Бесщеточные системы возбуждения
турбогенераторов

Основное преимущество бесщеточных систем возбуждения состоит в исключении щеток и контактных колец. Применение вращающегося выпрямительного блока открывает возможности соз­дания наиболее компактной возбудительной системы.

Идея создания бесщеточной синхронной машины была впервые высказана О. Ирион в 1927 г. [135, 136]. В 30—40-х годах Е. Г. Комар [137] и Е. А. Ватсон [138] предложили дальнейшее развитие этой идеи. В последующем проводились интенсивные исследования в области бесщеточных систем возбуждения синхронных машин в СССР и за рубежом [139].

В 50-х годах специалисты фирмы «Вестингауз» (США) провели разработки, на основе которых был создан бесщеточный возбудитель для турбогенератора мощностью 50 МВА, 3600 об/мин [141, 142]. Обращенный трехфазный вспомогательный генератор мощностью 180 кВт с частотой 420 Гц имеет собственные подшипники и подвозбудитель с постоянными магнитами в консольном исполнении. Вращающийся выпрямительный блок выполнен по мостовой трехфазной системе, с двумя последовательными диодами и тремя параллельными ветвями в каждом плече. Номинальное напряжение и ток возбуждения 250 В и 720 А. Защита кремниевых диодов осуществляется кварцевыми предохранителями с серебряной вставкой. Предохранители имеют указатели их целости. АРВ и бесщеточный возбудитель обеспечивают точность поддержания напряжения турбогенератора Регулирование достигается за счет изменения тока возбуждения неподвижного индуктора. Бесщеточная система возбуждения успешно эксплуатируется до настоящего времени.

В дальнейшем фирма «Вестингауз» перешла к широкому использованию бесщеточных возбудителей для турбогенераторов. Уже в 1965 г. эксплуатировалось более 30 таких возбудителей. В дальнейшем практически все возбудительные системы вплоть до мощности 3500 и 4400 кВт и более выпускаются в бесщеточном исполнении [143].

Опыт фирмы «Вестингауз» был использован фирмой «Сименс» (ФРГ), а позднее вновь созданной фирмой «Крафтверкунион» (ФРГ), которая перешла к серийному изготовлению бесщеточных возбудителей на турбогенераторах мощностью 200, 400 [144] и 750 МВА. В частности, самые крупные в мире турбогенераторы 4-полюсного типа, 1500 об/мин, мощностью 1500—1600 МВА выпускаются этой фирмой с бесщеточными возбудителями. В последнем случае в одной ветви трехфазной мостовой схемы используются 40 параллельных кремниевых диодов на 200 А и обратное напряжение 2500 В. Номинальный ток возбудителя равен 12 000 А. Предохранители с плавкой вставкой (один предохранитель на два диода) рассчитаны на ток 800 А и напряжение 750 В. Подвозбудитель 400 Гц с постоянными магнитами мощностью 120 кВА в режиме форсирования работает с мощностью 160-170 кВА. Передача тока от вращающегося выпрямительного блока к обмотке ротора турбогенератора осуществляется, как и фирмой «Вестингауз», через муфту с пружинящими серебряными контактами (пальцы-гнезда), что обеспечивает надежный контакт в условиях неизбежной вибрации валопровода. На основе расчетов вибрационного состояния валопровода было найдено, что наилучшим решением является выполнение возбудителя с одним подшипником на конце валопровода. Второй опорой возбудителя служит подшипник главного генератора.

Фирма «Жемон-Шнейдер» (Франция) в 1968 г. изготовила первый бесщеточный возбудитель для турбогенератора мощностью 600 МВт, 3000 об/мин. Вращающийся выпрямитель этого возбудителя выполнен по трехфазной мостовой схеме. Каждое плечо выпрямителя состоит из 12 параллельных цепей, образованных двумя последовательно соединенными вентилями и плавкими предохранителями. Полное число кремниевых диодов равно 144, а число предохранителей — 72. Имеется стробоскопическое устройство для наблюдения за целостностью предохранителей. Система возбуждения имеет следующие показатели: в номинальном режиме напряжение 475 В, ток 3300 А; в режиме форсирования длительностью 10 с напряжение 760 В, ток 5280 А.

Весьма интересны работы фирмы «Альстом» (Франция) по бесщеточным возбудителям серии турбогенераторов мощностью 900 - 1000 МВт, 1500 об/мин для АЭС. Вращающийся якорь закрепляется консольно на валу турбогенератора и расположен снаружи индуктора. Такое решение позволяет иметь компактную плоскую конструкцию с малой длиной. Возможность этого основана на том, что при частоте вращения агрегата 1500 об/мин вращающиеся части машины могут иметь больший диаметр, чем при 3000 об/мин.

Энергетическое управление Англии проявляет большой интерес к бесщеточным системам возбуждения турбогенераторов. Поэтому обе крупные электротехнические фирмы «Парсонс» и «Дженерал Электрик» занимаются разработкой, изготовлением и внедрением таких систем для мощных блоков 500 и 660 МВт, 3000 об/мин [145, 146]. В связи с накопленным положительным опытом в эксплуатации первых установок упомянутое управление начиная с 1969 г. заказывает турбогенераторы мощностью 660 МВт только с бесщеточным возбудителем.

В качестве примера технических показателей вращающихся выпрямительных блоков можно привести данные для бесщеточного возбудителя турбогенератора 660 МВт, разработанного фирмой «Дженерал Электрик» (Англия) в 1969 г. Общее число кремниевых диодов (в каждой ветви по одному диоду) равно 54; они имеют следующие параметры: средний ток 250 А, обратное напряжение 3000 В. Возбудитель в целом удовлетворительно работает в длительном режиме при токе 4450 А и напряжении 550 В, а также в режиме форсирования при токе 6150 А и напряжении 760 В. Таким образом, в длительном режиме каждый диод будет иметь средний ток 165 А при напряжении 550 В.

Следует обратить внимание на ряд оригинальных решений, используемых фирмой «Парсонс» в бесщеточных возбудителях [131].

1. 
   Измерение тока возбуждения с помощью кольца, к одной точке которого подводится ток возбуждения турбогенератора, а от второй точки, смещенной на 180 эл. град, по отношению к первой, ток отводится. При таком прохождении тока по кольцу исключается намагничивание вала. Ток, протекающий по кольцу, создает магнитный поток, который измеряется датчиком Холла.
   
2. 
   Измерение напряжения возбуждения производится с помощью вращающегося радиопередатчика и неподвижных приемника и регистрирующего прибора.
   
3. 
   Температура обмотки ротора вычисляется цифровым устройством на основе измерений напряжения и тока возбуждения.
   
4. 
   Целостность предохранителей выявляется неоновой лампочкой, включаемой параллельно предохранителю. Свет лампочки воспринимается неподвижным фотоэлементом.
   
5. 
   Измерение напряжения, приложенного к изоляции обмотки возбуждения, по отношению к потенциалу земли производится, как и измерение напряжения возбуждения, с помощью радиопередатчика и приемника. При недопустимом снижении уровня изоляции срабатывает сигнализация.
   

Ряд интересных работ в области бесщеточных возбудителей был выполнен в Японии [147, 148], Швейцарии [149] и Бельгии [150].

В связи с тем что в СССР работы в области создания и внедрения бесщеточных систем возбуждения турбогенераторов были начаты позднее, чем за рубежом, возникла трудная научно-техническая проблема: не повторять решений зарубежных фирм, а разработать более совершенные системы возбуждения с тем, чтобы осуществить их внедрение на блоках мощностью 300 МВт и создать таким образом основу для разработки бесщеточного возбудителя турбогенератора мощностью 1200 МВт. В частности, были проведены исследования и созданы кремниевые диоды на повышенные токи и напряжения. Это позволило уменьшить количество диодов во вращающемся выпрямительном блоке и исключить последовательное соединение диодов, причем диоды рассчитаны на работу с большими ускорениями (до 7000—8000 g, где g — ускорение силы тяжести). Кроме того, в целях упрощения конструкции вращающегося выпрямительного блока диоды имеют два исполнения: с нормальным р—n переходом и обращенным п—р- переходом [151].

Разработка и создание бесщеточных возбудителей для мощных турбогенераторов в нашей стране ведутся в двух направлениях отличающихся схемным и конструктивным исполнением синхронного генератора-возбудителя. Одно из них, принятое ЛПЭО «Электросила» и ВНИИэлектромаш, основывается на использовании трехфазного возбудителя с синусоидальной формой эдс обмотки якоря генератора; другое, принятое ПО «Электротяжмаш», — на применении многофазного возбудителя с трапецеидальной формой кривой эдс обмотки якоря.

Бесщеточная система возбуждения ЛПЭО «Электросила» — ВНИИэлектромаш впервые была применена для турбогенераторов типа ТВВ-320-2 с целью накопления опыта проектирования и эксплуатации бесщеточных возбудителей.

Сначала был создан и испытан на стенде завода опытный вращающийся выпрямительный блок с тремя контактными кольцами для подвода трехфазного питания и двумя контактными кольцами для выпрямленного тока. Далее изготовили и испытали на заводском стенде бесщёточную систему возбуждения, которая позднее была установлена, испытана и введена в эксплуатацию на Киришской ГРЭС на блоке мощностью 300 МВт.

Опытно-промышленный образец бесщеточной системы возбуждения турбогенератора ТВВ-320-2 пущен в эксплуатацию на Киришской ГРЭС в 1972 г. Затем после некоторой модернизации такие бесщеточные возбудители были установлены в 1974 г. на Рязанской и Литовской ГРЭС. Бесщеточный возбудитель турбогенератора ТВВ-320-2 явился базовой конструкцией для более мощных бесщеточных возбудителей. На нем проверены основные схемные и конструктивные решения, которые широко использованы при создании бесщеточных возбудителей для турбогенераторов мощностью 500, 1000 и 1200 МВт.

В качестве возбудителя выбран трехфазный синхронный генератор обращенного исполнения, у которого якорная обмотка вращается, а индукторная неподвижна. При разработке было рассмотрено несколько вариантов исполнения синхронного генератора с разными частотами. Наиболее приемлемым как по затратам активных материалов, так и по параметрам оказался генератор частотой 150 Гц.

Все элементы вращающегося выпрямителя размещены на двух токоведущих колесах из магнитной стали, причем одно из них имеет положительную, второе — отрицательную полярность. Оба насажены с натягом горячей посадкой на изолированную втулку п отделены друг от друга в аксиальном направлении воздушным промежутком. Втулка с колесами насаживается на вал с натягом прессовой посадкой.

В ободе каждого колеса имеется по 36 наклоненных к продольной оси радиальных отверстий, являющихся напорным элементом вентиляционной цепи вращающегося выпрямителя. 18 диодов прямой проводимости располагаются на кольцевом силуминовом радиаторе одного колеса, а 18 диодов обратной проводимости размещаются на таком же радиаторе другого колеса. Силуминовые радиаторы в виде кольца, имеющего 180 вентиляционных аксиальных отверстий прямоугольного сечения (по 10 отверстий на каждый диод), запрессовываются в вентильные колеса. Диоды крепятся к радиаторам винтами.

Переменный ток от обмотки якоря синхронного генератора подводится по шинам токоподвода через предохранители, которые располагаются на уступах вентильных колес против каждого из диодов. Предохранители изолированы от вентильных колес текстолитовыми прокладками. Изолированные шпильки токоподвода переменного тока располагаются аксиально в вентильных колесах. Постоянный ток отводится от вентильных колес по шинам токоподвода постоянного тока и токоведущим болтам, которые соединяются со стержнями токоподвода, расположенными в осевом отверстии вала.

Вращающийся выпрямитель располагается в разъемном корпусе, имеющем внутренние щитки и воздухоразделительные перегородки. При вращении охлаждающий воздух прогоняется через воздухоохладители, расположенные в фундаментной плите, засасывается в радиаторы и снимает тепловые потери. Использование вентильных колес в качестве токоведущих элементов и вентилятора, а также рациональное размещение диодов и предохранителей на вентильных колесах дали возможность получить компактную конструкцию вращающегося выпрямителя с минимальным количеством токоведущих перемычек и изоляции.

Синхронный генератор и вращающийся выпрямитель обособлены друг от друга и имеют собственные корпусы и автономные замкнутые вентиляционные системы. Водяные воздухоохладители выпрямителя и синхронного генератора располагаются в фундаментной плите возбудителя. Подвозбудитель, установленный за подшипником возбудителя на фундаментной подставке, имеет с валом возбудителя эластичное соединение посредством торсионного валика. Для снижения уровня шума возбудительных агрегатов применяется наружный кожух.

Для передачи постоянного тока от вращающегося выпрямителя к обмотке возбуждения турбогенератора Г. П. Вартаньян предложил и осуществил клиновой электрический разъем в соединительной муфте между турбогенератором и возбудителем. Идея этого предложения заключается в том, что между двумя парами шин, изолированных от полумуфт, под действием центробежных сил входят в соприкосновение два клина: один для шинопровода с положительным, а второй для шинопровода с отрицательным потенциалом. Шины и клинья изготовляются из меди с посеребрёнными поверхностями. Проверка такого простого способа показала его высокую эффективность и надежность.

Для контроля за целостностью предохранителей и измерения тока ротора турбогенератора было разработано, выполнено и испытано оригинальное бесконтактное устройство. Оно состоит из двух зубчатых дисков. Один из них размещен на валу между якорем возбудителя и выпрямителем, второй — на валу между возбудителем и подвозбудителем. Число пазов дисков равно числу ветвей катодной или анодной групп выпрямителя. Через каждый паз первого диска проходит провод, подключенный к средней точке двух ветвей, одна из которых относится к анодной, вторая — к катодной группе вентилей. В результате в каждом проводе протекает ток одного вентиля катодной и одного вентиля анодной групп. Для выявления этих токов на неподвижной траверзе около окружности первого диска размещаются два датчика токовых импульсов, которые представляют собой П-образные сердечники с обмотками и смещены в пространстве относительно друг друга на 60 эл. град. Второй диск без проводников в пазах используется для отметки начала отсчета и выдачи синхронных порядковых импульсов. Логическая схема позволяет выявить одну или более ветвей выпрямителя, в которых нет тока. При этом на передней панели устройства бесконтактного контроля и измерения (УБКИ) загорается индикаторная лампа, указывающая номер соответствующей ветви. Кроме того, подается сигнал о выходе одной или более ветвей из строя. При выходе из строя двух ветвей запрещается форсирование возбуждения воздействием на АРВ.

Помимо системы контроля предохранителей, устройство УБКИ включает измерительный элемент, который суммирует сигналы датчиков токовых импульсов и вырабатывает сигнал, пропорциональный току обмотки возбуждения турбогенераторов. Этот сигнал поступает на прибор передней панели УБКИ и во внешние цепи. В случае превышения допустимого значения тока возбуждения включается индикаторная лампа на передней панели УБКИ и подается сигнал о перегрузке во внешние цепи.

Наряду с изложенным способом измерения тока возбуждения турбогенератора был использован метод, основанный на выявлении высших гармонических мдс обмотки якоря возбудителя [144]. Поскольку высшие гармонические составляющие мдс пропорциональны фазному току, то для их выявления в промежутке между двумя полюсами устанавливается измерительная катушка. В случае ненасыщенной машины напряжение измерительной катушки получается приблизительно пропорциональным току возбуждения турбогенератора.

Важной научной проблемой является повышение быстродействия диодной бесщеточной системы возбуждения, приближающейся к быстродействию тиристорной системы и позволяющей применить АРВ сильного действия. Обычная диодная бесщеточная система возбуждения — инерционная система. Ее постоянная времении в основном определяется параметрами обмотки возбуждения возбудителя переменного тока. При таком значении постоянной времени снижается эффективность форсирования возбуждения генератора и исключается возможность применения сильного регулирования с целью повышения пределов устойчивости [75]. В этих условиях искусственное уменьшение постоянной времени возбудительной системы до значения приблизило бы ее по своей эффективности к тиристорным системам возбуждения. Включение добавочного сопротивления в цепь обмотки возбуждения возбудителя переменного тока связано с большими потерями. Поэтому было предложено другое решение, основанное на использовании тиристорного выпрямителя в цепи возбуждения возбудителя с высокими кратностями форсирования и введении жесткой отрицательной обратной связи. При форсировании возбуждения АРВ открывает тиристорный выпрямитель, и на обмотке возбуждения возбудителя появляется полное напряжение.

Ток возбуждения возбудителя, а следовательно, и напряжение на обмотке ротора турбогенератора увеличивается с постоянной времени Т_е возбудителя. В связи с большой кратностью форсирования можно получить высокую скорость изменения напряжения на обмотке ротора турбогенератора. Это в свою очередь позволяет повысить уровень динамической устойчивости турбогенератора. Для обеспечения высокого уровня статической устойчивости и возможности использования АРВ сильного действия необходимо существенно уменьшить эквивалентную постоянную времени возбудителя. Последнее достигается за счет жесткой обратной связи, охватывающей возбудитель и тиристорный выпрямитель.

Для ограничения напряжения на обмотке ротора турбогенератора двукратной его величиной во время форсирования возбуждения возможно введение дополнительного элемента (рис.1). С этой целью включается небольшое добавочное сопротивление R, напряжение с которого подается через стабилитрон и диод на сопротивление R_o в цепи управления тиристорного выпрямителя ТВ. Стабилитрон выбирается с таким напряжением, чтобы напряжение на сопротивлении R_o появлялось только после достижения током возбуждения возбудителя величины, соответствующей двукратному напряжению на обмотке ротора турбогенератора. Только после этого начинается режим ограничения форсирования возбуждения.



Рнс.1. Схема ограничения форсирования бесщеточного возбудителя.

В - возбудитель, Д - добавочное сопротивление, ТВ - тиристорный выпрямитель,

R₀ - добавочное сопротивление в цели управления ТВ, С - стабилитрон, Д – диод,

АРВ — автоматический регулятор возбуждения, ПВ — подвозбудитель.
Исследования показали, что быстродействующая диодная система обеспечивает предельные значения мощностей по условиям статической и динамической устойчивости, близкие к пределам тиристорной системы возбуждения. Однако демпфирование качаний в послеаварийном режиме получается хуже. Это объясняется невозможностью создания в диодной бесщеточной системе отрицательного напряжения на обмотке ротора турбогенератора после прекращения форсирования возбуждения.

Регулирование возбуждения турбогенератора осуществляется воздействием автоматического регулятора возбуждения через управляемый преобразователь на обмотку возбуждения возбудителя. Питание регулятора обеспечивается от подвозбудителя - высокочастотного индукторного генератора. При этом напряжение на зажимах подвозбудителя поддерживается на заданном уровне с помощью собственного автоматического регулятора напряжения. В связи с большим диапазоном изменения напряжения управляемый преобразователь в цепи обмотки возбуждения возбудителя турбогенератора 300 МВт выполнен двухгрупповым. Рабочий выпрямитель обеспечивает возбуждение в нормальных режимах работы генератора, а форсированный - при аварийном снижении напряжения на шинах станции. Для создания необходимого закона регулирования на вход автоматического регулятора подаются сигналы, пропорциональные напряжению и току статора турбогенератора, а также его току и напряжению возбуждения.




Рис. 2.. Структурные схемы быстродействующих бесщеточных систем возбуждения турбогенераторов ТВВ-500-2 (а) и ТВВ-1200-2 (б).

1 - турбогенератор, 2 - бесщеточный возбудитель, 3 - подвозбудитель, 4 - устройство начального возбуждения, 5 - автоматический регулятор напряжения подвозбудителя, б - тиристорный выпрямитель в схеме автоматического регулирования, 6' - то же в системе ручного регулирования, 7 - АРВ, 8 - добавочное сопротивление, 9 - устройство бесконтактного контроля предохранителей и измерение тока ротора, 10 – блок защиты и измерения.

Значительный рост мощности возбудителей турбогенераторов ТВВ-500-2, ТВВ-1000-4 и TBB-120Q-2 по сравнению с турбогенераторами ТВВ-320-2, а также повышенные требования к надежности и быстродействию системы возбуждения определили новые проблемы, которые были решены при разработке этих возбудителей [155].

Быстродействующие бесщеточные системы возбуждения турбогенераторов ТВВ-500-2 и ТВВ-1200-2 (рис. 2.) выполнены унифицированными с использованием аналогичных устройств регулирования, контроля и элементов конструкции возбудителей.

В отличие от бесщеточного возбудителя турбогенератора ТВВ-500-2 возбудитель турбогенератора ТВВ-1200-2 состоит из двух возбудительных блоков 2 и 2', каждый из которых включает в себя обращенный трехфазный генератор и вращающийся выпрямитель. Роторные вентили, предохранители и защитные цепочки R—С вращающегося выпрямителя размещаются на вентильных колесах аналогично бесщеточному возбудителю турбогенератора ТВВ-320-2, но только в цепь каждого роторного предохранителя включаются параллельно два роторных вентиля, располагаемые попарно по оси кольцевого радиатора выпрямителя.

В этом случае значительно увеличивается нагрузочная способность по току вращающегося выпрямителя и повышается надежность его работы. Возбудительные блоки соединены параллельно на стороне выпрямительного тока. Обмотки возбуждения синхронных генераторов соединены последовательно. Такое исполнение бесщеточного возбудителя позволяет максимально использовать технические решения, проверенные на бесщеточном возбудителе турбогенератора ТВВ-320-2, и повысить надежность системы возбуждения.

Турбогенераторы ТВВ-500-2, ТВВ-1000-4 и ТВВ-1200-2 с бесщеточными возбудителями не имеют контактных колец для резервного возбуждения, поэтому на роторе бесщеточных возбудителей предусмотрены кольца для подключения блока защиты и измерения 10, необходимого для защиты обмотки ротора турбогенераторов от перенапряжений в переходных режимах и измерения напряжения ротора.

Бесконтактный контроль роторных предохранителей бесщеточного возбудителя турбогенератора ТВВ-1200-2 осуществляется раздельно для двух вращающихся выпрямителей, а в цепи сигнализации и защиты от комплекта бесконтактного контроля и измерения 9 выдаются общие сигналы. С целью улучшения контроля в бесщеточных возбудителях турбогенераторов ТВВ-500-2 и ТВВ-1200-2 по сравнению с возбудителем турбогенератора ТВВ-320-2 в два раза увеличено число токовых электромагнитных датчиков, а два шихтованных диска с шинопроводами переменного тока выполнены с дополнительными магнитными перемычками, чередующимися через один паз.




В системах бесщеточного возбуждения используется бесконтактный контроль роторных предохранителей с одновременным измерением тока возбуждения турбогенератора. Такой контроль позволяет обеспечить сигнализацию при сгорании одного предохранителя, а при сгорании двух предохранителей в одном плече, кроме того, наложить запрет на форсирование возбуждения

Рис.3. Структурная схема устройства бесконтактного контроля и измерения.
Первый образец устройства бесконтактного контроля и измерения (УБКИ) был разработан для диодного бесщеточного возбудителя турбогенератора ТВВ-320 [156, 157]. Из структурной схемы УБКИ (рис.3) следует, что в датчиках тока ДТ1 и ДТ2 возникают импульсы напряжения, пропорциональные токам в шинах, соединяющих якорь возбудителя и выпрямитель. Шины расположены в пазах шихтованного сердечника. Каждая из них соединена с двумя вентилями, токи которых смещены на 180°. Последовательно с вентилями включены предохранители. Для возможности контроля обоих вентилей используются два датчика, смещенные в пространстве на 60° (180 эл. град, при).

Определение номеров отсутствующих импульсов осуществляется с помощью датчика синхронизации ДС и датчика начала отсчета ДН. Для создания магнитного потока ДС и ДН имеют подмагничивающие обмотки.

Импульсы от датчиков поступают на формирователи Ф1—Ф4. Управляемые вентили В1 и В2 открываются только при повреждении роторного вентиля и отсутствии соответствующего токового импульса. Выходной сигнал от вентилей В1 и В2 поступает на электронный коммутатор К, который распределяет сигналы по емкостным накопителям устройства Н. Число емкостных накопителей равно числу роторных вентилей. Переключение каналов устройства Н происходит синфазно с вращением ротора с помощью схемы управления У. В случае сгорания предохранителя во время каждого оборота ротора в накопитель будет поступать импульс по соответствующему каналу. Для исключения влияния помех выходное реле срабатывает после накопления трех последовательных импульсов. Реле включает сигнальную лампу, соответствующую номеру предохранителя, на панели П и включает сигнал на блочном щите управления. Выявление выхода из строя двух роторных вентилей осуществляется логической схемой Л.

Бесконтактное измерение тока возбуждения турбогенератора выполняется с помощью схемы И, в которой происходит выпрямление токовых импульсов и сглаживание выпрямленного напряжения, пропорционального току возбуждения.

Принципиальная схема бесщеточной системы возбуждения, разработанная заводом «Электротяжхмаш» и Энергетическим институтом им. Г. М. Кржижановского [152—154], приведена на рис.4. В возбудительной системе турбогенератора типа ТГВ-300 мощностью 300 МВт обмотка ротора получает питание от вращающегося выпрямительного блока, имеющего многофазную мостовую схему. В данном случае в каждом плече 16-фазной мостовой схемы имеется только один диод.

Рассмотрим далее возбудители с вращающимися тиристорньми блоками. Эта возбудительная система является практически безынерционной и обеспечивает возможность быстрого гашения поля ротора турбогенератора посредством инверторного режима. Впервые в мировой практике такая система возбуждения для мощного турбогенератора создана в СССР. Она применена для турбогенератора типа ТВВ-320-2 (рис. 5). Ее разработка осуществлена ВНИИэлектромашем и ЛПЭО «Электросила».

С целью быстрейшего внедрения тиристорных бесщеточных систем возбуждения и проверки их в условиях эксплуатации тиристорный бесщеточный возбудитель выполнен на базе диодного возбудителя с минимальными переделками и уменьшенной до 1.6—1.7 кратностью форсировки. Вместо роторных диодов во вращающемся выпрямителе установлены роторные тиристоры таблеточного исполнения типа ТЗ-500, (500 А, 2500 В). Для обеспечения включения тиристоров и равномерного распределения тока менаду ними роторные тиристоры подключены к отдельным параллельным ветвям якорной обмотки синхронного генератора. Внутри вала возбудителя проложены экранированные проводники для подачи управляющих импульсов к роторным тиристорам.

Передача управляющих импульсов на ротор тиристорного бесщеточного возбудителя осуществляется с помощью блока динамических импульсных трансформаторов (БДТ), ротор



которого прифланцован к валу возбудителя. На корпусе БДТ располагается устройство импульсной синхронизации (УИС), датчики которого подключены к устройству формирования импульсов (УФИ).

УФИ питается от подвозбудителя с постоянными магнитами (ПМ), а на вход УФИ поступает сигнал управления от автоматического регулятора возбуждения (АРВ). С целью повышения надежности работы тиристорной бесщеточной системы возбуждения система управления выполнена с резервированием устройства формирования импульсов и импульсной синхронизации. В случае повреждения одного из блоков рабочей системы управления си­стема автоматически переключается на резервную. В УФИ синхронно с напряжением обмотки якоря генератора возбудителя происходит шестиканальное формирование управляющих импуль­сов, которые поступают на первичные обмотки статора БДТ.

Бесконтактный контроль роторных предохранителей тиристорного бесщеточного возбудителя осуществляется аналогично диодному возбудителю с помощью контрольно-измерительного устройства (КИУ), где для повышения надежности устройства контроля использованы унифицированные блоки на микросхемах и малогабаритные электромагнитные датчики.

Для поддержания на заданном уровне напряжения синхронного генератора при изменении нагрузки тиристорного возбудителя используется тиристорный преобразователь (ТП), подключенный к подвозбудителю через согласующий трансформатор (ТС).

Бесконтактный контроль предохранителей и измерение выпрямленного тока в тиристорном бесщеточном возбудителе имеют некоторые особенности [158]. Они вызваны фазовым сдвигом токов якоря, а следовательно, и импульсов датчиков тока ДТ1 и ДТ2 (рис.5) при изменении угла управления тиристоров. Поэтому регистрация токов в шинах, соединяющих якорь с выпрямителем, производится в узких интервалах, не превышающих 30 эл. град. Для этой цели схема контроля дополняется устройствами стробирующих сигналов.

В результате испытаний и исследований опытного образца тиристорного бесщеточного возбудителя [159] проверена его работоспособность в различных режимах и определены необходимые усовершенствования, которые учли при создании промышленного образца тиристорного бесщеточного возбудителя для турбогенератора ТВВ-320-2 (рис.5). В частности, в этом возбудителе улучшена конструкция блока динамических импульсных трансформаторов, повышена мощность защитных цепочек R—С, улучшена вентиляция лобовых частей якорной обмотки синхронного генератора, введены резервные блоки системы управления и установлен подвозбудитель с постоянными магнитами мощностью 30 кВт.







Рис. 5. Структурная схема тиристорной бесщеточной системы возбуждения турбогенератора ТВВ-320-2 (а) и аксонометрическое изображение тиристорного бесщеточного возбудителя типа БВТ-1300-300 для турбогенератора 300 МВт (б).

1 - турбогенератор, 2 - вспомогательный синхронный генератор, 3 - вращающийся тиристорный выпрямитель, 4 - подвозбудитель с постоянными магнитами, 5 - блок динамических трансформаторов, 6 - устройство импульсной синхронизации, 7 - устройство формирования импульсов, 8 - согласующий трансформатор, 9 - тиристорный пре­образователь, 10 - контрольно-измерительное устройство, 11 - блок защиты ротора турбогенератора, 12 - автоматический регулятор напряжения, 13 – автоматический регулятор возбуждения.

К наиболее интересным зарубежным исследованиям и разработкам быстродействующих диодных и тиристорных бесщеточных систем возбуждения следует отнести работы фирм «Вестингауз» [160] и «Парсонс» [161].

Рис 6. Зависимости мощности возбуждения Р_в

от мощности двух- и четырехполюсных

турбогенераторов Ртг.
Развитие электроэнергетики сопровождается ростом единичных мощностей турбогенераторов, а следовательно, и мощностей их возбудительных систем (рис.6). В результате этого токи возбуждения получаются очень большими, и проблема обеспече­ния надежной работы щеточно-контактного аппарата становится все более сложной. Ее решение может идти по пути использования бесщеточных систем возбуждения или применения жидкометаллического контакта. Несмотря на длительные работы в последнем направлении, пока не удалось достигнуть существенных успехов. Поэтому основными в решении проблемы возбуждения сверхмощных турбогенераторов будут, по-видимому, являться бесщеточные возбудители. Величина диаметра якоря ограничена прочностью листовой стали, а вращающихся выпрямителей — прочностью вентильных колес. Длина возбудительного агрегата должна быть по возможности меньшей для обеспечения необходимого уровня вибраций валопровода. В этих условиях размеры бесщеточных возбудителей не могут значительно увеличиваться при росте мощностей. В связи с неизбежным ростом потерь в обращенном синхронном генераторе и выпрямителе необходим переход на более интенсивные способы охлаждения по сравнению с применяемым в настоящее время воздушным охлаждением. Естественно, что к таким более эффективным методам следует отнести водородное и водяное охлаждения [162, 163], а также использование явления сверхпроводимости [164].

Наличие сверхпроводящей обмотки позволяет поддерживать магнитный поток в машине постоянным, значительно упрощает схему возбуждения и конструкцию возбудителя и исключает подвозбудительное устройство, обычно состоящее из подвозбудителя переменного тока, управляемого выпрямителя и автоматического регулятора напряжения. Для первоначального возбуждения сверх­проводящей обмотки, а также при необходимости для периодической подпитки ее можно использовать специальный источник питания.

Сверхпроводящая обмотка может быть выполнена из сплава ниобий—титан, а в последующем для получения еще меньших размеров из интерметаллоидов ниобий—олово, ниобий—германий, ванадий—галий и др. Для обеспечения сверхпроводящего состояния обмотка должна охлаждаться жидким гелием. В связи с большой мдс индуктора якорь может не иметь стального сердечника. Поэтому якорь получается беспазовым и располагается внутри криостата в теплой зоне.

Существенный интерес представляет применение криотронов взамен тиристоров.

Следует заметить, что наряду с электромагнитными и электрическими способами управления может оказаться перспективным применение фототиристоров.

Кратко рассмотрим возможность применения бесщеточных возбудителей для гидрогенераторов. В связи со значительно меньшей окружной скоростью контактных колец гидрогенераторов по сравнению с турбогенераторами и даже при значительно больших размерах щеточно-контактного аппарата гидрогенераторов передача тока через скользящий контакт не вызывает больших трудностей. Тем не менее имеется ряд случаев применения бесщеточных возбудителей и для гидрогенераторов.

Фирмы «Мицубиси» и «Хитачи» (Япония) выполнили несколько гидрогенераторов с бесщеточными диодными возбудителями [147, 148, 165]. Фирма «Альстом» (Франция) применяет бесщеточные возбудители для гидрогенераторов капсульного типа в связи с большей трудностью обслуживания щеточно-контактного аппарата в таких машинах, а также с простотой размещения диодов непосредственно на спицах сравнительно медленно вращающегося ротора. Фирма «Дженерал Электрик» (США) ввела в 1971 г. в эксплуатацию 3 гидрогенератора мощностью по 142 кВА каждый с частотой вращения 90 об/мин [166]. Эти генераторы имеют бесщеточную тиристорную систему возбуждения. Трехфазный возбудитель с вращающимся якорем работает с постоянным напряжением.

Изложив основные принципы работы бесщеточных систем воз­буждения, следует рассмотреть тенденции их применения для генераторов. В США существуют две такие тенденции: одна принадлежит фирме «Вестингауз», вторая — «Дженерал Электрик». «Вестингауз» использует бесщеточные возбудители в качестве основного решения для турбогенераторов всех мощностей, а «Дженерал Электрик» — для генераторов малых мощностей и частично для гидрогенераторов. В СССР бесщеточные возбудители будут находить все более широкое применение для турбогенераторов больших мощностей, где затруднено обеспечение высокой надежности скользящего контакта, а также для дизель-генераторов. Приблизительно такие же тенденции имеются и в западноевропейских странах.

Бесщеточные системы возбуждения
синхронных компенсаторов

Раньше для синхронных компенсаторов применялись электромашинные возбудительные агрегаты, состоящие из асинхронного короткозамкнутого двигателя, генератора постоянного тока (возбудителя с подвозбудителем) и маховика. При этом инерционная постоянная времени возбудительного агрегата выбиралась не менее 60 с. В дальнейшем стали применяться системы ионного возбуждения. В последние годы синхронные компенсаторы стали выпускаться со статическими тиристорными системами возбуждения и с бесщеточными диодными возбудителями [167].

В тиристорной системе возбуждения используются две группы тиристоров, одна из которых обеспечивает длительно ток возбуждения от нулевого значения до величины, соответствующей номинальной емкостной мощности, вторая — отрицательное воз­буждение. Обе группы вентилей собраны по трехфазным мостовым схемам. В связи с тем что трансформатор выпрямителей получает питание от той же сети, что и синхронный компенсатор, система возбуждения выполняется с повышенной кратностью форсирования по напряжению (3-^-3.5). Ток возбуждения не превышает двукратного номинального.



Рис. 7. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения синхронного компенсатора мощностью 50 МВА.

1 - компенсатор, 2 - пусковое сопротивление, 3 - диодный выпрямитель, 4 - вспомогательный генератор, 5 - автоматический регулятор возбуждения, 6 – тиристорный выпрямитель.

В бесщеточном возбудителе (рис.7) применяются специальные кремниевые диоды для вращающегося выпрямительного блока 3. Диоды размещены на двух дисках, изолированных от вала синхронного компенсатора. Схема выпрямления — трехфазная мостовая. Одна половина диодов устанавливается без изоляции на одном диске, образуя катодную группу, вторая половина дио­дов с обращенными переходами образует аналогичным образом анодную группу. Количество вентилей выбирается из требований режима форсирования, а также из расчета обеспечения номинального возбуждения при выходе из строя 1/3 вентилей. Выпрямители питаются от вспомогательного обращенного синхронного гене­ратора-возбудителя 4. Возбуждение генератора осуществляется от сети собственных нужд через тиристорный преобразователь 6. Параллельно обмотке возбуждения компенсатора 1 постоянно включено сопротивление 2, выполняющее роль пускового при асинхронном пуске и защитного от аварийных перенапряжений. Величина сопротивления принимается 10-кратной по отношению к сопротивлению обмотки возбуждения. Это сопротивление целесо­образно выполнять нелинейным для снижения потерь мощности в нормальном режиме. Важно отметить, что бесщеточный возбудитель размещается практически в том же объеме, что и щеточно-контактный аппарат.

При токе возбуждения, равном нулю, потребление реактивной мощности достигает Q=U²/x_d, где U — напряжение синхронного компенсатора, отн. ед. Дальнейшее увеличение потребления возможно при возбуждении машины током обратной полярности. Наибольшая реактивная мощность в этом режиме Q = U²/x_d достигается при угле

Для увеличения потребляемой реактивной мощности до 0.7 номинальной потребовалось создание реверсивной бесщеточной системы возбуждения. Структурные схемы реверсивных бесщеточных систем возбуждения синхронных компенсаторов мощностью 50, 100 и 160 МВА представлены на рис.8, а аксонометрическое изображение — на рис.9. Синхронные компенсаторы с реверсивными бесщеточными возбудителями, кроме основной обмотки возбуждения ОВ1, имеют дополнительную обмотку возбуждения ОВ2, устанавливаемую на роторе вместо изолирующих полюсных шайб. Реверсивный бесщеточный возбудитель состоит из блоков положительного ВБД и отрицательного воз­буждения ВБДО.

Блок ВБД синхронного компенсатора КСВБО-50-11 схемно и конструктивно полностью соответствует нереверсивному бесщеточному возбудителю компенсатора КСВБ-50-11. Блок ВБДО размещен внутри корпуса компенсатора.

Питание обмоток возбуждения реверсивного бесщеточного возбудителя осуществляется от тиристорных преобразователей ТП1 и ТП2, подключенных к шинам собственных нужд подстанции через согласующий трансформатор ТС и управляемых автоматическим регулятором возбуждения АРВ. Защита реверсивного возбудителя от внутренних коротких замыканий осуществляется с помощью устройства защиты УЗ, на вход которого поступают сигналы от измерительных междуполюсных катушек К и датчиков тока ДТ1 и ДТ2.








Рис. 8. Структурные схемы для реверсивных бесщеточных систем возбуждения для синхронных компенсаторов КСВБО-50-11 (а) и компенсаторов КСВБО-100-11 и КСВБО-160-15 (б).

При коротком замыкании в одном из блоков возбудителя устройство защиты снимает сигналы управления тиристорных преобразователей положительного и отрицательного возбуждений и сигнализирует о неисправности возбудителя.

Контроль изоляции основной обмотки возбуждения компенсатора производится устройством контроля изоляции УКИ, две измерительные щетки которого во время контроля опускаются на вентильные колеса. Для компенсаторов КСВБО-100-11 мощностью 100 МВА и КСВБО-160-15 мощностью 160 МВА дополнительно используется комплект защиты ротора КЗР-3 с постоянно подключаемыми измерительными щетками. Для ограничения пере­напряжений в основной обмотке возбуждения компенсатора при переходных режимах его работы подключено защитное пуске-вое сопротивление



Рис.9. Синхронный компенсатор КСВБО-50-11 с реверсивным бесщеточным возбудителем.

В отличие от синхронного компенсатора КСВБО-50-11 при разработке реверсивных бесщеточных возбудителей для КСВБО-100-11 и КСВБО-160-15 возникли новые задачи, связанные со значительным увеличением мощности бесщеточных возбудителей и особенностями конструкции синхронных компенсаторов. При выборе принципиальной схемы вращающегося выпрямителя блока положительного возбуждения ВБД с целью повышения надеж­ности возбудителя был принят вариант с подключением каждой пары роторных вентилей к отдельным группам параллельных ветвей якорной обмотки генератора возбудителя. В этом случае достигается равномерное распределение тока между роторными вентилями и уменьшение контурного тока короткого замыкания при пробое вентилей. G целью наибольшей унификации оборудования для КСВБО-100-11 и КСВБО-160-15 выбраны один тип блока отрицательного возбуждения, одинаковые вращающиеся выпрямители блока положительного возбуждения, консольное размещение реверсивного возбудителя на обоих концах вала синхронного компенсатора.

С целью упрощения систем возбуждения синхронных компенсаторов в них в отличие от турбогенераторов не применяются предохранители. Защита возбудителя от внутренних коротких замыканий осуществляется с помощью измерительной катушки, размещаемой между полюсами индуктора обращенного синхронного генератора [168, 169]. Высшие пространственные гармонические составляющие магнитного потока, величина которых пропорцио­нальна току якоря, индуктируют в межполюсной катушке эдс. Катушка подсоединяется к одной из обмоток дифференциального реле, вторая его обмотка подключается к датчику тока или напряжения возбуждения возбудителя. Ток якоря пропорционален току индуктора в установившихся режимах. Коэффициент про­порциональности между напряжением межполюсной катушки и током якоря получается разным при работе в режиме нагрузки и при коротком замыкании, в частности трехфазном. Это и позволяет выявить внутреннее короткое замыкание бесщеточного возбудителя.

Необходимо обратить внимание на то, что реверсивные бесщеточные возбудители позволяют не только увеличить потребляемую реактивную мощность, но и облегчить асинхронный пуск компенсаторов. При наличии двух выпрямителей разной полярности во время пуска обе полуволны тока замыкаются через вращающиеся выпрямители [170]. Это приводит к уменьшению тормозного момента при пуске, возникающего под действием постоянной составляющей тока ротора. Кроме того, наличие электромагнитной связи между основной и дополнительной обмотками способствует существенному уменьшению напряжений в цепях воз­буждения синхронного компенсатора в процессе его пуска.

Для полного использования синхронного компенсатора в режиме потребления эффективно применение дополнительной обмотки на роторе в поперечной оси. Такие обмотки предлагались и ранее для повышения динамической и статической устойчивости генераторов и синхронных компенсаторов [171—174]. В данном случае маломощная поперечная обмотка играет роль удерживающей, обеспечивающей сохранение угла 6, близкого к нулю, при отрицательных токах возбуждения. В случае безынерционного ре­гулирования тока в поперечной обмотке предельная реактивная мощность Q = U²lx'_q, что значительно превышает номинальную мощность. Здесь x'_q — переходное индуктивное сопротивление синхронного компенсатора в поперечной оси.