Синхронизация и включение высоковольтного генератора в сеть. Включение синхронных генераторов на параллельную работу

Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции или на каком-либо объекте, подключенном к энергосистеме, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой собственная мощность генератора является очень малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности т. е. что напряжение сети Uc и ее частота fc являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.
Включение генератора на параллельную работу с сетью. В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты поломка генератора или первичного двигателя.
Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети uс и генератора uг:
Ucm sin (?ct — ?с) = Uгm sin (?г — ?г)
На практике выполнение данного условия сводится к выполнению трех равенств: значений напряжений сети и генератора Ucm = Uгm или Uc = Uг; частот?c = ?г или fс = fг; их начальных фаз?с = ?г (совпадение по фазе векторов?c и?г). Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.
Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот fс? fг а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжения Uc = Uг. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (?с = ?г) контролируется специальными приборами - ламповым и стрелочными синхроноскопами.
Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности, поэтому обычно их используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети. На каждую лампу действует напряжение?u = uс - uг, которое при fс? fг изменяется с частотой?f = fc — fг, называемой частотой биений. В этом случае лампы мигают. При fс? fг разность?и изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.
Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений?u на короткое время становится близкой нулю, т. е. в середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов?c и?г. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения, т. е. обеспечение условия n2 = n1 , происходит автоматически.
Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этих приборах при fс? fг стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности. частот fс — fг, в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При fс = fг стрелка устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.
Довольно часто применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуцированием тока в демпферной обмотке. После этого в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой бросок тока.

Параллельная работа генераторов ДЭС обеспечивает повышение надежности электроснабжения потребителей и экономичности эксплуатации ДЭС, а также уменьшает отклонения частоты и напряжения при колебаниях нагрузки. Поэтому для большинства генераторов ДЭС предусмотрен режим параллельной работы как с внешней электросистемой, так и с другими ДЭС.
Параллельная работа генераторов требует выполнения специальных условий, необходимых для безаварийного включения генераторов ДЭС на параллельную работу, и устойчивой, надежной работы нескольких ДЭС в условиях эксплуатации.

Синхронизация генераторов при включении на параллельную работу.

Имеются два способа синхронизации генераторов: точная синхронизация и самосинхронизация.
При включении генератора способом точной синхронизации ток синхронизации в момент включения генератора на параллельную работу с сетью (или другим генератором) должен быть минимальным. Для выполнения этого условия необходимо фазоуказателем провести фазировку генератора с сетью, обеспечить равенство действующих значений напряжения генератора и сети (по вольтметру), добиться равенства частот генератора и сети (по частотомеру) и произвести включение генератора в момент совпадения векторов фазных напряжений генератора и сети (с помощью синхронизирующих ламп).

Рис. 1. Принципиальная схема дизель-генератора АСДА-100 с полупроводниковыми блоками автоматики.

Для автоматического включения генератора способом точной синхронизации в агрегатах АСДА-100 (см. рис. 1) использован блок синхронизатора. После пуска и вывода электроагрегата на подсинхронную частоту вращения блок контроля напряжения и частоты вращения выдает сигнал на возбуждение синхронного генератора.
Схема блока синхронизатора производит автоматическую подгонку напряжения и контроль разности напряжений, подгонку частоты и контроль разности частот генератора, включаемого на параллельную работу, и сети, а после выполнения заданных условий синхронизации дает сигнал на включение генератора на параллельную работу с сетью.
При включении способом самосинхронизации невозбужденный генератор (выключатель гашения поля АГП включен) раскручивается дизелем до номинальной частоты вращения (с отклонением ±2%) и включается в сеть автоматическим выключателем генератора. Затем подается возбуждение (АГП отключен) и генератор втягивается в синхронизм.
В этом случае до подключения генератора в сеть на его обмотках имеется лишь небольшое остаточное напряжение. Поэтому бросок тока, возникающий в статоре в момент синхронизации, будет незначителен. После подачи возбуждения на генератор по мере нарастания магнитного потока ротора появляется синхронный момент, под воздействием которого генератор входит в синхронизм.
Этот способ прост, быстр, исключает возможность ошибочного включения генератора и обеспечивает автоматизацию процесса синхронизации. Поэтому он нашел широкое применение на ДЭС. Существует множество ручных, полуавтоматических и автоматических схем и устройств самосинхронизации. На рис. 2 приведена широко распространенная полуавтоматическая схема с реле разности частот ИРЧ.

Рис. 2. Принципиальная схема дизель-генератора АСДА-100 с устройством КУ-67М. б - схема автоматики ДЭС.

На ДЭС серии АС применена схема автоматической самосинхронизации с использованием реле времени синхронизации РВС.
Мощность генераторов ДЭС, включаемых на параллельную работу способом самосинхронизации, не играет существенной роли. На ДЭС разрешается подключать на параллельную работу этим способом даже генератор, мощность которого превышает мощность всех уже работающих параллельно генераторов других ДЭС. Кратковременное снижение напряжения при включении быстро восстанавливается и не нарушает работу потребителей. Включать генератор рекомендуется при частоте вращения несколько большей синхронной (1%), чтобы генератор сразу же принял активную нагрузку. Подача возбуждения должна осуществляться без задержки вслед за подключением генератора к шинам, так как в противном случае генератор может не втянуться в синхронизм.
Рекомендуется включать генератор при скольжении 1-2 Гц, так как при этом сокращается время втягивания генератора в синхронизм. Шунтовой реостат в цепи возбуждения возбудителя (сопротивление уставки напряжения) необходимо устанавливать в положение, обеспечивающее надежное самовозбуждение и подъем напряжения на генераторе до нормального при его холостом ходе.
Для включения способом самосинхронизации вручную или полуавтоматически нужно, чтобы генератор перед включением работал без возбуждения (АГП отключен). Реостат в цепи возбуждения или сопротивление уставки напряжения должны обеспечивать подъем напряжения на генераторе при холостом ходе до номинального.
Агрегат разворачивают, плавно подводя к синхронной частоте вращения (ускорение 0,5-1,0 Гц/с).
Генератор подключают к шинам при погашенном поле генератора (показания вольтметров статора и возбудителя равны нулю) и разности частот по частотомеру 1-2 Гц.
Затем генератор возбуждают (включают АГП) и поднимают напряжение на нем (автоматически и вручную). После этого генератор втягивается в синхронизм и набирает нагрузку.

Выпадение генератора из синхронизма при параллельной работе.

Резкое изменение и нарушение режимов работы электрической сети и генераторов, а также нарушение условий синхронизации могут вызвать выпадение из синхронизма отдельных генераторов ДЭС. О выпадении из синхронизма генераторов можно судить по показаниям приборов: амперметры в цепи статора показывают значительные толчки тока (стрелки резко колеблются до упора), вольтметры - сильно колеблющееся пониженное напряжение, показания ваттметра меняются от начала шкалы до ее конца.
Определить выпадение из синхронизма можно и по пульсирующему в такт с качанием приборов гулу генератора. При выпадении генератора из синхронизма необходимо попытаться восстановить его синхронную работу, максимально увеличивая возбуждение и уменьшая активную нагрузку, а при невозможности восстановления синхронной работы следует отключить генератор от сети.

Распределение активной мощности ДЭС, работающей параллельно с другими ДЭС или промышленной сетью.

После включения генератора на параллельную работу с сетью осуществляют прием нагрузки на включенный генератор с помощью увеличения подачи топлива у первичного двигателя включаемого генератора.
Для устойчивой и надежной параллельной работы генераторов необходимо, чтобы активная мощность, отдаваемая работающими генераторами, распределялась между ними пропорционально их номинальным мощностям, так как в противном случае один из параллельно работающих генераторов окажется недогруженным, а другие перегруженными, что вызовет выход последних из строя или выпадение из синхронизма.
Пропорциональное распределение активной мощности между генераторами производится только в том случае, если приводные двигатели имеют одинаковый наклон характеристик, выражающих зависимость частоты вращения дизеля п от активной мощности Р на валу, т. е. одинаковый статизм.
При неодинаковом статизме привода и одинаковой частоте вращения параллельно работающих генераторов распределение активной мощности между ними не будет пропорционально их номинальным мощностям, как показано на рис. 3. Чтобы этого не происходило, статизм двигателя заранее регулируют настройкой регулятора подачи топлива.

Рис. 3. Распределение активной мощности между параллельно работающими генераторами 1 к 2 при неравенстве статизма их двигателей. n - частота вращения генератора; Р - активная мощность генератора.

Обычно дизельные двигатели имеют статизм 3%, что позволяет обеспечить неравномерность распределения активной мощности между параллельно работающими генераторами не более 10% мощности меньшего генератора.
Для перераспределения активной мощности между параллельно работающими ДЭС необходимо изменить подачу топлива в дизель, например увеличить подачу топлива в дизель генератора, на который переводят активную мощность, и уменьшить подачу топлива в дизель генератора, с которого снимают активную мощность.

Распределение реактивной мощности между параллельно работающими генераторами и сетью.

При эксплуатации возможны следующие случаи параллельной работы генератора: с другими генераторами, имеющими принципиально отличную систему возбуждения (например машинную или статическую); с другими такими же генераторами или генераторами, имеющими аналогичную по принципу действия и схеме систему возбуждения; с промышленной сетью.
В первом случае для пропорционального распределения реактивной мощности между генераторами необходимо, чтобы напряжение каждого из генераторов при автономной работе несколько уменьшалось с увеличением реактивной нагрузки, а статизм по реактивной мощности генераторов был одинаков.
Статизмом по реактивной мощности называют относительное изменение напряжения генератора при увеличении его реактивной мощности. При неодинаковом статизме по реактивной мощности и одинаковом напряжении параллельно работающих генераторов распределение реактивной мощности между ними будет происходить непропорционально их номинальным мощностям (рис. 4).

Рис. 4. Распределение реактивной мощности между параллельно работающими генераторами 1 к 2, имеющими неодинаковый статизм по реактивной мощности. U - напряжение генератора; Q - реактивная мощность генератора.
Для удовлетворительной параллельной работы генераторы должны иметь статизм по реактивной мощности 3-4%. Системы возбуждения многих генераторов не обеспечивают необходимого статизма по реактивной мощности и поэтому имеют специальное устройство параллельной работы, работа которого рассмотрена ниже.
Во втором случае пропорциональное распределение реактивных мощностей между параллельно работающими генераторами может быть достигнуто двумя путями: обеспечением одинакового их статизма по реактивной мощности, т. е. аналогично случаю параллельной работы разнотипных генераторов, или с помощью уравнительной связи обмоток возбуждения, что обеспечит самобаланс системы по реактивной мощности.
При параллельной работе со статизмом по реактивной мощности в результате увеличения реактивной нагрузки от 0 до 100% номинальной уменьшение напряжения на зажимах параллельно работающих генераторов достигает 4% начального значения, что не всегда приемлемо.
При параллельной работе с уравнительными соединениями без статизма по реактивной мощности точность поддержания напряжения на зажимах параллельно работающих генераторов будет такой же, как и при их автономной работе.
Для обеспечения удовлетворительной параллельной работы генераторы тоже должны иметь устройства параллельной работы.
Если генератор, работающий параллельно с промышленной сетью, необходимо нагрузить реактивной мощностью, то нужно увеличить его ток возбуждения. Изменение тока возбуждения генератора, работающего параллельно с сетью, достигается изменением сопротивления уставки напряжения. Устойчивая параллельная работа генератора с сетью возможна лишь при наличии статизма по реактивной мощности.
Статическая система возбуждения обеспечивает увеличение тока возбуждения генератора с ростом его нагрузки. При параллельной работе напряжения генератора и сети равны, поэтому при отсутствии статизма по реактивной мощности с увеличением последней будет увеличиваться ток возбуждения генератора. Увеличение тока возбуждения генератора, работающего параллельно с сетью, приведет в свою очередь к дальнейшему росту его активной мощности. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока генератор не выйдет из строя вследствие недопустимой перегрузки.
При наличии статизма большей реактивной мощности соответствует меньшее напряжение генератора, но напряжение определено сетью и снизить его нельзя, поэтому увеличение реактивной мощности генератора при неизменном напряжении сети невозможно.

Устройство параллельной работы УПР (рис. 5) обеспечивает возможность параллельной работы со статизмом и без него с помощью уравнительных соединений, а при автономной работе генератора не оказывает влияния на его работу.
Устройство параллельной работы состоит из измерительного трансформатора тока ТТ, трансформатора параллельной работы ТПР, резисторов параллельной работы R16 и RI7, переключателя ПВ.

Рис. 5. Схема УПР. I - от генератора; II - к нагрузке; III - уравнительные соединения; IV - к измерительному трансформатору корректора; положения переключателя ПВ: 1 - без статизма; 2 - со статизмом.

Трансформатор ТПР имеет две обмотки: первичную Wi, которая включена последовательно в цепь измерительного трансформатора корректора напряжения, и вторичную ш2 с отводом от середины. Обе половины вторичной обмотки трансформатора ТПР и резисторы параллельной работы R16 и R17 составляют мост, источником питания которого служит вторичная обмотка трансформатора ТТ. Сопротивления резисторов R16 и R17 одинаковы и напряжения на них также одинаковы, а сумма напряжений, подведенная ко вторичной обмотке трансформатора, равна нулю, так как токи в резисторах направлены навстречу. Естественно, что при этом напряжение первичной обмотки трансформатора ТПР также равно нулю, и, следовательно, устройство УПР при автономной работе генератора (77В отключен) не оказывает никакого влияния на его работу. Для получения статизма по реактивной мощности включают переключатель ПВ, который закорачивает часть резистора R17 и баланс напряжений нарушается. При этом на обмотках трансформатора ТПР появляется напряжение, пропорциональное току трансформатора ТТ (т. е. току генератора) и совпадающее с ним по фазе. Так как первичная обмотка трансформатора ТПР включена последовательно с входными зажимами корректора напряжения, последний будет теперь поддерживать постоянную сумму напряжений генератора и трансформатора параллельной работы ТПР. При изменении тока нагрузки генератора и, следовательно, напряжения на трансформаторе ТПР будет меняться напряжение генератора. Фазовые отношения в схеме подключения трансформатора ТТ и входа корректора таковы, что напряжение генератора меняется практически только при изменении реактивной составляющей тока, причем так, что с ее увеличением снижается напряжение генератора, что исключает возможность перегрузки генератора при параллельной работе и обеспечивает равномерное распределение реактивных мощностей.
При параллельной работе генераторов без статизма с уравнительными соединениями (рис. 6) переключатели ПВ1 и ПВ2 устройств параллельной работы обоих генераторов отключены, а резисторы R17 соединяются параллельно через контакты БК автоматических выключателей генераторов АГ. При одинаковых нагрузках генераторов одинаковыми станут напряжения на резисторах R17 и R16, а уравнительные соединения не будут влиять на их работу.


Рис. 6. Схема параллельной работы двух генераторов с уравнительными соединениями (без статизма).
1 - от генератора 1; II - от генератора 2; III - к нагрузке; IV - к трансформаторам измерительных корректоров.

При неравномерном распределении нагрузок генераторов должны быть различными напряжения на резисторах R17, но благодаря уравнительным соединениям между УПР появляются уравнительные токи, воздействующие на корректоры генераторов так, что у перегруженного по реактивной мощности генератора ток возбуждения уменьшается, а у недогруженных генераторов увеличивается. Эта система как бы самобалансируется по реактивной мощности. С изменением общей нагрузки напряжения не меняются (нет статизма), т. е. обеспечивается более высокая точность поддержания напряжения, чем при работе без уравнительных соединений.
Имеются и другие типы автоматических устройств распределения реактивных мощностей. На рис. 7 изображена схема устройства параллельной работы, осуществляющего автоматические распределения реактивных мощностей с помощью регуляторов напряжения УРН. Устройство состоит из трансформатора тока ТТ, трехсекционного резистора R1, переключателя ПКЗ.

Рис. 7. Принципиальная схема БРН генератора с угольным регулятором УРН.
Г - генератор; ОВГ - обмотка возбуждения генератора; ОВВ - обмотка возбуждения возбудителя; В - побудитель.

Первая секция резистора R1 включена в цепь трансформатора Тр2 и регулирует пределы уставки напряжения при настройке схемы. Сопротивления второй и третьей секций резистора R1 равны. При параллельной работе генераторов переключателем ПКЗ шунтируется третья секция резистора R1, при автономной работе шунтируется вторая секция R1 и включается третья секция R1, т. е. сопротивление резистора R1 во всех режимах не меняется, благодаря чему достигается неизменность уровня регулирования напряжения при этих режимах.
При параллельной работе генераторов трансформатор ТТ вызывает нa второй секции U1 некоторой падение напряжений, которое меняется пропорционально изменению тока в первичной обмотке цепи ТТ. Геометрическая сумма двух напряжений (вторичных обмоток Тр2 и ТТ) подается на селеновый выпрямитель ВС1, а затем на обмотку УРН. Изменение тока нагрузки генератора, т. е. тока, проходящего в первичной обмотке трансформатора ТТ, вызывает изменение возбуждения генератора.
Трансформатор ТТ включен в фазу С генератора, которая не связана с трансформатором Тр2 (включен на фазы А и В), поэтому векторы напряжения вторичных обмоток этих трансформаторов будут сдвинуты относительно друг друга так, что наибольшее влияние на ток возбуждения генератора будет оказывать реактивная составляющая тока нагрузки, поэтому увеличение реактивного тока генератора при параллельной работе вызывает некоторое уменьшение возбуждения генератора, а возрастающая потребность в реактивной мощности покрывается за счет второго генератора, работающего параллельно с первым. Так достигается достаточно равномерное распределение реактивных мощностей между двумя параллельно работающими генераторами.

Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции или на каком-либо объекте, подключенном к энергосистеме, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой собственная мощность генератора является очень малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности т. е. что напряжение сети U c и ее частота f c являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Включение генератора на параллельную работу с сетью

В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты поломка генератора или первичного двигателя. Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети u с и генератора и г:

U cm sin (щ c t - б с ) = U гm sin (щ г - б г ).

На практике выполнение условия (6.27) сводится к выполнению трех равенств: значений напряжений сети и генератора U cm = U гm или U c = U г; частот щ c = щ г или f с = f г; их начальных фазб с = б г (совпадение по фазе векторов U c и U г). Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f с ? f г а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжения U c = U г. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (б с = б г) контролируется специальными приборами -- ламповым и стрелочными синхроноскопами .

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности, поэтому обычно их используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети (рис. 6.32, а). На каждую лампу действует напряжение Дu = u с -- u г, которое при f с? f г изменяется с частотой Дf = f c - f г, называемойчастотой биений (рис. 6.32,б). В этом случае лампы мигают. При f с? f г разность Ди изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.

Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений и с и и г перед включением генератора (б)

Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений Дu на короткое время становится близкой нулю, т. е. в середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов U c и U г. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения, т. е. обеспечение условия n 2 = n 1 , происходит автоматически.

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этих приборах при f с? f г стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности. частот f с - f г, в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При f с = f г стрелка устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.

Довольно часто применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуцированием тока в демпферной обмотке. После этого в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой бросок тока, который не должен превышать 3,5I a ном.

Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного генератора при параллельной работе с сетью

Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую электросеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции (при ограниченной мощности каждого генератора), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов.

Таким образом, для синхронной машины, установленной на электростанции или другом объекте, подключенном к энергосистеме, обычным является режим работы на сеть большей мощности, по сравнению с собственной мощностью. Поэтому принимают, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т.е. и ее частотаявляется неизменными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Включение генератора на параллельную работу с сетью

В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети (иначе может сработать защита, произойти поломка генератора или первичного двигателя).

Ток в момент подключения генератора к сети равен нулю, если будут равны мгновенные значения напряжений сети и генератора

На практике выполнение этого условия решается выполнением трех равенств:

Для 3-фазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций при подключении генератора к сети называют синхронизацией . Для этого сначала устанавливают
(номинальная частота вращения ротора), что приводит к равенству частот
, а затем регулируяуравниваюти. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (
) контролируется специальными приборами – синхроноскопами (ламповыми или стрелочными) (ламповые - в лабораторной практике для генератора малой мощности).

Три лампы включают между фазами генератора и сети. На каждую лампу действует
, которое при частоте
изменяется с частотой
, называемоечастотой биений . При
разность
изменяется медленно, поэтому лампы постепенно загораются и погасают. Генератор подключают, когда
стремиться к нулю, т.е. в середине между погасанием ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов напряжений сети и генератораи. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения происходит автоматически.

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этих приборах при
стрелка вращается с частотой
в одну или другую сторону. При равенстве частот стрелка устанавливается на нуль, в этот момент и подключают генератор к сети.

На электростанции приборы синхронизации автоматические.

Часто используют метод самосинхронизации , при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотку возбуждения замыкают на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (2% скольжения допускается). Затем в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. Но при этом методе в момент включения генератора возникает большой бросок тока, он не должен превышать 3,5
.

Регулирование активной мощности.

После включения генератора в сеть его напряжение становится равным напряжению сети U C . Относительно внешней нагрузки напряжения U и U C совпадают по фазе, а по контуру «генератор-сеть» находятся в противофазе, т.е.
.

При выполнении трех условий необходимых для синхронизации генератора, его ток после подключения машины к сети равен нулю.

Рассмотрим, как можно регулировать при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора можно определить из уравнения.

- из темы векторная диаграмма неявнополюсной машины

т.к.
, то силу токаможно изменить двумя способами –изменяя ЭДС по величине или по фазе .

Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение. Вследствие чего, вектор смещается относительно вектораU на некоторый угол θ в направлении вращения векторов. При этом возникает некоторая небалансная ЭДС
, приводящая к появлению тока.

Возникающую небалансную ЭДС покажем по векторной диаграмме.

Вектор тока отстает от вектора
на 90 0 , т.к. его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением
.

При работе в рассмотренном режиме генератор отдает в сеть активную мощность
и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, поэтому частота вращения остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол θ нагрузки, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Если к валу ротора генератора приложить внешний тормозной момент, то вектор будет отставать от вектораU на угол θ.

При этом возникает небалансная ЭДС
и ток, вектор которого отстает от вектора ∆ E на 90 0 . Т.к. угол φ>90 0 , активная составляющая тока находится в противофазе с
. Следовательно, в рассмотренном режиме активная мощность
забирается из сети, и машина работаетдвигателем , создавая электромагнитный вращающийся момент, частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличить приложенный к его валу внешний момент (т.е. вращающийся момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки – уменьшить этот момент . При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит в двигательный режим.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ

Особенности работы генератора на сеть большой мощности. Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхрон­ных генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителœей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределœения электрической энергии. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для синхронной машины, установленной на электрической станции или на каком-либо объекте, подключенном к энергосистеме, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой собственная мощность генератора является очень малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности т. е. чтонапряжение сети U c и ее частота f c являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Включение генератора на параллельную работу с сетью. В рассматриваемом режиме крайне важно обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединœения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты поломка генератора или первичного двигателя.

Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, в случае если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети u с и генератора и г:

U cm sin (ω c t - α с) = U гm sin (ω г - α г ).

На практике выполнение условия (6.27) сводится к выполнению трех равенств: значений напряжений сети и генератора U cm = U гm или U c = U г; частот ω c = ω г или f с = f г; их начальных фазα с = α г (совпадение по фазе векторов Ú c и Ú г). Вместе с тем, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f с ≈ f г а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжения U c = U г. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (α с = α г) контролируется специальными приборами - ламповым и стрелочными синхроноскопами .

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности, в связи с этим обычно их используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети (рис. 6.32, а). На каждую лампу действует напряжение Δu = u с - u г, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ при f с ≠ f г изменяется с частотой Δf = f c - f г, называемойчастотой биений (рис. 6.32,б). В этом случае лампы мигают. При f с ≈ f г разность Δи изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.

Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений Δu на короткое время становится близкой нулю, т. е. в серединœе периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Ú c и Ú г. Для более точного определœения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения, т. е. обеспечение условия n 2 = n 1 , происходит автоматически.

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этих приборах при f с ≠ f г стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности. частот f с - f г, в одну или другую сторону исходя из того, какая из этих частот больше. При f с = f г стрелка устанавливается на нуль; в данный момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.

Довольно часто применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение до 2%), за счёт вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента͵ обусловленного индуцированием тока

в демпферной обмотке. После этого в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой бросок тока, который не должен превышать 3,5I a ном.

Регулирование активной мощности. После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети U c . Относительно внешней нагрузки напряжения U и U c совпадают по фазе, а по контуру ʼʼгенератор - сетьʼʼ находятся в противофазе, т. е. Ú = - Ú c (рис. 6.33, а). При точном выполнении указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I a после подключения машины к сети равняется нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I a при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (6.23)

Так как U = U c = const, то силу тока I а можно изменять только двумя способами - изменяя ЭДС Е 0 по величинœе или по фазе. В случае если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента͵ крайне важно го для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор É 0 смещается относительно вектора Ú на некоторый угол θ в направлении вращения векторов (рис. 6.33,б ). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС ΔЕ , приводящая согласно (6.28) к появлению тока I а. Возникающую небалансную ЭДС ΔÉ = É 0 - Ú = É 0 + Ú c = jÍ a X сн можно показать на векторной диаграмме (рис. 6.33, б). Вектор тока I а отстает от вектора ΔЕ на 90°, поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением X сн.

При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность

Р = mUI a cos φ и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол θ , а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

В случае если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор É 0 будет отставать от вектора напряжения Ú на угол θ (рис. 6.33, в ). При этом возникают небалансная ЭДС ΔÉ и ток Í a , вектор которого отстает от вектора ΔÉ на 90°. Так как угол φ > 90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением генератора. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р = mUI a cos φ забирается из сети, и машина работает двигателœем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для увеличения нагрузки генератора крайне важно увеличивать приложенный кего валу внешний момент (т. е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки - уменьшать данный момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного в двигательный режим.

Регулирование реактивной мощности. В случае если в машинœе, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 6.34, а), увеличить ток возбуждения I в, то возрастет ЭДС Е 0 (рис. 6.34, б ),возникнет небалансная ЭДС ΔÉ = - jI а X сн и по обмотке якоря будет проходить ток I а, который согласно (6.28) определяется только индуктивным сопротивлением Х сн машины. Следовательно, ток Í a реактивный: он отстает по фазе от напряжения Ú на угол 90° или опережает на тот же угол напряжение сети Ú c . При уменьшении тока возбуждения ток Í a изменяет свое направление: он опережает на 90° напряжение Ú (рис. 6.34, в ) и отстает на 90° от напряжения Ú c .Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I а, т. е. реактивная мощность машины Q. Активная составляющая тока I а в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р = 0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой создаются те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I а, т. е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины с током I в.п, при

котором реактивная составляющая тока I а равна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. В случае если ток возбуждения I в больше тока I в.п, при котором имеется режим полного возбуждения, то ток I а содержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. В случае если ток возбуждения I в меньше тока I в.п, то ток I а содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U , что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.

Перевозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна емкости. Машину, специально предназначенную для работы в таком режиме, называют синхронным компенсатором и используют для повышения коэффициента мощности электрических установок и стабилизации напряжения в электрических сетях. Недовозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна индуктивности.

Возникновение реактивной составляющей тока I а физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток сцепленный с каждой из фаз, ΣФ = Ф рез + Ф σ = Ф в + Ф а + Ф σ не зависит от тока возбуждения и при всœех условиях остается неизменным, так как

Ú = É 0 + É а + É σа = - Ú c = const.

Следовательно, в случае если ток возбуждения I в больше тока, требуемого для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока I а, которая создает размагничивающий поток реакции якоря Ф а; если ток I в меньше тока, крайне важно го для полного возбуждения, то возникает опережающая составляющая тока I а , которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Ф а . Во всœех случаях суммарный поток машины ΣФ автоматически поддерживается неизменным.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ - понятие и виды. Классификация и особенности категории "ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ" 2017, 2018.