1.7 Szinkrongépek gerjesztő berendezései

Mind az egyedül, mind a rendszerben járó szinkrongép üzemállapotainak vizsgálatánál megfigyelhetjük, hogy a gép gerjesztése szabályzást igényel. Ezt a feladatot a gerjesztő berendezések látják el.

A gerjesztő berendezés a szinkrongép gerjesztésének forrása, amely a következő részekből állhat:

• főgerjesztő: a gép gerjesztéséhez szükséges egyenfeszültség forrása
• segédgerjesztő: a főgerjesztő gerjesztéséhez szükséges feszültség forrása
• automatikus gerjesztés szabályzó: a főgerjesztő kimeneti mennyiségeinek szabályzása érdekében kapcsolatot biztosít a gép kimeneti és a főgerjesztő bemeneti egységei között
• kézi gerjesztés szabályzó: a főgerjesztő bemeneti mennyiségeinek szabályzására szolgál, de nincs meg a visszacsatolás a kimeneti mennyiségekről mint az automatikus gerjesztés szabályzásnál
• gerjesztés kapcsoló berendezés: a gerjesztő berendezés működésének illetve leállítására szolgál, tartalmazhatja esetleg a tekercsek induktív energiáinak elnyelésére szolgáló elemeket

A gerjesztő berendezéséket alapvetően a főgerjesztő határozza meg. Ez alapján megkülönböztetünk:

• forgó főgerjesztőt
• statikus főgerjesztőt

A forgó gerjesztők feszültség forrása forgógép, míg a statikus gerjesztőké általában transzformátor.

Főgerjesztők

Forgó főgerjesztők

1. Szinkrongép 2. Főgerjesztő 3. Segédgerjesztő egyenirányítója 4. Beállító ellenállás 5. Főgerjesztő egyenirányítója 6. Főgerjesztő generátora

• Kommutátoros főgerjesztők: 40/a. Ennek a megoldásnál kisebb generátorok esetében öngerjesztést, nagyobb gépeknél a dinamikus tulajdonságok javítása érdekében a főgerjesztőt segédgerjesztőről gerjesztik, ugyanis zárlat esetén a főgerjesztő átpolarizálódhat. Egy hagyományos megoldást mutat be a 41. ábra. 40/b regulex kapcs.

• Forgódiódás főgerjesztő: Itt a főgerjesztő egy olyan gép, melynek gerjesztő tekercse az állórészre szerelt. A forgórészben indukált váltakozó áramot a tengelyre szerelt egyenirányítóra vezetik. Ennek kimenete közvetlen - csúszógyűrűk nélkül - csatlakozik a szinkron generátor gerjesztő tekercséhez. Az egyen irányító hídkapcsolású általában. Az egyenirányítást készítik tirisztorokkal is. 40/cd ábra.
• Állódiódás főgerjesztő: A főgerjesztő gerjesztő tekercse a forgórészen van. Az állórészben 50-400 periódusú váltakozó feszültséget állítanak elő attól függően, hogy diódás vagy tirisztoros egyenirányítástól van szó. Ezt a feszültséget egyenirányítják, majd csúszógyűrűk segítségével a szinkron gép gerjesztő tekercséhez vezetik. Dinamikus tulajdonságok javítása érdekében a főgerjesztőt, külön segédgerjesztőről gerjesztik. 40/ef ábra.

Statikus főgerjeszők

A statikus főgerjesztők vagy csak feszültség transzformátort, vagy áram transzformátort is tartalmaznak ezek a kompaund gerjesztők.

1. Szinkrongép 2. Vezérelt egyenirányító 3. Feszültség transzformátor 4. Áram transzformátor 5. Diódás egyenirányító 6. Fojtótekercs 7. Háromgombolyítású transzformátor 8. Telíthető háromgombolyítású transzformátor

• Egyszerű statikus főgerjesztő: 42/a. A generátort az állórészről nyert feszültséggel gerjesztik transzformátoron és egyenirányítón feszültsége nagyon lecsökken, a gerjesztő nem tud megfelelően nagy áramot biztosítani a gerjesztéshez. Időlépcsőzésű túláram védelemmel rendelkező hálózat esetén ezért nem alkalmazzák.
•  Egyenfeszültségen kompaundált statikus főgerjesztők: Kétféle megoldás lehetséges:

  • soros kompaundálás

  • párhuzamos kompaundálás

Soros kompaundálás a 42/b ábrán látható. Az áram transzformátorok csak erős feszültség esetén szolgáltatnak feszültséget. Az általuk szolgáltatott feszültséget egy fojtótekerccsel korlátozzák. Inverter üzemre is alkalmas, ellentétben a párhuzamos gerjesztéssel, ahol alágerjesztett üzemet és gyors feszültség csökkenést nehéz elérni. Mindkét rendszer hátránya, hogy zárlatban az áramot korlátozni nem lehet, így az a védelmek működéséig növekedni fog. 42/c ábra.

• Váltakozó feszültségen kompaundált statikus főgerjesztő: Ez az egyen rendszer megfelelője. Itt váltakozó áramúlag vannak sorba vagy párhuzamosan kapcsolva a feszültségek, majd ezután egyenirányítva. Ezek a legelőnyösebb kapcsolások, mert negatív kimenő feszültséget is tudnak szolgáltatni. 42/de ábra.

Ezeken kívül még számos megoldás létezik. Az f' ábrán párhuzamos szabályzással a 2 egyenirányítóval a gerjesztő tekercselés rövidzárási mértékével lehet a gerjesztést szabályozni, a g' ábrán a háromgombolyítású transzformátor egyik tekercsét a generátor árama a másikat a generátor feszültsége táplálja. A h' ábrán a feszültség nagyságát egy telíthető áram transzformátorral szabályozzák.

Segédgerjesztők

A segédgerjesztők is lehetnek statikusak vagy forgó rendszerűek.

Forgó rendszerű segédgerjesztők

• Öngerjesztésű egyenáramú generátor: Ezeket csak kommutátoros főgerjesztőkhöz alkalmazzák.
• Állandómágneses váltakozó áramú generátor: Újabb berendezésekben használják, ezek a statikus szabályzók energia szükségletét is ellátják. Ezek hajtása vagy a szinkrongép tengelyéről vagy akkumulátorral táplált motorról történik.
• Öngerjesztésű váltakozó áramú generátor: Ezek a gépek állandóbb feszültséget szolgáltatnak mint az állandómágnesűek, viszont saját gerjesztő berendezésre van szükségük.

Statikus segédgerjesztők

Ezek kapcsolásai megegyeznek a statikus főgerjesztőknél bemutatottakkal. Itt gyakrabban alkalmaznak tirisztoros kimenetet a gyors legerjesztés érdekében. Ennél a megoldásnál a főgerjesztő kezdeti gerjesztésének megfelelő értéke érdekében állandómágnest építenek a pólusba.

Automatikus gerjesztés szabályzók

Az automatikus gerjesztés szabályzók lehetnek elektromechanikus vagy statikus kivitelűek. A statikus kivitelűek pedig digitális vagy analóg rendszerűek. A digitális rendszereket csak különleges pontosságot igénylő feladatok megvalósítására alkalmazzák. Az elektromechanikus szabályzókat ma már nem alkalmazzák. 

Az automatikus gerjesztés szabályzók a következő fő funkcióikat látják el:

• Értéktartás:  A szabályzás során a szabályzott mennyiség mért értékét a kívánt mennyiséggel hasonlítják össze. A kívánt mennyiséget alapjelnek nevezzük, a két érték különbségét hibajelnek. A 43. ábrán a szabályzott mennyiség a generátor feszültsége. A szabályzott mennyiséget és alapjelet egyenirányítás után a hibajel képzőbe vezetik, ami egy ellenállás lánc. Az alapjelet a potencia méterrel lehet beállítani a kívánt értékre. A hibajel egy műveleti erősítőre kerül.

• Kompenzálás: A szinkrongép szabályzott mennyiségének egy másiktól függő folyamatos változtatása. A kompenzálás lehet áram vagy frekvencia kompenzálás. A szabályzó érzékelőjéhez a terheléssel arányosan csökkentett kapocsfeszültséget vezetjük. Így a gerjesztés szabályzó a terhelés által csökkentett feszültséget állítja vissza a kívánt értére. Ennek gyakorlati megvalósítása látható a 44. ábrán.

A feszültség váltóról nyert U_bc feszültségből levonódik a b és c áram okozta feszültség esés. A vaktorábrából látható, hogy a gerjesztés szabályzó az eredeti U_bc helyett egy kisebb feszültséget érzékel.

Így a csökkentett értéket fogja eredeti értékre beállítani. Ezt a módszert teljes kompenzálásnak nevezzük. Az áram kompenzátorok közül a legelterjedtebb a meddőáram kompenzálás. Ennél a megoldásnál a szinkrongép mért feszültségéhez a meddő árammal arányos részt adnak hozzá és az így nyert feszültséget vezetik a hibajel képzőhöz. A kapcsolási rajz a 46. ábrán látható.

Látható, hogy a tisztán wattos terhelő áram alig csökkenti feszültséget, míg a tisztán meddő áram jelentős jelentős feszültség változást idéz elő. Ha a generátor és transzformátor blokk kapcsolásban van, akkor a terheléstől függő feszültség csökkenést a transzformátor droppja idéz elő. Ilyenkor gyakran úgy állítják be a kompenzátort, hogy a feszültség esés 2-3% legyen üresjáráshoz képest. Olyan generátoroknál ahol viszonylag kisebb a teljesítmény a beállítás értéke 10-15%, ugyanis a kapocsfeszültség csökkenésével az utánszabályzás miatt a gép túlterhelődhetne, így elkerülik annak lekapcsolását.

Frekvencia kompenzálást akkor alkalmaznak, ha a frekvencia csökkenésével - terhelés növekedés - a generátor feszültségét csökkenteni kell pl. a blokktranszformátor telítése miatt. A generátor feszültségét egy ellenállás és egy ellenállás-kapacítás láncon leosztják úgy, hogy névleges frekvencián a lánc közepén egyforma feszültség van. Frekvencia növekedésével a kapacitív reaktancia megnő, így a hibajel képzőbe nagyobb feszültség jut. 48. ábra.

• Korlátozások: A szabályzó jelének módosítása a szinkrongép egyes mennyiségeinek adott határok között tartása érdekében. Korlátozásokat statikus gerjesztőknél alkalmaznak. Felépítése egyezik a hibajel képzővel de csak egy beállított határérték felett szólal meg. Korlátozás lényege, hogy a szinkrongépeket teljes működési tartományon belül ki lehessen használni anélkül, hogy a védelmek megszólalnának. E feladatból következik. hogy működésüket össze kell hangolni a védelmekkel. A leggyakoribb korlátozások a következők:
  • Állórész túláram korlátozás: Megszólalási ideje rövidebb mint a túláram védelmeké, ezért csak impedancia védelemmel alkalmazható.
  • Forgórész túláram korlátozás: Egyrészt az egyenirányítókat védi a rövid ideig sem megengedhető áramok ellen, másrészt termikus időkésleltetéssel a forgórész tekercselést. A pillanat működésű tagot össze kell hangolni az egyszerű túláram védelemmel, termikus tag esetén impedancia védelmet kell alkalmazni.
  • Pólusszög korlátozás: Szinkrongépeket védi a szinkronból kiesés ellen. Illeszkedő védelme a szinkronból kiesés - gerjesztés vesztés védelem - és a póluscsúszás védelem. Működése a forgórész áramot növeli ezért a túláram korlátozásokkal is össze kell hangolni.
  • Alágerjesztés korlátozás: Az állórész homlokoldalát védi a cos=1 körüli közel névleges állórész áram esetén a túlmelegedéstől. Illeszkedő védelme a homlokoldali hőfokérzékelő.

A korlátozók működési tartománya az 55. ábrán látható.

Kézi gerjesztés szabályzók

A kézi gerjesztés szabályzót az automatikus gerjesztés szabályzó esetén alkalmazzák. Általában a szinkrongép feszültségét vagy áramát tartjuk állandó értéken. Egyik lehetséges megoldás, hogy a főgerjesztő egyenirányítóját - tápfeszültség - az automatikus szabályzó irányítja. Ennek hibásodása esetén a tápfeszültség kézi kapcsolóval leválasztható, így a párhuzamos gerjesztésű főgerjesztő ezután öngerjesztésűvé válik.

Gerjesztés kapcsoló készülék

Legegyszerűbb megoldása, amikor a szinkrongép és a gerjesztő gép közé beépített megszakító a kettő közti kapcsolatot megszakítja anélkül, hogy a gép szigetelése megsérülne. Mivel ez elég drága , alkalmazzák azt a megoldást is, amikor a főérintkező nyitása vagy zárása előtt egy segédérintkező a gerjesztő tekercset egy ellenállásra kapcsolja. Lsd. 41. ábra. Lehetséges az is, hogy kikapcsoláskor a gerjesztést ellentétes irányúra váltják, így a gép gyorsabban legerjed. Lsd. 1.7 fejezet.

Az egyes gépegységeknek egymással összhangban kell működnie, hiszen ezek szabályzása visszahat egymásra. Például ha a meddő terhelés növekedésével a kapocsfeszültség csökkenésének hatására az egyik gép jobban növelné gerjesztését mint a többi, akkor ezen a sínen megnövekedett feszültséget a többi gép magasnak érzékelhetné és ezzel csökkentené meddő termelését. Ennek hatására a generátor magára venné a meddő terhelést és túlterhelődhetne. A feszültség szabályzás akkor stabilis a hálózat minden gépére nézve, ha minden gép azonos irányú azonos mértékű változást hoz létre. Ennek az állapotnak megfelelő jelleggörbét a 49. ábrán láthatjuk.

A kapocsfeszültség növelése határozott meddő növekedést idéz elő. Ha a gépünk túlkompenzált a jelleggörbe visszintessé válhat, ezzel nincs határozott munkapont (asztatikus jelleggörbe). Az egyes gépek részvételét a meddőtermelésben a jelleggörbe függőleges tengely mentén való eltolással lehet változtatni. Ezt szintszabályzásnak nevezzük. A szintszabályzás a meddő menetrend alapján történik.

Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a wattos teljesítmény változásának hatására a frekvencia változik. Ezt a változást a primer szabályzás próbálta önműködően megszüntetni. A tervszerű wattos elosztás eszköze a hálózat egyes generátorai között a szekunder szabályzással vált lehetségessé. A meddőterhelés hatására a hálózat feszültsége változik, amit a gerjesztés szabályzók próbálnak kiegyenlíteni. A tervszerű meddőelosztás pedig a szintszabályzással valósul meg.