Лекція 30. ПАРАЛЕЛЬНА РОБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОР З ЕЛЕКТРИЧНОЮ МЕРЕЖЕЮ

На кожній електричній станції зазвичай встановлюється декілька генераторів які включаються на паралельну роботу у загальну мережу. У сучасних енергосистемах на спільну мережу, крім того, працює низка електростанцій, і тому паралельно працює велика кількість синхронних генераторів. Завдяки цьому досягається висока надійність енергопостачання споживачів, зменшення потужності аварійного резерву, можливість маневрування енергоресурсами та інші переваги.

Усі синхронні генератори, що працюють паралельно, повинні віддавати у мережу струм однакової частоти. Тому вони повинні обертатись суворо синхронно, тобто частоти обертання n₁ , n₂, n_3, … мають бути в точності обернено пропорційними кількостям пар полюсів:

; ; _.

Зокрема, швидкості обертання генераторів із однаковими кількостями пар полюсів повинні бути в точності однаковими.

Умова синхронізації генераторів. Під час включення генераторів на паралельну роботу з іншими генераторами необхідно уникати надмірно великого поштовху струму та виникнення ударних електромагнітних моментів та сил які здатні призвести до пошкодження генератора та іншого обладнання, а також порушити роботу електросистеми.

Тому необхідно належним чином відрегулювати режим роботи генератора на холостому ходу перед його включенням на паралельну роботу та у відповідний момент часу включити генератор у мережу. Сукупність даних операцій називається синхронізацією генератора.

Найкращі умови для включення генератора на паралельну роботу досягається у випадку виконання таких вимог:

1) фазна ЕРС генератора який включається на паралельну роботу, Е_г повинна дорівнювати фазній напрузі мережі U_м;

2) частота ЕРС генератора повинна дорівнювати частоті напруги мережі;

3) порядки чергування фаз генератора та мережі мають бути однаковими;

4) фазні ЕРС генератора та напруги мережі повинні збігатись за фазою.

За вказаних умов вектори ЕРС генератора та напруг мережі збігаються за фазою та обертаються з однаковою швидкістю (рис. 4.15), різниці напруг між контактами мережі та затискачами генератора (рис. …) дорівнюють :

(4.25)

і тому під час включення на паралельну роботу не виникає поштовху струму.

Рівність ЕРС генератора та напруги мережі досягається шляхом регулювання струмом збудження генератора і контролюється за допомогою вольтметра. Зміна частоти та фази ЕРС генератора здійснюється зміною швидкості обертання генератора. Правильність порядку чергування фаз

Рис. 4.15 – Векторні діаграми напруг мережі та ЕРС генератора за ідеальних умов включення на паралельну роботу

необхідно перевіряти лише під час першого включення генератора після монтажу або збирання схеми. Збігання за фазою ЕРС генератора та напруг мережі контролюється за допомогою синхроноскопів, нульових вольтметрів або спеціальних вимірювальних елементів.

Неправильна синхронізація може призвести до серйозної аварії. Дійсно, якщо, наприклад, ЕРС генератора E_г та напруга мережі U_м будуть у момент включення генератора на паралельну роботу зсунуті за фазою на 180˚, то це є еквівалентним короткому замиканню за подвійної напруги (E_г – U_м = 2E_г). Якщо генератор підключається до потужної енергетичної системи, то її опір порівняно із опором самого генератора можна прийняти таким, що дорівнює нулю, і тому ударний струм при включенні може перевищити струм звичайного короткого замикання вдвічі. При цьому ударні електромагнітні моменти та сили зростають у чотири рази.

Синхронізація за допомогою лампового синхроноскопа може здійснюватись за схемою включення на одночасне затухання або на обертове світло (рис. 4.16).

а) б)

Рис. 4.16 – Схеми синхронізації генератора за допомогою лампового синхроноскопа із включенням на одночасне затухання (а) та обертове (б) світло

Зокрема на рис. 4.16, а наведена схема синхронізації генератора із включенням синхроноскопа на одночасне затухання, де зліва зображений генератор Г1 , який вже працює на шини станції та мережу, а справа генератор Г2, який включається на паралельну роботу за допомогою лампового синхроноскопа С кожна з ламп якого 1, 2, 3 включена між контактами однієї і тієї ж фази, або ж полюсами вимикача В2 . У випадку виконання вимог наведених вище та рівності (4.25) напруги на усіх лампах одночасно дорівнюватимуть нулю і лампа одночасно згаснуть. Саме у цей момент модна включити генератор Г2 на паралельну роботу із мережею.

Досягти точної рівності частот мережі та генератора f_г = f_м на протязі навіть короткого проміжку часу практично неможливо тому напруги на лампах 1, 2, 3 Е_г - U_м (рис. 4.16, а) пульсуватимуть із частотою f_г – f_м (рис. 4.17), і якщо дана частота є невеликою, то лампи запалюються і згасають з тією ж частотою. Частота f_г – f_м відповідає частоті пульсацій (штрихові криві на рис. 4.17, б). Шляхом регулювання частоти генератора необхідно досягти того, щоб частота запалювання та згасання ламп була мінімальною(3-5 с) , і потім здійснити включення на паралельну роботу у момент часу коли лампи згасли.

Рис. 4.17 – Криві залежностей від часу ЕРС генератора Е_г, напруги мережі U_м та напруги на лампах синхроноскопа Е_г - U_м за рівності частот мережі та генератора

За малої частоти лампи згасають раніше ніж напруга досягне нуля і запалюються також за напруги більшої нуля. Тому, користуючись схемою рис. 4.16, а, складно обрати правильний момент включення. У даному відношенні кращою є схема рис. 4.16, б у якій лампа 1 включена так само, як на схемі рис. 4.16, а, а лампи 2 та 3 – між різними фазами генератора і мережі. Тому у даному випадку при дотриманні наведених вище умов та рівності (4.25) лампа 1 не горить, а лампи 2 та 3 перебуваються під лінійною напругою і світяться однаково яскраво що є критерієм правильності моменту включення. За f_г – f_м ≠0 лампи запалюються і згасають по черзі, і створюється враження обертового світла при чому при f_г > f_м обертання відбувається в одному напрямі, а при f_г < f_м – в іншому. Частота обертання світла дорівнює f_г - f_м, і необхідно досягти, щоб вона була мінімальною (період 3-5 с).

Слід відмітити, що якщо під час включення на паралельну роботу за схемою рис 4.16, а замість одночасного запалювання та згасання усіх трьох ламп отримується обертове світло, а за схемою рис 4.16, б – одночасне запалювання та згасання, то це вказує на неправильність порядку чергування фаз генератора і мережі. При цьому необхідно поміняти місцями початки двох фаз обмотки статора генератора. Для більш точного вибору моменту включення паралельно одній з ламп рис 4.16, а підключають вольтметр, який має розтягнуту шкалу в околі нуля (нульовий вольтметр).

Інші методи синхронізації. Синхронізація за допомогою ламп та нульового вольтметра застосовується лише для генераторів невеликої потужності. Для потужних генераторів використовують електромагнітний синхроноскоп, до якого підводиться напруга мережі та ЕРС генератора. Даний приклад працює на принципі обертового магнітного поля, і коли f_г ≠ f_м його стрілка обертається із частотою f_г - f_м у той чи інший бік в залежності від того, яка частота є більшою. За правильного ж моменту включення стрілка синхроскопа спрямована вертикально вгору.

За високої напруги прилади синхронізації вмикаються через трансформатори напруги. При цьому необхідно потурбуватись про те, щоб фазування (порядок чергування фаз) даних трансформаторів було вірним.

Синхронізація генераторів є дуже важливою експлуатаційною операцією і потребує від обслуговуючого персоналу підвищеної уваги. Для виключення помилок персоналу та полегшення його роботи користуються спеціальними автоматичними синхронізаторами, які здійснюють автоматичне регулювання ЕРС Е_г та частоти f_г генераторів, які синхронізуються і при досягненні необхідних умов автоматично виключають генератори та паралельну роботу.

Крім того існує іще один спосіб грубої синхронізації або самосинхронізації. Сутність методу самосинхронізації полягає у тому, що генератор вмикається у мережу в не збудженому стані (Е_г=0) при швидкості обертання близькій до синхронної (допускається відхилення до 2%). При цьому відпадає необхідність у точному вирівнюванні значення частот, та фази напруг, завдяки чому процес синхронізації гранично спрощується і можливість помилкових дій виключається. Після включення незбудженого генератора у мережу подається напруга на обмотку збудження і генератор втягується у синхронізм (його швидкість досягає синхронної і стає f_г = f_м).

За самосинхронізації неминуче виникає значний кидок струму, оскільки вмикання незбудженого генератора у мережі із напругою U_м є еквівалентним раптовому короткому замиканню даного генератора на холостому ходу із ЕРС E = U_м. Проте кидок струму при самосинхронізації буде все ж таки меншим, оскільки крім опору генератора у колі будуть задіяні опори елементів мережі (підвищувальні трансформатори і т.і.). Крім того, вмикання генератора здійснюється при включеному опорі гасіння поля, що також зменшує значення ударного струму і сприяє швидкому затуханню перехідних процесів.

Синхронні режими паралельної роботи синхронних машин

Режим роботи синхронної машини паралельно з мережею за синхронної швидкості обертання називається синхронним.

Розглянемо особливості даного режиму роботи детальніше, причому припустимо для простоти, що мережа, до якої підключено синхронну машину, є нескінченно потужною, тобто у ній U=const та f=const. Практично це означає, що сумарна потужність усіх підключених до цієї мережі синхронних генераторів настільки велика порівняно із потужністю машини, яку під’єднують, що зміна режиму роботи цієї машини не впливає на напругу і частоту мережі.

Напруга на затискачах генератора, який працює паралельно із мережею, дорівнює напрузі мережі. Для простоти припустимо також, що машина, яка підключається до мережі, є неявнополюсною і опір якоря R_a =0. Тоді, у відповідності із діаграмою напруг наявнополюсного синхронного генератора (рис. ...), струм якоря машини визначається залежністю:

I =

Регулювання реактивної потужності. Режим синхронного компенсатора

Припустимо, що при включенні на паралельну роботу необхідні умови синхронізації були дотримані, тобто E_г = U_м = U. Тоді, у відповідності із ( ), струм якоря генератора I=0, тобто машина не бере на себе ніякого навантаження.

Тепер припустимо, що струм збудження після синхронізації був збільшений і тому E>U. Тоді виникає струм I, який відстає від ΔU, а також від E та U на 90˚ (рис. ..., а). Машина, таким чином, буде віддавати у мережу чисто індуктивний струм та реактивну потужність. Якщо ж струм збудження зменшити, так що E<U (рис. ..., б), то струм I також буде відставати на 90˚ від ΔU, але буде випереджати E та U на 90˚, тобто машина буде віддавати у мережу ємнісний струм та споживати з мережі реактивну потужність.

Таким чином, зміна струму збудження синхронної машини викликає у ній лише реактивні струми статора або зміни реактивного струму та реактивної потужності. При E>U синхронна машина називається перезбудженою, а при E<U – недозбудженою. Коли активна потужність дорівнює нулю перезбуджена синхронна машина по відношенню до мережі еквівалентна ємності, а недозбуджена – індуктивності.

Синхронна машина, яка не несе активного навантаження та завантажена реактивним струмом, називається синхронним компенсатором. Такі компенсатори застосовуються для підвищення коефіцієнта потужності та підтримання нормального рівня напруги у мережі.

Якщо, наприклад, такий компенсатор встановити в районі значного промислового навантаження та перезбудити його, то він буде забезпечувати споживачі реактивною потужністю, при цьому мережа живлення та генератори електричних станцій будуть повністю, або частково завантажені від цієї потужності. Як наслідок коефіцієнт потужності генераторів та мережі підвищиться, втрати потужності та спади напруги в них зменшаться і напруга мережі на затискачах споживачів збережеться на нормальному рівні.

Регулювання активної потужності. Режими генератора і двигуна

Із викладеного вище випливає, що зміна струму збудження не викликає появи активного навантаження або його зміни. Для того, щоб включена на паралельну роботу синхронна машина взяла на себе активне навантаження та працювала у режимі генератора, необхідно збільшити обертальний механічний момент на валу, збільшивши, наприклад, надходження води або пари у турбіну.

Тоді рівновага моментів на валу порушиться, ротор генератора, а відповідно і вектор ЕРС генератора Е змістяться вперед відносно вектора напруги U на деякий кут θ, який називається кутом навантаження (рис. …,в). При цьому виникає струм I, який як і раніше відстає від ΔU=E-U на 90˚. Але, як видно з рис. …,в, у даному випадку кут φ перебуває у межах -90˚<φ<90˚ і

P=m U I cos φ>0

тобто машина віддаватиме активну потужність у мережу.

Якщо ж, навпаки, пригальмувати ротор машини, створивши на його валу механічне навантаження, то ЕРС Е буде відставати від напруги U на деякий кут θ, струм I відставатиме від U на кут 90˚<φ<270˚. При цьому потужність машини P=m U I cos φ<0 і машина працюватиме у режимі двигуна, споживаючи активну потужність з мережі (рис. …,г).

Як слідує з рисунка …,в та г у генератора вектор напруги U відстає від вектора ЕРС Е, а у двигуна – навпаки. Кут навантаження θ у першому випадку у першому випадку вважається позитивним, а у другом – негативним.

Характер магнітного поля у повітряному зазорі між статором і ротором у режимах генератора та двигуна зображений на рисунку… . У генератора вісь полюсів зсунута відносно осі магнітного потоку на поверхні статора на кут θ_δ уперед за напрямом обертання (θ_δ >0), а у двигуна – проти напряму обертання (θ_δ <0). Кут θ_δ між векторами E та E_δ (рис. …) називається внутрішнім кутом навантаження. Створення електромагнітного обертального моменту М та напрям його дії можна пояснити також тяжінням магнітних ліній, користуючись рисунком… .

Перетворення енергії у синхронних машинах нормальної конструкції, з обертовим індуктором та збудником на загальному валу, ілюструється енергетичними діаграмами рис..., де Δp_мех – механічні втрати, Δp_з – втрати на збудження синхронної машини, виключаючи втрати у збуднику, Δp_д – додаткові втрати вищих гармонік у сталі статорі і ротора, Δp_маг – основні магнітні втрати, Δp_ел – електричні втрати у обмотці якоря. Для генератора P₁ – споживана з вала механічна потужність, а P₂ – електрична потужність, що віддається у мережу; для двигуна P₁ - споживана з мережі електрична потужність, а P₂ - механічна потужність на валу. Електромагнітна потужність P_ем передається за допомогою магнітного поля з ротора на статор у режимі генератора та у зворотному напрямі – у режимі двигуна. Додаткові втрати покриваються за рахунок механічної потужності на роторі. Механічні втрати збудника включаться до втрат Δp_мех.

Вельми важливо відмітити, що при зміні обертального або гальмівного механічного моменту на валу синхронна машина має властивість саморегулювання та здатність до відомих меж оберігати синхронізм, тобто синхронне обертання з іншими синхронними машинами, підключеними до цієї мережі. Наприклад, коли до вала прикладено позитивний обертальний момент M_ст, ротор буде прискорюватись і кут навантаження буде збільшуватись від нуля (рис. …,в). Разом із тим машина почне завантажуватись активною потужністю Р та розвиватися гальмівний електромагнітний момент М. При цьому величини θ, P та M будуть зростати до тих пір, поки не настане рівновага моментів M_ст =M на валу. Одночасно із цим відновиться також баланс між споживаною з вала механічною потужністю, електричною потужністю, що віддається у мережу та втратами у машині. У випадку прикладення до вала гальмівного моменту M_ст (рис. …,г) кут θ буде збільшуватись по абсолютній величині до тих пір, поки не відновиться рівновага моментів на валу, та баланс потужностей.

Все викладене вище є дійсним також і для явнополюсної машини лише із тією різницею, що діаграми рис. …, в та г будуть дещо складнішими.

Кутові характеристики потужності синхронних машин

Як було встановлено вище активна потужність синхронної машини Р залежить від кута навантаження θ між векторами ЕРС Е та напруги U на затискачах машини. Залежність P=f(0) при E=const та U=const називається кутовою характеристикою активної потужності синхронної машини. Дослідження цієї залежності дозволяє з’ясувати низку важливих властивостей синхронної машини. Виведемо формулу для кутової характеристики потужності, прийнявши опір обмотки якоря R_a=0, оскільки даний опір мало впливає на вигляд кутової характеристики.

Відклавши проекції на рисунку ... векторів ЕРС, напруг та спадів напруг на напрям вектора Е та на перпендикулярний йому напрям, отримаємо

E= x_d I_d + U cos θ; x_q I_q = U sin θ,

Звідси

I_d = ; I_q =

Враховуючи те, що φ=ψ -θ , для активної потужності маємо

P=m U I cos φ= m U I cos (ψ -θ)=mU(I_q cos θ+ I_d sin θ)

Замінивши у даному виразі I_d та I_q по формулам ( ), отримаємо:

P=

Або

P= ( )

Рівність () і є шуканим математичним виразом кутовою характеристикою активної потужності, у відповідності з яким P=f(E,U,θ, x_d, x_q). Електромагнітний момент М пропорційний потужності Р, тому залежність M=f(E,U,θ, x_d, x_q) має подібний вигляд.

Неявнополюсна машина. Поняття про статичну стійкість

Вважаємо, що машина працює паралельно із мережею нескінченно великої потужності і тому U=const, f=const і струм збудження генератора не змінюється. Для простоти припустимо також, що магнітна проникливість сталі μ_c =const і, відповідно, x_d =const.

У неявнополюсної машини x_q =x_d і на базі виразу ( ) можемо записати:

P=

За вказаних припущень залежність P=f(θ) у відповідності із формулою (), являє собою синусоїду (рис. …,а). Напівхвилі, де активна потужність P>0 відповідають генераторному режиму роботи машини, а напівхвилі, де P<0 – режиму двигуна. Як видно із рис. …,а за постійної зміни кута θ синхронна машина перемінно переходить із генераторного режиму в режим двигуна і навпаки. Така заміна кута θ означає, що ротор машини обертається несинхронно – дещо швидше, або дещо повільніше магнітного поля реакції якоря. Залежність P=f(θ) на рисунку …,a при цьому є дійсною лише за нескінченно повільної зміни кута θ, коли в результаті несинхронного обертання ротора у колах індуктора не індукується жодних струмів.

Зміна кута θ на 2π означає, що ротор машини пересунувся відносно поля статора на два полюси. Режим роботи машини при цьому не змінюються. Тому достатньо розглянути кутову характеристику у межах -π≤θ≤π. Діапазон -π≤θ≤0 відповідає режиму двигуна, а діапазон 0≤θ≤π – режиму генератора. Оскільки на півперіоди синусоїдної кривої симетричні, то властивості синхронної машини у режимі двигуна та генератора аналогічні.

Розглянемо режим генератора. У відповідності із рисунком ..., при збільшенні активної потужності Р від нуля кут θ буде збільшуватись від θ=0 і за критичного кута навантаження θ _кр=90˚ досягається максимальна потужність P= P _m, яку здатний розвивати генератор. На базі виразу () для неявнополюсної машини отримаємо:

P _m = ( )

Як слідує із формули (), максимальна потужність P _m є тим більшою, чим більшою є ЕРС Е, або струм збудження машини і _з, чим більшою є напруга U та чим меншим є опір x_d. З цієї причини з метою зменшення опору x_d у синхронних машинах повітряний зазор виконується більший, ніж у асинхронних машинах.

В усталеному режимі роботи генератора механічна потужність Р_пд, яка розвивається приводним двигуном дорівнює електричній потужності Р, що віддається генератором у мережу, тобто Р_пд =P. При цьому під Р_пд слід розуміти потужність приводного двигуна мінус механічні та магнітні втрати у генераторі (при R_a=0 електричні втрати у якорі дорівнюють нулю). Потужність приводного двигуна Р_пд не залежить від кута θ і тому зображена на рисунку ... горизонтальною прямою, яка перетинається із характеристикою електричної потужності P=f(0) у точках 1 та 2. У цих точках Р_пд =P і, відповідно, вони обидві могли б відповідати нормальному усталеному режиму роботи. Проте стійкою є лише робота у точці 1.

Дійсно, якщо при роботі у точці 1 рисунок ... у результаті невеликого випадкового переважаючого збурення кут θ збільшиться на Δθ, то електрична потужність генератора перевищить потужність приводного двигуна на ΔP. Внаслідок цього на валу машини буде діяти надлишковий гальмівний електромагнітний момент:

ΔM=

і ротор генератора буде пригальмовуватись. Кут θ буде зменшуватись, і буде відновлюватися стійкий усталений режим роботи у точці 1. Якщо при роботі у точці 1 кут θ в результати випадкового збурення зменшиться, то після припинення дії цього збурення генератора також повернеться у режим роботи у точці 1.

Якщо ж при роботі у точці 2 рисунок ... кут θ збільшиться на Δθ, то потужність генератора буде на ΔP меншою за потужність приводного двигуна. Як наслідок ротор машини почне прискорюватись, кут θ збільшиться ще більше і т.д. В результаті генератор випаде із синхронізму або за сприятливих умов перейде в усталений режим роботи на наступних додатних напівхвилях кривої рисунок ...,а після «прослизання» ротора на парну кількість полюсних поділок. Якщо ж при роботі у точці 2 кут θ зменшиться, то внаслідок порушення балансу потужностей даний кут зменшуватись і у подальшому, поки даний баланс не відновиться у точці 1.

Таким чином, робота неявно-полюсного генератора є стійкою в діапазоні 0< θ <90˚ та не стійкою в діапазоні 90˚< θ <180˚.

Аналогічно можна встановити, що неявнополюсний синхронний двигун працює стійко в діапазоні 0>θ>-90˚.

Питання, що розглядалися вище відносяться до так званої статичної стійкості синхронної машини.

Режим роботи певної установки називається статично стійким, якщо при наявності вельми невеликих збурень режиму роботи (невелика зміна напруга, потужності приводного двигуна, струму збудження тощо) зміни режиму роботи (значення кута навантаження, потужності тощо) також будуть невеликими і після закінчення дії цих збурень відновиться вихідний режим роботи. Із сказаного випливає, що режим роботи синхронної роботи є статично стійким, якщо

_>0

та статично нестійким, якщо

_<0