Sisteme de excitatie statice, cu redresoare comandate

Sisteme de excitatie statice, cu redresoare comandate

Sistemele moderne de excitatie, bazate in exclusivitate pe elemente semiconductoare de comutatie statica, elimina in totalitate neajunsurile componentelor mecanice anterior mentionate si in plus realizeaza raspunsuri rapide la comenzile impuse, ceea ce contribuie hotarator la stabilitatea de functionare a GES interconectate. Un asemenea SE_x este reprezentat in fig. 2.46, in care se poate observa ca, alimentarea se face de la bornele GES, printr-un transformator coborator. Aceasta solutie confera sistemului autonomie functionala in raport cu reteaua electrica, dar nu poate asigura si pornirea din starea zero, in care scop este prevazut cu un ansamblul de amorsare initiala a campului magnetic inductor (subansamblul 7-8-6/2).

Varianta este considerata de catre constructori ca optima functional in raport cu alimentarea din serviciile proprii, care ar avea inconvenientul afectarii functionarii GES la eventuale defecte in reteaua acestor servicii, iar o dubla alimentare similara celei din fig. 2.44 ar fi mai costisitoare din punct de vedere economic. Caracteristica principala a acestui SE_x este un inalt grad de automatizare.

1 - Masina energetica primara (turbina);

2 - GES;

3 - Subsistemul de perii-inele colectoare al GES;

4 - Transformator (sursa) de alimentare a SE_x;

5 - Punte redresoare comandata;

6.1, 6.2 - Intreruptoare pt. comutare;

7 - Punte redresoare necomandata;

8 - Rezistenta de ajustare.

Procesele si fenomenele dinamice de functionare specifice sistemelor de excitatie ale generatoarelor electrice sincrone

Generatoarele electrice sincrone functioneaza interconectate intr-o retea electroenergetica comuna. Acest lucru, cat si faptul ca energia electrica nu poate fi inmagazinata decat in foarte mica masura, implica ca necesara o actiune cvasipermanenta de adaptare a producerii acestei energii la cerintele fluctuante ale consumului. La desprinderea oricarui GES interconectat, indiferent de motiv (avariere, epuizarea resurselor primare, etc.), apare o cerinta suplimentara de consum iar la sincronizarea unui alt generator, apare o productie suplimentara de energie electrica.

Influentele perturbatoare ale fluctuatiilor consumului de energie electrica din reteaua electroenergetica au efect dublu. Pe de o parte, din punct de vedere mecanic, acestea provoaca tendinte de modificare ale turatiilor sincrone ale arborilor masinilor primare antrenante (scaderea turatiilor la cresterea consumului/deficit de putere, respectiv cresterea turatiilor arborilor antrenanti la scaderea consumului/surplus de putere), iar pe de alta parte, din punct de vedere electric, provoaca modificare a valorilor tensiunilor de la bornele GES (scaderea valorilor tensiunilor de borne la cresterea consumului, respectiv cresterea valorilor acestora la scaderea consumului). Natural ca functie de aceste efecte este necesar a se actiona in timp real asupra proceselor GES prin :

Mijloace mecanice asupra agentului primar, care sa duca la incarcarea/descarcarea puterilor mecanice la arborii masinilor primare;

Mijloace electrice asupra campului magnetic inductor din rotoarele GES, prin adaptarea valorilor curentilor de excitare.

Dat fiind caracterul aleatoriu al consumului de energie electrica din reteaua electroenergetica interconectata, evident ca si actiunile de "aliniere" a producerii acestei energii la cerintele consumului are acelasi caracter. De aceea, pentru orice SE_x-GES, indiferent de particularitatile sale constructive, relevante sunt regimurile de functionare dinamice / tranzitorii si nu cele statice / de continuitate inertiala. Evident ca "reactiile" SE_x-GES trebuie sa fie pe masura si amploarea perturbatiilor din retea. Astfel pentru un SE_x-GES oarecare pot fi evidentiate urmatoarele categorii de regimuri de functionare dinamice:

a)    Mici modificari ale valorii intensitatii campului magnetic inductor, respectiv a valorii curentului de excitare, intr-o plaja de actiune, care in functie de semnul algebric al perturbatiilor sunt excitante (de excitare suplimentara), sau dezexcitante (de reducere a nivelului de excitare).

b)   Interventii modificatoare majore, dupa caz lente sau bruste, tipice fiind:

b.1.         Excitari initiale, operatii mai lente sau mai rapide, functie de particularitatile constructive ale SE_x, prin care intensitatea campului magnetic inductor este adusa din starea de repaus (remanenta magnetica) la valoarea corespondenta valorii nominale a tensiunii de borne ale GES si care de regula se desfasoara cu GES in gol, neconectat la retea, iar timpul tranzitoriu al fenomenului este mai lung sau mai scurt functie de particularitatile constructive ale SE_x.

b.2.         Fortari ale excitatiilor, operatii energice impuse din motive de stabilitate ale sistemului electroenergetic, in cazuri de perturbatii specifice a scurtcircuitelor electrice de amploare, prin care valoarea de lucru a intensitatii campului magnetic inductor din rotorul unui GES este brusc adusa la valoarea maxima posibila (constructiv garantata) denumita plafon de excitare. Parametrii caracteristici ai plafonului de excitare (U_ex, I_ex) sunt de regula de ordinul dublul valorilor nominale, insa datorita saturatiilor miezurilor feromagnetice ale GES, valorile plafon ale intensitatilor campurilor magnetice inductoare nu sunt proportionale cu valorile plafon ale curentilor de excitare, adica nu sunt dublul valorilor nominale de camp. Ca durata, procesul fortarii, in fond o suprasarcina ce ar trebui sa acopere durata perturbatiei provocatoare nu poate depasi limita constructiv admisibila specifica SE_x in cauza (10 20 sec.). Evident ca, fie in cazul disparitiei cauzei perturbatoare, fie la epuizarea duratei limita admisa pentru fortare, urmeaza procesul de revenire denumit defortare. Relevant pentru procesul fortarii excitatiei poate fi considerat SE_x prezentat in fig. 2.47, la care rezistenta din circuitul de excitare al excitatricei principale include, pe langa componenta reglabila 8a si o componenta fixa 8b, care in momentul initierii fortarii este scurtcircuitata printr-un contact normal deschis adecvat al unui element de executie al dispozitivului de fortare a excitatiei (DFE_x, 11).

b.3.         Dezexcitari rapide/stingeri ale campurilor magnetice inductoare, operatii energice de intrerupere a legaturii rotoarelor GES cu sursa de curent continuu de excitare si totodata de descarcare ale energiilor magnetice inmagazinate in rotoarele inductoare, care trebuie sa insoteasca deconectarile de urgenta ale GES, indeosebi in cazurile producerii unor avarii (scurtcircuite electrice) in infasurarile acestora. Procesele/procedurile dezexcitarilor rapide prezinta o oarecare dificultate dat fiind faptul ca, pe de o parte trebuie intrerupti curenti continui de intensitate mare, iar pe de alta parte trebuie evitate efectele inevitabilelor supratensiuni ce insotesc aceste intreruperi de curenti continui mari. In acelasi timp, mai ales in situatii de avarieri interne GES, durata procesului dezexcitarii trebuie drastic limitata. Operatiile dure ale intreruperilor curentilor de excitare implica aparataj de comutare primara dimensionate pentru valorile acestor curenti.

In fig. 2.48 se prezinta schematic un DFE_x realizat in varianta clasica, cu elemente de comutare electromagnetice, cu contacte.

1a,1b - relee de minima tensiune

2 - releu de timp cu actionare intarziata

3 - releu / contactor final

Sunt consacrate intreruptoarele cu ruperea coloanei de arc electric (ce se formeaza la intreruperea circuitului) prin suflarea electromagnetica a acesteia in camere multiple de racire si stingere. Relativ mai lejera este intreruperea curentilor de excitare in cazul SE_x statice, la care procesul de stingere a campului magnetic inductor incepe cu blocarea prealabila a puntilor redresoare. Mai mult, la SE_x statice moderne puntile redresoare sunt automat trecute in regim de conversie, caz in care mare parte din energia electromagnetica inmagazinata in rotor este rejectata in circuitul primar, astfel ca sarcina intreruptorului de camp este mult usurata. Oricum si in acest ultim caz, pentru descarcarea integrala a energiei inmagazinate in rotoarele GES, simultan cu operatia de rupere, infasurarea rotorica se conecteaza pe o rezistenta corespunzator dimensionata, care daca este si neliniara va realiza si comprimarea duratei de stingere a campului, intrucat accentueaza exponentiala specifica a procesului dezexcitarii. Cat priveste protejarea infasurarilor rotorice impotriva supratensiunilor insotitoare ale proceselor de intrerupere ale curentilor de excitare, in mod uzual acestea sunt prevazute cu eclatoare de amorsare pe rezistentele de descarcare (stingere), eclatoare corespunzator dimensionate in raport cu tensiunile nominale ale respectivelor infasurari care, pentru prevenirea mentinerii nejustificate in stare amorsata, includ in circuitele lor electrice cate un releu de supraveghere, de supracurent. Pentru exemplificare, in fig. 2.49 este redata schema principial-functionala a unui subansamblu de dezexcitare rapida a unui GES.

1 - Sursa de excitare (excitatricea);

2 - Intreruptorul de camp;

3 - Rezistenta de descarcare (stingere);

4 - Eclator de protectie;

5 - Rezistenta de limitare;

6 - Releu de supracurent pt. supravegherea amorsarii eclatorului;

7 - Infasurarea rotorica.

Reglarea automata a tensiunilor de la bornele GES

Dupa cum s-a mentionat anterior, variatiile aleatoare ale curentilor de sarcina produc variatii similare ale curentilor surselor generatoare. In cazul GES interconectate, pentru care reteaua electrica de transport-distributie apare ca un consumator global, variatiile curentilor proprii sunt cote parti din variatia curentului de sarcina global, proportionale cu aportul propriu adus la puterea generata globala. Esential este ca variatiile curentilor generati, cauzati de variatiile curentilor de sarcina, produc pe impedantele proprii ale GES in cauza caderi de tensiune si ca atare modificari ale valorilor tensiunilor de la bornele acestora, cu efecte pentru consumatori. Cele mai suparatoare asemenea efecte, atat pentru consumatori cat si pentru surse, se manifesta in timpul desfasurarii unor avarii (scurtcircuite electrice), indiferent de locul amorsarii lor (la consumatori, in reteaua de transport-distributie sau la sursele generatoare).

Mentinerea constanta, la valoarea de consemn, a tensiunii de la bornele oricarui GES presupune:

Masurarea valorii tensiunii de la bornele acestuia;

Compararea rezultatelor masurarilor cu valoarea de consemn impusa;

Actionarea asupra campului magnetic inductor, respectiv asupra curentului de excitare al GES, proportional cu abaterea rezultata in procesul de masurare si comparare, pentru readucerea tensiunii de borne la valoarea de consemn.

Din cauza rapiditatii desfasurarii fenomenelor electromagnetice proprii GES, operatiile mai sus mentionate (ce definesc intr-un cuvant o actiune de reglare) nu pot fi executate in timp real decat in mod automat, prin intermediul unor dispozitive adecvate denumite regulatoare automate. Cu alte cuvinte, functionarea oricarui GES nu se poate desfasura corespunzator in absenta unui reglaj automat a tensiunii de la bornele sale. Regulatorul automat de tensiune (RAT), impreuna cu ansamblul elementelor de excitare (ca element de executie) si cu GES in cauza (ca instalatie automatizata) formeaza in ansamblu un sistem integrat de reglare automata (SRA). Pentru exemplificare, un SE_x al unui GES ca cel schematic prezentat in fig.2.42, completat cu un subsistem RAT este redat in figura 2.50.

7 - Reductor de tensiune;

8 - Subsistemul RAT, bazat pe o balanta electrica.

Data fiind interdependenta functionala stransa dintre sistemele de excitatie (SE_x) si regulatoarele automate de tensiune (RAT) ale GES, simultan cu dezvoltarea SE_x au fost dezvoltate tipuri si generatii functional-constructive de dispozitive RAT, tehnic si structural adaptate (practic integrate) respectivelor SE_x. Cu alte cuvinte, progresele tehnice specifice generatiilor succesive de SE_x se regasesc in generatiile de RAT. Din punct de vedere al caracteristicilor constructiv-functionale, exista urmatoarea clasificare a RAT:

a)    RAT electromecanice, folosite la SEx bazate pe excitatrici electromecanice (masini generatoare de curent continuu), la care ajustarea curentului de excitare al GES se face prin modificarea valorii unei rezistente aditionale reglabile, inseriate in respectivul circuit sau, dupa caz, in circuitul de excitare al excitatricei. Dupa tipul culisorului rezistentei de reglaj pot fi grupate in:

RAT electromecanice cu contacte intermitente (vibratoare);

RAT electromecanice cu contacte pasagere.

b)   RAT electromagnetice bazate pe amplificatoare electromagnetice, folosite la SE_x cu excitatrici de c.a.;

c)    RAT electronice, specifice SE_x moderne, putand la randul lor a fi clasificate dupa modalitatile de lucru in:

RAT electronice bazate pe tehnica analogica,

RAT electronice bazate pe tehnica digitala, de utilizare a unor microprocesoare.

Aceasta ultima subgrupa de RAT constituie la ora actuala nivelul de varf in domeniu, iar performantele tehnice pe care le demonstreaza garanteaza extinderea si generalizarea lor in viitor.

Sistemul static de excitatie si RAT, tip ALSPA P320 ALSTOM

Introducere.

Sistemul de excitatie si regulator automat de tensiune ALSPA 320 se bazeaza pe redresarea unor curenti alternativi in punti redresoare trifazice (cu tiristoare) comandate de un bloc functional de comanda si reglare, ce include un microprocesor de proces si este o realizare practica, la cerintele GES, a unui sistem principial cu larga aplicabilitate, la turbo sau hidrogeneratoare cu o gama larga de puteri unitare. Acest sistem de excitatie este in functiune la grupurile energetice nr. 3 de 235MW de la termocentrala Mintia si la grupul nr. 3 de 330MW de la termocentrala Rovinari.

Sistemul ALSPAP320 include trei subansambluri de echipamente si anume:

a)    Transformatorul (sursa) de alimentare;

b)   Dulapurile de forta cu puntile redresoare, cu elementele de comutare primara si cu subansamblurile de amorsare initiala, respectiv de stingere a campului;

c)    Blocul de comanda si reglare automata AVR (Automatic Voltage Regulator), racordat la GES prin traductoare de masura clasice (pentru supravegherea permanenta a curentilor si tensiunilor statorului si rotorului), la puntile redresoare printr-un cablu torsadat ecranat (prin care este transmis un semnal analogic unificat 4 20 mA de consemn, pentru crearea curentului electric continuu de excitare) si respectiv la calculatorul central de proces al grupului turbogenerator, printr-o retea de transmitere date F8000 (pentru supervizarea si comanda de la distanta a procesului).

In cazul grupului nr. 3 Mintia, sistemul de excitatie este adaptat conditiilor specifice locale, in sensul ca este asigurata posibilitatea comutarii (in caz de forta majora), in plina sarcina, a circuitului rotoric al GES pe SE_x de rezerva al termocentralei, care este de fapt o excitatrice clasica (generator de curent continuu) antrenata de un motor electric asincron, prin intermediul unui cuplaj cu volant inertial, alimentat din sectiile electrice ale serviciilor electrice generale ale termocentralei. Schema principial-functionala a acestui SE_x este redata in figura 2.51.

1 - Turbina;

2 - GES;

3 - Subsistemul de perii / inele colectoare al GES

4 - Transformatorul (sursa) de excitatie

5 - Punte redresoare comandata (cu tiristoare)

6/1, 6/2 - Comutatoare cu rol de separare galvanica

7/1, 7/2, 7/3 - Intreruptoare

8 - Rezistenta de stingere a campului

9 - Sursa excitatie de rezerva

10 - Punte redresoare necomandata (pentru amorsare)