Параллельная работа синхронных генераторов. Включение генератора в сеть

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГEHEPATОPA С СЕТЬЮ

Цель работы – изучение методов включения синхронного генератора в сеть, нагружение его активной и реактивной мощностью, снятие U-образной характеристики.

Оборудование и приборы:

Трехфазный синхронный генератор СГР-4,5 , трехфазный асинхронный двигатель ВАО-52-4, комплект измерительных приборов К-50 , индукционный регулятор с выпрямителем, амперметр магнитоэлектрической системы на 10, ламповый синхроскоп ЛС, нулевой вольтметр электромагнитной системы с пределом измерения 250 В.

1. Включить синхронную машину на параллельную работу с сетью:

а) методом точной синхронизации (за помощью синхроноскопа);

б) методом грубой синхронизации.

2. Снять и построить U -образную характеристику генератора при Р 1 = 0.

3. По данным опыта рассчитать и построить зависимость cosj = f(і в) . Перевести синхронную машину в режим двигателя и осуществить регулирование активной и реактивной мощности при постоянном токе статора І 1 = const .

4. Снять характеристики І 1р = f(P 1), і в = f(P 1), cosj = f(P 1) .

Порядок выполнения работы

Условия включения синхронного генератора на параллельную работу.

При включении синхронного генератора на параллельную работу с сетью необходимо соблюдать следующие условия:

1) напряжение (ЭДС ) генератора должно быть равно по величине и быть противоположным по фазе напряжению сети U г = -U c ;

2) частота напряжения генератора должна равняться частоте напряжения сети f г = f с ;

3) порядок следования фаз у генератора и сети должен быть одинаковым.

Совокупность операций по выполнению этих условий, сделанных в режиме холостого хода синхронного генератора, называется синхронизацией.

Включение генератора на параллельную работу с сетью

2.1 По методу точной синхронизации. Точная синхронизация генератора с сетью наступает, когда при одинаковом порядке следования фаз частота и напряжение генератора равны частоте и напряжению сети, а векторы U г и U с встречны один другому, т.е. составляют между собой 180 электрических градусов.

Довговременно поддерживать такой режим в автономно работающем генераторе невозможно. Поэтому на практике домагаються лишь возможно более точного совпадения величин напряжений и приблизительного совпадения частот, при котором осуществляется плавное изменение угла между векторами напряжения генератора и напряжения сети. Уловив момент, когда U г и U с находятся в противофазе, делают включение генератора на сеть.

Для определения момента времени включения генератора на параллельную работу с сетью применяются разные автоматические устройства синхронизации. Наиболее простым является ламповый синхроноскоп.

Синхроноскоп, схема которого приведена на рис. 3.1, состоит из трех ламп, рассчитанных на кратковременную работу при удвоенном фазном напряжении сети; с его помощью можно включить СГ в сеть в момент времени, близкий к режиму точной синхронизации.

Для этого необходимо собрать схему по рис.3.1 (на одновременное погасание ). Основными узлами и элементами схемы являются: сеть, синхронный генератор G , приводной двигатель M , ламповый синхроноскоп ЛС и комплект измерительных приборов К-50 .

Сеть ~220 В

Рисунок 3.1 – Схема исследования паралельной работы синхронного генератора с сетью

Порядок выполнения работы

После сборки схемы (рис. 3.1) включают автомат АП3 и выполняют пуск асинхронного двигателя, который соединен с валом индуктора синхронного генератора. Частота вращения ротора асинхронного двигателя почти равна номинальной частоте вращения индуктора (в условиях лаборатории это примерно 1500 об/мин). Потом включают автомат АП2 и доводят ток возбуждения синхронного генератора до величины, при которой напряжение по показаниям вольтметра комплекта К-50 станет равным фазному значению напряжения сети. В результате при включенном автомате АП2 лампы синхроноскопа выявляются включенными между линейными проводами сети и генератора. Если порядок следования фаз сети и генератора одинаков, тогда лампы загораются одновременно и гаснут одновременно.

Если чередование фаз сети и генератора разное, то лампы загораются и погасают по очереди. В этом случае необходимо остановить генератор и поменять местами два каких-нибудь линейных провода, которые идут от зажимов генератора к комплекту К-50 (следовательно, к сети). Затем снова запускают генератор и проверяют соответствие очередности фаз генератора и сети.

Загорание и погасание ламп синхроноскопа осуществляется за счет изменения разбежности потенциалов между одноименными зажимами АП2 и генератора, обусловленного разбежностью частоты сети и генератора при несинхронной частоте вращения генератора. Включение генератора на параллельную работу с сетью с помощью автомата АП1 выполняется в момент погасания ламп. При этом частота погасания и загорания ламп должна быть такой, чтобы лампы загорались и потухали одновременно через 1-2 секунды, что достигается изменением частоты вращения приводного двигателя.

Недостатком этого метода является то, что лампы потухают при разнице напряжений на зажимах ламп 30% U н и при включении генератора в сеть возникает ударный ток. Для исключения ударного тока и установления момента полного погасания ламп, при котором требуется включить АП1 , можно установить по показанию вольтметра V , включенного параллельно одной из ламп. В момент времени, когда напряжение на лампе будет отсутствовать (вольтметр покажет ноль) синхронный генератор включают в сеть.

Критерием удачного включения генератора в сеть служит отсутствие броска тока, что наблюдается по амперметру К-50 . При неточном включении бросок тока может достигать большой величины.

После включения генератора он втягивается в синхронизм и работает синхронно с сетью.

Лампы синхроноскопа можно включить на "бегущий огонь" (вращающийся свет). Для этого присоединение ламп Л2 и Л3 к сети (генератору) изменяют так, как показано на рис. 3.1 штриховыми линиями. Лампы будут загораться и потухать в определенной последовательности. При размещении их по вершинах треугольника создается впечатление вращающегося света. Направление вращения света зависит от того, какая частота больше, – генератора или сети. Включение генератора в сеть выполняется в тот момент времени, когда лампа Л1 целиком гаснет, а две другие горят. Если при включении синхроноскопа на "бегущий свет" лампы одновременно гаснут и затем одновременно загораются – это значит, что порядок прохождения фаз генератора и сети не совпадает.

2.2. Метод самосинхронизации. Широко применяется метод самосинхронизации, названный также методом грубой синхронизации. Это стало возможным благодаря тому, что сети у нас достаточно большой мощности и включение одного генератора не влияет на работу других генераторов, которые параллельно работают на эту сеть с U = U 1н = const и f = f 1н = const .

Метод состоит в следующем. Синхронный генератор после проверки правильности чередования фаз генератора и сети приводят во вращение приблизительно с синхронной частотой вращения; обмотка возбуждения при этом замкнута накоротко. При достижении подсинхронной частоты вращения включают обмотку якоря в сеть с одновременной подачей тока возбуждения в обмотку возбуждения, поступательно увеличивая до значения, при котором генератор втягивается в синхронизм и работает параллельно с сетью в режиме холостого хода.

U-образные характеристики синхронного генератора

U -образные характеристики определяют зависимость тока статора от тока возбуждения і в при постоянной активной мощности генератора (рис. 3.2). В условиях лаборатории характеристику снимают при величине активной мощности генератора, равной нулю, т.е. в режиме холостого хода Р 1 = 0 . Для этого непосредственно после включения генератора на параллельную работу изменением тока возбуждения приводного двигателя и тока возбуждения СГ достигают режима, при котором показания амперметра в цепи генератора будут близкими к 0 , что соответствует режиму холостого хода генератора.

Затем, изменив і в генератора до величины, при которой ток І 1 в статоре станет равным номинальному или немного больше его, записывают первую точку U -образной характеристики. Постепенно увеличивая і в генератора, снимают 3-4 точки левой области кривой І 1 = f(і в) . Обязательно зафиксировать точку U -образной характеристики при минимальном токе статора генератора. Затем, увеличивая і в генератора, снимают точки правой части кривой І 1 = f(і в) .

0,5

Рисунок 3.2 – U-образная характеристика синхронного генератора

Опыт проводить при изменении тока возбуждения от 1 до 10 А.

Правая часть кривой соответствует перевозбужденной машине и отдаче в сеть емкостного тока и реактивной мощности, а левые части – недовозбужденной машине и отдаче в сеть индуктивного тока и потреблению реактивной мощности.

Показания приборов записывают в табл.3.1.

Таблица 3.1 U -образная характеристика синхронного генератора

при U 1 = ... = const, n = n н = const

Р 1 = 0	I 1 , A
i в, А

Контрольные вопросы

1. Какими методами можно включить СГ на параллельную работу с сетью? В чем состоит расхождение методов?

2. Как включить СГ в сеть по методу точной синхронизации?

3. Как включить СГ в сеть по методу самосинхронизации?

4. Какое назначение синхроноскопа?

5. Как проверяется совпадение чередования фаз генератора и сети?

6. Поясните последовательность операций при снятии U -образных характеристик на исследуемой машине при Р 1 = 0.

7. Как по U -образной характеристике рассчитать и построить зависимость cosj от тока возбуждения?

8. Какая фаза тока І 1 , соответствующего минимуму U -образной характеристики синхронного генератора?

9. Почему с увеличением активной мощности Р минимумы кривых смещаются вправо?

10. Какая фаза тока недовозбужденного и перевозбудженного генератора относительно напряжения сети?

11. Поясните – при перевозбуждении или при недовозбуждении СГ отдает реактивную мощность в сеть?

12. Что обозначает угол нагрузки q и от чего зависит его величина?

В отчете представить:

1. Цель работы, оборудование и приборы, содержание работы.

2. Электрическую схему опыта для проведения исследования.

3. Условия, которые требуется выполнить при включении генератора в сеть.

4. Таблицу измеряемых величин для построения U-образной характеристики.

5. График U-образной характеристики.

6. Письменные ответы на контрольные вопросы 1,2,3,4,5,6,7,8.

ЛабораторнаЯ рАбота 4

Похожая информация.

Как уже отмечалось, для включения генераторов постоянного тока на параллельную работу необходимо, чтобы напряжения на зажимах их были одинаковыми и чтобы полярность включаемого генератора соответствовала полярности сети. При этом напряжение подключаемого генератора устанавливают несколько выше напряжения работающих генераторов, чтобы сразу же после замыкания контактов выключателя генератор принял на себя часть нагрузки работающих машин. Затем по мере прогрева приводного двигателя подключаемого генератора напряжение на его зажимах увеличивают и одновременно уменьшают напряжение работающих машин так, чтобы напряжение на шинах осталось без изменения.

Процесс перераспределения нагрузки протекает следующим образом. Например, при увеличении тока возбуждения подключаемого генератора возрастает его напряжение, от чего увеличивается нагрузка и снижается частота вращения приводного двигателя. При этом начинает действовать регулятор частоты, увеличивая подачу топлива или пара (в зависимости от типа приводного двигателя), и восстанавливает частоту вращения агрегата при соответственно увеличенной его мощности.

При необходимости отключения одного из генераторов уменьшают его возбуждение и одновременно увеличивают возбуждение других машин так, чтобы напряжение на шинах оставалось постоянным. Эту операцию производят до тех пор, пока ток генератора не станет равным нулю.

Следует иметь в виду, что при чрезмерном уменьшении напряжения отключаемого генератора его ток может изменить направление и машина перейдет в двигательный режим, что может привести к аварии. Во избежание этого предусматривается установка реле обратного тока, отключающего генератор при изменении направления тока.

Условия параллельного включения СГ, по существу, те же, что и генераторов постоянного тока, но напряжения СГ изменяются по величине и по знаку. Поэтому у СГ имеется в виду совпадение мгновенных значений их напряжений, т. е. u1=u2, что определяет следующие условия включения СГ на параллельную работу.

Формы кривых напряжений u1 и u2 должны быть одинаковыми;

Действующие значения напряжений должны быть равны между собой;

Напряжения должны совпадать по фазе;

Частоты должны быть одинаковыми;

Порядок чередования фаз (для 3-фазных машин) должен быть одинаковым.

Выполнение первого условия обеспечивается конструкцией современных генераторов, последнего-при монтаже, а остальных- в зависимости от того, как производятся операции, связанные с включением генераторов на параллельную работу. Выполнение их контролируется вольтметрами, синхроноскопами и частотомерами.

При несоблюдении условий включения СГ на параллельную работу, например при неравенстве действующих значений напряжений, могут возникнуть большие уравнительные токи. При невыполнении третьего и четвертого условий возникают напряжения биения.

Представим напряжения U1 и U2 в виде двух векторов, один из которых неподвижен, а другой вращается относительно первого со скоростью, равной разности угловых скоростей 2pf1-2pf2.

Пусть в некоторый момент времени векторы U1 и U2 расположены так, как показано на рис. 120. Их геометрическая сумма определяет напряжение DU, под влиянием которого по цепи пойдет ток биений Iб, отстающий от напряжения DU по фазе на 90°. В отличие от уравнительного тока ток биения близок по фазе к напряжению U2 и находится в противофазе с напряжением U1. Таким образом, в рассматриваемый момент ток является активным и не только нагружает генераторы, но и влияет на работу приводных двигателей.

Напряжение биений возникает при несинхронной работе генераторов и зависит от величины рассогласования частот и от угла сдвига фаз между напряжениями. Максимального значения, равного 2Um, напряжение биения достигает при угле сдвига фаз, равном 180°.

Итак, невыполнение условий безаварийного включения генераторов на параллельную работу приводит к возникновению переходных процессов, которые сопровождаются толчками уравнительного тока между генераторами, и механического момента на валах приводных двигателей. Эти явления обычно сопровождаются значительными отклонениями напряжения судовой сети.

Все это может привести к тому, что не только включаемый генератор не войдет в синхронизм, но могут выпасть из синхронизма и другие параллельно работающие генераторы. Вот почему включение генератора на параллельную работу с другими, уже работающими, представляет собой весьма ответственную задачу, которая должна выполняться при строгом соблюдении всех условий, гарантирующих параллельную работу ГА судовой электростанции.

Процесс включения генераторов переменного тока на параллельную работу при выполнении указанных выше условий называется синхронизацией.

Синхронизация предусматривает выполнение следующих основных требований:

Уравнительный ток в первый момент включения должен быть возможно меньшим;

После включения генераторы должны оставаться в синхронизме;

Процесс синхронизации не должен вызывать отклонения параметров судовой сети выше допустимых.

Синхронные генераторы могут включаться на параллельную работу способами точной синхронизации, грубой синхронизации и самосинхронизации, причем эти способы включения осуществляются как вручную-оператором, так и автоматически.

Точная синхронизация . При точной синхронизации напряжение подключаемого СГ должно несколько превышать напряжение на шинах, а частота вращения СГ должна быть близкой номинальной. Для этого обычно на ГРЩ располагают кнопочные посты управления серводвигателями SB1 и SB2 (рис. 121), воздействующие на регуляторы частоты вращения приводных двигателей ПД. Включая серводвигатель Ml или М2 в ту или иную сторону, повышают или понижают частоту вращения подключаемого СГ до нужного значения. Затем, пользуясь синхроноскопом SS, улавливают момент близкого совпадения по фазе напряжения на шинах и напряжения подключаемого СГ и выключателем Q включают генератор на параллельную работу.

Наибольшее применение получили синхроноскопы 2-х типов: на лампах накаливания и сельсинах. В простейшем случае синхроноскоп может быть выполнен на одной лампе, включенный между одноименными фазами сети и включаемого генератора.

На практике чаще всего используется 3-х ламповая схема синхроноскопа, причем возможно 2 варианта ее выполнения. На погасание ламп и на « вращение огня». В первом случае лампы включены между одноименными фазами А-А, В-В, С-С. В этом случае на каждой лампе напряжение биения может изменяться с частотой равной разности f3=f1-f2, см. рис. 122. Причем момент погасания лампы свидетельствует о совпадении векторов напряжения U1 и U2, то есть все лампы будут гореть пульсирующим огнем.

Во втором случае используются схемы вращения огня, одна из ламп включена между одноименными фазами, например А-А, а две другие – между разноименными, см. рис. 123.

В результате схема дает эффект вращения огня, со скоростью – пропорциональной разности частот, при этом направление вращающегося огня зависит от того, отстает или опережает вектор напряжения включаемого генератора от вектора напряжения сети.

Здесь момент включения генераторного выключателя выбирается по двум факторам: возможно низкая скорость вращения огня, и момент погасания ламп включенными между одноименными фазами.

Второй тип синхроноскопа выполненный на сельсинах, представляет стрелочный прибор в котором вращается со скоростью равной частоте сети, и по ее положению определяется момент включения.

После подключения СГ постепенно, известным способом увеличивают его нагрузку, для чего воздействуют посредством кнопочных постов на регуляторы приводных двигателей: у подключаемого генератора в сторону увеличения частоты вращения, у работающего-в сторону снижения ее в таких пределах, чтобы частота сети оставалась неизменной.

При одинаковых генераторах и малом значении Хс (эквивалентное индуктивное сопротивление соединительной цепи) наибольшее значение уравнительного тока

При этом уравнительный ток равен ударному току короткого замыкания одного генератора.

Таким образом, включению СГ на параллельную работу способом точной синхронизации должны предшествовать замеры и сравнения следующих величин работающего и подключаемого генераторов: напряжения, частоты, угла сдвига d между векторами напряжения.

Подключение генератора к системе производится при выполнении следующих условий:

u1»u2, f1»f2, d=0.

На зажимах одноименных фаз двух несинхронно работающих генераторов возникает напряжение биения, огибающая которого показана на рис. 125. Эта кривая характеризуется периодом биения tб и максимальным значением напряжения Uбmах.

Подключение генератора на параллельную работу следовало бы производить в точке, где uб=0, так как при этом выполняются указанные выше условия. Однако, принимая во внимание определенную продолжительность срабатывания выключателя, оператор должен воздействовать на его цепь управления не в момент времени, соответствующий uб=o, а с некоторым опережением tоп, равным времени срабатывания аппарата tср. Сказанное выше обусловливает высокие требования в отношении точности выполнения операций по синхронизации генераторов.

Грубая синхронизация. Отличается от точной синхронизации тем, что генератор подключается на шины не прямо, а через реактивное сопротивление Хр, включенное в каждую фазу, которое после втягивания СГ в синхронизм отключается контакторами К1 и К2 (рис. 124). Введение сопротивления между генераторами ограничивает уравнительные токи даже при значительных сдвигах напряжения генераторов по фазе и потому не требует особой точности при выборе момента включения коммутационного аппарата.

Наибольшее значение уравнительного тока

где U-напряжение синхронизируемого генератора.

Реактор для синхронизации генераторов мощностью 50 - 1500 кВт имеет индуктивное сопротивление 1,3-1,8 (о е) при разности частот 2 Гц, массу обмотки 90 кг.

Правильный расчет и выбор реактора, а также установление допустимых пределов разности частот синхронизируемых генераторов обеспечивают втягивание в синхронизм генераторов в течение 1,5-3 с Максимальные всплески токов и провалы напряжения при этом не превышают допустимых значений Так как процесс грубой синхронизации проходит довольно быстро, реакторы рассчитываются на кратковременную работу.

Отсутствие необходимости в точном выборе момента включения генератора является существенным достоинством способа грубой синхронизации, а к его недостаткам следует отнести наличие специальных реакторов и коммутационных аппаратов

Самосинхронизация . При самосинхронизации частоту вращения подключаемою генератора доводят до значения, близкого к номинальному, и без возбуждения подсоединяют к шинам работающего генератора, затем подают возбуждение, и генератор втягивается в синхронизм

Так как ЭДС подключаемого генератора равна нулю, то максимальное значение уравнительною тока в момент замыкания контактов будет вдвое меньше возможного максимального тока при синхронизации возбужденных генераторов Однако уравнительный ток все же значителен и может вызвать большие кратковременные провалы напряжения в сети. Скачок тока при подключении генератора зависит от соотношения мощностей работающего и подключаемого генераторов. При включении СГ у параллельно работающего генератора, имеющего такую же мощность, напряжение может снизиться до 50 % номинального, а у генераторов, мощность которых представляет 25-30% мощности ЭС, -до 15-20 %. Генераторы различной мощности при самосинхронизации надежно втягиваются в синхронизм При этом начальный ток статора составляет (2-4,5) Iном, провалы напряжения-до 20- 40 %, время синхронизации-до 1-1,5 с при скольжении ±2-3%.

Способ самосинхронизации не может быть применен, когда оба генератора работают с нагрузкой и включение их на параллельную работу производится с целью перевода всей нагрузки на один генератор или для создания в системе вращающегося резерва мощности.

Самосинхронизация генераторов осуществляется крайне просто, так как при этом способе включения СГ не нужно улавливать моменты совпадения фаз ЭДС подключаемого и работающего генераторов. Тем не менее из-за возможных больших провалов напряжения этот способ синхронизации на судовых электростанциях применения не находит и может использоваться лишь в отдельных электрических установках, например в гребных электрических установках.

Автоматическая синхронизация . Включение СГ на параллельную работу способом точной синхронизации требует от обслуживающего персонала соответствующих знаний и навыков. При неправильном включении генератора судно может полностью или частично остаться без электроэнергии. При этом могут лишиться питания и механизмы, от которых зависит живучесть судна.

В настоящее время применяются устройства автоматической точной синхронизации генераторов, которые позволяют производить включение СГ на параллельную работу практически без скачков тока и провалов напряжения в судовой сети.

При этом необходимо соблюдение следующих уже известных нам условий:

Скольжение не превосходит допустимой величины;

Угол сдвига фаз между сравниваемыми напряжениями в момент замыкания контактов выключателя близок к нулю;

Разность амплитуд сравниваемых напряжений не превышает допустимой величины.

При полуавтоматической точной синхронизации подгонка частоты подключаемого генератора осуществляется вручную дистанционно с пульта управления специальным ключом, а включение автомата-от сигнала синхронизатора.

При ручной точной синхронизации операции по подгонке частоты и включение автомата производятся дистанционно вручную с контролем по синхроноскопу и частотомерам, установленным на пульте управления.

Для осуществления автоматической, полуавтоматической и ручной синхронизации на пульте управления кроме автоматического синхронизатора и синхроноскопа установлены ключи синхронизации. Эти ключи представляют собой универсальные пакетные переключатели на два рабочих положения: «Автоматическая синхронизация» и «Ручная синхронизация», и нулевое положение, когда все цепи разомкнуты.

Включение синхронных генераторов на параллельную работу

Включение синхронных машин в сеть на параллельную работу производят - способом точной синхронизации и способом грубой синхронизации, который для генераторов обычно называют способом самосинхронизации. Иногда для синхронных машин применяют также частотный пуск, а для генераторов и несинхронное включение

Способ точной синхронизации . Этот способ используют при включении в сеть синхронных генераторов. Он состоит в том, что генератор сначала разворачивают турбиной до частоты вращения, близкой к синхронной, а затем возбуждают и при определенных условиях включают в сеть. Условиями, необходимыми для включения машины, являются:

1) равенство напряжений включаемого генератора и работающего генератора или сети;

2) совпадение фаз этих напряжений;

3) равенство частот включаемого генератора и работающего генератора или сети.

Первое условие обеспечивается путем регулирования тока возбуждения машины, а для выполнения второго и третьего условий необходимо изменение вращающего момента на ее валу, что достигается изменением количества пара или воды, пропускаемых через турбину.

Выполнение условий точной синхронизации может быть осуществлено вручную или автоматически. При ручной синхронизации все операции по регулированию возбуждения и подгонке частоты выполняет дежурный персонал, а при автоматической синхронизации - автоматические устройства. Применяется также ручная синхронизация с автоматическим контролем синхронизма, который запрещает включение выключателя синхронизируемой машины при несоблюдении условий синхронизации. При точной ручной синхронизации напряжения и частоты контролируют по установленным на щите управления двум вольтметрам и двум частотомерам, а сдвиг по фазе напряжений - по синхроноскопу; последний позволяет не только уловить момент совпадения фаз напряжений, но также определить, вращается ли включаемый генератор быстрее или медленнее, чем работающие. Указанные приборы объединяют в так называемую «колонку синхронизации». Вольтметр и частотомер, относящиеся к синхронизируемому генератору, подключают к его трансформатору напряжения, а вольтметр и частотомер, относящиеся к работающим генераторам (или сети), обычно подключают к трансформатору напряжения сборных шин станции. Синхроноскоп подключают одновременно к обоим трансформаторам напряжения.

При соблюдении всех вышеуказанных условий разность напряжений генератора и сети равна нулю, поэтому уравнительного тока между включенным и другими генераторами не возникает. Точной ручной синхронизации свойственны следующие недостатки:

1) сложность процесса включения из-за необходимости подгонки напряжения по модулю и фазе, а также частоты генератора;

2) большая длительность включения - от нескольких минут в нормальном режиме до нескольких десятков минут при авариях в системе, сопровождающихся изменением частоты и напряжения, когда особенно важно обеспечить быстрое включение генератора в сеть;

3) возможность механических повреждений генератора и первичного двигателя при включении агрегата с большим углом опережения.

Способ самосинхронизации . Он исключает необходимость точной подгонки частоты и фазы напряжения включаемой синхронной машины. Последнюю разворачивают до частоты вращения, незначительно отличающейся от синхронной (с точностью до нескольких процентов), и невозбуждённой включают в сеть. При этом обмотку возбуждения замыкают на разрядный резистор, используемый при гашении поля, либо на специально предусмотренный для этой цели резистор, либо на якорь возбудителя, чтобы избежать появления в обмотке возбуждения напряжений, опасных для ее изоляции. После включения генератора в сеть подаётся импульс на включение АГП и машина возбуждается.

В момент включения невозбуждённой синхронной машины в сеть имеет место бросок тока статора и снижение напряжения в сети. Однако ток и соответствующая электродинамическая сила (она пропорциональна квадрату тока) меньше, чем при КЗ на выводах генератора. Это объясняется тем, что ток статора в момент включения определяется только напряжением сети U c (так как генератор не возбуждён и его ЭДС равна нулю), которое меньше ЭДС нормального режима, и суммарными сопротивлениями Х" dΣ и X qΣ “ , кторые больше соответствующих сопротивлений генератора X" d и X" q за счет сопротивлений сети. Кроме того, при самосинхронизации затухание свободных периодических составляющих тока происходит быстрее, чем при КЗ, так как в первом случае ротор замкнут на разрядный резистор. Поэтому даже ошибочное включение машины в сеть с большим скольжением, когда продолжительность действия повышенных токов достаточно велика, не представляет опасности.

Испытания показали, что обмотка статора в механическом отношении не реагирует на первый пик тока включения; деформация достигает наибольшего значения только спустя несколько периодов после включения. Учитывая также быстрое затухание свободной сверхпереходной составляющей тока статора, можно при оценке допустимости самосинхронизации начальное значение периодической составляющей тока I п0 и напряжение U на выводах генератора определять по переходному сопротивлению:

Электродинамические силы, воздействующие при самосинхронизации на обмотку статора неявнополюсных машин, больше, чем явнополюсных, так как неявнополюсные машины имеют относительно большие полюсные деле ния, большие вылеты лобовых соединений обмотки статора и меньшие индуктивные сопротивления (определяющие начальное значение тока включения), чем явнополюсные машины.

Магнитный поток, создаваемый током статора, наводит в роторе ток, вследствие чего в машине возникает соответствующий магнитный поток ротора. Взаимодействие указанных магнитных потоков приводит к создан электромагнитного вращающего момента. Наибольшую опасность для машины представляет знакопеременный вращащий момент, возникающий в первые периоды времени после включения возбужденной машины в сеть. Наибольшее значение этого момента равно:

т. е. оно тем меньше, чем больше противление сети Х с и чем меньше разница между Х ” dΣ и Х ” qΣ . Поэтому турбогенераторы с массивным ротором и явнополюсные машины с демпферными обмотками по обеим осям на роторе подвергаются меньшему воздействию знакопеременных моментов вращения, чем явнополюсные машины без демпферных обмоток. В общем случае Х с ≠0, поэтому в момент включения невозбуждённой синхронной машины в сеть она подвергается меньшему воздействию вращающих моментов, чем при трёхфазном КЗ, в то время как в случае ошибочного включения возбужденной машины в сеть вращающие моменты могут в несколько раз превышать моменты при трёхфазном КЗ.

Моменты, возникающие в машине при самосинхронизации, с одной стороны воспринимаются конструктивными элементами, которые крепят активную сталь к корпусу и корпус статора к фундаменту, а с другой - передаются на вал первичного двигателя. Момент, воспринимаемый первичным двигателем, приближенно равен отношению его момента инерции к моменту инерции всего агрегата. Это отношение у гидрогенераторов меньше, чем у турбогенераторов, и составляет 0,05 - 0,1.

В установившемся асинхронном режиме при постоянном скольжении машины момент состоит из знакопеременных составляющих, изменяющихся с двойной частотой скольжения, и постоянных составляющих. Знакопеременные составляющие момента оказывают влияние на вхождение машины в синхронизм только при малых скольжениях (s≤1,0 %), а при больших скольжениях работа, обусловленная этими составляющими, практически равна нулю. При синхронной частоте вращения (s=0) эти составляющие превращаются в реактивную составляющую вращающего момента, обусловленную явнополюсностью машины (X dΣ ≠X qΣ ):

где δ 0 - фаза включения.

Постоянная составляющая момента определяет средний асинхронный вращающий момент

который оказывает основное влияние на процесс вхождения генератора в синхронизм; при синхронной частоте вращения этот момент становится равным нулю. Чем больше средний асинхронный вращающий момент, тем легче машина, включаемая в сеть с некоторым скольжением, приближается к синхронной частоте вращения. Далее за счет реактивного момента и синхронного момента, обусловленного возбуждением,

где δ - угол между векторами E q и U с , машина втягивается в синхронизм.

Наибольший асинхронный момент воздействует на турбогенераторы, имеющие массивный ротор, а наименьший - на гидрогенераторы без демпферных обмоток. Турбогенераторы даже при включении с большими скольжениями (15 - 20%) входят в синхронизм за 2 - 3 с.

Преимуществами метода самосинхронизации являются:

значительное упрощение операции включения, которое позволяет применить несложную систему автоматизации процесса;

быстрое включение машины в сеть, что особенно важно при аварии в системе;

возможность включения машин во время глубоких снижений напряжения и частоты сети, имеющих место при авариях в системе; отсутствие опасности повреждения машины.

Понижение напряжения, возникающее при включении невозбуждённой машины в сеть, может быть значительным, если мощность включаемой машины соизмерима с мощностью системы или превосходит ее. Тем не менее, этот факт не может служить препятствием для включения машин методом само синхронизации, так как напряжение быстро восстанавливается (примерно через 1-2 с).

В настоящее время для машин мощностью до 3000 кВт включительно самосинхронизация является основным способом включения на параллельную работу. Возможность использования этого способа для включения машин мощностью более 3000 кВт ограничена допускаемым значением электродинамических сил в обмотке статора.

Включение машин с косвенным охлаждением методом самосинхронизации рекомендуется в тех случаях, когда переходная составляющая тока статора в момент включения не превосходит 3,5-кратного значения номинального тока статора. Этому условию удовлетворяют практически все гидрогенераторы и турбогенераторы с косвенным охлаждением, работающие по схеме блока с повышающими трансформаторами.

Включение методом самосинхронизации генераторов с непосредственным охлаждением обмоток допускается только в аварийных условиях. При работе нескольких генераторов на шины генераторного напряжения способ самосинхронизации не всегда применим; он допускается только в тех случаях, когда выполняется требование: I п0 ≤ 3,5I ном .

В аварийных случаях методом самосинхронизации допускается включать все машины независимо от кратности тока включения и способа их охлаждения.

К атегория:

Передвижные электростанции

Параллельная работа синхронных генераторов

Параллельным называется такое присоединение генераторов, при котором их обмотки подключены к общим шинам одноименными зажимами.

Параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты, и поэтому генераторы с одинаковым числом пар полюсов должны вращаться со строго одинаковой скоростью. При параллельной работе нескольких генераторов с разным числом пар полюсов скорости их вращения должны быть обратно пропорциональны числам пар полюсов, а частота тока, вырабатываемого генераторами, - одинаковой.

Включение синхронных генераторов на параллельную работу чаще всего бывает вызвано необходимостью создания мощных источников питания для обеспечения надежного и бесперебойного снабжения потребителей электрической энергией. Вместе с тем параллельная работа нескольких генераторов на общую сеть позволяет полнее использовать их мощность, а также создает возможность вывода в ремонт любого из работающих генераторов.

Рис. 1. Кривые зависимости тока возбуждения от нагрузки синхронного генератора

Схема подключения синхронного генератора к электрической сети на параллельную работу с другими генераторами показана на рис. 2.

Рассмотрим кратко условия и процесс подключения синхронного генератора к сети на параллельную работу.

Включая генератор для параллельной работы с другими генераторами, необходимо принять меры, исключающие возможность возникновения больших толчков тока и ударных электромагнитных сил, способных вызвать повреждение генератора или нарушение работы электрической сети, в которую включается генератор.

Рис. 2. Схема подключения синхронного генератора к сети на параллельную работу: а - векторная диаграмма напряжений, б - схема включения ламп синхроноскопа «на погасание», в - схема включения ламп синхроноскопа «на вращение света», г - кривые напряжений сети и генератора при синхронизации

Для возможности параллельной работы необходимо равенство напряжений включаемого генератора UT и сети Uc или уже работающего генератора UT.р; напряжения UT и Uc должны быть в фазе. Равенство напряжений генератора и сети достигается регулированием скорости вращения включаемого генератора путем воздействия на регулятор скорости первичного двигателя или изменения величины тока возбуждения генератора.

Частота включаемого генератора должна быть равна частоте сети. Чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково.

Кроме того, необходимо, чтобы проверяемые вольтметровым переключателем ВП напряжения генератора и сети, взятые между любыми двумя проводами, были равны по величине и противоположны по фазе. Противоположность фаз напряжений генератора и сети между всеми тремя парами проводов возможна только при одинаковом порядке чередования фаз сети и генератора.

При точном соблюдении указанных условий векторы напряжений (рис. 2, а) генератора и сети совпадут, разности напряжений будут равны нулю и не будет толчков тойа при включении генератора в сеть.

Несоблюдение условий синхронизации может привести к возникновению между генератором и сетью крайне нежелательных и, при известных условиях, опасных для обмоток генератора уравнительных токов.

Для синхронизации генераторов применяют специальные приборы-синхроноскопы, наиболее простыми из которых являются ламповые. Лампы синхроноскопа могут быть подключены по схеме «на погасание» или на «вращение света».

Синхронизируя генератор с сетью по схемам, показанным на рис. 2, бив, включают параллельно одной из ламп нулевой вольтметр, конструкция которого характерна тем, что начальные деления его шкалы более удалены друг от друга («растянуты»), чем остальные, чтобы даже при малой разности напряжений отклонения стрелки прибора были значительными. Генератор подключают к сети тогда, когда стрелка вольтметра стоит на нуле шкалы прибора *. Если до начала синхронизации лампы схемы будут загораться и гаснуть, это укажет на неодинаковую последовательность чередования фаз генератора и сети. В таком случае, чтобы при синхронизации генераторов добиться правильной работы схемы, следует поменять местами любые два провода, идущие к рубильнику от сети или от генератора.

При рассмотрении способов и схем синхронизации целесообразно кратко ознакомиться с процессом наступления момента синхронизации. Для такого ознакомления удобнее всего воспользоваться приведенным на рис. 2, г. графиком напряжений сети и генератора. В процессе синхронизации из-за некоторого несовпадения частот эти напряжения периодически оказываются близкими то к положению совпадения фаз, то к положению противоположности фаз. Фазы совпадают, когда напряжения действуют согласно, и противоположны, когда напряжения действуют встречно. Это приводит к тому, что все лампы схемы, приведенной на рис. 2, б, периодически то ярко светятся, то гаснут, а одна из ламп схемы, показанной на рис. 2, в, гаснет в то время, как остальные две лампы этой схемы светятся ярко. Таким образом, с помощью ламп, включенных по схеме, приведенной на рис. 2, б или в, определяют с необходимой точностью момент совпадения частот генератора и сети по фазе, равенство частот и порядок чередования фаз.

Для включения синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия:

1. Напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению сети или работающей машины.
2. Частота подключаемого генератора должна быть равна частоте сети.
3. Напряжения всех фаз подключаемой машины должны быть противоположны по фазе напряжениям соответствующих фаз сети или работающей машины.
4. Для подключения на параллельную работу трехфазного синхронного генератора необходимо также обеспечить одинаковое чередование фаз подключаемой машины и сети.

Подготовку к включению на параллельную работу синхронного генератора ведут следующим образом. Приводят во вращение первичный двигатель и регулируют его скорость вращения так, чтобы она была примерно равна номинальной. Затем возбуждают генератор и, следя за показаниями вольтметра, под-

ключенного к зажимам статора, регулируют напряжение машины при помощи реостата в цепи возбуждения до тех пор, пока оно не станет равным напряжению сети. Воздействуя на регулятор первичного двигателя и наблюдая за показаниями частотомера, устанавливают более точно скорость машины так, чтобы частота генератора была равна частоте сети. Тем самым первое и второе условия для включения на параллельную работу будут выполнены.

Для выполнения третьего условия, а также для установления полного равенства частот служат фазные лампы. Фазные лампы для машин однофазного тока включаются по двум схемам: на потухание (фиг. 255, а) и на горение (фиг. 255, б). При совпадении фаз сети и машины лампы, включенные по схеме а, погаснут, а по схеме б будут гореть полным накалом. В этот момент и нужно включить рубильник генератора.

Для машин трехфазного тока фазные лампы включаются также по двум схемам: на потухание (фиг. 256, а) и на вращение света (фиг. 256, б). Лампы, включенные по схеме а, при одинаковом чередовании фаз сети и машины будут сначала быстро и одновременно мигать, затем мигание их становится все реже и реже и, когда лампы медленно погаснут, нужно включить рубильник генератора.

Для более точного определения момента включения рубильника часто ставят так называемый нулевой вольтметр, имеющий двустороннюю шкалу.

При одинаковом чередовании фаз сети и машины лампы, включенные по схеме б, будут мигать поочередно, и если их расположить по кругу, то получится впечатление вращающегося света. Скорость вращения света зависит от разности частот. Генератор нужно включить в момент, когда лампы, включенные накрест, загорятся полным накалом, а третья лампа погаснет. Иначе говоря, рубильник удобнее включить в момент, когда меняется направление вращения света.

При неодинаковом порядке чередования фаз лампы, включенные по схеме а, дадут вращение света, а по схеме б будут одновременно загораться и потухать. Для изменения порядка чередования фаз машины два любых ее провода, подходящие к рубильнику, нужно поменять местами.

Включение фазных ламп высоковольтных генераторов осуществляется через измерительные трансформаторы напряжения (гл. четырнадцатая, 171).

Таким образом, с помощью фазных ламп мы можем определить противоположность фаз, установить равенство частот и порядок чередования фаз сети и подключаемой машины. Чередование фаз машины можно также определить, пользуясь особым прибором - фазоуказателем, представляющим собой небольшой асинхронный двигатель-Направление вращения диска фазоуказателя показывает порядок чередования фаз.

Когда синхронный генератор работает параллельно с сетью, скорость вращения его остается постоянной, равной синхронной.

Процесс подготовки генератора для включения его на параллельную работу называется синхронизацией.

В последние годы получил распространение метод включения синхронных генераторов на параллельную работу, называемый самосинхронизацией. Сущность этого метода заключается в следующем. Первичным двигателем разворачивают генератор и устанавливают приблизительно синхронную скорость. Замыкают обмотку возбуждения на дополнительное

сопротивление, равное 3-5-кратному значению ее сопро тивления. Включают рубильник, соединяющий генератор с сетью. Переключают обмотку возбуждения с дополнительного сопротивления к питающему ее источнику постоянного напряжения. После этого генератор сам входит в синхронизм.

Проделаем следующий опыт. В цепь статора синхронного генератора включим амперметр, ваттметр и фазометр. В цепь возбуждения генератора включим амперметр. Включим гене-

Ратор на параллельную работу и дадим ему некоторую активную нагрузку. Увеличивая ток возбуждения при помощи реостата в цепи возбуждения, будем наблюдать показания приборов. Оказывается, что активная мощность, отдаваемая генератором в сеть, остается практически постоянной и во время опыта ваттметр будет давать неизменные показания. При неизменной активной нагрузке ток в цепи статора при некотором значении тока возбуждения получается минимальным. Это соответствует чисто активному току нагрузки генератора ( =1). Если к генератору подключить различные активные нагрузки, то каждому значению активной нагрузки будет соответствовать определенный ток возбуждения, при котором =1. При увеличении тока возбуждения сверх этого значения возникает отстающий реактивный ток. Фазометр будет показывать уменьшение и генератор будет отдавать в сеть отстающую реактивную мощность. Наоборот, если уменьшать ток возбуждения и сделать его меньшим указанного значения, то появится опережающий реактивный ток. Фазометр снова покажет уменьшение , и генератор будет для создания своего вращающегося поля потреблять из сети отстающую реактивную мощность.

Зависимость тока статора (якоря) синхронного генератора от тока возбуждения при постоянной активной мощности называется U-образной характеристикой машины, получившей свое название за внешний вид кривой, напоминающей букву U. На фиг. 257 показана U-образная характеристика синхронного генератора.