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 < 0). Если нагрузка носит активно-индуктивный характер, то реактивная проводимость нагрузки:

где IL = Isinφ - реактивная составляющая тока нагрузки. Уравнение баланса реактивных проводимостей принимает вид

откуда

Реактивная проводимость намагничивающего контура, определяющая устанавливающееся на зажимах генератора напряжение, при постоянной емкости и изменяющейся нагрузке не остается постоянной. Она уменьшается при возрастании проводимостей главного контура и нагрузки и возрастает при их уменьшении. Решение (40) относительно намагничивающего тока дает:

где IK = U1ω1С - ток конденсатора.
Ток I00 создает основной магнитный поток Ф, индуцирующий в фазе статора ЭДС Е1. При синусоидальном распределении магнитной индукции в воздушном зазоре

так как основной магнитный поток является функцией намагничивающего тока.
Выражение для ЭДС фазы генератора с учетом (25) и (41) принимает вид

Из (45) следует, что ЭДС Е1 автономного асинхронного генератора при данных частоте вращения ротора и возбуждающей емкости зависит от значения и характера нагрузки.

С увеличением нагрузки при f1= const, С = const, cosω = const, ω ≥ 0 напряжение генератора уменьшается вследствие уменьшения ЭДС Е1 и увеличения внутреннего падения напряжения. Уменьшение ЭДС Е1 вызывается ослаблением основного магнитного потока.

Если в режиме внешней характеристики частота вращения ротора поддерживается постоянной, то к некоторому уменьшению ЭДС приводит, кроме того, уменьшение частоты генерируемых колебаний.

К ослаблению основного магнитного потока приводят размагничивающее действие вторичного тока, увеличение реактивной составляющей тока нагрузки (при ω ≥ 0) и уменьшение емкостного тока. Последнее при f1 = const, обусловливается уменьшением напряжения, а при nr = const уменьшением напряжения и частоты. Таким образом, причинами изменения напряжения асинхронного генератора в режиме внешней характеристики при f1 = const являются изменение основного магнитного потока и внутреннее падения напряжения. Если же частота вращения ротора поддерживается постоянной, то изменение напряжения вызывается, кроме того, изменением частоты.

Из рассмотрения соотношений (43) и (45) следует, что стабилизация напряжения генератора при изменяющейся нагрузке принципиально возможна посредством регулирования частоты вращения ротора (частоты f1) и регулирования основного магнитного потока.

Осуществление стабилизации напряжения по первому способу технически сложно, особенно при резко переменной нагрузке. Пределы регулирования частоты вращения ротора здесь могут быть значительными. Поэтому такой способ практически непригоден. Вторая возможность стабилизации напряжения является основной. Частота вращения ротора при этом может быть постоянной или переменной. В последнем случае диапазон регулирования магнитного потока увеличивается.

Выше было показано, что напряжение генератора при данной частоте вращения определяется реактивной проводимостью и намагничивающего контура. Следовательно, для стабилизации напряжения необходимо выполнение условия:

Отсюда применительно к активно-индуктивной нагрузке

и к активной нагрузке

Реактивной проводимости bc соответствует реактивная мощность конденсаторов:

где С, Uф - емкость и напряжение фазы конденсаторов.

Из этого выражения видно, что получение необходимой реактивной мощности конденсаторов при изменяющейся нагрузке может быть обеспечено регулированием емкости С или напряжения Uф . Обе эти возможности используются на практике.

Условимся рассматривать стабилизацию напряжения асинхронного генератора при постоянной частоте вращения ротора.
Регулирование основного магнитного потока в целях стабилизации напряжения при n2 = const возможно:
1) подмагничиванием спинки статора генератора;
2) изменением напряжения на конденсаторах;
3) изменением емкости шунтирующих конденсаторов;
4) применением феррорезонансного стабилизатора напряжения;
5) применением управляемых реакторов;
6) применением конденсаторов с переменной (регулируемой) диэлектрической проницаемостью;
7) компаундированием возбуждения.

Продолжение следует.
В следующей публикации перечисленные выше способы регулирования выходных напряжений асинхронных генераторов рассмотрим подробнее.

Похожие статьи:
Асинхронные генераторы, Синхронные генераторы, Дизель-генераторы.


Замечания и предложения принимаются по адресу horeff@mail.ru

1.61