Система збудження
Система збудження
Визначення
Система збудження є важливим компонентом синхронних машин, призначена для забезпечення необхідного струму поля ротору. Простіше кажучи, вона спроектована для генерації магнітної індукції за допомогою проходження електричного струму через витки поля. Основні характеристики, які визначають ідеальну систему збудження, включають непохитну надійність у всіх операційних сценаріях, прості механізми керування, легкість обслуговування, стабільність та швидку перехідну відповідь.
Рівень збудження, який потрібен синхронній машині, залежить від багатьох факторів, таких як струм навантаження, коефіцієнт потужності навантаження та швидкість обертання машини. Більші струми навантаження, нижча швидкість обертання та запізнілий коефіцієнт потужності вимагають більшого рівня збудження в системі.
У системі збудження кожний альтернатор, зазвичай, має свій власний збудник, який функціонує як генератор. У централізованій системі збудження використовуються два або більше збудники для підключення до шини. Хоча такий централізований підхід є економічно вигідним, аварія в системі може мати негативний вплив на альтернатори, що працюють в електростанції.
Типи систем збудження
Системи збудження можна основно розділити на кілька типів, з наступними трьома найбільш значущими: DC система збудження, AC система збудження та статична система збудження. Крім того, є підтипи, такі як система збудження ротора та безщіткова система збудження, які будуть детально описані нижче.
DC система збудження
DC система збудження складається з двох збудників: головного збудника та пілотного збудника. Автоматичний регулятор напруги (AVR) відіграє ключову роль в цій системі, регулюючи вихід збудників. Ця регулювання спрямоване на точне керування вихідною термінальною напругою альтернатора. Вхід від трансформатора струму до AVR служить захистом, забезпечуючи обмеження струму альтернатора під час аварійних ситуацій.
Коли вимикач поля знаходиться у відкритому положенні, резистор розряду поля підключений паралельно до витків поля. З урахуванням сильно індуктивного характеру витків поля, цей резистор є необхідним для розсіювання збереженої енергії, захищаючи компоненти системи від потенційних пошкоджень через викликані напруги.
DC система збудження (продовження)
Обидва, головний та пілотний збудники, можуть живленняться двома способами: або безпосередньо за допомогою головного валу синхронної машини, або незалежно за допомогою зовнішнього двигуна. Безпосередньо-приводжені збудники часто є бажаним вибором. Це тому, що вони зберігають цілісність операційної системи одиниці, забезпечуючи, що процес збудження залишається незалежним від зовнішніх завад.
Головний збудник, зазвичай, має напругу близько 400 вольт, а його потужність становить приблизно 0,5% від потужності альтернатора. Однак, у турбо-альтернаторах проблеми з збудниками досить поширені. Високі швидкості обертання цих машин сприяють збільшенню зношення, роблячи збудники більш вразливими до відмов. Для вирішення цього питання, встановлюються окремо двигун-приводжені збудники як резервні, готові взяти на себе управління в разі будь-якої відмови основних збудників.
AC система збудження
AC система збудження включає альтернатор та мостики тиристорних выпрямителів, які прямо з'єднані з головним валом альтернатора. Головний збудник в цій системі може працювати в двох режимах: самозбудження, коли він генерує власне магнітне поле для виробництва електричного виходу, або окреме збудження, яке спирається на зовнішній джерело живлення для запуску процесу збудження. AC система збудження може бути поділена на два відмінні категорії, кожна з яких має свої унікальні характеристики, які будуть детальніше розглянуті нижче.
Система збудження з обертовими тиристорами
Як показано на прикладному малюнку, система збудження з обертовими тиристорами має чітко визначену обертову частину, позначену пунктирною лінією. Ця система включає AC збудник, стаціонарне поле та обертову арматуру. Вихід від AC збудника піддається выпрямленню через повноволновий мост тиристорного выпрямителя. Цей перетворений прямий струм потім підключається до витків поля головного альтернатора, дозволяючи генерацію необхідного магнітного поля для роботи альтернатора.
У системі збудження з обертовими тиристорами, витки поля альтернатора також живлені через додатковий выпрямительний контур. Збудник може встановити свою напругу, використовуючи залишковий магнітний потік. Блок живлення, разом з механізмом керування выпрямителем, генерує точно контроловані сигналі тригерування. У автоматичному режимі роботи, сигнал напруги альтернатора спочатку усереднюється, а потім прямо порівнюється з встановленою оператором величиною регулювання напруги. Навпаки, у ручному режимі роботи, струм збудження альтернатора порівнюється з окремо вручну встановленою референтною напругою.
Безщіткова система збудження
Безщіткова система збудження зображена на малюнку нижче, з її обертовими компонентами чітко обведені пунктирною лінією. Ця складна система включає альтернатор, выпрямитель, головний збудник та генератор з постійним магнітом. Обидва, головний та пілотний збудники, приводяться в рух головним валом машини. Головний збудник має стаціонарне поле та обертову арматуру. Вихід обертової арматури прямо під'єднаний, через кремнієві выпрямители, до витків поля головного альтернатора, забезпечуючи безперебійний та безщітковий перенос електричної енергії для цілей збудження.
Пілотний збудник є генератором з постійним магнітом, приводимий в рух валом. Він має обертові постійні магніти, закріплені на валу, та трьохфазну стаціонарну арматуру. Ця арматура живлення головне поле збудника через кремнієві выпрямители, в кінцевому підсумку сприяючи збудженню головного альтернатора. Крім того, в іншій конфігурації, пілотний збудник, все ще генератор з постійним магнітом, приводимий в рух валом, використовує трьохфазні повноволнові фазові керовані мостики тиристорів для живлення головного збудника.
Безщіткова система збудження має ряд відмінних переваг. Покращуючи виключення використання комутаторів, колекторів та щіток, вона значно зменшує потреби в обслуговуванні. Вона також має дуже коротку часову сталу, з часом відгуку менше 0,1 секунди. Ця коротка часовая стала покращує динамічні характеристики системи на малих сигналах, дозволяючи їй швидше та точніше реагувати на невеликі електричні завади. Крім того, вона спрощує інтеграцію додаткових сигналів стабілізації електроенергетичної системи, які є важливими для підтримання стабільності мережі.
Статична система збудження
У статичній системі збудження, електричне живлення отримується безпосередньо від альтернатора. Це досягається за допомогою трифазного зіркового/трикутного з'єднаного понижаючого трансформатора. Первісна обмотка цього трансформатора з'єднана з шиною альтернатора, а вторина обмотка виконує кілька функцій. Вона живлення выпрямитель, який перетворює перемінний струм на прямий для цілей збудження. Крім того, вона забезпечує електричну енергію для керуючого контуру мережі та іншого пов'язаного електричного обладнання, забезпечуючи безперебійну роботу всієї системи збудження та керування.
Статична система збудження має дуже короткий час відгуку, дозволяючи швидко реагувати на зміни електричних умов. Ця швидка реакція, в свою чергу, забезпечує відмінну динамічну продуктивність, дозволяючи системі підтримувати стабільну роботу навіть при змінних навантаженнях та різних електричних вимогах.
Одним з ключових переваг цієї системи є змога значно знизити витрати на експлуатацію. Виключаючи традиційні збудники, вона усуває втрати від вітрового опору — енергію, яка розсіюється через тертя між рухомими частинами та оточуючим повітрям. Крім того, без потреби регулярного обслуговування обмоток збудників, витрати на обслуговування значно зменшуються. Ці економічні переваги роблять статичну систему збудження економічно привабливим варіантом для широкого спектру застосувань.
