§ 13.8. Системы автоматического регулирования напряжения синхронного генератора

1. Основой конструкции синхронной машины являются два цилиндра из ферромагнитного материала. Второй цилиндр, ротор, вращается первичным двигателем (рис. 1.1).

В наиболее распространенном варианте конструкции ротор выполнен так, чтобы в нем можно было разместить обмотку возбуждения. На внутренней поверхности внешнего цилиндра имеются пазы, в которые заложены обмотки статора.

В указанном основном варианте поле ротора вращается. При пересечении магнитным полем обмоток статора в них наводятся электродвижущие силы.

Рис. 1.1. Синхронный генератор. Основы конструкции, схема обмоток.

Обозначения: СГ- синхронный генератор, ОВ - обмотка возбуждения, ur, ir - напряжение и ток возбуждения, Zn - сопротивление нагрузки (в однолинейной схеме), I - ток статора, Еа, ЕЬ, Ее - ЭДС фазной обмотки статора, Za, Zb, Zc – полное сопротивление одной фазы нагрузки генератора.

Схема соединения обмоток генератора с сопротивлением нагрузки представлена на рисунке в однолинейном исполнении.

Как следует из рисунка, оси обмоток статора размещены со сдвигом на 120 электрических градусов. Это дает возможность при вращении обмотки возбуждения создавать три волны ЭДС, сдвинутых по фазе на те же 120 градусов.

Частота напряжения синхронного генератора зависит от числа полюсов, на которых размещена обмотка возбуждения, и частоты вращения ротора. Частота вращения ротора генератора равна частоте вращения первичного двигателя в том случае, если валы генератора и двигателя соединены без редуктора. При наличии редуктора между валами частота генератора только пропорциональна частоте вращения двигателя.

На рис. 1.2 показана конструкция ротора с двумя парами полюсов. В правой части рисунка показано, каким числам пар полюсов синхронных машин соответствуют их номинальные частоты вращения. При одной паре полюсов и частоте вращения ротора 3000 об/мин частота напряжения генератора равна 50 Гц.

Рис.1.2. Соотношение числа пар полюсов и частоты вращения синхронной машины

С позиций автоматического управления синхронный генератор это, прежде всего, устройство, определенным образом реагирующее на входное (регулирующее) воздействие, в виде напряжения обмотки возбуждения, и на возмущающие воздействия, главными из которых являются параметры нагрузки - ток и коэффициент мощности (cos φ).

Поскольку напряжение синхронного генератора очень сильно падает из-за воздействия тока нагрузки на магнитный поток возбуждения, функционирование его невозможно без автоматического регулятора напряжения.

2. Автоматический регулятор напряжения синхронного генератора с управляемым сопротивлением в цепи обмотки возбуждения.

Наиболее простым по исполнению и структуре является автоматический регулятор напряжения в цепи обмотки возбуждения, изменяемым в функции отклонения напряжения. Первый промышленный регулятор напряжения был построен по простейшей схеме. В цепь обмотки возбуждения машины включалось последовательно переменное сопротивление. Питание цепи осуществлялось от генератора постоянного тока (возбудителя), установленного на валу синхронной машины. Величина сопротивления изменялась в функции отклонения напряжения синхронного генератора.

Чем больше была нагрузка генератора, и ниже cos φ, тем меньше устанавливалось сопротивление в цепи обмотки возбуждения, и наоборот. Естественно, что соответственно уменьшению сопротивления увеличивался ток возбуждения. Конструктивно управляемое сопротивление было выполнено в виде столба, состоящего из угольных шайб. Угольный столб с торцов сжимался электромагнитом. Чем больше было напряжение на обмотке электромагнита, тем меньше становилось сопротивление угольного столба, больше был ток возбуждения.

Функциональная схема регулятора приведена на рис. 1.5.

Работает регулятор следующим образом. Предположим, что генератор в данный момент имеет какую-то нагрузку. Напряжение его равно номинальному. При данном напряжении сопротивление угольного столба равно Rсn.

В цепи обмотки возбуждения возбудителя течет ток, определяемый напряжением якоря возбудителя и сопротивлением цепи возбуждения, состоящим из сопротивлений обмотки возбуждения возбудителя и угольного столба. Напряжение якоря возбудителя при этом обеспечивает ток возбуждения синхронного генератора, соответствующий регулировочной характеристике при данных величине и cos φ нагрузки.

Если режим работы генератора изменится, например, в связи с увеличением нагрузки, то напряжение генератора упадет (из-за увеличения размагничивающего действия реакции статора). Реагируя на это отклонение напряжения, измерительный элемент увеличит напряжение на электромагните, угольный столб сожмется с большей силой. Сопротивление столба уменьшится, ток возбуждения и возбудителя и генератора возрастет, напряжение генератора восстановится.

Рис. 1.5. Устройство угольного регулятора напряжения синхронного генератора, а - функциональная схема регулятора, б - закон регулирования.

Обозначения: СГ- синхронный генератор, В - возбудитель, овв - обмотка возбуждения возбудителя, овг - обмотка возбуждения генератора, ус - угольный столб, эм - электромагнит, иэ - измерительный элемент, U - напряжение статора, Un - номинальное напряжение генератора.

Rс - сопротивление угольного столба, Rсn - сопротивление угольного столба при данной нагрузке генератора.