Квантово-размерный эффект в двойной гетероструктуре.
Рис. 74 Схематическое изображение энергетических уровней для электронов и дырок в двойной полупроводниковой гетероструктуре.
Различие в положении энергетических уровней для электронов и дырок обусловлено разницей в эффективной массе электронов и дырок.
Рис. 75 Плотность состояний объемного полупроводникового материала имеет полезные и паразитные состояния. Паразитные состояния – высокоэнергетичные и низкоэнергетичные состояния не участвующие в процессе усиления.
Активная область двойной гетероструктуры в виде квантово-размерной потенциальной ямы видоизменяет плотность состояний и уменьшает количество паразитных состояний в распределении плотности состояний.
В квантово - размерной яме толщиной 5 нм наиболее оптимальное распределение плотности состояний.
v Нет паразитных низкоэнергетичных состояний
v Плотность состояний не увеличивается в высокоэнергетичной области.
Рис. 77. Схематическое изображение систем с пониженной размерностью и распределения плотности состояний для них.
3D – объемный материал
2D – квантовая яма (размерность понижена по одной координате).
1D – квантовая проволока (размерность понижена по двум координатам).
0D – Квантовая точка (размерность понижена по трем координатам).
В свою очередь системы, действующие по возмущению, делятся на системы токового компаундирования, у которых ток Iвопределяется Uг, Iг, т.е. Iв= f(Uг, Iг) и системы фазового компаундирования, у которых ток Iвопределяется Uг, Iг, cos j, т.е. Iв= f(Uг, Iг, cos j).
Характерной особенностью систем токового компаундирования является арифметическое сложение выпрямленных токов, поступающих в ОВГ по каналам напряжения и тока (см. рис. 2.1.3). Это значит, что составляющая тока в ОВГ, поступающая по каналу тока, зависит только от нагрузки СГ и не зависит от характера (cos j) этой нагрузки.
Рисунок 2.1.3 – Структурная схема СВАРН СГ с токовым компаундированием
Характерной особенностью для систем с фазовым компаундированием является геометрическое суммирование составляющих токов, поступающих на ОВГ по каналам напряжения (Iu) и тока (Iг), что обеспечивается благодаря включению компаундирующего элемента, в данной схеме фазового дросселя L в канале напряжения (см. рис. 2.1.4). В качестве компаундирующих элементов могут быть также применены конденсатор, магнитный шунт и т.д.
Рисунок 2.1.4 – Структурная схема САРН СГ с фазовым компаундированием
На схеме, представленной на рисунке 4, в цепь канала напряжения включен фазовый дроссель L, имеющий большое индуктивное сопротивление. Поэтому вектор тока в этой цепи по характеру индуктивный и отстает по фазе от вектора напряжения на 90°. Положение вектора тока определяется характером тока нагрузки генератора. При активной нагрузке (j=0) вектор совпадает по фазе с вектором напряжения . Результирующий вектор тока возбуждения получается сложением векторов и , расположенных под углом a=90°. Векторная диаграмма напряжений и токов фазы А представлена на рисунке 2.1.5. При смешанной (активно-индуктивной) нагрузке вектор будет отставать от вектора на угол j>0, а положение вектора останется неизменным. При этом вектор тока возбуждения получается в результате сложения векторов и , угол между которыми a1 меньше 90°. В результате оказывается, что >.
Рисунок 2.1.5 – Векторная диаграмма напряжений и токов фазы А при j=0 и j>0
Таким образом, при появлении индуктивной составляющей тока нагрузки СГ под действием продольной реакции статора генератор размагнитится сильнее, что приводит к уменьшению его напряжения. Указанное действие реакции статора компенсируется тем, что система фазового компаундирования автоматически увеличивает ток возбуждения в ОВГ.
Суммирование составляющих тока возбуждения генераторов может быть обеспечено как при параллельном, так и при последовательном соединении канала напряжения и канала тока.
Схема параллельного включения каналов напряжения и тока показана на рисунках 2.1.4 и 2.1.6. Здесь происходит суммирование токов .
Рисунок 2.1.6 – Принципиальная схема СВАРН СГ с прямым фазовым компаундированием при параллельном соединении каналов напряжения и токового
Схема последовательного соединения каналов напряжения и тока представлена на рисунке 2.1.7. Здесь происходит суммирование напряжений вторичных обмоток трансформаторов ТV1 и ТА1. При последовательном соединении каналов вместо дросселя применяют трансформатор тока с воздушным зазором, т.е. компаундирующий элемент включен в цепь источника тока параллельно.
Рисунок 2.1.7 – Принципиальная схема СВАРН СГ с прямым фазовым компаундированием и последовательным соединением каналов напряжения и токового
В АРН суммирование составляющих сигналов по каналам напряжения и тока нагрузки может быть осуществлено не только электрическим, но и электромагнитным способом с помощью трансформатора компаундирования ТК.
По способу воздействия на ОВГ все СВАРН делятся на две группы:
- системы прямого регулирования (см. рис. 2.1.2), в которой АРН непосредственно воздействует на ОВГ;
- системы косвенного регулирования, в которой АРН воздействует на ОВГ через возбудитель постоянного тока для синхронного генератора с контактными кольцами, или через возбудитель переменного тока в бесщеточном синхронном генераторе (см рис. 2.1.9).
Основным достоинством бесщеточных синхронных генераторов является полное отсутствие скользящих контактов, что обеспечивает им большую эксплуатационную надежность при условии надежного крепления вращающихся вентилей. Быстродействие, масса и габаритные размеры этой САРН примерно такие же, как у САРН с возбудителем постоянного тока. На судах БСГ находят все более широкое применение.
Системы, действующие по возмущению
В этих СВАРН регулирование протекает по значению и характеру тока нагрузки генератора. Система функционирует на базе трансформатора компаундирования ТК. Компаундирование обозначает смешивание. Схема СВАРН с трансформатором компаундирования представлена на рисунке 2.1.10.
Компаундирующим элементом может быть не только дроссель, но и конденсатор или магнитный шунт. Благодаря компаундирующему элементу магнитный поток обмотки напряжения отстает от вектора напряжения на угол 90°.
Принцип действия. В ТК потоки и складываются и образуют суммарный поток . Переменный пронизывает Wс и наводит в ней ЭДС, которая подается на UZ и преобразуется в постоянный ток возбуждения генератора.
Вследствие изменения тока нагрузки напряжение генератора может уменьшиться, однако, с уменьшением U увеличивается поток токовой обмотки до ¢ и увеличится результирующий поток . Напряжение восстанавливается до номинального значения.
Рисунок 10 – Схема СВАРН с управлением по возмущению
Wн – обмотка напряжения (первичная);
Wт – обмотка токовая (первичная);
Wс – обмотка суммирующая (вторичная);
UZ – выпрямитель;
L – компаундирующий элемент, дроссель.
Недостатки системы. Большие размеры и масса ТК. Значительное время регулирования.
Системы, действующие по отклонению напряжения
В таких системах исключен трансформатор компаундирования, а АРН работает как корректор напряжения (КН). Корректором измеряется истинное значение напряжения СГ, и в случае его отклонения, вырабатывается управляющий сигнал, который через регулирующий элемент корректирует ток возбуждения генератора.
Рисунок 2.1.11 – СВАРН с управлением по отклонению с корректором напряжения (а), комбинированная (б)
Через КН осуществляется отрицательная обратная связь по напряжению.
Через КН дополнительно осуществляется коррекция напряжения по температуре, частоте, также в КН включают контур для автоматического распределения реактивных нагрузок при параллельной работе генераторов.
Достоинства системы. Без ТК СВАРН более компактна, имеет меньшую массу и небольшое время регулирования.
Комбинированные системы
В схемах этих СВАРН имеется ТК и КН. Схема приведена на рисунке 2.1.11 б.
Принцип действия. С помощью ТК регулирование выполняется с недостаточной точностью, однако, это компенсируется наличием КН. Комбинированные СВАРН обладают высокой точностью стабилизации напряжения. Сигнал с выхода КН воздействует на обмотку Wу управления ТК, либо на систему управления управляемого выпрямителя UZ. Так как корректор напряжения выполняет отрицательную обратную связь по напряжению, то при отключении КН напряжение на генераторе увеличивается приблизительно на 10% номинального. Ток обмотки Wу размагничивает ТК, уменьшая результирующий магнитный поток.
Регулирование активной нагрузки
Регулирование активной нагрузки достигается изменением вращающего момента приводного двигателя, значение которого зависит от подачи топлива или пара. Для автоматического распределения активных нагрузок в автоматизированных системах имеются специальные устройства распределения активных нагрузок
Распределение реактивной нагрузки
При одиночной работе генератора СВАРН регулирует ток возбуждения с целью стабилизации напряжения.
При параллельной работе синхронных генераторов изменение реактивной нагрузки достигается регулированием тока возбуждения. Правила Регистра допускают неравномерность распределения реактивных нагрузок в пределах ±15% номинальной реактивной мощности большего генератора. Для обеспечения этого условия в СВАРН вводятся схемы распределения реактивной мощности – реактивные компенсаторы, которые включаются только при параллельной работе.
Из-за разного статизма регуляторных характеристик при параллельной работе генераторов их реактивный ток будет разным.
Каждый синхронный генератор в схеме СВАРН, действующей по отклонению, имеет реактивный компенсатор, который может быть статический и астатический. Т.о. в схему СВАРН вводят дополнительный узел, который состоит из измерительной части и исполнительной. В качестве измерительного элемента, который должен измерять ток нагрузки, применяют измерительный трансформатор тока ТА (см. рис. 2.1.12). В исполнительной части схемы сигнал, пропорциональный току нагрузки суммируется или вычитается из сигнала, пропорционального истинному напряжению генератора и подается на корректор напряжения.
Согласно рисунка 12 а на корректор напряжения подается напряжение .
При увеличении реактивной нагрузки (см. рис. 2.1.12 б) угол j увеличивается до значения φ¢ и увеличится до .
С помощью КН, который выполняет отрицательную обратную связь, ток возбуждения будет уменьшаться, чему соответствует автоматический перевод части реактивной нагрузки на второй генератор.
При астатизме 3 – 4% достигается устойчивое распределение реактивных нагрузок. При меньшем астатизме устойчивость распределения нарушается и тогда применяются уравнительные соединения между обмотками возбуждения синхронных генераторов.
На рисунке 12 в изображена схема реактивного астатического компенсатора. В режиме одиночной работы уравнительные связи разомкнуты. Под действием ЭДС трансформатора ТА в контурах текут одинаковые токи i1 и i2, причем по полуобмоткам трансформатора они текут встречно и на вторичной обмотке ТV ЭДС=0.
При параллельной работе и неравномерной нагрузке падение напряжения на R2 генератора G1 не равно падению напряжения на R2 генератора G2. По уравнительным связям потекут уравнительные токи и вызовут дополнительно падение напряжения в контуре.
Если реактивная нагрузка G1 больше G2, то , следовательно, потекут уравнительные токи и вызовут падения напряжения, направленные:
- для генератора G1 согласно с ЭДС трансформатора ТА;
- для генератора G2 встречно с ЭДС трансформатора ТА.
Во вторичных обмотках ТV возникнут ЭДС, причем, напряжение управления UУ для генератора G1 – увеличится, а для G2 – уменьшится. В результате произойдет перераспределение нагрузки.
Схемы автоматического начального подмагничивания
Самовозбуждение синхронного генератора происходит за счет остаточного намагничивания ротора генератора.
Потеря остаточного намагничивание ротора возможна в следующих случаях:
- КЗ генератора;
- во время ремонтных работ в результате сильных механических ударов по ротору;
- при длительном нахождении генератора вне эксплуатации.
Компаундирующий элемент L обладает большим сопротивлением, что снижает ток в обмотке напряжения. Это может привести к срыву процесса самовозбуждения. Устойчивое самовозбуждение обеспечивают схемы, показанные на рисунке 4.
Рисунок 2.1.13 – Схемы автоматического начального подмагничивания с генератором начального возбуждения (а), шунтированием компаундирующего элемента на время пуска (б), введением резонансного контура (в), введением токового контура (г).
Все схемы предназначены для создания или увеличения начального тока возбуждения.
Схемы гашения поля генератора
Для защиты генераторов от токов КЗ, возникающих в результате КЗ в самом генераторе или на кабеле до автомата, в СВАРН включают устройства, позволяющие быстро уменьшить ток возбуждения до нуля. Этот процесс называется гашением поля генератора. Гашение поля возможно выполнить при помощи выключателя QS, нелинейного резистора (варистора) или резистора..
Рисунок 2.1.14 – Схемы отключения возбуждения СГ при замыкании ОВГ накоротко (а), на нелинейный резистор (б), введением в цепь ОВГ резистора.
Контур частотной коррекции
При изменении частоты тока синхронного генератора изменяется напряжение генератора. Для восстановления напряжения генератора в схему КН включается контур частотной коррекции. Это L – С контур, настроенный на определенную резонансную частоту, например 80 Гц. При номинальной частоте 50 ГЦ увеличение частоты приведет к уменьшению сопротивления контура, и корректор уменьшит напряжение синхронного генератора.
В цепь КН может включаться резистор температурной компенсации RK, встроенный в обмотку статора генератора. При нагреве обмоток напряжение генератора уменьшается, но при этом одновременно увеличивается сопротивление резистора RK, и на входе КН напряжение уменьшается. Корректор увеличит ток возбуждения генератора и его напряжение восстановится.
СВАРН генератора типа МСС, работа трансформатора компаундирования
Основные элементы схемы и начальное возбуждение
Генераторы типа МСС отечественного производства. Схема их СВАРН проста и показала себя надежной в эксплуатации. СВАРН данного типа обеспечивает стабилизацию напряжения СГ с отклонением ±2,5% номинального. Основные элементы, входящие в схему:
– синхронный генератор G;
– трансформатор компаундирования ТК;
– блок силовых выпрямителей UZ1;
– генератор начального возбуждения ГНВ с выпрямителем UZ2;
– управляемый дроссель с рабочей обмоткой Wp и обмоткой управления Wу;
– компенсатор реактивной мощности (TA, R3) с выключателем SA;
– резистор термокомпенсации RK;
– автоматический выключатель QF;
– выключатель гашения поля QS;
– дополнительные резисторы R1, R2, R3.
В режиме начального возбуждения генератор ГНВ через выпрямитель UZ2 обеспечивает устойчивое начальное возбуждение. В номинальном режиме напряжение на выходе UZ1 превышает напряжение генератора ГНВ и UZ2 запирается, а генератор ГНВ оказывается отключенным.
Рисунок 2.1.16 – Схема СВАРН генератора типа МСС и векторные диаграммы.
Амплитудно-фазовое компаундирование
При помощи трансформатора компаундирования ТК осуществляется регулирование по значению и характеру тока нагрузки генератора. ТК имеет две первичные обмотки – токовую Wт и напряжения Wн, две вторичные обмотки – суммирующую Wс и обмотку W. В качестве компаундирующего элемента применен магнитный шунт, который увеличивает индуктивное сопротивление обмотки Wн. Токи, протекающие по обмоткам Wт и Wн, создают магнитные потоки Фт и Фн, которые образуют суммарный магнитный поток Фс=Фт+Фн. Суммарный магнитный поток определяет значение тока возбуждения генератора и его ЭДС, так как переменная ЭДС суммирующей обмотки Wс с помощью выпрямителя UZ1 преобразуется в постоянный ток возбуждения СГ.
Работа дросселя отбора мощности
Через управляемый дроссель происходит регулирование ЭДС генератора по напряжению и изменению температуры, а также распределение реактивных нагрузок при параллельной работе СГ. Увеличение напряжения на генераторе приводит к увеличению напряжения на вторичной обмотке ТК W, что в свою очередь вызовет увеличение тока в обмотке управления Wу и подмагничивание сердечника дросселя отбора мощности, поэтому индуктивное сопротивление обмотки рабочей Wр уменьшается. В результате увеличивается ток рабочей обмотки (происходит больший отбор мощности), а ток обмотки ОВГ уменьшается и напряжение генератора уменьшается.
При нагреве сопротивление резистора Rк, встроенного в СГ, увеличивается, что приводит к уменьшению тока в обмотке Wу и соответственно увеличению индуктивного сопротивления обмотки Wр. Это приведет к увеличению тока возбуждения и напряжения СГ.
При любых неисправностях СВАРН нарушается режим возбуждения. Обрыв или повреждение ОВГ или выпрямителя UZ1 приводит к срыву возбуждения. Замкнутый в режиме пуска выключатель QS исключает процесс самовозбуждения. Обрыв в цепях обмоток Wн и Wт, а также выпрямителей UZ1, UZ2 приводит к понижению напряжения холостого хода генератора. Обрыв в цепи обмотки Wу приводит к повышению напряжения генератора.
Распределение реактивных нагрузок
При параллельной работе СГ выключатель SA разомкнут и ЭДС трансформатора ТА создает ток через резистор R3, на нем возникает падение напряжения UR3. На выпрямитель UZ3 поступает напряжение управления Uу=UCB + UR3. При увеличении реактивного (индуктивного) тока генератора вектор полного тока фазы А (ІА) переместится в положение ІА1 и вектор падения напряжения на резисторе R3 тоже переместится в положение UR1. Напряжение управления Uу1=UCB + UR1 увеличится, что приведет к уменьшению ЭДС генератора, и часть индуктивной нагрузки автоматически перейдет на второй генератор. С помощью резистора R2 можно изменять уставку стабилизации напряжения, а с помощью резистора R1 – проводить настройку.
Рисунок 2.1.17 – Структурная схема СВАРН типа МСС
СВАРН генератора типа ГМС. Основные элементы схемы
Основные элементы схемы и начальное самовозбуждение
Генераторы типа ГМС отечественного производства мощностью 200-500 кВт, напряжением 230 и 400 В, частотой вращения 500 об/мин, с номинальным коэффициентом мощности 0,8.
В состав схемы СВАРН этих генераторов, работающей по методу комбинированного управления, входят следующие элементы:
– синхронный генератор G с обмоткой возбуждения;
– генератор начального возбуждения ГНВ с выпрямителем UZ2;
– трансформатор компаундирования ТК с магнитным шунтом;
– блок силовых выпрямителей UZ1 с тиристором VS;
– корректор напряжения КН;
– блок питания БП (может не входить в состав СВАРН);
– трансформатор тока ТА;
– рубильник гашения поля возбуждения QS.
Генератор начального возбуждения ГНВ представляет собой однофазный генератор переменного тока, магнитный поток которого создается полюсами из постоянных магнитов, установленных на роторе. Обмотка статора ГНВ подключена к обмотке возбуждения генератора через выпрямитель UZ2. Статор ГНВ крепится к корпусу блока контактных колец СГ и представляет собой кольцеобразное ярмо с четырьмя выступающими полюсами. Ярмо набрано из листов электротехнической стали. На полюсах расположены четыре катушки обмотки статора, соединенных в две параллельные ветви. Максимальное напряжение ГНВ составляет ;40-50 В, в то время как номинальное напряжение на выходе выпрямителя UZ1 – около 80 В, поэтому после самовозбуждения выпрямитель UZ2 запирается.
Амплитудно-фазовое компаундирование
Для начального возбуждения служит генератор ГНВ и выпрямительный мост UZ2. После окончания самовозбуждения UZ2 запирается более высоким напряжением UZ1. Наличие тока нагрузки генератора приводит к снижению напряжения генератора, однако одновременно увеличивается суммарный магнитный поток Фс, ЭДС обмотки Wс, ток возбуждения генератора. Напряжение генератора восстанавливается. При увеличении угла φ (нагрузка более индуктивная) трансформатор ТК также увеличивает ток возбуждения.
Работа корректора напряжения
Воздействие корректора напряжения КН на систему возбуждения осуществляется с помощью тиристора отбора мощности VS. При положительном потенциале анода диода VD1 с помощью корректора КН открывается тиристор VS. В результате шунтируются диод VD1 и обмотка возбуждения генератора. Изменяя угол открытия тиристора, удается регулировать напряжение СГ в заданных пределах.
Рисунок 2.1.18 – Схема СВАРН генератора типа ГМС
Рисунок 2.1.19 – Структурная схема СВАРН типа ГМС
Система возбуждения типа «Thyripart» для бесщеточных генераторов переменного тока фирмы Hyundai (Хенде)
Система возбуждения предназначена для возбуждения и автоматического регулирования напряжения бесщеточных синхронных генераторов трехфазного переменного тока фирмы Hyundai (Хенде), изготовитель – республика Корея. Структурная схема системы возбуждения представлена на рисунке 2.1.20.
Система возбуждения генератора выполнена смешанной и предполагает отбор мощности в систему возбуждения и наличие возбудителя. Возбудитель находится в одном корпусе с главным генератором и представляет собой синхронный генератор, обмотка возбуждения которого неподвижна и находится на статоре, а трехфазная обмотка на роторе.
Часть энергии переменного тока генератора G1 отбирается, регулируется, выпрямляется и подается на обмотку LG2. Возбудитель (генератор G2) возбуждается и в его трехфазных обмотках наводится переменная ЭДС, которая при помощи выпрямителя UZ выпрямляется и подается на обмотку возбуждения основного генератора LG1.
Выпрямитель UZ находится на роторе и вращается вместе с ним. В генераторе отсутствуют контактные кольца и щетки.
Процесс регулирования напряжения в системе «Thyripart» осуществляется по комбинированному принципу (по отклонению и по возмущению одновременно). Регулирование по возмущению выполнено при помощи трансформатора компаундирования. Регулирование по отклонению выполнено при помощи тиристорного регулятора (регулятора напряжения), который выполняет роль корректора напряжения. Через тиристорный регулятор осуществляется отрицательная обратная связь по напряжению путем отбора мощности с обмотки возбуждения основного генератора. При отключении тиристорного регулятора ток возбуждения генератора G1 увеличивается, что приводит к повышению напряжения на генераторе.
Принципиальная схема системы возбуждения приведена на рисунке 2.1.21. В учебных целях схема изображена в соответствии со стандартами, принятыми в стране изготовителе. Эта же схема с отечественными условными обозначениями приведена на рисунке 2.1.22.
Рисунок 2.1.21 – Принципиальная схема системы возбуждения синхронного генератора типа «Thyripart»
Контур системы возбуждения, работающий по возмущению, состоит из двух каналов – напряжения и тока. Канал напряжения выполнен на базе трансформатора Т6, на первичную обмотку которого (1N) поступает напряжение генератора, а со вторичной обмотки (2N) снимается переменная ЭДС, которая выпрямляется выпрямителем V1 и подается на обмотку возбуждения возбудителя G2. В его трехфазных обмотках наводится переменная ЭДС, которая выпрямляется вращающимся выпрямителем V2 и подается на обмотку возбуждения генератора G1. Последовательно с первичной обмоткой трансформатора Т6 включен реактор L1, выполняющий роль компаундирующего элемента. Система обеспечивает надежное самовозбуждение генератора от остаточного напряжения благодаря применению конденсаторов С1.
Токовый канал выполнен на базе трансформаторов тока Т1, Т2, Т3, вторичные обмотки которых подключены к одной из секций вторичных обмоток трансформатора Т6. В данной схеме имеет место электрическое суммирование сигналов каналов тока и напряжения, которые подключены последовательно и происходит суммирование напряжений, пропорциональных напряжению и току нагрузки генератора. Суммирование выполняется на вторичной обмотке трансформатора Т6.
Регулирование по отклонению осуществляется через регулятор напряжения А1. Регулирование напряжения осуществляется за счет изменения отбора мощности при помощи тиристора, который подключается параллельно обмотке возбуждения возбудителя G2 и находится внутри регулятора. При увеличении угла открытия тиристора отбор мощности уменьшается, а при уменьшении угла открытия, отбор мощности увеличивается. Уменьшение угла открытия тиристора приведет к тому, что увеличится период времени, когда обмотка возбуждения будет зашунтирована (закорочена) и среднее выпрямленное напряжение на ней уменьшится. Ток возбуждения возбудителя уменьшится, это приведет к уменьшению напряжения на трехфазной обмотке возбудителя и к уменьшению тока возбуждения основного генератора и соответственно к уменьшению напряжения на генераторе G1.
На вход регулятора напряжения (клеммы 17, 18, 19) подается истинное значение напряжения генератора, измеренное при помощи трансформаторов напряжения Т7, Т8. В регуляторе это напряжение преобразуется в управляющие импульсы, которые отпирают тиристор отбора мощности, расположенный в самом регуляторе. При помощи тиристора клеммы 1 и 5 регулятора А1 закорачиваются.
Согласующие трансформаторы Т4 и Т5 подают на вход регулятора напряжения сигнал, пропорциональный току нагрузки генератора, и обеспечивают автоматическое распределение реактивной нагрузки генераторов по статическому закону регулирования. Напряжения вторичных обмоток трансформаторов Т4 и Т5 суммируются с напряжениями вторичных обмоток трансформаторов Т7 иТ8 на входе регулятора напряжения А1.
Варистор U представляет полупроводниковый резистор, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного напряжения. При увеличении приложенного напряжения сопротивление уменьшается. Варистор служит для гашения поля генератора при КЗ, отключении генератора.
Рисунок 2.1.22 – Принципиальная схема системы возбуждения синхронного генератора типа «Thyripart»
2.2 Автоматические системы стабилизации частоты
Принципы регулирования. Конструкция регуляторов
Частота вращения приводного двигателя зависит от нагрузки. Нагрузка – величина случайная, а к частоте предъявляются жесткие требования, поэтому процесс регулирования частоты необходимо автоматизировать.
Регулирование частоты
Частота переменного тока электроэнергетической системы зависит от частоты вращения первичных двигателей синхронных генераторов. Снижение частоты приводит к уменьшению частоты вращения электродвигателей насосов, вентиляторов, что вызывает значительное понижение их производительности и уменьшению КПД электродвигателей.
Повышение частоты приводит к увеличению потерь в агрегатах и ускоренному износу деталей. Возрастает перегрев электродвигателей, увеличивается потребляемая мощность.
Таким образом, поддержание постоянства частоты в электроэнергетической системе – основное условие нормальной работы потребителей электроэнергии.
Механизмы регулирования частоты вращения у тепловых двигателей различны. В дизеле процесс регулирования заключается в подаче определенной дозы топлива и распыливания его топливным насосом высокого давления (ТНВД). Регулирование осуществляется посредством воздействия на ТНВД топливной рейки.
В настоящее время применяют регуляторы частоты вращения следующих типов:
- по отклонению: частоты вращения, частоты вращения и частоты сети;
- комбинированные: двухимпульсные – по отклонению и возмущению (активная составляющая тока нагрузки); многоимпульсные – по отклонению, возмущению и их производным.
Регуляторы частоты вращения по отклонению.Наибольшее распространение получили механические центробежные регуляторы. Они бывают прямого действия и непрямого действия.
В регуляторах прямого действия сигнал от измерительного элемента через кинематическую рычажную передачу подается на исполнительный орган.
В регуляторах непрямого действия сигнал от измерительного элемента сначала усиливается усилителем, а затем подается на исполнительный орган. Усилители бывают гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные
Регуляторы прямого действия устанавливаются на дизелях малой мощности (до 100 кВт). На дизелях средней и большой мощности применяются регуляторы непрямого действия.
Простейший центробежный регулятор изображен на рисунке 2.2.1.
Рисунок 2.2.1 – Центробежный регулятор прямого действия.
1 – грузы; 2 – пружины; 3 - муфта
Принцип действия регулятора: при увеличении частоты вращения вала wвх возрастает величина центробежной силы, и закрепленные на валу грузы 1 расходятся, поворачиваются на своих осях и, воздействуя на муфту 3, перемещают ее вверх, сжимая при этом пружину 2.
В регуляторах непрямого действия для усиления действия измерительного элемента используется серводвигатель. В большинстве систем применяют гидравлические серводвигатели.
На рисунке 2.2.2 представлена схема астатического регулятора частоты вращения непрямого действия. Из схемы видно, что при неизменной настройке регулятора (положение элемента 4) устойчивое состояние наступает только при одном и том же значении частоты вращения w – перекрываются каналы золотника 7.
На рисунке 2.2.3 представлена схема статического регулятора частоты вращения с жесткой обратной связью.
Принцип действия. При изменении частоты вращения происходит перемещение штока золотника, который открывает доступ жидкости, находящейся под давлением, в серводвигатель. Движение поршня серводвигателя происходит в сторону, обеспечивающую такую подачу топлива, которая позволяет компенсировать отклонение частоты вращения. Одновременно жесткая обратная связь 7 воздействует на золотник. В результате равновесие наступит уже при другом значении частоты вращения. Т.Е. регулятор обеспечивает статическую характеристику.
Для улучшения динамических характеристик системы в канал обратной связи вводят дифференцирующее звено, которое изменяет характер связи, делая ее гибкой. Гибкую обратную связь называют изодромной.
Центробежные регуляторы частоты вращения поддерживают частоту с точностью ±2,5% в статических режимах и ±(5…6)% в переходных. Время переходного процесса составляет около 5 с при набросе и сбросе 100% нагрузки. В большинстве случаев такие показатели качества не удовлетворяют требованиям. К недостаткам таких регуляторов можно отнести существенную зависимость их характеристик от таких факторов как трение, вязкость масла и т.д. Различия характеристик даже у однотипных регуляторов усложняют параллельную работу генераторных агрегатов. Поэтому в настоящее время основное место в регулировании частоты занимают двухимпульсные и трехимпульсные электромеханические и электрические регуляторы частоты вращения, построенных на различных принципах.
Двухимпульсные регуляторы частоты вращения
К недостаткам центробежных регуляторов можно отнести существенную зависимость их характеристик от таких факторов как трение, вязкость масла и т.д. Различия характеристик даже у однотипных регуляторов усложняют параллельную работу генераторных агрегатов. Поэтому в настоящее время основное место в регулировании частоты занимают двухимпульсные и трехимпульсные электромеханические и электрические регуляторы частоты вращения, построенных на различных принципах..
Повысить качественные показатели работы систем стабилизации частоты можно, используя принцип комбинированного управления. На рисунке 2.2.4 представлена такая схема. Состав схемы: М – дизель; G – генератор; ЭГУ - электрогидравлический усилитель, состоящий из гидроусилителя ГУ1 и электромагнитов ЭМ1 и ЭМ2; У – магнитный или электронный усилитель; ЦЭ – измеритель частоты вращения; ИН – измеритель нагрузки; ИО – исполнительный орган.
Рисунок 2.2.4 – Структурная схема комбинированной системы стабилизации частоты вращения
В схеме, представленной на рисунке 2.2.4, измерителем частоты вращения является центробежный элемент ЦЭ, а измерителем нагрузки – фазочувствительный мост. Измеритель нагрузки реагирует на изменение активной нагрузки и с помощью электромагнитов ЭМ1 и ЭМ2 передвигает золотник гидроусилитуля ГУ1, который воздействует параллельно с центробежным измерительным элементом через гидроусилитель ГУ2 (на рисунке не показан) на исполнительный орган ИО – рейку топливного насоса.
Принцип работы измерителя активной нагрузки состоит в том, что в режиме холостого хода напряжения U4 и U5 будут одинаковы и напряжение выхода измерительного элемента равно 0.
При нагрузке генератора напряжения U4 и U5 не будут равны, причем разность этих напряжений будет пропорциональна активной составляющей тока нагрузки
Рисунок 2.2.5-Принципиальная схема комбинированной системы стабилизации частоты вращения
При нагрузке напряжения U’4 и U’5 на обмотках электромагнита оказываются разными. Якорь 2 притягивается к стержню электромагнита 1 (на обмотке которого напряжение больше), перемещая связанный с ним золотник 5 усилителя, управляющий движением поршня 4. Поршень 4 гидравлического усилителя ГУ1 воздействует на пружину обратной связи 3 так, чтобы уравновесить электромагнитную силу на якоре. При равенстве этих сил якорь и золотник возвращаются в исходное положение .
в этой цепи по характеру индуктивный и отстает по фазе от вектора напряжения на 90°. Положение вектора тока 
определяется характером тока нагрузки генератора. При активной нагрузке (j=0) вектор 
. Результирующий вектор тока возбуждения 
получается сложением векторов 
будет отставать от вектора 
получается в результате сложения векторов 
.
и 
складываются и образуют суммарный поток 
. Переменный 
пронизывает Wс и наводит в ней ЭДС, которая подается на UZ и преобразуется в постоянный ток возбуждения генератора.
¢ и увеличится результирующий поток 
. Напряжение восстанавливается до номинального значения.
.
увеличится до 
.
, следовательно, потекут уравнительные токи и вызовут падения напряжения, направленные:
