Источник питания, обеспечивающий ток возбуждения синхронного генератора, и вспомогательное оборудование к ней называются системой возбуждения. Обычно она состоит из двух основных частей: блока возбуждения и регулятора возбуждения. Блок возбуждения обеспечивает ротор синхронного генератора током возбуждения, а регулятор возбуждения управляет выходным сигналом блока возбуждения на основе входного сигнала и заданных параметров регулирования.

Автоматический регулятор возбуждения играет важную роль в повышении стабильности параллельных агрегатов электрической сети. Особенно современное развитие энергосистем привело к снижению пределов стабильности агрегатов, что также способствует постоянному развитию технологии возбуждения.

Описание системы

Возбуждение
Процесс создания вращающегося магнитного поля в роторе генератора по принципу электромагнитной индукции обычно называется возбуждением. Кроме того, подвозбуждение — это процесс подачи рабочего магнитного поля на электрооборудование, использующее принцип электромагнитной индукции, например, генераторы. Иногда устройство, подающее питание на ротор генератора, также называют возбуждающим устройством.

С развитием строительства электростанций отрасль электроэнергетики Китая вступила в этап крупных сетей, высокого напряжения и больших агрегатов. Стабильность работы крупногабаритных агрегатов имеет решающее значение для стабильности и безопасности всей сети. Однако наибольшее влияние на стабильность генератора оказывает система возбуждения. Она играет крайне важную роль в обеспечении безопасности сети, не только гарантируя стабильную работу агрегатов, но и служит рычагом для регулирования реактивной мощности и напряжения во всей сети.

Основные функции
1. Поддержание напряжения на стороне генератора на заданном уровне; при изменении нагрузки генератора регулировать силу возбуждения, чтобы сохранять напряжение на стороне генератора на заданном уровне.
2. Управлять распределением реактивной мощности между параллельно работающими генераторами.
3. Повышать статическую стабильность параллельно работающих генераторов.
4. Повышать транзитную стабильность параллельно работающих генераторов.
5. Выключать магнитное поле при возникновении внутренних неисправностей в генераторе, чтобы минимизировать потери.
6. Ограничивать максимальный и минимальный ток возбуждения в соответствии с требованиями эксплуатации генератора.

Типы систем
Показать

Генераторы постоянного тока
Для этого типа возбуждения используются специальные генераторы постоянного тока (DC generators), которые обычно соединены с генератором на одной оси. Вращающийся магнитный поток генератора создаётся за счёт постоянного тока, поступающего через кольца (brushes) и фиксированные брёвна (brushes) с помощью генератора постоянного тока, установленного на большой оси генератора. Такой способ возбуждения обладает преимуществами, такими как независимость тока возбуждения, высокая надёжность работы и уменьшение расхода собственной электроэнергии. На протяжении последних десятилетий он был основным способом возбуждения генераторов и имеет богатый опыт эксплуатации. Недостатками являются медленная скорость регулировки возбуждения и значительные затраты на обслуживание, поэтому его применяют реже всего в агрегатах мощностью свыше 10 МВт.

Генераторы переменного тока
Некоторые современные генераторы большого размера используют генераторы переменного тока (AC generators) для подачи тока возбуждения.Электрический двигатель с переменным током также устанавливается на большой оси генератора. Выходной переменный ток после выпрямления подаётся на возбуждение ротора генератора, при этом способ возбуждения генератора называется внешним возбуждением. Поскольку используется статическое выпрямительное устройство, такой метод возбуждения также называют статическим внешним возбуждением. Электрический двигатель с переменным током служит для подачи тока возбуждения. Данный электрический двигатель может быть постоянного тока или переменного тока с автономным источником постоянного напряжения. Для увеличения скорости регулирования возбуждения обычно используются среднечастотные генераторы частотой 100–200 Гц, а для дополнительных электрических двигателей — среднечастотные генераторы частотой 400–500 Гц. В этих генераторах обмотки постоянного и трёхфазного переменного тока намотаны внутри статорных щупалец, а ротор имеет только зубья и щупалец, без обмоток, что создаёт эффект «зубчатого колеса». Таким образом, в них отсутствуют движущиеся контакты, такие как щётки и кольца скользящего тока, что обеспечивает надёжную работу, простую конструкцию и удобство изготовления.

Недостатками являются высокий уровень шума и значительная гармоническая составляющая переменного напряжения.

[2]

Безвозбуждающий генератор

В системе возбуждения специальный генератор не устанавливается, а источник питания для возбуждения поступает непосредственно из самого генератора, который после выпрямления подаётся на возбуждение генератора. Такой способ возбуждения называется статическим автоматическим возбуждением. Статическое автоматическое возбуждение можно разделить на два типа: самовозбуждение и повторное самовозбуждение. При самовозбуждении ток возбуждения получают через выпрямительный трансформатор, подключённый к выходу генератора, и после выпрямления подаётся на возбуждение генератора. Этот способ имеет преимущества простой конструкции, малого количества оборудования, экономии инвестиций и уменьшения затрат на обслуживание. При повторном самовозбуждении помимо выпрямительного трансформатора используется мощный трансформатор, последовательно соединённый с цепью статора генератора. Этот трансформатор служит для подачи большого тока возбуждения при коротком замыкании, чтобы компенсировать недостаток напряжения, получаемого выпрямительным трансформатором. В этом способе возбуждения имеются два источника питания: напряжение, получаемое через выпрямительный трансформатор, и ток, получаемый через последовательно подключённый трансформатор. [2]

Свойства

Проголосить

Регулировка напряжения

Система автоматической регулировки возбуждения представляет собой систему отрицательной обратной связи с регулируемым параметром — напряжением. Ток реактивной нагрузки является основной причиной падения напряжения на выводах генератора. При неизменном токе возбуждения напряжение на выводах генератора снижается по мере увеличения тока реактивной нагрузки. Однако для удовлетворения требований потребителей к качеству электроэнергии напряжение на выводах генератора должно оставаться практически неизменным. Этому достигается путём изменения тока возбуждения в соответствии с изменением тока реактивной нагрузки. [2]

Реактивная мощность

При параллельном включении генератора в сеть можно считать, что генератор работает на источнике бесконечной мощности. Чтобы изменить реактивную мощность генератора, необходимо регулировать ток возбуждения генератора. В этом случае изменяемый ток возбуждения не является обычным понятием «регулировка напряжения», а представляет собой изменение тока, поступающего в систему, которое определяет реактивную мощность генератора. [2]

Реактивная нагрузка

При параллельном включении генераторов реактивная нагрузка распределяется пропорционально их номинальным мощностям. Большие генераторы должны нести большую часть реактивной нагрузки, а малые — меньшую. Для автоматического распределения реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами можно использовать автоматическую систему регулировки напряжения, которая изменяет ток возбуждения генератора, поддерживая напряжение на выводах генератора постоянным, а также можно регулировать угол наклона характеристики регулировки напряжения, чтобы добиться более равномерного распределения реактивной нагрузки между генераторами. [2]

Автоматическая регулировка

Проголосить

Методы

Изменение тока возбуждения генератора обычно осуществляется не напрямую в обмотку ротора, поскольку ток в этой обмотке очень велик и неудобен для прямой регулировки. Обычно применяется метод изменения тока возбуждения генератора через электрический двигатель с переменным током. [2]В качестве распространённых методов можно выделить изменение сопротивления цепи возбуждения генератора, изменение дополнительного тока возбуждения, изменение угла включения тиристоров и т.д. В данном случае основное внимание уделяется методу изменения угла включения тиристоров: в зависимости от изменений напряжения, тока или коэффициента мощности генератора, угол включения выпрямителя на тиристорах соответственно корректируется, что приводит к изменению тока возбуждения генератора. Данная система обычно состоит из электронных компонентов — транзисторов и тиристоров, обладает такими преимуществами, как высокая чувствительность, быстрота, отсутствие зоны отказа, большая выходная мощность, малые габариты и вес. В аварийных ситуациях она эффективно подавляет перенапряжение генератора и обеспечивает быстрое размагничивание.

Компоненты устройства:

Автоматическое регулировочное устройство возбуждения обычно состоит из следующих модулей: измерительного, синхронизирующего, усилительного, регулирующего, стабилизирующего, ограничительного и некоторых вспомогательных модулей. [2]

1. Измерительный модуль
Сигналы измерения (например, напряжение, ток и т.д.) преобразуются в измерительном модуле и сравниваются с заданными значениями. Затем результат сравнения (отклонение) усиливается предварительным и силовым усилителями и используется для управления углом включения тиристоров, тем самым регулируя ток возбуждения генератора.

2. Синхронизирующий модуль
Цель синхронизирующего модуля — обеспечить синхронность импульсов запуска, вырабатываемых фазированным блоком, с переменным питанием возбуждения тиристоров, чтобы гарантировать правильную триггерную синхронизацию тиристоров.

3. Регулирующий модуль
Регулирующий модуль предназначен для стабильного и рационального распределения реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами.

4. Стабилизирующий модуль
Стабилизирующий модуль был введён для улучшения стабильности энергосистемы. Модуль стабилизации системы возбуждения используется для повышения стабильности системы возбуждения.

5. Ограничительный модуль
Ограничительный модуль предназначен для предотвращения работы генератора при условиях перегрузки по возбуждению или недостаточного возбуждения.

Следует отметить, что не каждое автоматическое регулировочное устройство возбуждения оснащено всеми вышеупомянутыми модулями. Находящиеся в устройстве регулирования количество модулей зависит от конкретных задач, которые оно выполняет.

Компоненты устройства:

Для автоматического регулировочного устройства возбуждения используются следующие компоненты: трансформаторы напряжения на стороне машины, трансформаторы тока на стороне машины, трансформаторы возбуждения; устройство возбуждения должно обеспечивать следующие токи: промышленное переменное напряжение 380 В, промышленное постоянное напряжение 220 В (исправительный ток), промышленное постоянное напряжение 220 В (ток замыкания); необходимо обеспечить следующие аналоговые сигналы: напряжение на стороне генератора 100 В, ток на стороне генератора 5 А, напряжение шины 100 В, а также следующие сигналы реле выхода устройства возбуждения: перегрузка трансформатора возбуждения, потеря магнитного поля, аварийный режим устройства возбуждения и т.д.

Система управления, защиты и сигнализации возбуждения состоит из размыкателя, цепи помощного возбуждения, вентилятора, размыкателя, сигнализации перегрузки возбуждения, сигнализации перегрузки трансформатора возбуждения, сигнализации неисправности регулятора, аварийного состояния генератора, сигнализации изменения количества электроэнергии и т.д. При внутренней неисправности синхронного генератора, помимо отключения, необходимо произвести размагничивание, максимально быстро ослабивая магнитное поле ротора до минимального уровня, чтобы при условии отсутствия перегрузки ротора время размагничивания было как можно короче. Это является основной функцией устройства размагничивания. В зависимости от номинального напряжения возбуждения различают линейные и нелинейные методы размагничивания сопротивлением.

Цифровое автоматическое регулировочное устройство возбуждения

За последние десять лет благодаря появлению новых технологий, новых процессов и новых компонентов, способы возбуждения генераторов постоянно развиваются и совершенствуются. В области автоматических регулировочных устройств возбуждения также продолжаются разработка и внедрение многочисленных новых регулирующих устройств. Поскольку цифровые автоматические регулировочные устройства возбуждения, реализованные с помощью программного обеспечения компьютеров, обладают значительными преимуществами, во многих странах разрабатываются и испытываются цифровые автоматические регулировочные устройства возбуждения, объединяющие микрокомпьютеры с соответствующими внешними устройствами. Такие устройства могут осуществлять адаптивное регулирование.