Как нагрузить синхронный генератор подключенный на параллельную работу с сетью

Рис. 8.57. Графики для определения тока нагрузки при подключении к сети генераторов с последовательным и смешанным возбуждением

Генератор с последовательным возбуждением устойчиво работать параллельно с сетью не может, так как его напряжение U г увеличивается при возрастании тока нагрузки I н (рис. 8.57, а). Поэтому при случайном отклонении тока якоря от некоторого установившегося значения I н , при котором U г = U (точка А), машина сбрасывает нагрузку или переходит в режим работы, соответствующий большому току.

Внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением (рис. 8.57, б) имеет две точки пересечения с прямой U = const. Точка А соответствует неустойчивому режиму работы, а точка В — устойчивому. Однако и генератор со смешанным возбуждением для параллельной работы с сетью применяют редко, так как для него характерны броски тока при переходе из неустойчивого режима в устойчивый.

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 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:

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 фаз α _с = α _г (совпадение по фазе векторов Ú _c и Ú _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 _га 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, 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 Δ u = u _с — u _г , которое при f _с ≠ f _г изменяется с частотой Δ f = f _c — f _г, называемой частотой биений (рис. 6.32,б). В этом случае лампы мигают. При f _с ≈ f _г разность Δ и изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.

Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений Δ u на короткое время становится близкой нулю, т. е. в середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Ú _c и Ú _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 3,5 I _{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 «генератор — сеть» 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 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 É ₀ смещается относительно вектора Ú на некоторый угол θ в направлении вращения векторов (рис. 6.33, б). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС Δ Е, приводящая согласно (6.28) к появлению тока I _а. Возникающую небалансную ЭДС Δ É = É ₀ — Ú = É ₀ + Ú _c = j Í _a X _сн можно показать на векторной диаграмме (рис. 6.33, б). Вектор тока I _а отстает от вектора Δ Е 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.

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор É₀ будет отставать от вектора напряжения Ú на угол θ (рис. 6.33, в). При этом возникают небалансная ЭДС Δ É и ток Í_a , вектор которого отстает от вектора Δ É 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 двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

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

Регулирование реактивной мощности. Если в машине, 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 Δ É = — 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.Таким образом, 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 _аравна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения I _в больше тока I _в.п, при котором имеется режим полного возбуждения, то ток I _асодержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. 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 всех условиях остается неизменным, так как

Следовательно, 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, необходимого для полного возбуждения, то возникает опережающая составляющая тока I_а , которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Ф _а. Во всех случаях суммарный поток машины ΣФ автоматически поддерживается неизменным.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Включение на параллельную работу синхронных генераторов

В отличие от генераторов постоянного тока синхронные генераторы параллельно могут работать лишь при одинаковых угловых скоростях их роторов, т. е. при синхронном вращении. Выполнение операций по включению на параллельную работу синхронных генераторов называется синхронизацией.

На судах применяются три метода синхронизации синхронных генераторов: точная синхронизация, самосинхронизация и грубая синхронизация. Рассмотрим эти методы подробно.

Точная синхронизация. Для включения на параллельную работу двух синхронных генераторов или генератора с сетью методом точной синхронизации необходимы следующие условия:
1) равенство э. д. с. включаемого генератора и напряжения сети:
2) равенство частот генератора и сети;
3) нахождение в противофазе векторов э. д. с. генератора Ег и напряжения сети Uc в момент включения;
4) одинаковый порядок следования фаз генератора и сети.

Рис. 1. Внешние характеристики параллельно работающих генераторов постоянного тока.

Выполнение первого условия осуществляется регулированием тока возбуждения включаемого генератора и проверяется по вольтметру.

Неравенство э. д. с. генератора и напряжения сети вызывает появление разностной э. д. с., создающей в цепи статоров подключаемого и работающих генераторов ток, который ввиду индуктивного характера сопротивлений обмоток генераторов отстает от А£^ на 90°. Таким образом, ток является практически индуктивным для генератора с большей э. д. с. и, создавая размагничивающую реакцию статора, уменьшает его э. д. с. Для генераторов с меньшей э. д. с. этот ток является емкостным и, создавая намагничивающую реакцию статора, увеличивает их э. д. с. и напряжение Uc. Ток, вызванный разностью напряжений, называется уравнительным. Его реактивный характер является причиной того, что он не создает дополнительных нагрузок на первичные двигатели. Однако большие по величине уравнительные токи могут вызвать опасные динамические усилия в обмотках генераторов и их перегрев. Поэтому на практике не допускается разность напряжений, превышающая 6—8% номинального напряжения.

Выполнение второго и третьего условий синхронизации осуществляется регулированием угловой скорости первичного двигателя подключаемого генератора путем изменения подачи рабочего тела в двигатель.

Известно, что положение ротора синхронного генератора в каждый момент времени может быть определено вектором э. д. с. Если вектор э. д. с. работающего генератора Е2 полагать неподвижным, то вектор э. д. с. подключаемого генератора Ех будет вращаться вокруг него а угловой скоростью Асо. Угол смещения 0 векторов э. д. с.

Рис. 2. Векторные диаграммы точной синхронизации генераторов

Если при значительной разности частот все же включить генераторы на параллельную работу, то в их обмотках возникнет ток биения, который будет индуктивным относительно напряжения биения и практически активным по отношению э. д. с. генераторов. Изменяясь с изменением U^, ток биения будет создавать периодически меняющуюся активную нагрузку (биения) на подключаемый и работающие генераторы и их приводные двигатели. В результате этого подключаемый генератор в синхронизм не войдет, а работающие генераторы из синхронизма

выпадут. Потребители электроэнергии могут отключиться от ГРЩ из-за недопустимого провала напряжения. Поэтому уравнивание частот является одной из наиболее ответственных операций синхронизации и требует соответствующей квалификации и навыка обслуживающего персонала.

При синхронизации контроль разности частот осуществляется с помощью ламповых и стрелочных синхроноскопов. В настоящее время на судах наибольшее распространение получили стрелочные синхроноскопы, представляющие собой сельсин с трехфазной обмоткой на статоре и однофазной — на роторе. Через добавочные сопротивления ДС трехфазная обмотка присоединяется к подключаемому генератору, а однофазная — к работающему (к шинам ГРЩ ). Взаимодействие магнитных полей обмоток вызывает вращение ротора и стрелки сельсина с угловой скоростью, пропорциональной разности частот, причем вращение в направлении «Быстро» указывает на то, что частота подключаемого генератора выше частоты сети и требуется воздействие на серводвигатель с целью уменьшения подачи топлива (или пара) в первичный двигатель. При медленном вращении в момент подхода стрелки к нулевой отметке следует включить автомат А.

Выполнение четвертого условия синхронизации проверяется только после монтажа установки.

Точная синхронизация представляет собой сложный и длительный процесс, который в аварийных ситуациях может вызвать увеличение перерыва в подаче энергии потребителям.

Допущенные при включении на параллельную работу синхронных генераторов ошибки, как было показано выше, могут привести к тяжелым последствиям. Поэтому в настоящее время существует ряд схем, позволяющих автоматизировать процесс точной синхронизации.

Рис. 3. Схема включения стрелочного синхроноскопа.

Самосинхронизация. Способ самосинхронизации является более простым, исключает возможность несинхронных включений и требует меньше времени для осуществления. Он заключается в том, что невозбужденный синхронный генератор разгоняется первичным двигателем до угловой скорости, на 2—3% отличающейся от синхронной. При этом статор генератора подключается к сети, а обмотка возбуждения — к источнику постоянного тока (возбудителю). До подачи напряжения обмотка возбуждения замкнута на сопротивление во избежание перенапряжений, опасных для витко-вой изоляции.

Генератор втягивается в синхронизм под действием реактивного, асинхронного и синхронного моментов, возникающих в генераторе. Реактивный момент возникает в генераторах с явно-полюсным ротором, который увлекается вращающимся полем статора. Включенный в сеть невозбужденный синхронный генератор представляет собой асинхронную машину со скольжением, уменьшающимся под действием асинхронного момента. Если скорость вращения синхронизируемого генератора больше скорости работающих генераторов, то он оказывается в режиме асинхронного генератора и развивает момент, затормаживающий первичный двигатель до синхронной скорости генератора. Если угловая скорость синхронизируемого генератора меньше угловой скорости работающих генераторов, то он работает в режиме асинхронного двигателя и развивает вращающий момент, ускоряющий первичный двигатель до синхронной скорости. По мере уменьшения скольжения уменьшается и асинхронный момент. В этих условиях (если возбуждение уже включено) основным синхронизирующим моментом становится синхронный момент генератора.

Включение невозбужденного синхронного генератора происходит аналогично включению асинхронного короткозамкнутого двигателя и также сопровождается бросками тока статора, равными (5—7)/ном и значительными провалами напряжения в сети. Однако броски тока и провалы напряжения восстанавливаются в течение первой секунды и поэтому не нарушают синхронизации и не оказывают значительного вредного воздействия на работу электроэнергетической системы.

В настоящее время разработан ряд схем самосинхронизации, основанных на применении реле разности частот и обеспечивающих различную степень автоматизации процесса. Однако невозможность синхронизации генератора, работающего под нагрузкой, а также указанные выше недостатки ограничивают применение метода самосинхронизации.

Грубая синхронизация. Грубой синхронизацией называется включение синхронного генератора на параллельную работу без соблюдения условий точной синхронизации, т. е. допускается разность частот синхронизируемых генераторов до 3—4% и практически любое несовпадение фаз и различие напряжений. Поэтому такое включение всегда сопровождается «толчком тока и провалом напряжения. Чтобы уменьшить их, включение производят через реактор, который после синхронизации шунтируется или отключается.

Одна из схем грубой синхронизации представлена на рис. 4. После пуска первичного двигателя, достижения им номинальной скорости вращения и готовности к приему нагрузки замыкается контакт КР1 (или КР2) контактора реактора, включая синхронизируемый генератор на шины ГРЩ через реактор Р.

Рис. 4. Схема грубой синхрониза ции синхронных генераторов.

В зависимости от характера выполняемых операций все три вида синхронизации подразделяются на ручную, полуавтоматическую и автоматическую. При ручной синхронизации все операции по выполнению условий синхронизации и включению генератора на шины ГРЩ выполняются обслуживающим персоналом вручную. Полуавтоматическая синхронизация предусматривает такой процесс, в котором оператор подготавливает условия для включения генератора на параллельную работу, а элементы схемы (реле и др.) улавливают момент и производят включение генератора на шины. При автоматической синхронизации подгонка частоты, включение генератора и распределение нагрузки выполняется автоматически без непосредственного вмешательства оператора.

НАГРУЗКА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО ПАРАЛЛЕЛЬНО С СЕТЬЮ

Предположим, что мощность включаемого генератора настолько мала по сравнению с мощностью сети, что при любых изменениях режима работы генератора напряжение U_c и частота /_с сети остаются неизменными.

При включении сийхронизированного генератора на сеть ток в его якорной обмотке не возникает, так как ЭДС Е₀ генератора полностью уравновешивает напряжение U_c сети (рис. 6.23.1,о). Поэтому не возникает и дополнительной нагрузки на первичный двигатель. Его энергия расходуется только на покрытие потерь в генераторе.

Если генератор имеет такое возбуждение, при котором E₀-U_c, то реактивного тока в якоре не будет (см. рис. 6.23.1,а).

Если увеличить ток возбуждения генератора, то возрастает и его ЭДС Е’. В цепи якоря появится ток (рис. 6.23.1,6):

Рис. 6.23.1,6,в

Учитывая, что активное сопротивление фазы генератора незначительно, им можно пренебречь и выражение для тока можно записать так:

где X— полное индуктивное сопротивление фазы:

Этот ток является реактивным, и вектор его должен быть повернут относительно вектора АЕ’ на угол 90° в сторону отставания, т.е. возникает ток индуктивного характера (относительно вектора U_c).

При уменьшении возбуждения по сравнению с начальным уменьшается и ЭДС генератора до значения Е(рис. 6.23.1,в), и возникает реактивный ток емкостного характера. Появление его, как указывалось ранее, не создает электромагнитного момента, а следовательно, и не изменяет практически вращающего момента, развиваемого первичным двигателем. Поэтому генератор будет по- прежнему работать в режиме холостого хода. Действительно, мощность генератора выражается формулой Р = Ш Icos