System wzbudzania

System wzbudzający

Definicja

System wzbudzający jest kluczowym elementem maszyn synchronicznych, którego zadaniem jest dostarczenie wymaganego prądu pola do cewki wirnika. Prostymi słowami, jest zaprojektowany tak, aby generować strumień magnetyczny poprzez przepuszczanie prądu elektrycznego przez cewkę pola. Kluczowe cechy idealnego systemu wzbudzającego obejmują niezachwianą niezawodność we wszystkich scenariuszach operacyjnych, proste mechanizmy sterowania, łatwą konserwację, stabilność oraz szybką reakcję przejściową.

Wielkość wzbudzenia wymagana przez maszynę synchroniczną zależy od wielu czynników, takich jak prąd obciążenia, współczynnik mocy obciążenia i prędkość obrotowa maszyny. Większe prądy obciążenia, niższe prędkości i opóźnione współczynniki mocy wymagają wyższego poziomu wzbudzenia w systemie.

W układzie wzbudzającym każdy alternator zazwyczaj ma własny wzbudnik, który działa jako generator. W centralnym systemie wzbudzającym stosuje się dwa lub więcej wzbudników do zasilania szyny - paska. Choć ten podejście centralne jest kosztoszczące, awaria w systemie może mieć negatywny wpływ na działające w elektrowni alternatory.

Rodzaje systemów wzbudzających

Systemy wzbudzające można głównie podzielić na kilka typów, z których trzy są najważniejsze: System wzbudzający DC, System wzbudzający AC i Statyczny system wzbudzający. Dodatkowo istnieją podtypy, takie jak System wzbudzający wirnika i System wzbudzający bez szczotek, które zostaną szczegółowo omówione poniżej.

System wzbudzający DC

System wzbudzający DC składa się z dwóch wzbudników: głównego wzbudnika i pilotowego wzbudnika. Kluczową rolę w tym systemie pełni automatyczny regulator napięcia (AVR), który dostosowuje wydajność wzbudników. Ta regulacja ma na celu precyzyjne kontrolowanie napięcia wyjściowego alternatora. Wejście z transformatora prądowego do AVR służy jako zabezpieczenie, zapewniając, że prąd alternatora jest ograniczony w przypadku uszkodzeń.

Gdy przerywacz pola jest w pozycji otwartej, rezystor rozładowujący pola jest podłączany do cewki pola. Z uwagi na wysoko indukcyjną naturę cewki pola, ten rezystor jest niezbędny do rozpraszania zgromadzonej energii, co chroni komponenty systemu przed potencjalnymi uszkodzeniami spowodowanymi indukowanymi napięciami.

System wzbudzający DC (ciąg dalszy)

Obydwa, główny i pilotowy wzbudnik, mogą być zasilane na dwa sposoby: bezpośrednio przez główny wał maszyny synchronicznej lub niezależnie przez zewnętrzny silnik. Wzbudniki napędzane bezpośrednio są często preferowane. Wynika to z faktu, że utrzymują integralność systemu operacyjnego jednostki, zapewniając, że proces wzbudzania pozostaje nienaruszony przez zewnętrzne zakłócenia.

Główny wzbudnik zazwyczaj ma napięcie ok. 400 voltów, a jego pojemność wynosi około 0,5% pojemności alternatora. W turbogeneratorach jednak problemy z wzbudnikami występują dość często. Wysokie prędkości obrotowe tych maszyn przyczyniają się do zwiększonego zużycia, co sprawia, że wzbudniki są bardziej narażone na uszkodzenia. Aby temu zaradzić, instalowane są wzbudniki napędzane niezależnie przez silnik jako jednostki rezerwowe, gotowe do przejęcia funkcji w przypadku awarii głównych wzbudników.

System wzbudzający AC

System wzbudzający AC integruje alternator i most prostowniczy thyristorowy, oba bezpośrednio sprzężone z głównym wałem alternatora. Główny wzbudnik w tym systemie może działać w dwóch trybach: samowzbudzania, gdzie tworzy własne pole magnetyczne, aby wyprodukować wyjście elektryczne, lub oddzielnego wzbudzania, które polega na zewnętrznym źródle zasilania, aby rozpocząć proces wzbudzania. System wzbudzający AC można dalej podzielić na dwie odrębne kategorie, każda z unikalnymi cechami, które zostaną szczegółowo omówione poniżej.

System wzbudzający z rotującymi thyristorami

Jak pokazano na dołączonej ilustracji, system wzbudzający z rotującymi thyristorami ma jasno zdefiniowaną część rotującą, oznaczoną linią przerywaną. Ten system składa się z wzbudnika AC, nieruchomego pola i rotującego armatury. Wyjście z wzbudnika AC podlega prostowaniu przez pełnowfazowy most prostowniczy thyristorowy. To przekonwertowane wyjście prądu stałego jest następnie podawane do cewki pola głównego alternatora, umożliwiając generowanie pola magnetycznego niezbędnego do działania alternatora.

W systemie wzbudzającym z rotującymi thyristorami, cewka pola alternatora jest również zasilana przez dodatkowy obwód prostujący. Wzbudnik jest w stanie ustalić swoje napięcie, korzystając z resztkowego pola magnetycznego. Jednostka zasilania, wraz z mechanizmem sterowania prostownikiem, generuje precyzyjnie kontrolowane sygnały wyzwalające. W trybie automatycznym, sygnał napięcia alternatora jest najpierw uśredniany, a następnie bezpośrednio porównywany z wartością regulacji napięcia ustawioną przez operatora. Natomiast w trybie ręcznym, prąd wzbudzający alternatora jest porównywany z osobno regulowaną referencyjną wartością napięcia.

System wzbudzający bez szczotek

System wzbudzający bez szczotek jest przedstawiony na dołaczonym rysunku, z jego rotującymi częściami jasno zamkniętymi w prostokącie oznaczonym linią przerywaną. Ten zaawansowany system składa się z alternatora, prostownika, głównego wzbudnika i alternatora generatora magnesowego stałe. Obydwa, główny i pilotowy wzbudnik, są napędzane przez główny wał maszyny. Główny wzbudnik ma nieruchome pole i rotującą armaturę. Wyjście z rotującej armatury jest bezpośrednio podłączone, przez prostowniki krzemowe, do cewki pola głównego alternatora, zapewniając bezszczotkowe przekazywanie mocy elektrycznej do celów wzbudzania.

Pilotowy wzbudnik to permanentny generator magnetyczny napędzany wałem. Posiada on rotujące magnesy stałe zamocowane do wału i trójfazową nieruchomą armaturę. Ta armatura dostarcza moc do pola głównego wzbudnika przez prostowniki krzemowe, co ostatecznie przyczynia się do wzbudzania głównego alternatora. Ponadto, w innej konfiguracji, pilotowy wzbudnik, nadal będąc permanentnym generatorem magnetycznym napędzanym wałem, używa pełnofalowych mostów thyristorowych sterowanych fazowo, aby zasilić główny wzbudnik.

System wzbudzający bez szczotek oferuje wiele znaczących zalet. Poprzez eliminację użycia kolektorów, skrzyniek i szczotek, znacznie redukuje wymagania konserwacyjne. Ma również bardzo krótką stałą czasową, z czasem odpowiedzi poniżej 0,1 sekundy. Krótka stała czasowa wzmacnia dynamiczną wydajność małych sygnałów, umożliwiając szybszą i dokładniejszą reakcję na drobne zakłócenia elektryczne. Ponadto upraszcza integrację dodatkowych sygnałów stabilizujących sieć, które są kluczowe dla utrzymania stabilności sieci.

Statyczny system wzbudzający

W statycznym systemie wzbudzającym zasilanie elektryczne pochodzi bezpośrednio z alternatora. Jest to osiągane poprzez trójfazowy transformator obniżający napięcie ze sprzężeniem gwiazda/delta. Pierwsza zwój tego transformatora jest połączona z szyną alternatora, podczas gdy druga zwój pełni wiele funkcji. Dostarcza moc do prostownika, który przekształca prąd zmienny w prąd stały do celów wzbudzania. Dodatkowo dostarcza energię elektryczną do obwodu sterowania siecią i innego sprzętu elektrycznego, zapewniając płynne działanie całego systemu wzbudzania i sterowania.

Statyczny system wzbudzający charakteryzuje się imponująco krótkim czasem odpowiedzi, co pozwala mu szybko reagować na zmiany warunków elektrycznych. Ta szybka reaktywność zapewnia doskonałą dynamiczną wydajność, pozwalając systemowi utrzymywać stabilne działanie nawet przy zmieniających się obciążeniach i różnorodnych wymaganiach elektrycznych.

Jedną z kluczowych zalet tego systemu jest możliwość znacznego obniżenia kosztów eksploatacji. Usuwając tradycyjne wzbudniki, eliminuje straty aerodynamiczne – energię rozpraszającą z powodu tarci między poruszającymi się częściami i otaczającym powietrzem. Ponadto, bez konieczności regularnej konserwacji wirowych cewek, koszty konserwacji są znacznie obniżone. Te oszczędności sprawiają, że statyczny system wzbudzający jest ekonomicznie atrakcyjną opcją dla szerokiego zakresu zastosowań.