Параллельная работа синхронных генераторов

Для того чтобы синхронные генераторы можно было использовать для параллельной работы с другими генераторами или сетью, прежде всего необходимо, чтобы и генераторы, и сеть имели одинаковые номинальные напряжения и частоту и одинаковое число фаз. Кроме того, для предотвращения появления нежелательных уравнительных токов необходимо, чтобы все синхронные генераторы, преобразователи и накопители, используемые для параллельной работы, имели бы одинаковую, как правило, синусоидальную форму кривой напряжения.

Во избежание перегрузки какого-либо из генераторов при параллельной работе надо обеспечить, чтобы активные и реактивные нагрузки между ними распределялись пропорционально их номинальной мощности. Это условие проще всего выполняется, когда генераторы имеют идентичные внешние характеристики, а приводящие их во вращение двигатели – механические характеристики, то есть генераторы имеют одинаковые системы возбуждения и приводятся во вращение однотипными двигателями. Наиболее благоприятным случаем включения синхронного генератора на параллельную работу является отсутствие тока (равенство нулю его установившегося значения) у включаемого генератора сразу после включения. Действительно, сила тока фазы синхронного генератора

,

(81)

где Е – ЭДС генератора;

U – напряжение сети;

X – сопротивление фазы статора генератора.

Для того чтобы сила тока генераторов была равна нулю, необходимо выполнение условия Ё = U, то есть ЭДС генератора и напряжение сети должны быть не только равными по действующему значению, но и совпадать по фазе. Это условие должно выполняться для всех фаз, поэтому необходимо перед включением генератора убедиться, что у него обеспечен такой же порядок чередования фаз, как уже у работающих генераторов или сети. Необходимый порядок чередования фаз проще всего обеспечить подключением генераторов одноименными выводами U, V, W.

Процесс включения синхронных генераторов на параллельную работу при выполнении указанных выше условий называется синхронизацией. Существуют три вида синхронизации: точная, грубая и самосинхронизация, которые могут осуществляться обслуживающим персоналом вручную или происходить в автоматизированном и автоматическом режимах. Каким бы образом ни осуществлялась синхронизация, в ее процессе необходимо выполнение следующих условий:

– уравнительный ток в первый момент включения должен быть возможно меньшим;

– после включения все генераторы должны оставаться в режиме параллельной работы;

– отклонения параметров электрической энергии при синхронизации не должны быть выше допустимых.

Рис. 58. Схема включения синхронного генератора на параллельную работу методом точной синхронизации

При точной синхронизации (рис. 58) синхронный генератор на параллельную работу должен включаться в тот момент, когда его ЭДС по значению и фазе равна напряжению на шинах электростанции. В этом случае при включении ток генератора равен нулю. Практически ЭДС и частота генератора устанавливаются несколько выше (на несколько процентов) соответственно напряжения и частоты на шинах А, В, С. Команда на включение генератора также подается

несколько раньше момента совпадения ЭДС и напряжения по фазе из-за наличия времени срабатывания аппаратуры.

Примерная последовательность включения синхронного генератора на параллельную работу: запускают двигатель, приводящий генератор, и устанавливают частоту вращения несколько большей номинальной (на несколько процентов), возбуждают генератор и устанавливают на его выводах напряжение также несколько выше номинального.

Значения напряжения и частоты контролируются по приборам Р11 и Р12, подключенным на выводы генератора, и по приборам Р01, Р02, Р03 – на шины.

Для определения момента времени, когда необходимо включить выключатель Q, служит синхроноскоп. В простейшем ламповом синхроноскопе (рис. 59) используются лампы накаливания. Существуют два способа включения ламп – на погасание (см. рис. 59, а)и на вращение огня (рис. 59, б); в первом лампы включаются на одноименные выводы генератора и шин, а во втором лампа HI включена на одноименные выводы, а Н2 и Н3 – на разноименные.

Рис. 59. Схемы (а) включения ламповых синхроноскопов

и их векторные диаграммы (б)

При включении ламп на погасание действующие значения напряжения на лампах будут одинаковыми. Действительно, мгновенное значение напряжения, например, между выводами можно выразить так:

u_s = e_г – и_ш,

где e_г, и_ш– мгновенные значения ЭДС соответственно генератора и на шинах.

Примем, что

e_г = Е_т sin (ω_г t + φ_г);

и_ш = U_т sin (ω_ш t + φ_ш),

где Е_т, U_т– амплитудные значения ЭДС и напряжения;

ω_г, ω_ш – угловая частота соответственно ЭДС генератора и напряжения на шинах (φ_г, φ_ш – начальные фазы этих же величин).

Тогда после несложных тригонометрических преобразований и с учетом, что Е_т≈ U_т,получим:

.

(82)

Из последнего выражения следует, что частота напряжения на лампах равна частоте генератора (или частоте напряжения на шинах), так как ω_г ≈ ω_ш.

Амплитудное значение напряжения us периодически изменяется от нулевого до двойного амплитудного значения напряжения генератора с угловой частотой ω_s = ω_г – ω_ш, называемой частотой биения.

Угол сдвига фаз между ЭДС генератора и напряжением сети

(83)

также изменяется во времени, а угловая скорость взаимного перемещения векторов численно равна угловой частоте биения:

.

График изменения напряжения на лампах представлен на рис. 60. Включение генератора на параллельную работу должно производиться в тот момент времени, когда напряжение на лампах отсутствует. Однако из-за наличия собственного времени срабатывания выключателя сигнал на включение подается раньше на время t_оп.

Использование ламп, включенных на погасание (см. рис. 59, а), не обеспечивает достаточной точности определения момента совпадения фаз, так как свечение нити возникает при напряжении не менее 15–20% номинального. Кроме того, при этой схеме включения

Рис. 60. Изменение напряжения на лампе синхроноскопа

нельзя оценить, какая частота выше у генератора или на шинах, а это затрудняет процесс синхронизации.

Синхронизация с использованием ламп, включенных на вращение огня,частично лишена указанных недостатков.

Напряжения на лампах различны (см. рис. 60), и огни горят с разной яркостью, причем последовательность их зажигания зависит от того, какая частота выше. Следовательно, по направлению вращения огня легко определить, в какую сторону надо изменять частоту генератора. Выключатель Q должен включаться в тот момент, когда лампа HI погаснет, а лампы Н2 и НЗ будут гореть одинаково ярко. Так как яркость свечения ламп изменяется даже при незначительных отклонениях напряжения, то при этом способе включения ламп может быть достигнута большая точность совпадения фаз, чем при включении на погасание.

С помощью лампового синхроноскопа можно также проверить правильность чередования фаз у генератора. Если при включении ламп на погасание будет наблюдаться вращение огня, то чередование фаз неправильное.

Ламповые синхронизаторы не обладают высокой точностью, поэтому более широкое распространение получили стрелочные синхроноскопы. Стрелочный синхроноскоп представляет собой сельсин, имеющий трехфазную обмотку статора и однофазную обмотку ротора.

При включении на параллельную работу двух синхронных генераторов амплитудное значение тока в момент включения определяется по формуле

,

(84)

где k_y ≈ 1,8 – ударный коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока;

Ed = Ed1 – Ed2 – ЭДС синхронных генераторов за сверхпереходным сопротивлением по продольной оси;

X_d1, X_d2– сверхпереходные сопротивления генераторов по продольной оси;

Х_с– сопротивление линии электрической связи между генераторами.

Ручная точная синхронизация – весьма ответственная и достаточно трудоемкая операция. Особенно трудно выполнять синхронизацию в экстремальных режимах.

Неправильный выбор момента включения, как видно из выражения (73), может привести к большим броскам тока и момента, что опасно для генераторов и двигателей привода.

Для исключения возможных ошибок процесс включения генераторов методом точной синхронизации рекомендуется автоматизировать.

При грубой синхронизациине обеспечиваются идеальные условия для включения генератора, поэтому для ограничения значения ударного тока в цепь включаемого генератора вводится реактор L,который после синхронизации обычно отключается (рис. 61).

Примерная последовательность включения синхронного генератора методом грубой синхронизации:

– запускают двигатель привода, прогревают его и доводят его частоту вращения до значения несколько выше номинального;

– возбуждают генератор и устанавливают на его выводах напряжение, несколько превышающее номинальное;

– по приборам, имеющимся на ГЭРЩ, убеждаются в примерном равенстве частоты и напряжения генератора и на шинах ГЭРЩ;

– выключателем QI3 включают генератор на шины через реактор L;

– после окончания переходного процесса выключателем Q12 генератор подключается на шины напрямую, а цепь реактора отключается от генератора выключателем Q13.

Токоограничивающий реактор обычно выполняется трехфазным без ферромагнитного магнитопровода, а его индуктивность выбирается такой, чтобы провалы напряжения и ток не превышали значений, допускаемых Регистром [15].

Наиболее тяжелым будет режим, когда ЭДС включаемого и работающих генераторов совпадают по фазе. В этом случае ударный ток генератора

,

(85)

где – сверхпереходное сопротивление включаемого и работающих генераторов;

n – число одинаковых генераторов, работающих на шины;

Х_р – сопротивление реактора.

Метод грубой синхронизации находит ограниченное применение на судах речного флота. Применение этого метода приводит к определенным усложнениям судовой электростанции, а при автоматизации процесса синхронизации достоинства этого метода по сравнению с методом точной синхронизации далеко не очевидны.

В случае самосинхронизациина шины подключается невозбужденный генератор, а возбуждение подается после окончания переходного процесса (рис. 62).

Примерная последовательность включения синхронного генератора на параллельную работу методом самосинхронизации:

– запускают двигатель привода, прогревают его и доводят его частоту вращения до значения несколько выше номинального;

– обмотка возбуждения переключателем Q2 отключается от системы возбуждения и включается на разрядный резистор R1. Напряжение на выводах генератора при этом практически равно нулю;

– с помощью выключателя Q1 вращающийся, но невозбужденный генератор подключается на шины.

Включение невозбужденного генератора можно рассматривать как включение в сеть асинхронного двигателя, пусковой ток которого зависит от скольжения. При достаточно близком совпадении частоты вращения магнитного поля, образующегося в генераторе после его подключения на шины, с частотой вращения индуктора ударный ток генератора будет вполне допустимым. Под действием асинхронного вращающего момента частота вращения генератора приблизится к синхронной. А если индуктор явно полюсный, то возникший реактивный синхронный момент сделает частоту вращения синхронной; после окончания переходного процесса обмотка индуктора переключателем Q2 отключается от резистора и подключается к схеме возбуждения. Процесс самосинхронизации заканачивается.

Метод самосинхронизации не нашел широкого применения на судах речного флота.

Процесс синхронизации генераторов с самовозбуждением и амплитудно-фазовое компаундирование (АФК) имеют некоторые особенности. Дело в том, что система компаундирования, предназначенная для компенсации реакции якоря, в случае, когда ЭДС включаемого генератора будет меньше напряжения на шинах, оказывает противоположное действие. Из-за этого, особенно после самосинхронизации, возможен устойчивый режим работы, при котором только что включенный генератор будет потреблять реактивную энергию для возбуждения своего магнитного поля, загружая реактивным током уже работающие генераторы. Это может привести к их перегрузке и снижению напряжения на шинах.