История электротехники - Коллектив авторов

Рассмотренные выше системы возбуждения являются независимыми, так как в них применяется вспомогательный синхронный генератор. В таких системах необходимо иметь тиристорные преобразователи и автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) как для главной, так и для вспомогательной машины. Система возбуждения существенно упрощается, если перейти на схему самовозбуждения. В этом случае обмотка ротора получает питание от выпрямителя, подключенного ко вторичной обмотке выпрямительного трансформатора. Его первичная обмотка присоединяется к выводам генератора. Системы самовозбуждения стали все более широко применяться как для турбогенераторов, так и для гидрогенераторов.

Щеточно-контактный аппарат турбогенератора с частотой вращения 3000 об/мин надежно работает при токах до 5000 А. Поэтому с увеличением токов потребовалось создание бесконтактной или бесщеточной системы возбуждения. Для этой цели применяется синхронный генератор обращенного типа, у которого якорь вращается, а индуктор неподвижен. Обмотка якоря подсоединяется к вращающемуся выпрямителю, соединенному с обмоткой ротора турбогенератора.

Для бесщеточных возбудителей потребовались диоды, рассчитанные на большие центробежные ускорения. Специальное конструкторское бюро завода «Электровыпрямитель» (г. Саранск) с участием ВНИИэлектромаша разработало и создало диоды со средним током 500 А и повторяющимся напряжением 2000 В. Позднее были освоены диоды на ток 630 А и напряжение 2800 В. В 1972 г. для турбогенератора мощностью 300 МВт был применен трехфазный возбудитель с диодами на ток 500 А. Полученный опыт был распространен еще на четыре турбогенератора мощностью по 300 МВт. Вся эта работа проводилась ВНИИэлектромашем и объединением «Электросила». Энергетическим институтом им.

Г.М. Кржижановского и харьковским заводом «Электротяжмаш» для турбогенератора мощностью 200 МВт с многофазным возбудителем под руководством Г.А. Ковалькова и B.C. Кильдишева были применены диоды с током 500 А. Такие же диоды были применены и для двух многофазных бесщеточных возбудителей турбогенераторов мощностью 500 МВт завода «Электротяжмаш», установленных на Воронежской АЭС. Позднее машины этого класса комплектовались трехфазными возбудителями и диодами с током 630 А и выполнялись в объединении «Электросила». По заказу Ленинградской АЭС в 1978 г. была завершена поставка четырех бесщеточных возбудителей для турбогенераторов мощностью 500 МВт.

В 1980 г. был создан самый мощный в мире двухполюсный турбогенератор на 1200 МВт для Костромской ГЭС, который имеет номинальные значения тока возбуждения 7800 А и напряжения 500 В. В этом случае единственно возможное решение состояло в применении бесщеточной системы возбуждения. Для турбогенераторов мощностью 1000 МВт с током возбуждения 7000 А и напряжением 500 В для атомных электростанций были также применены бесщеточные возбудительные системы. Первый такой турбогенератор был введен в эксплуатацию в 1981 г., а всего на электростанциях сейчас работают 17 аналогичных машин. При их создании весь комплекс исследований и разработок по совместным проектам ВНИИэлектромаша с объединением «Электросила» был выполнен под руководством В.Ф. Федорова и В.К. Воробья.

В 1978 г. впервые в мировой практике была введена в эксплуатацию тиристорная бесщеточная система возбуждения для турбогенератора мощностью 300 МВт с частотой вращения 3000 об/мин на Киришской ГЭС.

Как указано выше, бесщеточные возбудители были применены для синхронных компенсаторов. В связи с большим синхронным индуктивным сопротивлением для получения большого значения реактивной мощности в режиме потребления кроме основного выпрямителя положительного возбуждения применяется выпрямитель отрицательного возбуждения.

Во ВНИИэлектромаше разработана новая система статического тиристорного самовозбуждения с воздушным охлаждением для турбогенераторов мощностью от 60 до 220 МВт с широким использованием микропроцессорной техники. В этой системе имеется 100-процентное резервирование. Для меньшего диапазона мощностей (2,5–63 МВт) предложены упрощенная статическая тиристорная и бесщеточная системы (рис. 6.8). Последняя имеет консольное исполнение, благодаря чему она размещается в пространстве щеточно-контактного аппарата. Микропроцессорная техника, силовая часть, устройства управления, регулирования, защиты и сигнализации размещены в одном небольшом шкафу. Указанные системы возбуждения разработаны В.В. Кичаевым, В.М. Бобровым, Е.Н. Поповым и В.К. Воробьем и освоены в производстве.

Разработка статических систем возбуждения мощных синхронных двигателей велась в ЦКБ КЭМ и на заводе «Уралэлектротяжмаш» (И.Л. Остров, В.Б. Коваленко, Б.В. Яковчук). Были созданы возбудители серий ВТЕ и ТЕ на токи возбуждения до 320 А. Они нашли широкое применение и в настоящее время изготавливаются в АО «Привод», на Рассказовском заводе низковольтных аппаратов, Сафоновском электромашиностроительном заводе. На заводе «Уралэлектротяжмаш» были созданы системы возбуждения на токи 630–800 А (ответственный исполнитель Р.Г. Гольдин).

Наряду со статическими системами велись активные исследования и разработки по бесщеточным системам возбуждения. Один из первых образцов отечественных бесщеточных генераторов был изготовлен и испытан в ЦКБ КЭМ. Большой объем работ по созданию бесщеточных генераторов был выполнен также на заводе «Электросила», где были разработаны и освоены бесщеточные генераторы типа СБГД мощностью до 6300 кВт. ЦКБ КЭМ и Сафоновским электромашиностроительным заводом были созданы синхронные двигатели с бесщеточной системой возбуждения.

Большое значение для создания полупроводниковых систем возбуждения турбо- и гидрогенераторов, а также синхронных компенсаторов и крупных синхронных машин, имела трехтомная монография И.А. Глебова, посвященная физическим процессам, методам расчета и проектирования [6.46–6.48].

Строительство дальних электропередач, объединение отдельных энергосистем в единую энергосистему, рост мощностей агрегатов потребовали существенного повышения динамической и статической устойчивости оборудования. Это привело к необходимости создания АРВ, которые реагируют не только на отклонения режимных параметров, но и на их производные. Такие регуляторы получили название автоматических регуляторов возбуждения сильного действия (АРВ СД). Сама идея и ее техническое воплощение были предложены специалистами нашей страны. В дальнейшем АРВ СД вошли в практику и зарубежных стран.

На первом этапе (1952–1953 гг.) развития АРВ СД разработчики из пяти организаций [Всесоюзный научно-исследовательский институт электроэнергетики (ВНИИЭ), Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ), Институт автоматики и телемеханики АН СССР, Московский энергетический институт (МЭИ), Институт электродинамики АН УССР] представили свои регуляторы в МЭИ, где они прошли испытания на электродинамической модели. На втором этапе (1954–1955 гг.) испытания двух АРВ СД продолжались на электродинамической модели Института электромеханики (теперь НИИэлектромаш). Авторами их были Н.В. Позин (Институт автоматики и телемеханики АН СССР) и Г.Р Герценберг (ВЭИ).

Наиболее полную поддержку специалистов получило предложение Г.Р. Герценберга. Поэтому АРВ СД ВЭИ нашел широкое практическое применение. Г.Р. Герценберг за эту работу был удостоен Ленинской премии.

Наиболее эффективная работа АРВ СД получается при использовании первой и второй производных угла нагрузки. Но измерение угла очень сложно. Поскольку ток генератора приблизительно пропорционален углу, то в регуляторах сначала использовались первая и вторая производные тока. Позднее И.А. Орурком, В.Е. Каштеляном и Н.С. Сирым было показано, что отклонение частоты и ее первая производная пропорциональны первой и второй производным тока. Поэтому в современных АРВ СД исходная информация получается от напряжения генератора.

В настоящее время практически на всех тепловых и гидравлических электростанциях, а также на атомных электростанциях страны применяются АРВ СД. Они пригодны для работы со всеми типами систем быстродействующего возбуждения (статические тиристорные и бесщеточные системы). Эти АРВ характеризуются коэффициентами регулирования и наличием сигналов по производным режимных параметров, что позволяет совместно с системами быстродействующего возбуждения реализовать преимущества сильного регулирования возбуждения, т.е. обеспечить высокие пределы статической и динамической устойчивости генератора и интенсивное демпфирование качаний в послеаварийных режимах.