Системы возбуждения относятся к числу наиболее ответственных элементов генератора. Несмотря на то, что относительная мощность возбудителей невелика и составляет всего 0,4—0,6 % мощности генераторов, их характеристики существенно влияют как на устойчивость работы генераторов, так и на устойчивость двигательной нагрузки собственных нужд электростанции. Последнее очень существенно для обеспечения устойчивости технологического режима мощных блочных станций.
Системы возбуждения должны отвечать следующим общим требованиям: обеспечивать надежное питание обмотки возбуждения синхронного генератора в нормальных и аварийных режимах; допускать регулирование напряжения возбуждения в заданных пределах; обеспечивать быстродействующее автоматическое регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах; осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимости производить гашение поля в аварийных режимах.
Быстродействие системы возбуждения определяется кратностью форсирования = UBm/UB_H (отношение максимального напряжения возбуждения к его номинальному значению) и скоростью нарастания напряжения возбудителя (с-1) при форсировании
где тх — время нарастания напряжения возбудителя от номинального И в. и ДО значения {/„. и + 0,632 (UBm — Рв.и). Возбудители современных турбогенераторов имеют, не меньшее двукратного номинального напряжения в секунду. Допустимая длительность форсировочного режима с предельным током возбуждения зависит от системы охлаждения генератора и должна быть не меньше 50 с при косвенной системе охлаждения, 30 с при непосредственном охлаждении ротора и косвенном охлаждении статора, 20 с при непосредственном охлаждении ротора и статора.
Системы возбуждения подразделяются на электромашинные и вентильные. В электромашинной системе возбуждения источником постоянного тока является вспомогательный генератор постоянного тока - возбудитель, непосредственно связанный с валом главного синхронного генератора или приводимый независимым двигателем, синхронным или асинхронным. В вентильной системе источником выпрямленного тока являются ртутные или полупроводниковые вентили, получающие питание от вспомогательного или главного синхронного генератора.
В зависимости от источника энергии, используемого для возбуждения, все системы разделяются на системы независимого возбуждения и самовозбуждения. Преимущественное применение нашли схемы независимого возбуждения, в которых используется механическая энергия на валу возбуждаемой синхронной машины. В этом случае возбудитель не связан с сетью системы и возбуждение может осуществляться независимо от режима ее работы. Здесь в качестве возбудителя используется генератор постоянного тока (рис.. 1-17) или генератор переменного тока в сочетании в вентильными выпрямителями (рис. 1-18—1-20).
При самовозбуждении используется энергия, вырабатываемая возбуждаемой машиной или получаемая из сети. В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока или вентильные выпрямители (рис. 1-21).
До недавнего времени у генераторов всех типов наибольшее распространение имела электромашинная система возбуждения с генератором постоянного тока, непосредственно соединенным с валом основной машины. Предельная мощность электромашинных возбудителей при частоте вращения 3000 об/мин составляет 500 кВт. Этого достаточно лишь для возбуждения турбогенераторов с косвенным охлаждением мощностью до 150 МВт и турбогенераторов с непосредственным охлаждением до 100 МВт. Уменьшение частоты вращения до 750 об/мин позволяет повысить предельную мощность возбудителей до 3 МВт, но требует редуктора, что снижает надежность и увеличивает габариты машинного зала. По этой причине электромашинная система возбуждения с редуктором нашла у нас применение лишь на нескольких турбогенераторах мощностью 300 МВт (ТГВ-300 и ТВМ-300).
Электромашинные системы возбуждения снабжаются автоматическим регулятором в виде устройства компаундирования с корректором напряжения, но быстродействие их по сравнению с другими системами является невысоким (кф = 2, постоянная времени возбудителя Тв = 0,3ч-6,0 с). Поэтому такие системы могут быть применены лишь для возбуждения турбогенераторов, к которым не предъявляют повышенных требований в отношении устойчивости.
В настоящее время электромашинные возбудители применяют только на турбогенераторах мощностью до 100 МВт, на гидрогенераторах небольшой мощности и в качестве резервных возбудителей, в том числе и для генераторов с вентильными системами возбуждения.
Рис. 1-17. Электромашинная система возбуждения с генератором постоянного тока: а — с самовозбуждением возбудителя; б — с подвозбудителем I — синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения генератора; 3 — автомат гашения поля; 4 — дугогасительная решетка; 5 — возбудитель; 6 — обмотка возбуждения возбудителя; 7 — подвозбудитель
Для генераторов больших мощностей применяются вентильные системы возбуждения о неуправляемыми (рис. 1-18) или управляемыми вентилями (см. рис. 1-19).
Полупроводниковая система возбуждения с высокочастотным возбудителем является основной для турбогенераторов серии ТВВ мощностью 165, 200, -300 и 500 МВт. Высокочастотный возбудитель представляет собой сильно компаундированную индукторную машину, возбуждение которой определяется в основном обмоткой: самовозбуждения, включенной последовательно с обмоткой ротора генератора. 
Рис. 1-18. Высокочастотная система возбуждения с неуправляемыми полупроводниковыми выпрямителями 1 — синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения генератора (ОВГ); 3 — автомат гашения поля (АГП); 4 — выпрямительное устройство; 5 — высокочастотный возбудитель; 6, 7 — последовательная (ОПВ) и независимые (ОНВ) обмотки возбуждения высокочастотного возбудителя (ВЧВ); 8 — высокочастотный подвозбудитель (Г1В); 9 — выпрямитель (В); 10, 11 — магнитные усилители (МУ) бесконтактной форсировки и автоматического регулятора возбуждения (APB); Р — разрядник
Рис. 3-19. Независимая система возбуждения с управляемыми вентилями
1 — синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения; 3 — возбудитель — вспомогательный генератор с двумя обмоткам и на статоре; 4 — обмотка возбуждения возбудителя; 5 подвозбудитель; 6 - обмотка возбуждения подвозбудителя; 7, 8 — форсировочная и рабочая группы управляемых вентилей
Рис. 1-20. Бесконтактная система возбуждения: 1 - синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения; 3 — вращающиеся полупроводниковые выпрямители, 4 — высокочастотный возбудитель (обращенная индукторная машина); 5 — обмотка возбуждения возбудителя; 6 — высокочастотный подвозбудитель; 7 — выпрямитель; 8 — магнитный усилитель цепи возбуждения подвозбудителя
При переходных процессах свободный ток ротора, протекая по обмотке самовозбуждения, создает необходимый компаундирующий эффект.
Устойчивость работы и регулирование обеспечиваются устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ) и бесконтактной форсировки (УБФ), включенными на одинаковые независимые обмотки возбуждения высокочастотного возбудителя и представляющими собой двухсистемный корректор. УБФ получает питание от статорной обмотки высокочастотного возбудителя, а устройство АРВ—от высокочастотного подвозбудителя. Подвозбудитель (машина с постоянными магнитами) находится на одном валу с возбудителем и основным генератором.
Рис. 1-21. Схема самовозбуждения с управляемыми вентилям
1 - синхронный генератор; 2 — обмотка возбуждения; 3 — выпрямительный трансформатор; 4, 6 — рабочая и форсировочная группы управляемых вентилей
Регулирование возбуждения осуществляется изменением токов в независимых обмотках возбуждения высокочастотного генератора. По своему быстродействию эта система превосходит электромашинную с генератором постоянного тока и обеспечивает скорость нарастания напряжения vy = 2-4 с-1.
Существенного повышения быстродействия системы возбуждения можно достигнуть с помощью управляемых вентилей, ионных или тиристорных, преобразующих переменный ток вспомогательного синхронного генератора частотой 50 Гц в постоянный (рис. 1-19). Вспомогательный генератор имеет электромашинную систему возбуждения и при независимой системе располагается на одном валу с главным. При высокой кратности форсирования возбуждения (кф > 2) обычно применяют две группы управляемых вентилей: рабочую и форсировочную. Обе группы выполняют по шести- или трехфазной мостовой схеме, соединяют параллельно и подключают к обмотке возбуждения генератора. Рабочая группа вентилей работает с малыми углами регулирования и обеспечивает возбуждение генератора в нормальных режимах. Форсировочная группа в нормальном режиме работает с большими углами регулирования и дает не более 30 % тока возбуждения. При форсировке эта группа полностью открывается и дает весь ток форсировки, а при гашении поля переводится в инверторный режим.
Каждая фаза вспомогательного генератора выполняется из двух частей: низковольтной, к которой присоединены вентили рабочей группы, и высоковольтной — для питания вентилей форсировочной группы. Защита вентилей и вспомогательного генератора от токов при обратных зажиганиях (в случае ионных вентилей) осуществляется с помощью шестиполюсных быстродействующих анодных выключателей. Управление вентилями осуществляется от автоматического регулятора возбуждения.
Вследствие безынерционности вентилей такая система возбуждения имеет малые постоянные времени (Тв < 0,02 с) и при высокой кратности форсирования (кф = 4) обеспечивает скорость нарастания напряжения возбудителя vy = 40 с-1. Независимая ионная система возбуждения применена на некоторых турбогенераторах серии ТГВ мощностью 300 и 500 МВт и целесообразна, когда генераторы работают на длинные линии электропередачи и расположены вблизи потребителей с резко переменной нагрузкой.
Рассмотренные выше системы возбуждения называются контактными, так как обмотка возбуждения синхронного генератора соединяется здесь с возбудителем посредством контактных колец и щеток. В настоящее время для турбогенераторов мощностью 300 МВт и выше разработаны так называемые бесконтактные системы возбуждения с непосредственным соединением возбудителя и обмотки возбуждаемой машины (рис. 1-20). В этой схеме высокочастотный возбудитель имеет обращенное исполнение с размещением трехфазной обмотки на роторе, а обмотки возбуждения на статоре. Полупроводниковые неуправляемые вентили и индивидуальные предохранители встроены в барабан, расположенный между соединительной муфтой и якорем возбудителя. Число вентилей выбрано с запасом, чтобы при выходе из строя до 20 % их оставшиеся могли обеспечить возбуждение в режиме форсировки. Поскольку трехфазная обмотка возбудителя, выпрямители и обмотка возбуждения вращаются с одинаковой частотой, их можно соединить электрически без контактных колец и щеток. Регулирование напряжения возбудителя осуществляется автоматически от высокочастотного подвозбудителя.
Бесконтактная схема существенно повышает надежность системы возбуждения и особенно перспективна для генераторов большой мощности с токами возбуждения 3 кА и выше. Так, подобная система установлена на крупнейшем в стране генераторе 1200 МВт, имеющем ток возбуждения более 7,5 кА (Костромская ГРЭС). Однако она не лишена некоторых недостатков, в частности, при этой системе гашение поля происходит сравнительно медленно, а из-за инерционности высокочастотного возбудителя не могут быть получены большие скорости повышения напряжения при форсировке. Следует также указать на невозможность работы на резервном возбуждении. Медленное гашение поля вызывается отсутствием размыкающих контактов в цепи обмотки возбуждения и осуществлением этого процесса через АГП возбудителя.
Эти недостатки частично устранены в бесконтактной (бесщеточной) тиристорной системе возбуждения БТВУ-300, проходящей с 1981 года опытно-промышленную проверку на ряде ТЭС страны, и БТВ-500-4, установленной на одной из АЭС.
Эти системы имеют следующие отличия от существующих:
в них применен специальный вспомогательный шестнадцатифазный генератор с трапецеидальной э. д. с., обладающий повышенным быстродействием в диодном исполнении;
импульсы управления вращающимися тиристорами создаются, формируются и смещаются по фазе при помощи бесконтактной системы управления, включающей в себя специальный многофазный генератор управляющих импульсов и синусно-косинусное устройство;
комбинированный способ управления и регулирования в сочетании с высоким быстродействием возбудителя обеспечивает высокое быстродействие системы возбуждения во всех режимах;
процесс гашения поля турбогенератора значительно убыстряется, так как в этой системе он осуществляется релейным переводом вращающегося выпрямителя в инверторный режим путем изменения угла регулирования от 38,9 до 137°.
Бесщеточные возбудители подобного типа обладают высоким быстродействием при форсировке возбуждения. На блоках с турбогенераторами ТГВ-300 при двукратной форсировке возбудителя из номинального режима достигается скорость нарастания напряжения до 13Uв., ,/с, а на блоках с ТГВ-200 — до 20UB. и/с.
Специальные испытания показали, что при мощности генератора, равной половине номинальной, асинхронный режим не опасен для тиристорной бесщеточной системы.
Системы самовозбуждения (рис. 1-21) обычно выполняются на базе статических преобразователей с управляемыми ртутными (ионное самовозбуждение) или полупроводниковыми вентилями. Система ионного самовозбуждения использована на турбогенераторах ТГВ-200 и некоторых машинах ТГВ-300, Выпрямительный трансформатор подключен ответвлением к генераторному токопроводу и имеет две вторичные обмотки, соединенные между собой уравнительным реактором. Каждая из обмоток имеет выводы высокого и низкого напряжения для подключения рабочей и форсировочной групп вентилей. Управление вентилями осуществляется так же, как в схеме на рис. 1-19. Ионный возбудитель с автоматическим регулятором возбуждения сильного действия обеспечивает устойчивую работу возбуждения во всех режимах, если напряжение генератора выше 0,8f/n. Для самовозбуждения при более значительных снижениях напряжения в некоторых случаях применяют схему сильного компаундирования с дополнительным трансформатором, первичная обмотка которого включена последовательно в цепь каждой фазы генератора, а вторичная — последовательно со вторичной обмоткой выпрямительного трансформатора.
По быстродействию система ионного самовозбуждения близка к схеме на рис. 1-19 и имеет скорость нарастания напряжения при форсировке до 30 с-1. По экономическим показателям система самовозбуждения с управляемыми вентилями (рис. 1-21) превосходит систему независимого возбуждения (рис. 1-19), но имеет меньшую стабильность напряжения из-за прямой электрической связи с сетью.
Для резервного возбуждения турбогенераторов любых мощностей применяют систему самовозбуждения с генератором постоянного тока, приводимым во вращение асинхронным двигателем, получающим питание от шин собственных нужд станции (рис. 1-22). Мощность таких генераторов постоянного тока, выполненных на частоту вращения 750 об/мин, достигает 2 МВт, а перегрузочная мощность, рассчитанная на длительность форсировки до 30 с, колеблется в пределах 4—6 МВт. Для уменьшения влияния колебаний напряжения и частоты в системе на режим возбуждения синхронной машины применяют либо асинхронный двигатель с большим запасом по мощности, либо специальный маховик для увеличения механической инерции вращающихся масс. Динамические характеристики генератора при работе на резервном возбудителе хуже, чем при работе на основном. Обычно на два-четыре блока устанавливают один резервный возбудитель.
Ряс. 1-22. Схема реверсивного (бесконтактного) возбуждения синхронного компенсатора КСВБО
1 — пусковой выключатель; 2 — рабочий выключатель; 3 — пусковой реактор: 4 — синхронный компенсатор КСВБО; 5 — выпрямители; 6 — обращенные синхронные генераторы-возбудители; 7 — возбудитель компенсатора в индуктивном режиме; 8 — обмотки возбуждения обращенных генераторов-возбудителей; 9 — автоматический регулятор возбуждения; 10 — возбудитель компенсатора в емкостном режиме; 11 — трансформатор питания АРВ
На ГЭС при мощности гидрогенераторов до 120, а иногда до 170 MB.А наибольшее распространение получила прямая электрошинная система независимого возбуждения (рис. 1-17), при которой возбудитель (генератор постоянного тока) и подвозбудитель, если он имеется, приводятся во вращение непосредственно от вала гидрогенератора. Такая система обеспечивает кратность форсировки кф 2 и максимальную скорость нарастания напряжения va ^ 1,5 с1. Номинальная мощность таких возбудителей не превышает 1 МВт, а частота вращения находится в пределах 62,5 — 600 об/мин.
В последнее время, учитывая присущие электромашинному возбуждению недостатки, для группы гидрогенераторов средней мощности (1,25 — 170 MB. А) рекомендуется замена этих систем возбуждения на статические тиристорные системы параллельного самовозбуждения, отличающиеся относительной простотой и достаточной надежностью.
При этом удается избежать таких недостатков электромашинного возбуждения, как склонность к вибрации при значительных вращающихся массах, укрепленных консольно на валу генератора (возбудитель, подвозбудитель, генератор с постоянными магнитами), что требует учащенных капитальных ремонтов и центровок генератора.
Избегаем также другого серьезного недостатка электромашинного возбуждения: сложности обслуживания возбудителей, их щеточного аппарата и вспомогательных агрегатов.
Некоторых недостатков тиристорных параллельных систем самовозбуждения (зависимость от режимов статорных цепей, опасность развозбуждения генератора при близких коротких замыканиях) можно избежать схемными решениями и соответствующим выбором параметров силового оборудования.
Для наиболее мощных гидрогенераторов (200—600 MB.А), работающих на дальние электропередачи, требуются системы возбуждения с высоким быстродействием: k$ = 3-f-4, Vu > 100c“l. Его обеспечивают системы независимого возбуждения с управляемыми вентилями (ионными или тиристорными) (см. рис. 1-19). Небольшое число мощных гидрогенераторов имеет ионную или тиристорную систему самовозбуждения (см. рис. 1-21). Тиристорное самовозбуждение наиболее рационально для капсульных гидрогенераторов, имеющих пока сравнительно небольшую мощность (до 46 MB. А). Ограниченное число гидрогенераторов средней мощности имеет схему самовозбуждения, показанную на рис. 1-17. Что касается резервного возбуждения, то на гидроагрегатах оно, как правило, не применяется.
На мощных синхронных компенсаторах с водородным охлаждением 50, 100 и 160 MB. А также устанавливаются бесщеточные тиристорные системы возбуждения. В соответствии с назначением компенсаторов и диапазоном их регулирования на компенсаторах серии КСВБ устанавливают системы только положительного возбуждения; на компенсаторах же серии КСВБО, предназначенных для регулирования реактивной мощности в режимах генерирования и потребления ее,— системы с реверсивным возбуждением (рис. 1-22).
Реверсивное возбуждение позволило увеличить мощность компенсаторов в режиме с отстающим током (индуктивный режим) до 80 % номинальной вместо 50 % при работе компенсатора в индуктивном режиме без возбуждения. При этом крайние пакеты статора имеют необходимый запас по нагреву.
В компенсаторах КСВБО на роторе размещены две обмотки: основная для положительного возбуждения и дополнительная для отрицательного возбуждения. Намагничивающая сила отрицательной обмотки составляет примерно 20 % и. с. основной обмотки. Каждая из обмоток ротора — и положительная, и отрицательная — питается от своего возбудителя, состоящего из обращенного синхронного генератора и вращающегося выпрямителя. Регулирование тока ротора производится изменением тока возбуждения возбудителя.
Бесщеточная (бесконтактная) система возбуждения упростила эксплуатацию и повысила надежность работы компенсаторов, так как без контактных колец и щеточного аппарата исключены угольная пыль на обмотках, простои машины на замену щеток и ремонт контактных колец.
