Све реке у природи имају одређени нагиб. Вода тече дуж речног корита под дејством гравитације. Вода на великим надморским висинама садржи обилну потенцијалну енергију. Уз помоћ хидрауличних структура и електромеханичке опреме, енергија воде може се претворити у електричну енергију, односно производњу хидроенергије. Принцип производње хидроенергије је наша електромагнетна индукција, односно када проводник пресече линије магнетног флукса у магнетном пољу, он ће генерисати струју. Између осталог, „кретање“ проводника у магнетном пољу постиже се утицајем тока воде на турбину, претварајући енергију воде у ротациону механичку енергију; а магнетно поље се скоро увек формира струјом побуде коју генерише систем побуде који тече кроз намотај ротора генератора, односно магнетизам се генерише електричном енергијом.
1. Шта је систем побуде? Да би се остварила конверзија енергије, синхроном генератору је потребно једносмерно магнетно поље, а једносмерна струја која генерише ово магнетно поље назива се струја побуде генератора. Генерално, процес формирања магнетног поља у ротору генератора према принципу електромагнетне индукције назива се побуда. Систем побуде се односи на опрему која обезбеђује струју побуде за синхрони генератор. То је важан део синхроног генератора. Генерално се састоји од два главна дела: јединице за напајање побуде и регулатора побуде. Јединица за напајање побуде обезбеђује струју побуде ротору синхроног генератора, а регулатор побуде контролише излаз јединице за напајање побуде према улазном сигналу и датим критеријумима регулације.
2. Функција система побуде Систем побуде има следеће главне функције: (1) У нормалним радним условима, он доводи струју побуде генератора и подешава струју побуде према датом закону у складу са напоном на терминалима генератора и условима оптерећења како би се одржала стабилност напона. Зашто се стабилност напона може одржати подешавањем струје побуде? Постоји приближна веза између индукованог потенцијала (тј. потенцијала празног хода) Ed намотаја статора генератора, напона на терминалима Ug, реактивне струје оптерећења Ir генератора и уздужне синхроне реактансе Xd:
Индуковани потенцијал Ed је пропорционалан магнетном флуксу, а магнетни флукс зависи од величине струје побуде. Када струја побуде остане непромењена, магнетни флукс и индуковани потенцијал Ed остају непромењени. Из горње формуле се може видети да ће се напон на терминалима генератора смањивати са повећањем реактивне струје. Међутим, да би се задовољили захтеви корисника за квалитетом напајања, напон на терминалима генератора треба да остане у основи непромењен. Очигледно је да је начин да се постигне овај захтев подешавање струје побуде генератора како се мења реактивна струја Ir (то јест, оптерећење се мења). (2) У складу са условима оптерећења, струја побуде се подешава према датом правилу да би се подесила реактивна снага. Зашто је потребно подешавати реактивну снагу? Многи електрични уређаји раде на принципу електромагнетне индукције, као што су трансформатори, мотори, апарати за заваривање итд. Сви се ослањају на успостављање наизменичног магнетног поља за претварање и пренос енергије. Електрична снага потребна за успостављање наизменичног магнетног поља и индукованог магнетног флукса назива се реактивна снага. Сва електрична опрема са електромагнетним калемовима троши реактивну снагу да би успоставила магнетно поље. Без реактивне снаге, мотор се неће окретати, трансформатор неће моћи да трансформише напон и многи електрични уређаји неће радити. Стога, реактивна снага никако није бескорисна снага. У нормалним околностима, електрични уређаји не само да добијају активну снагу из генератора, већ им је потребна и реактивна снага из њега. Ако је реактивна снага у електроенергетској мрежи мањак, електрични уређаји неће имати довољно реактивне снаге да успоставе нормално електромагнетно поље. Тада ови електрични уређаји не могу да одрже номинални рад, а напон на терминалима ће пасти, што ће утицати на њихов нормалан рад. Стога је потребно подесити реактивну снагу према стварном оптерећењу, а излазна реактивна снага коју генератор производи повезана је са величином струје побуде. Конкретан принцип овде неће бити објашњен. (3) Када дође до кратког споја у електроенергетском систему или када други разлози доведу до озбиљног пада напона на терминалима генератора, генератор се може присилно побудити како би се побољшала динамичка стабилност електроенергетског система и тачност деловања релејне заштите. (4) Када дође до пренапона генератора услед изненадног губитка оптерећења и других разлога, генератор се може присилно демагнетизовати како би се ограничило прекомерно повећање напона на терминалима генератора. (5) Побољшати статичку стабилност електроенергетског система. (6) Када дође до кратког споја између фаза унутар генератора и на његовим доводним жицама или је напон на терминалима генератора превисок, демагнетизација се врши брзо како би се ограничило ширење незгоде. (7) Реактивна снага паралелних генератора може се разумно расподелити.
3. Класификација система побуде Према начину на који генератор добија струју побуде (тј. методу напајања побудног извора), систем побуде може се поделити на спољашњу побуду и самопобуду: струја побуде добијена из других извора напајања назива се спољашња побуда; струја побуде добијена из самог генератора назива се самопобуда. Према методу исправљања, може се поделити на ротациону побуду и статичку побуду. Статички систем побуде нема посебну машину за побуду. Ако добија снагу побуде из самог генератора, то се назива самопобудна статичка побуда. Самопобудна статичка побуда може се поделити на самопаралелну побуду и самокомпонентну побуду.
Најчешће коришћена метода побуде је самопаралелна статичка побуда, као што је приказано на слици испод. Она добија побудну снагу преко исправљачког трансформатора повезаног на излаз генератора и доводи струју побуде генератора након исправљања.
Шема ожичења самопаралелног побудног система статичког исправљача
Самопаралелни статички систем побуде се углавном састоји од следећих делова: побудног трансформатора, исправљача, уређаја за размагнетизацију, регулационог контролера и уређаја за заштиту од пренапона. Ових пет делова, редом, обављају следеће функције:
(1) Трансформатор побуде: Смањите напон на крају машине на напон који одговара исправљачу.
(2) Исправљач: То је основна компонента целог система. Трофазно потпуно контролисано мостовно коло се често користи за завршетак задатка конверзије из наизменичне у једносмерну струју.
(3) Уређај за демагнетизацију: Уређај за демагнетизацију састоји се од два дела, наиме прекидача за демагнетизацију и отпорника за демагнетизацију. Овај уређај је одговоран за брзу демагнетизацију јединице у случају несреће.
(4) Регулатор регулације: Уређај за управљање побудним системом мења струју побуде контролом угла проводљивости тиристора исправљачког уређаја како би се постигао ефекат регулације реактивне снаге и напона генератора.
(5) Заштита од пренапона: Када коло ротора генератора има пренапон, коло се укључује да би потрошило енергију пренапона, ограничило вредност пренапона и заштитило намотај ротора генератора и његову повезану опрему.
Предности статичког система побуде са самопаралелним побудом су: једноставна структура, мање опреме, мала улагања и мање одржавања. Мана је што када се генератор или систем кратко споји, струја побуде ће нестати или значајно пасти, док би струја побуде у овом тренутку требало значајно повећати (тј. принудно побудивање). Међутим, с обзиром на то да модерне велике јединице углавном користе затворене сабирнице, а високонапонске електроенергетске мреже су генерално опремљене брзом заштитом и високом поузданошћу, број јединица које користе овај метод побуде се повећава, а ово је такође метод побуде који препоручују прописи и спецификације. 4. Електрично кочење јединице Када се јединица растерети и искључи, део механичке енергије се складишти због огромне ротационе инерције ротора. Овај део енергије се може потпуно зауставити тек након што се претвори у топлотну енергију трења аксијалног лежаја, вођице и ваздуха. Пошто је губитак трења ваздуха пропорционалан квадрату линеарне брзине обима, брзина ротора у почетку веома брзо опада, а затим ће дуго радити у празном ходу при малој брзини. Када јединица ради дуже време малом брзином, потисна чаура може да прегори јер се уљни филм између огледалске плоче испод потисне главе и чауре лежаја не може успоставити. Из тог разлога, током процеса гашења, када брзина јединице падне на одређену вредност, потребно је да се користи систем кочења јединице. Кочење јединице се дели на електрично кочење, механичко кочење и комбиновано кочење. Електрично кочење подразумева кратко спој трофазног статора генератора на излазу са машине након што се генератор одвоји и демагнетизује, и чекање да брзина јединице падне на око 50% до 60% номиналне брзине. Кроз низ логичких операција, обезбеђује се снага кочења, а регулатор побуде прелази у режим електричног кочења како би додао струју побуде намотају ротора генератора. Пошто се генератор окреће, статор индукује струју кратког споја под дејством магнетног поља ротора. Генерисани електромагнетни обртни момент је управо супротан од инерцијалног смера ротора, који игра улогу кочења. У процесу реализације електричног кочења, напајање кочнице мора бити обезбеђено споља, што је уско повезано са структуром главног кола система побуде. Различити начини за добијање напајања побуде електричне кочнице приказани су на слици испод.
Различити начини за добијање напајања за побуђивање електричне кочнице
У првом случају, уређај за побуду је метод самопаралелног повезивања побуде. Када је крај машине кратко спојен, трансформатор за побуду нема напајање. Напајање за кочење долази из посебног трансформатора за кочење, а трансформатор за кочење је повезан на напајање постројења. Као што је горе поменуто, већина хидроенергетских пројеката користи самопаралелни систем побуде са статичким исправљачем, и економичније је користити исправљачки мост за систем побуде и систем електричне кочнице. Стога је овај метод добијања напајања за електричну кочницу чешћи. Радни ток електричног кочења овог метода је следећи:
(1) Аутоматски прекидач на излазу јединице је отворен и систем је одвојен.
(2) Намотај ротора је демагнетизован.
(3) Прекидач за напајање на секундарној страни побудног трансформатора је отворен.
(4) Прекидач кратког споја електричне кочнице јединице је затворен.
(5) Прекидач за напајање на секундарној страни електричног кочионог трансформатора је затворен.
(6) Тиристор исправљачког моста се активира да би проводио струју, а јединица улази у стање електричне кочнице.
(7) Када је брзина јединице нула, електрична кочница се отпушта (ако се користи комбиновано кочење, када брзина достигне 5% до 10% номиналне брзине, примењује се механичко кочење). 5. Интелигентни систем побуде Интелигентна хидроелектрана се односи на хидроелектрану или групу хидроелектрана са дигитализацијом информација, комуникационим умрежавањем, интегрисаном стандардизацијом, пословном интеракцијом, оптимизацијом рада и интелигентним доношењем одлука. Интелигентне хидроелектране су вертикално подељене на процесни слој, слој јединице и слој управљања станицом, користећи трослојну структуру са 2 мреже мреже процесног слоја (GOOSE мрежа, SV мрежа) и мреже управљања станицом (MMS мрежа). Интелигентне хидроелектране треба да буду подржане интелигентном опремом. Као основни систем управљања генераторског сета хидротурбине, технолошки развој система побуде игра важну улогу у изградњи интелигентних хидроелектрана.
У интелигентним хидроелектранама, поред обављања основних задатака као што су покретање и заустављање турбинског генератора, повећање и смањење реактивне снаге и хитно искључивање, систем побуде треба да буде у стању да испуни и функције моделирања података и комуникације IEC61850, и да подржи комуникацију са мрежом слоја управљања станицом (MMS мрежа) и мрежом слоја процеса (GOOSE мрежа и SV мрежа). Уређај система побуде је распоређен на нивоу јединице структуре система интелигентне хидроелектране, а јединица за спајање, интелигентни терминал, помоћна управљачка јединица и други уређаји или интелигентна опрема су распоређени на нивоу процеса. Структура система је приказана на слици испод.
Интелигентни систем побуђивања
Главни рачунар слоја управљања станицом интелигентне хидроелектране испуњава захтеве комуникационог стандарда IEC61850 и шаље сигнал система побуде главном рачунару система за праћење путем MMS мреже. Интелигентни систем побуде треба да буде у могућности да се повеже са GOOSE мрежом и SV мрежним прекидачима ради прикупљања података на процесном слоју. Процесни слој захтева да излазни подаци од стране CT, PT и локалних компоненти буду сви у дигиталном облику. CT и PT су повезани са јединицом за спајање (електронски трансформатори су повезани оптичким кабловима, а електромагнетни трансформатори су повезани кабловима). Након што се подаци о струји и напону дигитализују, повезују се са SV мрежним прекидачем путем оптичких каблова. Локалне компоненте морају бити повезане са интелигентним терминалом путем каблова, а прекидач или аналогни сигнали се претварају у дигиталне сигнале и преносе до GOOSE мрежног прекидача путем оптичких каблова. Тренутно, систем побуде у основи има комуникациону функцију са MMS мрежом слоја управљања станицом и GOOSE/SV мрежом процесног слоја. Поред испуњавања услова за интеракцију мрежних информација комуникационог стандарда IEC61850, интелигентни систем побуде треба да има и свеобухватно онлајн праћење, интелигентну дијагностику кварова и практично тестирање и одржавање. Перформансе и ефекат примене потпуно функционалног интелигентног уређаја за побуду треба да се тестирају у будућим стварним инжењерским применама.
Време објаве: 09. окт. 2024.
