Возбуждение синхронных генераторов
Обмотки роторов синхронных генераторов получают питание от специальных источников постоянного тока, называемых возбудителями.
Мощность возбудителей составляет 0,3-1% мощности генератора, а номинальное напряжение — от 100 до 650 В. Чем мощнее генератор, тем обычно больше номинальное напряжение возбуждения.
Современные схемы возбуждения кроме возбудителя содержат большое количество вспомогательного оборудования. Совокупность возбудителя, вспомогательных и регулирующих устройств принято называть системой возбуждения.
Электрическое соединение возбудителя с обмоткой ротора генератора выполняется преимущественно при помощи контактных колец и щеток. Созданы и применяются бесщеточные системы возбуждения.
Системы возбуждения должны быть надежными и экономичными, допускать регулирование тока возбуждения в необходимых пределах, быть достаточно быстродействующими, а также обеспечивать потолочное возбуждение при возникновении аварии в сети.
Регулируя ток возбуждения, изменяют напряжение синхронного генератора и отдаваемую им в сеть реактивную мощность. Регулирование возбуждения генератора позволяет повысить устойчивость параллельной работы.
При глубоких снижениях напряжения, которые имеют место, например, при коротких замыканиях, применяется форсировка (быстрое увеличение) возбуждения генераторов, что способствует прекращению электрических качаний и сохранению устойчивости параллельной работы генераторов. Кроме того, быстродействующее регулирование и форсировка возбуждения повышают надежность работы релейной защиты и облегчают условия самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций.
Рис.1. Изменение напряжения возбуждения при форсировке
Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V = 0,632(Uf,пот — Uf,ном) / Uf,номt1 (рис.1), и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения Uf,пот / Uf,ном = kф — так называемая кратность форсировки.
Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь kф≥2, а скорость нарастания возбуждения не менее 2 1/с. Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 1/с для гидрогенераторов до 4 MBА включительно и не менее 1,5 1/с для гидрогенераторов больших мощностей.
Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние электропередачи, к системам возбуждения предъявляется более высокое требование (kф=3-4, скорость нарастания возбуждения до 10Uf,ном в секунду).
Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов 800-1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт — 10 с (ГОСТ533-85Е).
Системы возбуждения генераторов можно разделить на две группы: независимое возбуждение и самовозбуждение (зависимое возбуждение).
К первой группе относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом генератора. Вторую группу составляют системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы. К этой группе могут быть отнесены системы возбуждения с отдельно установленными электромашинными возбудителями, приводимыми во вращение электродвигателями переменного тока, которые получают питание от шин собственных нужд электростанций.
Независимое возбуждение генераторов
Независимое возбуждение генераторов получило наибольшее распространение. Основное достоинство этого способа состоит в том, что возбуждение синхронного генератора не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным.
На генераторах мощностью до 100 МВт включительно применяют, как правило, в качестве возбудителя генератор постоянного тока, соединенный с валом синхронного генератора (рис.2).
Рис.2. Принципиальная схема независимого электромашинного возбуждения генератора
Возбуждение самого возбудителя выполнено по схеме самовозбуждения (обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря самого возбудителя). Регулирование возбуждения возбудителя осуществляется вручную шунтовым реостатом RR, установленным в цепи LGE, или автоматически регулятором возбуждения АРВ.
Недостатки системы возбуждения с генератором постоянного тока определяются в основном недостатками самого возбудителя. Одним из недостатков является сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения, особенно у возбудителей гидрогенераторов, которые имеют низкую частоту вращения (V=1-2 1/с).
Другой недостаток рассматриваемой системы возбуждения характерен для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения. Он обусловлен снижением надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток и коллектора (условий коммутации).
Для турбогенераторов мощностью выше 165 МВт мощность возбуждения становится настолько значительной, что выполнить надежно работающий генератор постоянного тока на частоту вращения 3000 об/мин по условиям коммутации становится затруднительным.
Для снижения частоты вращения возбудителя с целью повышения надежности его работы иногда выполняют соединение возбудителя с валом генератора через редуктор. Такая система была применена для ряда турбогенераторов, в том числе и для генераторов ТГВ-300 и ТВМ-300. Недостатком этой системы возбуждения является наличие дополнительной механической передачи.
Для возбуждения крупных генераторов в СССР применяются системы возбуждения с полупроводниковыми выпрямителями.
В системе возбуждения с использованием полупроводниковых выпрямителей с валом турбогенератора сочленен вспомогательный генератор, напряжение которого выпрямляется и подводится к обмотке ротора турбогенератора (рис.3).
Рис.3. Принципиальная схема высокочастотного возбуждения турбогенератора
В качестве вспомогательного генератора применяется высокочастотный генератор индукторного типа. Такой генератор не имеет обмотки на вращающемся роторе, что повышает его надежность в эксплуатации. Повышенная частота (500 Гц) позволяет уменьшить габариты и повысить быстродействие системы возбуждения.
Индукторный высокочастотный генератор-возбудитель ВГТ имеет три обмотки возбуждения, расположенные вместе с трехфазной обмоткой переменного тока на неподвижном статоре. Первая из них LGE1 включается последовательно с обмоткой ротора основного генератора LG и обеспечивает основное возбуждение ВГТ. Благодаря включению LGE1 последовательно с обмоткой ротора основного генератора обеспечивается резкое увеличение возбуждения ВГТ при коротких замыканиях в энергосистеме вследствие броска тока в роторе. Обмотки IGE2 и LGЕЗ получают питание от высокочастотного подвозбудителя GEA через выпрямители. Подвозбудитель (высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами), как и вспомогательный генератор ВГТ, соединен с валом турбогенератора.
Регулирование тока в LGE2 и LGE3 осуществляется с помощью двух устройств — соответственно регуляторов электромагнитного типа АРВ (автоматический регулятор возбуждения) и УБФ (устройство бесконтактной форсировки возбуждения).
Устройство АРВ обеспечивает поддержание напряжения генератора в нормальном режиме работы изменением тока в обмотке LGE2. Устройство УБФ обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжений более чем на 5%.
Высокочастотная система возбуждения обеспечивает kф=2 и скорость нарастания напряжения возбуждения не менее 2 1/с.
Рис.4. Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения генераторов
Принципиальная схема системы независимого тиристорного возбуждения (ТН) представлена на рис.4. На одном валу с генератором G располагается синхронный вспомогательный генератор GE, который имеет на статоре трехфазную обмотку с отпайками. В схеме, показанной на рис.4, имеются две группы тиристоров: рабочая VS1 и форсировочная VS2. На стороне переменного тока они включены на разное напряжение, на стороне постоянного тока — параллельно. Возбуждение генератора в нормальном режиме обеспечивает рабочая группа тиристоров VS1, которые открываются подачей на управляющий электрод соответствующего потенциала.
Форсировочная группа при этом почти закрыта. В режиме форсировки возбуждения тиристоры FS2, питающиеся от полного напряжения вспомогательного генератора, открываются полностью и дают весь ток форсировки. Рабочая группа при этом запирается более высоким напряжением форсировочной группы.
Рассмотренная система имеет наибольшее быстродействие по сравнению с другими системами и позволяет получить kф>2. Системы независимого тиристорного возбуждения нашли широкое применение. Ранее, до освоения отечественной промышленностью производства тиристоров достаточной мощности, по аналогичным схемам выполнялись схемы ионного независимого возбуждения (ИН), где применялись ртутные вентили с сеточным управлением.
Все генераторы с рассмотренными выше возбудителями имеют специальную конструкцию для подвода тока к обмотке ротора. Она представляет собой контактные кольца на валу ротора, к которым ток подводится с помощью щеток. Такая контактная система недостаточно надежна. Этот недостаток особенно проявляется при токах возбуждения 3000 А и более (генераторы мощностью 300 МВт и больше).
Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, является система бесщеточного возбуждения, не обладающая указанными недостатками. В этой системе возбуждения, сущность которой поясняет рис.5, нет подвижных контактных соединений.
Рис.5. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения генераторов
Источником энергии для питания обмотки ротора LG является вспомогательный синхронный генератор GE. Этот генератор выполнен по типу обратимых машин, т.е. обмотка переменного тока расположена на вращающейся части, а обмотка возбуждения неподвижна. Возбуждение генератора GE осуществляется от возбудителя GEA.
Ток от вращающейся обмотки переменного тока вспомогательного генератора подводится через проводники, закрепленные на валу, к вращающемуся полупроводниковому (обычно кремниевому) выпрямителю. Выпрямленный ток подводится непосредственно к обмотке возбуждения основного генератора.
Регулирование тока возбуждения в обмотке ротора LG производится изменением тока в обмотке возбуждения вспомогательного генератора LGE.
Вращающийся полупроводниковый преобразователь VD снаружи закрывается звукопоглощающим кожухом.
Система бесщеточного возбуждения интенсивно совершенствуется и является перспективной для генераторов всех типов, особенно для турбогенераторов большой мощности (300-1200 МВт).
Системы самовозбуждения
Системы самовозбуждения менее надежны, чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока. Короткие замыкания в сети, сопровождающиеся понижением напряжения, нарушают нормальную работу системы возбуждения, которая именно в этих случаях должна обеспечить форсировку тока в обмотке ротора генератора.
Рис.6. Принципиальная схема зависимого электромашинного возбуждения
Принципиальная схема возбуждения синхронного генератора с электромашинным возбудительным агрегатом показана на рис.6. Возбудительный агрегат состоит из асинхронного двигателя М, питающегося от шин собственных нужд электростанции и генератора постоянного тока GE. Для повышения надежности работы возбудительного агрегата при форсировке возбуждения асинхронный двигатель, вращающий возбудитель GE, выбирается с необходимой перегрузочной способностью.
Такие возбудительные агрегаты получили широкое распространение на электростанциях в качестве резервных источников возбуждения.
Рис.7. Принципиальная схема полупроводникового самовозбуждения
Один из возможных вариантов схем самовозбуждения с полупроводниковыми преобразователями представлен на рис.7.
Основными элементами схемы являются: две группы полупроводниковых преобразователей — неуправляемые вентили VD и управляемые VS, трансформатор силового компаундирования ТА и выпрямительный трансформатор ТЕ.
Неуправляемые вентили VD получают питание от трансформаторов ТА, вторичный ток которых пропорционален току статора генератора, управляемые вентили VS получают питание от трансформатора ТЕ, вторичное напряжение которого пропорционально напряжению генератора.
Вентили VD, ток которых пропорционален току статора генератора, обеспечивают возбуждение машины при нагрузке и форсировку возбуждения при коротких замыканиях. Мощность вентилей VS рассчитывают таким образом, чтобы она была достаточна для возбуждения генераторов на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме. В номинальном режиме неуправляемые вентили обеспечивают 70-80% тока возбуждения генератора. При надлежащем выборе параметров система полупроводникового самовозбуждения по своим свойствам приближается к системе независимого тиристорного (ионного) возбуждения и поэтому применяется на мощных синхронных машинах. Ранее промышленность широко выпускала системы ионного самовозбуждения с ртутными вентилями.
Возбуждаем генератор (LADA Samara и подобные)
Если отвечать на вопрос коротко, можно ли подвести возбуждение от аккумулятора, то да, можно, но через диод.
Более подробно. Если вдруг пропало возбуждение генератора, то можно подвести напряжение от аккумулятора ко входу D генератора во время или сразу после запуска двигателя. Вскоре исправный генератор должен перейти в режим самовозбуждения от вырабатываемого им самим напряжения. Подключать нужно через диод, но не напрямую, иначе рискуете спалить допдиоды генератора. И естественно, только при включенном зажигании, иначе посадите аккумулятор во время стоянки.
Теперь совсем подробно. Сам по себе, просто посредством вращения ротора, генератор не станет вырабатывать напряжение. Чтобы он начал это делать, его нужно возбудить — «дать пинка», и для этого в нём есть обмотка возбуждения, которая потребляет некоторый ток. Напряжение на неё подводится через контакт D генератора и регулятор напряжения. Регулятор также отключает обмотку при превышении вырабатываемого напряжения, собственно в этом и вся его функция.
Есть 2 режима питания обмотки возбуждения. Стартовый, когда двигатель запускается; и рабочий, когда генератор уже работает. В первом случае питание на обмотку подается от аккумулятора через лампу контроля заряда и последовательно включенный с ней диод. Во втором случае, когда генератор начал вырабатывать напряжение, питание обмотки идёт через его 3 дополнительных диода — автономно.
Бывает, что генератор не хочет возбуждаться.
Самый первый и простой возможный вариант здесь — проверить клемму контакте D генератора, там может быть плохой контакт, всё очень просто: поджимаем, зачищаем, радуемся.
Другой вариант: перегорела контрольная лампа заряда. Естественно, её можно заменить. Но если менять сейчас ну никак, в дороге например, есть следующие варианты:
— «газануть», и вполне вероятно, что генератор возбудится, благодаря остаточной намагниченности;
— подать напряжение на обмотку возбуждения искусственно, т.е. отдельным проводом с аккумулятора.
Вот о последнем способе и поговорим.
Берём провод, последовательно с ним диод и подключаем от плюса аккумулятора к D-контакту генератора. Если генератор исправен, он перейдет в автономный режим, и провод можно будет отключить.
Теперь главное: нахрена козе баян зачем нужен диод. А нужен он для того, чтобы не убить дополнительные диоды. Посмотрим схему:
Обмотка возбуждения ВАЗ-2108 и подобных автомобилей питается не от основных диодов, а от дополнительных, специально для неё предназначенных (на схеме — слева горизонтально). Эти диоды рассчитаны на небольшой ток. Если пробежаться по схеме, то видно, что никуда более, чем на обмотку возбуждения, ток с них попасть не может.
Если же мы подключим «+» аккумулятора прямо к D-контакту (он же 61), и генератор возбудится и начнёт вырабатывать напряжение, то ток потечёт как через 3 основных диода, так и через 3 дополнительных — параллельно. И потечёт он на всю нагрузку автомобиля! А допдиоды слаботочные, и они элементарно могут сгореть, что повлечёт полную потерю возбуждения и замену диодного моста или по крайней мере этих диодов.
Если же мы запитываем обмотку через диод, то он допускает ток только от аккумулятора, но не наоборот.
Возвращаясь к моему спору с тем человеком, который утверждал, что «похрен через диод, через лампу или предохранитель». Да, похрен, но только если это касается генераторов без допдиодов обмотки возбуждения, а это генераторы ВАЗ-2101, некоторой «классики», «камазовские» и возможно какие-то ещё. Да, в таких генераторах обмотка запитана прямо от основных диодов, а им в свою очередь откровенно пофиг, какой ток через них идёт — они же и служат для основного питания. Но такое не прокатит на «переднем приводе»!
И ещё, если обратить внимание на первую схему, то там зелёным выделены 2 резистора и диод. Эта группа также может давать стартовое возбуждение, даже если перегорела лампа контроля заряда — фактически это обход. А диод в ней предотвращает запитывание всей нагрузки в обратном направлении: от допдиодов на остальную схему автомобиля.
Кстати, эта группа есть не на всех схемах LADA Samara. В частности здесь приведена схема ВАЗ-2114, но на схеме ВАЗ-2108 (первые выпуски) есть только резисторы, а на схеме ВАЗ-2115 этой группы нет вообще. На ВАЗ-2110 также такого обхода уже, увы, нет, так что если лампа контроля заряда перегорела (что можно и не заметить), то всё — только внешнее возбуждение или «прогазовка».
Отсюда, кстати, мораль: следите за исправностью этой лампы, а то можно в дороге остаться с севшим аккумулятором, не заметив, что генератор не даёт зарядку.
И мораль номер два: при замене этой лампы на светодиод, питание на обмотку возбуждения также не пойдёт!
Ну и разумеется, если видны явные симптомы неисправности генератора, не нужно делать костыли, заводить «левые» провода, да ещё не зная, как всё это устроено — риск может быть велик. Лучше займитесь ремонтом генератора и цепей заряда.
Системы возбуждения генераторов
Магнитное поле ротора, необходимое для создания ЭДС обмотки статора, создаётся постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения. Для питания обмотки возбуждения предназначена система возбуждения, включающая непосредственно обмотку возбуждения, источник постоянного тока, регулирующие и коммутирующие устройства.
Требования к системе возбуждения:
1) надёжное питание постоянным током обмотки возбуждения в любых режимах, в т.ч. и при авариях, обеспечение номинальных напряжения возбуждения ��в ном и тока возбуждения ��в ном, при которых генератор выдаёт ��г ном; номинальная мощность возбуждения обычно составляет: ��в ном = (0,2 − 0,6)% ∙ ��г ном.
2) регулирование тока возбуждения ��в при изменении нагрузки генератора и при авариях в системе;
3) быстродействующая форсировка возбуждения при резком снижении напряжения на выводах статора генератора; форсировочную способность и быстродействие системы возбуждения в процессе форсировки напряжения при авариях в энергосистеме характеризуют:
скорость нарастания напряжения возбудителя: ��в = 0,632 ∙ (��в макс − ��в ном)/��в ном ∙ ��н ,
где ��в макс – максимальное напряжение возбуждения, ��н – время нарастания напряжения возбуждения от ��в ном до значения ��в ном + 0,632 ∙ (��в макс − ��в ном);
к возбудителям предъявляются требования: ��ф ≥ 2, ��в ≥ 2 1/c.
4) быстрое гашение поля возбуждения, например, при отключении генератора от сети.
В зависимости от источника энергии, питающего обмотку возбуждения, применяются следующие типы систем возбуждения:
— электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока;
— высокочастотная система возбуждения (высокочастотный генератор и диодный выпрямитель);
— тиристорная система возбуждения независимая; (генератор переменного тока и тиристорный выпрямитель)
— тиристорная система возбуждения зависимая (напряжение со статора прогоняют через тиристорный выпрямитель);
— бесщёточная система возбуждения (генератор переменного тока и диодный выпрямитель).
1) Электромашинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 3.3).
Источник энергии – возбудитель (В) – генератор постоянного тока, установленный на валу главного генератора (Г) и соединений непосредственно с его обмоткой возбуждения (ОВГ). Обмотка возбуждения возбудителя (ОВВ) выполнена параллельно с ОВГ и питается от самого возбудителя (схема самовозбуждения возбудителя). В случае колебания напряжения в сети или изменении нагрузки, при внешних коротких замыканиях регулирование возбуждения осуществляется через автоматический регулятор возбуждения (АРВ) путём изменения постоянного тока в обмотке возбуждения возбудителя (ОВВ). Например, при просадке напряжения на выводах Г действие АРВ увеличивает ток в ОВВ, что приводит к увеличению напряжения возбуждения и тока в ОВГ, вследствие чего увеличивается ЭДС и напряжение на трёхфазной обмотке статора.
Схема содержит небольшое количество оборудования, проста, экономична, надёжна, так как электрически не связана с электрической сетью. Но из-за наличия контактных колец (КК) и щёток надёжность её снижается. Недостатком является и то, что схема не может быть использована для мощных генераторов. Электрические соединение В и ОВГ осуществляется с помощью контактных колец и щёток. По условиям надёжной коммутации токов предельная мощность возбудителя постоянного тока при частоте 3000 об/мин составляет до 500 кВт, что соответствует мощности генератора порядка 100-160 МВт. Это можно пояснить на примере: приняв ��в ном = 500 кВт и ��в ном = 0,5%��г ном, получим ��г ном = 500кВт/0,005 = 100 МВт.
Параметры электромашинной системы возбуждения: ��в = 2 1/с, ��ф = 2.
2) Высокочастотная система возбуждения или электромашинная система возбуждения с генератором переменного тока (рис. 3.4). (На лекции вообще не разбирали, но сюда впишу, потому что она упоминала её).
Возбудитель (В) – генератор переменного тока повышенной частоты 500 Гц и диодный выпрямитель (ДВ). Применение высокочастотного генератора позволяет уменьшить пульсации выпрямленного тока, снизить габаритные размеры возбудителя, повысить надёжность системы возбуждения. Дело в том, что на частоте 500 Гц становится возможным выполнить возбудитель индукторного типа, у которого и обмотка возбуждения и трёхфазная обмотка статора находятся в пазах неподвижного статора. Поэтому В не имеет контактных колец со щётками, что повышает надёжность его работы.
Ротор В имеет форму 10 пар полюсов. При его вращении в обмотках переменного тока индуцируется ЭДС частотой f=500 Гц (при p=10 n=3000 об/мин). Далее переменный ток выпрямляется ДВ и питает ОВГ. Возбудитель располагается на одном валу с генератором. Система возбуждения не связана с основной сетью, что также повышает её надёжность.
Возбудитель имеет три ОВВ, расположенные вместе с трёхфазной обмоткой на неподвижном статоре:
ОВВ1 – обеспечивает основное возбуждение В по схеме самовозбуждения при повреждениях во внешней сети, включается последовательно с ОВГ;
ОВВ2 – обеспечивает дополнительное возбуждение от АРВ при колебаниях напряжения и изменениях нагрузки в сети (для поддержания напряжения в генераторе в нормальном режиме);
ОВВ3 – обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжения на 5% и более.
Подвозбудитель (ПВ) – высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами, обеспечивает возбуждение возбудителя.
Параметры системы возбуждения: ��в = (2 ÷ 4) 1/с, ��ф = 2. По быстродействию эквивалентна электромашинной системе возбуждения с генератором постоянного тока, поэтому применена лишь на некоторых турбогенераторах мощностью до 300 МВт.
Тиристорная система возбуждения
Название системы возбуждения происходит от тиристоров, используемых в качестве управляемых выпрямителей. Различают два варианта тиристорного возбуждения:
— тиристорная система независимого возбуждения (с питанием от вспомогательного генератора переменного тока),
— тиристорная система самовозбуждения (с питанием от главного генератора).
3) В тиристорной системе независимого возбуждения (рис. 3.5) возбудителем (В) является генератор переменного тока промышленной частоты, расположенный на одном валу с возбуждаемым генератором, и тиристорный выпрямитель (ТВ). Регулирование возбуждения осуществляется от АРВ с помощью управляемых вентилей — тиристоров. В ТВ есть рабочая группа тиристоров, которая обеспечивает основное возбуждение в нормальном режиме и форсировочная группа для форсировки возбуждения и гашения поля генератора в аварийном режиме. Возбуждение возбудителя обеспечивает генератор постоянного тока — подвозбудитель (ПВ), но возбудитель может работать и по схеме самовозбуждения.
Схема имеет высокое быстродействие ��в ≤ 50 1/с и высокую кратность форсировки ��ф ≤ 4. Чтобы иметь такую высокую кратность форсировки, нужно иметь напряжение возбудителя на заданную кратность форсировки. При полном открытии тиристоров это напряжение сразу прикладывается в ОВГ. В нормальном режиме тиристоры открыты не полностью и к ОВГ прикладывается ��в ном.
Система возбуждения электрически не связана с основной сетью – это определяет её надёжность, но при этом имеется ненадёжный щёточный элемент. Также к недостаткам можно отнести дороговизну и сложность схемы из-за наличия возбудителя переменного тока (по сравнению со системой самовозбуждения).
Применяется для генераторов мощностью 200, 300, 500, 800 МВт.
4) В тиристорной системе самовозбуждения источником возбуждения является цепь статора главного генератора. Питание ОВГ осуществляется от выводов статора Г через понижающие трансформаторы и группы управляемых вентилей – тиристоров (рис. 3.6).
Основные элементы схемы:
— выпрямительный трёхфазный трансформатор (ВТ), подключенный к выводам обмотки статора генератора,
— последовательный трансформатор (ПТ), первичная обмотка включена последовательно в цепь статора со стороны нулевых выводов генератора,
— рабочая группа вентилей (ВР), обеспечивает основное возбуждение в нормальном режиме,
— форсировочная группа вентилей (ВФ), обеспечивает возбуждение при форсировке и гашение поля в аварийных режимах.
Тиристоры группы ВР получают питание от ВТ, который используется для подачи переменного тока в сеть меньшего напряжения, ��2 ВТ
��Г . Мощность тиристоров группы ВР рассчитывают так, чтобы она была достаточна для возбуждения генератора на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме, которое осуществляется с помощью АРВ. В номинальном режиме тиристоры обеспечивают (70-80)% от ��в ном. Остальное возбуждение обеспечивают с помощью группы ВФ.
У схемы есть недостаток — зависимость работы возбудителя от режима внешней сети. При к.з. вблизи генератора напряжение на его выводах ��Г падает, а вслед за ним уменьшается значение ��2 ВТ. Это нарушает работу системы возбуждения, которая должна обеспечивать форсировку тока возбуждения в ОВ. Но при к.з вблизи генератора увеличивается ��Г, а ��2 ПТ
��Г. Поэтому используется группа ВФ, при форсировке эта группа полностью открывается и даёт весь ток форсировки. Такое сочетание ПТ и ВТ повышает надёжность схемы. При гашении поля группа ВФ переводится в инверторный режим.
Схема проста, широко применяется, экономичнее независимой СВ, также имеет высокую кратность форсировки и быстродействие, которое ограничено лишь инерционностью системы управления тиристорами. Но схема не лишена недостатков: первоначальный пуск генератора осуществляется от дополнительного источника (а дальше перевод на самовозбуждение), работа системы возбуждения зависит от режима работы внешней сети.
Параметры системы возбуждения: ��в ≤ 30 1/с, ��ф ≤ 4 (но в пособии написано > 4).
Применятся для генераторов мощностью до 800 МВт.
5) Бесщёточная система возбуждения.
Возбудитель – синхронный генератор повышенной частоты, расположенный на валу главного генератора и выполненный по типу обратимой машины: обмотка возбуждения расположена на статоре, а обмотка переменного тока на роторе. Ротор возбудителя с диодным выпрямителем ДВ жёстко соединён с ротором генератора. Таким образом, ток от вращающейся обмотки переменного тока В подводится к вращающемуся ДВ, и выпрямленный ток подаётся непосредственно к ОВГ без контактных колец и щёток.
Регулирование тока возбуждения осуществляется от АРВ путём воздействия на тиристоры в цепи обмотки возбуждения возбудителя.
Система надёжна, но не очень компактна.
Достоинством является отсутствие контактных колец и щёток, а недостатком – необходимость останавливать генератор для переключения на резервное возбуждение и медленное гашение поля генератора.
Параметры системы возбуждения: ��в ≥ 2 1/с, ��ф ≤ 2,5. (в пособии ��ф ≥ 2).
Устройство автомобильного генератора и его проверка
Устройство и принцип работы автомобильного генератора
Электрооборудование любого автомобиля включает в себя генератор — устройство, преобразующее механическую энергию, получаемую от двигателя, в электрическую. Вместе с регулятором напряжения он называется генераторной установкой. На современные автомобили устанавливаются генераторы переменного тока. Они в наибольшей степени отвечают предъявляемым требованиям.
Требования, предъявляемые к генератору:
выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи;
напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.
Последнее требование вызвано тем, что аккумуляторная батарея весьма чувствительна к степени стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение вызывает недозаряд батареи и, как следствие, затруднения с пуском двигателя, слишком высокое напряжение приводит к перезаряду батареи и, ускоренному выходу ее из строя.
Принцип работы генератора и его принципиальное конструктивное устройство одинаковы для всех автомобилей, отличаются только качеством изготовления, габаритами и расположением присоединительных узлов.
1
Основные части генератора:
1. Шкив – служит для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора посредством ремня;
2. Корпус генератора состоит из двух крышек: передняя (со стороны шкива) и задняя (со стороны контактных колец), предназначены для крепления статора, установки генератора на двигателе и размещения подшипников (опор) ротора. На задней крышке размещаются выпрямитель, щеточный узел, регулятор напряжения (если он встроенный) и внешние выводы для подключения к системе электрооборудования;
3. Ротор — стальной вал с расположенными на нем двумя стальными втулками кпювообразной формы. Между ними находится обмотка возбуждения, выводы которой соединены с контактными кольцами. Генераторы оборудованы преимущественно цилиндрическими медными контактными кольцами;
4. Статор — пакет, набранный из стальных листов, имеющий форму трубы. В его пазах расположена трехфазная обмотка, в которой вырабатывается мощность генератора;
5. Сборка с выпрямительными диодами — объединяет шесть мощных диодов, запрессованных по три в положительный и отрицательный теплоотводы;
6. Регулятор напряжения — устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети автомобиля в заданных пределах при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды;
7. Щеточный узел – съемная пластмассовая конструкция. В ней установлены подпружиненные щетки, контактирующие с кольцами ротора;
8. Защитная крышка диодного модуля.
Рассмотрим электрическую схему соединения элементов генератора.
2
Принципиальная электрическая схема генераторной установки:
1. Включатель зажигания;
2. Помехоподавляющий конденсатор;
3. Аккумуляторная батарея;
4. Лампа-индикатор исправности генератора;
5. Положительные диоды силового выпрямителя;
6. Отрицательные диоды силового выпрямителя;
7. Диоды обмотки возбуждения;
8. Обмотки трех фаз статора;
9. Обмотка возбуждения(ротор);
10. Щеточный узел;
11. Регулятор напряжения;
B+ Выход генератора "+";
B- "Масса" генератора;
D+ Питание обмотки возбуждения, опорное напряжение для регулятора напряжения.
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется электрическое напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного потока. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются источник переменного магнитного поля и катушка, с которой непосредственно будет сниматься переменное напряжение.
Обмотка возбуждения с полюсной системой, валом и контактными кольцами образуют ротор, его важнейшую вращающуюся часть, которая и является источником переменного магнитного поля.
3
Ротор генератора
1. вал ротора;
2. полюса ротора;
3. обмотка возбуждения;
4. контактные кольца.
Полюсная система ротора имеет остаточный магнитный поток, который присутствует даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения. Однако его значение невелико и способно обеспечить самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому, для первоначального намагничивания ротора через его обмотку пропускают небольшой ток от аккумуляторной батареи, обычно через лампу контроля работоспособности генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, чтобы генератор мог возбудиться уже на холостых оборотах двигателя. Исходя из этих соображений, мощность контрольной лампы обычно составляет 2…3 Вт. После того, как напряжение на обмотках статора достигает рабочей величины, лампа тухнет, и питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении.
Выходное напряжение снимается с обмоток статора. При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно "северный" и "южный" полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку статора, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения зависит от частоты вращения ротора генератора и числа его пар полюсов.
4
Статор генератора
1. обмотка статора;
2. выводы обмоток;
3. магнитопровод.
Обмотка статора трехфазная. Она состоит из трех отдельных обмоток, называемых обмотками фаз или просто фазами, намотанных по определенной технологии на магнитопровод. Напряжение и токи в обмотках смещены друг относительно друга на треть периода, т.е. на 120 электрических градусов, как это показано на рисунке.
5
Осциллограммы фазовых напряжений обмоток
U1, U2, U3 – напряжения обмоток;
Т – период сигнала (360 градусов);
F – фаза смещения (120 градусов).
Фазовые обмотки могут соединяться в "звезду" или "треугольник".
6
Виды соединения обмоток
1. «звездой»;
2. «треугольником».
При соединении в "треугольник" ток в каждой из обмоток в 1,7 раза меньше тока, отдаваемого генератором. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках при соединении в "треугольник" значительно меньше, чем у "звезды". Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение в "треугольник", т. к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Более тонкий провод можно применять и при соединении типа "звезда". В этом случае обмотку выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в "звезду", т. е. получается "двойная звезда".
Для того, чтобы магнитный поток обмотки возбуждения подводился непосредственно к обмотке статора и не рассеивался в пространстве, катушки помещены в пазы стальной конструкции — магнитопровода. Так как переменное магнитное поле наводится не только в катушках, но и в магнитопроводе статора, то это приводит к возникновению паразитных вихревых токов, которые ведут к потере мощности и нагревают статор. Для уменьшения проявления этого эффекта магнитопровод изготавливают из набора стальных пластин (пакета железа).
Бортовая сеть автомобиля требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель, встроенный в генератор. Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых соединены с выводом "+" генератора, а другие три с выводом "—" ("массой"). Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении. Следует обратить внимание на то, что под термином "выпрямительный диод" не всегда скрывается привычная конструкция, имеющая корпус, выводы и т. д. иногда это просто полупроводниковый кремниевый переход, загерметизированный на теплоотводе.
7
Сборка с выпрямительными диодами
1. силовые диоды;
2. дополнительные диоды;
3. теплоотвод.
Многие производители в целях защиты электронных узлов автомобиля от всплесков напряжения заменяют диоды силового моста стабилитронами. Отличие стабилитрона от выпрямительного диода состоит в том, что при воздействии на него напряжения в обратном направлении он не пропускает ток лишь до определенной величины этого напряжения, называемого напряжением стабилизации. Обычно в силовых стабилитронах напряжение стабилизации составляет 25… 30 В. При достижении этого напряжения стабилитроны "пробиваются ", т. е. начинают пропускать ток в обратном направлении, причем в определенных пределах изменения силы этого тока напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на выводе "+" генератора остается неизменным, не достигающем опасных для электронных узлов значений. Свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянство напряжения после "пробоя" используется и в регуляторах напряжения.
Как было отмечено выше, напряжения на обмотках изменяются по кривым, близким к синусоиде и в одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны. Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее то, например, для момента времени t когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы — положительно, а третьей — отрицательно. Направление напряжений фаз соответствует стрелкам показанным на рисунке.
8
Направление токов в обмотках и выпрямителе генератора
Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что в трехфазной системе напряжения, возникающего в обмотках фаз генератора, диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление — от вывода "+" генераторной установки к ее выводу "—" ("массе"), т. е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток.
У значительного количества типов генераторов обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на трех диодах. Такое подключение обмотки возбуждения препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят 6 диодов, три из них общие с силовым выпрямителем (отрицательные диоды). Ток возбуждения значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов обмотки возбуждения применяются малогабаритные слаботочные диоды на ток не более 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25… 35 А).
При необходимости увеличения мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя.
9
Схема генераторной установки с дополнительными диодами
Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в "звезду", т. к. дополнительное плечо запитывается от "нулевой" точки "звезды". Если бы фазные напряжения изменялись чисто по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками — первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшими, главным образом, третьей, частота которой в три раза выше, чем первой.
Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т. е. в том напряжении, которое подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т. е. одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимоуничтожают друг друга в линейном напряжении. Таким образом, третья гармоника в фазном напряжении присутствует, а в линейном — нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения не может быть использована потребителями. Чтобы использовать эту мощность, добавлены диоды, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т. е. к точке где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, эти диоды выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает мощность генератора на 5…15% при частоте вращения более 3000 мин-1.
Напряжение генератора без регулятора сильно зависит от частоты вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а, следовательно, от силы тока в этой обмотке и величины тока, отдаваемого генератором потребителям. Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора, чем больше сила тока его нагрузки — тем меньше это напряжение. Функцией регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет воздействия на ток возбуждения. Ранее применялись вибрационные регуляторы, а затем контактно-транзисторные. Эти два типа регуляторов в настоящее время полностью вытеснены электронными.
Оформление электронных полупроводниковых регуляторов может быть различным, но принцип работы у всех регуляторов одинаков. Конечно, можно изменять ток в цепи возбуждения введением в эту цепь дополнительного резистора, как это делалось в прежних вибрационных регуляторах напряжения, но этот способ связан с потерей мощности в этом резисторе и в электронных регуляторах не применяется. Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети, при этом меняется относительная продолжительность времени включения обмотки возбуждения. Если для стабилизации напряжения требуется уменьшить силу тока возбуждения, время включения обмотки возбуждения уменьшается, если нужно увеличить — увеличивается.
Недостатком приведенного варианта подключения регулятора является то, что регулятор поддерживает напряжение на выводе "D+" генератора, а потребители, в том числе, аккумуляторная батарея, включены на вывод "В+". Кроме того, при таком включении регулятор не воспринимает падения напряжения в соединительных проводах между генератором и аккумуляторной батареей и не вносит корректировок в напряжение генератора, чтобы компенсировать это падение. Эти недостатки устранены в следующей схеме, где напряжение на входную цепь регулятора подается от того узла, где его следует стабилизировать, обычно, это вывод "В+" генератора.
10
Усовершенствованная схема стабилизации напряжения
Некоторые регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации — изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С.
Автор: Евгений Куришко
О том как проверить автомобильный генератор своими руками
Генератор играет в автомобиле очень важную роль, для двигателя он — вроде мини электростанции, которая снабжает всю бортовую сеть автомобиля, включая аккумулятор (АКБ). Неисправность генератора приведет к неминуемой полной разрядке АКБ, после чего двигатель вашего автомобиле просто перестанет работать, равно как и вся бортовая сеть. В итоге вам придется "прикуривать" свой автомобиль или искать новый источник энергии. Очень важно вовремя обнаружить неисправность генератора, для того чтобы не допустить вышеописанного сценария. Для того чтобы произвести диагностику генератора нужно обладать определенными навыками и инструментом. В этой статье я расскажу вас о том, как проверить генератор в домашних условиях при помощи мультиметра.
Для начала о мерах предосторожности и правилах безопасности во время проверки
Нужно быть предельно осторожным и понимать то, что делаешь, для того чтобы нечаянно не повредить генератор или его детали (реле регулятор, диоды выпрямительного моста).
Проверять работоспособность генератора путем проверки его «на искру», то есть методом короткого замыкания.
Соединять клемму «30» (иногда обозначаться как «В+») с клеммой 67 («D+») или «массой».
Допускать работу генератора при выключенных потребителях, например при отключении его от аккумуляторной батареи.
Проверять вентили генератора напряжением выше 12 В.
Можно и нужно:
Проверять исправность генератора при помощи вольтметра или амперметра.
Во время сварочных работ на кузове автомобиля необходимо отключать провода от генератора и АКБ.
Во время замены проводки в системе генератора провода должны иметь такое же сечение и длину как и «родные» провода.
Перед тем как проверить генератор убедитесь в правильном натяжении ремня генератора, а также исправности всех соединений и клемм. Нормальной считается натяжка ремня, при которой нажимая большим пальцем на середину ремня, он прогнется не больше чем на 10-15 мм.
Проверка генератора автомобиля своими руками
Чтобы проверить регулятор напряжения вам потребуется вольтметр со шкалой от 0 до 15 В. Прежде чем приступать к проверке дайте мотору поработать на средних оборотах при включенных фарах примерно 15 минут. Проверьте напряжение между «массой» генератора и выводами «30» («В+»), на вольтметре у вас должно быть нормальное для вашего автомобиля напряжение (для владельцев «девятки» например, нормальным считается напряжение — 13,5 – 14,6 В). Если напряжение выше или ниже установленного производителем — скорее всего придется заменить регулятор. Не лишним будет также проверить регулируемое напряжение, для этого подключите вольтметр непосредственно к клеммам АКБ. Правда, результаты такой проверки нельзя считать на 100% правильными, потому что есть вероятность проблем с проводкой. Если вы уверены в исправности проводки, тогда результатам можно доверять. Мотор должен работать на высоких оборотах, которые приближены к максимальным, фары и другие потребители электроэнергии автомобиля должны быть включенными. Размер напряжения должен совпадать с параметрами вашего автомобиля.
Диодный мост
Проверка диодного моста относится к комплексу проверок генератора. Для того чтобы проверить диодный мост подключите вольтметр или мультиметр к зажиму «30» («В+») генератора, а также к «массе», и включите прибор в режим измерения переменного тока. Переменный ток на диодном мосту не должен превышать 0,5 В, если у вас вышло больше — скорее всего диоды неисправны.
Проверка пробивания на «массу» не будет лишней в случае если "гена компостирует мозги". Для этого необходимо отключить аккумуляторную батарею и провод генератора, который идет к клемме «30» («В+»). После этого подключите прибор между клеммой «30» («В+») и отключенным проводом генератора. Смотрим на показания — если на приборе ток разряда превышает 0,5 мА, скорее всего есть пробой диодов или изоляции обмоток генератора.
Сила тока отдачи
Сила тока отдачи генератора проверяется при помощи специального зонда ("примочка" дополнение к мультиметру в виде зажима или клещей), которым провод охватывают, измеряя тем самым силу тока, идущего по проводу.
Для проверки тока отдачи нужно зондом обхватить провод, который идет к зажиму «30» («В+»).
Заведите двигатель – во время проведения измерения он должен работать на высоких оборотах.
Включайте по очереди электропотребители и считывайте показания прибора отдельно для каждого потребителя.
В конце измерений вам необходимо подсчитать сумму показаний. Далее, включите все потребители (которые вы включали поочередно) одновременно и произведите замер показаний мультиметра. Величина не должна быть меньше суммы показаний отдельно измеренных показателей, допустимое расхождение — 5 А.
Проверка тока возбуждения генератора выполняется посредством запуска двигателя и последующей его работы на высоких оборотах. После чего измерительный зонд помещается вокруг провода, ведущего к клемме 67 («D+»). Исправный генератор должен показать величину тока возбуждения — равную 3-7 А.
Проверка обмотки
Чтобы проверить обмотки возбуждения потребуется снятие регулятора напряжения, а также щеткодержателя. Если будет необходимость произведите зачистку контактных колец и проверьте обмотку на предмет отсутствия обрывов и замыканий на «массу». Проверять необходимо омметром, его щупы прикладываются к контактным кольцам, после чего снимаются показания. Сопротивление должно быть в пределах от 5 до 10 Ом. После подключите один электрод прибора к любому из контактных колец, а другой к статору генератора. На дисплее должна показываться бесконечно высокое сопротивление, в противном случае — обмотка возбуждения где-то замыкает на «массу».