Система возбуждения

Система возбуждения

Определение

Система возбуждения является важным компонентом синхронных машин, предназначенным для обеспечения необходимого тока поля в обмотке ротора. Проще говоря, она предназначена для генерации магнитного потока путем пропускания электрического тока через обмотку возбуждения. Ключевые характеристики, определяющие идеальную систему возбуждения, включают неизменную надежность во всех эксплуатационных условиях, простые механизмы управления, легкость обслуживания, устойчивость и быстрый переходный отклик.

Масштаб возбуждения, требуемый синхронной машиной, зависит от нескольких факторов, таких как ток нагрузки, коэффициент мощности нагрузки и скорость вращения машины. Более высокие токи нагрузки, более низкие скорости и запаздывающие коэффициенты мощности требуют большего уровня возбуждения в системе.

В системе возбуждения каждый генератор обычно имеет свой собственный возбудитель, который функционирует как генератор. В централизованной системе возбуждения используются два или более возбудителя для подачи энергии на шину. Хотя этот централизованный подход экономически эффективен, неисправность в системе может негативно повлиять на работу генераторов на электростанции.

Типы систем возбуждения

Системы возбуждения можно в основном разделить на несколько типов, среди которых наиболее значимыми являются: система постоянного тока (DC), система переменного тока (AC) и статическая система возбуждения. Кроме того, существуют подтипы, такие как система возбуждения ротора и бесщеточная система возбуждения, которые будут подробно рассмотрены ниже.

Система постоянного тока (DC)

Система постоянного тока (DC) состоит из двух возбудителей: основного возбудителя и пилотного возбудителя. Автоматический регулятор напряжения (AVR) играет ключевую роль в этой системе, регулируя выход возбудителей. Это регулирование направлено на точное управление выходным напряжением генератора. Вход от трансформатора тока к AVR служит защитой, ограничивая ток генератора при аварийных ситуациях.

Когда выключатель поля находится в открытом положении, резистор разрядки поля подключается к обмотке возбуждения. Учитывая высокоиндуктивный характер обмотки возбуждения, этот резистор необходим для рассеивания накопленной энергии, защищая компоненты системы от возможных повреждений, вызванных индуцированными напряжениями.

Система постоянного тока (продолжение)

Оба возбудителя, основной и пилотный, могут питаться двумя способами: либо напрямую от главного вала синхронной машины, либо независимо от внешнего двигателя. Возбудители, приводимые напрямую, часто являются предпочтительным выбором. Это связано с тем, что они поддерживают целостность операционной системы единицы, обеспечивая, чтобы процесс возбуждения оставался неизменным, несмотря на внешние помехи.

Основной возбудитель обычно имеет напряжение около 400 вольт, и его мощность составляет примерно 0,5% от мощности генератора. Однако, в турбо-генераторах проблемы с возбудителями встречаются относительно часто. Высокие скорости вращения этих машин способствуют увеличению износа, делая возбудители более склонными к отказам. Для решения этой проблемы устанавливаются отдельные двигательные возбудители в качестве резервных, готовых взять на себя функцию в случае неисправности основных возбудителей.

Система переменного тока (AC)

Система переменного тока (AC) включает в себя генератор и тиристорный выпрямительный мост, которые непосредственно соединены с главным валом генератора. Основной возбудитель в этой системе может работать в двух режимах: само-возбуждение, когда он генерирует собственное магнитное поле для создания электрического выхода, или отдельное возбуждение, которое зависит от внешнего источника питания для инициирования процесса возбуждения. Система переменного тока (AC) может быть дополнительно разделена на две отдельные категории, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики, которые будут подробно рассмотрены ниже.

Вращающаяся тиристорная система возбуждения

Как показано на сопровождающей схеме, вращающаяся тиристорная система возбуждения имеет четко определенную вращающуюся секцию, обозначенную пунктирной линией. Эта система включает в себя AC-возбудитель, стационарное поле и вращающуюся якорную обмотку. Выход от AC-возбудителя проходит через полуволновой тиристорный выпрямительный мост. Этот преобразованный постоянный ток затем подается на обмотку возбуждения основного генератора, обеспечивая создание необходимого магнитного поля для работы генератора.

В вращающейся тиристорной системе возбуждения обмотка возбуждения генератора также питается через дополнительный выпрямительный мост. Возбудитель способен установить свое напряжение, используя остаточный магнитный поток. Блок питания, в сочетании с механизмом управления выпрямителем, генерирует точно контролируемые сигналы управления. В автоматическом режиме работы сигнал напряжения генератора сначала усредняется, а затем непосредственно сравнивается с установленным оператором значением регулировки напряжения. В ручном режиме работы ток возбуждения генератора сравнивается с отдельно установленным, ручным значением регулировки напряжения.

Бесщеточная система возбуждения

Бесщеточная система возбуждения изображена на схеме ниже, с ее вращающимися компонентами, заключенными в прямоугольник, обозначенный пунктирной линией. Эта сложная система включает в себя генератор, выпрямитель, основной возбудитель и генератор с постоянными магнитами. Оба возбудителя, основной и пилотный, приводятся в действие главным валом машины. Основной возбудитель имеет стационарное поле и вращающуюся якорную обмотку. Выход от вращающейся якорной обмотки напрямую подключен, через кремниевые выпрямители, к обмотке возбуждения основного генератора, обеспечивая беспроблемную и бесщеточную передачу электрической энергии для целей возбуждения.

Пилотный возбудитель представляет собой генератор с постоянными магнитами, приводимый в действие валом. Он оснащен вращающимися постоянными магнитами, закрепленными на валу, и трехфазной стационарной якорной обмоткой. Эта якорная обмотка подает энергию на поле основного возбудителя через кремниевые выпрямители, в конечном итоге способствуя возбуждению основного генератора. В другой конфигурации пилотный возбудитель, все еще являясь генератором с постоянными магнитами, приводимым в действие валом, использует трехфазные полуволновые фазоуправляемые тиристорные мосты для питания основного возбудителя.

Бесщеточная система возбуждения предлагает несколько значительных преимуществ. Устранение использования коммутаторов, коллекторов и щеток значительно снижает потребность в обслуживании. Она также имеет очень короткую временную постоянную, с временем отклика менее 0,1 секунды. Эта короткая временная постоянная улучшает динамические характеристики системы при малых сигналах, позволяя ей более быстро и точно реагировать на небольшие электрические возмущения. Кроме того, она упрощает интеграцию дополнительных стабилизирующих сигналов системы энергоснабжения, которые необходимы для поддержания устойчивости сети.

Статическая система возбуждения

В статической системе возбуждения электрическое питание поступает непосредственно от генератора. Это достигается через трехфазный звезда/треугольник соединенный понижающий трансформатор. Первичная обмотка этого трансформатора соединена с шиной генератора, в то время как вторичная обмотка выполняет несколько функций. Она подает энергию на выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный для целей возбуждения. Кроме того, она обеспечивает электроэнергией цепь управления сетью и другое связанное электрооборудование, гарантируя бесперебойную работу всей системы возбуждения и управления.

Статическая система возбуждения обладает впечатляюще коротким временем отклика, что позволяет ей быстро реагировать на изменения электрических условий. Этот быстрый отклик, в свою очередь, обеспечивает отличные динамические характеристики, позволяя системе поддерживать стабильную работу даже при колеблющихся нагрузках и изменяющихся электрических требованиях.

Одним из ключевых преимуществ этой системы является ее способность значительно снизить эксплуатационные расходы. Отказавшись от традиционных возбудителей, она устраняет потери на ветер — энергию, рассеиваемую вследствие трения между движущимися частями и окружающим воздухом. Кроме того, без необходимости регулярного обслуживания обмоток возбудителей, затраты на техническое обслуживание значительно снижаются. Эти экономические преимущества делают статическую систему возбуждения привлекательным вариантом для широкого спектра применений.