Принцип действия трансформатора фазового компаундирования и корректоров напряжения

Конструктивные особенности, а также непрерывное усовершенствование синхронных генераторов с самовозбуждением привели к многообразию регуляторов. 

Однако принципиально все регуляторы обеспечивают выполнение одних и тех же задач, а именно:

1. автоматическое регулирование напряжения генератора;
2. передачу от обмоток статора через обмотки О1, О2, О3 и выпрямитель В_n (рис. 1) в обмотку ротора энергии, необходимой для питания обмотки возбуждения ротора;
3. самовозбуждение генератора.

Так как функции регуляторов напряжения расширены, то они стали называться системами самовозбуждения и автоматического регулирования тока возбуждения генераторов.

На рис. 1 представлена в общем виде одна из возможных систем самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения судового синхронного генератора.

Рис.1. Система самовозбуждения и автоматического регулирования тока возбуждения генераторов

Система состоит из трансформатора фазового компаундирования ТрФК с тремя основными обмотками O1, O2, O3. Обмотки O1, O2 являются первичными, обмотка O3 — вторичной (выходной). Трансформатор имеет обмотку управления ОУ, включенную на корректор напряжения КН, схема которого не показана.

Выходная обмотка O3 трансформатора подключена на трехфазный выпрямительный мост В_n, от которого подается в обмотку ротора (обозначена штриховой линией) постоянный ток возбуждения.

Процесс самовозбуждения синхронного генератора протекает следующим образом. Благодаря остаточному магнетизму железа ротора, при его вращении в обмотке статора наводится некоторая э. д. с. Под действием этой э. д. с. по обмотке О2 трансформатора течет переменный ток, под действием магнитного поля которого в обмотке О3 также наводится э. д. с.

Под действием последней через выпрямитель В_n и, следовательно, через обмотку ротора потечет ток возбуждения, увеличивающий магнитный поток ротора, э, д. с. в обмотке статора, ток в обмотке О2 и т. д. Так как автомат генератора еще не включен, то обмотка О1 током не обтекается и в процессе самовозбуждения не участвует. Из-за небольшой величины начальной э. д. с., обусловленной остаточным магнетизмом железа, и большого сопротивления обмоток О2, О3 и выпрямителей В_n начальный ток возбуждения может оказаться недостаточным для самовозбуждения генератора. Тогда прибегают к дополнительным мерам, направленным на увеличение начального тока возбуждения (например, подача в ротор постоянного тока от аккумуляторов, установка на генераторе дополнительного генератора начального самовозбуждения и др.).

К окончанию процесса самовозбуждения генератора на его зажимах будет номинальное напряжение, а в обмотке О2 под действием этого напряжения потечет максимальный ток.

После этого можно включать автомат А и нагружать генератор током нагрузки I_a, I_b, I_c. Как известно, это приводит к уменьшению напряжения генератора, но теперь вступает в работу обмотка О1, которая создает магнитный поток, наводящий в обмотке О3 дополнительную э. д. с., что вызывает увеличение тока возбуждения в обмотке ротора и восстанавливает напряжение генератора до заданной величины.

Регулирование напряжения генератора трансформатором фазового компаундирования

Теперь рассмотрим, как трансформатор ТрФК осуществляет регулирование напряжения генератора в условиях изменения величины и характера нагрузки.

Предположим, генератор развивает номинальное напряжение, на его шины включено несколько потребителей. По обмотке О1 протекает ток нагрузки I₁ генератора, по обмотке О2 — ток I₂. На рис. 2,а представлена векторная диаграмма токов I₁ и I₂ в обмотках О1 и О2 (см. рис. 1 и 2,а) и напряжения одной фазы генератора.

Рис.2. Векторные диаграммы амплитудно-фазового компаундирования

Вектор тока нагрузки I₁ всегда является отстающим от вектора напряжения на некоторый угол ф, так как в полный ток нагрузки I₁ входит определенная доля индуктивного тока. Можно сказать, что положение вектора тока I₁ определяется величиной коэффициента мощности cos ф. Вектор тока I₂ отстает от вектора напряжения на угол 90° благодаря дросселю Др, включенному в цепь обмотки O2, т. е. ток этой обмотки индуктивный.

Токи I₁, I₂ создают в ТрФК магнитодействующие силы (м. д. с.). Векторы м. д. с. всегда совпадают с векторами тока. На рис. 2,б представлена векторная диаграмма м. д. с. трансформатора ТрФК; м. д. с. F₃ является геометрической суммой векторов м. д. с. обмоток О1 и О2. Величина тока возбуждения пропорциональна величине м. д. с. обмотки О3.

Амплитудное компаундирование

Предположим, что нагрузка на генератор увеличится, но без изменения ее характера (фазы). Генератор уменьшит свое напряжение. На векторных диаграммах увеличению нагрузки будет соответствовать увеличение векторов I₁ и F₁, последний займет положение F₁'. Увеличится и м. д. с. в обмотке О3 до величины F₃'. Это приведет к увеличению тока возбуждения генератора и восстановлению его напряжения до номинального значения. Такая реакция ТрФК на изменение величины нагрузки называется амплитудным компаундированием.

Фазовое компаундирование

В практике эксплуатации синхронных генераторов встречаются случаи, когда величина полного тока генератора не изменяется (величины векторов I₁, F₁ остаются прежними), но доля индуктивного тока увеличивается, т. е. уменьшается cos ф (увеличивается угол ф).

Вектор F₁ перемещается в положение F₁" (рис. 2,в). В результате генератор уменьшает напряжение. Но, согласно векторной диаграмме, можно сделать заключение, что вектор м. д. с. F₃ вторичной обмотки ТрФК увеличивается до значения F₃". Следовательно, увеличивается ток возбуждения и напряжение генератора восстанавливается до нормы. Реакция ТрФК на изменение нагрузки по характеру называется фазовым компаундированием.

Таким образом доказано, что трансформатор фазового компаундирования осуществляет регулирование напряжения генератора по возмущающему воздействию — току нагрузки (амплитудное компаундирование) и характеру нагрузки (фазовое компаундирование). Это называется амплитудно-фазовым компаундированием.

Корректоры напряжения

ТрФК (см. рис. 1) не может обеспечить высокую точность регулирования напряжения генератора, поэтому система регулирования снабжается корректором напряжения КН. Схемы корректоров напряжения очень разнообразны и довольно сложны, их строят на бесконтактных устройствах типа магнитных усилителей, а в последнее время — на полупроводниковой технике. Принципиально все корректоры напряжения выполняют следующие функции:

1. регулирование напряжения генератора по отклонению регулируемой величины. Например, если ТрФК регулирование произвел недостаточно точно и напряжение на шинах не соответствует заданной величине, то корректор осуществляет подрегулирование;
2. регулирование по изменению частоты вращения генератора;
3. регулирование по температурным изменениям;
4. распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами.

Корректор напряжения в процессе регулирования изменяет ток в обмотке управления ОУ, расположенной в ТрФК, тогда изменяются общее намагничивание железа ТрФК и величина индуктируемого тока в обмотке О3. Это изменяет величину главного параметра регулирования — тока возбуждения генератора.