§ 30. Системы автоматического регулирования напряжения.

Работа судовой электроэнергетической системы характеризуется изменением нагрузки, что вызывает отклонение напряжения и частоты на шинах судовой электростанции.

Напряжение на зажимах (клеммах) синхронного генератора пропорционально электродвижущей силе (ЭДС) Е, которая определяется формулой: Е= С nФ

где: С - постоянная величина (коэффициент);

n - скорость вращения (об/мин);

Ф - магнитный поток (Вб - Вебер).

В судовых условиях n величина постоянная (n=const). Стабильность оборотов обеспечивается регулятором оборотов первичного (приводного) двигателя.

Следовательно, регулировать напряжение на зажимах генератора (на шинах СЭС) возможно лишь за счет магнитного потока Ф. Значение которого пропорционально току возбуждения генератора, т.е. за счет изменения тока возбуждения генератора.

Таким образом изменение напряжения на зажимах генератора происходит в результате колебания тока статора и коэффициента мощности нагрузки, что приводит к падению напряжения в обмотках статора (результат действия размагничивающей силы реакции якоря - размагничивание генератора). Компенсация размагничивающего действия реакции якоря за счет увеличения тока возбуждения генератора и есть компаундирование.

Действие всех автоматических регуляторов напряжения (АРН) основано на изменении тока возбуждения генератора (без участия человека) при изменении напряжения на зажимах генератора.

Совокупность АРН и генератора называется системой автоматического регулирования напряжения (САРН). САРН предназначена для поддержания напряжения на зажимах генератора в установившихся и переходных режимах.

В установившемся режиме САРН автоматически поддерживает напряжение генератора в заданных пределах и осуществляет равномерное распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами. В переходных режимах - ограничивает величину и продолжительность отклонения напряжения и обеспечивает быстрое его восстановление до установившегося значения.

Применяемые в настоящее время системы регулирования напряжения синхронных генераторов можно подразделить по принципу регулирования на три группы:

1. Системы с регулированием по отклонению напряжения.

2. По возмущению (изменению тока нагрузки) - токовое компаундирование.

3. Системы с комбинированным регулированием по отклонению напряжения и по возмущению (фазовое компаундирование).

Наибольшее распространение получили системы, относящиеся к третьей группе.

При этом основную функцию выполняет регулирование по возмущению, воздействию по отклонению Ur отводится вспомогательная роль. Это улучшает динамические характеристики, уменьшает габариты и повышает надежность системы.

Преимущественное применение имеют системы фазового компаундирования, осуществляющие регулирование как по величине тока нагрузки (по амплитуде), так и по характеру нагрузки (по фазовому сдвигу тока нагрузки относительно напряжения).

Однако кроме основных возмущений на систему оказывает влияние ряд второстепенных воздействий. Например: изменение температуры окружающей среды, параметров отдельных элементов, нелинейность статических характеристик ряда узлов, неидентичность характеристик однотипных машин, возможная неточность настройки системы. Это может привести к отклонению напряжения, превышающему требуемые номиналы. Для исключения этого отклонения используется обратная связь по отклонению напряжения генератора, реализуемая в виде корректора напряжения. К этим системам компаундирования с корректором напряжения можно отнести системы типа УБК-М, РНА-65, системы автоматического регулирования напряжения генераторов серии МСК, МСС, ГСС и др.

По принципу работы различают системы автоматического регулирования напряжения прямого и косвенного действия (прямое и косвенное компаундирование).

Введение корректора напряжения помимо повышения точности работы системы позволяет улучшить условия самовозбуждения машины.

Включение выхода корректора напряжения на обмотку подмагничивания трансформатора тока применяется при электрическом сложении составляющих по току и напряжению в схемах с фазовым компаундированием.

Действие любой системы автоматического регулирования напряжения характеризуют два основных режима установки:

1. Установившийся (статический). При этом нагрузка генератора плавно изменяется в определенных пределах, как по величине, так и по коэффициенту мощности.

2. Переходной (динамический). При этом нагрузка генератора внезапно и быстро меняется.

Системы автоматического регулирования напряжения генераторов обеспечивают постоянство напряжения и кратковременность его провалов в динамическом режиме, пропорциональное распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами.

Согласно Правил Регистра напряжение генераторов поддерживается в статистических режимах с точностью ±2,5% U_н для всех нагрузок от х.х. до I_н.

В динамических режимах при набросе 100% нагрузки или сбросе 50% максимальное изменение напряжение не должно превышать 20% U_н, а восстановление его с точностью ±2,5% U_н должно происходить за время не более 1,5 с при cosφ не менее 0,4. Распределение реактивной нагрузки ±10% мощности наименьшего генератора (при параллельной работе генераторов).

Современные системы автоматического регулирования удовлетворяют данным требованиям.

Структурные схемы стабилизации напряжения синхронных генераторов

В схеме (рис.2.31а) автоматическое регулирование напряжения генератора достигается воздействием АРН на регулируемый резистор R в цепи обмотки возбуждения возбудителя LG2. По этой схеме выполнены вибрационные электромеханические регуляторы напряжения, угольные (типа РУН).

В схеме (рис.2.31б) стабилизация напряжения генератора на заданном уровне осуществляется путем изменения дополнительной энергии, поступающей через регулятор АРН от клемм генератора в обмотку возбуждения возбудителя. По той схеме выполнены регуляторы напряжения УБК-М, РНА-65. Они построены по комбинированному принципу регулирования, имеют высокую чувствительность и быстродействие.

Рис.2.31 Рис.2.31 Рис.2.31

фазовое компаундирование Рис.2.32

Процесс автоматического регулирования напряжения происходит за счет энергии, которая подается через регулятор АРН от шин генератора непосредственно в его обмотку возбуждения. Системы регулирования, выполненные по данной схеме являются системами самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения. Системы, построенные по второй и третьей структурным схемам (см. рис. 31 б,в), чаще всего работают с помощью компаундирования, которое может быть токовым или амплитудно-фазовым. При токовом компаундировании (рис. 32.2 а) наблюдается изменение сигналов управления, пропорциональных току генератора. При амплитудно-фазовом компаундировании (рис. 32.2 б) геометрическое суммирование сигналов управления, пропорциональных току и напряжению, происходит на стороне переменного тока силового выпрямителя. Чтобы суммирование было геометрическим, т.е. с учетом фазы тока по отношению к напряжению, в канал напряжения включают компаундирующий элемент: катушку индуктивности, конденсатор или магнитный шунт в трехобмоточных трансформаторах. Фазовое компаундирование позволяет осуществлять регулирование напряжения генератора по двум основным возмущениям: по току нагрузки генератора и коэффициенту мощности, поэтому фазовое компаундирование имеет несомненное преимущество перед токовым.

Автоматическое регулирование напряжения генераторов постоянного тока и синхронных генераторов с возбудителем постоянного тока осуществляется с помощью отдельно изготавливаемых регуляторов различных типов, в том числе угольных, тиристорных (или транзисторных) и компаундирующих.

На рисунке 10.6 представлена схема синхронного генератора G1 с возбудителем постоянного тока G2 и угольным регулятором напряжения УРН.

Рис. 2.33. Схема синхронного генератора с возбудителем постоянного тока и угольным автоматическим регулятором напряжения.

СК - скользящий контакт

Регулятор состоит из двух основных частей: столба угольных шайб УС и электромагнита ЭМ. Якорь электромагнита через систему рычагов механически связан со столбом угольных шайб. Напряжение генератора U через выпрямитель V подводится электромагниту. Столб угольных шайб включен в электрическую цепь последовательно с обмоткой возбудителя wG2. В процессе разгона генератора вместе с возбудителем до номинальной скорости вращения n происходит самовозбуждение возбудителя (как генератора постоянного тока параллельного возбуждения) с возрастанием напряжения u_в, тока возбуждения i_в.г.(в обмотке ротора), магнитного потока, ЭДС и напряжения U на зажимах генератора до номинального значения.

При уменьшении напряжения синхронного генератора (после подключения нагрузки) электромагнит ЭМ увеличивает силу сжатия столба угольных шайб УС, вследствие чего уменьшается его электрическое сопротивление и увеличивается i_в.в., напряжение u_в, ток i_в.г., ЭДС и напряжение U генератора до заданного значения.

При повышении напряжения генератора (в результате отключения нагрузки) электромагнит уменьшает силу сжатия столба угольных шайб, вследствие чего увеличивается его сопротивление и уменьшается ток i_в.в., напряжение u_в, ток i_в.г., ЭДС и напряжение U генератора до заданного значения.

Таким образом, САР напряжения генератора в составе с угольным регулятором основана на использовании отклонения регулируемой величины от заданного значения.

Схема самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения генератора (косвенное компаундирование)

На рис.2.34 представлена схема синхронного генератора G1 с возбудителем постоянного тока G2 и компаундирующим регулятором напряжения, основным составным элементом которого является трансформатор амплитудно-фазового компаундирования ТАФК. Трансформатор имеет пять обмоток, четыре из них входные (первичные и одна выходная - вторичная). По двум входным токовым обмоткам ОТ, включенным встречно друг другу, проходят токи I_в, Ic. По входной обмотке напряжения ОН, последовательно с которой включен дроссель L, протекает ток I_н пропорциональный напряжению U генератора. Выходная обмотка корректора ОК получает питание от корректора напряжения КН. В выходной обмотке ОВ суммируются МДС всех входных обмоток. Напряжение U_вых выходной обмотки выпрямляется и подается на дополнительную (компаундирующую) обмотку возбуждения возбудителя wG2.2. Под действием этого напряжения по обмотке протекает компаундирующий ток возбуждения i _в.к.

При разгоне генератора с возбудителем до номинальной скорости вращения n и происходит возбуждение возбудителя с нарастанием тока i_в.в. в основной обмотке возбудителя wG2.1 и напряжения u_в возбудителя, а также тока возбуждения i_в.г. и напряжения генератора.

Одновременно, под действием напряжения U_в.с. возникает ток I_н в обмотке ОН трансформатора ТАФК и компаундирующий ток i_в.к. в обмотке wG2.2.

Рис.2.34. Схема синхронного генератора с возбудителем постоянного тока и компаундирующим автоматическим регулятором напряжения

заданного значения. При уменьшении тока нагрузки напряжение генератора сохраняется неизменным, поскольку снижается значение компаундирующего тока возбуждения. Так обеспечивается стабилизация напряжения синхронного генератора при изменении амплитудного значения тока нагрузки, т.е. амплитудное компаундирование.

Стабилизация напряжения генератора при изменении коэффициента мощности нагрузки, т.е. при изменении угла φ между векторами фазового напряжения U_a и тока I_а, достигается изменением компаундирующего тока i_в.к. в зависимости от результирующей МДС Fов выходной обмотки ОВ. При увеличении угла φ, т.е. уменьшении коэффициента мощности, значение МДС F_ов и тока i_в.к. возрастают, что компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и поддерживает напряжение генератора на необходимом уровне. Так осуществляется фазовое компаундирование. В целом описанный регулятор напряжения обеспечивает амплитудно-фазовое компаундирование синхронного генератора, имеющего возбудитель постоянного тока.

Система самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения генератора (прямое компаундирование).

Конструктивные особенности, а также непрерывное усовершенствование синхронных генераторов с самовозбуждением привели к многообразию регуляторов. Однако принципиально все регуляторы обеспечивают выполнение одних и тех же задач, а именно:

- автоматическое регулирование напряжения генератора;

- передачу от обмоток статора через обмотки О1, О2, О3 и выпрямитель Вn (рис.2.35) в обмотку ротора энергии, необходимой для питания обмотки возбуждения генератора.

На рис.2.35 представлена в общем виде одна из возможных система самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения судового синхронного генератора. Система состоит из трансформатора фазового компаундирования ТрФК с тремя основными обмотками О1, О2, О3. Обмотки О1, О2 являются первичными, обмотка О3 - вторичной (выходной). Трансформатор имеет обмотку управления ОУ, включенную на корректор напряжения КН, схема которого не показана.

Выходная обмотка О3 трансформатора подключена на трехфазный выпрямительный мост Вn, от которого подается в обмотку ротора (обозначена штриховой линией) постоянный ток возбуждения.

Процесс самовозбуждения синхронного генератора протекает следующим образом. Благодаря остаточному магнетизму железа ротора, при его вращении в обмотке статора наводится некоторая э.д.с. Под действием этой э.д.с. по обмотке О2 трансформатора течет переменный ток, под действием магнитного поля которого в обмотке О3 также наводится э.д.с. Под действием последней через выпрямитель Вn и, следовательно, через обмотку ротора потечет ток возбуждения, увеличивающий магнитный поток ротора, э.д.с. в обмотке статора, ток в обмотке О2 и т.д. Так как автомат генератора еще не включен, то обмотка О1 током не обтекается и в процессе самовозбуждения не участвует. Из-за небольшой величины начальной э.д.с., обусловленной остаточным магнетизмом железа, и большого сопротивления обмоток О2, О3 и выпрямителя Вn начальный ток возбуждения может оказаться недостаточным для самовозбуждения генератора. Тогда прибегают к дополнительным мерам, направленным на увеличение начального тока возбуждения (например, подача в обмотку ротора постоянного тока от аккумуляторов, установка на генераторе дополнительного генератора начального самовозбуждения и др.).

К окончанию процесса самовозбуждения генератора на его зажимах будет номинальное напряжение, а в обмотке О2 под действием этого напряжения потечет максимальный ток. После этого можно включать автомат «А» и нагружать генератор током нагрузки I , I , I . Как известно, это приводит к уменьшению напряжения генератора, но теперь вступает в работу обмотка О1 которая создает магнитный поток, наводящий в обмотке О3 дополнительную э.д.с, что вызывает увеличение тока возбуждения в обмотке ротора и восстанавливает напряжение генератора до заданной величины.

Теперь рассмотрим, как трансформатор ТрФК осуществляет регулирование напряжения генератора в условиях изменения величины и характера нагрузки.

Предположим, генератор развивает номинальное напряжение, на его шины включено несколько потребителей. По обмотке О1 протекает ток нагрузки I , генератора, по обмотке О2 - ток I₂ и напряжения одной фазы генератора.

Рис.2.35. Система самовозбуждения и автоматического регулирования синхронного генератора.

Вектор тока нагрузки I всегда является отстающим от вектора напряжения на некоторый угол φ, так как в полный ток нагрузки I входит определенная доля индуктивного тока. Можно сказать, что положение вектора тока I определяется величиной коэффициента мощности cosφ. Вектор тока I₂ отстает от вектора напряжения на угол 90° благодаря дросселю Др, включенному в цепь обмотки О2, т.е. ток этой обмотки индуктивный.

Токи I , I₂ создают в ТрФК магнитодвижущие силы (м.д.с). Векторы м.д.с. всегда совпадают с векторами тока. М.д.с. F3 является геометрической суммой векторов м.д.с. обмоток О1 и О2. Величина тока возбуждения пропорциональна величине м.д.с. обмотки О3.

Предположим, что нагрузка на генератор увеличится, но без изменения ее характера (фазы). Генератор уменьшит свое напряжение но одновременно увеличится и м.д.с. в обмотке О3.Это приведет к увеличению тока возбуждения генератора и восстановлению его напряжения до номинального значения. Такая реакция ТрФК на изменение величины нагрузки называется амплитудным компаундированием.

В практике эксплуатации синхронных генераторов встречаются случаи, когда величина полного тока генератора не изменяется, но доля индуктивного тока увеличивается, т.е. уменьшается cosφ (увеличивается угол φ). В результате генератор уменьшает напряжение. Но м.д.с. вторичной обмотки О3 ТрФК увеличивается. Следовательно, увеличивается ток возбуждения и напряжение генератора восстанавливается до нормы. Реакция ТрФК на изменение нагрузки по характеру, называется фазовым компаундированием.

Таким образом доказано, что трансформатор фазового компаундирования осуществляет регулирование напряжения генератора по возмущающему воздействию току нагрузки (амплитудное компундирование) и характеру нагрузки (фазовое компаундирование). Это называется амплитудно-фазовым компаундированием.

ТрФК (см. рис.2.35) не может обеспечить высокую точность регулирования напряжения генератора, поэтому система регулирования снабжается корректором напряжения КН. Схемы корректоров напряжения очень разнообразны и довольно сложны, их строят на бесконтактных устройствах типа магнитных усилителей, а в последнее время - на полупроводниковых элементах. Принципиально все корректоры напряжения выполняют следующие функции: регулирование напряжения генератора по отклонению регулируемой величины. Например, если ТрФК произвел регулирование недостаточно точно и напряжение на шинах не соответствует заданной величине, то корректор осуществляет подрегулирование; (регулирование по изменению частоты вращения генератора; регулирование по температурным изменениям; распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами).

Корректор напряжения в процессе регулирования изменяет ток в обмотке управления ОУ, расположенной в ТрФК, тогда изменяется общее намагничивание железа ТрФК и величина индуктируемого тока в обмотке О3. Это изменяет величину главного параметра регулирования - тока возбуждения генератора.