Тема 3.4. Параллельная работа синхронных генераторов

Необходимость и целесообразность применения параллельной работы синхронных генераторов объясняется причинами, изложенными применительно к генераторам постоянного тока.

Совокупность операций по подготовке и включению синхронных генераторов (а также синхронных двигателей) на параллельную работу принято называть синхронизацией.

В практике различают три способа синхронизации синхронных машин: точную, грубую и самосинхронизацию. Точная синхронизация характеризуется тем, что в момент включения ток генератора имеет значение, близкое к нулю (то же самое обеспечивается при включении генераторов постоянного тока). При грубой синхронизации значение тока включения допускается примерно равным номинальному.

При самосинхронизации значение тока включения превышает номинальное в несколько раз (по существу, это разновидность грубой синхронизации). Любому способу синхронизации предшествует проверка правильности чередования фаз генераторов, разгон подключаемого генератора до номинальной (синхронной) частоты вращения и возбуждение его до номинального напряжения (при точной и грубой синхронизации).

При точной синхронизации производятся следующие операции:

1. уравнивание напряжения генератора U_г с напряжением сети U_c на шинах электростанции (т. е. с напряжением работающих генераторов) путем изменения тока возбуждения генератора с помощью регулятора возбуждения РВ;

2. уравнивание частоты генератора fг с частотой сети fс путем изменения подачи топлива приводного двигателя генератора с помощью регулятора топлива РТ;

3. уменьшение до минимума фазового угла между синусоидами напряжений генератора и сети путем изменения подачи топлива приводного двигателя генератора.

Идеальными условиями при этом является равенство напряжений и частот (U_г = U_c; f_г = f_с) при фазовом угле между напряжениями, равном нулю. В таком случае синусоида напряжения подключаемого генератора полностью совпадает с синусоидой напряжения сети, а разность между ними ∆U и ток включения генератора I₂ в любой момент времени будут равны нулю.

Однако в практике напряжения и частоты уравниваются с определенной погрешностью, которая зависит от систем регулирования напряжения и топливоподачи (т. е. частоты), а также от приборов, измеряющих напряжение и частоту. Некоторая разница между напряжениями при этом не оказывает особого влияния на значение тока включения генератора. Любое, даже относительно небольшое, различие между частотами связано с непрерывным изменением в пределах от 0 до 180° фазового угла между напряжениями. Если, например, включить генератор, когда фазовый угол между напряжениями равен 180°, т. е. напряжения находятся в противофазе, то под действием удвоенного фазового напряжения ток включения генератора будет равнозначен удвоенному току короткого замыкания, который примерно в 30 раз больше номинального. Это может привести к механическому повреждению генератора и его приводного двигателя.

На рис.3.11 представлены векторные диаграммы фазовых напряжений генератора U_г и сети U_с.

Рис. 3.11. Векторные диаграммы фазовых напряжение генератора и сети.

Угловая скорость вращения любой векторной диаграммы ω = 2πf. Если f_г ≠f_c) то ω_г ≠ω_c. Пусть ω_г >ω_c, тогда можно считать, что векторная диаграмма напряжений сети неподвижна, а векторная диаграмма напряжений генератора вращается относительно первой с угловой скоростью ∆ω= ω_г — ω_с. При этом фазовый угол δ между векторами напряжений U_г и U_c будет периодически изменяться от 0 до 180°, а разность напряжений ∆U— от нуля до двойного значения.

Включение генераторов на параллельную работу должно производиться при I = 0, δ = 0 и ∆U= 0. Эти условия определяются по вольтметру V₀ (см. рис.3.11), который включен на напряжение ∆U. Изменяя подачу топлива, т. е. частоту подключаемого генератора, надо добиться минимальной разности частот, при которой стрелка вольтметра будет медленно подходить к нулевой отметке. Вместо вольтметра V₀ можно использовать ламповый или стрелочный синхроноскоп. Следовательно, точная синхронизация синхронных машин связана с выполнением сложных операций. Ошибки при этом могут иметь тяжелые последствия. В связи с этим данный процесс выполняется опытными электромеханиками или автоматическими устройствами.

При грубой синхронизации после уравнивания напряжений и частот генератор подключается к сети без соблюдения условий I = 0, δ = 0, ∆U = 0. Включение может быть произведено при δ = 180°, ∆U = 2U и большом токе. Для того чтобы снизить этот ток до безопасного значения, последовательно с генератором включается реактивное сопротивление (реактор). Через несколько секунд после включения генератора реактор шунтируется и выключается из схемы.

При самосинхронизации ротор машины разгоняется до номинальной частоты вращения при закороченной обмотке возбуждения на активное сопротивление. Затем обмотка статора подключается к сети, обмотка возбуждения размыкается и подключается к источнику постоянного тока (возбудителю).

Следовательно, при самосинхронизации напряжение машины в момент включения равно нулю. Поэтому включение не сопровождается броском тока под действием напряжения сети. Машина при этом работает в асинхронном режиме. После подачи тока возбуждения магнитный поток ротора сцепляется с вращающимся полем обмотки статора. Машина из асинхронного режима работы переходит в синхронный, т. е. самосинхронизируется.

Точная синхронизация генераторов получила наибольшее распространение. Грубая синхронизация применяется значительно реже. Самосинхронизация широко применяется для синхронных двигателей при так называемом асинхронном пуске синхронных двигателей.

После точной синхронизации нагрузка генератора равна нулю. После грубой синхронизации или самосинхронизации генератор может оказаться под небольшой нагрузкой. Поэтому после любой синхронизации генератор необходимо загрузить номинальной или близкой к ней активной и реактивной нагрузкой при номинальном коэффициенте мощности, обычно равном 0,8. Это достигается переводом нагрузки с ранее работающих генераторов на подключенный генератор. Для перевода активной нагрузки увеличивают подачу топлива приводного двигателя подключенного генератора и уменьшают подачу топлива двигателям ранее работавших генераторов. Для перевода реактивной нагрузки увеличивают ток возбуждения подключенного генератора и уменьшают токи возбуждения других генераторов.

Таким образом, активная нагрузка генератора связывается с количеством топлива приводного двигателя генератора.