Меню

Магнитный поток обмотки возбуждения генератора



Магнитный поток обмотки возбуждения генератора

Статьи / синхронный генератор — Возбуждение синхронного генератора и его магнитные поля

Возбуждение синхронной машины и её магнитные поля. Возбуждение синхронного генератора.

Обмотка возбуждения синхронного генератора (С.Г.) располагается на роторе и получает питание постоянным током от постороннего источника. Она создает основное магнитное поле машины, которое вращается вместе с ротором и замыкается по всему магнитопроводу. В процессе вращения это поле пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в них ЭДС Е10.
Для питания обмотки возбуждения мощных С.Г. используются специальные генераторы – возбудители. Если они установлены отдельно, то питание в обмотку возбуждения подается через контактные кольца и щеточный аппарат. Для мощных турбогенераторов возбудители (синхронные генераторы «обращенного типа») навешивают на вал генератора и тогда обмотка возбуждения, получает питание через полупроводниковые выпрями-тели, установленные на валу.
Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет примерно 0,2 — 5% от номинальной мощности С.Г., причем меньшая величина – для крупных С.Г.
В генераторах средней мощности часто используют систему самовозбуждения – от сети обмотки статора через трансформаторы, полупроводниковые выпрямители и кольца. В очень малых С.Г. иногда используют постоянные магниты, но это не позволяет регулировать величину магнитного потока.

Обмотка возбуждения может быть сосредоточенной (у явнопо-люсных синхронных генераторов) или распределенной (у неявнополюсных С.Г.).

Магнитная система С.Г. – это разветвленная магнитная цепь, имеющая 2р параллельных ветвей. При этом магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, замыкается по таким участкам магнитной цепи: воздушный зазор «?» – два раза; зубцовая зона статора hZ1 – два раза; спинка статора L1; зубцовый слой ротора «hZ2» — два раза; спинка ротора – «LОБ». В явнополюсных генераторах на роторе есть полюса ротора «hm» — два раза (вместо зубцового слоя) и крестовина LОБ (вместо спинки ротора).

На рисунке 1 видно, что параллельные ветви магнитной цепи симметричны. Видно также, что основная часть магнитного потока Ф замыкается по всему магнитопроводу и сцеплена как с обмоткой ротора, так и с обмоткой статора. Меньшая часть магнитного потока Фсигма(извените нету символа) замыкается только вокруг обмотки возбуждения, а затем по воздушному зазору не сцепляясь с обмоткой статора. Это магнитный поток рассеяния ротора.

Рисунок 1. Магнитные цепи С.Г.
явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) типа.

В этом случае полный магнитный поток Фm равен:

где СИГМАm – коэффициент рассеяния магнитного потока.
МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме холостого хода можно определить как сумму составляющих МДС, необходимых на преодоление магнитных сопротивлений в соответствующих участках цепи.

Наибольшим магнитным сопротивлением обладает участок воз-душного зазора, у которого магнитная проницательность µ0 = const постоянна. В представленной формуле wВ – это число последовательно соединенных витков обмотки возбуждения на пару полюсов, а IВО – ток возбуждения в режиме холостого хода.

Сталь магнитопровода с увеличением магнитного потока имеет свойство насыщения, поэтому магнитная характеристика синхронного генератора нелинейна. Эту характеристику как зависимость магнитного потока от тока возбуждения Ф = f(IВ) или Ф = f(FВ) можно построить путем расчета или снять опытным путем. Она имеет вид, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2. Магнитная характеристика С.Г.

Обычно С.Г. проектируют так, чтобы при номинальном значении магнитного потока Ф магнитная цепь была насыщена. При этом участок «ав» магнитной характеристики соответствует МДС на преодолении воздушного зазора 2Fсигма, а участок «вс» – на преодоление магнитного сопротивления стали магнитопровода. Тогда отношение можно назвать коэффициентом насыщения магнитопровода в целом.

Холостой ход синхронного генератора

Если цепь обмотки статора разомкнута, то в С.Г. существует только одно магнитное поле — созданное МДС обмотки возбуждения.
Синусоидальное распределение индукции магнитного поля, необходимое для получения синусоидальной ЭДС обмотки статора, обеспечивается:
— в явнополюсных С.Г. формой полюсных наконечников ротора (под серединой полюса зазор меньше, чем под его краями)и скосом пазов статора.
— в неявнополюсных С.Г. – распределением обмотки возбужде-ния по пазам ротора под серединой полюса зазор меньше, чем под его краями и скосом пазов статора.
В многополюсных машинах применяют обмотки статора с дроб-ным числом пазов на полюс и фазу.

Рисунок 3. Обеспечение синусоидальности магнитного
поля возбуждения

Поскольку ЭДС обмотки статора Е10 пропорциональна магнитному потоку Фо, а ток в обмотки возбуждения IВО пропорционален МДС обмотки возбуждения FВО, нетрудно построить зависимость: Е0 = f(IВО) идентичную магнитной характеристике: Ф = f(FВО). Эту зависимость называют характеристикой холостого хода (Х.Х.Х.) С.Г. Она позволяет определять параметры С.Г., строить его векторные диаграммы.
Обычно Х.Х.Х. строят в относительных единицах е0 и iВО, т.е. те-кущее значение величин относят к их номинальным значениям

В этом случае Х.Х.Х. называют нормальной характеристикой. Интересно то, что нормальные Х.Х.Х. практически для всех С.Г. одинаковы. В реальных условиях Х.Х.Х. начинается не из начала координат, а из некоторой точки на оси ординат, которая соответствует остаточной ЭДС е ОСТ., обусловленной остаточным магнитным потоком стали магнитопровода.

Рисунок 4. Характеристика холостого хода в относительных единицах

Принципиальные схемы возбуждения С.Г. с возбуждением а) и с самовозбуждением б) показаны на рисунке 4.

Рисунок 5. Принципиальные схемы возбуждения С.Г.

Магнитное поле С.Г. при нагрузке.

Чтобы нагрузить С.Г. или увеличить его нагрузку, надо уменьшить электрическое сопротивление между зажимами фаз обмотки статора. Тогда по замкнутым цепям фазных обмоток под действием ЭДС обмотки статора потекут токи. Если считать, что эта нагрузка симметрична, то токи фаз создают МДС трехфазной обмотки, которая имеет амплитуду

и вращается по статору с частотой вращения n1, равной частоте вращения ротора. Это значит, что МДС обмотки статора F3Ф и МДС обмотки возбуждения FВ, неподвижная относительно ротора, вращаются с одинаковыми скоростями, т.е. синхронно. Иначе говоря, они неподвижны относительно друг друга и могут взаимодейст-вовать.
В то же время в зависимости от характера нагрузки эти МДС могут быть по-разному ориентированы относительно друг друга, что изменяет характер их взаимодействия и, следовательно, рабочие свойства генератора.
Отметим еще раз, что воздействие МДС обмотки статора F3Ф = Fa на МДС обмотки ротора FВ называется «реакция якоря».
В неявнополюсных генераторах воздушный зазор между ротором и статором является равномерным, поэтому индукция В1, созданная МДС обмотки статора, распределена в пространстве как и МДС F3Ф = Fa синусоидально независимо от положения ротора и обмотки возбуждения.
В явнополюсных генераторах воздушный зазор неравномерен как за счет формы полюсных наконечников, так и за счет междуполюсного пространства, заполненного медью обмотки возбуждения и изоляционными материалами. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора под полюсными наконечниками значительно меньше, чем в области междуполюсного пространства. Ось полюсов ротора С.Г. называют его продольной осью d — d, а ось междуполюсного пространства – поперечной осью С.Г. q — q.
Это значит, что индукция магнитного поля статора и график её распределения в пространстве зависят от положения волны МДС F3Ф обмотки статора относительно ротора.
Допустим, что амплитуда МДС обмотки статора F3Ф = Fa совпадает с продольной осью машины d — d, а пространственное распределение этой МДС синусоидально. Положим также, что ток возбуждение равен нулю Iво = 0.
Для наглядности изобразим на рисунке линейную развертку этой МДС, из которой видно, что индукция магнитного поля статора в области полюсного наконечника достаточно велика, а в области междуполюсного пространства резко снижается практически до нуля из — за большого сопротивления воздуха.

Рисунок 6. Линейная развертка МДС обмотки статора по продольной оси.

Такое неравномерное распределение индукции с амплитудой В1dmax можно заменить синусоидальным распределением, но с меньшей амплитудой В1d1max.
Если максимальное значение МДС статора F3Ф = Fa совпадает с поперечной осью машины, то картина магнитного поля будет иной, что видно из рисунка линейной развертки МДС машины.

Рисунок 7. Линейная развертка МДС обмотки статора по поперечной оси.

Здесь также величина индукции в районе полюсных наконечни-ков больше, чем в области междуполюсного пространства. И вполне очевидно, что амплитуда основной гармоники индукции поля статора В1d1 по продольной оси больше амплитуды индукции поля В1q1, по поперечной оси. Степень уменьшения индукции В1d1 и В1q1, которое обусловлено неравномерностью воздушного зазора учитывают с помощью коэффициентов:

Они зависят от многих факторов и, в частности, от отношения сигма/тау(извените нету символа) (относительная величина воздушного зазора), от отношения

(коэффициент полюсного перекрытия), где вп – ширина полюсного наконечника, и от других факторов.

Источник

Возбуждение синхронных генераторов

Обмотки роторов синхронных генераторов получают питание от специальных источников постоянного тока, называемых возбудителями.

Мощность возбудителей составляет 0,3-1% мощности генератора, а номинальное напряжение — от 100 до 650 В. Чем мощнее генератор, тем обычно больше номинальное напряжение возбуждения.

Современные схемы возбуждения кроме возбудителя содержат большое количество вспомогательного оборудования. Совокупность возбудителя, вспомогательных и регулирующих устройств принято называть системой возбуждения.

Электрическое соединение возбудителя с обмоткой ротора генератора выполняется преимущественно при помощи контактных колец и щеток. Созданы и применяются бесщеточные системы возбуждения.

Системы возбуждения должны быть надежными и экономичными, допускать регулирование тока возбуждения в необходимых пределах, быть достаточно быстродействующими, а также обеспечивать потолочное возбуждение при возникновении аварии в сети.

Регулируя ток возбуждения, изменяют напряжение синхронного генератора и отдаваемую им в сеть реактивную мощность. Регулирование возбуждения генератора позволяет повысить устойчивость параллельной работы.

При глубоких снижениях напряжения, которые имеют место, например, при коротких замыканиях, применяется форсировка (быстрое увеличение) возбуждения генераторов, что способствует прекращению электрических качаний и сохранению устойчивости параллельной работы генераторов. Кроме того, быстродействующее регулирование и форсировка возбуждения повышают надежность работы релейной защиты и облегчают условия самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций.

Рис.1. Изменение напряжения возбуждения при форсировке

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V = 0,632(Uf,пот — Uf,ном) / Uf,номt1 (рис.1), и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения Uf,пот / Uf,ном = kф — так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь kф≥2, а скорость нарастания возбуждения не менее 2 1/с. Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 1/с для гидрогенераторов до 4 MBА включительно и не менее 1,5 1/с для гидрогенераторов больших мощностей.

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние электропередачи, к системам возбуждения предъявляется более высокое требование (kф=3-4, скорость нарастания возбуждения до 10Uf,ном в секунду).

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов 800-1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт — 10 с (ГОСТ533-85Е).

Системы возбуждения генераторов можно разделить на две группы: независимое возбуждение и самовозбуждение (зависимое возбуждение).

К первой группе относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом генератора. Вторую группу составляют системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы. К этой группе могут быть отнесены системы возбуждения с отдельно установленными электромашинными возбудителями, приводимыми во вращение электродвигателями переменного тока, которые получают питание от шин собственных нужд электростанций.

Независимое возбуждение генераторов

Независимое возбуждение генераторов получило наибольшее распространение. Основное достоинство этого способа состоит в том, что возбуждение синхронного генератора не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным.

На генераторах мощностью до 100 МВт включительно применяют, как правило, в качестве возбудителя генератор постоянного тока, соединенный с валом синхронного генератора (рис.2).

Рис.2. Принципиальная схема независимого электромашинного возбуждения генератора

Возбуждение самого возбудителя выполнено по схеме самовозбуждения (обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря самого возбудителя). Регулирование возбуждения возбудителя осуществляется вручную шунтовым реостатом RR, установленным в цепи LGE, или автоматически регулятором возбуждения АРВ.

Недостатки системы возбуждения с генератором постоянного тока определяются в основном недостатками самого возбудителя. Одним из недостатков является сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения, особенно у возбудителей гидрогенераторов, которые имеют низкую частоту вращения (V=1-2 1/с).

Другой недостаток рассматриваемой системы возбуждения характерен для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения. Он обусловлен снижением надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток и коллектора (условий коммутации).

Для турбогенераторов мощностью выше 165 МВт мощность возбуждения становится настолько значительной, что выполнить надежно работающий генератор постоянного тока на частоту вращения 3000 об/мин по условиям коммутации становится затруднительным.

Для снижения частоты вращения возбудителя с целью повышения надежности его работы иногда выполняют соединение возбудителя с валом генератора через редуктор. Такая система была применена для ряда турбогенераторов, в том числе и для генераторов ТГВ-300 и ТВМ-300. Недостатком этой системы возбуждения является наличие дополнительной механической передачи.

Для возбуждения крупных генераторов в СССР применяются системы возбуждения с полупроводниковыми выпрямителями.

В системе возбуждения с использованием полупроводниковых выпрямителей с валом турбогенератора сочленен вспомогательный генератор, напряжение которого выпрямляется и подводится к обмотке ротора турбогенератора (рис.3).

Рис.3. Принципиальная схема высокочастотного возбуждения турбогенератора

В качестве вспомогательного генератора применяется высокочастотный генератор индукторного типа. Такой генератор не имеет обмотки на вращающемся роторе, что повышает его надежность в эксплуатации. Повышенная частота (500 Гц) позволяет уменьшить габариты и повысить быстродействие системы возбуждения.

Индукторный высокочастотный генератор-возбудитель ВГТ имеет три обмотки возбуждения, расположенные вместе с трехфазной обмоткой переменного тока на неподвижном статоре. Первая из них LGE1 включается последовательно с обмоткой ротора основного генератора LG и обеспечивает основное возбуждение ВГТ. Благодаря включению LGE1 последовательно с обмоткой ротора основного генератора обеспечивается резкое увеличение возбуждения ВГТ при коротких замыканиях в энергосистеме вследствие броска тока в роторе. Обмотки IGE2 и LGЕЗ получают питание от высокочастотного подвозбудителя GEA через выпрямители. Подвозбудитель (высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами), как и вспомогательный генератор ВГТ, соединен с валом турбогенератора.

Регулирование тока в LGE2 и LGE3 осуществляется с помощью двух устройств — соответственно регуляторов электромагнитного типа АРВ (автоматический регулятор возбуждения) и УБФ (устройство бесконтактной форсировки возбуждения).

Устройство АРВ обеспечивает поддержание напряжения генератора в нормальном режиме работы изменением тока в обмотке LGE2. Устройство УБФ обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжений более чем на 5%.

Высокочастотная система возбуждения обеспечивает kф=2 и скорость нарастания напряжения возбуждения не менее 2 1/с.

Рис.4. Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения генераторов

Принципиальная схема системы независимого тиристорного возбуждения (ТН) представлена на рис.4. На одном валу с генератором G располагается синхронный вспомогательный генератор GE, который имеет на статоре трехфазную обмотку с отпайками. В схеме, показанной на рис.4, имеются две группы тиристоров: рабочая VS1 и форсировочная VS2. На стороне переменного тока они включены на разное напряжение, на стороне постоянного тока — параллельно. Возбуждение генератора в нормальном режиме обеспечивает рабочая группа тиристоров VS1, которые открываются подачей на управляющий электрод соответствующего потенциала.

Форсировочная группа при этом почти закрыта. В режиме форсировки возбуждения тиристоры FS2, питающиеся от полного напряжения вспомогательного генератора, открываются полностью и дают весь ток форсировки. Рабочая группа при этом запирается более высоким напряжением форсировочной группы.

Рассмотренная система имеет наибольшее быстродействие по сравнению с другими системами и позволяет получить kф>2. Системы независимого тиристорного возбуждения нашли широкое применение. Ранее, до освоения отечественной промышленностью производства тиристоров достаточной мощности, по аналогичным схемам выполнялись схемы ионного независимого возбуждения (ИН), где применялись ртутные вентили с сеточным управлением.

Все генераторы с рассмотренными выше возбудителями имеют специальную конструкцию для подвода тока к обмотке ротора. Она представляет собой контактные кольца на валу ротора, к которым ток подводится с помощью щеток. Такая контактная система недостаточно надежна. Этот недостаток особенно проявляется при токах возбуждения 3000 А и более (генераторы мощностью 300 МВт и больше).

Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, является система бесщеточного возбуждения, не обладающая указанными недостатками. В этой системе возбуждения, сущность которой поясняет рис.5, нет подвижных контактных соединений.

Рис.5. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения генераторов

Источником энергии для питания обмотки ротора LG является вспомогательный синхронный генератор GE. Этот генератор выполнен по типу обратимых машин, т.е. обмотка переменного тока расположена на вращающейся части, а обмотка возбуждения неподвижна. Возбуждение генератора GE осуществляется от возбудителя GEA.

Ток от вращающейся обмотки переменного тока вспомогательного генератора подводится через проводники, закрепленные на валу, к вращающемуся полупроводниковому (обычно кремниевому) выпрямителю. Выпрямленный ток подводится непосредственно к обмотке возбуждения основного генератора.

Регулирование тока возбуждения в обмотке ротора LG производится изменением тока в обмотке возбуждения вспомогательного генератора LGE.

Вращающийся полупроводниковый преобразователь VD снаружи закрывается звукопоглощающим кожухом.

Система бесщеточного возбуждения интенсивно совершенствуется и является перспективной для генераторов всех типов, особенно для турбогенераторов большой мощности (300-1200 МВт).

Системы самовозбуждения

Системы самовозбуждения менее надежны, чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока. Короткие замыкания в сети, сопровождающиеся понижением напряжения, нарушают нормальную работу системы возбуждения, которая именно в этих случаях должна обеспечить форсировку тока в обмотке ротора генератора.

Рис.6. Принципиальная схема зависимого электромашинного возбуждения

Принципиальная схема возбуждения синхронного генератора с электромашинным возбудительным агрегатом показана на рис.6. Возбудительный агрегат состоит из асинхронного двигателя М, питающегося от шин собственных нужд электростанции и генератора постоянного тока GE. Для повышения надежности работы возбудительного агрегата при форсировке возбуждения асинхронный двигатель, вращающий возбудитель GE, выбирается с необходимой перегрузочной способностью.

Такие возбудительные агрегаты получили широкое распространение на электростанциях в качестве резервных источников возбуждения.

Рис.7. Принципиальная схема полупроводникового самовозбуждения

Один из возможных вариантов схем самовозбуждения с полупроводниковыми преобразователями представлен на рис.7.

Основными элементами схемы являются: две группы полупроводниковых преобразователей — неуправляемые вентили VD и управляемые VS, трансформатор силового компаундирования ТА и выпрямительный трансформатор ТЕ.

Неуправляемые вентили VD получают питание от трансформаторов ТА, вторичный ток которых пропорционален току статора генератора, управляемые вентили VS получают питание от трансформатора ТЕ, вторичное напряжение которого пропорционально напряжению генератора.

Вентили VD, ток которых пропорционален току статора генератора, обеспечивают возбуждение машины при нагрузке и форсировку возбуждения при коротких замыканиях. Мощность вентилей VS рассчитывают таким образом, чтобы она была достаточна для возбуждения генераторов на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме. В номинальном режиме неуправляемые вентили обеспечивают 70-80% тока возбуждения генератора. При надлежащем выборе параметров система полупроводникового самовозбуждения по своим свойствам приближается к системе независимого тиристорного (ионного) возбуждения и поэтому применяется на мощных синхронных машинах. Ранее промышленность широко выпускала системы ионного самовозбуждения с ртутными вентилями.

Источник

Читайте также:  Метод эквивалентного генератора примеры решения задач с источником тока

Техническое оборудование © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.