Лекции / Лекция 23 Параллельная работа синхронных машин

Параллельная работа синхронных машин

Включение синхронных генераторов на параллельную рабо-

ту с сетью. На каждой электрической станции обычно бывает установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. В современных энергосистемах на общую сеть, кроме того, работает целый ряд электростанций, и поэтому параллельно на общую сеть работает большое число синхронных генераторов. Благодаря этому достигается большая надежность энергоснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера и другие выгоды.

Всепараллельноработающиегенераторы должны отдавать в сеть токодинаковойчастоты. Поэтомуонидолжны вращатьсястрогов такт или, какговорят, синхронно, т. е. их скоростивращения n1,n2, n3 должны быть в точностиобратнопропорциональны числам пар полюсов:

В частности, скорости вращения генераторов с одинаковыми числами полюсов должны быть в точности одинаковыми.

Условия синхронизации генераторов. При включении генера-

торов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы.

Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на холостом ходу перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора.

Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих требований:

1)напряжение включаемого генератора Uг должно быть равно напряжению сети Uс или уже работающего генератора;

2)частота генератора fг должна равняться частоте сети fс;

3)чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;

4) напряжения Uг и Uс должны быть в фазе.

При указанных условиях векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью (рис. 7.1), разности напряжений между контактами выключателя при включении генератора равны нулю и поэтому при включении не возникает никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения генератора. Правильность чередования фаз необходимо проверять только при первом включении генератора после монтажа

или сборки схемы. Совпадение напряже-

ний по фазе контролируется с помощью напряжений сети Uc и ламп, нулевых вольтметров или специ- генератора Uг при идеальных альных синхроноскопов, а в автоматических синхронизаторах с помощью специальных измерительных элементов.

Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию. Действительно, если, например, напряжения Uг и Uс будут в момент

включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении. Если генератор включается в сеть мощной энергетической системы, то сопротивление этой сети по сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превысить ток при обычном коротком замыкании в два раза. Ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре раза.

Зарегистрировано немало случаев, когда неправильная синхронизация вызывала серьезные повреждения оборудования (повреждение обмоток, поломка крепежных деталей сердечников и полюсов, поломка вала, разрушение всего генератора).

Синхронизация с помощью лампового cинхроноскопа может осуществляться по схеме на погасание или на вращение света. Схема синхронизации на погасание света представлена на рис. 7.2, а, где слева изображен генератор Г1, уже работающий на шины станции и сеть, а справа – включаемый на параллельную работу генератор Г2 с вольтметром V, вольтметровым переключателем П и с ламповым синхроно-

Рис. 7.2. Схема синхронизации генератора с помощью ламповых синхроноскопов с включением на погасание (а) и вращение (б) света

скопом C , каждая из ламп 1, 2, 3 которого включена между контактами одной и той же фазы или полюса выключателя B2 . При соблюдении приведенных выше условий напряжения на всех лампах одновременно равны нулю и лампы не светятся, что и указывает на возможность

частотой. Частота fг fс соответствует частоте пульсаций напряже-

ния (штриховые кривые на рис. 7.3, 6). Путем регулирования частоты генератора необходимо добиться того, чтобы частота загорания и погасания ламп была минимальна (период 3 – 5 сек).

Прималой частоте лампы погасаютраньше, чем напряжение достигнет нуля, изагораются также при U > 0. Поэтому при схемерис. 5.2, трудно выбрать правильныймоментвключения.

В этом отношении лучшей является схема рис. 7.2, б, в которой лампа 1 включена так же, как на схеме рис. 7.2, а, а лампы 2 и 3 – между различными фазами генератора и сети. Поэтому в данном случае при соблюдении перечисленных выше условий и равенства лампа 1 не светится, а лампы 2 и 3 находятся под линейным напряжением и светятся с одинаковой яркостью, что и является критерием правильности момента включения. При fг fс 0 лампы 1, 2 и 3 (рис. 7.2, б) загораются и погасают поочередно, и создается впечатление вращающегося света, причем при fг fс вращение происходит в одну сторону, а при

fг fс – в другую.

Отметим, что если при осуществлении схемы рис. 5.2, а вместо одновременного погасания и загорания всех трех ламп получится вращение света, а при схеме рис. 7.2, б – одновременное погасание и загорание ламп, то это будет указывать на неправильность чередования фаз генератора и сети. При этом необходимо поменять местами начала двух фаз обмотки статора генератора.

Для более точного выбора момента включения параллельно одной из ламп рис. 7.2, а включают вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля (нулевой вольтметр).

Другие методы синхронизации. Синхронизация с помощью ламп и нулевого вольтметра применяется только для генераторов малой мощности. Для мощных генераторов пользуются электромагнитным синхроноскопом, к которому подаются напряжения генератора и сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося магнитного

поля, и при fг fс , его стрелка вращается с частотой fг fс в ту или

иную сторону в зависимости от того, какая частота больше. При правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обращена вертикально вверх.

При высоком напряжении приборы синхронизации включаются через трансформаторы напряжения. При этом необходимо позаботиться о том, чтобы фазировка (чередование фаз) этих трансформаторов была правильной.

Синхронизация генераторов является весьма ответственной операцией и требует от эксплуатационного персонала большого внимания. В особенности это важно в случае различных аварий, когда персонал работает в напряженной обстановке. В то же время именно при авариях необходима максимальная оперативность в производстве различных переключений и в синхронизации резервных или отключившихся во время аварий генераторов. Опыт показывает, что наибольшее

количество ошибочных действий персонала падает как раз на период аварий.

Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы пользуются автоматическими син-

добные автоматические синхронизаторы также обладают недостатками (сложность, необходимость непрерывного и квалифицированного обслуживания и т. д.). К тому же во время аварий напряжение и частота в системе нередко беспрерывно и быстро меняются и поэтому процесс синхронизации с помощью автоматических синхронизаторов сильно затягивается (до 5 – 10 минут и даже более), что с точки зрения ликвидации аварии крайне нежелательно. Вследствие сказанного в последние годы широко внедрен метод грубой синхронизации, или самосинхронизации.

Сущность метода самосинхронизации заключается в том, что генератор включается в сеть в невозбужденном состоянии (Uг =0) при

скорости вращения, близкой к синхронной (допускается отклонение до 2%). При этом отпадает необходимость в точном выравнивании частот, величины и фазы напряжений, благодаря чему процесс синхронизации предельно упрощается и возможность ошибочных действий исключается. После включения невозбужденного генератора в сеть, немедленно включается ток возбуждения и генератор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синхронной и становится fг fс .

При самосинхронизации неизбежно возникновение значительного толчка тока, так как включение невозбужденного генератора в сеть с напряжением Uс эквивалентно внезапному короткому замыканию

этого генератора при работе на холостом ходу с E Uс . Однако толчок

тока при самосинхронизации будет все же меньше, так как, кроме сопротивления генератора, в цепи будут действовать также сопротивления элементов сети (повышающие трансформаторы, линия и т. д.). Кроме того, включение генератора производится при включенном сопротивлении гашения поля, что также снижает величину ударного тока и способствует быстрому затуханию переходных токов.

По действующим в России правилам метод самосинхронизации можно применять в случаях, когда толчок тока не будет превышать 3,5 Iн . В большинстве случаев это условие выполняется. На рис. 7.4 пред-

ставлены кривые, относящиеся к включению в сеть методом самосинхронизации турбогенератора мощностью100мВт.

Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин. Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной скорости вращения называется синхронным.

Рассмотрим особенности этого режима подробнее, причем предположим для простоты, что сеть, к которой приключена рассматриваемая машина, является бесконечно мощной, т. е. в ней U const и f const . Практически это означает, что суммарная мощность всех

приключенных к этой сети синхронных генераторов настолько велика по сравнению с мощностью приключаемой машины, что изменение режима работы машины не влияет на напряжение и частоту сети.

Напряжение параллельно работающего генератора равно напряжению сети на зажимах генератора. Для простоты предположим также, что включаемая на параллельную работу машина является неявнополюсной и сопротивление якоря ra =0. Тогда ток якоря машины определяется так

Изменение реактивной мощности. Режим синхронного ком-

пенсатора. Предположим, что при включении на параллельную работу условия синхронизации возбужденного генератора были соблюдены

в точности, т.е. Uг Uс . Тогда I 0 , т.е. машина не примет на себя никакой нагрузки.

Рис. 7.5. Векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машины при работе в режиме компенсатора (а. б) генератора (в) и двигателя (г)

Предположим теперь, что ток возбуждения после синхронизации был увеличен и поэтому E U . Тогда в соответствии с (7.1) (рис. 7.5,

а) возникает ток I , отстающий от U , а также от E и U на 90°. Машина, таким образом, будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, так что

E U (рис. 7.5, б), то ток I также будет отставать от U на 90°, но

будет опережать E и U на 90°, т. е. машина будет отдавать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощность.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины вызовет в ней только реактивные токи или изменение реактивного тока и реактивной мощности. При E U синхронная машина называется перевозбужденной, а при E U – недовозбужденной. При равенстве активной мощности нулю перевозбужденная синхронная машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная – индуктивности.

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загруженная реактивным током, называется синхронным компенсатором. Такие компенсаторы применяются для повышения коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения в сетях.

Если, например, такой компенсатор установить в районе большой промышленной нагрузки и перевозбудить его, то он будет снабжать асинхронные двигатели промышленных предприятий реактивной мощностью, питающая сеть и генераторы электрических станций будут полностью или частично разгружены от этой мощности, коэффи-

циент мощности генераторов и сети повысится, потери мощности и падения напряжения в них уменьшатся и напряжение сети у потребителей сохранится на нормальном уровне.

Изменение активной мощности. Режимы генератора и дви-

гателя. Из сказанного выше следует, что изменение тока возбуждения не вызывает появления активной нагрузки или ее изменения. Чтобы включенная на параллельную работу машина приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необходимо увеличить движущий механический вращающий момент на ее валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину.

Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора,

а следовательно, и вектор ЭДС, генератора E забегут вперед на неко-

ис. 7.6. Характер магнитного поля в воздушном зазоре при работе синхронной машины на холостом ходу (а), в режиме генератора (б) и двигателя (в)

мощность машины P mUICos 0 и машина будет работать в ре-

жиме двигателя, потребляя активную мощность из сети (рис. 7.5, г).

Как следует из рис. 7.5, в и г, у генератора вектор U отстает от

вектора E , а у двигателя – наоборот. Угол нагрузки в первом случае будем считать положительным, а во втором – отрицательным.

Характер магнитного поля в зазоре между статором и ротором в режимах генератора и двигателя изображен на рис. 7.6. У генератора ось полюсов сдвинута относительно оси потока на поверхности статора на угол вперед по направлению вращения ( >0), а у двигате-

ля – против направления вращения ( < 0). Угол можно назвать

внутренним углом нагрузки. Образование электромагнитного вращающего момента М и направление его действия согласно рис. 7.6 можно объяснить также тяжением магнитных линий.

Преобразование энергии в синхронных машинах нормальной конструкции, с вращающимся индуктором и возбудителем на общем валу, иллюстрируется энергетическими диаграммами рис. 7.7, где pмх

– механические потери, pв – потери на возбуждение синхронной ма-

шины, включая потери в возбудителе, рд – добавочные потери от вы-

сших гармоник поля в стали статора и ротора, рмг – основные манит-

ные потери и рэл – электрические потери в обмотке якоря. Для генера-

тора P1 – потребляемая с вала механическая мощность и P2 – отдава-

емая в сеть электрическая мощность, а для двигателя P1– потребляемая из сети электрическая мощность и P2 – развиваемая на валу механичес-

кая мощность. Электромагнитная мощность Pэм передается спомощью

Рис. 7.7. Энергетические диаграммы синхронного генератора (а) и двигателя (б)

магнитного поля с ротора на статор в режиме генератора и в обратном направлении– в режиме двигателя.

Добавочные потери покрываются за счет механической мощности на роторе. Механическиепотеривозбудителя включаютсяв потери pмх .

Весьма важно отметить, что при изменении движущего или тормозящего механического момента на валу синхронная машина обладает свойствами саморегулирования и способностью до известных пределов сохранять синхронизм с сетью, т. е. синхронное вращение с дру-

гими синхронными машинами, приключенными к этой сети. Например, при приложении к валу положительного вращающего момента

MCT ротор будет ускоряться и угол нагрузки будет расти от нуля (рис.

7.5, в). Вместе с тем машина начинает нагружаться активной мощностью P и развивать тормозящий электромагнитный момент M . При

новится также баланс между потребляемой с вала механической мощностью, отдаваемой в сеть электрической мощностью и потерями в маши-

не. В случае приложения к валу тормозящего момента MCT (рис. 7.5, г)

угол будет расти по абсолютной величине также до тех пор, пока не восстановитсяравновесиемоментов на валу и балансмощностей.

Все изложенное выше действительно также для явнополюсной машины с той лишь разницей, что диаграммы рис. 7.5, в и г будут несколько сложнее.

На рис. 7.5, в и г E U . Как видно из этих рисунков, при этом ток I будет иметь также некоторую реактивную составляющую. Если изменить ток возбуждения так, что будет E U , то при сохранении активной мощности это вызовет изменение реактивного тока и реактивной мощности.