АРН Автоматический регулятор напряжения (АРН-Б)
Внимание! Акция! Продается выставочный экземпляр
Аналоги по мощности
Описание АРН Автоматический регулятор напряжения (АРН-Б)
АРН ЮГИШ 421413.013 (Аппаратура возбуждения и регулирования напряжения генератора) предназначена для ремонта дизельных электростанций и работе в составе трехфазных синхронных генераторов мощностью до 400 кВт, номинальным напряжением 230 и 400 В, частотой 50 и 60 Гц, для автоматического управления током возбуждения с целью поддержания выходного напряжения электрогенератора на заданном уровне.
АРН обеспечивает работу со следующими органами управления электрогенератора:
переменный резистор регулирования выходного напряжения (СУН) типа ППБ-3А 4,7 кОм ±10%;
переключатель между режимами работы генератора «ВОЗБУЖДЕНИЕ/ГАШЕНИЕ ПОЛЯ»;
переключатель между режимами работы электрогенератора «АВТОНОМНАЯ РАБОТА/ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА»;
кнопки «+» и «-» для регулирования уставки по статизму.
АРН обеспечивает работу в следующих условиях эксплуатации:
– температура воздуха окружающей среды от минус 50 до плюс 55оС;
– относительная влажность воздуха до 98 % при температуре плюс 45 оС;
– на высоте над уровнем моря до 4000 м;
– при воздействии морского тумана;
– при воздействии инея и росы;
– при воздействии циклического изменения температуры от минус 45 до плюс 55оС за восемь часов.
АРН, установленный на генератор серии БГ, обеспечивает в установившемся тепловом режиме при коэффициенте мощности в пределах от 0,4 до 0,9 (0,95) отклонение выходного напряжения не более:
а) + 1 % от среднерегулируемого значения при плавном изменении нагрузки в пределах от 1 до 110 % номинальной и поддержании частоты вращения приводного вала двигателя + 1 %;
б) + 10 % от установленного значения напряжения во время переходных режимов при набросе/сбросе симметричной нагрузки равной 50 % нагрузки по току с cos ф = 0,4;
в) + 20 % от установленного значения напряжения сбросе/набросе симметричной линейной нагрузки равной 100 % нагрузки по току с cos ф = 0,4;
г) + 1 % от установленного значения при неизменной симметричной нагрузке и изменении теплового состояния электрогенератора от холостого хода до нагретого в номинальном режиме.
Коэффициент амплитудной низкочастотной модуляции напряжения в режиме холостого хода и при номинальной нагрузке cos ф = 0,8 составляет не более 0,5 %.
АРН обеспечивает работу генератора при перегрузках по току:
— 10 % в течение 1 ч при cos ф = 0,8;
— 25 % в течение 10 мин при cos ф = 0,7;
— 50 % в течение 2 мин при cos ф = 0,6 (при обеспечении точности под-держания напряжения + 10 %).
АРН обеспечивает параллельную работу генератора:
— с генераторами, имеющими принципиально отличные системы возбуждения и устройства регулирования напряжения;
— с генераторами, имеющими аналогичные по принципу действия и схеме системы возбуждения;
— с промышленной сетью на время переключения нагрузки.
АРН допускает длительную работу генератора на тиристорную нагрузку до 50 % мощности генератора.
В режиме холостого хода генератора АРН обеспечивает запуск прямым включением трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя с кратностью пускового тока до 7, без момента на валу, мощностью до 70 % номинальной мощности генератора. Уровень отклонения напряжения не более 50 %.
АРН при работе в составе генератора выдерживает без повреждений трехфазное короткое замыкание в режиме любой нагрузки в течение 5 секунд и двух- однофазное – в течение 3 секунд. Значение установившегося тока трехфазного короткого замыкания не менее трехкратного номинального.
АРН обеспечивает контроль тока нагрузки фазы В с трансформатора тока Iном/1А, находящегося на расстоянии не более 3-х метров от генератора. Нагрузка во вторичной цепи трансформатора тока не более 1 V*A
АРН обеспечивает возможность:
— ручной установки выходного напряжения в диапазоне от плюс 10 до минус 10% от номинального при любой допустимой нагрузке;
— ручного переключения режима работы генератора «Автономная работа / Параллельная работа»;
— ручного переключения режима работы генератора «Возбуждение / Гашение поля»;
— установки выходного напряжения и дистанционное переключение режимов работы генератора со щита управления, располагающегося на расстоянии до 50 метров от генератора;
— регулировки статизма для обеспечения параллельной работы в диапазоне от 0 до 6%. Уставка по статизму 3% задается при настройке АРН совместно с генератором на предприятии-изготовителе генератора;
— управления генератором по интерфейсу RS485 c использованием протокола Modbus RTU.
При увеличении напряжения на клеммах генератора более чем 15% от номинального через 2 секунды срабатывает защита АРН и переводит генератор в режим «гашение поля». Повторное включение режима «возбуждение» возможно только после переключения тумблера «ВОЗБУЖДЕНИЕ/ГАШЕНИЕ ПОЛЯ» сперва в положение «ГАШЕНИЕ ПОЛЯ» затем в положение «ВОЗБУЖДЕНИЕ», по команде через интерфейс RS485 или полной остановкой и повторным запуском приводного двигателя.
Питание АРН:
– в режиме гашения поля осуществляется с выходных клемм генератора напряжением, формируемым постоянными магнитами, действующим значением не менее 50 В;
– в режиме возбуждения осуществляется выходным напряжением генератора;
– в режиме запуска трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя или при коротком замыкании в нагрузке, питание АРН осуществляется от трехфазного трансформатора тока (ТС). Напряжение на клеммах ТС не более 120 В во всех режимах работы генератора;
– мощность потребления АРН не более 5 Вт.
Габаритные размеры не более 190 х 129 х 83 мм.
Масса прибора составляет не более 1 кг.
БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
01.04.2021
Автоматическое распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами
При параллельной работе генераторов переменного тока возникает необходимость в распределении активной и реактивной нагрузок между ними. Реактивная нагрузка распределяется изменением э. д. с. путем воздействия на возбуждение генераторов, активная — изменением вращающего момента за счет изменения подачи топлива (пара) в первичные двигатели. Следовательно, распределение реактивной нагрузки выполняется регуляторами напряжения, а активной — регуляторами частоты вращения.
В настоящее время имеется несколько методов распределения активной нагрузки между параллельно работающими генераторами. В судовых электростанциях используют: метод статических характеристик, метод ведущего генератора и метод смещения статических характеристик; иногда эти методы используют совместно.
Метод статических характеристик применим тогда, когда все генераторные агрегаты снабжены регуляторами частоты вращения со статическими характеристиками.
Метод ведущего генератора применяют, если требуется, чтобы при изменении нагрузки в установившемся режиме частота в сети поддерживалась строго постоянной. В этом случае один из агрегатов (ведущий) имеет регулятор частоты вращения с астатической характеристикой, а остальные — со статическими характеристиками. Генераторные агрегаты со статическими характеристиками обычно полностью загружены и в установившемся режиме имеют неизменную нагрузку. Все изменения нагрузки на станцию воспринимает ведущий генератор.
Рис. 1. Блок-схема устройства типа УРЧН: ТН — трансформаторы напряжения; ТТ — трансформаторы тока; СРЧВ — серводвигатель регулятора частоты вращения; ДАТ — датчики активного тока
Метод смещения статических характеристик широко распространен на судах. Если все генераторные агрегаты имеют регуляторы со статической характеристикой, то достаточно точно активные нагрузки при одинаковых мощностях агрегатов распределяются при условии совпадения регулировочных характеристик первичных двигателей. Добиться совпадения характеристик в точке, соответствующей данной нагрузке, можно либо изменением угла наклона характеристик, либо изменением уставок регуляторов частоты вращения вала первичных двигателей.
В последнем случае характеристики перемещаются параллельно самим себе, что положено в основу метода смещения статических характеристик. С помощью этого метода создается возможность в установившемся режиме поддерживать частоту цепи постоянной при статических характеристиках регуляторов, т. е. имеет место астатическое регулирование при статических характеристиках.
В современных судовых электроэнергетических системах метод смещения статических характеристик реализуется устройствами распределения активных нагрузок типа УРЧН (в дальнейшем будет применяться устройство типа УРМ), которые воздействуют на уставки регуляторов частоты вращения вала первичных двигателей с помощью серводвигателей синхронизации.
САР частоты и распределения активной нагрузки типа УРЧН (рис. 1) состоит из трех отдельных блоков: датчика частоты (типа УРЧН-1Ч), датчика активного тока (типа УРЧН-1Д) и усилителя, который имеет четыре модификации (УРЧН-1У1, УРЧН-1У2, УРЧН-1У3; УРЧН-1У4).
Датчик частоты типа УРЧН-1Ч (рис. 2) состоит из блока питания БП, измерительного элемента частоты ИЭ и двухтактного магнитного усилителя МУ.
Рис. 2. Схема датчика частоты
Блок питания состоит из трансформатора (Тр), выпрямителя В3, резистора Rd, потенциометра П1 и обеспечивает питание магнитного усилителя МУ и измерительного элемента частоты ИЭ.
Измерительный элемент частоты состоит из двух частотных контуров. Один контур (с емкостью) включает конденсатор СЗ, выпрямитель В1 с фильтрующим конденсатором С1, балластный резистор Rб1.
Другой контур (с индуктивностью) состоит из катушки с сердечником L, выпрямителя В2 с фильтрующим конденсатором С2, балластного резистора Rб2. Параметры катушки L и конденсатора СЗ подобраны так, что при номинальной частоте выпрямленные токи контуров, протекающие по одинаковым балластным резисторам Rб1, Rб2, равны по величине и противоположно направлены.
Поэтому напряжение на выходе измерительно элемента частоты, определяемое как разность падений напряжений на резисторах Rб1 и Rб2, равно нулю. При отклонении частоты от заданного значения (уставки) сопротивления контуров ИЭ изменятся, вследствие чего ток в одном контуре увеличится, а в другом — уменьшится.
Соответственно, на одном балластном резисторе падение напряжения станет больше, чем на другом. На выходе ИЭ появится напряжение той либо иной полярности, в зависимости от того, уменьшилась или увеличилась частота по сравнению с заданной. Это напряжение подается на обмотки управления Wy1 и Wу2 двухтактного магнитного усилителя датчика частоты, на выходе которого появляется напряжение определенной величины и соответствующей полярности.
Двухтактный магнитный усилитель с выходом на постоянном токе состоит из двух однотактных усилителей МУ1 и МУ2 с внутренней положительной обратной связью, включенных по мостовой схеме.
Одна диагональ моста замкнута через балластный резистор Rб, вторая (между средними точками питающих обмоток трансформатора Тр) является выходом датчика частоты. Рабочие обмотки и выпрямители одного и того же однотактного усилителя включены в противоположные плечи моста, поэтому рабочие обмотки состоят из двух частей. Последовательно с рабочими обмотками включены выпрямители В4—B11 обеспечивающие внутреннюю положительную обратную связь и постоянный ток на выходе.
Обмотки управления Wy1, Wy2 включены последовательно и встречно, а обмотки смещения Wсм1, Wсм2 — параллельно и согласно.
Причем, в каждом усилителе поток, создаваемый обмоткой смещения, и поток обратной связи направлены встречно. Резистор TR1 служит для тепловой компенсации. При отсутствии сигнала в обмотках управления ток на выходе МУ, определяемый как разность токов усилителей МУ1 и МУ2, равен нулю, что достигается соответствующим подбором смещений усилителей с помощью потенциометров П1 и П2.
При появлении тока в обмотках управления поток, созданный этим током, в одном магнитном усилителе (например, МУ1) направлен согласно с потоком смещения, а в другом — встречно.
Тогда МУ1 еще больше размагничивается (ток уменьшается), а МУ2 намагничивается (ток увеличивается) и через нагрузку, подключенную к выводам выхода датчика частоты потечет ток, равный разности токов МУ1 и МУ2. При этом в МУ1 ток проходит в один из полупериодов питающего напряжения через полуобмотку трансформатора Тр, выпрямитель В4, рабочую обмотку левого сердечника, балластный резистор Rб, другую рабочую обмотку левого сердечника, выпрямитель В6, полуобмотку трансформатора Тр, вывод (клемму) 2 выхода, нагрузку, вывод (клемму) 1 выхода, полуобмотку трансформатора Тр.
В этот же полупериод в МУ2 ток проходит через полуобмотку трансформатора Тр, выпрямитель В8, рабочую обмотку левого сердечника, балластный резистор Rб, другую рабочую обмотку левого сердечника, выпрямитель В10, полуобмотку трансформатора Тр, вывод 1 выхода, нагрузку, вывод 2 выхода полуобмотку трансформатора Тр. В другой полупериод питающего напряжения токи через нагрузку от МУ1 и МУ2 будут протекать в тех же направлениях, а в усилителях — через рабочие обмотки правых сердечников. При перемене полярности тока в обмотках управления изменится полярность на выходе магнитного усилителя (датчика частоты).
Датчик активного тока типа УРЧН-1Д (рис. 3) состоит из: трансформатора питания (ТН), включенного на напряжение генератора; согласующего трансформатора (ТС), получающего питание от трансформатора тока (ТТ), установленного на шине генератора; разделительных трансформаторов ТП1, ТП2; выпрямительных мостов В1, В2; согласующего резистора R; добавочных резисторов Rд и балластных резисторов Rб1 и Rб2.
Рис. 3. Принципиальная схема датчика активного тока
Принцип действия датчика поясняет векторная диаграмма (рис. 4). При холостом ходе генератора (рис. 4, а) напряжения U’1 и U’2; равны по величине, поэтому напряжение на выходе датчика Uвыx = U’2 — U’1 равно нулю. При активной нагрузке нарушается равенство напряжений U2′ и U’1 (рис. 4, б) и на выходе датчика появляется напряжение, пропорциональное активной нагрузке.
Первичная обмотка трансформатора ТН (см. рис. 3) включена в три фазы, а трансформатор тока ТТ включен в одну фазу. Включением добавочных резисторов Rд достигается изменение амплитуд напряжений фаз С и В и искусственно создается нулевая точка (рис. 4, в), благодаря чему при активной нагрузке генератора (cos ф = 1) фазы напряжения питающего трансформатора ТН и тока вторичной обмотки согласующего трансформатора ТС совпадают.
Усилители типов УРЧН-1У1, УРЧН-1У2, УРЧН-1УЗ, УРЧН-1У4 предназначены для усиления мощности сигналов датчика активного тока и частоты до значений, необходимых для управления серводвигателями, изменяющими уставку регуляторов частоты вращения вала первичных двигателей.
Эти усилители предназначены для управления:
Все усилители имеют по два каскада усиления, двухтактные и выполнены по дифференциальной схеме с внутренними положительными обратными связями.
Схема усилителя типа УРЧН-1У1 (рис. 5). Первый каскад усиления состоит из усилителей 1У1 и 1У2, а выходной каскад из усилителей 2У1 и 2У2, выполненных по схеме быстродействующих усилителей без обмоток управления и представляющих собой дроссели с обмотками, разделенными на две части.
Обмотки управления усилителя W1y и W2y, а также W’ly и W’2y соединены между собой последовательно и встречно. Потенциометры П1 и П2 служат для подбора смещения усилителей.
При отсутствии тока в обмотках управления магнитный поток, создаваемый обмотками смещения Wсм1 и Wсм2, включенными между собой параллельно и согласно, запирает оба плеча магнитного усилителя.
При появлении тока управления определенной полярности в одном плече усилителя первого каскада (1У1, 1У2) происходит вычитание ампер-витков обмоток управления и смещения, а в другом — сложение, что приводит к открытию первого из них и к еще большему закрытию второго. Напряжение с первых каскадов усилителя (1У1, 1У2), подаваемое на резисторы связи Rс1 и Rс2 находится в противофазе с напряжением рабочих обмоток выходных каскадов.
При отсутствии выходного сигнала в каждый полупериод питающего напряжения выпрямленный ток разветвляется в обе обмотки усилителя 2У1 (2У2), не создавая постоянного потока внутренней обратной связи. При появлении сигнала усилитель одного из первых каскадов открывается (например, 1У1) и на резисторе Rc1 появляется напряжение, препятствующее разветвлению тока в обе обмотки усилителя 2У1 выходного каскада.
Рис. 5. Принципиальная схема усилителя: СД — серводвигатель; ДАТ — датчик активного тока; ДЧ — датчик частоты; ТН — трансформатор напряжения
В один из полупериодов питающего напряжения ток проходит по цепи: вывод 3 трансформатора ТП, выпрямитель В1, якорь серводвигателя, выпрямитель В3, обмотка 7—8 одного из дросселей, выводы 8—7 трансформатора ТП, выпрямитель В3, резистор Rб, выпрямитель В1, обмотка 5—6 того же дросселя, вывод 4 трансформатора ТП.
Магнитное поле, созданное током, намагничивает сердечник дросселя, индуктивное сопротивление его обмоток при этом резко уменьшается и все питающее напряжение оказывается приложенным к обмотке якоря серводвигателя, подключенного к клеммам 7—8 усилителя. В другой полупериод питающего напряжения ток проходит по обмоткам 1—2, 3—4 второго дросселя. При изменении полярности сигнала управления открывается усилитель первого каскада 1У2 и еще больше закрывается усилитель 1У1, что приводит к изменению тока в якоре серводвигателя и направления его вращения. Обмотка независимого возбуждения серводвигателя получает питание от постороннего источника неизменной полярности.
Рис. 6. Принципиальная схема подключения блоков системы автоматического регулирования частоты и распределения активных нагрузок (УРЧН)
Как следует из однолинейной схемы подключения блоков системы УРЧН (рис. 6), датчики активного тока ДАТ и усилители МУ устанавливают для каждого агрегата, а датчик частоты ДЧ только для агрегата, который выбран в качестве «базового» (в нашем случае первый). Включение системы УРЧН происходит сразу же после включения генераторов на параллельную работу — блок-контактами селективных автоматов А. При этом выходы датчиков активного тока всех работающих генераторов включены по дифференциальной схеме на обмотки управления магнитных усилителей. Датчики измеряют активную составляющую тока в цепи своего генератора, и результирующий ток, представляющий собой разность токов датчиков, протекает по обмоткам МУ, кроме усилителя «базового» генератора. От каждого усилителя получает питание серводвигатель СД, связанный с регулятором частоты вращения вала соответствующего первичного двигателя ПД.
Если активные нагрузки параллельно работающих генераторов распределены пропорционально их мощностям, то напряжения на выходе всех ДАТ равны, ток в обмотках МУ отсутствует и серводвигатели СД неподвижны. Если активная нагрузка распределена непропорционально, то на выходе датчиков перегруженных генераторов напряжение будет выше, чем у датчиков недогруженных генераторов.
В обмотках управления МУ появятся токи, полярность которых зависит от того, перегружен или недогружен данный генератор по сравнению с остальными. В результате серводвигатели начинают вращаться и так изменяют уставки регуляторов, что регулировочные характеристики недогруженных генераторов перемещаются параллельно себе вверх, а перегруженных генераторов — вниз. Это приводит к восстановлению пропорционального распределения активных нагрузок между генераторами.
Выбирают «базовый» генератор произвольно, путем выключения питания усилителя. При отключенном питании МУ «базового» генератора его характеристика в установившемся режиме (рис. 7, а) является геометрическим местом точек пересечения регулировочных характеристик всех параллельно работающих агрегатов при изменении нагрузки от Р1 до Р2. Если требуется, чтобы частота в цепи поддерживалась с требуемой точностью, которую не могут обеспечить штатные регуляторы, то на выход МУ «базового» генератора вместо датчика активного тока подключается датчик частоты. Сигнал от датчика частоты поступает на выход усилителя, который питает серводвигатель, изменяющий уставку регулятора частоты вращения «базового» генератора.
Рис. 7. Регулировочные характеристики агрегатов при отключенном (а) и включенном (б) датчике частоты устройств УРЧН
Перемещение статической регулировочной характеристики «базового» агрегата вызывает рассогласование в распределении активной нагрузки между генераторами, что приводит в действие серводвигатели остальных агрегатов. В дальнейшем работа системы УРЧН протекает аналогично описанной ранее. При подключенном датчике частоты изменение нагрузки от P1 до Р2 приводит (рис. 7, б) к перемещению всех характеристик из точки а в точку б. Регулирование при этом астатическое, т. е. в установившемся режиме, благодаря смещению характеристик частота остается неизменной. Если требуется, чтобы частота мало изменялась и в переходных режимах, то целесообразно использовать двухимпульсные регуляторы частоты.
Наглядное видео автоматического распределения активной и реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами системой JRCS JACOM-55.
БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
26.09.2014
Автоматические регуляторы напряжения генераторов
Одним из наиболее важных условий, обеспечивающих правильную работу электрических установок, является постоянство напряжения питающих генераторов.
В установках постоянного тока достаточная степень постоянства напряжения обеспечивается компаундными генераторами. В установках переменного тока для сохранения постоянства напряжения приходится прибегать к автоматическим регуляторам напряжения.
На рис. 1 изображена принципиальная схема включения угольного автоматического регулятора напряжения. В состав схемы входят: угольный реостат 1, электромагнит с двумя обмотками 2 и 3 и пружина 5, создающая усилие, противодействующее электромагниту.
Обмотка 2 электромагнита включена на напряжение генератора Г между фазами А и С через выпрямитель 6.
Обмотка 3 электромагнита включена на вторичную обмотку трансформатора 4, первичная обмотка которого питается от возбудителя генератора В.
При нормальном напряжении генератора втягивающая сила электромагнита уравновешивается силой натяжения пружины. С повышением напряжения генератора сила электромагнита преодолевает натяжение пружины, якорь притягивается к сердечнику электромагнита, и поворачиваясь вокруг своей неподвижной оси, через вертикальный стержень передает растягивающее усилие на угольный столбик.
Сила натяжения на угольные шайбы уменьшается, сопротивление столбика возрастает, напряжение возбудителя уменьшается, в связи с чем уменьшается и напряжение генератора Г.
С уменьшением напряжения генератора Г втягивающая сила электромагнита уменьшается, под действием натяжения пружины якорь поворачивается и увеличивается сжатие угольного реостата.
Сопротивление реостата уменьшается, ток возбуждения увеличивается и напряжение генератора возрастает.
Если бы на электромагните была только обмотка 2, описанный процесс регулирования никогда бы не прекращался и напряжение генератора, изменившись один раз под действием какой-либо внешней причины, в дальнейшем колебалось бы под влиянием работы регулятора вокруг своего номинального значения.
Назначение обмотки 3 — сделать эти колебания затухающими и прекратить их после нескольких циклов с уменьшающейся амплитудой.
Магнитный поток обмотки 3 направлен навстречу потоку обмотки 2 и ослабляет действие обмотки 2 по мере подхода напряжения к номинальному значению, чем способствует быстрейшему прекращению колебаний напряжения.
Сопротивление 1C в цепи питания выпрямителя 6 служит для изменения пределов регулирования. Обычно его выбирают так, чтобы регулятор поддерживал напряжение в пределах от 95 до 105% номинального.
Назначение сопротивления 2С, питаемого от трансформатора тока ТТ, включенного в третью фазу, — создавать на своих зажимах падение напряжения. Падение напряжения на зажимах сопротивления 2С, складываясь геометрически с напряжением между фазами А и С, изменяет выходное напряжение выпрямителя в зависимости от реактивной нагрузки генератора. Это обусловливает постоянное распределение реактивной нагрузки между генераторами при их параллельной работе.
При работе одиночного генератора это устройство (так называемый компенсатор реактивной мощности) следует исключать из схемы регулятора, так как его наличие вызывает увеличение провала напряжения при пуске мощных асинхронных двигателей.
Изменяя величину сопротивления 3С, можно усилить или ослабить действие обмотки 3, т. е. в конечном итоге изменить время, в течение которого генератор достигает номинального напряжения.
Угольные регуляторы имеют ряд недостатков. Одним из наиболее существенных является малый срок службы угольных реостатов. В процессе эксплуатации угольные шайбы, из которых набирается реостат, «стареют», происходит их усадка и износ. Вследствие неравномерности этого явления равенство электрических сопротивлений отдельных угольных столбов нарушается, ток в столбах, имеющих минимальное сопротивление, увеличивается выше допустимого. При этом отдельные шайбы перегреваются, становятся хрупкими и при переменном сжатии их или вследствие вибрации и тряски судна дают трещины или рассыпаются. Иногда часть столба, работающего с перегрузкой, полностью выгорает.
Кроме того, угольным регуляторам свойственна небольшая скорость действия из-за наличия подвижных частей, имеющих определенную инерцию.
Более совершенным методом регулирования напряжения синхронных генераторов является компаундирование возбуждения.
На рис. 2 изображена принципиальная схема компаундирования возбудителя синхронного генератора. Возбудитель В генератора Г, кроме основной обмотки возбуждения ООВ, имеет дополнительную ДОВ. Дополнительная обмотка возбуждения питается током, пропорциональным току нагрузки генератора, получаемому от трансформатора тока ТТ через разделительный трансформатор напряжения РТ и выпрямитель В.
С увеличением тока нагрузки напряжение генератора Г падает. Одновременно увеличивается ток возбуждения в обмотке ДОВ возбудителя, его напряжение возрастает, ток возбуждения генератора Г усиливается и напряжение генератора поднимается.
Схема компаундирования регулируется таким образом, чтобы напряжение генератора сохранялось постоянным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной. Однако напряжение синхронных генераторов, кроме тока нагрузки, зависит также и от коэффициента мощности последней. Чтобы избежать влияние изменяющегося коэффициента мощности, в схему компаундирования вводят электромагнитный корректор.
Наилучшие результаты в части поддержания постоянства напряжения дают синхронные генераторы с самовозбуждением и саморегулированием напряжения.
На рис. 3 дана принципиальная схема системы самовозбуждения и саморегулирования синхронного генератора.
Существенной частью этой системы является специальный трехобмоточный трансформатор Т. Обмотка I (обмотка напряжения) этого трансформатора подключена к клеммам статора генератора и в ней течет ток Iн, пропорциональный напряжению генератора: Iн = K1U. Действие этой обмотки аналогично действию параллельной обмотки возбуждения генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением.
Обмотка II (токовая) включена на трансформатор тока главной цепи генератора, через нее проходит ток Iт = K2I, пропорциональный току нагрузки генератора. Назначение этой обмотки аналогично назначению последовательной обмотки генератора со смешанным возбуждением.
Обмотка III является вторичной обмоткой трансформатора, ток в ней Iв равен геометрической сумме токов Iн и Iт. Этот ток, выпрямленный полупроводниковым выпрямителем В, питает обмотку возбуждения генератора ОВ.
Рассмотрим, как работает эта система. При вращении ротора генератора вследствие наличия в стали ротора остаточного магнетизма, генератор разовьет некоторую начальную э. д. с. При этом через обмотку I трансформатора Т пройдет ток. Образовавшееся в сердечнике трансформатора магнитное поле индуктирует вторичную э. д. с. в обмотке III и в ее цепи, а следовательно, и в обмотке ротора генератора потечет ток. Ток ротора усилит магнитное поле генератора, э. д. с. последнего возрастет, что в свою очередь вызовет увеличение тока в обмотке I трансформатора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на клеммах генератора достигнет номинальной величины. В дальнейшем, при холостом ходе генератора и при сохранении неизменной скорости его вращения, напряжение генератора будет сохраняться постоянным.
Если в статорной обмотке генератора появится ток нагрузки, то он создаст магнитный поток реакции якоря, который ослабит магнитный поток ротора, вследствие чего напряжение на клеммах генератора должно было бы уменьшиться. Однако этому будет противодействовать обмотка II трансформатора. При появлении в ней тока, пропорционального току нагрузки, магнитный поток, создаваемый этим током в сердечнике трансформатора, вызовет увеличение э. д. с. вторичной обмотки и тем самым увеличение тока в обмотке возбуждения генератора. Напряжение на клеммах последнего возрастет до прежней величины.
Таким образом, принцип действия синхронного генератора с самовозбуждением и саморегулированием напряжения подобен принципу действия генератора смешанного возбуждения постоянного тока.
Однако следует учесть, что напряжение, развиваемое синхронным генератором, зависит не только от его нагрузки, но и от величины коэффициента мощности. При уменьшении коэффициента мощности, т, е. при возрастании угла ψ, напряжение генератора уменьшается и для его восстановления до прежней величины необходимо увеличить ток возбуждения.
Для того чтобы получить увеличение тока возбуждения, пропорциональное увеличению угла ψ, обмотку напряжения трансформатора Т подключают к клеммам генератора не непосредственно, а через дроссель Д. Величина индуктивного сопротивления дросселя выбирается такой, чтобы угол сдвига фаз между напряжением генератора и током в обмотке I трансформатора был бы равен почти 90°.
В этом случае диаграмма геометрического сложения токов в обмотках трансформатора Т будет иметь вид, изображенный на рис. 4.
Легко убедиться, что при увеличении угла ψ1 до величины ψ2 результирующий ток возбуждения генератора также возрастает, как это показано на рис. 4, а пунктиром.
Если бы фаза тока в обмотке I трансформатора Т совпадала бы с фазой напряжения генератора (как это изображено на рис. 4, б), то в этом случае, при увеличении угла ψ, величина результирующего тока возбуждения будет уменьшаться.
Уместно отметить еще одну особенность синхронных генераторов описываемой системы по сравнению с генераторами, получающими возбуждение от машинного возбудителя и оборудованными автоматическими регуляторами напряжения.
У генераторов с возбудителем и автоматическим регулятором напряжения неизбежно имеет место некоторое запаздывание восстановления напряжения.
Это запаздывание объясняется следующими причинами.
1. Автоматический регулятор начинает действовать только после того, как на регулятор поступит уже изменившееся напряжение.
2. После поступления на регулятор сигнала об изменении напряжения необходимо некоторое время на срабатывание самого регулятора.
3. Возбудитель генератора вследствие наличия у него электромагнитной инерции изменяет свое напряжение, а следовательно, и напряжение генератора с некоторым замедлением.
У синхронных генераторов с самовозбуждением процесс регулирования напряжения начинается не после изменения напряжения, а одновременно с изменением тока статора, которое должно вызвать изменение напряжения.
Вследствие этой особенности системы как абсолютное значение величины изменения напряжения генератора при резких колебаниях его нагрузки, так и время восстановления напряжения значительно меньше, чем у генераторов с возбудителем и автоматическим регулятором напряжения.
Иногда в схемах самовозбуждения, для облегчения начала процесса самовозбуждения, предусматривают установку конденсаторов, включаемых в цепь дросселя, как указано на рис. 3 пунктиром. Емкость конденсаторов подбирается так, чтобы в их цепи возник резонанс напряжения, тогда начальное напряжение на обмотке III трансформатора Т резко возрастает и генератор уверенно возбуждается. Кроме установки конденсаторов, для тех же целей применяются и другие методы.
В качестве примера конкретных генераторов, выпускаемых промышленностью рассмотрим схему самовозбуждения и саморегулирования отечественных синхронных генераторов серии МСС (рис. 5).
У этих генераторов, так же как и в описанной выше принципиальной схеме, применен трансформатор с тремя обмотками: напряжения I, токовой II и результирующей III. Необходимый сдвиг фазы тока в обмотке I относительно напряжения генератора осуществляется с помощью магнитного шунта, находящегося в трансформаторе, вследствие чего отпадает необходимость в отдельном дросселе. Новым элементом в этой схеме является дроссель Д. Этот дроссель служит для подрегулировки вручную напряжения генератора в пределах ±5% от номинального напряжения. На дросселе, помимо основных обмоток, помещены две дополнительные а и б. Обмотка а питается постоянным током от выпрямителя В3, подключенного к обмотке напряжения трансформатора Т.
С помощью регулировочного реостата Р1 можно менять величину тока в обмотке а. Изменение тока в этой обмотке вызывает изменение магнитного потока в сердечнике дросселя и, как следствие изменение его реактивного сопротивления. При изменении тока в дросселе одновременно изменяется ток, поступающий на выпрямитель B1, а следовательно, и ток возбуждения генератора.
Обмотка б используется при параллельной работе генераторов с разной мощностью, а также для поддержания постоянства напряжения генератора при колебании его частоты.
Для обеспечения начального самовозбуждения у генераторов серии МСС предусмотрен небольшой встроенный, вспомогательный генератор переменного тока с постоянными магнитами. Этот генератор включен на обмотку возбуждения главного генератора через свой выпрямитель В2. Начальный ток возбуждения обмотки ротора генератора получают через этот выпрямитель. В дальнейшем, когда вступит в действие основной выпрямитель B1, вспомогательный генератор возбуждения автоматически исключается из схемы, так как его выпрямитель В2 окажется запертым более высоким напряжением выпрямителя B1.
Элементы системы самовозбуждения и саморегулирования генераторов серии МСС выполняются в виде самостоятельных блоков размещаемых отдельно от генератора.
Следует отметить, что возможно создать очень большое число различных систем самовозбуждения и саморегулирования, отличающихся по числу, типу и способу включения входящих в них элементов. Почти каждая зарубежная фирма выпускает синхронные генераторы со своей системой самовозбуждения и саморегулирования. Изложенные в настоящей статье общие принципы помогут разобраться в особенностях различных систем, могущих встретиться на морских судах.
