1.1.4 Автоматическое включение синхронных генераторов на параллельную работу

Для успешного включения генератора на параллельную работу с судовой сетью необходимо, чтобы толчок уравнительного тока в момент включения не превышал допустимого значения, а ротор включаемого генератора втянулся в синхронизм без длительных качаний. Для выполнения этих условий необходимо предварительно отрегулировать частоту вращения генератора так, чтобы она стала близкой к синхронной, а напряжение на его выводах (если генератор возбужден) сделать равным или близким напряжению на шинах ГРЩ и выбрать момент подачи команды на включение выключателя. Этот процесс уравнивания частоты вращения и напряжения и выбора момента включения генератора в сеть называется синхронизацией.

При включении способом точной синхронизации генератор разворачивается (разгоняется) до частоты, близкой к синхронной, и возбуждается. Затем вручную или с помощью автоматики уравниваются частоты и напряжения синхронизируемого генератора и сети. После этого подается команда на включение генератора в сеть. Для того чтобы толчок уравнительного тока в момент включения не превышал допустимого значения, а качания ротора генератора быстро затухли, необходимо очень точно уравнять частоты и напряжения генератора и сети и выбрать соответствующий момент для включения выключателя.

Устройства для автоматизации процесса синхронизации. При автоматической точной синхронизации весь процесс включения генератора в сеть специальными устройствами – автоматическими синхронизаторами, которые осуществляют регулирование частоты вращения и напряжения синхронизируемого генератора, контролируют допустимость для включения разности частот и напряжений, дают импульс на включение в момент, когда выполняются условия точной синхронизации. Синхронизатор должен пода­вать импульс на включение выключателя с некоторым опережением по вре­мени t_on. Время опережения должно равняться собственному времени сраба­тывания выключателя и других вспомогательных реле и контакторов, нахо­дящихся в схеме между синхронизатором и выключателем. Только в этом случае синхронизация будет происходить без толчков уравнительного тока.

Точная синхронизация разрешается при выполнении трех условий: δ = 0, f_г = f_с и U_г = U_с. Практически не требуется абсолютно точное выравнивание частот. Синхронизация допускается при разности частот f_s = 0,2 - 0,3 Гц или при скольжении ω_s= 1,2 - 1,9 рад/с.

Если синхронизация происходит с расчетным скольжением ω_sдon = const, то δ_оп ≡ t_on, где t_oп - время опережения; δ - угол опережения. Следовательно, для того чтобы контакты выключателя замыкались в момент, когда угол δ=0, автоматический синхронизатор может создавать опережение или по времени t_on, или по углу δ_оп.

Для определения момента включения генераторного АВ используют напряжение биения u_Б, которое получают как разность напряжения сети и напряжения подключаемого генератора (рис. 1.15)

где U_m = U_1m = U_2m - амплитудное значение напряжения сети и подключаемого генератора;

₁ и ₂ - частоты сети и подключаемого генератора.

Составляющую напряжения биения (рис. 1.16, а) называют огибающей напряжения биения. После выпрямления получают выпрямленное напряжение биения u_БВ (рис. 1.16, б), которое после сглаживания RC-фильтром имеет вид u_S (рис. 1.16, в).

Включение генератора в параллель на шины сети будет безударным, т.е. не приведет к возникновению уравнительных токов, если контакты АВ замкнутся в момент равенства нулю огибающей напряжения биения, т.е. u_S=0.

Учитывая инерционность АВ, сигнал на включение необходимо подать с опережением на собственное время включения АВ t_АВТ. По принципу реализации времени опережения различают АС с постоянным углом опережения и с постоянным временем опережения.

Наиболее просто реализуются АС с постоянным углом опережения. С этой целью напряжение u_S сравнивают с постоянным напряже­нием уставки U_У и в момент совпадения уменьшающегося u_S и U_У подают сигнал на включение АВ. Операцию сравнения реализуют, например, при помощи компаратора А1, на один вход которого подают напряжение u_S, а на другой - напряжение U_У (рис. 1.15).

АС с постоянным углом опережения имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что период огибающей напряжения биения u_S к моменту включения АВ может быть различным, поэтому одному и тому же углу u_S, соответствующему заданному U_У, будут соответствовать различные времена опережения (см. рис. 1.16). Из рис. 1.16 видно, что t_ОП1 <t_ОП2 <t_ОП3 .

Этот недостаток устраняется в АС с постоянным временем опе­режения, для чего с напряжением огибающей напряжения биения u_S суммируют производную этого напряжения u'_S. Производную напряжения u_S получают при помощи дифференцирующей цепочки С2, R3. С помощью резистора R2 получают сумму u_S+u'_S. Это напряжение подают на компаратор А2. Равенство нулю суммы напряжений u_S+u'_S определяет момент подачи сигнала на включение АВ (см. рис. 1.16). Как видно из рис. 1.16, в этом случае время опережения t_ОП не зависит от периода огибающей напряжения биения.

Устройство автоматической синхронизации типа УСГ. Указанное устройство предназначено для включения судовых синхронных генераторов на параллельную работу методом точной синхронизации. Оно нашло широкое применение на судах в составе системы управления типа «Ижора» в нескольких модификациях: УСГ-1, УСГ-2 (без автоматической подгонки частоты), УСГ- 1П (с автоматической подгонкой частоты) и др. Рассматриваемое устройство построено по принципу постоянного времени опережения и настраивается на уставку времени срабатывания 0,4-0,05 сек. Подгонка частоты производится путем воздействия на серводвигатель регулятора скорости генераторного агрегата. Устройство УСГ-1П выполнено на транзисторных бесконтактных элементах, выходные реле — контактные. Схема обеспечивает все необходимые условия синхронизации: равенство амплитудных значений напряжения, равенство частот и выбор момента включения генератора по углу сдвига фаз синхронизируемых напряжений.

Устройство состоит из десяти блоков (рис. 1.17). Функциональный блок 1 обеспечивает устройство напряжениями питания и всеми сигналами, необходимыми для работы других элементов схемы. Он выдает в схему напряжения, пропорциональные линейным напряжениям генераторов, напряжения биений и их производные. Величина напряжения и частота биений определяются соответственно разностью фаз и частот синхронизируемых напряжений в любой момент времени.

Элементы блока 2 контроля разности напряжений задают уставку по разности значений синхронизируемых напряжений и воздействуют на элементы блока 3 контроля разности частот, которые срабатывают при значениях напряжений генераторов и скольжения, соответствующих уставке.

Элементы блоков контроля разности частот 3 и времени опережения 5, воздействуя совместно на элементы блока запрета 4, вызывают срабатывание выходного блока 7-1.

Тем самым достигается включение генератора в узле напряжения биений, характеризующем собой момент совпадении я напряжений генератора и сети по фазе, при условии допустимых значений разности напряжений и частот генератора и сети.

Б локи 6-1 и 6-2 устройства предусматривают автоматическую подгонку частоты генераторов, осуществляемую путем воздействия на серводвигатели регуляторов скорости генераторных агрегатов с помощью блоков 7-2 и 7-3.

Принципиальная схема устройства приведена на рис. 1.18.

Рисунок 1.18 - Принципиальная схема устройства синхронизации типа УСГ-1П

Блок синхронизации генераторов типа БСГ. Блок входит в состав СУ СЭЭС типа "Ижора-М" и предназначен для включения СГ на парал­лельную работу методом точной синхронизации с предварительной автоматической подгонкой частоты подключаемого генератора к частоте работающего (рис. 1.19).

Рисунок 1.19 - Функциональная схема блока синхронизации БСГ

Блок выдает сигнал на включение автоматического выключателя при разно­сти напряжений генераторов ΔU < 0,12 U_ном (при ΔU = 0,12400 = 48 В допускаемое напряжение включения составляет не менее 352 В), разности частот Δf = 0,2 Гц…0,6 Гц (т.е. допускаемая частота составляет не менее 49,8…49,4 Гц) и угле сдвига фаз одноименных векторов напряжений генераторов φ < 10°). Элементной базой блока в основном являются микросхемы (логические элементы, генераторы импульсов, счетчики, дешифраторы, триггеры и др.).

Рассмотрим устройство блока и взаимодействие его отдельных узлов (рис. 1.19).

Напряжение работающего генератора G1 подается на трансформаторы ТV1 и ТVЗ, подключаемого G2 - на трансформатор ТV2. Пониженное трансформатором ТVЗ напряжение поступает на узел питания УП, с выхода которого стабилизированное напряжение +5 В и нестабилизированное + 27 В подается на остальные узлы схемы. С выходов трансформаторов ТV1 и ТV2 напряжения поступают на вход узла УСН сравнения напряжений и входы формирователей Ф1 и Ф2. При ΔU > 0,12 U_ном с выхода узла УСН на вход узла УС синхрониза­ции поступает запрет на синхронизацию в виде логического нуля. Формирователи Ф1 и Ф2 напряжения предназначены для получения импульсов на пряжений двух видов: длинных (продолжительность равна половине периода напряжения генератора), коротких (продол­жительность определяется параметрами схемы формирователя). Частоты импульсов обоих видов одинаковы и равны частоте работаю­щего (подключаемого) генератора. Импульсы первого вида поступают на вход узла УС, второго - на вход узла УПЧ подгонки частоты. Кварцевый генератор UZ вырабатывает импульсы стабильной частоты 100 кГц, поступающие на вход триггера DТ, работающего в режиме делителя частоты. С выхода триггера импульсы частотой 50 кГц поступают на входы узлов УС и УПЧ.

Узел УУ установки пред­назначен для приведения всех триггеров БСГ в необходимое исходное состояние при включении питания блока.

Узел подгонки частоты вырабатывает сигналы на увеличение или уменьшение частоты подключаемого генератора, а при достижении допустимой разности частот выдает сигнал "Δf в норме" в виде логиче­ской единицы, поступающей на вход узла УС.

Узел синхронизации выдает сигнал на включение АВ генератора при условии, что значения разности напряжений ΔU и частот Δf, а также угла φ сдвига фаз напря­жений генераторов находятся в установленных пределах.

Для повыше­ния надежности схемы синхронизации в ней используется два блока БСГ, выходы которых в виде замыкающих контактов электромагнитных реле включены по схеме совпадения И, т. е. последовательно. Поэтому включение генератора на шины возможно при условии, что оба блока одновременно выдадут одинаковые сигналы на включение генератора.