Системы возбуждения и автоматические регуляторы возбуждения

Синхронная машина, система возбуждения и автоматический регулятор возбуждения пред­ставляют собой единый комплекс, обеспечиваю­щий эффективную работу генераторов и двига­телей. На протяжении длительного времени в ка­честве возбудителя крупных синхронных машин использовались коллекторные генераторы по­стоянного тока. Они обычно размещались на общем валу с главной машиной. Реже возбудитель входил в состав отдельного агрегата, со­стоящего из генератора и асинхронного двигате­ля. Коллекторы генераторов постоянного тока требовали систематического ухода. Генераторы имели значительную электромагнитную инер­ционность.

В послевоенные годы в нашей стране нача­лись пионерские работы по использованию управляемых вентилей вместо механических коммутаторов-коллекторов. Сначала исследова­ния проводились на лабораторных установках, а затем были созданы и проверены в эксплуата­ции опытно-промышленные ионные возбудите­ли. В Ленэнерго такая установка была выполне­на для гидрогенератора мощностью 33 МВ∙А Нижнесвирской ГЭС- Разработка и испытания проходили под руководством И.А. Глебова и С.Ф. Зонова. Авторство и руководство в созда­нии и испытании опытно-промышленной систе­мы ионного возбуждения турбогенератора мощ­ностью 3 МВт на ТЭЦ № 7 Мосэнерго принадле­жат Ю.А. Шмайну, Опытно-промышленная ус­тановка гидрогенератора мощностью 55 МВт для Рыбинской ГЭС была создана и испытана с участием В.Я. Масольда. В-первых двух уста­новках использовались ртутные вентили — игнитроны, а в третьей — откачные ртутные венти­ли. В первой и третьей установках выпрямители подключались к вспомогательным синхронным генераторам, а во второй установке — к транс­форматору. получавшему питание от сети.

После проведения всесторонних испытаний и накопления опыта эксплуатации в 1957— 1967 гг. начались разработка и создание систем ионного возбуждения для мощных гидрогенера­торов ряда ГЭС (Волжские, Братская, Нурекская, Усть-Илимская, Красноярская. Саяно-Шушснская, Ингушская, Канчагайская, Саратовская, Кременчугская, Асуанская) и для турбогенерато­ра мощностью 30 МВт ТЭЦ-16 Мосэнерго, а также для мощных синхронных компенсаторов (75 и 100 МВ∙А).

В связи с отсутствием в то время тиристоров выпрямители создавались на основе ртутных вентилей производства завода «Уралэлектротяжмаш». Их номинальный ток составлял 500 А, а напряжение 2500 В. В системах ионного возбуждения гидрогенераторов применялись вспомогательные синхронные генераторы. Они размещались между крестовиной и активной частью гидрогенератора. Их особенностью яв­ляется то, что они имеют большой диаметр и ма­лую длину. Так, например, наружный диаметр генератора Волжской ГЭС в районе г. Самары равен 850 см, а длина его сердечника 24 см.

Вспомогательные синхронные генераторы были разработаны и созданы на заводе «Элек­тросила».

В связи с высокой кратностью форсирования (предельное напряжение возбуждения равно че­тырехкратному значению номинального напря­жения) и практически безынерционным дейст­вием управляемых вентилей был достигнут наи­более высокий уровень динамической устойчи­вости машин и линий электропередачи.

Наряду с разработками систем воз­буждения для гидрогенераторов велись разра­ботки систем ионного возбуждения для синхрон­ных компенсаторов, которые были применены для подстанций на приемном конце линий элек­тропередачи главным образом напряжением 500 кВ.

Широкое внедрение систем возбуждения с управляемыми преобразователями вместо элек­тромашинных возбудителей было осуществлено впервые в мире в нашей стране. В дальнейшем переход на системы возбуждения с управляемы­ми вентилями был сделан и в зарубежной прак­тике электромашиностроения.

Наибольший вклад в реализацию нового важ­ного технического направления внесли И. А. Гле­бов (разработка теории, исследования на опыт­но-промышленной установке и на электродина­мической модели); Е.М. Глух, М.А. Смирнитский, Г.В. Чалый, Ю.А. Шмайн, Е.Л. Эттингер (разработка, испытания и исследования на промышленных установках); А.И. Казанцев, Л.С. Флейшман (разработка и создание оборудо­вания); В.Я. Масольд (наладочные работы и ис­пытания на опытно-промышленной установке). Всем указанным специалистам была присуждена Государственная премия СССР за 1968 г.

После освоения полупроводниковых венти­лей дальнейшее развитие систем возбуждения гидрогенераторов, турбогенераторов, синхрон­ных компенсаторов и крупных синхронных ма­шин проходило на основе использования крем­ниевых тиристоров и диодов.

Одна из первых и самых крупных тиристорных систем возбуждения гидрогенераторов была смонтирована на Красноярской ГЭС. Разработка системы была сделана ВПИИэлсктромашем совместно с производственным объединением «Уралэлектротяжмаш». Ее внедрение было осу­ществлено в 1976 г. при самом активном участии персонала ГЭС во главе с В.И. Брызгаловым. Мощность гидрогенератора равна 500 МВт, а вспомогательного синхронного генератора 7,65 МВ • А. Наружный диаметр последнего со­ставляет 840, а длина его сердечника 38 см. Для преобразователей применены тиристоры со средним током 330 А и классом напряжения 20 и более. Общее количество тиристоров 180, они имеют водяное охлаждение. Как и для ионной системы возбуждения, кратность форсирования составляет 4.

Самая мощная тиристорная система возбуж­дения турбогенератора относится к машине мощностью 800 МВт и частотой вращения 3000 об/мин. Здесь возбудительно вспомогательный турбогенератор мощностью 6 МВт устанав­ливается в своих подшипниках, роторы главной и вспомогательной машин соединяются муфтой, кратность форсирования принимается равной 2.

Рассмотренные выше системы возбуждения являются независимыми, так как в них применя­ется вспомогательный синхронный генератор, В таких системах необходимо иметь тиристорные преобразователи и автоматические регуля­торы возбуждения (АРВ) как для главной, так и для вспомогательной машины. Система воз­буждения существенно упрощается, если перей­ти на схему самовозбуждения. В этом случае об­мотка ротора получает питание от выпрямителя. подключенного ко вторичной обмотке выпрями­тельного трансформатора. Его первичная обмот­ка присоединяется к выводам генератора. Систе­мы самовозбуждения стали все более широко применяться как для турбогенераторов, так и для гидрогенераторов.

Щеточно-контактный аппарат турбогенерато­ра с частотой вращения 3000 об/мин надежно ра­ботает при токах до 5000 А, Поэтому с увеличе­нием токов потребовалось создание бесконтакт­ной или бесщеточной системы возбуждения. Для этой цели применяется синхронный генератор обращенного типа, у которого якорь вращается, а индуктор неподвижен. Обмотка якоря подсоеди­няется к вращающемуся выпрямителю, соеди­ненному с обмоткой ротора турбогенератора.

Для бесщеточных возбудителей потребова­лись диоды, рассчитанные на большие центро­бежные ускорения. Специальное конструктор­ское бюро завода «Электровыпрямитель» (г. Са­ранск) с участием ВНИИэлектромаша разработа­ло и создало диоды со средним током 500 А и повторяющимся напряжением 2000 В. Позднее были освоены диоды на ток 630 А и напряжение 2800В. В 1972г. для турбогенератора мощностью 300 МВт был применен трехфазный возбудитель с диодами на ток 500 А. Полученный опыт был распространен еще на четыре турбогенератора мощностью по 300 МВт. Вся эта работа проводи­лась ВНИИэлсктромашем и объединением «Электросила», Энергетическим институтом им.

Г.М. Кржижановского и харьковским заводом «Электротяжмаш» для турбогенератора мощ­ностью 200 МВт с многофазным возбудителем под руководством Г.А. Ковалькова и В.С. Кильдишева были применены диоды с током 500 А. Такие же диоды были применены и для двух мно­гофазных бесщеточных возбудителей турбогене­раторов мощностью 500 МВт завода «Электро­тяжмаш», установленных на Воронежской АЭС. Позднее машины этого класса комплектовались трехфазными возбудителями и диодами с током 630 А и выполнялись в объединении «Электроси­ла». По заказу Ленинградской АЭС в 1978 г. была завершена поставка четырех бесщеточных возбу­дителей для турбогенераторов мощностью 500 МВт,

В 1980 г. был создан самый мощный в мире двухполюсный турбогенератор на 1200 МВт для Костромской ГЭС, который имеет номинальные значения тока возбуждения 7800 А и напряже­ния 500 В. В этом случае единственно возмож­ное решение состояло в применении бесщсточной системы возбуждения. Для турбогенерато­ров мощностью 1000 МВт с током возбуждения 7000 А и напряжением 500 В для атомных элек­тростанций были также применены бесщеточ­ные возбудительные системы. Первый такой турбогенератор был введен в эксплуатацию в 1981 г., а всего на электростанциях сейчас ра­ботают 17 аналогичных машин. При их создании весь комплекс исследований и разработок но со­вместным проектам ВНИИэлектромаша с объе­динением «Электросила» был выполнен под ру­ководством В.Ф. Федорова и В.К. Воробья.

В 1978 г. впервые в мировой практике была введена в эксплуатацию тиристорная бесщеточ­ная система возбуждения для турбогенератора мощностью 300 МВт с частотой вращения 3000 об/мин на Киришской ГЭС.

Как указано выше, бесщеточные возбудите­ли были применены для синхронных компенса­торов, В связи с большим синхронным индук­тивным сопротивлением для получения большо­го значения реактивной мощности в режиме по­требления кроме основного выпрямителя поло­жительного возбуждения применяется выпрями­тель отрицательного возбуждения.

Рис. 27.1. Бесщеточный возбудитель турбогенератора средней мощности

1 — полюс; 2 — якорь возбудителя; 3-— вращающийся выпрямитель; 4— вал турбогенератора

Во ВНИИэлектромаше разработана новая система статического тиристорного самовозбуж­дения с воздушным охлаждением для турбогене­раторов мощностью от 60 до 220 МВт с широким использованием микропроцессорной техники. В этой системе имеется 100-процентное резерви­рование. Для меньшего диапазона мощностей (2,5—63 МВт) предложены упрощенная статическая тиристорная и бесщеточная системы (рис. 27.1). Последняя имеет консольное исполне­ние, благодаря чему она размещается в про­странстве щеточно-контактного аппарата. Мик­ропроцессорная техника, силовая часть, устрой­ства управления, регулирования, защиты и сигнализации размещены в одном небольшом шкафу. Указанные системы возбуждения разра­ботаны В.В. Кичаевым, В.М. Бобровым, Е.Н. Поповым и В.К. Воробьем и освоены в про­изводстве.

Разработка статических систем возбуждения мощных синхронных двигателей велась в ЦКБ КЭМ и на заводе «Уралэлектротяжмаш») (И.Л. Остров, В.Б. Коваленко, Б.В. Яковчук). Были созданы возбудители серий ВТЕ и ТЕ па токи возбуждения до 320 А. Они нашли широкое применение и в настоящее время изготавливают­ся в АО «Привод», на Рассказовском заводе низ­ковольтных аппаратов. Сафоновском электрома­шиностроительном заводе. На заводе «Уралэлектротяжмаш» были созданы системы возбуж­дения на токи 630—800 А (ответственный ис­полнитель Р.Г. Гольдин).

Наряду со статическими системами велись активные исследования и разработки но бесще­точным системам возбуждения. Один из первых образцов отечественных бесщеточных генерато­ров был изготовлен и испытан в ЦКБ КЭМ. Боль­шой объем работ по созданию бесщеточных ге­нераторов был выполнен также на заводе «Элек­тросила», где были разработаны и освоены бес­щеточные генераторы типа СБГД мощностью до 6300 кВт. ЦКБ КЭМ и Сафоновским электро­машиностроительным заводом были созданы синхронные двигатели с бесщеточной системой возбуждения,

Большое значение для создания полупровод­никовых систем возбуждения турбо- и гидроге­нераторов, а также синхронных компенсаторов и крупных синхронных машин, имела трехтом­ная монография И.А. Глебова, посвященная фи­зическим процессам, методам расчета и проек­тирования.

Строительство дальних электропередач, объ­единение отдельных энергосистем в единую энергосистему, рост мощностей агрегатов потре­бовали существенного повышения динамической и статической устойчивости оборудования. Это привело к необходимости создания ЛРВ, ко­торые реагируют не только на отклонения ре­жимных параметров, но и на их производные, Такие регуляторы получили название автомати­ческих регуляторов возбуждения сильного дей­ствия (АРВ СД). Сама идея и ее техническое во­площение были предложены специалистами на­шей страны. В дальнейшем АРВ СД вошли в практику и зарубежных стран.

На первом этапе (1952—1953 гг.) развития АРВ СД разработчики из пяти организаций (Все­союзный научно-исследовательский институт электроэнергетики (ВНИИЭ), Всесоюзный элек­тротехнический институт (ВЭИ), Институт авто­матики и телемеханики ЛН СССР, Московский энергетический институт (МЭИ), Институт элек­тродинамики АН УССР) представили свои регу­ляторы в МЭИ, где они прошли испытания на электродинамической модели. На втором эта­пе (1954—1955 гг.) испытания двух АРВ СД про­должались на электродинамической модели Института электромеханики (теперь НИИэлек-тромаш). Авторами их были Н.В. Позин (Инсти­тут автоматики и телемеханики АН СССР) и Г.Р. Герценберг (ВЭИ).

Наиболее полную поддержку специалистов получило предложение Г.Р. Герценберга, Поэто­му АРВ СД ВЭИ нашел широкое практическое применение, Г.Р. Герценберг за эту работу был удостоен Ленинской премии.

Наиболее эффективная работа АРВ СД полу­чается при использовании первой и второй про­изводных угла нагрузки. Но измерение угла очень сложно. Поскольку ток генератора при­близительно пропорционален углу, то в регуля­торах сначала использовались первая и вторая производные тока. Позднее И.А. Орурком, В.Е, Каштеляном и Н.С. Сирым было показано, что отклонение частоты и ее первая производная пропорциональны первой и второй производ­ным тока. Поэтому в современных АРВ СД ис­ходная информация получается от напряжения генератора.

В настоящее время практически на всех теп­ловых и гидравлических электростанциях, а так­же на атомных электростанциях страны приме­няются АРВ СД. Они пригодны для работы со всеми типами систем быстродействующего возбуждения (статические тиристорные и бесщеточные системы). Эти АРВ характеризуются коэффициентами регулирования и наличием сигналов по производным режимных параметров, что позволяет совместно с системами быстродействующего возбуждения реализовать преимущества сильного регулирования возбужде­ния, т.е. обеспечить высокие пределы статиче­ской и динамической устойчивости генератора и интенсивное демпфирование качаний в после аварийных режимах, АРВ СД претерпели существенные измене­ния в связи с совершенствованием элементной базы. Масса регуляторов снизилась с 1100 кг при использовании магнитных усилителей до 40 кг в случае применения интегральных схем. Об­стоятельные научные исследования позволили не только разработать АРВ СДП1 (АРВ СД на базе полупроводников П с использованием интегральных схем 1), но и освоить его производ­ство (руководитель работ Н.С. Сирый).

Цифроаналого-физический комплекс, соз­данный во ВНИИэлектромаше, является мощ­ным инструментом разработки и отладки алго­ритмов цифровых систем регулирования и управления, средством выбора оптимального сочетания аппаратной и программной частей систем. На его основе в последние годы начато решение научной проблемы по разработке и соз­данию цифрового регулятора (АРВ СДЦ).

Первый цифровой регулятор был создан во ВНИИЭМ в 1978 г. (В.Д. Ковалев. А.В. Фаде­ев). Затем было выполнено еще несколько регу­ляторов. Все они находятся в эксплуатации на электростанциях. Тем не менее на сегодняш­ний день проведенные в данной области работы следует рассматривать лишь как начальную ста­дию развития АРВСДЦ.

Во ВНИИэлектромаше разработан и освоен АРВ СД с использованием микропроцессорной техники (В.В. Кичаев, М.Л. Богачков). Автома­тический регулятор сильного действия селектив­ный (АРВ СДС) состоит из аналоговых блоков и микропроцессора. Наличие микропроцессора позволяет реализовать ряд новых функций:

1) контроль и диагностику состояния регулято­ра;

2) длительное хранение уставок в памяти;

3) изменение уставок с любой скоростью и высо­кой точностью;

4) определение приоритетов при выполнении команд от разных уровней управле­ния;

5) связь с верхним уровнем управления.

В результате исследовательской работы для синхронных генераторов малой и средней мощ­ности во ВНИИэлектромаше был разработан и освоен в производстве автоматический регуля­тор напряжения—АРН (А.А. Юрганов, В.А. Ко­жевников). Он предназначен для тиристорных систем самовозбуждения и бесщеточных возбу­дителей, В нем реализуется пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регули­рования по отключению напряжения с компаундированием по реактивному току и с введением для повышения устойчивости сигналов, но пер­вым производным напряжения статора и тока ро­тора, а также сигнала обратной связи с целью по­вышения быстродействия. Наряду с этим он дает сигнал на форсирование возбуждения при авари­ях, обеспечивает программное начальное воз­буждение, делает возможным требуемое распре­деление реактивных мощностей без группового регулирования напряжения для параллельно ра­ботающих генераторов, позволяет иметь мест­ное и дистанционное изменение уставки, огра­ничивает минимальный ток возбуждения.

Выходное напряжение АРВ поступает к сис­теме управления тиристорами. Эта система явля­ется одним из важнейших элементов возбудите­лей. На протяжении многих лет ведутся работы по ее усовершенствованию. В конечном счете, системы управления должны в ближайшем буду­щем базироваться на микропроцессорных уст­ройствах.

В современное время картина применения АРВ выглядит приблизительно следующим образом.

На генераторах мощностью до 150 МВт в качестве возбудителей используются генераторы постоянного тока (рис. 27.2.). Основной является схема с параллельным самовозбуждением (рис. 27.2. а). Напряжение и ток возбудителя, подводимые к обмотке ротора LG, регулируются с помощью реостата RRE в цепи обмотки возбуждения LE возбудителя GE. При полностью выведенном реостате RRE (когда его сопротивление равно нулю) напряжение и ток возбудителя достигают наибольших значений, т.е. потолка возбуждения.

Схема независимого возбуждения (рис. 27.2.б) состоит из двух генераторов постоянного тока — возбудителя GE с независимым возбуждением и подвозбудителя GEA с параллельным самовозбуждением. В этой схеме напряжение и ток возбудителя могут регулироваться двумя реостатами — RRE и RREA, что обеспечивает большую плавность регулирования.

Как правило, вал якоря возбудителя и подвозбудителя соединен с валом ротора генератора непосредственно, что обеспечивает высокую надежность работы системы возбуждения. В отдельных случаях у турбогенераторов мощностью 300 МВт возбудитель соединяется с валом ротора генератора через редуктор для уменьшения частоты вращения якоря возбудителя. Резервные возбудители выполняются по схеме на рис. 27.2. а, причем ротор возбудителя вращается от отдельного асинхронного электродвигателя.

Рис. 27.2. Схемы электромашинного возбуждения с генераторами постоянного тока (возбудителями):

а - схема параллельного самовозбуждения; б - схема независимого возбуждения

Система высокочастотного возбуждения, применяемая на энергоблоках мощностью 300 МВт, приведена на рис. 27.3. Основными элементами системы являются высокочастотный возбудитель GE, представляющий собой трехфазный генератор переменного тока 500 Гц, и кремниевые выпрямители VS1 и VS2. На роторе GE, связанном с валом ротора генератора, расположены три обмотки возбуждения: основная LE1, включенная последовательно с обмоткой ротора генератора LG, и две обмотки управления LE2 и LE3. Питание обмоток управления производится от автоматического регулятора возбуждения и устройства быстродействующей форсировки возбуждения УБФ. Питание АV и УБФ осуществляется от высокочастотного подвозбудителя GEA.

Рис. 27.3. Схема электромашинного возбуждения с высокочастотным генератором и полупроводниковыми выпрямителями.

На турбо- и гидрогенераторах мощностью 200 МВт и более получила также распространение тиристорная система возбуждения, основным элементом которой являются кремниевые тиристорные управляемые выпрямители VS (рис. 27.4). Тиристор аналогично тиратрону или ртутному выпрямителю кроме двух основных электродов—анода и катода— имеет дополнительный электрод, управляющий началом работы тиристора в проводящем режиме. В момент подачи тока через управляющий электрод тиристор открывается и пропускает ток в течение остальной части положительного полупериода переменного напряжения, приложенного между анодом и катодом. Таким образом, путем изменения момента начала работы тиристора в проводящем режиме можно плавно изменять среднее значение выпрямленного тока, поступающего в обмотку ротора LG.

Переменный ток подается на тиристорные выпрямители от двух трансформаторов — выпрямительного TD, подключенного к выводам генератора, и последовательного ТАЕ, включенного в цепь обмотки статора генератора со стороны его нейтральных выводов. Вторичные обмотки этих трансформаторов соединены последовательно. В нормальном режиме напряжение на выпрямителях определяется в основном трансформатором TD, а при близких КЗ, когда происходит глубокое снижение напряжения на выводах генератора, - трансформатором ТАЕ, по первичной обмотке которого происходит большой ток КЗ. При этом трансформатор ТАЕ не только компенсирует снижение напряжения на выводах генератора, но и обеспечивает уровень напряжения, достаточный для форсировки возбуждения. Тиристорный возбудитель состоит из двух групп - рабочей VS.P и форсировочной VS.Ф. Управление их работой, ручное и автоматическое, производится через системы управления СУТ.Р и СУТ.Ф. Тиристорные системы возбуждения являются наиболее быстродействующими.

На рис. 27.5 показана схема бесщеточной системы возбуждения, которая получила свое наименование потому, что из контура выпрямитель VS1 — обмотка ротора LG исключены контактные кольца и щетки, в результате чего существенно повышена надежность работы системы возбуждения.

Рис. 27.4. Схема тиристорного возбуждения

Рис. 27.5. Схема бесщеточного возбуждения

С этой целью выпрямитель VS1 конструктивно совмещен с валом ротора генератора, вращается вместе с ним и поэтому может быть жестко соединен с обмоткой ротора. Якорь возбудителя GE, на котором в данном случае расположена трехфазная обмотка переменного тока, также соединен с валом ротора генератора, а его обмотка возбуждения (полюса) LE расположена на статоре.

Возбуждение возбудителя GE производится от высокочастотного подвозбудителя GEA через тиристорный выпрямитель VS2, который управляется с помощью автоматического регулятора возбуждения АV. Якорь подвозбудителя соединен с валом ротора генератора.

Дата добавления: 2014-12-25