Автоматические регуляторы возбуждения

 

Автоматический регулятор возбуждения типа ЭПА-305. Регуля­тор предназначен для турбогенераторов и содержит (рис. 12.15): устройство компаундирования полным током; электромагнитный корректор напряжения; устройство релейной форсировки (на ри­сунке не показано). В устройство компаундирования входят уста­новочный резистор R _U , промежуточный трансформатор ТL1 и вы­прямитель VS8. Назначение элементов и принцип действия всего устройства компаундирования рассмотрены выше (см. § 12.7). Электромагнитный корректор напряжения состоит, как указыва­лось, из измерительного органа, магнитного усилителя и выпрями­теля. Он содержит также устройство статизма, задающий элемент и цепи положительной и отрицательной обратных связей.

В измерительный орган входят насыщающийся трансформатор TLVT, выпрямители VS1 и VS2 и резисторы R2, R3. Первичная об­мотка насыщающегося трансформатора является нелинейным эле­ментом, а вторичная выполняет функции линейного элемента. С увеличением напряжения магнитопровод трансформатора насы­щается и его ток намагничивания — ток I ₁ — нарастает нелинейно. Напряжение U _нл на резисторе R3 пропорционально току I ₁ и не­линейно зависит от напряжения U _г генератора. Насыщение магнитопровода трансформатора TLVT не влияет на характер изменения тока I ₂ и пропорционального ему напряжения U _л на резисторе R2. При любой степени насыщения они сохраняют линейную зависи­мость от напряжения на входе измерительного органа. Ток I _у в об­мотке управления ωу магнитного усилителя AL определяется раз­ностью напряжений линейного U _л и нелинейного U _нл элементов. С уменьшением напряжения генератора разность напряжений уве­личивается, ток в обмотке управления магнитного усилителя воз­растает, увеличивается и ток I _н нагрузки магнитного усилителя (см. рис. 1.8,6). Соответственно увеличивается и выпрямленный ток I _peг2 в обмотке LE2 возбуждения возбудителя.

Следует отметить, что в рассматриваемом корректоре приме­няется магнитный усилитель с самонасыщением [З], отличающий­ся от рассмотренного (см. § 1.4) наличием сильной внутренней об­ратной связи, — выпрямленные диодами VD токи рабочих ω _раб об­моток создают дополнительное подмагничивание магнитопровода усилителя. Поэтому для обеспечения необходимой характеристики в магнитный усилитель вводится отрицательная обратная связь — обмотка ω _o.c1. Она включена встречно с обмоткой управления ω _y , по ней проходит выпрямленный выходной ток усилителя — ток I _peг2. При повышении напряжения сверх предписанного значения U _г.пр (см. рис. 12.12, б) напряжение на выходе нелинейного эле­мента становится больше напряжения на выходе линейного эле­мента. Ток в обмотке ω _у магнитного усилителя изменяет знак и увеличивается, регулятор мог бы действовать в сторону дальней­шего повышения напряжения (см. характеристику магнитного усилителя на рис. 1.8, б). Для исключения этого используется обмотка компенсации ω _кмп трансформатора TL3. Она включается через насыщающийся реактор LRT встречно с его рабочей обмоткой ω _раб. Поэтому вторичный ток трансформатора TL3, а следователь­но, и ток I _peг2 определяются разностью токов в указанных обмот­ках. При повышении напряжения реактор насыщается, ток I _кмп увеличивается и компенсирует возрастающий ток I _н магнитного усилителя AL.

Трансреактор TAV и обмотка ω _o.с1 магнитного усилителя обра­зуют гибкую отрицательную обратную связь. По первичной обмотке трансреактора проходит ток, пропорциональный напряжению U _в возбуждения. Поэтому в установившемся режиме при неизмен­ном напряжении U _в = const обратная связь не работает. Напря­жение на вторичной обмотке TAV и ток в обмотке ω _o.c2 появляют­ся только при изменении напряжения возбудителя, т. е. только при переходных процессах. Поэтому обратную связь и называют гибкой. Обмотка ω _o.c2 включается так, чтобы ток в ней имел направле­ние, противоположное направлению тока в обмотке ω_y. Этим за­медляется действие корректора при переходных процессах и обес­печивается устойчивость автоматического регулирования возбуж­дения.

Однако при этом увеличивается время восстановления нор­мального напряжения генератора, что является недостатком ис­пользования гибкой отрицательной обратной связи для обеспечения устойчивости.

Для задания регулятору определенной характеристики регули­рования служит устройство установки статизма. Оно выполнено посредством резистора R1 и трансформатора TL2. Падение напря­жения на резисторе R1, пропорциональное току I _г генератора, под­водится через трансформатор TL2 к измерительному органу кор­ректора и суммируется с напряжением измерительного трансфор­матора TV, Таким образом, резистором R1 можно изменять на­пряжение на входе измерительного органа в зависимости от I _г и тем самым получать характеристики с различными коэффициента­ми статизма. Заданное напряжение, которое должен поддерживать корректор, устанавливается задающим элементом — автотрансфор­матором Т _U .

Автоматический регулятор возбуждения типа РВА-62. Регуля­тор состоит из устройства фазового управляемого компаундирования и электромагнитного корректора напряжения (рис. 12.16, а). Особенностью регулятора, как указывалось, является то, что его действие определяется не только значениями İ _г и Ů _г, но и углом φ сдвига фаз между ними. Корректор напряжения воздействует не на возбудитель, как у регулятора ЭПА-305, а на устройство компаундирования, управляя им. Устройство фазового компаундирования содержит промежуточный трансформатор тока с подмагничиванием TLAT, повышающий автотрансформатор Т1, конденсатор CI, линейный реактор LR и выпрямитель VS4. Первичные обмотки ω' ₁ и ω" ₁ трансформатора TLAT подключаются, как указывалось, к трансформаторам тока генератора ТА1, ТА2 и трансформатору напряжения TV через реактор LR, сопротивление Z которого (см. рис. 12.13, а) обеспечивает независимость тока I _U в обмотке ω" ₁ , который должен определяться только напряжением U _г. Авто­трансформатор Т1 повышает напряжение и тем самым позволяет выбрать сопротивление реактора значительно большим сопротив­ления обмотки ω" _1. Конденсатор С1 предусмотрен для снижения реактивной мощности, потребляемой от трансформатора напряжения TV реактором LR. В результате ток I _U в обмотке ω" ₁ отста­ет по фазе от соответствующего напряжения на угол π/3. Это не­обходимо иметь в виду при выборе сочетания фаз токов и напря­жений, при котором обеспечивается правильная работа устройства компаундирования.

Ток компаундирования I _peг пропорционален току во вторичной обмотке ω ₂, который определяется магнитным потоком, созданным совместным действием токов в обмотках ω' ₁ и ω" ₁. Максимальное значение магнитный поток приобретает при совпадающих по фазе токах İ _U и İ _ас. Поэтому обмотки должны быть включены так, что­бы это происходило при чисто реактивной нагрузке генератора. Тогда при чисто активной нагрузке ток İ _ас в обмотке ω'₁ опережает по фазе ток İ _U в обмотке ω" ₁ на угол π/2. При этом результи­рующий магнитный поток оказывается меньше максимального его значения.

Если обмотку ω' ₁ включить на разность токов İ _ас = İ _а — İ _с, то для правильного действия регулятора при указанной на рис. 12.16, асхеме соединения трансформатора TV обмотка ω" ₁  должна вклю­чаться на напряжение Ů _bc , что подтверждается векторной диаграм­мой (рис. 12.16, б). Она построена для чисто активной нагрузки. При этом ток İ _ас в обмотке ω' ₁ опережает по фазе ток İ _U в обмотке ω" на угол π/2. В случае чисто реактивной нагрузки ток İ _ас сов­падает по фазе с током İ _U .

Ток во вторичной обмотке ω ₂ зависит также от степени насы­щения магнитопровода трансформатора TLAT. С увеличением подмагничивания ухудшаются условия трансформации тока в обмотку ω ₂ . Ток I _у в обмотке управления (подмагничивания) ω _у является выходным током корректора напряжения. Поэтому корректор на­пряжения должен действовать так, чтобы при повышении напря­жения генератора ток в обмотке ω _у возрастал, а при понижении напряжения — уменьшался. Такой корректор, как отмечалось, на­зывается противовключенным. Измерительный орган корректора со­держит насыщающийся трансформатор TLVT, выпрямители VS1 и VS2 и резистор R2 (для изменения токов I _л и I _нл при наладке регулятора). В отличие от схемы на рис. 12.15 выходы линейного и нелинейного элементов подключаются к отдельным обмоткам магнитного усилителя AL с самонасыщением, причем токи I _л и I _нл создают магнитные потоки, направленные встречно.

Магнитный усилитель имеет обмотку отрицательной обратной связи ω _o.c1 и обмотку положительной обратной связи ω _o.c2 . Обмотка ω _o.c1 действует соглас­но с обмоткой, питаемой током I _нл . При повышении напряжения сверх предпи­санного значения U _г.пр ток I _нл становится больше тока I _л (см. рис. 12.12, б), результирующая МДС совпадает с МДС обмотки ω _o.c1 , что приводит к насы­щению магнитопровода AL и резкому возрастанию тока I _у, поступающего в об­мотку ω _у трансформатора TLAT. При этом условия трансформации ухудшаются и ток I _peг уменьшается. Если напряжение генератора понизится, то ток I _нл станет меньше тока I _л , результирующая МДС управления AL действует против МДС обмотки ω _o.c1 . Магнитная система AL оказывается менее насыщенной, а ток I _у уменьшается. Условия трансформации тока в обмотку ω ₂, трансформа­тора TLAT становятся более благоприятными, и ток I _peг, а вместе с ним и на­пряжение U _г возрастают. Положительная обратная связь по току I _peг, содержа­щая обмотку ω _o.c2 , повышает коэффициент усиления регулятора в целом. Маг­нитный усилитель имеет также обмотку ω _ст . Вместе с выпрямителем VS3 и резистором R1 она образует устройство установки статизма. Падение напряжения на резисторе R1 и ток в обмотке ω _ст пропорциональны току генератора.

 

Синхронизация генераторов

 

Способы синхронизации. Под синхронизацией понимают про­цесс включения синхронной машины на параллельную работу с другой синхронной машиной или с энергосистемой. Процесс вклю­чения может быть полностью автоматизирован. Все операции при этом выполняются без вмешательства персонала.

Автоматическая синхронизация находит применение прежде всего на гидроэлектростанциях. Если при синхронизации часть операций по включению генератора выполняется человеком, то та­кая синхронизация называется полуавтоматической. В ряде слу­чаев допускается осуществлять синхронизацию вручную без ис­пользования устройств автоматики.

Существует два способа включения синхронных генераторов на параллельную работу: самосинхронизация и точная синхронизация.

При этом, несмотря на различие условий, в которых находится ге­нератор, и тот и другой способы должны обеспечить: включение генератора при допустимых значениях уравнительного тока и мощности; вхождение включенного генератора в синхронизм.

Самосинхронизация. Сущность ее заключается в том, что во время включения генератора при скорости, близкой к синхронной, автомат гашения поля (АГП) остается отключенным и обмотка ротора генератора оказывается замкнутой на разрядный резистор и отсоединенной от возбудителя. Таким образом, генератор вклю­чается в сеть невозбужденным (E _q = 0). После включения выклю­чателя генератора подается сигнал на включение АГП, который подключает обмотку ротора к возбудителю. Генератор возбужда­ется и втягивается в синхронизм. Для энергосистемы такое вклю­чение эквивалентно трехфазному короткому замыканию за сопро­тивлением генератора. Поэтому действующее значение периодичес­кой составляющей переходного уравнительного тока

I' _ур = U _c /(X '_d + X _c),                                                  (12.7)

где Х _с и U _c — приведенные к генераторному напряжению соответ­ственно сопротивление и напряжение системы.

Наиболее тяжелым случаем является включение генератора на шины неограниченной мощности (X _с=0). При этом ток I' _ур может достигать значений тока трехфазного короткого замыкания возбужденного генератора при повреждении на его выводах (I' _к = Е' _q /X' _d ). Во всех других случаях I' _ур <I' _к . Поэтому при само­синхронизации генератор находится в более легких условиях, чем при коротких замыканиях. При самосинхронизации понижается на­пряжение в системе. Минимальное напряжение получается на вы­водах генератора U _г =U _c X' _d /(X' _d +Х _c ). Однако работа потребите­лей при этом, как правило, не нарушается (напряжение восстанав­ливается через 2—3 с). При самосинхронизации на ротор действует ряд вращающих моментов. Процесс вхождения в синхронизм за­висит от их соотношения [62].

Самосинхронизацию рекомендуется применять как основной способ включения в тех случаях, когда уравнительный ток I' _ур< 3,5I _г.ном. Это условие обычно выполняется при самосинхрони­зации гидрогенераторов любой мощности и турбогенераторов, ра­ботающих в блоке с трансформатором. При этом на гидрогенера­торах предусматривается автоматическая, а на турбогенераторах — полуавтоматическая самосинхронизация. Нужно отметить, что в ряде случаев при допустимой кратности уравнительного тока при­меняют способ автоматической или полуавтоматической точной синхронизации. Это относится, например, к генераторам с непо­средственным охлаждением обмоток. В аварийных ситуациях са­мосинхронизацию допускается применять независимо от кратности уравнительного тока и способа охлаждения генератора. В схеме са­мосинхронизации применяют реле разности частот типа ИРЧ-01А. Действие реле основано на индукционном принципе. Оно выполне­но на четырехполюсной магнитной системе.

На рис. 12.17 дана упрощенная схема полуавтоматической само­синхронизации с реле разности частот KF типа ИРЧ-0,1А. Процесс самосинхронизации начинается с включения ключа синхронизации SA. При этом контактами SA1 — SA.3 на схему подается опера­тивный ток и обмотка напряжения KF.1 реле KF контактом SA.4 подключается к трансформатору напряжения TV1 шин электро­станции (рис. 12.17, а). Обмотка KF.2 (рис. 12.17,6) контак­том SA.5 подключается к трансформатору напряжения TV2 гене­ратора спустя время t _с.р = 1÷2 с (реле времени КТ), если выклю­чатель и АГП генератора находятся в отключенном состоянии (вспомогательные контакты Q.2 и ASV замкнуты) и на выводах генератора отсутствует напряжение (контакт KV минимального ре­ле напряжения KV замкнут). Поскольку генератор включается в сеть невозбужденнным, к обмотке подводится небольшое оста­точное напряжение генератора, составляющее около U _{г. ост} = 0,2 В.

Магнитные потоки, создаваемые токами в обмотках реле, пе­риодически смещаются по фазе на угол 0< δ <2π со скоростью, пропорциональной разности частот синхронизируемых напряжений. При этом подвижная система реле совершает колебательные дви­жения. Чем меньше разность частот, тем больше амплитуда коле­баний. При допустимой по условиям самосинхронизации разности частот реле кратковременно замыкает контакты KF в цепи обмот­ки промежуточного реле KL1 (рис. 12.17, а). Оно срабатывает и контактом KL1.1 самоудерживается, а контактом KL1.4 подает воз­действие на включение выключателя (рис. 12.17, г). После этого в связи с замыканиями вспомогательного контакта выключателя Q1 включается АГП. Реле KL2, управляемое размыкающим контак­том KL1.2 реле KL1, обеспечивает однократность действия. Реле имеет некоторое замедление при возврате, что необходимо для на­дежного включения выключателя и АГП.

После завершения процесса са­мосинхронизации обмотка KF.2 реле разности частот отключается от трансформатора напряжения TV2 размыкающими контактами KV, KL1.5 и вспомогательными контак­тами ASV и Q2 (рис. 12.17, б). Это необходимо для того, чтобы исклю­чить повреждение обмотки, не рас­считанной на номинальное вторич­ное напряжение трансформатора TV2. Для возврата реле KL1 и других реле ключ SA переводится в отключенное положение.

Точная синхронизация. При точной синхронизации генератор включается в сеть возбужденным. Поэтому уравнительный ток в момент включения определяется при прочих равных условиях зна­чением напряжения биения Ů _δ , которое, как указывалось, равно геометрической разности ЭДС (напряжения) синхронизируемого генератора Ů _г и системы Ů _с.

На рис. 12.18, а дана векторная диаграмма для случая U _г =U _c= U, из которой следует, что U _δ= 2Usinδ/2. При этом уравнительный ток I _ур = [ 2U /(X _г - X _c)] s inδ / 2. Максимальное зна­чение он приобретает в момент включения генератора (U _г = Е" _qи Х _г= Х" _d ) на шины системы неограниченной мощности (Х _с = 0)при угле δ = π. В этом случае уравнительный ток I" _ур.max превышает в два раза сверхпереходный ток трехфазного короткого замыкания генератора I'' _к.

Очевидно, что устройство точной синхронизации должно обес­печивать включение при уравнительном токе I _ур=0. Для выпол­нения этого условия необходимо обеспечить: равенство напряжений включаемого генератора U _г и системы U _c ; совпадение по фазе ука­занных напряжений (δ =0); равенство угловых скоростей вклю­чаемого генератора ω _г и системы ω _с. Если бы выключатель включался мгновенно (t _в.в=0), то в процессе точной синхронизации достаточно (для обеспечения I _ур=0) было бы выполнить два пер­вых требования и сигнал на включение выключателя подать при U _δ=0. В действительности t _в.в 0. Поэтому выключатель необ­ходимо включать с некоторым опережением. Сигнал на включение можно подавать либо с постоянным углом опережения δ _оп, либо с постоянным временем опережения t _oп, равным времени включе­ния выключателя t _в.в. В соответствии с этим различают синхрони­заторы с постоянным углом опережения и синхронизаторы с посто­янным временем опережения.

На рис. 12.18, б показан характер изменения U _δ = f(t) для двух значений угловой скорости скольжения ω _δ=(ω _г— ω _c). Так как угол δ = ω _δ t, то при δ = δ _оп каждому значению ω _δ соответствует определенное время, в частности t _оп1 и t _оп2 . В общем случае t _оп отличается от t _в.в. Поэтому действие синхронизатора с постоян­ным углом опережения может сопровождаться значительным уравнительным током из-за включения выключателя не в момент оптимума (U _δ=0), что является принципиальным недостатком синхронизатора с постоянным углом опережения.

Синхронизатор с постоянным временем опережения не имеет указанного недостатка. Если принять t _оп= t _в.в, то выключатель должен при любых значениях ω _δ включиться в момент оптимума. Однако в действительности происходят отклонения из-за разброса времени Δt _в.в и погрешности синхронизатора. Синхронизаторы с постоянным временем опережения являются сложными устройства­ми. Схема и принцип действия одного из них рассмотрены, напри­мер, в [42].

Сравнительно просто можно выполнить синхронизатор с посто­янным углом опережения. Для этой цели можно использовать ор­ган, разрешающий устройству АПВУС автоматическое повторное включение по условиям синхронизма (см. § 11.4).

Схема такого синхронизатора показана на рис. 12.19, а. Она содержит два минимальных реле напряжения KSV1 (с размыкающим контактом) и KSV2 (с замыкающим контактом). Угол опережения δоп определяется напряжением срабатывания реле KSV2. Реле KSV1 осуществляет пуск реле времени КТ. К реле напряжения подводится напряжение биения. Схема сравнивает время t _1,2 , которое проходит от момента срабатывания реле KSV1 до срабатывания KSV2, с уставной реле времени — временем контроля t _н = 1,0÷1,5с. По условию син­хронизации устройство должно срабатывать при t _1,2 > t _н и только в конце периода биения — при снижении U _δ . Поэтому за исходное состояние принимается состояние схемы при U _δ.max (рис. 12.19, б). Оба минимальных реле напряжения возбуждены — находятся в состоянии, при котором якорь реле подтянут. При этом контакт реле KSV1 разомкнут, а контакт реле KSV2 замкнут. Реле KL1 возбуждено: контакт KL1.1 замкнут, KL1.2 разомкнут.

 После снижения напряжения до U _δ=U_{с.p1 (}точка 1) реле KSV1 сраба­тывает, его контакт в цепи обмотки реле времени КТ замыкается и запускает его. Далее действие устройства зависит от поведения реле KSV2. Если угловая скорость скольжения меньше или равна расчетной ω _δ < ω _δ.рсч, то реле времени КТ успевает сработать до момента срабатывания реле KSV2 (точка 2), т. е. t _1,2 > t _н. При этом вследствие замыкания контакта КТ срабатывает реле КL2 иконтактом KL2.I самоудерживается, а контактом KL2.2 подготавливает цепь контактора КМ включения выключателя. После срабатывания реле KSV2 его контакт размыкается, реле KL1 возвращается и замыкает контакт KL1.2 в цепи контактора КМ. Выключатель включается.

Включения не происходит, если ω _{δ >} ω _δ.рсч . При этом промежуточное ре­ле KL2 не срабатывает, так как реле KSV2 размыкает контакт в цепи обмотки реле KL1 раньше, чем срабатывает реле времени КТ (t _1,2< t _н), и контакт KL1.1 п цепи KL2 размыкается.

При выборе параметров срабатывания устройства прежде всего задают рас­четный угол опережения δ _оп.рсч= ω _δ.рсч t _в.в. Если ω _δ.рсч> ω _δ , то включение происходит не в момент оптимума, а при угле δ _оп= ω _δ.рсч t _в.в. В связи с этим по­является угол ошибки включения δ _ош =δ _оп..рсч— δ _оп = (ω _δ.рсч— ω _δ) t _в.в. В худ­шем случае (ω _δ=0) включение может произойти с углом ошибки, равным рас­четному углу опережения. Поэтому δ _оп.рсч принимается таким, чтобы при включении с углом ошибки, равным ему, уравнительный ток не превышал допу­стимого значения, принимаемого равным номинальному току генератора:

 

I _ур = I _г.ном = [ 2 U _ном / (Х _г + Х _с)] sin (δ _оп..рсч/2).

 

При малых углах можно принять

 

sin (δ _оп..рсч/2) ≈ δ _оп..рсч/2,

тогда

δ _оп..рсч = I _г.ном (Х _г + Х _с) / U _ном .

 

Реле напряжения KV2 задает угол опережения. Поэтому его напряжение срабатывания U _с.р2 должно быть равно напряжению биения при угле δ _оп..рсч, т.е.

 

U _с.р2 = 2 U _ном sin (δ _оп..рсч/2).

 

Напряжение срабатывания U _с.р1 реле напряжения KV1 выбирают, исходя из допустимой угловой скорости скольжения ω_{δ доп}, при которой максимально возможный угол включения не превышает угла δ _оп..рсч. Это выполняется, если ω_{δ доп} =2 δ _оп..рсч / t _в.в. При этом напряжение срабатывания

 

U _с.р1 = 2 U _ном sin [ ω_{δ доп} (t _в.в+ t _н)]/2.

 

Если подставить значение ω_{δ доп}, то

 

U _с.р1 = 2 U _ном sin δ _оп..рсч (1 + t _н / t _в.в).