Системы возбуждения генераторов: виды, достоинства и недостатки, устройство и методы возбуждения
Система возбуждения генератора - это важнейшая часть любого синхронного генератора. Она обеспечивает подачу постоянного тока в обмотку возбуждения ротора для создания магнитного поля. Без системы возбуждения генератор не сможет вырабатывать электроэнергию. Правильный выбор и наладка системы возбуждения во многом определяют надежность работы генератора.
Общие сведения о системах возбуждения генераторов
Существует несколько основных типов систем возбуждения:
- Независимое возбуждение
- Самовозбуждение
- Тиристорное возбуждение
- Электромашинное возбуждение
- Полупроводниковое возбуждение
- Бесщеточное возбуждение
Каждый тип системы возбуждения имеет свои достоинства и недостатки. Выбор конкретного типа зависит от мощности и конструктивных особенностей генератора, условий его работы в энергосистеме.
Основные требования к системам возбуждения генераторов:
- Обеспечение надежного возбуждения генератора во всех режимах работы
- Возможность плавного регулирования напряжения возбуждения
- Достаточная скорость нарастания напряжения возбуждения при включении генератора в сеть
- Стабильность параметров системы возбуждения при изменении внешних условий
Одним из вариантов системы возбуждения генераторов является возбуждение генератора ВАЗ. В этой схеме используется вспомогательный синхронный генератор ваз небольшой мощности, который через контактные кольца подает постоянный ток возбуждения на ротор основного генератора. Система проста, но имеет ограниченную надежность из-за наличия дополнительного генератора ВАЗ и контактных колец. В настоящее время получили распространение более совершенные системы возбуждения генераторов.
Независимое возбуждение генераторов
При независимом возбуждении обмотка ротора генератора питается от внешнего источника постоянного тока, как правило, от сети постоянного тока электростанции через понижающий трансформатор и выпрямитель.
К достоинствам независимого возбуждения относятся:
- Простота схемы
- Надежная работа генератора во всех режимах
- Возможность точного регулирования напряжения
- Не зависит от режима работы генератора
Основной недостаток независимого возбуждения - наличие дополнительного оборудования (трансформаторов, выпрямителей), которое усложняет и удорожает систему.
Независимое возбуждение широко применяется на генераторах небольшой мощности (до 100 МВт), а также в качестве резервного возбуждения на крупных генераторах.
Самовозбуждение генераторов
При самовозбуждении обмотка возбуждения ротора питается непосредственно от выводов самого генератора через контактные кольца и щетки.
К преимуществам самовозбуждения относятся:
- Простота схемы
- Отсутствие дополнительных устройств
- Низкая стоимость
Главный недостаток самовозбуждения - сильная зависимость от режима работы генератора и сети. При коротких замыканиях возбуждение генератора нарушается, что может привести к потере устойчивости и выпадению из синхронизма.
Самовозбуждение применяется на генераторах небольшой и средней мощности, где нет жестких требований к стабильности напряжения. Для повышения надежности самовозбуждение часто дублируется системой независимого возбуждения.
Тиристорное возбуждение генераторов
В этом типе системы возбуждения в качестве регулирующего элемента используются тиристоры. Управление тиристорами позволяет плавно изменять напряжение на обмотке возбуждения ротора.
Преимущества тиристорного возбуждения:
- Высокая точность регулирования напряжения возбуждения
- Быстродействие системы
- Компактность
- Широкий диапазон регулирования тока возбуждения
Недостатки тиристорного возбуждения:
- Высокая стоимость тиристоров
- Сложность схемы управления тиристорами
- Чувствительность к перенапряжениям
Тиристорное возбуждение используется преимущественно на мощных турбогенераторах, где требуется высокая точность регулирования напряжения и быстрое изменение тока возбуждения.
Электромашинное возбуждение генераторов
При электромашинном возбуждении используется специальный возбудитель - электрическая машина постоянного тока, механически связанная с валом генератора.
Достоинства электромашинного возбуждения:
- Простота и надежность
- Не требует внешнего источника питания
- Способность к кратковременной перегрузке
Недостатки:
- Наличие дополнительного оборудования (возбудителя)
- Ограниченный диапазон регулирования напряжения
- Низкая быстродействие
Электромашинное возбуждение применяется на гидрогенераторах средней и большой мощности.
Полупроводниковое возбуждение генераторов
Этот тип системы возбуждения использует в качестве источника питания полупроводниковый преобразователь, который вырабатывает регулируемое напряжение для питания обмотки возбуждения ротора.
Преимущества полупроводникового возбуждения:
- Высокая точность и быстродействие
- Широкий диапазон регулирования напряжения возбуждения
- Малые габариты
- Высокий КПД
Недостатки:
- Высокая стоимость
- Сложность схемы управления
- Чувствительность полупроводниковых приборов к перегреву
Полупроводниковое возбуждение все чаще применяется на современных турбо- и гидрогенераторах большой мощности.
Бесщеточное возбуждение генераторов
В последние годы все большее распространение получает бесщеточное возбуждение генераторов. В этой системе отсутствует механическая связь между обмоткой возбуждения ротора и внешним источником питания.
Преимущества бесщеточного возбуждения:
- Отсутствие контактных колец и щеток
- Высокая надежность
- Увеличенный межремонтный период
- Возможность работы на высоких оборотах
К недостаткам можно отнести повышенную сложность схемы управления и более высокую стоимость.
Бесщеточное возбуждение используется на современных турбогенераторах большой мощности и позволяет существенно повысить их надежность.
Выбор системы возбуждения генератора
При выборе системы возбуждения для конкретного генератора учитываются следующие факторы:
- Тип генератора (гидро- или турбогенератор)
- Мощность генератора
- Требуемые показатели надежности
- Условия работы в энергосистеме
- Требования к регулированию напряжения
- Климатические условия
Для небольших гидрогенераторов обычно используется самовозбуждение или независимое возбуждение. Для мощных турбогенераторов предпочтительно тиристорное или бесщеточное возбуждение.
Тенденции развития систем возбуждения
Основные тенденции развития систем возбуждения генераторов:
- Переход к полностью бесщеточным системам
- Применение силовых полупроводниковых приборов
- Использование цифровых систем управления
- Повышение быстродействия и точности
- Улучшение массогабаритных показателей
Благодаря этим инновациям современные системы возбуждения становятся более компактными, надежными и удобными в эксплуатации.
Наладка системы возбуждения генератора
Перед пуском генератора необходимо провести наладку его системы возбуждения. Это включает проверку оборудования, регулировку параметров и опробование в работе.
Основные этапы наладки:
- Проверка целостности цепей и надежности контактных соединений
- Измерение сопротивления обмоток
- Проверка и настройка элементов системы управления и регулирования
- Опробование системы возбуждения на холостом ходу при пониженном напряжении
- Испытание при номинальном напряжении и нагрузке
Правильная наладка позволяет обеспечить надежное возбуждение генератора и требуемые характеристики системы в целом.
Эксплуатация системы возбуждения
В процессе эксплуатации генератора необходим регулярный контроль параметров его системы возбуждения:
- Напряжение и ток возбуждения
- Температура обмоток и элементов системы
- Сопротивление изоляции
- Надежность контактных соединений
При отклонении параметров от нормы следует выявить и устранить неисправность. Важно соблюдать периодичность техобслуживания и замены быстроизнашивающихся элементов согласно регламенту.
Также необходимо контролировать условия работы системы возбуждения - температуру и влажность в помещении, отсутствие пыли и посторонних предметов. Это позволит обеспечить ее бесперебойную работу.
Диагностика неисправностей системы возбуждения
При возникновении неисправностей в работе системы возбуждения необходимо провести диагностику для определения причины.
Типовые неисправности системы возбуждения:
- Повышенная вибрация и шум
- Искрение щеточно-коллекторного узла
- Перегрев обмоток и элементов
- Отклонение параметров от нормы
Для диагностики могут использоваться различные методы - визуальный осмотр, контроль параметров, регистрация сигналов датчиков. Это позволяет выявить неисправный элемент и устранить проблему.
Замена щеточно-коллекторного узла
Одной из распространенных неисправностей электромашинных систем возбуждения является износ щеточно-коллекторного узла. Признаками износа являются искрение щеток, неравномерный износ коллектора.
При замене щеточно-коллекторного узла необходимо:
- Демонтировать старый узел
- Тщательно очистить коллектор от грязи и нагара
- Проверить состояние ламелей коллектора
- Установить и отцентрировать новый узел
- Отрегулировать нажатие щеток
После замены требуется обкатка и проверка работы узла в различных режимах.
Замена силового тиристора
При выходе из строя силового тиристора в системе тиристорного возбуждения необходима его замена. Порядок замены:
- Обесточить схему и разрядить конденсаторы
- Демонтировать неисправный тиристор
- Установить и закрепить новый тиристор
- Выполнить паяльные соединения выводов
- Проверить качество соединений и изоляцию
После замены тиристора необходимо проверить работу схемы во всех режимах.
Ремонт полупроводникового преобразователя
Полупроводниковые преобразователи часто применяются в современных системах возбуждения. При выходе преобразователя из строя производится его ремонт.
Возможные неисправности преобразователя:
- Выход из строя силовых транзисторов
- Нарушение печатных плат
- Неисправности элементов системы управления
Ремонт преобразователя может включать замену отдельных компонентов, восстановление печатных плат, перепрограммирование системы управления.