Системы независимого возбуждения

  Помимо  системы контроля предохранителей, устройство УБКИ включает измерительный  элемент, который суммирует сигналы  датчиков токовых импульсов и  вырабатывает сигнал, пропорциональный току обмотки возбуждения турбогенераторов. Этот сигнал поступает на прибор передней панели УБКИ и во внешние цепи. В случае превышения допустимого значения тока возбуждения включается индикаторная лампа на передней панели УБКИ и подается сигнал о перегрузке во внешние цепи.

  Наряду  с изложенным способом измерения  тока возбуждения турбогенератора был использован метод, основанный на выявлении высших гармонических мдс обмотки якоря возбудителя [144]. Поскольку высшие гармонические составляющие мдс пропорциональны фазному току, то для их выявления в промежутке между двумя полюсами устанавливается измерительная катушка. В случае ненасыщенной машины напряжение измерительной катушки получается приблизительно пропорциональным току возбуждения турбогенератора.

Важной  научной проблемой является повышение быстродействия диодной бесщеточной системы возбуждения, приближающейся к быстродействию тиристорной системы и позволяющей применить АРВ сильного действия. Обычная диодная бесщеточная система возбуждения — инерционная система. Ее постоянная времени и в основном определяется параметрами обмотки возбуждения возбудителя переменного тока. При таком значении постоянной времени снижается эффективность форсирования возбуждения генератора и исключается возможность применения сильного регулирования с целью повышения пределов устойчивости [75]. В этих условиях искусственное уменьшение постоянной  времени  возбудительной  системы до значения приблизило бы ее по своей эффективности  к  тиристорным системам возбуждения. Включение добавочного сопротивления в  цепь обмотки возбуждения возбудителя переменного тока связано с большими потерями.  Поэтому было предложено другое решение,  основанное на использовании тиристорного выпрямителя в цепи возбуждения возбудителя с высокими кратностями форсирования и введении жесткой отрицательной обратной связи. При форсировании возбуждения АРВ  открывает тиристорный выпрямитель, и на обмотке возбуждения возбудителя появляется полное напряжение.

Ток возбуждения  возбудителя, а следовательно,  и  напряжение на обмотке ротора турбогенератора увеличивается с постоянной времени Т_е возбудителя. В связи с большой кратностью форсирования можно получить высокую скорость изменения напряжения на обмотке ротора турбогенератора. Это в свою очередь позволяет повысить уровень динамической устойчивости турбогенератора. Для обеспечения высокого уровня статической устойчивости и возможности использования АРВ сильного действия необходимо существенно уменьшить эквивалентную постоянную времени возбудителя. Последнее достигается за счет жесткой обратной связи, охватывающей возбудитель и тиристорный выпрямитель.

      Для ограничения напряжения на обмотке  ротора турбогенератора двукратной его величиной во время форсирования возбуждения возможно введение дополнительного элемента (рис.1). С этой целью включается небольшое добавочное сопротивление R, напряжение с которого подается через стабилитрон и диод на сопротивление R_o в цепи управления тиристорного выпрямителя ТВ. Стабилитрон выбирается с таким напряжением, чтобы напряжение на сопротивлении R_o появлялось только после достижения током возбуждения возбудителя величины, соответствующей двукратному напряжению на обмотке ротора турбогенератора. Только после этого начинается режим ограничения форсирования возбуждения.

Рнс.1. Схема  ограничения форсирования бесщеточного возбудителя.

В - возбудитель, Д - добавочное сопротивление, ТВ - тиристорный выпрямитель,

R₀ - добавочное сопротивление в цели управления ТВ, С - стабилитрон, Д – диод,

АРВ — автоматический регулятор возбуждения, ПВ — подвозбудитель. 

      Исследования  показали, что быстродействующая  диодная система обеспечивает предельные значения мощностей по условиям статической и динамической устойчивости, близкие к пределам тиристорной системы возбуждения. Однако демпфирование качаний в послеаварийном режиме получается хуже. Это объясняется невозможностью создания в диодной бесщеточной системе отрицательного напряжения на обмотке ротора турбогенератора после прекращения форсирования возбуждения.

  Регулирование возбуждения турбогенератора осуществляется воздействием автоматического регулятора возбуждения через управляемый преобразователь на обмотку возбуждения возбудителя. Питание регулятора обеспечивается от подвозбудителя - высокочастотного индукторного генератора. При этом напряжение на зажимах подвозбудителя поддерживается на заданном уровне с помощью собственного автоматического регулятора напряжения. В связи с большим диапазоном изменения напряжения управляемый преобразователь в цепи обмотки возбуждения возбудителя турбогенератора 300 МВт выполнен двухгрупповым. Рабочий выпрямитель обеспечивает возбуждение в нормальных режимах работы генератора, а форсированный - при аварийном снижении напряжения на шинах станции. Для создания необходимого закона регулирования на вход автоматического регулятора подаются сигналы, пропорциональные  напряжению и току статора турбогенератора, а также его току и напряжению возбуждения.

Рис. 2.. Структурные схемы быстродействующих бесщеточных систем возбуждения турбогенераторов ТВВ-500-2 (а) и ТВВ-1200-2 (б).

1 - турбогенератор, 2 - бесщеточный возбудитель, 3 - подвозбудитель, 4 - устройство начального возбуждения, 5 - автоматический регулятор напряжения подвозбудителя, б - тиристорный выпрямитель в схеме автоматического регулирования, 6' - то же в системе ручного регулирования, 7 - АРВ, 8 - добавочное сопротивление, 9 - устройство  бесконтактного  контроля  предохранителей и измерение тока ротора, 10 – блок защиты и измерения.

  Значительный  рост мощности возбудителей турбогенераторов ТВВ-500-2, ТВВ-1000-4 и TBB-120Q-2 по сравнению с турбогенераторами ТВВ-320-2, а также повышенные требования к надежности и быстродействию системы возбуждения определили новые проблемы, которые были решены при разработке этих возбудителей  [155].

  Быстродействующие бесщеточные системы возбуждения турбогенераторов ТВВ-500-2 и ТВВ-1200-2 (рис. 2.) выполнены унифицированными с использованием аналогичных устройств регулирования, контроля и элементов конструкции возбудителей.

      В отличие от бесщеточного возбудителя  турбогенератора ТВВ-500-2 возбудитель турбогенератора ТВВ-1200-2 состоит из двух возбудительных блоков 2 и 2', каждый из которых включает в себя обращенный трехфазный генератор и вращающийся выпрямитель. Роторные вентили, предохранители и защитные цепочки R—С вращающегося выпрямителя размещаются на вентильных колесах аналогично бесщеточному возбудителю турбогенератора ТВВ-320-2, но только в цепь каждого роторного предохранителя включаются параллельно два роторных вентиля, располагаемые попарно по оси кольцевого радиатора выпрямителя.

  В этом случае значительно увеличивается нагрузочная способность по току вращающегося выпрямителя и повышается надежность его работы. Возбудительные блоки соединены параллельно на стороне выпрямительного тока. Обмотки возбуждения синхронных генераторов соединены последовательно. Такое исполнение бесщеточного возбудителя позволяет максимально использовать технические решения, проверенные на бесщеточном возбудителе турбогенератора ТВВ-320-2, и повысить надежность системы возбуждения.

  Турбогенераторы ТВВ-500-2, ТВВ-1000-4 и ТВВ-1200-2 с бесщеточными возбудителями не имеют контактных колец для резервного возбуждения, поэтому на роторе бесщеточных возбудителей предусмотрены кольца для подключения блока защиты и измерения 10, необходимого для защиты обмотки ротора турбогенераторов от перенапряжений в переходных режимах и измерения напряжения ротора.

  Бесконтактный контроль роторных предохранителей  бесщеточного возбудителя турбогенератора ТВВ-1200-2 осуществляется раздельно для двух вращающихся выпрямителей, а в цепи сигнализации и защиты от комплекта бесконтактного контроля и измерения 9 выдаются общие сигналы. С целью улучшения контроля в бесщеточных возбудителях турбогенераторов ТВВ-500-2 и ТВВ-1200-2 по сравнению с возбудителем турбогенератора ТВВ-320-2 в два раза увеличено число токовых электромагнитных датчиков, а два шихтованных диска с шинопроводами переменного тока выполнены с дополнительными магнитными перемычками, чередующимися через один паз.

  В системах бесщеточного возбуждения  используется бесконтактный контроль роторных предохранителей с одновременным измерением тока возбуждения турбогенератора. Такой контроль позволяет обеспечить сигнализацию при сгорании одного предохранителя, а при сгорании двух предохранителей в одном плече, кроме того, наложить запрет на форсирование возбуждения

Рис.3.  Структурная  схема устройства бесконтактного контроля и измерения. 

  Первый  образец устройства бесконтактного контроля и измерения (УБКИ) был разработан для диодного бесщеточного возбудителя турбогенератора ТВВ-320 [156, 157]. Из структурной схемы УБКИ (рис.3) следует, что в датчиках тока ДТ1 и ДТ2 возникают импульсы напряжения, пропорциональные токам в шинах, соединяющих якорь возбудителя и выпрямитель. Шины расположены в пазах шихтованного сердечника. Каждая из них соединена с двумя вентилями, токи которых смещены на 180°. Последовательно с вентилями включены предохранители. Для возможности контроля обоих вентилей используются два датчика, смещенные в пространстве на 60° (180 эл.  град, при ).

Определение номеров отсутствующих импульсов  осуществляется с помощью датчика синхронизации ДС и датчика начала отсчета ДН. Для создания магнитного потока ДС и ДН имеют подмагничивающие обмотки.

  Импульсы  от датчиков поступают на формирователи  Ф1—Ф4. Управляемые вентили В1 и В2 открываются только при повреждении роторного вентиля и отсутствии соответствующего токового импульса. Выходной сигнал от вентилей В1 и В2 поступает на электронный коммутатор К, который распределяет сигналы по емкостным накопителям устройства Н. Число емкостных накопителей равно числу роторных вентилей. Переключение каналов устройства Н происходит синфазно с вращением ротора с помощью схемы управления У. В случае сгорания предохранителя во время каждого оборота ротора в накопитель будет поступать импульс по соответствующему каналу. Для исключения влияния помех выходное реле срабатывает после накопления трех последовательных импульсов. Реле включает сигнальную лампу, соответствующую номеру предохранителя, на панели П и включает сигнал на блочном щите управления. Выявление выхода из строя двух роторных вентилей осуществляется логической схемой Л.

  Бесконтактное измерение тока возбуждения турбогенератора  выполняется с помощью схемы И, в которой происходит выпрямление токовых импульсов и сглаживание выпрямленного напряжения, пропорционального току возбуждения.

  Принципиальная  схема бесщеточной системы возбуждения, разработанная заводом «Электротяжхмаш» и Энергетическим институтом им. Г. М. Кржижановского [152—154], приведена на рис.4. В возбудительной системе турбогенератора типа ТГВ-300 мощностью 300 МВт обмотка ротора получает питание от вращающегося выпрямительного блока, имеющего многофазную мостовую схему. В данном случае в каждом плече 16-фазной мостовой схемы имеется только один диод.

Рассмотрим далее возбудители с вращающимися тиристорньми блоками. Эта возбудительная система является практически безынерционной и обеспечивает возможность быстрого гашения поля ротора турбогенератора посредством инверторного режима. Впервые в мировой практике такая система возбуждения для мощного турбогенератора создана в СССР. Она применена для турбогенератора типа ТВВ-320-2 (рис. 5). Ее разработка осуществлена ВНИИэлектромашем и ЛПЭО «Электросила».

  С целью быстрейшего внедрения  тиристорных бесщеточных систем возбуждения и проверки их в условиях эксплуатации тиристорный бесщеточный возбудитель выполнен на базе диодного возбудителя с минимальными переделками и уменьшенной до 1.6—1.7 кратностью форсировки. Вместо роторных диодов во вращающемся выпрямителе установлены роторные тиристоры таблеточного исполнения типа ТЗ-500, (500 А, 2500 В). Для обеспечения включения тиристоров и равномерного распределения тока менаду ними роторные тиристоры подключены к отдельным параллельным ветвям якорной обмотки синхронного генератора. Внутри вала возбудителя проложены экранированные проводники для подачи управляющих импульсов к роторным тиристорам.

  Передача  управляющих импульсов на ротор  тиристорного бесщеточного возбудителя  осуществляется с помощью блока  динамических импульсных трансформаторов (БДТ), ротор  

которого  прифланцован к валу возбудителя. На корпусе БДТ располагается устройство импульсной синхронизации (УИС), датчики которого подключены к устройству формирования импульсов (УФИ).

  УФИ питается от подвозбудителя с постоянными магнитами (ПМ), а на вход УФИ поступает сигнал управления от автоматического регулятора возбуждения (АРВ). С целью повышения надежности работы тиристорной бесщеточной системы возбуждения система управления выполнена с резервированием устройства формирования импульсов и импульсной синхронизации. В случае повреждения одного из блоков рабочей системы управления система автоматически переключается на резервную. В УФИ синхронно с напряжением обмотки якоря генератора возбудителя происходит шестиканальное формирование управляющих импульсов, которые поступают на первичные обмотки статора БДТ.