Электрический генератор или электродвигатель состоит из ротора , вращающегося в магнитном поле. Магнитное поле может создаваться постоянными магнитами или катушками возбуждения . В случае машины с катушками возбуждения в катушках должен протекать ток для создания ( возбуждения ) поля, в противном случае мощность не передается на ротор или от него. Катушки возбуждения обеспечивают наиболее гибкую форму регулирования и дерегулирования магнитного потока , но за счет потока электрического тока. Существуют гибридные топологии, которые включают в себя как постоянные магниты, так и катушки возбуждения в одной и той же конфигурации. Гибкое возбуждение вращающейся электрической машины применяется либо с помощью бесщеточных методов возбуждения, либо путем подачи тока с помощью угольных щеток (статическое возбуждение).
Генератор переменного тока электростанции мощностью 100 кВА с прямым приводом и отдельным возбудителем с ременным приводом, дата c. 1917 год
Возбуждение в генераторах
Слева показан самовозбуждающийся генератор постоянного тока с шунтовой обмоткой, справа — магнето -генератор постоянного тока с постоянными магнитами. Выходная мощность генератора с шунтовой обмоткой меняется в зависимости от потребляемого тока, в то время как выходная мощность магнето остается постоянной независимо от изменений нагрузки.Генератор постоянного тока с раздельным возбуждением и магнитами биполярного поля. Подобные генераторы с раздельным возбуждением обычно используются на крупных электростанциях. Меньший генератор может быть либо магнето с постоянными магнитами поля, либо другим генератором с самовозбуждением.Катушка возбуждения может быть подключена параллельно, последовательно или совместно с якорем машины постоянного тока (двигателя или генератора).
Для машины, использующей катушки возбуждения, как это имеет место в большинстве крупных генераторов, поле должно создаваться током, чтобы генератор мог производить электричество. Хотя часть собственной мощности генератора может быть использована для поддержания поля после его запуска, для запуска генератора необходим внешний источник тока. В любом случае важно иметь возможность контролировать поле, поскольку это позволит поддерживать напряжение в системе.
Принцип усилителя
За исключением генераторов с постоянными магнитами, генератор вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное магнитному потоку, который представляет собой сумму потока намагничивания конструкции и потока, пропорционального полю, создаваемому током возбуждения. Если ток возбуждения отсутствует, поток мал и напряжение якоря практически равно нулю.
Ток возбуждения контролирует генерируемое напряжение, позволяя регулировать напряжение энергосистемы, чтобы устранить эффект увеличения тока якоря, вызывающий увеличение падения напряжения в проводниках обмотки якоря. В системе с несколькими генераторами и постоянным напряжением системы ток и мощность, вырабатываемые отдельным генератором, регулируются током возбуждения. Генератор представляет собой преобразователь тока в напряжение или трансимпедансный усилитель. Чтобы избежать ущерба от постепенно увеличивающихся чрезмерных коррекций, ток возбуждения должен регулироваться медленнее, чем эффект регулировки распространяется по энергосистеме.
Раздельное возбуждение
Генератор дизель-генераторной установки 1930-х годов, с динамо-машиной возбуждения вверху.
Для больших или старых генераторов обычно отдельное динамо- возбудитель подключается параллельно с основным силовым генератором . Это небольшая динамо-машина с постоянным магнитом или аккумуляторным возбуждением, которая создает ток возбуждения для более крупного генератора.
Самовозбуждение
Современные генераторы с катушками возбуждения обычно имеют самовозбуждение ; т.е. некоторая часть выходной мощности ротора используется для питания катушек возбуждения. Железо ротора сохраняет некоторую степень остаточного магнетизма при выключении генератора. Генератор запускается без подключенной нагрузки; начальное слабое поле индуцирует слабый ток в катушках ротора, который, в свою очередь, создает начальный ток возбуждения, увеличивая напряженность поля, тем самым увеличивая индуцированный ток в роторе, и так далее в процессе обратной связи, пока машина не «нарастет» до полного напряжения.
Начало
Генераторы с самовозбуждением должны запускаться без какой-либо внешней нагрузки. Внешняя нагрузка будет поглощать электроэнергию из генератора до того, как сможет увеличиться мощность по выработке электроэнергии.
Варианты
Существует несколько версий самовозбуждения: [1]
шунт, простейшая конструкция, использует основную обмотку для питания возбуждения;
Система повышения возбуждения (EBS) представляет собой шунтирующую конструкцию с отдельным небольшим генератором, добавленным для временного обеспечения повышения энергии при падении напряжения основной катушки (например, из-за неисправности). Повышающий генератор не рассчитан на постоянную работу;
вспомогательная обмотка не соединена с основной и поэтому не подвержена изменениям напряжения, вызванным изменением нагрузки.
Полевое мигание
Если машина не имеет достаточного остаточного магнетизма для достижения полного напряжения, обычно предусматривается подача тока в катушку возбуждения из другого источника. Это может быть аккумулятор , бытовой блок, обеспечивающий постоянный ток , или выпрямленный ток от источника переменного тока . Поскольку этот начальный ток требуется в течение очень короткого времени, его называют вспышкой возбуждения . Даже небольшим портативным генераторным установкам иногда может потребоваться перепрошивка в полевых условиях для перезапуска.
Критическое сопротивление поля — это максимальное сопротивление цепи возбуждения при заданной скорости, с которой будет возбуждаться шунтирующий генератор. Шунтирующий генератор будет создавать напряжение только в том случае, если сопротивление цепи возбуждения меньше критического сопротивления поля. Это касательная к характеристикам разомкнутой цепи генератора при заданной скорости.
Бесщеточное возбуждение
Бесщеточное возбуждение создает магнитный поток на роторе электрической машины без использования угольных щеток. Обычно он используется для снижения затрат на регулярное техническое обслуживание и снижения риска возгорания. Он был разработан в 1950-х годах в результате достижений в области мощных полупроводниковых приборов . [2] Идея заключалась в использовании вращающегося диодного выпрямителя на валу синхронной машины для сбора наведенных переменных напряжений и их выпрямления для подачи на обмотку возбуждения генератора . [3] [4] [5]
Бесщеточному возбуждению исторически не хватало быстрой дерегуляции магнитного потока, что было основным недостатком. Однако появились новые решения. [6] Современная вращающаяся схема включает в себя активные компоненты снятия возбуждения на валу, расширяющие пассивный диодный мост. [7] [8] [9] Более того, их недавние разработки в области высокопроизводительной беспроводной связи [10] [11] реализовали полностью управляемые топологии на валу, такие как тиристорные выпрямители и интерфейсы прерывателей. [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
Рекомендации
^ Ноланд и др. 2019, с. 109708.
^ Фенвик, ДР; Райт, ВФ (1976). «Обзор тенденций в системах возбуждения и возможное будущее развитие». Труды Института инженеров-электриков . 123 (5): 413. doi :10.1049/piee.1976.0093. ISSN 0020-3270.
^ Салах, Мохамед; Бача, Хмаис; Чаари, Абделькадер; Бенбузид, Мохамед Эль Хашеми (сентябрь 2014 г.). «Бесщеточный трехфазный синхронный генератор в условиях отказа вращающегося диода» (PDF) . Транзакции IEEE по преобразованию энергии . 29 (3): 594–601. Бибкод : 2014ITenC..29..594S. дои : 10.1109/tec.2014.2312173. ISSN 0885-8969. S2CID 1386715.
^ Чжан, Юци; Крамер, Аарон М. (декабрь 2017 г.). «Численное среднее моделирование вращающихся выпрямителей в бесщеточных системах возбуждения». Транзакции IEEE по преобразованию энергии . 32 (4): 1592–1601. Бибкод : 2017ITEnC..32.1592Z. дои : 10.1109/tec.2017.2706961. ISSN 0885-8969. S2CID 20095186.
^ Нуццо, Стефано; Галеа, Майкл; Герада, Крис; Браун, Нил (апрель 2018 г.). «Анализ, моделирование и проектирование систем возбуждения синхронных генераторов». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 65 (4): 2996–3007. дои : 10.1109/tie.2017.2756592. ISSN 0278-0046. S2CID 2108726.
^ Ноланд, Йонас Кристиансен (2017). «Новая парадигма для больших бесщеточных гидрогенераторов: преимущества за пределами статической системы». ДИВА .
^ Система быстрого снятия возбуждения для синхронных машин с непрямым возбуждением, 11 февраля 2010 г. , получено 28 мая 2018 г.
^ Реболло, Эмилио; Бласкес, Франциско; Бланкес, Франсиско Р.; Платеро, Карлос А.; Редондо, Марта (01 июля 2015 г.). «Усовершенствованная высокоскоростная система снятия возбуждения бесщеточных синхронных машин, испытанная на гидрогенераторе мощностью 20 МВА». Электроэнергетические приложения IET . 9 (6): 405–411. дои : 10.1049/iet-epa.2014.0313 . ISSN 1751-8660.
^ Реболло, Эмилио; Платеро, Карлос А.; Бласкес, Франциско; Гранизо, Рикардо (01 апреля 2017 г.). «Внутреннее внезапное короткое замыкание нового HSBDS для бесщеточных синхронных машин, испытанных на генераторе мощностью 15 МВА». Электроэнергетические приложения IET . 11 (4): 495–503. doi : 10.1049/iet-epa.2016.0525. ISSN 1751-8660. S2CID 113771801.
^ Панг, Жибо; Лувизотто, Микеле; Джунг, Дакфей (сентябрь 2017 г.). «Беспроводная высокопроизводительная связь: проблемы и возможности новой цели». Журнал промышленной электроники IEEE . 11 (3): 20–25. дои : 10.1109/mie.2017.2703603. ISSN 1932-4529. S2CID 36317354.
^ Ллано, Данило X.; Абди, Салман; Татлоу, Марк; Абди, Эхсан; МакМахон, Ричард А. (9 сентября 2017 г.). «Система сбора энергии и беспроводной передачи данных для роторных приборов в электрических машинах» (PDF) . ИЭПП Силовая электроника . 10 (11): 1259–1267. doi : 10.1049/iet-pel.2016.0890. ISSN 1755-4535. S2CID 55831511.
^ Вращающаяся электрическая машина, 28 мая 2014 г. , получено 28 мая 2018 г.
^ Системы и методы, касающиеся синхронных машин без возбудителя, 6 октября 2017 г. , получено 28 мая 2018 г.
^ Ноланд, Йонас Кристиансен; Хьельмервик, Карина Баккелоккен; Лундин, Урбан (март 2016 г.). «Сравнение топологий тиристорного выпрямления для шестифазного вращающегося бесщеточного возбудителя на постоянных магнитах». Транзакции IEEE по преобразованию энергии . 31 (1): 314–322. Бибкод : 2016ITenC..31..314N. дои : 10.1109/tec.2015.2480884. ISSN 0885-8969. S2CID 40426107.
^ Ноланд, Йонас Кристиансен; Эвестедт, Фредрик; Перес-Лойя, Х. Хосе; Абрахамссон, Йохан; Лундин, Урбан (май 2017 г.). «Проектирование и характеристика вращающегося бесщеточного возбудителя с постоянными магнитами на внешнем полюсе для синхронного генератора». Транзакции IEEE для промышленных приложений . 53 (3): 2016–2027. дои : 10.1109/tia.2017.2669890. ISSN 0093-9994. S2CID 37649499.
^ Ноланд, Йонас Кристиансен; Эвестедт, Фредрик; Перес-Лойя, Х. Хосе; Абрахамссон, Йохан; Лундин, Урбан (март 2018 г.). «Тестирование топологий активного выпрямления на шестифазном вращающемся бесщеточном возбудителе с постоянными магнитами с внешним полюсом». Транзакции IEEE по преобразованию энергии . 33 (1): 59–67. Бибкод : 2018ITenC..33...59N. дои : 10.1109/tec.2017.2746559. ISSN 0885-8969. S2CID 3347183.
^ Ноланд, Йонас Кристиансен; Эвестедт, Фредрик; Перес-Лойя, Х. Хосе; Абрахамссон, Йохан; Лундин, Урбан (февраль 2018 г.). «Сравнение конфигураций тиристорного выпрямителя для шестифазного бесщеточного возбудителя с постоянными магнитами с вращающимся внешним полюсом». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 65 (2): 968–976. дои : 10.1109/tie.2017.2726963. ISSN 0278-0046. S2CID 25027522.
^ Ноланд, Йонас Кристиансен; Эвестедт, Фредрик; Лундин, Урбан (2018). «Демонстрация режимов отказа и резервная послеаварийная работа вращающихся тиристорных выпрямителей на бесщеточных двухзвездных возбудителях». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 66 (2): 842–851. дои : 10.1109/tie.2018.2833044. ISSN 0278-0046. S2CID 52913506.
Источники
Ноланд, Йонас Кристиансен; Нуццо, Стефано; Тессароло, Альберто; Алвес, Эрик Фернандо (2019). «Технологии систем возбуждения для синхронных машин раневого поля: обзор решений и развивающихся тенденций». Доступ IEEE . 7 : 109699–109718. дои : 10.1109/ACCESS.2019.2933493 . eISSN 2169-3536. hdl : 11368/2958610 . S2CID 201065415.
