Системы независимого возбуждения

  Бесконтактный контроль роторных предохранителей тиристорного бесщеточного возбудителя осуществляется аналогично диодному возбудителю с помощью контрольно-измерительного устройства (КИУ), где для повышения надежности устройства контроля использованы унифицированные блоки на микросхемах и малогабаритные электромагнитные датчики.

  Для поддержания на заданном уровне напряжения синхронного генератора при изменении нагрузки тиристорного возбудителя используется тиристорный преобразователь (ТП), подключенный к подвозбудителю через согласующий трансформатор (ТС).

  Бесконтактный контроль предохранителей и измерение  выпрямленного тока в тиристорном бесщеточном возбудителе имеют некоторые особенности [158]. Они вызваны фазовым сдвигом токов якоря, а следовательно, и импульсов датчиков тока ДТ1 и ДТ2 (рис.5) при изменении угла управления тиристоров. Поэтому регистрация токов в шинах, соединяющих якорь с выпрямителем, производится в узких интервалах, не превышающих 30 эл. град. Для этой цели схема контроля дополняется устройствами стробирующих сигналов.

  В результате испытаний и исследований опытного образца тиристорного бесщеточного возбудителя [159] проверена его работоспособность в различных режимах и определены необходимые усовершенствования, которые учли при создании промышленного образца тиристорного бесщеточного возбудителя для турбогенератора ТВВ-320-2 (рис.5). В частности, в этом возбудителе улучшена конструкция блока динамических импульсных трансформаторов, повышена мощность защитных цепочек R—С, улучшена вентиляция лобовых частей якорной обмотки синхронного генератора, введены резервные блоки системы управления и установлен подвозбудитель с постоянными магнитами мощностью 30 кВт.

Рис. 5. Структурная схема тиристорной бесщеточной системы возбуждения турбогенератора ТВВ-320-2 (а) и аксонометрическое изображение тиристорного бесщеточного возбудителя типа БВТ-1300-300 для турбогенератора 300 МВт (б).

1 - турбогенератор, 2 - вспомогательный синхронный генератор, 3 - вращающийся тиристорный выпрямитель, 4 - подвозбудитель с постоянными магнитами, 5 - блок динамических трансформаторов, 6 - устройство импульсной синхронизации, 7 - устройство формирования импульсов, 8 - согласующий трансформатор, 9 - тиристорный преобразователь, 10 - контрольно-измерительное устройство, 11 - блок защиты ротора турбогенератора, 12 - автоматический регулятор напряжения, 13 – автоматический регулятор возбуждения.

  К наиболее интересным зарубежным исследованиям и разработкам быстродействующих диодных и тиристорных бесщеточных систем возбуждения следует отнести работы фирм «Вестингауз» [160] и «Парсонс» [161].

Рис 6. Зависимости мощности возбуждения Р_в

от  мощности двух- и четырехполюсных

турбогенераторов  Ртг. 

Развитие  электроэнергетики сопровождается ростом единичных мощностей турбогенераторов, а следовательно, и мощностей их возбудительных систем (рис.6). В результате этого токи возбуждения получаются очень большими, и проблема обеспечения надежной работы щеточно-контактного аппарата становится все более сложной. Ее решение может идти по пути использования бесщеточных систем возбуждения или применения жидкометаллического контакта. Несмотря на длительные работы в последнем направлении, пока не удалось достигнуть существенных успехов. Поэтому основными в решении проблемы возбуждения сверхмощных турбогенераторов будут, по-видимому, являться бесщеточные возбудители. Величина диаметра якоря ограничена прочностью листовой стали, а вращающихся выпрямителей — прочностью вентильных колес. Длина возбудительного агрегата должна быть по возможности меньшей для обеспечения необходимого уровня вибраций валопровода. В этих условиях размеры бесщеточных возбудителей не могут значительно увеличиваться при росте мощностей. В связи с неизбежным ростом потерь в обращенном синхронном генераторе и выпрямителе необходим переход на более интенсивные способы охлаждения по сравнению с применяемым в настоящее время воздушным охлаждением. Естественно, что к таким более эффективным методам следует отнести водородное и водяное охлаждения [162, 163], а также использование явления сверхпроводимости  [164].

  Наличие сверхпроводящей обмотки позволяет  поддерживать магнитный поток в машине постоянным, значительно упрощает схему возбуждения и конструкцию возбудителя и исключает подвозбудительное устройство, обычно состоящее из подвозбудителя переменного тока, управляемого выпрямителя и автоматического регулятора напряжения. Для первоначального возбуждения сверхпроводящей обмотки, а также при необходимости для периодической подпитки ее можно использовать специальный источник питания.

  Сверхпроводящая обмотка может быть выполнена  из сплава ниобий—титан, а в последующем  для получения еще меньших  размеров из интерметаллоидов ниобий—олово, ниобий—германий, ванадий—галий и др. Для обеспечения сверхпроводящего состояния обмотка должна охлаждаться жидким гелием. В связи с большой мдс индуктора якорь может не иметь стального сердечника. Поэтому якорь получается беспазовым и располагается внутри криостата  в теплой зоне.

  Существенный  интерес представляет применение криотронов взамен тиристоров.

  Следует заметить, что наряду с электромагнитными  и электрическими способами управления может оказаться перспективным  применение фототиристоров.

  Кратко  рассмотрим возможность применения бесщеточных возбудителей для гидрогенераторов. В связи со значительно меньшей окружной скоростью контактных колец гидрогенераторов по сравнению с турбогенераторами и даже при значительно больших размерах щеточно-контактного аппарата гидрогенераторов передача тока через скользящий контакт не вызывает больших трудностей. Тем не менее имеется ряд случаев применения бесщеточных возбудителей и для  гидрогенераторов.

Фирмы «Мицубиси» и «Хитачи» (Япония) выполнили  несколько гидрогенераторов с бесщеточными диодными возбудителями [147, 148, 165]. Фирма «Альстом» (Франция) применяет бесщеточные возбудители для гидрогенераторов капсульного типа в связи с большей трудностью обслуживания щеточно-контактного аппарата в таких машинах, а также с простотой размещения диодов непосредственно на спицах сравнительно медленно вращающегося ротора. Фирма «Дженерал Электрик» (США) ввела в 1971 г. в эксплуатацию 3 гидрогенератора мощностью по 142 кВА каждый с частотой вращения 90 об/мин [166]. Эти генераторы имеют бесщеточную тиристорную систему возбуждения. Трехфазный возбудитель с вращающимся якорем работает с постоянным напряжением.

  Изложив основные принципы работы бесщеточных  систем возбуждения, следует рассмотреть тенденции их применения для генераторов. В США существуют две такие тенденции: одна принадлежит фирме «Вестингауз», вторая — «Дженерал Электрик». «Вестингауз» использует бесщеточные возбудители в качестве основного решения для турбогенераторов всех мощностей, а «Дженерал Электрик» — для генераторов малых мощностей и частично для гидрогенераторов. В СССР бесщеточные возбудители будут находить все более широкое применение для турбогенераторов больших мощностей, где затруднено обеспечение высокой надежности скользящего контакта, а также для дизель-генераторов. Приблизительно такие же тенденции имеются и в западноевропейских странах.

Бесщеточные системы  возбуждения синхронных компенсаторов

  Раньше  для синхронных компенсаторов применялись  электромашинные возбудительные агрегаты, состоящие из асинхронного короткозамкнутого двигателя, генератора постоянного тока (возбудителя с подвозбудителем) и маховика. При этом инерционная постоянная времени возбудительного агрегата выбиралась не менее 60 с. В дальнейшем стали применяться системы ионного возбуждения. В последние годы синхронные компенсаторы стали выпускаться со статическими тиристорными системами возбуждения и с бесщеточными диодными возбудителями [167].

  В тиристорной системе возбуждения  используются две группы тиристоров, одна из которых обеспечивает длительно ток возбуждения от нулевого значения до величины, соответствующей номинальной емкостной мощности, вторая — отрицательное возбуждение. Обе группы вентилей собраны по трехфазным мостовым схемам. В связи с тем что трансформатор выпрямителей получает питание от той же сети, что и синхронный компенсатор, система возбуждения выполняется с повышенной кратностью форсирования по напряжению (3-^-3.5). Ток возбуждения не превышает двукратного номинального.

Рис. 7. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения  синхронного компенсатора мощностью 50 МВА.

1 - компенсатор, 2 - пусковое сопротивление, 3 - диодный выпрямитель, 4 - вспомогательный  генератор, 5 - автоматический регулятор возбуждения, 6 – тиристорный выпрямитель.

В бесщеточном  возбудителе (рис.7) применяются специальные кремниевые диоды для вращающегося выпрямительного блока 3. Диоды размещены на двух дисках, изолированных от вала синхронного компенсатора. Схема выпрямления — трехфазная мостовая. Одна половина диодов устанавливается без изоляции на одном диске, образуя катодную группу, вторая половина диодов с обращенными переходами образует аналогичным образом анодную группу. Количество вентилей выбирается из требований режима форсирования, а также из расчета обеспечения номинального возбуждения при выходе из строя 1/3 вентилей. Выпрямители питаются от вспомогательного обращенного синхронного генератора-возбудителя 4. Возбуждение генератора осуществляется от сети собственных нужд через тиристорный преобразователь 6. Параллельно обмотке возбуждения компенсатора 1 постоянно включено сопротивление 2, выполняющее роль пускового при асинхронном пуске и защитного от аварийных перенапряжений. Величина сопротивления принимается 10-кратной по отношению к сопротивлению обмотки возбуждения. Это сопротивление целесообразно выполнять нелинейным для снижения потерь мощности в нормальном режиме. Важно отметить, что бесщеточный возбудитель размещается практически в том же объеме, что и щеточно-контактный аппарат.

  При токе возбуждения, равном нулю, потребление  реактивной мощности достигает Q=U²/x_d, где U — напряжение синхронного компенсатора, отн. ед. Дальнейшее увеличение потребления возможно при возбуждении машины током обратной полярности. Наибольшая реактивная мощность в этом режиме Q = U²/x_d достигается при угле

  Для увеличения потребляемой реактивной мощности до 0.7 номинальной потребовалось создание реверсивной бесщеточной системы возбуждения. Структурные схемы реверсивных бесщеточных систем возбуждения синхронных компенсаторов мощностью 50, 100 и 160 МВА представлены на рис.8, а аксонометрическое изображение — на рис.9. Синхронные компенсаторы с реверсивными бесщеточными возбудителями, кроме основной обмотки возбуждения ОВ1, имеют дополнительную обмотку возбуждения ОВ2, устанавливаемую на роторе вместо изолирующих полюсных шайб. Реверсивный бесщеточный возбудитель состоит из блоков положительного ВБД и отрицательного возбуждения ВБДО.

  Блок  ВБД синхронного компенсатора КСВБО-50-11 схемно и конструктивно полностью соответствует нереверсивному бесщеточному возбудителю компенсатора КСВБ-50-11. Блок ВБДО размещен внутри корпуса компенсатора.

  Питание обмоток возбуждения реверсивного бесщеточного возбудителя осуществляется от тиристорных преобразователей ТП1 и ТП2, подключенных к шинам собственных нужд подстанции через согласующий трансформатор ТС и управляемых автоматическим регулятором возбуждения АРВ. Защита реверсивного возбудителя от внутренних коротких замыканий осуществляется с помощью устройства защиты УЗ, на вход которого поступают сигналы от измерительных междуполюсных катушек К и датчиков тока ДТ1 и ДТ2.

Рис. 8. Структурные схемы для реверсивных бесщеточных систем возбуждения для синхронных компенсаторов КСВБО-50-11 (а) и компенсаторов КСВБО-100-11 и КСВБО-160-15 (б).

  При коротком замыкании в одном из блоков возбудителя устройство защиты снимает сигналы управления тиристорных преобразователей положительного и отрицательного возбуждений и сигнализирует о неисправности возбудителя.

Контроль  изоляции основной обмотки возбуждения  компенсатора производится устройством контроля изоляции УКИ, две измерительные щетки которого во время контроля опускаются на вентильные колеса. Для компенсаторов КСВБО-100-11 мощностью 100 МВА и КСВБО-160-15 мощностью 160 МВА дополнительно используется комплект защиты ротора КЗР-3 с постоянно подключаемыми измерительными щетками. Для ограничения перенапряжений в основной обмотке возбуждения компенсатора при переходных режимах его работы подключено защитное пуске-вое сопротивление