Системы возбуждения и автоматические регуляторы возбуждения

Стабилизация режимов энергосистемы и демпфирование колебаний осуществляется быстродействующими системами возбуждения, включающими в себя автоматические регуляторы возбуждения (АРВ).

Характеристики синхронной машины (СМ), как элемента электроэнергетической системы (ЭЭС), во многом определяются свойствами ее системы возбуждения, и развитие синхронных машин неизменно сопровождается усовершенствованием возбудительных систем. Ухудшение параметров синхронных машин, обусловленное повышением степени использования активных материалов, в существенной мере компенсируется возрастанием возможностей систем возбуждения.

Автоматическое регулирование возбуждения генераторов зарекомендовало себя эффективным средством повышения уровня статической и динамической устойчивости ЭЭС. Основы современной теории устойчивости были разработаны в трудах выдающихся ученых А.А. Горева, П.С. Жданова, СЛ. Лебедева и позднее развиты отечественными и зарубежными учеными, в ряду которых следует назвать: В.А. Баринова. В.А. Веникова, Г.Р. Герценберга , И.А. Глебова, И.А. Груздева, А.С. Зеккеля, В.Е. Кадггеляна, M.JI Левинштейна, И.В. Литкенс, В.Г. Любарского, А.А. Рагозина, С.А. Совалова, Н.И. Соколова, В.А. Строева, и других.

История развития автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) для турбо-, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов насчитывает несколько десятилетий. Идеология построения систем регулирования возбуждения начала формироваться в 30-40 годы.

К середине 50-х годов широкий круг теоретических, расчетных и экспериментальных работ по исследованиям статической устойчивости дальних электропередач в режимах, близких к предельным по пропускной способности, и демпферных свойств ЭЭС завершился созданием автоматического регулятора возбуждения сильного действия (АРВ-СД), характеризующегося высокими коэффициентами усиления и наличием в законе регулирования стабилизирующих сигналов по первым и вторым производным режимных параметров, что позволило совместно с системами быстродействующего возбуждения (статическими тиристорными и диодными бесщеточными) обеспечить высокие пределы статической и динамической устойчивости и интенсивное демпфирование качаний в послеаварийных режимах.

Таким образом, анализ существующих в мире типов АРВ показывает, что в их основе лежит единый принцип предусматривающий пропорционально -дифференциальный (ПД) закон регулирования по отклонению напряжения в сочетании с местными отрицательными обратными связями по напряжению и производной тока возбуждения и стабилизацией по производным режимных параметров

15 стр., 7237 слов

Оптимизация параметров системы охлаждения силового масляного трансформатора

... по результатам соответствующих расчетов. Поэтому в ходе выполнения бакалаврской работы будут решаться следующие основные задачи, связанные с выполнением соответствующих расчетов: 1. Электромагнитный расчет трансформатора. 2. Тепловой расчет трансформатора с системой охлаждения Д. 3. Тепловой расчет трансформатора с системой ...

Переход к цифровым методам регулирования и использованию микроЭВМ стимулирует поиск новых алгоритмов и структур, в том числе — перестраиваемых [15].

Цифровые АРВ в которых соответствующие алгоритмы управления реализуются программным путем открывают возможности адаптации законов регулирования к условиям работы генератора в конкретных схемах его связи с энергосистемой и режимами работы последней [3,27,45]. Первый цифровой АРВ-СД был создан в 1978 году. Использование новой структуры АРВ, в частности, пропорционально-интегрально- дифференциального (ПИД) закона регулирования напряжения, обусловливает существенное улучшение характеристик данных регуляторов

1. Исторические сведения развития систем возбуждения и автоматических регуляторов возбуждения

Синхронная машина, система возбуждения и автоматический регулятор возбуждения представляют собой единый комплекс, обеспечивающий эффективную работу генераторов и двигателей. На протяжении длительного времени в качестве возбудителя крупных синхронных машин использовались коллекторные генераторы постоянного тока. Они обычно размещались на общем валу с главной машиной. Реже возбудитель входил в состав отдельного агрегата, состоящего из генератора и асинхронного двигателя. Коллекторы генераторов постоянного тока требовали систематического ухода. Генераторы имели значительную электромагнитную инерционность

Выпускаемые системы возбуждения разрабатываются строго в соответствии с ГОСТ 21558-2000 «Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. Общие технические условия». Для соответствия стандарту ОАО «СО ЕЭС» применяемый регулятор возбуждения АРВ — СДЕ в 2012 году прошел испытания в ОАО «НИИПТ», по результатам которых рекомендован для применения на территории России.

В послевоенные годы в нашей стране начались пионерские работы по использованию управляемых вентилей вместо механических коммутаторов-коллекторов. Сначала исследования проводились на лабораторных установках, а затем были созданы и проверены в эксплуатации опытно-промышленные ионные возбудители. В Ленэнерго такая установка была выполнена для гидрогенератора мощностью 33 МВ∙А Нижнесвирской ГЭС- Разработка и испытания проходили под руководством И.А. Глебова и С.Ф. Зонова. Авторство и руководство в создании и испытании опытно-промышленной системы ионного возбуждения турбогенератора мощностью 3 МВт на ТЭЦ № 7 Мосэнерго принадлежат Ю.А. Шмайну, Опытно-промышленная установка гидрогенератора мощностью 55 МВт для Рыбинской ГЭС была создана и испытана с участием В.Я. Масольда. В-первых двух установках использовались ртутные вентили — игнитроны, а в третьей — откачные ртутные вентили. В первой и третьей установках выпрямители подключались к вспомогательным синхронным генераторам, а во второй установке — к трансформатору. получавшему питание от сети.

После проведения всесторонних испытаний и накопления опыта эксплуатации в 1957— 1967 гг. начались разработка и создание систем ионного возбуждения для мощных гидрогенераторов ряда ГЭС (Волжские, Братская, Нурекская, Усть-Илимская, Красноярская. Саяно-Шушснская, Ингушская, Канчагайская, Саратовская, Кременчугская, Асуанская) и для турбогенератора мощностью 30 МВт ТЭЦ-16 Мосэнерго, а также для мощных синхронных компенсаторов (75 и 100 МВ∙А).

17 стр., 8479 слов

Обслуживание и ремонт электрических двигателей (ремонт синхронного ...

... полюсами, имеющими ферромагнитные сердечники с насаженными на них многовит-ковыми катушками возбуждения. Роторы синхронных машин, рассчитанных на частоту вращения 1500 и 3000 об/мин и ... электромеханике должен знать назначение и технические характеристики основных элементов и устройств систем электрических машин, а также электрооборудования, кабельные и электроизоляционные изделия, электрические ...

В связи с отсутствием в то время тиристоров выпрямители создавались на основе ртутных вентилей производства завода «Уралэлектротяжмаш». Их номинальный ток составлял 500 А, а напряжение 2500 В. В системах ионного возбуждения гидрогенераторов применялись вспомогательные синхронные генераторы. Они размещались между крестовиной и активной частью гидрогенератора. Их особенностью является то, что они имеют большой диаметр и малую длину. Так, например, наружный диаметр генератора Волжской ГЭС в районе г. Самары равен 850 см, а длина его сердечника 24 см.

Вспомогательные синхронные генераторы были разработаны и созданы на заводе «Электросила».

В связи с высокой кратностью форсирования (предельное напряжение возбуждения равно четырехкратному значению номинального напряжения) и практически безынерционным действием управляемых вентилей был достигнут наиболее высокий уровень динамической устойчивости машин и линий электропередачи.

Наряду с разработками систем возбуждения для гидрогенераторов велись разработки систем ионного возбуждения для синхронных компенсаторов, которые были применены для подстанций на приемном конце линий электропередачи главным образом напряжением 500 кВ.

Широкое внедрение систем возбуждения с управляемыми преобразователями вместо электромашинных возбудителей было осуществлено впервые в мире в нашей стране. В дальнейшем переход на системы возбуждения с управляемыми вентилями был сделан и в зарубежной практике электромашиностроения.

Наибольший вклад в реализацию нового важного технического направления внесли И. А. Глебов (разработка теории, исследования на опытно-промышленной установке и на электродинамической модели); Е.М. Глух, М.А. Смирнитский, Г.В. Чалый, Ю.А. Шмайн, Е.Л. Эттингер (разработка, испытания и исследования на промышленных установках); А.И. Казанцев, Л.С. Флейшман (разработка и создание оборудования); В.Я. Масольд (наладочные работы и испытания на опытно-промышленной установке).

Всем указанным специалистам была присуждена Государственная премия СССР за 1968 г.

После освоения полупроводниковых вентилей дальнейшее развитие систем возбуждения гидрогенераторов, турбогенераторов, синхронных компенсаторов и крупных синхронных машин проходило на основе использования кремниевых тиристоров и диодов.

Одна из первых и самых крупных тиристорных систем возбуждения гидрогенераторов была смонтирована на Красноярской ГЭС. Разработка системы была сделана ВПИИэлсктромашем совместно с производственным объединением «Уралэлектротяжмаш». Ее внедрение было осуществлено в 1976 г. при самом активном участии персонала ГЭС во главе с В.И. Брызгаловым.

  1. Общие сведения о системах возбуждения и автоматических регуляторах возбуждения.

Системы возбуждения относятся к числу наиболее ответственных элементов генератора. Несмотря на то, что относительная мощность возбудителей невелика и составляет всего 0,4—0,6 % мощности генераторов, их характеристики существенно влияют как на устойчивость работы генераторов, так и на устойчивость двигательной нагрузки собственных нужд электростанции. Последнее очень существенно для обеспечения устойчивости технологического режима мощных блочных станций.

8 стр., 3782 слов

Новые современные типы генераторов

... возбуждения или воздействием на цепь возбуждения возбудителя. В другом типе возбудителя электрических машин переменное напряжение от вспомогательного генератора, ... генераторы переменного тока устанавливают на электростанциях (турбогенератор, гидрогенератор); генераторы переменного тока относительно небольшой мощности работают в системах ... в конструкциях современных синхронных генераторов, двигателей и ...

Системы возбуждения должны отвечать следующим общим требованиям: обеспечивать надежное питание обмотки возбуждения синхронного генератора в нормальных и аварийных режимах; допускать регулирование напряжения возбуждения в заданных пределах; обеспечивать быстродействующее автоматическое регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах; осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимости производить гашение поля в аварийных режимах.

Допустимая длительность форсировочного режима с предельным током возбуждения зависит от системы охлаждения генератора и должна быть не меньше 50 с при косвенной системе охлаждения, 30 с при непосредственном охлаждении ротора и косвенном охлаждении статора, 20 с при непосредственном охлаждении ротора и статора.

Системы возбуждения подразделяются на электромашинные и вентильные. В электромашинной системе возбуждения источником постоянного тока является вспомогательный генератор постоянного тока — возбудитель, непосредственно связанный с валом главного синхронного генератора или приводимый независимым двигателем, синхронным или асинхронным. В вентильной системе источником выпрямленного тока являются ртутные или полупроводниковые вентили, получающие питание от вспомогательного или главного синхронного генератора.

В зависимости от источника энергии, используемого для возбуждения, все системы разделяются на системы независимого возбуждения и самовозбуждения. Преимущественное применение нашли схемы независимого возбуждения, в которых используется механическая энергия на валу возбуждаемой синхронной машины. В этом случае возбудитель не связан с сетью системы и возбуждение может осуществляться независимо от режима ее работы.

До недавнего времени у генераторов всех типов наибольшее распространение имела электромашинная система возбуждения с генератором постоянного тока, непосредственно соединенным с валом основной машины. Предельная мощность электромашинных возбудителей при частоте вращения 3000 об/мин составляет 500 кВт. Этого достаточно лишь для возбуждения турбогенераторов с косвенным охлаждением мощностью до 150 МВт и турбогенераторов с непосредственным охлаждением до 100 МВт. Уменьшение частоты вращения до 750 об/мин позволяет повысить предельную мощность возбудителей до 3 МВт, но требует редуктора, что снижает надежность и увеличивает габариты машинного зала. По этой причине электромашинная система возбуждения с редуктором нашла у нас применение лишь на нескольких турбогенераторах мощностью 300 МВт (ТГВ-300 и ТВМ-300).

Электромашинные системы возбуждения снабжаются автоматическим регулятором в виде устройства компаундирования с корректором напряжения, но быстродействие их по сравнению с другими системами является невысоким (кф = 2, постоянная времени возбудителя Тв = 0,3ч-6,0 с).

8 стр., 3630 слов

Генераторы постоянного тока

... В генераторах постоянного тока, как и в других машинах постоянного тока, кроме потерь мощности в обмотках возбуждения, различают следующие виды потерь: механические потери мощности, потери на перемагничивание и вихревые токи магнитопровода якоря, потери мощности в ...

Поэтому такие системы могут быть применены лишь для возбуждения турбогенераторов, к которым не предъявляют повышенных требований в отношении устойчивости.

В настоящее время электромашинные возбудители применяют только на турбогенераторах мощностью до 100 МВт, на гидрогенераторах небольшой мощности и в качестве резервных возбудителей, в том числе и для генераторов с вентильными системами возбуждения.

Полупроводниковая система возбуждения с высокочастотным возбудителем является основной для турбогенераторов серии ТВВ мощностью 165, 200, -300 и 500 МВт. Высокочастотный возбудитель представляет собой сильно компаундированную индукторную машину, возбуждение которой определяется в основном обмоткой: самовозбуждения, включенной последовательно с обмоткой отора генератора.

При переходных процессах свободный ток ротора, протекая по обмотке самовозбуждения, создает необходимый компаундирующий эффект.

Устойчивость работы и регулирование обеспечиваются устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ) и бесконтактной форсировки (УБФ), включенными на одинаковые независимые обмотки возбуждения высокочастотного возбудителя и представляющими собой двухсистемный корректор. УБФ получает питание от статорной обмотки высокочастотного возбудителя, а устройство АРВ—от высокочастотного подвозбудителя. Подвозбудитель (машина с постоянными магнитами) находится на одном валу с возбудителем и основным генератором.