Excitační systém

Systém excitace

Definice

Systém excitace je klíčovou součástí synchronních strojů, který má za úkol poskytovat nezbytný proud pole do vinutí rotoru. Jednoduše řečeno, je navržen tak, aby generoval magnetický tok vedáním elektrického proudu skrz vinutí pole. Klíčové atributy, které definují ideální systém excitace, zahrnují neproměnlivou spolehlivost ve všech operačních scénářích, jednoduché ovládací mechanismy, snadnou údržbu, stabilitu a rychlou přechodovou odezvu.

Velikost excitace požadované synchronním strojem závisí na mnoha faktorech, jako jsou napětí proud, faktor využití a otáčková rychlost stroje. Větší proudy zátěže, nižší rychlosti a zpožděné faktory využití vyžadují vyšší stupeň excitace v systému.

V nastavení excitace má každý alternátor obvykle svůj vlastní exciter, který funguje jako generátor. V centralizovaném systému excitace se používají dva nebo více exiciterů k dodávání energie na sběrnici. Ačkoli tento centralizovaný přístup je ekonomický, porucha v systému může mít škodlivý dopad na alternátory provozované v elektrárně.

Typy systému excitace

Systém excitace lze hlavně rozdělit do několika typů, s následujícími třemi jako nejvýznamnějšími: DC Systém excitace, AC Systém excitace a Statický systém excitace. Kromě toho existují podtypy, jako je Rotorový systém excitace a Bezčetnový systém excitace, které budou podrobněji popsány níže.

DC Systém excitace

DC systém excitace zahrnuje dva exicitera: hlavní exiciter a vedlejší exiciter. Automatický regulátor napětí (AVR) hraje klíčovou roli v tomto systému tím, že upravuje výstup exiciterů. Tato úprava má za cíl přesně kontrolovat výstupní koncové napětí alternátoru. Signál z proudového transformátoru do AVR slouží jako ochrana, zajistí, aby byl proud alternátoru omezen při poruchách.

Když je přerušovač pole v otevřené poloze, je spojen odpor pro vypouštění pole naproti vinutí pole. Vzhledem k vysoké induktivitě vinutí pole je tento odpor nezbytný pro disipační uvolněné energie, což chrání komponenty systému před možnou poškozením způsobenou indukovanými napětím.

DC Systém excitace (Pokračování)

Oba, hlavní i vedlejší exiciter, lze pohánět dvěma způsoby: buď přímo hlavním hřídelem synchronního stroje, nebo nezávisle externím motorem. Přímo poháněné exicitera jsou často preferovanou volbou, protože zachovávají integritu operačního systému jednotky a zajišťují, aby proces excitace nebyl ovlivněn externími rušeními.

Hlavní exiciter obvykle má napěťové hodnocení okolo 400 voltů a jeho kapacita je přibližně 0,5 % kapacity alternátoru. U turboalternátorů však problémy s exiciterami bývají poměrně běžné. Vysoké otáčkové rychlosti těchto strojů přispívají k zvýšenému opotřebení, což dělá exicitera více náchylnými k selhání. Pro vyřešení tohoto problému jsou instalovány samostatně motoricky poháněné exicitera jako stávkové jednotky, připravené převzít v případě jakékoli poruchy hlavních exiciterů.

AC Systém excitace

AC systém excitace integruje alternátor a thyristorový obrátkový most, které jsou oba přímo spojeny s hlavní hřídelí alternátoru. Hlavní exiciter v tomto systému může pracovat ve dvou režimech: samoexcitace, kde generuje vlastní magnetické pole pro produkci elektrického výstupu, nebo separátní excitace, která se spoléhá na externí zdroj energie pro iniciování procesu excitace. AC systém excitace lze dále rozdělit do dvou odlišných kategorií, každá se svými unikátními charakteristikami, které budou podrobněji popsány níže.

Otočný thyristorový systém excitace

Jak je znázorněno na přiloženém obrázku, otočný thyristorový systém excitace obsahuje jasně definovanou otočnou sekci, označenou čárkovanou čarou. Tento systém zahrnuje AC exiciter, stacionární pole a otočnou armaturu. Výstup z AC exicitera je rectifikován pomocí plnovlnného thyristorového obrátkového mostu. Tento převedený stejnosměrný výstup je pak dodáván do vinutí pole hlavního alternátoru, umožňuje generovat magnetické pole potřebné pro operaci alternátoru.

V otočném thyristorovém systému excitace je vinutí pole alternátoru také napájeno prostřednictvím dalšího obrátkového obvodu. Exiciter dokáže své napětí nastavit využitím reziduálního magnetického toku. Zdroj energie spolu s mechanismem řízení obrátkového obvodu generuje přesně řízené signály pro zapnutí. V automatickém operačním režimu je signál napětí alternátoru nejprve vyhlazen a pak přímo porovnán s operátorem nastavenou hodnotou regulačního napětí. Naopak, v manuálním operačním režimu je excitací proud alternátoru porovnán s oddělenou, manuálně nastavenou referenční hodnotou napětí.

Bezčetnový systém excitace

Bezčetnový systém excitace je znázorněn na následujícím obrázku, s jeho otočnými komponenty jasně uzavřenými v čárkovaném obdélníku. Tento sofistikovaný systém zahrnuje alternátor, obrátkový obvod, hlavní exiciter a permanentní magneto-generátor. Oba, hlavní i vedlejší exiciter, jsou poháněny hlavní hřídelí stroje. Hlavní exiciter má stacionární pole a otočnou armaturu. Výstup otočné armatury je přímo spojen prostřednictvím silikónových obrátků s vinutím pole hlavního alternátoru, zajišťuje bezproblémový a bezčetnový přenos elektrické energie pro účely excitace.

Vedlejší exiciter je permanentní magneto-generátor poháněný hřídelí. Obsahuje otočné permanentní magnety připevněné na hřídel a třífázovou stacionární armaturu. Tato armatura dodává energii do pole hlavního exiciteru prostřednictvím silikónových obrátků, nakonec přispívá k excitaci hlavního alternátoru. Kromě toho, v jiné konfiguraci, vedlejší exiciter, stále permanentní magneto-generátor poháněný hřídelí, používá třífázové plnovlnné fázově řízené thyristorové mosty k napájení hlavního exiciteru.

Bezčetnový systém excitace nabízí několik významných výhod. Odstraněním použití komutátorů, sběračů a četeňů výrazně snižuje požadavky na údržbu. Má také velmi krátkou časovou konstantu s dobou odezvy menší než 0,1 sekundy. Tato krátká časová konstanta zlepšuje dynamické vlastnosti malého signálu, umožňuje systému rychleji a přesněji reagovat na menší elektrotechnické poruchy. Kromě toho zjednodušuje integraci doplňkových stabilizačních signálů elektrického systému, které jsou klíčové pro udržení stability sítě.

Statický systém excitace

V statickém systému excitace je elektrické zásobování získáno přímo z alternátoru. To je dosaženo třífázovým hvězdicově/deltově spojeným transformátorem pro snížení napětí. Primární vinutí tohoto transformátoru je propojeno s sběrnicí alternátoru, zatímco sekundární vinutí plní několik funkcí. Dodává energii do obrátkového obvodu, který převádí střídavý proud na stejnosměrný proud pro účely excitace. Kromě toho poskytuje elektrickou energii okruhu řízení sítě a dalšímu spojenému elektrickému zařízení, zajišťuje hladkou operaci celého systému excitace a řízení.

Statický systém excitace má vynikající krátkou dobu odezvy, umožňuje mu rychle reagovat na změny elektrických podmínek. Tato rychlá odezva pak poskytuje vynikající dynamické vlastnosti, umožňuje systému udržovat stabilní operaci i při kolísajících zátěžích a různých elektrických požadavcích.

Jednou z klíčových výhod tohoto systému je schopnost výrazně snížit provozní náklady. Odstraněním tradičních exiciterů eliminuje ztráty vedení – energii rozptýlenou kvůli tření mezi pohyblivými částmi a okolním vzduchem. Kromě toho, bez nutnosti pravidelné údržby vinutí exiciteru, jsou náklady na údržbu výrazně sníženy. Tyto nákladově efektivní funkce dělají statický systém excitace ekonomicky atraktivní volbou pro širokou škálu aplikací.