НИИэлектромаш и ОАО “Привод” для турбогенераторов мощностью от 2,5 до 63 МВт разработали системы возбуждения бесщеточные диодные (СВБД). Они предназначены для замены устаревших систем возбуждения типа БВУГ.
Для этих систем разработан ряд однотипных бесщеточных возбудителей с частотой переменного тока якоря 400 Гц и с трехфазным мостовым вращающимся выпрямителем. Ротор возбудителя крепится консольно на валу турбогенератора. Конструкция вращающегося выпрямителя - блочная. Элементы выпрямителя (роторные диоды типа Д105-630, демпфирующие цепи, варисторные устройства защиты) размещаются на отдельных модулях (радиаторах охлаждения), которые крепятся на ободе ротора возбудителя. Применение такой компоновки значительно улучшило технологию сборки возбудителя, повысило надежность его работы.
В СВБД для защиты от перенапряжений, возникающих при переходных процессах (несимметричные КЗ в сети, самосинхронизация, грозовые перенапряжения), впервые использованы нелинейные сопротивления - варисторы. Для этой цели были разработаны варисторы роторного типа ВОЦ-Р-46 (на основе оксида цинка). Они размещены в блоках из стеклотекстолита, включающих последовательно соединенные варистор и плавкую вставку. Последняя выполняет роль предохранителя, отключающего варистор в случае его пробоя. Более чем шестилетний опыт эксплуатации варисторов показал, что они, как средства защиты от перенапряжений, позволили полностью исключить повреждения бесщеточных возбудителей из-за пробоя по напряжению.
Другая задача, поставленная при разработке СВБД, - повышение быстродействия бесщеточных систем возбуждения. Быстродействие достигнуто за счет введения жесткой отрицательной обратной связи по току возбуждения возбудителя (или по напряжению ротора турбогенератора), снижающей постоянную времени возбудителя, и использования повышенной кратности напряжения возбуждения возбудителя, обеспечивающего увеличение скорости нарастания напряжения ротора.
Эти решения, разработанные НИИэлектромаш и ОАО “Электросила” для бесщеточных систем возбуждения мощных турбогенераторов и перенесенные на машины малой мощности, позволили резко улучшить динамические свойства системы, что особенно важно для автономных систем, а также позволили при необходимости ввести сильное регулирование возбуждения. В частности, в автономных системах с турбогенераторами, имеющими систему возбуждения СВБД, стал возможен запуск двигателей, составляющих по мощности до 30% установленной мощности турбоагрегата.
С целью повышения надежности СВБД она выполнена двухканальной. В основной канал входят тиристорный преобразователь ТП1 на оптотиристорах с системой управления СУТ1, регулятором напряжения АРН и резервным регулятором напряжения PPHL В резервный канал входят тиристорный преобразователь ТП2 с системой управления СУТ2 и резервным регулятором РРН2 (см. рис. 2).
Для СВБД разработан новый регулятор напряжения АРН, в котором реализован ПИД-закон регулирования напряжения статора генератора с компаундированием по реактивной составляющей тока статора и со стабилизацией по первой производной тока ротора. Система возбуждения при работе с АРН обеспечивает поддержание заданного напряжения генератора с точностью не более 1% относительно установленной статической характеристики, которая задается от 0 до 10% в режиме выдачи реактивной мощности и от 0 до 100% в режиме потребления реактивной мощности, т.е. в режиме ограничения минимального возбуждения (ОМВ) ток возбуждения ограничивается значением, не допускающим переход генератора в режим глубокого потребления реактивной мощности.
Кроме того, в СВБД часть функций, выполняющих защиту, была снята с регулятора и перенесена на микропроцессорную систему управления возбуждением. К ним относятся ограничение максимального тока ротора с учетом его теплового состояния и ограничение перегрузки по токам статора и ротора в соответствии с заданными тепловыми характеристиками. Функции автоматической подгонки уставки напряжения при синхронизации, программное начальное возбуждение, а также разгрузка турбогенератора по реактивной мощности при плановом останове турбогенератора остались за АРН.
Для турбогенераторов, имеющих слабые связи с энергосистемой, следует дополнительно заказать системный стабилизатор, устанавливаемый в АРН дополнительно, который вводит в ПИД-закон регулирования по напряжению генератора дополнительные сигналы по отклонению и первой производной частоты его напряжения, способствующие демпфированию качаний ротора турбогенератора в послеаварийных режимах.
Резервный регулятор напряжения является регулятором пропорционального типа по отклонению напряжения турбогенератора. При работе системы возбуждения с АРН происходит автоматическая непрерывная подгонка уставки РРН к уставке АРН с точностью не хуже 0,5% номинального напряжения в режиме холостого хода генератора или не хуже 5% тока возбуждения при работе генератора в сети. Соответственно при работе системы возбуждения с РРН осуществляется автоматическая непрерывная подгонка уставки АРН под уставку РРН.
Система возбуждения типа СВБД является одной из первых в России, в которой вместо традиционных устройств управления, контроля, защиты и сигнализации, построенных на элементах “жесткой логики”, используется микропроцессорная техника. Микроконтроллер совместно с устройствами ввода/вывода информационных сигналов осуществляет автоматизированное управление устройствами системы возбуждения, технологические ограничения режимов турбогенератора, информационные функции и контроль за работой оборудования.
Рис. 3. Двухканальная система возбуждения с резервированием по силовому оборудованию, цепям регулирования и управления
Реализация всех этих функций осуществляется путем приема, преобразования и обработки информации от дискретных и аналоговых датчиков, команд оператора или автоматики станции с последующей выработкой управляющих воздействий на исполнительные органы и выдачей сообщений оперативному персоналу.
Одноплатный микроконтроллер выполнен на базе однокристальной микро-ЭВМ семейства МС8051 фирмы “Интел”, на плате также расположен аналого-цифровой преобразователь с 8-канальным коммутатором, два цифроаналоговых преобразователя, порты ввода/вывода дискретных сигналов и два канала последовательного обмена RS-232. Контроллер вступает в работу по факту появления напряжения питания.
Программное обеспечение СУВ содержит программные блоки сбора информации, управления, технологических ограничений режимов работы турбогенератора, готовности системы возбуждения к работе, защиты и блок тестов.
Рабочий цикл программы (шаг квантования) - 20 мс. Внутри цикла работа отдельных блоков программ организована по иерархическому признаку, причем при вызове программы более высокого приоритета уже выполнявшаяся программа ставится в очередь для последующего выполнения. Тестовые программы, контролирующие работу устройств микроконтроллера, выполняются в фоновом режиме, т.е. в интервале времени внутри такта, свободного от выполнения основных программ.
Программа готовности к работе контролирует положение аппаратуры (включено/отключено) и исправность устройств системы возбуждения. Программа запускается при первоначальном включении системы возбуждения, блокируя запуск системы возбуждения при ее неготовности к работе.
Технологический блок содержит программу ограничения перегрузки ротора турбогенератора в функции времени.
Рис. 4. Шкаф системы возбуждения
При достижении максимально допустимой температуры обмотки ротора, определенной с помощью кривой допустимых перегрузок, СУВ переводит турбогенератор в режим остывания на заданное время, при этом ток ротора устанавливается равным 98% номинального значения. Процесс перевода в этот режим происходит путем мгновенного ограничения напряжения возбуждения возбудителя сверху, при этом работа АРН фактически игнорируется. Затем СУВ снижает уставку АРН до значения, когда ток ротора находится в диапазоне указанного (0,95 -0,98) Iрот, и работа АРН восстанавливается. Ограничение напряжения возбуждения снимается на время КЗ в системе для того, чтобы обеспечить форсировку возбуждения. После окончания режима остывания ограничение значения напряжения снимается, а уставка АРН возвращается к первоначальному значению.
В СУВ программно реализована защита турбогенератора от снижения частоты ниже заданного значения, действующая на отключение возбуждения в режиме холостого хода турбогенератора.
В шкафу системы возбуждения (ШСВ) имеется комплект защит для бесщеточной системы возбуждения, выполненный на микросхемах средней интеграции. Бесщеточная система возбуждения укомплектована следующими видами защит: от потери возбуждения;
от замыкания на шинах постоянного тока якоря бесщеточного возбудителя;
от несимметричных замыканий в цепях вращающегося выпрямителя при пробое роторных диодов;
от повышения напряжения статора турбогенератора в режиме холостого хода; от перегрузки ротора;
от превышения предельного тока возбуждения и замыканий в тиристорном преобразователе (токовая отсечка);
от замыкания обмотки возбуждения турбогенератора на землю в одной точке (вал ротора).
При создании шкафа ШСВ реализован принцип, при котором устройства управления и регулирования, защиты, контроля и информации имеют собственные источники вторичного электропитания и собственные источники информации (датчики).
Размеры ШСВ - 800 х 600 х 2000 мм. Общий вид шкафа показан на рис. 4.
Шкаф системы возбуждения выпускается НИИэлекгромаш с 1994 г. для комплектации турбогенераторов с системами СВБД, выпускаемых ОАО “Привод”.
Система возбуждения бесщеточная диодная показала себя хорошо в эксплуатации, замечаний к ней нет.
