Системы возбуждения синхронных машин

В синхронных машинах применяются несколько систем возбуждения.

Электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 1). В этой системе в качестве источника используется специальный генератор постоянного тока (ГПТ), называемый возбудителем.

Системы возбуждения делятся на два типа – прямые и косвенные. В прямых системах возбуждения якорь возбудителя соединен с валом синхронной машины. В косвенных системах возбуждения возбудитель приводится во вращение двигателем, который питается от шин собственных нужд электростанции или вспомогательного генератора. Вспомогательный генератор может быть соединен с валом синхронной машины или работать автономно. Прямые системы более надежны, так как при аварийных ситуациях в энергосистеме ротор возбудителя продолжает вращаться вместе с ротором синхронной машины и обмотка возбуждения сразу не обесточивается.

Рис. 1. Электрома­шинная система возбуж­дения: LG — обмотка возбуждения синхронного генератора; LE — обмотка возбуждения возбудителя GE; R_Ш1 — ре­гулировочное сопротивление

Классическая система возбуждения синхронных машин состоит из возбудителя в виде генератора параллельного возбуждения на общем валу с синхронной машиной (электромашинный возбудитель). У тихоходных машин мощ­ностью до 5000 кВт для уменьшения массы и стоимости возбудителей последние иногда соединяют с валом синхронной машины с помощью клиноременной передачи. Гидрогенераторы также обычно имеют возбудитель на одном валу с генератором.

Для гашения магнитного поля применяется автомат гашения поля (АГП), который состоит из контакторов K₁, K₂ и гасительного (разрядного) резистора R_P. Гашение поля проводится в следующем порядке. При включенном контакторе K₁ включается контактор K₂, замыкающий обмотку возбуждения на резистор , где R_B—сопротивление обмотки возбуждения. Затем происходит размыкание кон­тактора К₁, и ток в цепи обмотки возбуждения генератора начинает уменьшаться (затухать) с постоянной времени (L_B — индуктивность обмотки возбуждения) в соответствии с уравнением (рис. 2).

Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля выключением только одного контактора К₁ без включения гасительного резистора R_P. Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой индуктивности обмотки возбуждения в ней индуцировалась бы большая ЭДС самоиндукции , превышающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К₁ при разрыве выделялась бы большая энергия, запасенная в магнитном поле обмотки возбуждения, и из-за большой дуги произошло бы разрушение контактов. Для крупных машин затухание тока возбуждения при наличии гасительного резистора происходит с постоянной времени около 1 с.

Форсировка возбуждения осуществляется шунтированием резистора R_Ш1, включенного в цепь возбуждения возбудителя.

Рис. 2. Затухание тока возбуждения при гашении поля

Однако у мощных тихоходных генераторов с n_р=60-150 об/мин размеры и стоимость возбудителя в связи со значительной его мощностью и тихоходностью получаются большими. Кроме того, тихоходные возбудители вследствие своих больших размеров обладают большой электромагнитной инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования и форсировки возбуждения. Поэтому применяют также системы возбуждения в виде отдельного быстроходного агрегата (n_р=750-1500 об/мин), состоящего из асинхронного двигателя и генератора постоянного тока. Асинхронный двигатель при этом получает питание от специального вспомогательного синхронного генератора, расположенного на одном валу с главным гидрогенератором, а в некоторых случаях — с шин собственных нужд гидростанции или с выводов главного гидрогенератора. В последнем случае возбудительный агрегат подвержен влиянию аварий в энергосистеме (короткие замыкания и пр.), и поэтому для повышения его надежности приводные асинхронные двигатели выполняют с повышенным максимальным моментом (М_max ≥4 М_н), а иногда эти агрегаты снабжают также маховиками. В виде отдельных возбудительных агрегатов выполняются также агрегаты резервного возбуждения электростанций, служащие для резервирования собственных возбудителей генераторов в случае аварий и неисправностей.

Турбогенераторы мощностью до Р_н= 100 МВт также обычно имеют возбудители в виде генераторов постоянного тока на своем валу. Однако при Р_н > 100 МВт мощность возбудителей становится настолько большой, что их выполнение при n_р= 3000-3600 об/мин по условиям коммутационной надежности оказывается затруднительным или даже невозможным. При этом применяются разные решения. Например, за границей широко используются возбудители со скоростью вращения n_р=750 — 1000 об/мин, соединяемые с валом турбогенератора с помощью редуктора, а также возбудительные агрегаты с асинхронными двигателями, получающими питание с шин станции или с выводов генератора.

Мощность возбудителя обычно равна 0,3—3 % мощности синхронного ге­нератора. Он приводится во вращение от вала синхронного генератора. Ток возбуждения крупной синхронной машины I_B относительно велик и составляет несколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулируют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляется по схеме самовозбуждения (рис. 1) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока, называемого подвозбудителем (рис. 3). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R_Ш2 в процессе работы генератора не изменяется.

Рис. 3. Электромашинная система возбуждения с подвозбудителем: LG — обмотка возбуждения синхронного генератора; LE — обмотка возбуждения Возбудителя GE; LA — обмотка возбуждения подвозбудителя GEA

Компаундированная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 4). В современных системах возбуждения широко применяется принцип компаундирования, т. е. автоматическое изменение намагничивающей силы возбуждения при изменении тока нагрузки синхронного генератора. Так как в обмотке якоря синхронной машины протекает переменный ток, а в обмотке возбуждения 2— постоянный ток, то в схемах компаундирования синхронных машин применяются полупроводниковые выпрямители.

В приведенной на рис. 4 принципиальной схеме компаундированной системы возбуждения с возбудителем постоянного тока обмотка возбуждения возбудителя 4 подключена к якорю возбудителя 3 с реостатом 6 и, кроме того, к выпрямителям 9, получающим питание от последовательных трансформаторов 7. На холостом ходу генератора обмотка 4 получает питание только от якоря 3. По мере увеличения тока нагрузки генератора 1 напряжение вторичной обмотки трансформатора 7 будет расти, и уже при небольшой нагрузке это напряжение, выпрямленное выпрямителем 9, сравняется с напряжением обмотки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки обмотка 4 будет подпитываться от трансформатора 7 и, поэтому ток этой обмотке и ток возбуждения генератора будут расти с увеличением нагрузки.

При увеличении сопротивления установочного реостата 8 напряжение, подаваемое на выпрямители 9, и компаундирующее действие трансформатора 7 будут расти. При коротких замыканиях компаундирующее устройство осуществляет форсировку возбуждения.

Рис. 4. Система возбуждения с токовым компаундированием

Компаундирующее действие схемы рис. 4 зависит только от значения тока нагрузки и не зависит от его фазы. Поэтому при индуктивной нагрузке это действие слабее, чем при активной нагрузке. Такое компаундирование называется токовым, и при этом постоянство напряжения U в пределах диапазона нормальных нагрузок удается сохранять с точностью до ± (5—10)%. Такая точность для современных установок недостаточна, и поэтому в схемах рис. 4 применяется дополнительный корректор или автоматический регулятор напряжения //, который соединен с помощью трансформатора 10 с зажимами генератора, а также с установочным реостатом 8. Регулятор 11 реагирует на изменения напряжения U и тока / и питает постоянным током дополнительную обмотку возбуждения возбудителя 5.

Вентильные системы возбуждения могут быть построены на большие мощности и являются более надежными, чем электромашинные. Различают три разновидности вентильных систем возбуждения: с самовозбуждением, независимую и бесщеточную.

В системе с самовозбуждением (рис. 6) энергия для возбуждения синхронной машины отбирается от обмотки якоря основного генератора, а затем преобразуется статическим преобразователем ПУ (тиристорный преобразователь) в энергию постоянного тока, которая поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного намагничивания его полюсов.

Рис. 6. Вентильная система возбуждения синхронного генератора с самовозбуждением: LG — обмотка возбуждения генератора; ПУ — преобразовательное устройство с регулятором напряжения; TV — трансформатор напряжения, снижающий под­водимое к обмотке возбуждения напряжение; ТА — трансформатор тока, служащий для поддержания напряжения возбуждения при изменении нагрузки генератора

В независимой системе вентильного возбуждения (рис. 7) энергия для возбуждения получается от специального возбудителя GN, выполненного в виде трехфазного синхронного генератора. Ротор его расположен на валу главного генератора. Переменное напряжение возбуди­теля выпрямляется и подается в обмотку возбуждения.

Разновидностью независимой системы вентильного возбуждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины размещается якорь возбудителя переменного тока с трехфазной обмоткой.

Рис. 7. Вентильная независимая система возбуждения: GN — возбудитель переменного тока (синхронный); LN — обмотка возбуждения возбудителя; GEA — подвозбудитель;

LA — обмотка возбуждения подвозбудителя; ПУ — преобразовательное устройство с регулятором напряжения

Переменное напряжение этой обмотки через выпрямительный мост, закрепленный на валу машины, преобразуется в постоянное и непосредственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от подвозбудителя или регулятора напряжения.

Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов. Особенностью этих машин является то, что для создания магнитного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.

Преимуществами машин с постоянными магнитами являются простота конструкции, отсутствие скользящего контакта, высокий КПД и меньший нагрев из-за отсутствия потерь в обмотке: возбуждения и скользящем контакте. Большим достоинством этих машин является также отсутствие источника постоянного тока для их возбуждения.

К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулирования магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.

Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя — постоянные магниты и асинхронного двигателя — беличью клетку, необходимую для пуска.

4. Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов

Особенностью этих машин является то, что для создания магнит­ного поля возбуждения у них используются постоянные магниты. Постоянные магниты чаще всего размещаются на роторе, благодаря чему машина становится бесконтактной. Синхронные машины с постоянными магнитами широко используются в качестве генераторов небольшой мощности и микродвигателей.

Преимуществами машин с постоянными магнитами являются простота конструкции, отсутствие скользящего контакта, высокий КПД и меньший нагрев из-за отсутствия потерь в обмотке: возбуждения и скользящем контакте. Большим достоинством этих машин является также отсутствие источника постоянного тока для их возбуждения.

К недостаткам таких машин следует отнести сложность регулиро­вания магнитного потока, высокую стоимость, малую предельную мощ­ность (из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов), а также повышенную массу машин средней мощности.

Синхронные генераторы с постоянными магнитами выпускаются на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные двигатели с постоянными маг­нитами и асинхронным пуском. Роторы таких двигателей сочетают в се­бе элементы синхронного двигателя — постоянные магниты и асин­хронного двигателя — беличью клетку, необходимую для пуска.

Постоянные магниты могут иметь радиальное и аксиальное распо­ложение на роторе. В первом случае магнит 1 имеет форму звездочки (рис. 7), на нее напрессовывается стальной кольцевой пакет 2, в пазах которого располагаются стержни беличьей клетки.

Рис. 7. Синхронный двигатель с радиальным расположением посто­янных магнитов на роторе: 1 — постоянные магниты; 2 — пакет ротора; 3 — статор

В стали коль­цевого пакета для уменьшения потоков рассеяния магнитов выполня­ются межполюсные прорези. Во втором случае на валу располагается ротор 2 по типу ротора асинхронного двигателя, и с одного или обеих сторон от этого пакета размещаются постоянные магниты 1 (рис. 8), Асинхронный пуск двигателя с постоянными магнитами имеет ту особенность, что кроме двигательного (асинхронного) момента в этом слу­чае возникает еще тормозной (генераторный) момент. Тормозной мо­мент появляется в результате взаимодействия магнитного поля возбуж­денных полюсов ротора с наведенными им токами в обмотке статора 3. На рис. 9 показаны кривые асинхронного М_а, тормозного М_T и результирующего М моментов двигателя при асинхронном пуске.

Рис. 8. Синхронный двигатель с аксиальным расположением посто­янных магнитов на роторе: I — постоянный магнит; 2 — пакет ротора; 3 — статор

Рис. 9. Пусковые характеристики дви­гателя с постоянными магнитами

Пус­ковые характеристики у двигателей с постоянными магнитами хуже, чем у гистерезисных двигателей, но они имеют лучшие энергетические показатели, повышенную перегрузочную способность, стабильность час­тоты вращения.