Возбуждение трехфазного генератора. Генератор с самовозбуждением и размагничивающей обмоткой

• 1) надежное питание постоянным током ОВ в любых режимах, в том числе при авариях в энергосистемах;
• 2) устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки генератора;
• 3) необходимое быстродействие;
• 4) форсировка возбуждения, т.е. обеспечение быстрого нарастания тока возбуждения, примерно до двукратного значения;
• 5) быстрое гашение магнитного поля возбуждения при оперативных отключениях генератора от сети.

• 1) электромашинное возбуждение с использованием генератора постоянного тока;
• 2) электромашинное возбуждение с использованием генератора переменного тока с преобразованием этого тока в постоянный;
• 3) самовозбуждение путем преобразования части электрической энергии переменного тока генератора в энергию постоянного тока возбуждения.

Увеличение мощностей турбо- и гидрогенераторов, а следовательно, необходимых мощностей возбудителей инициировало необходимость замены генераторов постоянного тока электромашинными системами возбуждения с применением генераторов переменного тока, не имеющих никаких ограничений по мощности. Для преобразования переменного тока в постоянный ранее использовались ртутные выпрямители, которые в дальнейшем уступили место управляемым и неуправляемым полупроводниковым преобразователям на основе диодов, тиристоров, транзисторов. Полупроводниковые преобразователи обладают большей надежностью, а в целом система с генераторами переменного тока большим быстродействием, позволяющим осуществить высокий уровень возбуждения (до четырехкратного номинального напряжения возбуждения при постоянной времени системы возбуждения менее двух сотых секунды). Широкое внедрение систем возбуждения с управляемыми преобразователями было осуществлено впервые в мире в нашей стране. В дальнейшем переход на такие системы был осуществлен и за рубежом.

Мощность генераторов для системы возбуждения составляет 0,5—2 % полной мощности главного генератора. Например, для турбогенератора 320 МВт она достигает 2 МВт, для 800 МВт — 6 МВт и т.д., токи возбуждения — тысяч ампер (для мощных турбогенераторов 5—8 тыс. А). Это обстоятельство создает большие трудности при организации токоподвода к обмотке возбуждения с помощью скользящего контакта между контактными кольцами ротора и щетками. Поэтому для ряда генераторов была успешно применена бесщеточная система возбуждения, где постоянный ток подается непосредственно с вращающегося ротора возбудителя на обмотку возбуждения главного генератора. Переменное напряжение обмотки возбуждения преобразуется в постоянное выпрямительным мостом, установленным на роторе. Силовые роторные вентили должны обладать повышенной механической прочностью и вибростойкостью.

Преимуществом систем самовозбуждения является то, что они не имеют электромашинного возбудителя — генератора. Для питания обмотки ротора главного генератора используется часть энергии статора главного генератора. В результате надежность системы повышается, стоимость ее уменьшается, сокращается длина генератора. Начальное возбуждение генератора осуществляется за счет остаточного намагничивания машины или током от постороннего источника.

В состав системы возбуждения входит автоматический регулятор возбуждения (АРВ). Он осуществляет поддержание заданного уровня напряжения и устойчивость работы генератора при колебаниях напряжения в электроэнергетической системе при изменении значения и характера нагрузок, отключении электростанции, линии электропередачи, коротких замыканиях. Основные требования, предъявляемые к АРВ, — это быстродействие, устойчивость регулирования, обеспечение форсировки возбуждения при резких снижениях напряжения в сети, что чревато потерей статической и динамической устойчивости генераторов.

Ввод в эксплуатацию дальних электропередач, объединение отдельных энергосистем в единую сеть, рост мощностей генераторов потребовали существенного повышения их динамической и статической устойчивости. Были созданы АРВ сильного действия (АРВ СД), реагирующие не только на отклонение параметров режима генератора (напряжение, ток, частота), но и на скорость их изменения.

При возникновении аварийных режимов, коротких замыканий в генераторе, шинопроводе или трансформаторе, после внезапного отключения генератора необходимо быстро уменьшить магнитное поле обмотки возбуждения генератора. Эта операция носит название гашение поля и осуществляется специальным автоматом гашения поля (АГП). К устройству АГП предъявляются два основных, иногда противоречащих друг другу, требования: время гашения поля должно быть возможно меньшим, а возникающее при гашении индуктированное перенапряжение в обмотке ротора не должно превосходить допустимых значений.

Главное отличие этого типа генераторов в том, что намагничивающая обмотка возбуждения питается не от постороннего источника, а от самого генератора. Поэтому они называются генераторами с самовозбуждением.

Принципиальная электрическая схема и устройство магнитной системы четырех полюсного генератора с самовозбуждением.

В коллекторных генераторах, кроме основных полюсов и обмоток, есть ещё 2 дополнительных полюса, на которых размещается по витку дополнительной последовательной обмотки. Это необходимо для компенсации магнитного потока реакции якоря и сохранения положения электрической нейтрали машины при изменении нагрузки.

Для нормальной работы генератора с самовозбуждением необходимо, чтобы напряжение, подаваемое на намагничивающую обмотку, не изменялось в процессе сварки, т.е. не зависело от режима сварки. С этой целью в генераторе установлена третья дополнительная щетка z , которая располагается между двумя основными щетками a и b . При анализе работы данного генератора необходимо учитывать магнитный поток Ф я , создаваемый сварочным током, протекающим по виткам якорной обмотки, так называемый поток реакции якоря.

Картина распределения магнитных потоков под полюсом полярности N четырехполюсного генератора

Из рисунка видно, что под одной половиной полюсов силовые линии поля якоря усиливают намагничивающий поток Ф н. а под другой - ослабляют его. В целом подмагничивающее действие потока реакции якоря компенсируется его размагничивающим действием. Поэтому при анализе работы генераторов с независимым возбуждением влияние потока реакции якоря не учитывалось.

В генераторах с самовозбуждением параметры обмотки якоря и размагничивающей обмотки подобраны так, что под одной половиной полюсов (между щетками b—z ) магнитный поток размагничивающей обмотки компенсируется потоком реакции якоря. В результате напряжение на щетках b-z будет определяться только половиной магнитного потока намагничивающей обмотки.

Таким образом, напряжение, питающее намагничивающую обмотку, оказывается независящим от сварочного тока. Падающая же характеристика генератора обеспечивается за счет размагничивающего действия размагничивающей обмотки, проявляющегося под второй половиной полюсов.

Это позволяет заключить, что регулировка режима в коллекторных генераторах с самовозбуждением такая же. как и в генераторах с независимым возбуждением.

Особенность генераторов с самовозбуждением состоит в том, что их запуск возможен только при вращении якоря, в одном направлении, указанном стрелкой на торцевой крышке статора.

Это связано с тем, что первоначальное возбуждение генератора при его запуске происходит благодаря остаточному намагничиванию полюсов. При вращении якоря в противоположную сторону в обмотке возбуждения потечет ток обратного направления, который своим нарастающим магнитным полем в какой-то момент времени компенсирует остаточное намагничивание полюсов, т.е. суммарный магнитный поток под полюсами станет равным нулю. В этом случае для возбуждения генератора необходимо намагничивающую обмотку временно подсоединить к независимому источнику постоянного тока.

Агрегат АДД-303 с коллекторным генератором

ВЕНТИЛЬНЫЕ СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Появились в середине 70-х годов 20 века после освоения производства силовых кремниевых вентилей. В этих генераторах функцию выпрямления тока вместо коллектора выполняет полупроводниковый выпрямитель, на который подается переменное напряжение генератора.

В сварочных агрегатах применяются генераторы три типа конструкции генераторов переменного тока: индукторный, синхронный и асинхронный

Конструкции генераторов переменного тока:

а — индукторного, б — синхронного, в — асинхронного

В России сварочные агрегаты выпускаются с индукторными генераторами с самовозбуждением, независимым возбуждением и со смешанным возбуждением.

Схема вентильного генератора с самовозбуждением

Схемы однофазного и трехфазного вентильных генераторов с независимым возбуждением

Конструктивная схема и связь параметров индукторного генератора

В индукторном генераторе неподвижная обмотка возбуждения питается постоянным током, но создаваемый ею магнитный поток имеет переменный характер. Он максимален при совпадении зубцов ротора и статора, когда магнитное сопротивление на пути потока минимально, и минимален при совпадении впадин ротора и статора.

Следовательно. ЭДС , наводимая этим потоком, тоже переменная. Три рабочие обмотки расположены на статоре со сдвигом на 120°, поэтому на выходе генератора образуется трехфазное переменное напряжение. Падающая характеристика генератора получается за счет большого индуктивного сопротивления самого генератора. Реостат в цепи возбуждения служит для плавной регулировки сварочного тока.

Отсутствие скользящих контактов (между щетками и коллектором) делает данный генератор более надежным в эксплуатации. Кроме того, у него более высокий КПД, меньшие масса и габариты, чем у коллекторного генератора. Значительно можно улучшить и динамические характеристики.

Принципиальная электрическая схема вентильного генератора типа ГД-312 с самовозбуждением

ВСХ генератора ГД-312

Для обеспечения работы на холостом ходу питание обмотки возбуждения осуществляется от трансформатора напряжения, а для питания ее в режиме короткого замыкания - от трансформатора тока. В режиме нагрузки - сварки - на обмотку возбуждения подается смешанный сигнал управления пропорциональный части выходного напряжения и пропорциональный току.

Вентильные генераторы выпускаются марки ГД-312 и применяются для ручной сварки металлов в составе агрегатов типа АДБ

Схемы соединения обмоток трехфазного индукторного генератора

Вентильный генератор ГД-4006

Принципиальная схема генератора ГД-4006

ВСХ генератора ГД-4006

В России выпускают несколько конструкций многопостовых агрегатов с количеством постов от 2х до 4х.

На рынке представлены универсальные агрегаты для нескольких способов сварки или сварки и плазменной резки. В частности агрегат АДДУ-4001ПР

Устройство агрегата АДДУ-4001ПР

Формирование исскуственных ВСХ агрегата АДДУ-4001ПР обеспечивается тиристорным силовым блоком с микропроцессорным управлением.

Более широкие технологические возможности обеспечивает применение в агрегатах инверторных силовых блоков, как например в агрегате Vantage500.

Инверторные источники питания.

Инвертирование в преобразовательной технике - это преобразование постоянного напряжения в переменное.

Инверторы сварочных источников питания выполняются на силовых тиристорах и транзисторах. Тиристорные инверторы проигрывают транзисторным по максимальной частоте преобразования (на порядок) и соответственно по массогабаритным показателям. Поэтому в производстве сварочных ИП они в настоящее время почти полностью вытеснены транзисторными инверторами.

Рассмотрим одну из широко применяемых схем транзисторного инвертирования.

Выпрямитель V1 преобразует напряжение сети (~380В, 50Гц) в постоянное, неравномерность которого сглаживается фильтром L1— С1. Инвертор на транзисторах VT1-VT2 преобразует постоянное напряжение в переменное высокочастотное (~ 50 кГц). Далее напряжение (~ 380 В) понижается трансформатором Т до сварочного (80 В), выпрямляется выпрямителем V2 и сглаживается фильтром L2- C2. Поскольку трансформируется переменный ток большой частоты, то трансформатор изготавливается не с железным, а с ферритовым сердечником, что снижает его вес примерно в 10 раз. Поскольку частота трансформируемого тока большая, то сокращается длительность переходных процессов с n*10 -2 с до 10 -3 с и менее.

В настоящее время основную часть инверторного оборудования для сварочного производства составляют ИП с высокочастотными трансформаторами, поскольку условия электробезопасности при ручной сварке и сварке шланговыми полуавтоматами, а также при плазменной резке требуют гальванической развязки вторичной цепи от силовой сети.

Регулировка режима (получение падающей вольтамперной характеристики и регулировка вторичного напряжения на жёсткой характеристике) как правило осуществляется путём изменения частоты.

Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов

Для получения падающей характеристики вводится обратная связь по току: с его увеличением автоматически снижается частота, что влечет уменьшение выходного напряжения. Для стабилизации выходного напряжения на жестких характеристиках вводится обратная связь по напряжению.

Внешние характеристики выпрямителей с инвертором

В 80-х годах и до середины 90-х годов инверторные выпрямители выпускались небольшой мощности (до 160 А), для работы на монтаже и для бытовых нужд. В середине 90-х появилось новое поколение так называемых полевых транзисторов, способных выдерживать большие токи. Это позволило приступить к выпуску промышленных инверторов на токи 300-500 А.

Современные переключающие приборы: МОП-транзистор (а); биполярный транзистор с изолированным затвором (б); транзисторно-диодный модуль — чоппер (в); силовой модуль с оптимизированным управлением и комплексной внутренней защитой (г)

В сварочных ИП с силовыми транзисторами используется несколько схем инвертирования.

Однотактный преобразователь с прямым включением диода

Однотактный преобразователь с обратным включением диода

Двухтактный мостовой преобразователь

Двухтактный полумостовой преобразователь

Резонансный двухтактный мостовой преобразователь

Реальные силовые схемы инверторных ИП могут существенно отличаться от типовых.

Выпрямитель ДС.250.33

Выпрямитель Сaddy Arc 150

Выпрямитель InvertecV350-РRО

Выпрямитель Форсаж-160

Системы возбуждения генераторов можно разделить на группы:

1) независимое возбуждение, т.е. электромашинные возбудители постоянного и переменного тока сопряженные с валом генератора;

2) самовозбуждение (зависимое возбуждение), т.е. системы возбуждения, получающие питание непосредственно с выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы.

Независимое возбуждение генераторов (основное достоинство — возбуждение СГ не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным) наиболее распространено.

Недостатки: сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения (определяется в основном недостатком возбудителя); снижение надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток коллектора (для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения).

Системы самовозбуждения, в общем, менее надежны чем системы независимого возбуждения, поскольку в них …
работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока.

Схема независимого электромашинного возбуждения (слева), схема зависимого электромашинного возбуждения, т. е, самовозбуждения (справа).

На схеме; ОВВ(Г) — обмотка возбуждения возбудителя (генератора); ШР — шунтовой реостат; В — возбудитель; АД-асинхронный.двигатель; М — маховик; СГ — синхронный генератор; СН- шины собственных нужд.

Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, .является система бесщеточного возбуждения, в которой нет подвижных контактных соединений.

Для создания основного магнитного потока генератора делается обмотка возбуждения с постоянным током. При изменении тока возбуждения изменяется напряжение генератора и отдаваемая с сеть реактивная мощность. Параметры системы возбуждения: сброс нарастания напряжения и кратность форсировки. Системы возбуждения бывают независимого возбуждения и самовозбуждения.

Система независимого электромашинного возбуждения . Регулирование напряжения возбудителя и следовательно тока возбуждения основного генератора осуществляется путем изменения тока в обмотке возбуждения возбудителя. Достоинства: не зависит от режима сети. Недостаток: при больших скоростях вращения влияние коммутации, большая реактивная ЭДС приводит к пробою изоляции коллекторных пластин и выходу коллектора из строя. Высокочастотная система возбуждения . Состоит из возбудителя, представляющего собой высокочастотный генератор, с тремя обмотками возбуждения, частота 500 Гц. Первая обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой возбуждения основного генератора. Две другие получают питание от подвозбудителя- генератора с частотой 400 Гц (многополюсный), с постоянными магнитами и обмотками, соединенными в разомкнутый треугольник. Возбудитель и подвозбудитель на одном валу с генератором. Ток в двух других обмотках подвозбудителя регулируется блоками АРВ (поддержание напряжение в нормальном режиме), УБФ (устройство бесконтактной форсировки), подключенными к трансформатору тока и напряжения на выводах генератора. Кратность форсировки 2, скорость нарастания напряжения на менее 2 1/с.

Тиристорная система возбуждения . Возбудитель- трехфазная машина с обмотками, соединенными в звезду. Обмотка его возбуждения питается от выпрямительного трансформатора, через выпрямитель. Обмотка возбуждения основного генератора подключена через 2 группы тиристорных выпрямителей: рабочая VS1, и форсировочная VS. При форсировке рабочие тиристоры закрыты более высоким напряжением на VS2.

Бесщеточная система . Проводники, соединяющие обмотку возбуждения с возбудителем проводниками на валу через вращающийся выпрямитель. Исключает необходимость применения щеток и контактных колец.

Система электромашинного самовозбуждения. Возбудитель вращается двигателем, подключенным к трансформатору собственных нужд блока.

Тиристорная система самовозбуждения . Обмотка генератора подключена к тиристорным выпрямителям, получающим питание от ТСН блока. Состоят из управляемых, регулирующих напряжение в нормальном режиме, и неуправляемых, при форсировке.

Обмотка ротора синхронного генератора питается постоянным током, который создает магнитный поток возбуждения. Обмотка ротора, источник постоянного тока, устройства регулирования и коммутации составляют систему возбуждения генератора.

Системы возбуждения должны:

· обеспечивать надежное питание обмотки ротора в нормальных и аварийных режимах;

· допускать регулирование напряжения возбуждения в достаточных пределах;

· обеспечивать быстродействующее регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах;

· осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимости производить гашение поля в аварийных режимах.

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке

V =0,632(U f пот – U f ном)/U f ном t 1

и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения

U f пот / U f ном = k ф

так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь k ф >2, а скорость нарастания возбуждения – не менее 2 с -1 . Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 с -1 для гидрогенераторов мощностью до 4 MB А включительно и не менее 1,5 с -1 для гидрогенераторов больших мощностей .

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние электропередачи, к системам возбуждения предъявляются более высокие требования: k ф = 3 – 4, скорость нарастания возбуждения до 10 U f ном в секунду.

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов мощностью 800–1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт - 10 с (ГОСТ 533-85Е).

В зависимости от источника питания системы возбуждения разделяются на системы н е з а в и с и м о г о возбуждения и самовозбуждения.

В системе независимого возбуждения на одном валу с генератором находится возбудитель – генератор постоянного или переменного тока. В системе самовозбуждения питание обмотки возбуждения осуществляется от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы и выпрямительные устройства.

Для генераторов мощностью до 100 МВт в качестве возбудителя применяется генератор постоянного тока GE, соединенный с валом генератора (рис. 2.9,а ). Обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря возбудителя, ток в ней регулируется реостатом RR или автоматическим регулятором возбуждения АРВ. Ток, подаваемый в обмотку возбуждения LG синхронного генератора G, определяется величиной напряжения на возбудителе. Недостатком такой системы возбуждения является невысокая надежность работы генератора постоянного тока GE из-за вибрации и тяжелых условий коммутации при высокой частоте вращения 3000 об/мин. Другим недостатком является невысокая скорость нарастания возбуждения, особенно у гидрогенераторов (V = 1–2 с -1).

Рис. 2.9. Принципиальные схемы возбуждения генераторов:

а – независимое электромашинное возбуждение;

б – полупроводниковое самовозбуждение

В системе самовозбуждения (рис. 2.9,б )обмотка возбуждения генератора LG получает питание от трансформатора ТЕ, присоединенного к выводам генератора, через управляемые от АРВ вентили VS и от трансформаторов тока ТА через неуправляемые вентили VD. Ток вентилей VD пропорционален току статора, поэтому они обеспечивают форсировку возбуждения и работу генератора при нагрузке. Управляемые вентили VS подают ток, пропорциональный напряжению генератора, и обеспечивают регулирование напряжения в нормальном режиме. Такая система применяется для мощных синхронных машин.

Широкое распространение получила система возбуждения с машинным возбудителем 50 Гц и статическими выпрямителями (статическая тиристорная система независимого возбуждения – рис. 2.10). На одном валу с генератором G находится вспомогательный синхронный генератор GE, который имеет на статоре трехфазную обмотку с отпайками, к которым присоединены две группы тиристоров: рабочая группа VD1 – на низкое напряжение возбудителя и форсировочная группа VD2 – на полное напряжение. Применение двух групп тиристоров обеспечивает потолок возбуждения до 4U f ном и высокое быстродействие (V =50 с 1). Обе группы соединяются параллельно по трехфазной мостовой схеме. На рис. 2.10 для упрощения чтения схемы показаны тиристоры только в одной фазе.

Система управления тиристорами AVD2 и AVD1 питается от трансформатора ТА1 и связана с АРВ (автоматическое регулирование возбуждения). Возбудитель GE имеет обмотку возбуждения LGE, получающую питание от трансформатора ТА2 через вентили VD. В рассмотренной схеме также показаны элементы схемы автоматического гашения магнитного поля (АГП): автомат АГП, резистор R, разрядник FVn контактор КМ.

Рис. 2.10. Статическая тиристорная система независимого возбуждения

Рис. 2.11. Бесщеточная система возбуждения

К недостаткам схемы следует отнести наличие возбудителя переменного тока, который усложняет эксплуатацию, а также наличие скользящих контактов между неподвижными щетками, к которым присоединена система неподвижных тиристоров, и подвижными контактными кольцами КК, вращающимися на валу ротора.

Последний недостаток привел к разработке бесщеточной системы возбуждения (рис. 2.11). В качестве возбудителя GE в этой системе используется синхронный генератор 50 Гц, обмотка возбуждения которого LE расположена на неподвижном статоре, а трехфазная обмотка – на вращающемся роторе. Обмотка LE получает питание от подвозбудителя GEA через выпрямитель VDE.

На одном валу с возбудителем на специальных дисках укреплены тиристоры VD, которые выпрямляют переменный ток возбудителя и подают его в ротор генератора по жестким шинам без колец и щеток, так как ротор генератора, тиристоры VD и ротор возбудителя вращаются на одном валу с одинаковой скоростью.

Регулирование тока возбуждения осуществляется от АРВ путем воздействия на тиристоры через импульсное устройство Л и вращающийся трансформатор ТА.

Достоинством этой системы является отсутствие контактных колец и щеток, недостатком – необходимость останова генератора для переключения на резервное возбуждение или для замены тиристоров.

Бесщеточная система применяется для синхронных компенсаторов мощностью 50 MB-А и более и турбогенераторов мощностью 800 МВт и более.

У турбогенераторов возбуждение является неотъемлемой частью, и от надёжности его работы в большой степени зависит надежная и устойчивая работа всего турбогенератора.

Обмотка возбуждения укладывается в пазы ротора генератора, и к ней с помощью контактных колец и щёток, исключением является бесщёточная система возбуждения, подводится постоянный ток от источника. В качестве источника энергии может применяться генератор постоянного или переменного тока, который принято называть возбудителем, а систему возбуждения электромашинной. В безмашинной системе возбуждения источником энергии является сам генератор, поэтому её называют системой самовозбуждения.

Основные системы возбуждения должны:

Обеспечивать надежное питание обмотки ротора в нормальных и аварийных режимах;

Допускать регулирование напряжения возбуждения в достаточных пределах;

Обеспечивать быстродействующее регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах;

Осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимости производить гашение поля в аварийных режимах.

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V =0,632∙(U f пот -U f ном )/U f ном ∙t 1 , и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения U f пот /U f ном =К ф - так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь К ф ≥2, а скорость нарастания возбуждения - не менее 2 с -1 . Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 с -1 для гидрогенераторов мощностью до 4 MBА включительно и не менее 1,5 с -1 для гидрогенераторов больших мощностей.

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние элек­тропередачи, к системам возбуждения предъявляются более высокие требования: К ф =3-4, скорость нарастания возбуждения до 10∙U f H 0 M в секунду.

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов мощностью 800-1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт - 10 с (ГОСТ 533-85Е).

Мощность источника возбуждения составляет обычно 0,5 - 2% мощности турбогенератора, а напряжение возбуждения 115-575 В.

Чем больше мощность турбогенератора, тем выше напряжение и тем меньше относительная мощность возбудителя.

Системы возбуждения можно разделить на два типа: независимое (прямое) возбуждение и зависимое (косвенное) возбуждение (самовозбуждение).

К первому типу относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряжённые с валом турбогенератора (рис. 4.1).

Ко второму типу относятся системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы (рис. 4.2, а ) и отдельно установленные электромашинные возбудители, вращаемые двигателями переменного тока, питающимися от шин собственных нужд станции (рис. 4.2, б ).

Электромашинные возбудители постоянного тока (рис. 4.1, а ) ранее применялись на турбогенераторах малой мощности. В настоящее время такая система возбуждения практически не применяется, так как является маломощной и при скорости вращения 3000 об/мин данную систему возбуждения трудно выполнить из-за тяжелых условий работы коллектора и щеточного аппарата (ухудшение условий коммутации).

На действующих турбогенераторах применяют:

Высокочастотную систему возбуждения;

Бесщёточную систему возбуждения;

Статическую тиристорную независимую систему возбуждения;

Статическую тиристорную систему самовозбуждения.

В перечисленных системах возбуждения возбудителем является генератор переменного тока различного исполнения, не имеющий ограничения по мощности. Для преобразования переменного тока в постоянный применяются неуправляемые и управляемые полупроводниковые выпрямители-вентили.

Принцип работы высокочастотного возбуждения (рис. 4.1, б ) заключается в том, что на одном валу с генератором вращается высокочастотный генератор трёхфазного тока 500 Гц, который через полупроводниковые выпрямители В подаёт выпрямленный ток на кольца ротора турбогенератора. При такой системе возбуждения исключается влияние изменения режимов работы внешней сети на возбуждение генератора, что повышает его устойчивость при коротких замыканиях в энергосистеме.

Рис. 4.1. Принципиальные схемы независимой системы возбуждения генераторов:

а - электромашинная с генератором постоянного тока; б - высокочастотная;

СГ - синхронный генератор; ВГ - возбудитель постоянного тока;

ВЧГ - высокочастотный генератор; ПВ - подвозбудитель; В - выпрямитель

Рис. 4.2. Принципиальные схемы зависимой системы возбуждения генераторов;

ВТ - вспомогательный трансформатор; АД - асинхронный двигатель

На современных турбогенераторах высокочастотную систему возбуждения не применяют, как устаревшую. Для мощных турбогенераторов токи возбуждения составляют 5-8 кА. Это создает большие трудности подвода постоянного тока к обмотке возбуждения генератора с помощью скользящих контактов - колец и щёток. Поэтому в настоящее время для ряда генераторов применяется бесщёточная система возбуждения, в которой выпрямительное устройство располагается на роторе, а питается от обратимой машины через воздушный зазор. Поэтому электрическая связь между выпрямителем и обмоткой возбуждения выполняется жестким токопроводом без применения контактных колец и щёток.

В независимой статической системе и системе самовозбуждения применяются управляемые полупроводниковые кремниевые выпрямители - тиристоры. Это позволило увеличить быстродействие данных систем возбуждения по сравнению с системой, например, высокочастотной, где применяются неуправляемые выпрямители. Так как в данных системах возбуждения применяется группа статических управляемых выпрямителей, то для подвода постоянного тока к обмотке возбуждения генератора также применяются скользящие контакты, что является недостатком. Тиристорные системы возбуждения нашли применение для турбогенераторов мощностью 160-500 МВт. На рис. 4.2, а приведена принципиальная схема статического тиристорного самовозбуждения.

На случай повреждения системы возбуждения предусматривается установка резервных возбудителей: по одному на каждые четыре генератора.

В качестве резервного возбудителя устанавливают генераторы постоянного тока, приводимые во вращение асинхронными двигателями, подключёнными к шинам собственных нужд станции (рис. 4.2, б ). Чтобы при посадке напряжения, например при КЗ, резервный возбудитель не затормозился, на его валу устанавливают маховик.