также для питания его регулятора возбуждения.
Трансформатор собственных нужд ТСН питает цепи управления вентилей, аппаратура которых размещается в шкафах управления.
Возбуждение вспомогательного генератора электромашинное, с возбудителем В, расположенным на одном валу с главным генератором ГГ. Возбудитель имеет обмотку самовозбуждения с реостатом ШР и независимые обмотки, подключенные на выход АРВ вспомогательного генератора. Гашение поля вспомогательного генератора осуществляется автоматом гашения поля 2К с разрядом на гасящий резистор.
На ряде станций возбуждение вспомогательного генератора выполнено по схеме самовозбуждения на ртутных или кремниевых управляемых вентилях.
Схемы самовозбуждения рассмотрены ниже на примере схем самовозбуждения турбогенераторов.
Для гидрогенераторов малой и средней мощности получила распространение система возбуждения типа силового фазового компаундирования [Л. 9], принципиальные схемы двух вариантов которой показаны на рис. 2.
Система возбуждения по варианту, представленному на рис. 2,о, состоит из силового трансформатора преобразователя ТС, подключенного на выводы генератора, и последовательного трансформатора ПТ, первичные обмотки которого включаются последовательно в фазы генератора. Вторичные обмотки этих трансформаторов соединяются последовательно и питают выпрямитель, собранный на неуправляемых вентилях по трехфазной мостовой схеме. В каждом плече моста устанавливаются дроссели насыщения ДН1 (или магнитные усилители), обмотки управления которых подключаются к выходу корректора напряжения КН.
Рис. 2. Варианты принципиальных схем системы возбуждения типа силового фазового компаундирования.
а — с раздельным исполнением элементов, формирующих э. д. с., пропорциональные току и напряжению статора; б — с объединением элементов; в — векторные диаграммы напряжений анодной цепи; ГГ — генератор; ПТ — последовательный трансформатор; ГС —трансформатор силовой; СТВ — специальный выпрямительный трансформатор; ДН1, ДН2 — дроссели насыщения; НС — нелинейный резистор; ТН — трансформатор напряжения; КП — корректор напряжения; 1—6 — кремниевые диоды
Сопротивление дросселей тем меньше, чем больше ток подмагничивания. Изменением сопротивления дросселей удается в небольших пределах изменять ток возбуждения генератора и поддерживать напряжение на его выводах с заданной точностью.
В варианте, приведенном на рис. 2,б, применяется специальный выпрямительный трансформатор СТВ, имеющий параллельную и последовательную обмотки и обмотку питания выпрямителя. Кроме того, последовательно с параллельной обмоткой СТВ включается дроссель насыщения ДН2.
В обоих вариантах системы возбуждения защита ротора от перенапряжений, возникающих при близких к. з. в цепи статора, производится при помощи резистора НС с нелинейным сопротивлением, подключенного параллельно ротору. Гашение поля ротора производится АГП (на схеме не показан).
Рассматриваемая система относится к системам самовозбуждения. Напряжение, подводимое к выпрямителю (анодное напряжение Еа), а следовательно, и выпрямленный ток, при прочих равных условиях зависят от фазы тока статора I. Анодное напряжение тем больше, чем меньше cos φ (см. векторные диаграммы на рис. 2,в, где φ' — угол между напряжением сети и Еа, а —сопротивление намагничивания). При этом в варианте на рис. 2,а, непосредственно складываются напряжения вторичных обмоток трансформаторов ПТ и ТС, а в варианте на рис. 2,б складываются магнитные потоки параллельной и последовательной обмоток СТВ.
По данным [Л. 9] вариант системы, изображенный на рис. 2,а, имеет следующие преимущества:
раздельное исполнение последовательных трансформаторов и трансформаторов напряжения позволяет создать серии унифицированных трансформаторов, сочетая которые, можно создавать выпрямительные установки различных параметров;
двухобмоточные трансформаторы конструктивно просты и технологичны;
выполнение дросселей насыщения в виде отдельных магнитных усилителей с внутренней положительной обратной связью позволяет существенно уменьшить затраты активных материалов; уменьшить мощность управления, а при заданной мощности повысить быстродействие; применить типовые магнитные усилители.
Для турбогенераторов мощностью 200 МВт применяется система самовозбуждения без последовательных трансформаторов (параллельное самовозбуждение), принципиальная схема которой представлена на рис. 3,а.
Назначение большинства элементов аналогично описанным на схеме рис. 1. Поэтому поясняются лишь особенности данной схемы. Главная особенность состоит в том, что источником питания вентилей является выпрямительный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выводам главного генератора, а вторичные обмотки соединены по схеме две обратные звезды с уравнительным реактором УР. Уравнительный реактор выравнивает напряжение двух соседних (по векторной диаграмме рис. 3,б) фаз, обеспечивая тем самым равенство токов, протекающих в двух вентилях (подробнее см. гл. 3). Выпрямитель содержит две группы вентилей. Отношение напряжений форсировочного и рабочего ответвлений равно 2. В номинальном режиме через рабочую группу вентилей проходит около 0,6/ном, а через форсировочную 0,4/ном. Измерение тока ротора и тока рабочей и форсировочной групп производится при помощи измерительных шунтов, а в качестве датчика тока ротора для АРВ используется трансформатор постоянного тока с комплектом вспомогательного измерительного устройства. На рис. 3,а показаны рубильники и автоматы, позволяющие подключить ротор к основному или резервному возбудителю. В качестве последнего используется электромашинный двигатель — генераторный агрегат с маховиком на валу. Один резервный возбудитель предусматривается на каждые 4—6 агрегатов тепловой станции.
Гашение поля ротора производится автоматом гашения поля типа АГП-1 с разрядом обмотки ротора на дугогасящую решетку. Однако при работе на рабочем возбудителе (ионном) возможно гашение поля ротора переводом выпрямителя в инверторный режим. Весьма существенно при этом, по какой группе вентилей будет проводиться инвертирование. При существующих настройках систем управления инвертирование выполняется по рабочей группе. В этом случае по мере уменьшения тока возбуждения при гашении поля соответственно уменьшается и напряжение статора генератора.
Рис. 3. Система самовозбуждения без последовательных трансформаторов.
а — принципиальная схема; б — векторная диаграмма вторичных напряжений трансформатора; ТВ — выпрямительный трансформатор с уравнительным реактором; 1—6 — ртутные вентили рабочей (РГВ) и форсировочной (ФГВ) групп; 1P, 2Р — разъединители; АГП — автомат гашения поля; P1, Р2, Р3 — рубильники; 1АВ, 2АВ — автоматы; Ш1—Ш4 — шунты для измерения постоянного тока; РТ — разрядники трансформатора; К — контактор; α-α - к резервному возбудителю; б-б — к устройству начального возбуждения. Остальные обозначения см. рис. 1.
Следовательно, инвертирование происходит при уменьшающемся напряжении, что приводит к увеличению времени гашения поля ротора. Если же инвертирование проводить по форсировочной группе, то ток ротора быстро уменьшается до нуля, а напряжение статора не успевает существенно уменьшиться, поэтому затягивания времени гашения не происходит. Поскольку АГП рассчитан на определенное число отключений, целесообразно при работе на рабочем возбудителе перейти на гашение поля ротора переводом выпрямителя в инверторный режим по форсировочной группе.
Пуск системы самовозбуждения производится специальной схемой автоматики начального возбуждения, когда в ротор подается ток от постороннего источника постоянного тока. Схема автоматически отключается после начала процесса самовозбуждения. Скорость самовозбуждения зависит от значения и длительности начального тока возбуждения и от системы управления. Так, для турбогенератора ТГВ-200 и системы управления типа ССУП-4 при подаче начального тока 40 А время пуска составляет 20 с [Л. 4]. Рассмотренная система возбуждения с одногрупповой схемой выпрямления применяется для возбуждения синхронных компенсаторов большой мощности.
Система самовозбуждения обеспечивает все нормальные режимы работы генератора и форсировку возбуждения при удаленных к. з. всех видов. Наибольшая кратность форсировки возбуждения составляет около 2,6. Двукратная форсировка возбуждения обеспечивается при однофазном и двухфазном к. з. за силовым трансформатором блока. Однако при трехфазном к. з. и двухфазном к. з. на землю за трансформатором блока кратность форсировки не превышает соответственно 1 и 1,3, что не соответствует требованию ГОСТ, и если длительность к. з. превышает нормальную (0,2 с), то генератор начинает развозбуждаться и может развозбудиться до нуля. Другими словами, при указанных видах к. з. система самовозбуждения не обеспечивает действие резервных защит, выдержка времени которых достигает 5 с. Снижение кратности возбуждения и способность к развозбуждению были признаны существенным недостатком системы самовозбуждения, и поэтому на турбогенераторах ТГВ-300 и некоторых турбогенераторах ТГВ-200 начали устанавливать систему самовозбуждения с последовательными трансформаторами (рис. 4), называемую иногда системой смешанного самовозбуждения.
Главной особенностью данной системы возбуждения является наличие последовательного трансформатора ПТ, первичные обмотки которого включаются последовательно в цепь статора генератора, а вторичные обмотки— последовательно со вторичными обмотками выпрямительного трансформатора ТВ.
Рис. 4. Принципиальная схема системы самовозбуждения с последовательным трансформатором. ПТ — последовательный трансформатор. Остальные обозначения см. на рис. 3.
Таким образом, рабочая группа вентилей питается от ответвлений выпрямительного трансформатора, т. е. так же, как и в схеме параллельного самовозбуждения, а к форсировочной группе вентилей подводится геометрическая сумма напряжений выпрямительного и последовательного трансформаторов. Нормальные режимы обеспечиваются в основном рабочей группой вентилей. Форсировка возбуждения при к. з. обеспечивается форсировочной группой вентилей, анодное напряжение которой при близких к.з. определяется последовательным трансформатором (токовая составляющая), а при удаленных к. з. — выпрямительным трансформатором (составляющая напряжения). Поэтому заданная кратность форсировки обеспечивается во всех случаях, и в этом смысле система смешанного самовозбуждения эквивалентна независимой системе.
Последовательные трансформаторы системы самовозбуждения могут работать с разомкнутой вторичной обмоткой при любом значении первичного тока. В этом случае весь первичный ток трансформатора является намагничивающим. В процессе регулирования возбуждения может производиться полное отпирание или полное запирание вентилей форсировочной группы, что приводит к изменению тока намагничивания от некоторого расчетного до первичного. При таком режиме работы необходимо, чтобы сопротивление ПТ было достаточно малым. С этой целью ПТ выполняются с воздушным зазором, благодаря чему и имеют довольно сложную конструкцию и большие габариты.
Во всем остальном система смешанного самовозбуждения аналогична системе параллельного самовозбуждения.
В настоящее время прошли стадию опытной эксплуатации и испытаний и находят постепенно все большее распространение тиристорные системы возбуждения, применяемые как для гидро-, так и для турбогенераторов. Тиристорная система возбуждения рассматривается на примере системы смешанного самовозбуждения турбогенератора ТГВ-300 (рис. 5, 6).
Выпрямительный трансформатор ТВ без коммутационной аппаратуры подсоединяется к выводам турбогенератора. Первичная обмотка последовательного трансформатора включается последовательно в цепь статора генератора.
Отношение фазных напряжений полной вторичной обмотки ТВ и ответвления равно 440/238=1,85. Напряжение обмотки ω2 трансформатора ПТ в номинальном режиме 138 В. В качестве вентилей используются тиристоры типы ТЛ-250-6 (средний ток 250 А, обратное напряжение 600 В). Как рабочий, так и форсировочный выпрямитель имеют по шесть параллельных ветвей в каждом плече и в каждой ветви три вентиля последовательно (рис. 6). Распределение тока по ветвям обеспечивается индуктивным делителем тока. Для равномерного распределения обратного напряжения по последовательным вентилям параллельно каждому из них подключены резисторы (4,7 кОм). Для защиты от коммутационных перенапряжений используются RС-цепочки, состоящие из резистора с сопротивлением 10 Ом и конденсатора емкостью 1 мкФ. Защита от к. з. внутри преобразователя выполнена предохранителями типа ПНБ5-660/400, которые устанавливаются в каждой ветви.
Рис. 5. Принципиальная схема тиристорной системы самовозбуждения.
1—6 — тиристоры; W1 и W2— первичная и вторичная обмотки последовательного трансформатора; 1П, 2П — переключатели питания трансформаторов СH форсировочной (ТСН-Ф) и рабочей (ТСН-Р) групп вентилей; СУТР и СУТФ — системы управления тиристорами рабочей и форсировочной групп вентилей; в — к шинам 380 В СН блока. Остальные обозначения см. рис. 3.
Таким образом, один выпрямительный мост содержит 108 тиристоров и 36 предохранителей с плавкой вставкой на 315 А и на напряжение 660 В.
Тиристорная система отличается от ионной также схемой управления вентилями (см. гл. 4).
Для возбуждения турбогенераторов серии ТВВ нашла широкое применение высокочастотная система возбуждения (рис. 7). Питание обмотки ротора турбогенератора производится от высокочастотного (500 Гц) индукторного генератора ВЧГ, расположенного на одном валу с главным генератором, через выпрямительную установку, выполненную на неуправляемых кремниевых вентилях.
Рис. 6. Принципиальная схема одного плеча тиристорного выпрямителя.
Т — тиристор; ПП — плавкие предохранители; ИДТ — индукционный делитель тока; R, R1, С — защитные резисторы и конденсаторы.
Особенность индукторного генератора состоит в том, что обмотки возбуждения и обмотки статора, называемые рабочими, расположены на статоре.
Рис. 7. Принципиальная схема высокочастотной системы возбуждения.
ВЧГ — высокочастотный генератор; ПВ — подвозбудитель; ОВП, OBH1, ОВН2 — обмотки возбуждения (последовательная и независимые); В1, В2 — силовые выпрямительные установки; ВВ1, ВВ2 — выпрямители, питающие обмотки возбуждения; УБФ — устройство быстродействующей форсировки; ЭМК — электромагнитный корректор; БОФ — блок ограничения форсировки; ЛЭ, НЭ — линейный и нелинейный элементы измерительного органа; ПТ — промежуточный трансформатор; УАТ — установочный автотрансформатор; К — контактор; 1P, 2Р— рубильники; R1, R2— добавочные резисторы; остальные обозначения см. рис. 3.
Ротор представляет собой шихтованный цилиндр с десятью зубцами и не содержит обмоток. Отсутствие вращающихся обмоток повышает надежность системы возбуждения, но несколько снижает коэффициент использования магнитных материалов по сравнению с обычным синхронным генератором. Индуктивная связь между обмотками возбуждения и рабочей обмоткой выполняется за счет создания переменной магнитной проводимости воздушного зазора за счет зубцов вращающегося ротора в постоянном магнитном потоке возбуждения. У генератора имеются две рабочие обмотки и три обмотки возбуждения. Каждая трехфазная рабочая обмотка (500 Гц) питает свой выпрямитель, собранный по мостовой схеме.
Последовательная обмотка возбуждения ОВП включена в цепь ротора главного генератора и через нее проходит весь ток возбуждения.
Независимые обмотки возбуждения ОВН1 и ОВН2 питаются от устройства бесконтактной форсировки УБФ и от электромагнитного корректора ЭМК.
Регулирование возбуждения главного генератора производится изменением напряжения рабочих обмоток ВЧГ, т. е. регулированием его возбуждения. Последовательная обмотка возбуждения позволяет существенно уменьшить мощность регулирования, которое производится по независимым обмоткам. По мысли авторов системы предполагалось, что наличие последовательной обмотки возбуждения позволит использовать свободную составляющую тока ротора при к. з. в цепи статора для ускорения форсировки возбуждения. Однако оказалось, что из-за большой индуктивности коммутации выпрямители В1 и В2 переходят в глубокий режим (см. гл. 4) и выпрямленное напряжение в первый момент уменьшается, а не возрастает. В нормальном режиме последовательная обмотка создает намагничивающую силу несколько большую, чем требуется (перекомпаундированный генератор). Согласно с ней включается и обмотка ОВН1. Намагничивающая сила обмотки ОВН2, направленная встречно двум другим, уменьшает результирующую н. с. до необходимого значения. Таким образом, устройства ЭМК и УБФ представляют собой соответственно противовключенный и согласованный корректоры. При форсировке возбуждения ток от ЭМК уменьшается, а от УБФ увеличивается.
В настоящее время в эксплуатации находятся три варианта рассматриваемой системы возбуждения:
с подвозбудителем ГСП-4,5 (4,5 кВт), предназначенным для питания силовых цепей ЭМК. Силовое питание УБФ и БОФ производится от рабочей обмотки ВЧГ (рис. 7);
с подвозбудителем ГСПМ-30 (30 кВт), от которого питаются силовые цепи ЭМК и УБФ. Силовое питание БОФ производится как указано выше;
без подвозбудителя. Силовое питание ЭМК, БОФ и УБФ подается от рабочей обмотки.
Рис. 8. Структурная схема выпрямительной установки ВУТГ-2000.
Б1—Б24— блоки выпрямителей; ИДТ — индукционный делитель тока; RBX, СВХ — резисторы и конденсаторы на входе выпрямительных мостов.
Начальное возбуждение в первом варианте производится подачей тока в обмотку ОВН1, для чего цепи питания УБФ переключаются на подвозбудитель с помощью контактора К. При появлении определенного тока в последовательной обмотке и подъеме напряжения на статоре турбогенератора контактор К автоматически отключается и переключает питание УБФ на рабочую обмотку ВЧГ.
Автоматическое регулирование возбуждения производится по отклонению напряжения статора турбогенератора ∆U, для чего и предназначены установочный автотрансформатор и измерительный орган.
В высокочастотных системах возбуждения турбогенераторов серии ТВВ применяются преобразовательные установки типа ВУТГ-2000 и ВУТГ-3000.
Установка ВУТГ-2000 предназначена для возбуждения турбогенератора 200 МВт и представляет собой два трехфазных выпрямительных моста, соединенных последовательно на стороне постоянного тока (рис. 8).
Рис. 9. Принципиальная схема одного плеча выпрямителя.
В — кремниевый вентиль: R, R1, С — защитные резисторы и конденсаторы; PC1—PC4 — сигнальные реле; ПП — предохранители.
Плечо моста состоит из шести параллельных ветвей, по два последовательных вентиля в каждой ветви (рис. 9). Выпрямленный ток 2300 А, выпрямленное напряжение 400 В. Установка ВУТГ-3000 применяется для возбуждения турбогенератора 300 МВт и также состоит из двух трехфазных выпрямительных мостов, соединенных последовательно на стороне постоянного тока. Плечо моста состоит из 12 параллельных ветвей по 2 последовательных вентиля в каждой ветви. Учитывая, что параметры возбуждения турбогенераторов мощностью 165, 200 и 300 МВт близки между собой, в дальнейшем для этих турбогенераторов предполагается использовать установку ВУТГ-3000. В ней устанавливаются вентили ВКД-200 класса 6 (ток вентиля 200 А, обратное напряжение 600 В). Для равномерного распределения тока по ветвям используются индуктивные делители тока, для защиты от к. з. — предохранители, для защиты от коммутационных перенапряжений — цепи RC. Применение вентилей класса 10 на большие номинальные токи (300 А и более) позволит перейти на одномостовой вариант схемы, что вдвое уменьшит габариты, снизит стоимость устройства и повысит его эксплуатационные качества.
Для крупных турбогенераторов созданы бесщеточные системы возбуждения (рис. 10). Особенность системы состоит в том, что для питания выпрямителя используется выпрямительный генератор обращенного типа ВГ (обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения на статоре; ВГ расположен на одном валу с главным генератором).
Выпрямители и аппаратура защиты и сигнализации монтируются на специальном диске, который также расположен на одном валу с главным генератором. Токоподвод от ВГ к выпрямителю и от выпрямителя к ротору выполняется внутри полого вала, т. е. не содержит щеточного аппарата и контактных колец. Различные варианты подобных систем возбуждения, которые в настоящее время проходят стадию промышленных испытаний и опытной эксплуатации, отличаются друг от друга типом выпрямительного генератора, выпрямителя и автоматического регулятора возбуждения. Генератор может быть с синусоидальной или трапецеидальной формой кривой напряжения статора. Выпрямитель может быть выполнен на неуправляемых или управляемых кремниевых вентилях, АРВ может быть сильного или пропорционального действия.
На рис. 10 представлена схема бесщеточной системы возбуждения с трехфазным выпрямительным генератором ВГ частотой 150 Гц с синусоидальной формой кривой напряжения, неуправляемыми вентилями и АРВ пропорционального действия. Каждая фаза генератора имеет шесть параллельных ветвей обмоток якоря, включенных непосредственно на выпрямитель, соединенный по мостовой схеме. Таким образом удалось выполнить параллельное соединение вентилей без индукционных делителей тока.
Рис. 10. Бесщеточная система возбуждения. а — схема расположения оборудования; б — принципиальная схема системы; в— принципиальная схема соединения выпрямителей; ГГ — главный генератор; ВГ — выпрямительный генератор; ПВ — подвозбудитель; ВУ —выпрямительная установка; В—кремниевый вентиль; Д — диск; ВВ — выпрямитель обмотки возбуждения ВГ; ОЯ —обмотка якоря ВГ; ПП — плавкие предохранители; ОВГ — обмотка возбуждения генератора.
В качестве вентилей используются силовые неуправляемые роторные вентили типа ВКС-500, обладающие повышенной механической прочностью и стойкостью к вибрациям и ускорениям (ток вентиля 510 А, обратное напряжение 800—2000 В). Для защиты вентилей от перенапряжений используются RС-цепочки (R=20 Ом, С=0,185 мкФ — на схеме не показаны). Система возбуждения содержит подвозбудитель индукторного типа (частота 400 Гц), от которого получают питание АРВ и обмотка возбуждения ВГ (через магнитный усилитель и выпрямитель). Регулирование возбуждения главного генератора производится путем изменения напряжения ВГ.
В данной системе возбуждения успешно решается проблема токоподвода к ротору. Однако возникает проблема гашения поля. Сейчас гашение поля главного генератора осуществляется путем гашения поля ВГ, что увеличивает общее время гашения ноля. Исследовательские работы в этой области показывают, однако, что эти трудности могут быть преодолены. Наиболее успешно эта проблема может быть решена путем использования управляемых вентилей (тиристоров), и в этом направлении ведутся многочисленные работы.
Решаются и другие вопросы, например измерение тока и напряжения ротора, сигнализация отключения предохранителей и сигнализация выхода из строя вентилей и т. д.
Поскольку все элементы системы возбуждения являются вращающимися, то замена любого из них требует остановки агрегата, что составляет главный недостаток данной системы. Поэтому особенно большое значение имеет надежность работы вентилей, предохранителей и элементов автоматики и сигнализации.
Кроме вышеописанных существуют и другие схемы возбуждения турбогенераторов. Заводом «Электросила» предложена комбинированная вентильная система возбуждения, или система силового компаундирования. Эта система имеет два выпрямительных моста, включенных параллельно на обмотку возбуждения турбогенератора. Один мост (управляемый), выполненный на тиристорах, получает питание от вспомогательного генератора частотой 50 Гц, расположенного на одном валу с главным генератором. Второй выпрямительный мост (неуправляемый), выполненный на кремниевых диодах, получает питание от трансформатора силового компаундирования ТСК, первичная обмотка которого включена последовательно в цепь статора главного генератора. Трансформаторы силового компаундирования не допускают разрыва вторичной цепи при наличии тока в первичной цепи. Эти трансформаторы не имеют воздушного зазора, конструктивно просты и могут быть встроены в токопровод. Комбинированная вентильная система возбуждения по динамическим свойствам, определяющим статическую и динамическую устойчивость генератора, практически равноценна независимой вентильной системе возбуждения.
Комбинированная вентильная система возбуждения позволяет уменьшить мощность вспомогательного генератора примерно в 2 раза по сравнению с независимой системой возбуждения, уменьшается также количество управляемых вентилей (тиристоров). Однако для данной системы требуется разработка специального трансформатора компаундирования. В комбинированной вентильной системе возбуждения невозможно инвертирование.
Рис. 11. Схемы преобразования с объединенными обмотками с полным (а) и неполным (б) числом вентилей.
1РГВ, 2РГВ — рабочие группы вентилей; ФГВ, 1ФГВ, 2ФГВ — форсировочные группы вентилей; УP1, УР2 — уравнительные реакторы; ОВГ — обмотка возбуждения генератора; Wф, Wρ — число витков рабочей и форсировочной обмоток источника питания выпрямителя.
Это ее свойство несколько ухудшает демпфирование качаний ротора в послеаварийных режимах по сравнению с независимой системой возбуждения [Л. 22].
При создании вентильных систем возбуждения на большие токи и напряжения была предложена [Л. 23] схема преобразования с объединенными обмотками, варианты которой показаны на рис. 11. У источника питания по этой схеме отсутствует нулевая точка, начала и концы фазных обмоток включены на вентили, собранные по мостовой схеме. Поскольку векторная диаграмма напряжений начал обмоток источника питания противоположна векторной диаграмме напряжений концов обмоток, то можно считать катодные и анодные группы вентилей питающимися от двух отдельных обратных звезд (как в схеме с нулевым выводом). Только уравнительный реактор здесь включен не со стороны источника питания, а со стороны выпрямителя. Таким образом, схема представляет собой последовательное соединение двух схем: с нулевым выводом и уравнительным реактором. Благодаря рассматриваемой схеме преобразования удалось значительно сократить количество вентилей и избежать параллельного и последовательного их соединения. Кроме того, в данной схеме преобразования вероятность обратного зажигания ионных вентилей становится чрезвычайно малой, что позволило отказаться от анодных выключателей, а это существенно упрощает систему возбуждения. Эксплуатация систем возбуждения на некоторых ГЭС подтверждает положительные качества рассмотренной схемы преобразования.
