Стабилизация напряжения в асинхронных генераторах
Способы стабилизации напряжения в генераторах с конденсаторным возбуждением
Одной из наиболее важных проблем, возникающих при использовании асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением в автономных системах электроснабжения, является стабилизация напряжения при изменяющейся нагрузке.
Частота вращения генераторов может быть регулируемой по условию постоянства частоты генерируемых колебаний (f1 = const, ωr = var) или оставаться постоянной (ωr = const, f1 = var). В более общем случае возможна работа генератора с переменной частотой вращения и переменной частотой f1 (ωr = var, f1 = var).
Решение отмеченной проблемы диктуется, с одной стороны, необходимостью улучшения качества электроэнергии, с другой соображениями устойчивости. Последнее вытекает из того, что при снижении напряжения до уровня, соответствующего переходу рабочей точки на линейный участок характеристики намагничивания, работа генератора становится неустойчивой.
Рассмотрим причины изменения напряжения. Воспользуемся для анализа Г-образной схемой замещения генератора, в которой параметры намагничевающего контура вынесены на зажимы сети. Упрощенная схема замещения приведена на рис. 13.
Правую часть схемы с током I2 образует главный контур. Векторное уравнение токов принимает вид:
где I00 ток генератора при s = О (ток синхронизма).
Потери в стали не учитываются. Пренебрежение ими вносит лишь несущественные погрешности при определении токов и напряжений. В то же время количественный учет потерь, вызываемых поверхностным эффектом, гистерезисом и вихревыми токами в переходных режимах, значительно осложняется из-за наличия в магнитном потоке составляющих различных частот.
Устанавливающееся на зажимах генератора напряжение зависит от баланса реактивных проводимостей системы. Если нагрузка носит активный характер, то между реактивными проводимостями намагничивающего b0 и главного b2 контуров и конденсаторов bc устанавливается следующая зависимость:
где в соответствии со схемой замещения (см. рис. 13):
Из (31) следует, что реактивные проводимости намагничивающего и главного контуров компенсируются реактивной проводимостью конденсаторов, являющихся источниками реактивной намагничивающей мощности.
Представим соотношение (31) в виде
где угол сдвига фаз между напряжением U1 и током I2
Напряжение генератора определяется реактивной проводимостью намагничивающего контура. При C = const проводимость b0 зависит от нагрузки. Изменение последней вызывает противоположное изменение реактивной проводимости намагничивающего контура.
Так, с увеличением нагрузки возрастает реактивная проводимость главного контура, а проводимость намагничивающего контура и напряжение на зажимах машины уменьшаются. Уменьшение нагрузки приводит к обратному результату. При холостом ходе s = 0, I2 = 0 и реактивная проводимость намагничивающего контура становится наибольшей:
Баланс реактивных проводимостей в общем случае описывается уравнением
Т.е. алгебраическая сумма реактивных проводимостей системы асинхронный генератор — нагрузка равна нулю.
В случае смешанной нагрузки имеем
где b — реактивная проводимость нагрузки индуктивной (b > 0) или емкостной (b
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Источник
Стабилизация напряжения в асинхронных генераторах
Феррорезонансный способ
Автономная система генерирования трехфазного тока с асинхронным генератором, в которой используется феррорезонансный стабилизатор напряжения, приведена на рис. 18. Схема настраивается на резонанс токов при номинальном напряжении в режиме холостого хода. Магнитная система стабилизатора напряжения находится в состоянии насыщения.
Уменьшение напряжения на зажимах машины вызывает увеличение индуктивного сопротивления реактора вследствие уменьшения насыщения его сердечника. Ток реактора ограничивается, что приводит к соответствующему перераспределению реактивной мощности конденсаторов в системе. В этом и состоит идея применения феррорезонансного стабилизатора напряжения.
К недостаткам способа относятся:
1) незначительный диапазон регулирования;
2) наличие феррорезонансного стабилизатора напряжения, увеличивающего массу, габариты и стоимость генераторной установки.
Бесконтактные результирующие устройства, состоящие из батареи шунтирующих конденсаторов постоянной емкости и управляемого реактора, позволяют осуществить стабилизацию напряжения на всем диапазоне изменения нагрузки.
Способ стабилизации управляемым реактором
Приведенная на рис. 19 схема асинхронного генератора с управляемым реактором является дальнейшим развитием схемы с феррорезонансным стабилизатором напряжения.
В схеме параллельно конденсаторам включены обмотки переменного тока реактора. Для подмагничивания реактора используются две дифференциально включенные обмотки управления. Ток одной из них (намагничивающей) пропорционален напряжению на зажимах машины, ток другой (размагничивающей) току нагрузки.
При холостом ходе генератора, сердечники реактора находятся в состоянии насыщения, поэтому по обмоткам переменного тока реактора протекает наибольший ток. Ток на выходе параллельного участка, образованного обмотками переменного тока реактора и конденсаторами, имеет емкостной характер, и ею значение является достаточным для возбуждения генератора до напряжения, практически равного номинальному.
С появлением нагрузки насыщение сердечника реактора ограничивается и индуктивное сопротивление обмоток переменного тока возрастает. Ток на выходе параллельного участка при этом увеличивается. В результате напряжение генератора поддерживается постоянным.
При некоторой определенной нагрузке магнитодвижущие силы (МДС) обмоток управления уравновешиваются и по обмоткам переменного тока реактора протекает ток холостою хода. Ток на выходе параллельного участка (имеющий ёмкостной характер) достигает своего наибольшего значения.
Для обеспечения возможной кратковременной перегрузки значение тока нагрузки, при котором МДС обмоток управления уравновешиваются, принимается 6ольшим номинального. Необходимая ёмкость конденсаторов при этом соответственно увеличивается.
Рассмотренное устройство обеспечивает плавное, автоматически действующее регулирование эквивалентной емкости конденсаторов на всем заданном диапазоне изменения нагрузки. К её недостатку следует отнести то обстоятельство, что оно реагирует только на значение тока нагрузки, т.е. не является фазочувствительным.
Более совершенной является схема, приведенная на рис. 20. В ней, кроме элементов рассмотренной выше схемы, используются нелинейный измерительный элемент (насыщенный реактор с замкнутым магнитопроводом) и фазочувствительный измерительный орган.
Нелинейный измерительный элемент 5 включается в цепь намагничивающей обмотки управления. Он увеличивает чувствительность устройства к отклонениям напряжения на зажимах генератора от номинального. Если, например, напряжение несколько уменьшилось, то напряжение реактора 5 также уменьшится, а его индуктивное сопротивление возрастет. Ток управления намагничивающей обмотки ограничивается теперь по двум причинам: вследствие снижения напряжения и увеличения сопротивления цепи обмотки. Насыщение сердечников реактора 2 уменьшается в большей степени, чем без нелинейного элемента 5, что приводит к соответствующему возрастанию емкостного тока на выходе устройства.
Таким же образом, с превышением напряжения над номинальным, увеличение тока управления намагничивающей обмотки вызывается не только увеличением напряжения, но и уменьшением сопротивления цепи обмотки вследствие насыщения реактора 5.
Фазочувствительный орган выполнен в виде сочетания линейного реактора 6 и трансформатора тока 7. Он реагирует на изменение значения и характера тока нагрузки. С изменением только значения тока нагрузки (φ = const) действие обеих схем (см. рис. 19 и 20) остается аналогичным.
Рассмотрим действие фазо-чувствительного органа при изменении угла сдвига фаз между током и напряжением нагрузки.
Положим, что действующие значения фазных токов и напряжений приемников остаются постоянными, т.е. выполняются условия:
rде IА , IB, IC, UА, UB, UC — токи и напряжения фаз; φ — угол сдвига между током и напряжением фазы.
Для тока на выходе фазочувствительного элемента справедливо выражение:
где Id – ток линейного реактора; Ic — ток вторичной обмотки трансформатора тока.
При принятых условиях Id = const, Iс = const.
В случае активной нагрузки (рис. 21, а) векторная диаграмм токов фазочувствительногo органа принимает вид, приведенный на рис. 21, г.
Ток Id отстаёт от напряжения UBC по фазе на угол φd. Ток Iс находится в противофазе с током первичной обмотки трансформатора тока. Геометрическая сумма этих токов определяет ток на выходе фазочувствительногo органа.
Изменение характера нагрузки вызывает изменение значения тока Iy˜. На рис. 21, б приведена векторная диаграмма токов и напряжений при активно-индуктивной нагрузке с коэффициентом мощности cos φ = 0,8, а на рис. 21, д — векторная диаграмма токов фазочувствительногo органа. Как видно, с увеличением угла сдвига фаз (при фи больше нуля) ток Iy˜ возрастает и при чисто индуктивной нагрузке (рис. 21, е) достигает наибольшего значения. Аналогичным образом можно показать, что при активной ёмкостной нагрузке (φ больше нуля) ток Iy˜ уменьшается.
Рассматриваемая схема отличается от предыдущей способностью реагировать на изменение характера нагрузки при более высокой чувствительности по напряжению.
Заметим, что общими недостатками схем асинхронного генератора с управляемыми реакторами являются значительная масса и относительно большие габариты реакторов.
Условимся рассматривать стабилизацию напряжения асинхронного генератора при постоянной частоте вращения ротора.
Регулирование основного магнитного потока в целях стабилизации напряжения при n2 = const возможно:
Продолжение следует.
В следующей публикации перечисленные выше способы регулирования выходных напряжений асинхронных генераторов рассмотрим подробнее.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Источник
Какой нужен стабилизатор напряжения для электрогенератора?
Почему стабилизатор необходим для генератора?
Суть проблемы заключается в том, что полное отключение электроэнергии встречается не часто, более распространены –колебания сетевого напряжения. При этом падения даже до 160-170 В достаточно для автоматического включения генератора. То есть, устройство будет работать и расходовать топливо при наличии электричества в сети, которое можно просто отрегулировать до нужных параметров.
Автоматическая система запуска включает генератор и при повышенном напряжении – более 230 В. Конечно, параметры сети чаще падают, чем поднимаются, но в непосредственной близости от промышленных предприятий скачки напряжения выше нормы являются привычным явлением.
Еще одна распространенная причина автоматического запуска генераторной установки – кратковременный, буквально на доли секунды, перерыв в электропитании, после которого напряжение в сети восстанавливается. Стоит отметить, что системы запуска современных генераторов при появлении электричества останавливают работу устройства. Но, во-первых, такая функция есть не у всех моделей, а, во-вторых, система может просто не уловить момент включения сетевого питания, после молниеносного обрыва, вследствие чего электростанция продолжит работать, расходуя топливо без необходимости.
Стабилизатор напряжения , нейтрализующий сетевые скачки, решит перечисленные выше проблемы. Получая напряжение с выхода стабилизатора, генератор запустится только в случае действительного отключения электроэнергии. Следовательно, использование автоматизированного генератора в связке со стабилизатором позволит избежать лишних запусков устройства, что защитит его механические элементы от преждевременного износа и заметно сократит расход топлива. Вышесказанное позволяет уверенно утверждать – приобретение качественного стабилизатора напряжения быстро окупит себя!
Какая последовательность подключения стабилизатора и генератора правильная?
Следует понимать, что генератор и стабилизатор, как и любые электроприборы – изделия повышенной опасности, неверный монтаж которых может привести к повреждению оборудования, серьезным травмам или смертельному исходу. Поэтому настоятельно рекомендуем доверять установку и подключение такой техники только профессиональному – сертифицированному специалисту!
Если стабилизатор необходим для решения проблемы реагирования автоматической системы запуска на кратковременные отключения и перепады напряжения, то правильная последовательность подключения:
1) электросчетчик;
2) стабилизатор напряжения;
3) генератор;
4) нагрузка.
Установка стабилизатора после генератора не избавит последнего от лишних запусков, так как сетевое напряжение будет сначала попадать на генератор, а уже затем проходить через стабилизатор. Однако может сложиться ситуация, при которой выходное напряжение генератора не будет удовлетворять требования к качеству электропитания подключенной нагрузки. В таком случае, на выход генератора возможно подключать ещё один стабилизатор, который отрегулирует напряжение, передаваемое непосредственным потребителям, но не напряжение входной сети!
Обратите внимание – не все типы стабилизаторов смогут корректно функционировать при подключении после генератора!
Стабилизатор какого типа лучше использовать при подключении перед генератором?
В принципе, для подключения перед генератором, то есть для защиты от негативных влияний из внешней сети, подойдёт любой их четырёх наиболее распространённых топологий стабилизатор:
релейный;
электромеханический (сервоприводной);
полупроводниковый (тиристорный и симисторные);
инверторный.
Но практика показывает, что лучше всего с решением данной задачи справляются полупроводниковые и инверторные стабилизаторы, эти устройства:
отличаются высокой скоростью срабатывания;
работают в широком диапазоне входного напряжения, что позволяет минимизировать количество запусков генератора;
обладают лучшей точностью стабилизации (низкой погрешностью), что важно для корректного функционирования электроники автоматической системы запуска;
долговечны и не требуют технического обслуживания.
Стоимость полупроводниковых стабилизаторов обычно чуть ниже инверторных, но инверторные стабилизаторы напряжения отличаются большей точностью и быстродействием, и, кроме того, избавлены от главной проблемы, присущей в большей или меньшей мере всем остальным типам стабилизаторов – трансляции возмущающего воздействия из внешней сети на выход устройства. Благодаря этому, практически при любом качестве внешней электросети инверторные стабилизаторы обеспечат питание генератора напряжением с идеальной синусоидальной формой и значением максимально близким к номинальному (±2%).
Стабилизатор какого типа лучше использовать при подключении после генератора?
Подключение стабилизатора после генератора сопряжено с некоторыми проблемами, главная из которых – пилообразная форма выдаваемого генератором напряжения, частота которого может варьироваться от 48 Гц до 52 Гц. В условиях такого входного сигнала любой стабилизатор, кроме инверторного, не сможет нормально работать и рано или поздно выйдет из строя.
Кроме того, нагрузка в виде стабилизатора негативно сказывается на генераторе, для которого свойственны сниженные обороты при запуске, обуславливающие падение выходного напряжения. В этот момент стабилизатор пытается повысить напряжение и начинает переключать обмотки автотрансформатора, тем самым осложняя работу генератора.
Инверторные стабилизаторы избавлены от вышеназванных проблем. Данные устройства имеют широкий диапазон входной частоты – 43-57 Гц и корректируют форму входного напряжения, что обеспечивает выходной сигнал идеальной синусоидальной формы даже при электропитании от генератора. Кроме того, отсутствие в конструктиве автотрансформатора, позволяют снизить обратное влияние инверторного стабилизатора на генератор.
Как определить мощность стабилизатора для генератора?
В случае установки стабилизатора перед генератором, мощность устройства должна быть не меньше номинальной мощности генератора, желательно наличие запаса в 20-30%, учитывающего возможные перегрузки.
При выборе стабилизатора для установки после генератора, необходимо ориентироваться на нагрузку, подключаемую непосредственно к стабилизатору. Актуальная мощность устройства в таком случае равна мощности нагрузки, увеличенной на запас в 20-30%. Если потребителей несколько, то их мощность суммируется, а запас определяется исходя из полученного суммированием значения.
Все устройства, имеющие в своём составе электродвигатель, характеризуются наличием высоких пусковых токов. При определении мощности стабилизатора для подобных электроприборов необходимо использовать не номинальную мощность, а максимальную – пусковую (обычно превышает штатную минимум в 3 раза).
Выбирая стабилизатор, обязательно изучите техническую документацию защищаемого оборудования и найдите сведенья о потребляемой мощности в различных режимах работы. Мощность стабилизатора определяется по максимальному из приведённых значений!
Источник