Системы прямого компаундирования

В системах прямого компаундирования ток обмотки возбуждения СГ должен определяться двумя составляющими, пропорциональными напряжению и тока. Составляющая, пропорциональная напряжению, необходима для обеспечения режима холостого хода и создания основного потока возбуждения. Составляющая, пропорциональная току нагрузки, служит для компенсации тех факторов, которые вызывают снижение напряжения при изменении нагрузки, и обеспечения необходимого для срабатывания защитной аппаратуры значения установившегося тока короткого замыкания.

В зависимости от того, как осуществляется суммирование сигналов, пропорциональных напряжению и току, различают системы:

§ прямого токового компаундирования, суммирование арифметическое (рис. 9.8, а);

§ прямого фазового компаундирования, суммирование геометрическое рис. 9.8, б).

В схеме прямого токового компаундирования (рис. 9.8, а) суммирование происходит на стороне постоянного тока, в результате фаза тока по отношению к напряжению не учитывается, поэтому ток возбуждения генератора не зависит от коэффициента мощности нагрузки, а определяется только значением напряжения и тока статора. Данная схема обеспечивает точность лишь ±10%. К ее недостаткам также можно отнести наличие двух выпрямителей.

Рис. 9.8. Принципиальные схемы систем прямого компаундирования: а – токового; б – фазового компаундирования

Суммирование сигналов возбуждения, пропорциональных току статора и напряжению генератора, в схеме прямого фазового компаундирования (рис. 9.7, б) происходит на стороне переменного тока, т.е. с учетом фазы между напряжением и током. Геометрическое суммирование должно выполняться так, чтобы в режиме активной нагрузки угол между составляющими векторами был близок к 90 ° и уменьшаться с увеличением j, достигая при j = 90 ° (индуктивная нагрузка) значения, близкого нулю. В этом случае ток возбуждения будет возрастать с увеличением I и cos j так, как этого требует нормальный синхронный генератор при сохранении неизменным его напряжения. Такое суммирование можно обеспечить как при параллельном, так и при последовательном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения, вводя в схему дополнительный элемент. Роль этого элемента будет ясна из приводимого далее материала.

Суммирование сигналов при параллельном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения. На рис. 9.8, б приведена принципиальная схема системы при параллельном соединении вторичных обмоток тока и напряжения, причем для упрощения рассматривается однофазный генератор.

Если пренебречь активными сопротивлениями обмоток, намагничивающими токами трансформаторов, а также активными потерями в их магнитопроводах, то расчетную схему можно представить в виде, показанном на рис. 9.9, а.

Используя метод суперпозиций, допустимый при сделанных допущениях, будем иметь

Полагая внутреннее сопротивление источника тока равным бесконечности, получим

где к _u - коэффициент трансформации по напряжению; r _к, х _к- активное и реактивное сопротивления компаундирующего элемента; a₁ = a_u - b при b = = arctg (x _к /R _B +r _к) и a _u - начальная фаза напряжения.

Рис. 9.9. Эквивалентные схемы системы фазового компаундирования а – с параллельным суммированием каналов тока и напряжения; б – с последовательным суммированием каналов тока и напряжения

Учитывая, что внутреннее сопротивление идеального источника напряжения можно считать равным нулю, получим

где к _I – коэффициент трансформации по току; a₂ = a _u - j +j_к -b= a₁ - j + j_к; j = a _u - a _i; j_к = arctg (x _к /r _к).

Полагая a _u = 0 и вводя соответствующие обозначения, получим

Из этого выражения следует, что ток возбуждения определяется геометрической суммой двух составляющих – пропорциональной напряжению генератора и пропорциональной току его нагрузки. Характер суммирования при этом зависит от Z _K.

При отсутствии компаундирующего сопротивления ток возбуждения генератора будет определяться только составляющей канала напряжения и нормальная работа системы окажется невозможной. По этой причине Z _K и назван компаундирующим сопротивлением.

Сравним два крайних режима работы генератора: активная (j=0) и реактивная (индуктивная, j = 90 °) нагрузки; при разных видах компаунди-рующих элементов в системах возбуждения: индуктивность (дроссель j_к =90 °) и активное сопротивление (j_к = 0):

1. j = 0:

- r _к<< х _к, j_к = 90 °; a₁ - a₂= - j_к = - 90 ° (рис. 9.10, а);

- r _к>> х _к, j_к = 0; a₁ - a₂ = 0 (рис. 9.10, в).

2. j = 90 °:

- r _к<< х _к, j_к =90 °; a₁ - a₂ = j - j_к = 0 (рис. 9.10, б);

- r _к>> х _к, j_к = 0; a₁ - a₂ = 90 ° (рис. 9.10, г).

Рис. 9.9. Векторные диаграммы в системах с параллельным суммированием каналов тока и напряжения с разными компаундирующими элементами и разными нагрузками: а – дроссель, активная нагрузка; б – дроссель, реактивная нагрузка; в – резистор, активная нагрузка; г – резистор, индуктивная нагрузка.

Таким образом, в случае использования в качестве компаундирующего элемента идеальной реактивной катушки (r _к= 0, j_к = 90 °) составляющая канала тока и напряжения в режиме активной нагрузки генератора образуют прямой угол. При индуктивной нагрузке оба вектора расположены по одной прямой, геометрическое суммирование переходит в арифметическое.

Если использовать в качестве компаундирующего элемента активное сопротивление, то составляющие будут ортогональны при чисто индуктивной нагрузке и совпадут по фазе при нагрузке с j = 0, т.е. ток возбуждения, обеспечиваемый системой, будет снижаться с уменьшением коэффициента мощности. Это находится в противоречии с задачей регулирования. Следует отметить, что в трехфазных системах возможно использование в качестве компаундирующих элементов активных сопротивлений, но при этом необходимо обеспечить соответствующее подключение к фазам генератора трансформаторов тока и напряжения. Ниже будет рассмотрена такая схема.

Система может правильно действовать также при использовании конденсатора вместо дросселя, однако в этом случае необходимо переключать какую-либо обмотку одного из трансформаторов.

Из рассмотренного ранее следует, что точность регулирования во многом зависит от значения j_к, с его уменьшением будет возрастать погрешность регулирования. В частности, при j_к = 45 ° значения тока возбуждения в режиме активной и индуктивной нагрузок оказываются равными. Реальные компаундирующие элементы из-за неизбежных активных потерь имеют |j_к| < 90 °.

Суммирование сигналов при последовательном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения. Принципиальная схема системы при последовательном соединении вторичных обмоток трансформаторов приведена на рис. 9.11.

Рис. 9.11. Схема системы прямого фазового компаундирования при последовательном суммировании каналов напряжения и тока

По расчетной схеме (рис. 9.9, б) определяем ток I_R:

Данное выражение полностью совпадает с полученным ранее - для схемы с параллельным соединением. Поэтому все, что было сказано выше о роли компаундирующего элемента, можно целиком отнести и к рассматриваемому случаю.

На примере двух способов суммирования (соединения) каналов тока и напряжения можно так определить роль компаундирующего элемента в системах прямого амплитудно-фазового компаундирования:

· обеспечивает согласование каналов тока и напряжения:

- при параллельном соединении – смягчает характеристику канала напряжения;

- при последовательном –характеристику канала тока;

· обеспечивает заданный закон изменения тока возбуждения при изменении нагрузки генератора в режиме стабилизации напряжения.

Геометрическое суммирование может осуществляться как электрическим (рис.9.8, б и 9.11), так и электромагнитным образом. Электромагнитное суммирование сигналов осуществляется с помощью трехобмоточных (параллельное соединение) или трехстержневых трансформаторов (последовательное соединение). На рис. 9.12 показано использование трехобмоточных трансформаторов с разным техническим решением согласования каналов тока и напряжения при реализации электромагнитного параллельного суммирования.

В трехобмоточном трансформаторе обмотки напряжения, токовая и суммирующая (рабочая), замкнутая на вход выпрямителя, располагаются на одном стержне. Роль компаундирующих элементов в схеме на рис. 9.12, а могут выполнять индуктивность или емкость, а в схеме на рис. 9.12, б - магнитный шунт. Магнитный шунт отделяет обмотку напряжения от токовой и суммирующей обмоток, ослабляя связь между ними, а это равносильно увеличению рассеяния, что эквивалентно последовательному включению индуктивного сопротивления в канал напряжения.

Рис. 9.13 показывает, как можно с помощью трехстержневых трансформаторов выполнить фазовое компаундирование, используя разные компаундирующие элементы: дроссель или конденсатор (Рис. 9.13, а) или воздушный зазор (Рис. 9.13, б). В данных трансформаторах суммируются потоки, а они пропорциональны напряжениям. Следует отметить, что трехфазный, трехстержневой трансформатор работать не будет, так как при расположении на одном стержне трех одинаковых обмоток, включенных на симметричную систему токов (напряжений), результирующий поток будет равен нулю.

Рис. 9.12. Схемы системы прямого фазового компаундирования с параллельным электромагнитным суммированием каналов тока и напряжения посредством трехобмоточного трансформатора: а– с компаундирующим сопротивлением; б– с магнитным шунтом

Опыт проектирования показывает, что с точки зрения массогабаритных показателей электрическое суммирование целесообразно применять в системах возбуждения генераторов с высокоомными обмотками возбуждения. Отечественные генераторы традиционно выпускаются с низкоомными обмотками, поэтому их системы возбуждения, как правило, имеют электромагнитное суммирование.

Рис. 9.13. Однофазные схемы системы прямого фазового компаундирования с последовательным суммированием каналов тока и напряжения: а – с сопротивлением компаундирования; б – с воздушным зазором

Точность регулирования систем прямого фазового компаундирования составляет 2…5%, т.е. значительно выше, чем систем токового компаундирования.

Дата добавления: 2014-01-20