Принципы действия устройств автоматического регулирования возбуждения генератора

Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) осуществ­ляется для поддержания напряжения на выводах генератора или у потребителей. Кроме того, АРВ повышает устойчивость парал­лельной работы генераторов, облегчает самозапуск электродвига­телей и увеличивает четкость работы релейной защиты (уменьшая затухание токов к.з.). Сущность АРВ состоит в том, что автомати­ческий регулятор воспринимает изменения напряжения или других электрических величин (например, тока) и преобразует их в изме­нения тока возбуждения генератора.

Устройства АРВ, реагирующие на знак и значение отклонения входных параметров, называются автоматическими регуляторами пропорционального действия в отличие от регуляторов сильного действия, реагирующих не только на знак и значение, но и на ско­рость изменения указанных величин. Регуляторы сильного дейст­вия эффективнее, но сложнее. Ниже рассматриваются только устройства АРВ пропорционального действия синхронных генераторов с электромашинными возбудителями. В зависимости от характера входных сигналов и выходных воздействий устройства АРВ можно разделить на несколько видов, из которых на указан­ных генераторах применяются устройства:

компаундирования полным током (входной сигнал — изменение амплитуды тока I _г генератора);

компаундирования полным током с коррекцией напряжения (входные сигналы — изменения амплитуд тока и напряжения U _ггенератора);

фазового компаундирования с коррекцией напряжения (входные сигналы — изменения амплитуды и фазы тока, а также амплитуды напряжения);

релейной форсировки (вход­ной сигнал — изменение амплиту­ды напряжения генератора).

 Первые три устройства имеют непрерывное выходное воздейст­вие в виде среднего значения вы­прямленного тока, изменяющего­ся непрерывно в функции вход­ных сигналов и воздействующего на возбудитель синхронного гене­ратора. Устройство релейной фор­сировки дискретно воздействует на возбудитель, закорачивая кон­тактами реостат в цепи возбуж­дения возбудителя.

Компаундирование полным током. На Рис. 12.11, а дана упрощенная векторная диаграмма синхронного генератора из кото­рой следует, что Ů _г = Ė _q — jİ _г X _d. Если ЭДС генератора E _q неизменна, то с увеличением тока статора I _г напряжение на выводах генератора снижается. За­висимость U _г= f (I _г) — внешняя характеристика — представ­лена на рис. 12.11, б прямой ас (ас'). Очевидно, напряжение U _гостается неизменным, если с возрастанием тока, например от I _г1 до I _г2 , увеличивается ЭДС соответственно от E _q1 до E _q2(рис. 12.11, а). Характеристика холостого хода генератора дает зависимость E _q от тока возбуждения (тока в обмотке ротора гене­ратора) I _в. При определенных допущениях их относительные зна­чения равны E _*q = I _*в. Поэтому снижение напряжения при уве­личении тока I _г можно компенсировать подачей в обмотку возбуж­дения возбудителя (основную LE или дополнительную) тока I _peг, пропорционального току генератора I _г (рис. 12.11, в). Такое автоматическое регулирование возбуждения и называется компаундированием полным током.

Ток I _peг получают путем выпрямления выходного тока промежу­точного трансформатора TL входным током которого является часть вторичного тока трансформатор тока ТА. Ток I _peг можно изменять, изменяя коэффициент трансформации трансформатора TL и сопротивление установочного резистора R_U . В обмотке LE ток I _peг проходит в одном направлении с током I _cв самовозбуждения возбудителя, общий ток возбуждения I _в.в в равен их сумме. Поэтому большему току генератора соответствует большая ЭДС и внешняя характеристика аbс _к в значительном диапазоне изменения токов I _г идет выше линии ас (рис. 12.11, б). Излом в точке b внешней ха­рактеристики аbс _к объясняется тем, что по мере снижения тока ге­нератора при малых его значениях вторичная ЭДС трансформато­ра TL становится меньшей напряжения на обмотке возбудителя LE, обусловленного током I _cв, и выпрямитель VS устройства компаундирования закрывается. Излом отсутствует, если ток I _peг по­ступает не в основную, а в дополнительную обмотку возбуждения. При больших значениях тока I _г из-за насыщения магнитопроводов генератора, возбудителя и трансформаторов схемы компаундирования наблюдается некоторое снижение внешней характеристики.

Действие устройства рассмотрено в предположении, что угол φ между током I _г и напряжением U _г не изменяется. В действитель­ности характер нагрузки не остается постоянным. При этом, как следует из векторной диаграммы (рис. 12.11, г), для поддержания напряжения U _г неизменным при увеличении угла, например φ ₁ до φ ₂ , и заданном токе I _г1 = I _г2 необходимо увеличивать ЭДС от E _q1 до E _{q 2} . Устройство компаундирования полным током это вы­полнить не сможет, так как реагирует только на амплитуду (абсолютное значение) тока I _г, устанавливая соответствующую ЭДС E _q1. Поэтому с увеличением угла φ напряжение U _г уменьша­ется, хотя в меньшей степени, чем у некомпаундированного генера­тора. На рис. 12.11, б меньшему углу φ ₁ при отсутствии компаунди­рования соответствует внешняя характеристика abc, а большему углу φ ₂ — характеристика ab'c'. Тем же значениям угла при нали­чии компаундирования соответствуют характеристики abc _к и ab'c' _к.

Обычно устройство компаундирования дополняется корректором напряжения, который реагирует на отклонение напряжения. При этом обеспечивается более точное поддерживание напряжения U _готносительно заданного уровня. Такое название устройство полу­чило потому, что оно лишь корректирует работу устройства компа­ундирования, выполняющего главную роль в регулировании воз­буждения.

Совместная работа устройства компаундирования и корректора напряжения осуществляется по двум принципиально различным схемам, а именно:

компаундирование полным током с коррекцией напряжения; в схеме ток от устройства компаундирования и ток от корректора напряжения предварительно выпрямляются, а затем направляют­ся в соответствующие обмотки возбуждения возбудителя; при

этом схема не реагирует на угол φ сдвига фаз между I _г и U _г ,

фазовое компаундирование с коррекцией напряжения; в схеме переменный ток от устройства компаундирования определяется гео­метрической суммой I _г и тока, пропорционального U _г , и зависит от тока корректора напряжения. Общий переменный ток выпрямляет­ся; среднее значение выпрямленного тока пропорционально току I _г , напряжению U _г и углу φ сдвига фаз между ними.

Устройство компаундирования без корректора напряжения благодаря простоте, высокой надежности и достаточному быстродей­ствию находит применение в трехфазном исполнении для генера­торов небольшой мощности.

Компаундирование полным током с коррекцией напряжения. При наличии корректора напряжения общий магнитный поток воз­буждения возбудителя изменяется не только током I _peг1 от устрой­ства компаундирования, но и током I _peг2 от корректора, зависящим от напряжения генератора  U _г таким образом, что снижение U _г ве­дет к возрастанию I _peг2 , а возрастание U _г — к его снижению.

На рис. 12.12, а схематично изображен широко применяемый электромагнитный корректор АРУ, состоящий из измерительного органа и усилителя с выпрямителем на его выходе. Воздействую­щей величиной измерительного органа является напряжение Uг,подводимое к нему от трансформатора напряжения ТУ. В измери­тельном органе использован способ преобразования воздействую­щей величины в две сравниваемые, являющиеся разными ее функ­циями (см. рис. В.6, а). Преобразование выполняется линейным измерительным преобразователем (линейный реактор LR с воз­душным зазором в магнитопроводе и выпрямитель VS2) и нели­нейным элементом (насыщающийся реактор LRT или пятистержневой насыщающийся трансформатор, вторичные обмотки которого соединены в разомкнутый треугольник, и выпрямитель VS1). Ток I _л зависит от напряжения U _г линейно, а ток I _нл — нелинейно (рис. 12.12, б). Для повышения чувствительности к несимметрич­ным режимам измерительный орган выполняют трехфазным.

В электромагнитном корректоре применяется магнитный усили­тель AL с двумя обмотками ω _у управления (см. § 1.4). В одну из них подается выпрямленный ток I _л, а в другую — выпрямленный ток I _нл. Обмотки управления включены встречно. Поэтому выходной ток AL — ток I _peг2 — в дополнительной обмотке возбуждения LE2 пропорционален разности токов I _у = I _л — I _нл. Зависимость I _у = f (U _г ) имеет в некоторой области падающий характер (рис. 12.12, б). Эта область и является рабочим участком характеристики корректора. При снижении напряжения, например от U _г1 до U _{г 2} , разность токов возрастает от I _y1 до I _у2. Соответственно уве­личивается ток I _рег2, стремясь восстановить напряжение U _г. Рабо­чий участок характеристики корректора соответствует относитель­но небольшим снижениям напряжения, когда действие устройства компаундирования проявляется недостаточно. Если напряжение U _г превышает заданное (предписанное) значение U _г.пр , то ток I _нл ста­новится больше тока I _л. При этом корректор действует в сторону дальнейшего повышения напряжения. Для исключения этого токи в обмотках управления выравниваются, например путем соедине­ния их между собой диодом VD. При I _нл > I _л диод открывается и токи в обмотках выравниваются так, что I _у ≈ 0.

Принцип компаундирования по полному току с коррекцией на­пряжения используется в автоматическом регуляторе возбуждения типа ЭПА-305 [42,59,60].

Фазовое компаундирование с коррекцией напряжения. Из рас­смотрения векторной диаграммы (см. рис. 12.11, г) следует, что при неизменном токе I _г снижение напряжения U _г происходит за счет увеличения реактивной составляющей тока I _г sinφ. Поэтому для более точного регулирования U _г используется фазовое компаундирование с коррекцией напряжения, действующее в зависимос­ти как от абсолютных значений напряжения Ů _г, тока İ _г, так и от угла φ сдвига фаз между ними.

В показанной на рис. 12.13, а упрощенной схеме АРВ такая за­висимость достигается путем применения промежуточного транс­форматора тока с подмагничиванием TLAT с двумя первичными обмотками, одна из которых ω ' ₁ подключена к трансформатору то­ка ТА, а вторая ω " ₁ — к трансформатору напряжения TV через бал­ластное сопротивление Z. Результирующая магнитодвижущая си­ла первичных обмоток создает во вторичной обмотке ω ₂ ЭДС, за­висящую от I _г, U _г и φ. Сочетание тока и напряжения, подводимых к TLAT, выбирается таким, чтобы при прочих равных условиях ЭДС обмотки ω ₂ увеличивалась с увеличением φ, т. е. чтобы возрастал ток I _peг.

Кроме обмоток переменного тока промежуточный трансформа­тор имеет обмотку управления ω _у, по которой проходит ток I _у кор­ректора напряжения АРУ. Корректор напряжения выполняется аналогично рассмотренному выше, но настраивается так, что при возрастании напряжения U _г подмагничивание трансформатора уве­личивается, сердечник насыщается, коэффициент, трансформации TLAT и ток в обмотке ω ₂ уменьшается, т. е. ток I _peг снижается. При понижении U _г степень насыщения TLAT уменьшается, условия трансформации становятся благоприятнее, а ток I _peг увеличивает­ся. Электромагнитный корректор напряжения, выходной ток кото­рого при понижении напряжения U _г снижается (а не возрастает, как у корректора в схеме на рис. 12.12, а), называют противовключенным.

Достоинство фазового компаундирования состоит не только в большей, чем при токовом компаундировании, точности регулиро­вания напряжения, но и в меньшей мощности, которую требуется получать от корректора (так как он не работает непосредственно на обмотку возбуждения). Маломощный корректор не только со­здает меньшую нагрузку на трансформатор напряжения, но и обладает малым запаздыванием. Поэтому скорость восстановления напряжения возрастает. Фазовое компаундирование применяется в регуляторах возбуждения типа РВА-62 [59].

Релейная форсировка. При значительных снижениях напряже­ния, обусловленных короткими замыканиями, рассмотренные устройства АРВ не всегда работают удовлетворительно. В устрой­ствах компаундирования ток I _peг пропорционален току к.з., по­этому при удаленных коротких замыканиях он оказывается недос­таточным, а работа электромагнитных корректоров при малых на­пряжениях нарушается полностью, так как выходной ток I _у изме­рительного органа снижается вплоть до нуля (см. рис. 12.12, б). Кроме того, время реакции на изменения напряжения у рассмот­ренных устройств не всегда приемлемо. Поэтому в дополнение к этим устройствам на генераторах устанавливают устройства релей­ной форсировки возбуждения, скачкообразно (релейно) увеличи­вающие (форсирующие) возбуждение генератора.

В простейшем случае устройство релейной форсировки состоит из минимального реле напряжения KV и промежуточного реле KL (рис. 12.13, б). В нормальном режиме якорь реле KV подтянут и цепь обмотки реле KL разомкнута. При снижении напряжения ге­нератора до значения, соответствующего уставке срабатывания реле KV, оно срабатывает и включает обмотку реле KL. Контактами реле KL закорачивается реостат R _св в цепи самовозбуждения воз­будителя. При этом напряжение на обмотке возбуждения возбуди­теля становится максимально возможным и ток возбуждения быст­ро нарастает. Чтобы предотвратить действие форсировки, когда ге­нератор отключен, оперативный ток на контакты реле KV подается через вспомогательные контакты выключателя Q.

Как и рассмотренные выше схемы защиты с минимальным пус­ковым органом напряжения, релейная форсировка может подейст­вовать неправильно при нарушениях в цепях напряжения. Для предотвращения этого применяют те же меры, что и в упомянутых схемах защиты: использование двух реле напряжения, подключен­ных к разным трансформаторам напряжения, применение запрета действия и др. Во вторичных цепях трансформаторов напряжения, питающих АРВ и реле напряжения релейной форсировки, предо­хранители, как правило, не устанавливают.

Напряжение срабатывания минимального реле напряжения вы­бирается с учетом надежного возврата реле (размыкание контак­тов) при номинальном напряжении. Если коэффициент запаса принять k _зап =1,05 и коэффициент возврата k _в = 1,1, то U _cp = 0,85 U _г.ном. Схема с одним реле напряжения имеет достаточную чувствительность при трехфазных коротких замыканиях и при за­мыканиях между фазами, к которым присоединено реле. Равную чувствительность к разным видам короткого замыкания можно обеспечить, если включить реле через фильтр напряжения прямой последовательности или использовать в схеме три реле.