Принципиальные схемы и их чтение.

Раздел 2. Электрооборудование и автоматизированные системы управления.

Тема 21. Автоматические регуляторы напряжения и частоты.

Лекция№30. Угольный регулятор. Принципиальные схемы и их чтение.

Учебный вопрос:

1. Угольный регулятор.

2. Принципиальные схемы и их чтение.

Угольный регулятор.

Одним из наиболее важных условий, обеспечивающих правильную работу электрических установок, является постоянство напряжения питающих генераторов.

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.

Устройство угольного регулятора напряжения показано на рисунке 1. Основными частями регулятора являются электромагнит 3,катушка которого присоединена к цепи переменного тока генератора непосредственно или через селеновый выпрямитель, и угольный реостат 2, включаемый в цепь питания обмотки возбуждения возбудителя последовательно с шунтовым реестром.

Рис. 1 Угольный регулятор напряжения

Угольный реостат состоит из отдельных угольных столбов, сопротивление которых меняется под влиянием действующего на них давления. Чем больше давление, которым отдельные столбы прижимаются друг к другу, тем меньше сопротивление угольного реостата в целом. Балансная пружина 9 стремится все время к сжатию угольных столбов. Электромагнит 3 с сердечником 7 втягивает поворотный якорь 4; при помощи тяги 5 он противодействует натяжению пружины и расслабляет давление угольных столбов. Благодаря этому Угольный реостат состоит из отдельных угольных столбов, сопротивление которых меняется под влиянием действующего на них давления. Чем больше давление, которым отдельные столбы прижимаются друг к другу, тем меньше сопротивление угольного реостата в целом. Балансная пружина 9 стремится все время к сжатию угольных столбов. Электромагнит 3 с сердечником 7 втягивает поворотный якорь 4; при помощи тяги 5 он противодействует натяжению пружины и расслабляет давление угольных столбов. Благодаря этому устанавливается такое сопротивление электромагнита, какое необходимо для нормальной работы системы возбуждения генератора и поддержания нормального напряжения на его зажимах. При повышении напряжения генератора, вызванном, например, уменьшением нагрузки, сила электромагнита возрастает, якорь втягивается, давление пружины на угольные столбы уменьшается. Из-за этого сопротивление угольного реостата возрастает и вместе с тем уменьшается ток, питающий обмотку возбуждения возбудителя. Напряжение на зажимах генератора восстанавливается до первоначальной величины. При понижении напряжения, вызванном, например, пуском короткозамкнутого электродвигателя или коротким замыканием в сети, втягивающая сила электромагнита уменьшается. Под воздействием пружины угольные столбы сжимаются, сопротивление при этом уменьшается, в обмотку возбуждения возбудителя заходит большой ток. Благодаря этому напряжение на зажимах генератора восстанавливается.
Электромагнит, состоящий из катушки 3, сердечника 7, якоря 4 и скобы 10, укреплен на изоляционной плите 1. При движении якоря поворачивается и рычаг 8 с прикрепленной к нему тягой 5 и коромыслом 6, которое нажимает на угольные столбы 2. Нижний конец балансной противодействующей пружины закреплен на стержне с регулировочной гайкой 12. Поворотом этой гайки осуществляется установка регулируемого напряжения генератора. Для регулирования затяжки угольных столбов служит гайка 11. Угольный реостат охватывается изолирующим стержнем 13. Для установки тяги служат винты 14. Гибкие проводники от угольных столбов выведены на зажимные колодки 15. Путем пересоединениязажимовпроисходитнеобходимое-по схеме соединение угольных столбов. Стальной кожух регулятора 16 закрепляется гайкой 17. Крайнему верхнему положению якоря 4 соответствует максимальное сжатие угольного* столба, то есть минимальное его сопротивление, а крайнему нижнему положению якоря (втянутое положение) — минимальное сжатие столба, или максимальное его сопротивление.
Как видно из описания устройства и действия угольного регулятора, он имеет статистическую характеристику, т.е. такую» характеристику, при которой регулятор находится в равновесии только при заданном напряжении генератора. Это объясняется тем, что только при заданном напряжении на зажимах генератора, сила электромагнита будет равна противодействующей силе пружины. Равновесие системы регулирования (при угольных регуляторах —равновесиемежду втягивающей силой электромагнита и противодействующей силой пружины) наступает только в зависимости от установившегося напряжения, по которому настроен регулятор, без учета реактивной нагрузки.
Для получения статической характеристики, необходимой для устойчивой параллельной работы генераторов на общие шины, угольные регуляторы напряжения оснащаются специальными компенсаторами реактивной мощности. Эти компенсаторы, выпускаемые заводом под маркой ВС-242, представляют собой регулируемое активное сопротивление. Его включают во вторичную цепь трансформатора тока, установленного на той фазе цепи генератора, к которой не подключена цепь питания катушки электромагнита регулятора через селеновый выпрямитель), т. е. цепь контрольно-измерительного органа регулятора.
Действие компенсатора реактивной мощности ЗС-242 заключается в следующем. Контрольно-измерительный орган регулятора питается линейным напряжением между фазами А и С. Трансформатор тока компенсирующего устройства включен в фазу В. Вектор напряжения разы В смещен на 90° по отношению к межфазному напряжению АС; при cos 9 = 0 ток в этой разе совпадает по направлению с напряжением АС.
Таким образом, из-за подпитки активного сопротивления компенсатора током, совпадающим по направлению с напряжением, питаго-гнпм контрольно-измерительный орган регулятора, увеличение реактивной нагрузки генератора воспринимается регулятором как повышение подведенного напряжения. Регулятор стремится снизить напряжение, т. е. уменьшить z возбуждение генератора и тем самым снизить реактивную нагрузку генератора. После окончания монтажа регулятора необходимо проверить, правильно ли включен :компенсатор. Для этого генератору дается акая-либо нагрузка с cos 9 примерно 0,8. Регулируемое сопротивление компенсатора 3 ^-242 увеличивают при помощи движка и следят за действием регулятора.
Если при увеличении сопротивления ВС-242 :регулятор будет стремиться снижать напряжение генератора, значит компенсатор включен правильно. В том случае, когда это не происходит нужно поменять местами присоединение зажимов компенсатора в цепи питания измерительного органа регулятора напряжения. На рисунке 224 представлена схема включения угольного регулятора напряжения для одиночно работающего генератора трехфазного т:ка. Дополнительно к устройству регулятора, показанному на рисунке 223, здесь мы видим селеновый выпрямитель типа ВС-255, собранный по однофазнойдвухполупериодной мостиковой схеме, и установочное сопротивление в цепи питания регулятора ВС-240 (или ВС-244). Регуляторы новейшего выпуска оснащаются особыми стабилизирующими устройствами в виде трансформаторов ВТ-190. Их включают одной обмоткой в зажимы возбудителя генератора, а другой — в цепь питания катушки электромагнита регулятора. Схема включения угольных регуляторов с компенсаторами реактивной мощности и со стабилизирующими трансформаторами при параллельной

работе генераторов трехфазного тока показана на рисунке 225. Благодаря вспомогательному устройству типа ВС-242 угольный регулятор может обеспечить статизм характеристики регулирования напряжения до 6%.
Стабилизирующий ' трансформатор играет роль демпфирующего устройства, предохраняющего от колебательных процессов и качаний в период регулирования напряжения. В таблице 94 приводятся основные технические данные выпускаемых заводами электротехнической промышленности регуляторов напряжения с угольными столбами для генераторов трехфазного тока.
В таблице 94 пределы сопротивления угольных столбов показаны при одной параллельной ветви. Если параллельных ветвей две или три, то минимальные и максимальные сопротивления угольных столбов уменьшаются соответственно в 4 и 9 раз

как видно из таблицы9

регуляторы типов РУН-101-141 изготовляют с измерительным элементом, рассчитанным на напряжение 115 или 230 в. Это значит, что при параллельной работе, когда в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 225, измерительный орган регулятора должен питаться от линейного напряжения, следует применять понижающие трансформаторы напряжения 380/100—115 в. При одиночной работе генератора 380/220 угольный регулятор может питаться от фазного напряжения (фаза нуль)

Средне-регулируемое напряжение, которое поддерживается регуляторами типа РУН на зажимах генератора, можно изменить в зависимости от настройки вспомогательного устройства ВС-240 (или ВС-244) в пределах 95—■ 105% от номинального напряжения. Точность регулирования при изменении нагрузки генератора в установившемся режиме гарантируется заводом-изготовителем в пределах ±2,5%.

На рисунках 226 и 227 приведены габаритные установочные эскизы регуляторов напряжения» для переднего и заднего присоединения проводов. Размеры к указанным рисункам даны в таблице 95

Угольный регулятор напряжения можно выбрать исходя из номинальных параметров генератора и возбудителя при холостом ходе и номинальной нагрузке. Его проверяют по допустимой мощности и пределам изменения сопротивлений

Угольный регулятор напряжения можно выбрать исходя из номинальных параметров генератора и возбудителя при холостом ходе и номинальной нагрузке. Его проверяют по допустимой мощности и пределам изменения сопротивлений угольных столбов в зависимости от степени сжатия в крайних положениях Для генераторов, находящихся в эксплуатации, все необходимые параметры могут быть определены путем непосредственных замеров

Обозначим через:

UBxx — напряжение на щетках возбудителя при холостом ходе генератора и номинальной скорости вращения (в В);

UBн— то же при полной нагрузке генератора

iвхх — ток в цепи возбуждения возбудителя при холостом ходе генератора и номинальной скорости вращения (в а);

i ввн — то же при полной нагрузке генератора (в а);

r ввхол — сопротивление обмотки возбуждения возбудителя в холодном состоянии (в ом);

к ввгор — то же в горячем состоянии (в ом);

UBн— то же при полной нагрузке генератора

iвхх — ток в цепи возбуждения возбудителя при холостом ходе генератора и номинальной скорости вращения (в а);

i ввн — то же при полной нагрузке генератора (в а);

r ввхол — сопротивление обмотки возбуждения возбудителя в холодном состоянии (в ом);

к ввгор — то же в горячем состоянии (в ом);

r ш — сопротивление шунтового реостата в цепи возбуждения возбудителя (в ом);

R уг макс— сопротивление угольных столбов при холостом ходе генератора (в разжатом состоянии) (в ом);

R уг мин— то же при номинальной нагрузке генератора (в сжатом состоянии) (в ом).

При режиме холостого хода, исходя из схемы на рисунке 228, имеем в цепи возбуждения возбудителя три последовательно соединенных сопротивления:Rш, Rуг и RБВ.

При режиме номинальной нагрузки схема подобна приведенной на рисунке 228, но вместо ГуRмакс будем иметь гуRмини вместо сопротивления обмотки возбуждения возбудителя в холодном состоянии Rввхол

Угольный регулятор.

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 напряжениесинхронных генераторов, кроме тока нагрузки, зависит также и от коэффициента мощности последней. Чтобы избежать влияние изменяющегося коэффициента мощности, в схему компаундирования вводят электромагнитный корректор.

Принципиальные схемы и их чтение.

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.