Автоматическое регулирование возбуждения синхронного генератора

Автоматическое регулирование возбуждения синхронного генератора

Автоматические регуляторы возбуждения сильного действия (АРВ СД) применяются для повышения устойчивости параллельной работы турбо- и гидрогенераторов электростанций, связанных с энергосистемой протяженными и сильно загруженными линиями электропередачи. Повышение устойчивости достигается тем, что АРВ СД оказывают на системы возбуждения генераторов более интенсивное воздействие, чем АРВ пропорционального действия.

Одновременно для стабилизации процесса регулирования в АРВ-СД используются дополнительные устройства, реагирующие не только на отклонение регулируемых параметров, но также на скорость и ускорение их отклонения. Учет этих дополнительных факторов делает АРВ способным с опережением выявлять тенденцию протекания процесса и оказывать сильное воздействие на системы возбуждения генераторов в самом начале изменения режима.

Скорость изменения электрических параметров характеризуется первой производной, а ускорение — второй производной данного параметра по времени. Поэтому выявление этих факторов приозводится специальными дифференцирующими устройствами.

Применяются АРВ СД с быстродействующими безынерционными системами возбуждения с управляемыми выпрямителями (тиристорами). На рис. 7.21 приведена упрощенная структурная схема АРВ СД, который обеспечивает:

автоматическое регулирование возбуждения генератора по заданному закону для поддержания постоянства напряжения на шинах электростанции или в заданной точке сети;

форсировку возбуждения и развозбуждение генератора;

Рис. 7.21. Структурная схема автоматического регулятора возбуждения сильного действия (АРВ СД)

ограничение минимального тока ротора;

ограничение тока ротора двукратным значением при форсировке и длительной перегрузке обмотки ротора генератора.

Напряжение статора генератора подводится от трансформатора напряжения TV к блоку напряжения БН через блок компаундирования БКТ, который предназначен для создания статизма, необходимого для устойчивого распределения реактивной мощности между параллельно работающими генераторами. К блоку БКТ подводится также ток статора генератора от трансформаторов тока ТА.

Блок БН включает в себя измерительный элемент, который выявляет отклонение напряжения от заданной уставки элемент релейной форсировки возбуждения РФ и дифференцирующее устройство которое выявляет скорость отклонения напряжения UT. Сигналы форсировки возбуждения ФВ и подаются на суммирующий магнитный усилитель

Уставка напряжения, которое должен поддерживать регулятор, задается с помощью потенциал-регулятора УПР, имеющего ручное и дистанционное управление.

Напряжение от TV генератора подводится также к блоку частоты и защиты . Имеющийся в измерительный элемент выявляет отклонение частоты от нормального значения и формирует сигнал . Одновременно дифференцирующее устройство выявляет скорость изменения частоты f. Оба эти параметра поступают в суммирующий усилитель .

Для предотвращения ложных воздействий на систему возбуждения генератора по каналам производных при внезапных сбросах нагрузки, отключения КЗ и в других случаях, когда возможны резкие изменения напряжения или частоты, предусмотрены защитные блокировки.

Для ограничения тока ротора генератора при форсировке возбуждения двукратным значением к номинальному току и для предотвращения длительной перегрузки обмотки ротора АРВ СД содержит специальный блок ограничения БОР.

При форсировке возбуждения и увеличении тока ротора генератора до блок БОР воздействует непосредственно на систему управления форсировочной группы тиристоров СУТ Ф, не допуская увеличения тока ротора выше двукратного значения. Ток ротора подводится к блоку БОР от трансформатора постоянного тока ТАС. Ограничитель перегрузки ОП блока БОР срабатывает с выдержкой времени, зависящей от кратности перегрузки к номинальному току ротора, и воздействует на снижение тока ротора через суммирующий усилитель и путем изменения уставки АРВ СД потенциал-регулятором УПР.

Устойчивая работа генератора в режиме недовозбуждения обеспечивается ограничителем минимального возбуждения ОМВ. При срабатывании ОМВ воздействует на суммирующий усилитель и на повышение уставки АРВ-СД потенциал-регулятором УПР.

Канал регулирования по скорости изменения тока ротора генератора образуется дифференцирующим устройством к которому подводится ток ротора генератора от трансформатора тока постоянного тока ТАС. Сигнал подается на суммирующий усилитель

Выбор каналов регулирования коэффициентов усиления по каждому из них является сложной задачей, решение которой в существенной степени зависит от параметров и характеристик энергосистемы, в которой работает синхронный генератор, и требует рассмотрения установившихся режимов и переходных процессов энергосистемы в целом. При этом производится определение:

значений параметров канала регулирования по отклонению напряжения обеспечивающих заданную точность поддержания напряжения в различных режимах работы синхронного генератора;

типа и параметров каналов стабилизации обеспечивающих статическую устойчивость и заданные показатели качества переходных процессов при малых отклонениях от исходного установившегося режима;

параметров устройства форсировки, улучшающих динамическую устойчивость.

Для стабилизации процесса регулирования, возбуждения генератора в АРВ СД применена обратная связь по скорости изменения напряжения ротора генератора. Напряжение ротора генератора через делитель напряжения ДБОС подводится к блоку обратной связи БОС, который по своим выходным цепям воздействует на суммирующий усилитель . Суммирующий магнитный усилитель производит суммирование и усиление всех сигналов, поступающих на его вход. Суммарный сигнал с его выхода поступает на операционные усилители , которые воздействуют на системы управления рабочей и форсировочной групп тиристорных выпрямителей возбуждения генератора СУТ Р и СУТ Ф.

Питание магнитных усилителей , а также блока БЧЗ осуществляется от магнитного преобразователя частоты ПЧМ, на вход которого подается напряжение от трансформатора собственных нужд а с выхода снимается напряжение 110 В, 450 Гц.

Микропроцессорный автоматический регулятор возбуждения сильного действия. В ВЭИ им. В.И. Ленина разработан микропроцессорный регулятор возбуждения сильного действия АРВ С ДМ для турбо- и гидрогенераторов электростанций. Создание АРВ С ДМ (пришедшего на смену регуляторам аппаратного типа АРВ СД и АРВ СДП) было вызвано необходимостью дальнейшего совершенствования регуляторов по пути усложнения алгоритмов управления, увеличения объема выполняемых функций, повышения точности регулирования, создания адаптивных систем управления, перестраивающихся при изменении условий работы генератора в энергосистеме.

Основными функциями АРВ С ДМ являются те же, что и рассмотренного выше АРВ СД: поддержание с заданным статизмом напряжения на шинах;

обеспечение максимальных пределов статической и динамической устойчивости электропередачи; улучшение демпфирования послеаварийных качаний за счет применения закона сильного регулирования, предусматривающего формирование управляющего воздействия по отклонению и производным регулируемых параметров; ограничение режимных параметров генератора (токов ротора и статора с высокой точностью и быстродействием; подгонка уставки АРВ по напряжению при включении машины в сеть методом точной синхронизации и самосинхронизации; разгрузка синхронной машины по реактивной мощности перед ее отключением от сети и т.д.); индикация состояния системы регулирования возбуждения и настроечных параметров регулятора, сигнализация неисправностей, диагностика отказов, сокращающие время наладки и настройки АРВ как на заводе-изготовителе, так и на электростанции.

Наряду с лучшими характеристиками и функциональными возможностями регулятора применение микроЭВМ позволяет резко снизить объем специализированной аппаратуры и упростить ее за счет использования серийных устройств. Расширение объема выполняемых функций, модификацию алгоритмов применительно к конкретным условиям эксплуатации практически осуществляют без переработки аппаратуры, только путем изменения программ. Повышается надежность вследствие снижения числа компонентов и их соединений, применения резервирования. Сокращается время восстановления благодаря использованию методов самодиагностики.

Комплекс технических средств АРВ СДМ (рис. 7.22) содержит: управляющий вычислительный комплекс повышенной надежности УВК, устройства связи с объектом УСО, систему питания СП, пульт контроля и управления ПКУ. В состав УВК входят: две микроЭВМ типа В-7 с ОЗУ 32 кбайт, ППЗУ 32 кбайт, модулями ввода-вывода параллельного и последовательного интерфейса, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями (АЦП и ЦАП), схемами прерывания, аппаратурой, обеспечивающей коммутацию выходных сигналов микроЭВМ. Одна микроЭВМ является рабочей, вторая находится в горячем резерве. Регулятор имеет развитую систему программно-аппаратного контроля микроЭВМ, УСО и СП. Информация о неисправности микроЭВМ и их блоков питания сосредоточивается в блоках контроля БК. Последние формируют результирующие сигналы неисправности, поступающие на входы блока коммутации выходных логических и аналоговых сигналов микроЭВМ БКМ. На другие входы БКМ подаются сигналы о неисправности УСО. В зависимости от характера неисправности производится либо перевод управления на резервную микроЭВМ, либо отключение АРВ.

В состав входного входят блоки ввода и обработки аналоговых сигналов от трансформаторов напряжения и тока, а также дискретных логических сигналов. Блоки имеют гальваническую развязку: аналоговые с помощью трансформаторов, дискретные — с помощью герконовых реле.

Рис. 7.22. Структурная схема технических средств микропроцессорного АРВ сильного действия

Токовые сигналы преобразуются в потенциальные с помощью шунтов. Подавление помех во входных блоках осуществляется с помощью фильтров. Выходное содержит блоки выходных дискретных сигналов на базе герконовых реле и блоки вывода управляющих аналоговых воздействий, обеспечивающие гальваническую развязку и усиление выходных сигналов регулятора.

Система питания обеспечивает гарантированное электропитание УВК, УСО и других блоков: нормально — от сети собственных нужд 380 В переменного тока, при нарушении основного питания — от оперативного постоянного тока 220 В через инвертор.

Пульт контроля и управления позволяет задавать режим и контролировать работу регулятора, корректировать его уставки.

Для регулятора возбуждения принят закон регулирования, аналогичный применяемому в регуляторах АРВ СД и АРВ СДП. Регулирование возбуждения производится по отклонению и производной напряжения, изменению и производной частоты, по производной тока ротора.

Диапазоны изменения коэффициентов регулирования расширены по сравнению с предшествующими регуляторами и установлены следующими: по отклонению напряжения — по производной напряжения — по изменению частоты — ; по производной частоты — ; по производной тока ротора — тока. За относительные единицы приняты соответствующие номинальные значения.

Компенсация сопротивления повышающего трансформатора и стабилизация распределения реактивных нагрузок синхронных машин, объединенных на уровне генераторного напряжения, выполняются программно. Производные режимных параметров рассчитываются по специальному алгоритму, осуществляющему дифференцирование со сглаживанием.

Комплекс программного обеспечения является системой реального времени и включает: программу начального пуска, программу «Диспетчер», программы измерения режимных параметров, обработки сбоев, контроля исправности регулятора, связи с оператором через ПКУ и функциональные программы регулятора. Кроме того, имеются комплекс программ для наладки регулятора и выполняемый на отдельной ЭВМ комплекс записи и контроля исходных данных в ППЗУ ЭВМ. Регулятор выпускается заводом «Электропульт» в виде шкафа, оснащенного принудительной системой вентиляции и специальной подвеской микроЭВМ для снижения влияния вибрации.

Читайте также  Артикул натяжитель ремня генератора рено меган 2

Системы автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов

Автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) должны поддерживать величину напряжения генератора по возможности неизменной независимо от колебаний нагрузки и обеспечить устойчивую работу в электрической системе при различных возмущениях в ней и подавлять качание как отдельных генераторов, так и системы в целом.

Рассмотрим структурную схему работы АРВ (рис.9).

Допустим, по какой-либо причине уменьшилось напряжение генератора UГ , тогда это изменение передается в преобразовательный элемент (ПЭ). Поданное напряжение преобразуется в постоянное и передается в измерительный элемент (ИЭ), где происходит сравнение реального значения напряжения с эталонным U0. или номинальным напряжением и определяется разность U=UГ -U0 . В зависимости от знака и величины U вырабатывается сигнал, который отрабатывается в усилительном элементе (УЭ) и далее воздействие оказывается на исполнительный элемент (ИсЭ). В результате регулирования тока возбуждения напряжение генератора изменяется до тех пор, пока не выполнится условие U=0, т.е. значение напряжение генератора будет равным номинальному (эталонному), или же вернется к первоначальному значению. Отметим, что независимо от типа и системы регулирования усилительным элементом является подвозбудитель, а исполнительным — возбудитель.

Рис.9. Структурная схема автоматического регулирования возбуждения синхронного генератора

Если измерительный элемент реагирует на любое сколь угодно малое отклонение UГ, т.е не обладает нечувствительностью, то система АРВ носит название системы без зоны нечувствительности.

Если измерительный элемент содержит механические устройства и в силу инерционности не может реагировать на некоторые малые изменения Uг, то система АРВ носит название системы с зоной нечувствительности.

Необходимо подчеркнуть, что регуляторы, имеющие механические движущиеся части, обязательно обладают зоной нечувствительности.

Автоматические регуляторы возбуждения, реагирующие на знак и величину отклонения регулируемого параметра режима, называются регуляторами пропорционального типа (АРВ-П).

На современных крупных генераторах электростанций, связанных с энергосистемой длинными линиями электропередачи, применяются более сложные АРВ, так называемые регуляторы сильного действия (АРВ-С). Эти АРВ регулируют ток и напряжение возбуждения генератора по сложному закону, реагируя не только на знак и величину изменения UГ и I и других параметров режима, но также на скорость их изменения.

Есть еще устройство, действующее на отклонение тока статора. Это устройство носит название — устройство компоундирования возбуждения. Принцип компоундирования состоит в том, что осуществляется дополнительная подпитка обмотки возбуждения возбудителя и суммарный ток состоит из тока компаундирования и тока возбудителя обмотки возбуждения.

Вопросы влияния АРВ и их типов на режим и устойчивость электрической системы будут рассмотрены более подробно по ходу изложения материала курса.

Синхронные генераторы в современных электрических станциях снабжаются различными типами автоматических регуляторов возбуждения (АРВ), позволяющими реагировать на изменения параметров режима, подавлять колебания, поддерживать постоянным или регулировать по заданному закону выбранный параметр режима.

Автоматические регуляторы возбуждения позволяют выбрать требуемый закон управления режимом возбуждения и соответственно режимом электрической системы, обеспечивающий устойчивую ее работу. В некоторых случаях АРВ в расчетах представляются разными Э.Д.С., которые можно считать постоянными за некоторым сопротивлением

Ранее мы в общих чертах рассматривали системы АРВ, однако их особенности и влияния на режим электрической системы требуют более строгого описания.

Рассмотрим их и опишем математически, максимально упрощая выкладки, но не в ущерб выявлению физики процессов.

а) Регулирование возбуждения пропорционального типа (Е1q=пост).

Автоматические регуляторы возбуждения относящиеся к этой категории, реагируют на отклонение параметров режима, поэтому и называются «пропорционального типа» (рис.9). Физически это означает компенсацию реактивного сопротивления генератора, за которым Э.Д.С. можно считать постоянным. В данном случае это переходная Э.Д.С. за переходным сопротивлением.

Каждый элемент в структурной схеме АРВ имеет собственное постоянное времени и коэффициент усиления, которые характеризуют динамические свойства регулятора.

При переходных режимах э.д.с можно представить состоящим из двух составляющих:

где qсв =Tdcp’q -э.д.с от свободных токов, qe — э.д.с., приложенная к обмотке возбуждения возбудителя.

что отражает изменения тока возбуждения генератора в связи с изменением приложенной э.д.с. к обмотке возбуждения возбудителя и тока iвв в этой обмотке.

Изменения iвв и э.д.с. происходят в соответствии с соотношением:

где Re и Le — параметры обмотки возбуждения (исполнительный элемент)

где — эквивалентная постоянная времени обмотки возбуждения возбудителя

Подставляя (3) в (4), получим:

— коэффициент усиления исполнительного элемента.

Усилитель является также инерционным элементом с параметрами — постоянной времени и коэффициентом усиления Тu, Кu и, следовательно,

Далее можно рассмотреть измерительный и преобразовательный элементы как одно целое с соответствующими коэффициентами усиления и постоянной времени Кn и Тn:

Подставляя (4), (5), в (6), получим:

где — функция, зависящая от параметров системы регулирования.

Коu=КuКуКе — коэффициент усиления системы.

В установившемся режиме отклонения параметров, приводящие в действие систему регулирования, отсутствуют (p=0), поэтому:

Поскольку можно определить коэффициент усиления:

Так как и, следовательно:

— коэффициент усиления системы

Чтобы проверить, сможет ли система, имеющая регулятор с таким Коu, устойчиво работать, надо провести анализ на устойчивость уравнений, описывающих работу регулируемой системы.

генератора, выраженные через э.д.с. холостого хода, переходной э.д.с. и напряжения генератора.

В этих уравнениях пять неизвестных: Eq, E’q, Uг. P, количество уравнений также пять. Следовательно, система решается. Будем считать, что Тu=0 и Ту=0, т.е. пренебрежем инерционностью преобразователей и регулятора. Тогда упрощенное характеристическое уравнение имеет четвертый порядок и имеет вид:

и окончательно получим:

аop4+ а1p3+а2+p2+ а3+ а4=0 (12)

а0=TeT’dTj, а1=Tj(T’d+Te), а2=Tj+ T’d Teс2+Kоu а3= Td c2+ Tec1, а4=c1+ Kоuc3

Теперь исследуем это уравнение по критерию Гурвица.

Очевидно, что аo и а1 всегда положительны, если Т’d>0. Условие а2>0 выполняется всегда при с2>0 и Kоu>0. Для того чтобы а3=T’dc2+Tec1>0 необходимо При отрицательном с1 (при предельных режимах) с2>0.

Условие требует, чтобы , т.е. необходимо установка такого коэффициента усиления, значение которого было бы больше некоторого минимально допустимого.

Для поддержания Uг нужен коэффициент усиления Kоumin , имеющий большое значение, но чрезмерное увеличение Kоu приводит к уменьшению гур. Поэтому коэффициент усиления возбуждения необходимо брать в пределах:

Kоu minKоuKоu max , (13)

Если при наличии АРВ, реагирующего на отклонение напряжения

Kou< Koumin, то происходит электромеханическое нарушение устойчивости, характеризуемое монотонным увеличением угла во времени, т.е. происходит апериодическое нарушение устойчивости.

Если Kou> Koumax, также происходит электромеханическое нарушение статической устойчивости, но имеющее колебательный характер — т.е. система самораскачивается.

Необходимо отметить, что на основе опыта эксплуатации АРВ пропорционального типа определены значения этого коэффициента в пределах Kou (25-50) ед.возб. х.х./ед. напряжения, при которых обеспечивается высокая точность поддержания напряжения в различных режимах генератора и увеличения предела передаваемой мощности.

Единица измерения коэффициента усиления: единица возбуждения /единица напряжения или сокращенно [ед.возб./ед.напр.]. За единицу напряжения принимают номинальное напряжение генератора, за единицу возбуждения — напряжение возбуждения генератора, приведенное к обмотке статора, обеспечивающее номинальное значение напряжения UГ в режиме холостого хода).

В исследовании режимов электрических систем, в особенности сложных, наличие АРВ — пропорционального типа, в целях упрощения, представляют постоянством переходной э.д.с. за переходным сопротивлением. Наличие АРВ-п эквивалентно частичной компенсации внутреннего сопротивления генератора, что отражается в увеличении максимума угловой характеристики синхронного генератора.

Таким образом, для устойчивой работы генератора, имеющего АРВ пропорционального типа, коэффициенты усиления по каналам регулирования по отклонению режимных параметров должны быть выбраны по условию

Koп min<Koп<Koп max ,

где П — параметр режима, по которому регулируется ток возбуждения синхронного генератора. Нарушение этого условия приводит к апериодическому (Koп<Koпmin) или колебательному (Koп>Koпmax) нарушению устойчивости.

б) Автоматический регулятор возбуждения сильного действия АРВ-с (UГ=пост).

Автоматические регуляторы возбуждения, которые реагируют не только на отклонение параметров режима, но на скорость их изменения, т.е., на их первую и вторую производные, называют АРВ сильного действия (рис.10). Такие АРВ «сильным» называют потому, что они могут поддерживать заданный параметр режима постоянным, например, напряжение генератора, тем самым полностью компенсируя внутреннее сопротивление генератора. Поэтому при расчетах АРВ-с представляются постоянством напряжения генератора UГ=пост.

АРВ-с позволяют существенно улучшить статическую и динамическую устойчивость электрической системы. Сравнивая структурные схемы АРВ-п и АРВ-с, видим, что в регуляторах сильного действия дополнительно имеются каналы, вырабатывающие сигналы, соответствующие первой (ДЭ) и второй (ДДЭ) производным режимных параметров (U’, I’, f’, U», I», f’ и т.д.).

Очевидно, что появление новых каналов и учет дополнительных элементов системы АРВ увеличивают трудоемкость составления уравнений, их порядок и, самое главное, делает невозможным их аналитическое исследование, даже в случае одного синхронного генератора.

Например, АРВ-с реагирующий на отклонение напряжения и тока генератора (U, I) первую и вторую их производные, при условии равенства постоянных времени дифференцирующего и дважды дифференцирующего элементов регулятора T1=T2=Tp , имеет характеристическое уравнение седьмой степени. Если инерционность измерительного и усилительного элементов не будем учитывать Tу=Tu=0 , то получим характеристическое уравнение пятой степени:

а 0p5 + а 1p4+ а 2p3+ а 3p2+ а 4p+ а 3=0 (15)

а 1= Tj (T’d Te + T’d Tp+ Te Tp)+k2i h1 ;

Читайте также  Бензиновый генератор zongshen kb 3000 e

а 2= Tj (T’d +Te + Tp)+ T’d Te Tp c2 k1i h1;

а 3= Tj +Te Tp c1+ T’d (Te +Tp ) c2 + kouTj +koi h1+ k2i h2;

а4= (Te + Tp) c1+ T’dc2+ k1i h2;

Параметры режима, входящие в коэффициенты (I,Id,Iq), определяются из векторной диаграммы синхронного генератора. Здесь koi -коэффициент усиления по каналу отклонения тока статора генератора [ед.возб./ед.ном.тока], k1i- коэффициент усиления по каналу первой производной тока статора [ед.возб./ед.ном.тока/cек], k2i — коэффициент усиления по каналу второй производной тока статора [ед.возб./ед.ном.тока/cек2] .Необходимо отметить, что в АРВ-с значения коэффициентов усиления по отклонению напряжения находятся в пределах kou=(100-200) [ед.возб.х.х./ед.напряжения].

Видно, что коэффициенты характеристического уравнения зависят от параметров режима, системы и коэффициентов усиления по каналам АРВ.

Из приведенных соотношений видно, что при принятых упрощениях коэффициенты характеристического уравнения даже в случае одного генератора усложняются и очевидно, что аналитическое их исследование представляется невозможным.

Сравнение угловых характеристик и синхронизирующих мощностей при различных АРВ

Рис.11. Сравнение угловых характеристик и синхронизирующих мощностей при различных АРВ

В связи с этим применяют численные методы анализа, особенно при определении оптимальных коэффициентов усиления АРВ в случаях регулирования тока возбуждения по нескольким параметрам режима. Учет наличия зоны нечувствительности, проявляющееся наличием люфта в механических элементах и инерционности еще больше усложняет составление и анализ уравнений, однако эти факторы могут существенно повлиять на условия устойчивой работы генератора. Неверный их учет может стать причиной нарушения устойчивости синхронного генератора в результате неправильной работы АРВ.

Наличие АРВ-с увеличивает максимум угловой характеристики, так как его наличие отражается условием ХГ = 0. (рис.11).

Виды систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов

Овсянников, А. М. Виды систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов / А. М. Овсянников. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 47 (337). — С. 44-46. — URL: https://moluch.ru/archive/337/75258/ (дата обращения: 26.10.2021).

В статье рассматриваются особенности различных систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов, а также их основные параметры.

Ключевые слова: генератор, возбуждение, регулирование.

Системы возбуждения используются для питания роторной обмотки постоянным током, который соответствует току возбуждения. В наши дни для регулирования тока возбуждения используют системы АРВ (автоматического регулирования возбуждения), реагирующие наряд параметров синхронного генератора и в зависимости от режима его работы автоматически изменяя ток возбуждения.

Система возбуждения обычно характеризуется номинальным током и номинальным напряжением возбуждения на выводах обмотки возбуждения, которые соответствуют номинальному режиму работы электрической машины; форсировочной способностью; быстродействием системы возбуждения при авариях и неисправностях в энергосистеме; быстротой развозбуждения генератора в случаях его повреждения [1].

Системы возбуждения обеспечивают следующие режимы работы синхронных генераторов:

– включение в сеть методом точной синхронизации или самосинхронизации;

– работу в энергосистеме с допустимыми нагрузками и перегрузками;

– форсировку возбуждения по напряжению и по току с заданной кратностью;

– разгрузку по реактивной мощности и развозбуждение при неисправности энергосистемы.

Ко всем вышеперечисленным режимам работы предъявляются соответствующие требования, как правило для мощных генераторов эти требования являются более жесткими.

Системы возбуждения синхронного генератора обычно состоят из возбудителя, подвозбудителя и регулирующих устройств.

Принципиальные схемы систем возбуждения различаются:

1) По конструктивному исполнению возбудителя

2) По виду возбудителя — с независимым возбуждением или самовозбуждением.

Возбудители также можно разделить на такие как:

1) Электромашинные — эти возбудители содержат вращающиеся электрические машины.

2) Статические — не содержащие вращающихся электрических машин.

Если обмотка возбуждения возбудителя питается от щеток его коллектора, то это самовозбуждение. Если же обмотки возбуждения питаются от какого-либо другого независимого источника, то это возбудитель с независимым возбуждением. Таким источником может быть машина постоянного тока с самовозбуждением. В последнее время все чаще используются тиристорные и бесщеточные системы возбуждения из-за их надежности и удобства эксплуатации [2].

АРВ делятся на регуляторы с зоной нечувствительности, осуществляющие прерывистое регулирование, и регуляторы без зоны нечувствительности, осуществляющие непрерывное регулирование. Регуляторы бывают:

1) Пропорционального действия, изменяющие ток возбуждения пропорционально отклонению какого-либо контролируемого параметра.

2) Сильного действия, реагирующие не только на величину и знак отклонения, но и на его скорость и ускорение [3].

При снижении напряжения за установленный уровень сигнал с выхода измерительного элемента (ИЭ) замыкает цепь контактора (К), который закорачивает реостат цепи возбудителя. Из-за малого сопротивления якоря характеристику холостого хода возбудителя можно считать его нагрузочной характеристикой. Параметры режима возбудителя

определяются точкой пересечения характеристики холостого хода и прямой, выраженной уравнением

— активные сопротивления обмотки возбудителя и реостата. При закороченном реостате новые режимные параметры возбудителя определяются точкой пересечения характеристики холостого хода и прямой

, которая определяет предельное напряжение возбудителя — потолок возбуждения. Изменение напряжения возбудителя от времени при форсировке представляет собой экспоненциальную зависимость, описываемую уравнением

постоянная времени обмотки возбуждения возбудителя.

Важными требованиями, предъявляемыми к системам возбуждения при форсировке, являются:

1) Необходимое быстродействие, т. е. высокая скорость нарастания напряжения на обмотке ротора в процессе его подъема от номинального значения до потолочного. Эта скорость определяется величинами постоянной времени и потолка возбуждения.

2) Кратность форсировки возбуждения, определяемая отношением потолочного напряжения на роторе к номинальному.

Наиболее эффективными по этим показателям являются тиристорные системы возбуждения, использующие управляемые тиристорные выпрямители. Они практически безынерционны и обеспечивают четырехкратный и более потолок возбуждения. На их базе изготавливаются регуляторы сильного действия, обеспечивающие практически постоянное напряжение на зажимах генератора.

1. Веников В. А., Герценберг Г. Р., Совалов С. А. и др. Сильное регулирование возбуждения. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. 152 с.

Автоматическом регулировании возбуждения генераторов

Расчеты статической устойчивости в зависимости от их назначения проводятся в различном объеме и с различной степенью точности.

Современные системы автоматического регулирования возбуждения (АРВ) представляют собой достаточно сложные устройства. Они предназначены для изменения тока возбуждения при изменении режима работы генератора в энергосистеме. Устройства АРВ в зависимости от параметра, на который они реагируют и характера этой реакции разделяются на две большие группы: пропорционального действия АРВ ПД и сильного действия АРВ СД.

Автоматические регуляторы возбуждения пропорционального действия реагируют на знак и отклонение напряжения (и тока) от установленного значения. В АРВ СД регулирование возбуждения осуществляется не только по отклонению напряжения, но и по его производной, а также по отклонению и производной каких-либо режимных параметров, т.е. параметров стабилизации, например, частоты. При упрощенных, грубых расчетах устойчивости действие этих устройств отражается введением соответствующих параметров и в простейшую схему замещения синхронной машины. Генераторы с АРВ пропорционального действия замещаются э.д.с. ( ) приложенной за сопротивлением , а при сильном регулировании возбуждения такие расчеты выполняются при и , т.е. при неизменном напряжении на шинах генератора.

Указанные схемы замещения регулируемых синхронных машин используются при ориентировочных расчетах статической устойчивости, проводимых на стадии проектирования (для выбора номинального напряжения, числа цепей и т.д.), при построении угловых характеристик мощности, определении пропускной способности электропередач, или при эксплуатационных расчетах, когда известно, что возможность самораскачивания в системе исключена.

С учетом сказанного расчетная схема замещения исследуемой сети (рис.2.1) при автоматическом регулировании возбуждения генераторов имеет такой же вид, как и при отсутствии АРВ (рис.2.2), с той лишь разницей, что вместо и сопротивления используется э.д.с. и сопротивление при АРВ ПД, а при АРВ СД из расчетной схемы сопротивление генератора исключается, а расчет выполняется при .

Вычисление э.д.с. осуществляется по выражению:

Полный угол электропередачи при использовании на генераторах электростанции АРВ пропорционального действия равен:

Выражения для характеристики мощности генераторной станции при автоматическом регулировании возбуждения генераторов имеют вид:

Проводимости , и углы потерь , в выражениях (2.23) и (2.24) определяются для соответствующих расчетных схем:

при замещении генератора сопротивлением ,

при исключении из расчетной схемы сопротивления генератора .

В курсовой работе следует рассчитать по (2.16), (2.23), (2.24) характеристики мощности для случаев:

— отсутствия АРВ на генераторах электрических станций;

— при АРВ пропорционального действия;

— при АРВ сильного действия.

Характеристики мощности для всех рассмотренных случаев для большей наглядности должны быть построены на одном рисунке. Для всех трех случаев должен быть определен предел передаваемой мощности, предельный угол электропередачи и коэффициент запаса статической устойчивости по активной мощности по выражению (2.21). Также следует выполнить проверку правильности расчетов: при подстановке полного угла электропередачи в выражение для характеристики мощности должно получиться значение заданной активной мощности генераторной станции.

Для рассмотренных случаев необходимо сделать заключение об устойчивости системы и об обеспечении требуемых запасов по устойчивости. Следует пояснить влияние автоматического регулирования возбуждения на статическую устойчивость электрических систем.

Пример 2.1. Электропередача напряжением кВ, связывающая электрическую станцию ( ) с системой бесконечной мощности (С), имеет промежуточную подстанцию, мощность которой составляет . Расчетная схема исследуемой системы приведена на рис.2.7.

Рис.2.7. Расчетная схема системы

Параметры элементов электрической системы.

Генераторы G1, G2: ТВФ-100, МВт, ,

Трансформаторы Т1, Т2: , кВ,

Линии электропередачи: W1 км АСО-300

Заданные параметры исходного режима: напряжение на шинах генератора кВ, мощность, передаваемая с шин генераторной станции составляет .

1. Рассчитать параметры исходного установившегося режима работы электрической системы (рис.2.7): определить величины напряжений в узлах сети, э.д.с. генератора и соответствующие им взаимные фазовые углы. Автоматическое регулирование возбуждения генераторов отсутствует.

2. Определить собственные и взаимные проводимости и углы потерь .

Читайте также  Тойота пассо установка ремня генератора

3. Рассчитать и построить характеристику мощности электропередачи.

4. Определить предел передаваемой мощности и коэффициент запаса устойчивости.

Решение.

При отсутствии АРВ генераторов, представлении линии П-образной схемой замещении, неучете активных сопротивлений трансформаторов и их ветвей намагничивания, схема замещения рассматриваемой системы имеет вид, изображенный на рис.2.2.

Определим параметры схемы замещения в относительных единицах. Примем в качестве базисных условий: , кВ.

Базисное напряжение на ступени 220 кВ составит:

Базисное сопротивление на ступени 220 кВ равно:

При принятых базисных условиях параметры схемы замещения в соответствии с ( , 2.15 ) равны:

Определим заданные параметры режима в относительных единицах.

Напряжение на шинах эквивалентного генератора:

В дальнейшем в расчетах используются параметры, приведенные к базисным условиям, обозначение «*» для краткости опускается.

Мощность, выдаваемая с шин генераторной станции:

Полученные данные нанесем на схему замещения (рис.2.8).

Рис.2.8. К примеру 2.1. Схема замещения электрической системы

Определим э.д.с. генераторной станции по выражению (2.13):

Внутренний угол генератора равен

Напряжение в узле 1 равно:

Зарядная мощность в начале линии W1 определяется величиной напряжения в узле 1:

Мощность конца линии 1 – 2:

Напряжение в узле 2 равно:

Зарядные мощности и определяется по величине напряжения в узле 2:

Найдем расчетную мощность узла 2:

Емкостной характер расчетной мощности обусловлен превышением суммарной зарядной мощности линий 220 кВ, примыкающих к узлу 2, над реактивной мощностью нагрузки.

Представим расчетную нагрузку неизменным сопротивлением . Согласно (2.14) сопротивление нагрузки равно:

Мощность начала линии W2 равна

Мощность конца этой линии равна:

Напряжение на шинах приемной системы равно:

Внешний угол электропередачи равен сумме углов , ,

Полный угол электропередачи равен сумме внутреннего и внешнего углов:

Определим собственные и взаимные проводимости методом единичного тока.

С этой целью рассчитаем распределение токов и напряжений в рассматриваемой схеме, приняв напряжение второго источника питания ( ), равным нулю, а ток, подтекающий к этому узлу, равным единице.

Расчетная схема замещения для расчета проводимостей методом единичного тока представлена на рис.2.9.

Рис. 2.9. К примеру 2.1. Расчетная схема для расчета

собственных и взаимных проводимостей

В результате последовательного расчета режима такой схемы находим:

Собственные и взаимные проводимости в соответствии с (2.17), (2.18) равны:

Собственные и взаимные углы потерь равны:

Подставив полученные значения , , , , , в выражение мощности (2.16) получим:

Для проверки вычислим активную мощность в исходном режиме. С этой целью значение полного угла электропередачи , найденное ранее для нормального установившегося режима, подставим в полученное выражение (2.25) для характеристики мощности:

Результат вычислений совпал с заданным значением активной мощности генераторной станции, следовательно расчеты выполнены верно.

Предел передаваемой мощности находится как максимум полученной характеристики мощности:

Полный угол электропередачи, соответствующий этому пределу, определим из соотношения:

Коэффициент запаса статической устойчивости согласно (2.21) равен:

Для построения угловой характеристики вычислим значения мощности при различных углах по выражению (2.25). Результаты расчета приведены в табл.2.1. Угловая характеристика мощности представлена на рис.2.10.

Результаты расчета мощности генераторной станции при различных углах

, эл.град 0,555 57,958 90,555 180,555 183,4
РГ, о.е. 0,036 0,0444 0,485 0,8 0,94 0,825 0,5 0,0444

Рис. 2.10. Угловая характеристика мощности электропередачи

Вывод: статическая устойчивость рассматриваемой системы при заданных условиях обеспечивается, поскольку полный угол электропередачи в исходном режиме меньше предельного: . Однако коэффициент запаса устойчивости меньше минимально допустимого для нормального режима: 17,5% < 20%. Указанные результаты были получены при отсутствии АРВ генераторов. Обеспечение нормируемого коэффициента запаса возможно при наличии автоматического регулирования возбуждения на генераторах электрической станции.

Регулирование тока возбуждения синхронных двигателей

Электроприводы с синхронными двигателями можно разделить на три класса из условий формирования нагрузок: электроприводы с неизменной или медленно меняющейся нагрузкой, электроприводы с пульсирующей нагрузкой, электроприводы с резкопеременной нагрузкой. Основные технические характеристики синхронных электроприводов в зависимости от типа возникающей нагрузки приведены в табл. 6.1.

Как следует из табл. 6.1, в электроприводах с пульсирующей и резкопеременной нагрузкой необходимо осуществлять автоматическое регулирование возбуждения синхронного двигателя. Системы автоматического регулирования возбуждения обеспечивают устойчивую работу синхронного двигателя при набросах нагрузки или при снижении напряжения питающей сети. В этих случаях системы автоматического регулирования возбуждения увеличивают ток возбуждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент синхронного двигателя. Кроме того, изменение тока возбуждения синхронного двигателя позволяет регулировать реактивную мощность статорной цепи двигателя.

Автоматическое регулирование тока возбуждения

Станки-качалки Поршневые компрессоры

Дробилки Мельницы Прокатные станы Ножницы Пилы

Возможность регулирования реактивной мощности в цепи статора синхронного двигателя путем изменения его тока возбуждения иллюстрируется векторными диаграммами, приведенными на рис. 6.14.

Векторные диаграммы синхронного двигателя при разных токах обмотки возбуждения

Рис. 6.14. Векторные диаграммы синхронного двигателя при разных токах обмотки возбуждения: а — ток возбуждения меньше номинального; б — ток возбуждения равен номинальному; в — ток возбуждения больше номинального

Векторная диаграмма рис. 6.14, а соответствует току обмотки возбуждения меньше номинального, при этом вектор тока статора 1Х отстает от вектора напряжения сети U] на угол ср. Реактивная мощность активно-индуктивная. При увеличении тока возбуждения (рис. 6.14, б) ЭДС Ех, наводимая в обмотках статора, увеличивается и может достигнуть такого значения, при котором ток статора 1Х будет совпадать по фазе с напряжением Ux, то есть coscp = 1. Реактивная мощность равна нулю. Если ток обмотки возбуждения еще увеличить, то вектор тока статора 1Х будет опережать по фазе вектор напряжения Ux (работа с опережающим coscp) и синхронный двигатель будет эквивалентен активно-емкостной нагрузке, включенной параллельно с сетью (рис. 6.14, в).

На рис. 6.15 приведены ^/-образные характеристики. Они показывают зависимость тока статора /, синхронного двигателя от тока возбуждения /в при различных нагрузках на валу двигателя (Мс1 2

A Uc падение напряжения сети; Хс = —-— фазное напряжение сети;

:—суммарное фазное сопротивление всех потребителей элек-

трической энергии, кроме синхронного двигателя; рг — электрическая проводимость участка цепи; Ua линейное напряжение сети; SK C

мощность короткого замыкания сети.

Современные системы автоматического регулирования тока возбуждения синхронных двигателей, предназначенных для компенсации реактивной мощности, строятся по принципу подчиненного регулирования координат и предусматривают регулирование трех переменных: тока возбуждения, падения напряжения на эквивалентном фазном реактивном сопротивлении сети, реактивного тока статора синхронного двигателя. Функциональная схема такой системы приведена на рис. 6.18.

Схема синхронного электропривода с автоматическим регулированием тока возбуждения

Рис. 6.18. Схема синхронного электропривода с автоматическим регулированием тока возбуждения

Внутренний контур обеспечивает регулирование тока возбуждения с помощью регулятора тока возбуждения РТВ. Заданием на ток возбуждения синхронного двигателя является выходной сигнал UpT регулятора

реактивного тока РРТ. Из этого сигнала вычитается напряжение обратной связи по току возбуждения синхронного двигателя. Выходной сигнал U регулятора тока возбуждения воздействует на управляемый

выпрямитель У В, изменяя ток возбуждения /в синхронного двигателя.

Регулятор реактивного тока входит во второй контур — контур регулирования реактивного тока I . На его входе суммируются сигналы

отрицательной обратной связи по реактивному току U и сигнал задания на реактивный ток — с выхода регулятора напряжения PH.

На входе регулятора напряжения PH суммируются сигналы отрицательной обратной связи по напряжению U0H. Обратная связь по напряжению сформирована из реактивного тока и эквивалентного фазного сопротивления сети: U0H =1Хсэ. Регулятор напряжения адаптивный, пропорционального типа, изменяющий коэффициент усиления при снижении напряжения питающей среды ниже (0,8 -г- 0,85) • UH.

Передаточные функции контуров регулирования и регуляторов токов получены при следующих основных допущениях:

• насыщение магнитной цепи синхронного двигателя не учитывается;

• управляемый выпрямитель — апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией

где ктп коэффициент усиления управляемого выпрямителя (тиристорного преобразователя); Т = ^ ——постоянная времени запаздывания

тиристорного преобразователя; тв — число пульсаций напряжения тиристорного преобразователя за период напряжения питающей сети; сос

угловая частота питающей сети, равная 314,15 с -1 , при частоте питающей сети /с =50Гц; все постоянные времени фильтров и малые инерционности суммируются и заменяются одной постоянной времени.

Передаточные функции регуляторов в соответствии с модульным оптимумом:

• регулятор тока возбуждения

• регулятор реактивного тока

где Гцр — постоянная времени контура регулирования тока возбуждения; Г№р — постоянная времени контура регулирования реактивного тока; &дтв — коэффициент передачи датчика тока возбуждения; RB активное сопротивление обмотки возбуждения синхронного двигателя; &дрт — коэффициент передачи датчика реактивного тока; кса коэффициент передачи синхронного двигателя, управляемого по цепи обмотки возбуждения изменением напряжения.

Компенсация форсирующего звена 7jpTBр +1 в числителе передаточной функции регулятора тока возбуждения WpTB (р) выполняется внутри объекта регулирования — синхронного двигателя. Таким образом, в контуре регулирования реактивного тока не оказывается постоянной времени, которую требуется компенсировать, поэтому выполнение регулятора с пропорционально-интегральной характеристикой позволяет ликвидировать недостаток системы подчиненного регулирования.

Использование синхронного двигателя с автоматической регулировкой возбуждения позволяет поддерживать на заданном уровне реактивную мощность и напряжение в узле нагрузки. Задание в автоматический регулятор возбуждения на генерирование реактивной мощности является величиной переменной, зависящей от параметров и загрузки питающей сети.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: