Бесщеточное возбуждение

Бесщеточное возбуждение — это способ питания обмотки возбуждения синхронной электрической машины (генератора или двигателя) без использования скользящих контактов (щёток и контактных колец). В бесщеточных системах энергия постоянного тока, необходимая для создания магнитного поля ротора, передаётся на вращающуюся часть машины через вращающийся трансформатор или через вспомогательный генератор, расположенный на одном валу с основной машиной. Данный метод позволяет повысить надёжность, снизить эксплуатационные расходы и исключить искрение, что особенно важно во взрывоопасных и химически агрессивных средах.

История

Первые попытки отказаться от щёточного узла в синхронных машинах предпринимались ещё в начале XX века. Однако практическая реализация стала возможной только с развитием полупроводниковой техники и силовой электроники. В 1950-х годах появились опытные образцы бесщеточных возбудителей для судовых и авиационных генераторов. Массовое внедрение началось в 1970-х годах с появлением надёжных кремниевых диодов и тиристоров, способных работать в условиях высоких температур и вибраций. В СССР и России разработкой бесщеточных систем занимались такие предприятия, как НПО «Электросила» (Санкт-Петербург) и завод «Уралэлектротяжмаш» (Екатеринбург).

Принцип работы

Бесщеточное возбуждение реализуется по следующей схеме:

Вспомогательный генератор (часто — обращённая синхронная машина с трёхфазной обмоткой на роторе и обмоткой возбуждения на статоре) вырабатывает переменный ток.
Ток с ротора вспомогательного генератора подаётся на выпрямитель, установленный на вращающемся валу (чаще всего — диодный мост на кремниевых диодах).
Выпрямленный постоянный ток поступает в обмотку возбуждения главного генератора (или двигателя), создавая магнитное поле ротора.
Регулирование тока возбуждения осуществляется изменением напряжения на статоре вспомогательного генератора с помощью автоматического регулятора возбуждения (АРВ).

Таким образом, цепь возбуждения полностью замкнута на вращающейся части машины, и внешние контакты отсутствуют.

Классификация

Бесщеточные системы возбуждения классифицируются по нескольким признакам.

По типу источника энергии

С самовозбуждением — энергия для начального возбуждения берётся от остаточного магнетизма машины или от внешнего источника (например, аккумуляторной батареи).
С независимым возбуждением — вспомогательный генератор питается от сети переменного тока или от подвозбудителя (постоянного магнита).

По типу выпрямителя

С диодным выпрямителем — простейший вариант, применяется в маломощных машинах и генераторах средней мощности.
С тиристорным выпрямителем — позволяет плавно регулировать ток возбуждения в широких пределах, используется в мощных турбогенераторах.
С транзисторным (IGBT) выпрямителем — современные системы с высоким быстродействием, применяются в высокоточных приводах.

По способу охлаждения

С воздушным охлаждением — для машин малой и средней мощности.
С водородным охлаждением — для крупных турбогенераторов (водород имеет высокую теплопроводность и не окисляет контакты).
С жидкостным охлаждением — для особо мощных машин (например, гидрогенераторов).

Устройство и основные компоненты

Типовая бесщеточная система возбуждения включает:

Подвозбудитель — генератор на постоянных магнитах (или вспомогательный генератор малой мощности), обеспечивающий начальное возбуждение.
Вспомогательный генератор — обращённая синхронная машина, в которой трёхфазная обмотка расположена на роторе, а обмотка возбуждения — на статоре.
Вращающийся выпрямитель — диодный или тиристорный мост, смонтированный на валу. Для защиты от перенапряжений и токов короткого замыкания выпрямитель оснащается варисторами и предохранителями.
Автоматический регулятор возбуждения (АРВ) — электронное устройство, управляющее напряжением на статоре вспомогательного генератора. АРВ поддерживает заданное напряжение на выводах генератора или ток возбуждения.
Система контроля и защиты — датчики тока, напряжения, температуры, а также реле, отключающие возбуждение при аварийных режимах.

Применение

Бесщеточное возбуждение широко используется в различных областях электроэнергетики и промышленности:

Турбогенераторы — на тепловых и атомных электростанциях (мощностью от 100 МВт до 1200 МВт). Например, турбогенераторы серии ТВВ (ОАО «Силовые машины») оснащаются бесщеточными системами возбуждения.
Гидрогенераторы — на гидроэлектростанциях, где важна надёжность при частых пусках и остановах.
Дизель-генераторы — в автономных энергоустановках (резервное питание, строительные площадки, нефтегазовые объекты).
Синхронные двигатели — в приводах компрессоров, насосов, вентиляторов, где требуется высокая надёжность и отсутствие искрения.
Авиационные и судовые генераторы — в условиях повышенной вибрации, солёного тумана и ограниченного доступа для обслуживания.
Ветрогенераторы — в ветроэнергетических установках большой мощности (2–8 МВт), где бесщеточная схема снижает износ и увеличивает межремонтный интервал.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая надёжность — отсутствие щёток и контактных колец исключает износ, искрение и загрязнение коллектора.
Снижение эксплуатационных затрат — не требуется регулярная замена щёток и чистка контактных колец.
Пожарная и взрывобезопасность — отсутствие искрения позволяет устанавливать машины во взрывоопасных зонах (нефтехимия, угольные шахты).
Устойчивость к вибрациям — вращающийся выпрямитель не подвержен вибрационным разрушениям контактов.
Возможность работы в агрессивных средах — герметизация вращающейся части защищает от пыли, влаги и химических реагентов.

Недостатки

Сложность регулирования — при диодном выпрямителе невозможно быстрое изменение тока возбуждения; для быстродействующих систем требуются тиристоры или транзисторы.
Ограниченная ремонтопригодность — при выходе из строя вращающегося выпрямителя требуется разборка машины.
Большие габариты — вспомогательный генератор и выпрямитель увеличивают длину ротора.
Чувствительность к перегрузкам — диоды и тиристоры могут выходить из строя при длительных токовых перегрузках.

Интересные факты

Первый серийный бесщеточный турбогенератор мощностью 200 МВт был изготовлен в СССР в 1974 году на заводе «Электросила».
В современных бесщеточных системах используются диоды на основе карбида кремния (SiC), способные работать при температурах до 300 °C.
В авиации бесщеточное возбуждение применяется с 1960-х годов — например, на самолётах Ту-154 и Ил-76.
Крупнейший в мире бесщеточный генератор мощностью 1200 МВт установлен на Ленинградской АЭС (Россия).

Критика

Основные нарекания к бесщеточным системам связаны с их стоимостью и сложностью. Для маломощных машин (до 100 кВт) щёточное возбуждение остаётся более дешёвым и компактным. Кроме того, при аварийных режимах (например, короткое замыкание в цепи возбуждения) бесщеточная система может не обеспечить требуемое быстродействие для гашения поля. В некоторых случаях (например, в гидрогенераторах с частыми пусками) предпочтение отдаётся щёточным системам с тиристорным возбудителем.

Источники

Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978.
Копылов И. П. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 2002.
ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия».
Каталог продукции ОАО «Силовые машины» (Россия).
Техническая документация на турбогенераторы серии ТВВ (НПО «Электросила»).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →