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.
При сохранении постоянства скорости вращения генератора (для сохранения постоянства частоты) регулировка напряжения возможна только за счет изменения магнитного потока, т. е. тока возбуждения. На сегодняшний день наименее распространенным автоматическим регулятором напряжения является угольный. Основная часть угольного регулятора — столбик угольных шайб, включенный в обмотку возбуждения возбудителя генератора.
Работа регулятора основана на том, что в столбике угольных шайб, подвергающихся давлению, электрическое сопротивление изменяется в зависимости от силы сжатия. Чем больше сила сжатия угольного столбика, тем меньше его сопротивление; с уменьшением силы сжатия сопротивление столбика возрастает.
Рис. 1. Принципиальная схема включения угольного автоматического регулятора 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.
Рис. 2. Принципиальная схема компаундирования возбудителя синхронного генератора
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.
Рис. 3. Принципиальная схема системы самовозбуждения и саморегулирования синхронного генератора
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.
Рис. 4. Диаграмма геометрического сложения токов в обмотках трансформатора
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).
Рис.5. Схема самовозбуждения и саморегулирования синхронных генераторов серии МСС
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.
