6.2. Пристрої|устрої| автоматичного вмикання|приєднання| генераторів на паралельну роботу

Синхронізація генераторів, особливо точна синхронізація, є|з'являється| дуже відповідальною операцією, що вимагає від обслуговуючого персоналу відповідної кваліфікації і досвіду|досліду| роботи. Тому автоматизація операцій синхронізації є|з'являється| актуальним завданням|задачею|.

Автоматичні синхронізатори містять|утримують| вузли, що здійснюють автоматичне зрівнювання значень частоти і напруги|напруження|| генератора, що вмикаеться, із|із| значеннями частоти і напруги|напруження| енергосистеми, і вузли, що здійснюють контроль за виконанням всіх умов син­хронизации|.

Для того, щоб вмикання генератора відбувалося в оптимальний момент часу (точка 1 на рис. 6.1, в) імпульс на вимикач повинен подаватися раніше цього моменту, оскільки вимикач має власний час вмикання. Час випередження t_ВП по відношенню до оптимального моменту має дорівнювати часу вмикання вимикача t_В.В. Момент подачі імпульсу на вимикач позначений на рис. 6. 1, в точці 2, при цьому напруга биття не дорівнює нулю, воно визначається положенням точки 2'. Часу t_В.В відповідає кут між векторами напруги генератора і мережі, званий кутом випередження δ_ВП:

δВП = ωs tВ.В

(6.6)

Розрізняють два типи синхронізаторів: синхронізатор з постійним кутом випередження, в якому імпульс на вмикання подається при досягненні кутом δ певного постійного значення, і синхронізатор з постійним часом випередження, в якому імпульс на вмикання подається з постійним часом випередження, рівним часу вмикання вимикача.

Широке застосування|вживання| отримали|одержували| точніші синхронізатори з|із| постійним| часом випередження. До них відносяться синхронізатори АСТ–4, УБАС, СА–1. Нижче розглянуті|розглядувати| синхронізатори типу|типа| УБАС і СА–1.

Синхронізатор з|із| постійним часом випередження типу|типа| убас

Автоматичний синхронізатор типу|типа| УБАС (пристрій|устрій| безконтакт­ної| автоматичної синхронізації) складається з шести основних вузлів (рис. 6.3):

вузла живлення, що забезпечує живлення напівпровідникових елементів, що входять до складу синхронізатора, і биття U_S, що одночасно виробляє напругу ;

вузла випередження, що виробляє імпульс на вмикання вимикача генератора з випередженням по відношенню до моменту збігу по фазі векторів U_Г і U_С ;

вузла контролю різниці частот генератора і мережі|сіті|, що забезпечує проходження сигналу вузла випередження на вмикання|приєднання| вимикача;

вузла контролю різниці напруги|напруження| генератора і мережі|сіті|, що визначає проходження сигналу на вмикання|приєднання| вимикача при різниці напруги|напруження|, що не перевищує допустиму;

вузла підгонки частоти, що здійснює підгонку час­тоти| генератора, що вмикається, до частоти працюючих генераторів шляхом дії на механізм управління турбіни;

вузла вмикання|приєднання|, що виробляє визначеної довжини| імпульс на вмикання|приєднання| вимикача.

Рис. 6.3. Структурна схема синхронізатора з|із| постійним часом випередження типу|типа| УБАС

Вузол випередження (рис. 6.4, а) складається з проміжного трансформатора TL4, випрямних елементів VS, фільтрів ZV, диференціюючого елементу Е1, нуль–органа ЕА1 і реле зміни уставок часу випередження KL1–KL3.

На вхід вузла подається напруга биття, утворена різницею напруги генератора U_Г і напруга мережі U_C. Для отримання напруги, рівної різниці двох напруг, система цих двох напруг повинна мати загальну крапку в схемі. Тому в схемах синхронізації об'єднуються між собою фази В вторинних кіл трансформаторів напруги генератора і мережі.

Головним елементом вузла випередження є нуль–орган ЕА1, сигнал на виході якого виникає в момент, коли напруга на двох його входах досягають однакового значення (точки а₁ і а₂ на рис. 6.4, в). Сигналом на виході вузла випередження є напруга U_ВП прямокутної форми, що існує до кінця періоду ковзання.

Струм на першому вході нуль–органа i1 визначається значенням напруги биття U_S і опори резисторів R1–R3:

де R – опір резисторів R1,R2 або RЗ.

Рис. 6.4. Вузол випередження пристрою УБАС: а – функціональна схема; б – схема диференціюючого елемента; в – часові діаграми

Струм на другому вході нуль–органа i₂ визначається напругою на виході Е1 (рис. 6.4, б). Диференціюючий елемент призначений для отримання напруги, пропорційної похідною від напруги биття. На вхід Е1 подається напруга биття U_S.

Напруга на виході Е1 з деяким наближенням рівна

Полярність вмикання Е1 така, що струм i₂ обумовлений напругою виходу U_ВИХ, узятою із зворотним знаком, тобто

де k₂ – коефіцієнт пропорційності; U_ВX = U_S .

Час випередження, що створюється нуль–органом ЕА1, – постійна величина, не залежна від швидкості ковзання (на графіці на рис. 6.4, в видно, що t_ВП1 = t_ВП2.

Для налаштування нуль–органа на час випередження, рівне часу вмикання вимикача, використовуються резистори R1–R3 (див. рис. 6.4, а), керовані за допомогою проміжних реле KL1–KL3 і перемикача SA1. Резстори R1–R3 забезпечують час випередження в діапазоні від 0,15 до 1,0 с.

Вузол контролю різниці частот (рис. 6.5, а) складається з проміжного трансформатора TLS, випрямного елементу VS, фільтру ZV, релейного елементу ЕА2, трігерів DS1 і DS2, елементів часу DT1 і DT2, логічного елементу DU (НЕ).

На вхід вузла контролю різниці частот, так само як і на вхід вузла випередження, подається напруга биття U_s, що поступає після випрямляння на вхід релейного логічного елементу ЕА2. Сигнал на виході елементу ЕА2 з'являється при досягненні напругою U_s напруги спрацьовування елементу ЕА2 U_срЕА2. Цей сигнал існує до тих пір, поки напруга биття не стане менше напруги повернення U_срЕА2. Напругу спрацьовування і повернення можна регулювати за допомогою резисторів R4 і R5. На діаграмі на рис. 6.5, б моменти спрацьовування елементу ЕА2 позначені точками a₁, a₂ і a₃ моменти повернення – точками в₁, в₂, в₃. Тривалість сигналу на виході елементу ЕА2 пропорційна періоду биття. Для контролю періоду биття використовуються два напівпровідникові логічні елементи часу DT1 і DT2, керованих трігерами DS1 і DS2.

Трігер|тригер|, що є напівпровідниковим перемикаючим| пристроєм|устроєм|, характеризується двома стійкими перебуваннями|достатками| електричної рівноваги – наявністю або відсутністю сигналу на його виході. Перехід трігера|тригера| з|із| одного стану|достатку| в інше здійснюється| шляхом подачі сигналу на один з його входів. Перемикання тригге­ра| відбувається|походить| практично миттєво. Після|потім| зняття сигналу, що управляє, трігер|тригер| зберігає свій стан|достаток|. Таким чином, трігер|тригер| за­пам’ятовує| вхідний сигнал, тобто є|з'являється| елементом "пам'яті".

Рис. 6.5. Вузол контролю різниці частот: а – функціональна схема; в – часові діаграми

Вузол контролю різниці частот працює таким чином. Якщо кутова швидкість ковзання ω_S1, i більше максимально допустимого значення ω_SМД, спрацьовує релейний элементЕА2 (точка a₁), що перекидає трігер DS1 в стан, що забезпечує пуск елементу часу DT1. При даних значеннях ковзання елемент часу DT1 не встигне спрацювати, оскільки раніше в точці в₁ відбувається повернення елементу ЕА2 і трігера DS1 за допомогою логічного елементу DU. Напруга на виході вузла контролю різниці частот U_KЧ в даному режимі дорівнює нулю, що приводить до блокування синхронізатора.

У діапазоні допустимої кутової швидкості ковзання при ω_S2 < ω_SМД період биття більший, ніж в першому випадку. За проміжок часу, обмежений точками а₂ і в₂, елемент часу DT1 встигне допрацювати. Сигнал на його виході перекидає трігер DS1 в нульовий стан, а трігер DS2 – в положення, при якому на його виході з'являється сигнал. Трігер DS2 є вихідним елементом вузла, напруга на його виході використовується вузлом увімкнення. Тривалість вихідного сигналу визначається часом спрацьовування t₂ другого елементу часу DT2. Тривалість вихідного сигналу може бути менше вермени t₂, якщо після спрацьовування вузла контролю різниці частот биття не припиняються; вихідний сигнал знімається за фактом спрацьовування релейного елементу ЕА2 в наступному циклі (точка а₃ на рис. 6.5, б). В області допустимих ковзань напругу на виході вузла контролю різниці частот U_KЧ і напруга на виході вузла випередження U_ВП мають загальну зону дії (заштрихований прямокутник), що забезпечує при дотриманні решти умов синхронізації появу сигналу на вмикание вимикача.

Вузол контролю різниці частот блокує синхронізатор не тільки при ковзаннях, більших від допустимих, але і при малих ковзаннях. Режими малих ковзань характеризуються гак званим "зависанням" частоти генератора. Ці режими несприятливі тим, що процес збігу векторів напруги генератора і напруги мережі йде поволі, що затягує вмикання генератора. Робота елементів вузла в режимах малих ковзань ілюструється на тимчасовій діаграмі на рис. 6.5, б для ω_S2 << ω_SМД . З діаграми видно, що напруга на виході вузла контролю різниці частот U_KЧ і напруга на виході вузла випередження U_ВП не збігаються в часі, а це приводить до того, що сигнал на вмикання вимикача у вузлі вмикання не виникає.

Максимально допустима кутова швидкість ковзання ω_SМ.Д визначається допустимою кутовою помилкою δ_ОШ у момент увімкнення вимикача, обумовленою кутовою похибкою синхронізатора ∆δ_С, похибкою в часі випередження ∆t_с, а також розкидом часу увімкнення вимикача ∆t_в.в. За збігу знаків ∆δ_С, ∆t_С, і ∆t_В.В кутова похибка визначається за наступним виразом:

Якщо вважати, що кутова похибка δ_ОШ не повинна перевищувати максимально допустимого значення кута у момент увімкнення вимикача δ_М.Д, то використовуючи вираз (6.10), отримаємо

Значення δ_М.Д визначається максимально допустимим значенням струму генератора у момент увімкнення вимикача І^’’_М.Д і элект­ромагнитного моменту, що діє на вал агрегату.

Значення періодичної складової струму, що діє, в початковий момент увімкнення

де δ_ВКЛ – кут між векторами ЕДС генератора і системи у момент увімкнення вимикача; X_d”, Х_с – опір генератора і систе­мы в схемі заміщення на рис. 6.2.

Для допустимих значень вираз (6.12) має вигляд

Для відносно малих значень δ_М.Д

Вузол контролю різниці напруги (рис. 6.6, а) складається з випрямляючого елементу VS, фільтру ZV, нуль–органа ЕАЗ, трігерів DS3 і DS4, елементу часу DT3. На вхід вузла контролю різниці напруги подається напруга биття, що діє між середньою точкою потен­ціометрів R6–R7, включеного на напругу U_AГ і U_AС, і напругою U_B.

Напруга биття, що використовується даним вузлом розвернута на 180° щодо напруги, що знімається з фаз U_AГ і U_AС. Графік зміни напруги биття на вході вузла показаний на рис. 6.6, б, векторні діаграми, що пояснюють характер зміни напруги биття, приведені на рис. 6.7. Як випливає з векторних діаграм, напруга биття, використовувана вузлом, при δ = 0° максимально, при δ = 180° мінімально. Контроль різниці напруги генератора і мережі проводиться в області кутів δ = 180°, тобто раніше моменту спрацювання вузла випередження (моменту оптимуму): при U_Г = U_C напруга биття дорівнює нулю, за U_Г ≠ U_C вона більша нуля.

Рис. 6.6. Вузол контролю різниці напруг: а – функціональна схема; б – часові діаграми

Випрямлена напруга биття U_S поступає на перший вхід нуль–органа ЕАЗ, на другий його вхід подається еталонна напруга U_ЕT від вузла живлення. Еталонна напруга може регулюватися за допомогою резистора R8. Вона приймається рівною допустимій різниці напруги генератора і мережі – 10–11% U_HOM.

Вузол контролю різниці напруги працює таким чином. Якщо U_Г = U_C або якщо різниця U_Г і U_C не перевищує допустимого зна­чения, виникають умови для спрацьовування нуль–органа ЕАЗ. Сигнал на виході нуль–органа ЕАЗ виникає в області вузлів δ = 180°, коли напруга биття і еталонна напруга рівні (точка а на рис. 6.6, б). У точці б цей сигнал знімається. Трігер DS3 фіксує спрацювання елементу ЕА3.Сигнал на виході DS3 – напруга U_KH – використовується вузлом увімкнення. Тривалість вихідного сигналу обмежується за допомогою елементу часу DT3, керованого трігером DS4 за сигналом вузла випередження. Час t₃, рівний приблизно 1,5 с, забеспечує надійну роботу вузла увімкнення в області кутів δ = 0°.

Якщо різниця напруг генератора U_Г і мережі U_C перевищує допусти­ме значення, напруга биття у всій області кутів δ більше эталон­ної напруги U_ЭТ, унаслідок чого нуль–орган EАЗ не спрацьовує, напруга на виході вузла U_KH дорівнює нулю і вузол увімкнення буде заблокований.

Для генераторів, обладнаних автоматичними регуляторами збудження сильної дії (АРВ–СД), увімкнення допускається за різниці напруги генератора і мережі порядку ±1%. Дотримання цієї умови дозволяє уникнути небажаного форсування або розфорсування збудження від АРВ–СД у момент увімкнення генератора до мережі.

Оскільки синхронізатор УБАС не може забезпечити контроль різниці напруги з точністю 1%, використовується спеціальний блок під­гонки уставки напруги генератора (ПУН), що входить до складу АРВ–СД. Блок ПУН здійснює автоматичну підгонку напруги генератора до напруги мережі з точністю ±1% шляхом зміни устав­ки АРВ генератора. Одночасно блок ПУН розмиканням ланцюга фази В блокує роботу блоку контролю різниці напруги, оскільки останній має уставку за значенням різниці напруг, що синхронізуються, близько 10% і може увімкнути генератор в мережу при вказаній різниці. Досягши різниці напруги генератора і мережі 1% і нижче за реле блоку ПУН спрацьовує, дозволяючи дію синхронізатора. При використанні блоку ПУН накладка SXI, включена паралельно контакту реле ПУН, має бути відключена. Накладка SXI включається при синхронізації генераторів, не обладнаних АРВ–СД.

Рис. 6.7. Векторні діаграми, що пояснюють роботу вузла контролю різниці напруг: а – δ = 0, UГ = UC ; б – δ = 180° UГ = UC ; в – δ = 0, UГ < UC ; г – δ = 180°, UГ < UC

Вузол підгонки частоти (рис. 6.8, а) складається з проміжних транс­форматоров ТL6 і TL7, випрямних елементів VS і фільтрів ZV, релейних елементів ЕА4 і ЕА5, підсилювачів Е2, ЕЗ, Е4, Е5, елементів часу DT4 і DT5, проміжних реле КL6 і KL7 і вихідних реле КL9 і КL10. Вузол складається з двох симетричних частин: перша частина, що включає елементи ТL6, ЕА4, Е2, КL6, Е4, КL9, призначена для збільшення частоти, генератора; друга частина, що включає елементи TL7, Еа5, ЕЗ, КL7, Е5, КL10, – для зниження частоти генератора. Еле­менти DT4 і DT5 є загальними для двох частин.

Рис. 6.8. Вузол підгонки частоти пристрою УБАС: а – функціональна схема; б – часові діаграми

До трансформатора TL6 подається напруга биття, утворена фазами U_АГ, U_AC, до трансформатора TL7 — напруга, утворена фазами U_AC з U_CГ. Перша з вказаної напруги використовується релей­ным елементом ЕА4, друга напруга – релейним елементом ЕА5. Характер зміни напруги биття в часі на вході елементів ЕА4 і ЕА5 такий, що за f_Г < f_C вектор напруги на елементі ЕА5 від­стає на 60° від вектора напруги на елементі ЕА4. Вказане ілю­струєтся векторними діаграмами на рис. 6.9. Якщо f_Г > f_C , вектор напруги на елементі ЕА5 випереджає вектор напруги на элемен­те ЕА4 також на 60°. Ця властивість зміни напруги биття застосовується для визначення знаку відхилення частоти генератора від частоти мережі і для вироблення відповідної дії.

Релейні елементи ЕА4 і ЕА5 настроюються на однакову на­пругу спрацьовування і однакову напругу повернення. Налаштування виконується за допомогою реостатів RR9–RR12. При цьому у момент повернення одного елементу (точки b₁ і b₂ на рис. 6.8, б) напруга на дру­гому має бути менше напруги спрацьовування (точки с₁ і с₂). Цим унеможливлюється спрацьовування протягом одного періоду ковзання двох релейних елементів.

Вузол підгонки частоти діє таким чином. Якщо f_Г < f_C , першим спрацьовує релейний елемент ЕА4 (точка a₁ на рис. 6.8, б). З появою напруги на його виході через підсилювач Е2 спрацьовує проміжне реле KL6, яке своїм розмикаючим контактом знімає напругу з елементу ЕА5, блокуючи частину вузла, що діє на зниження частоти. Блокування діє до моменту повернення эле­мента ЕА4 (трчка b₁). Одночасно із спрацьовуванням ЕА4 запуска­ется елемент часу DT4, який з витримкою часу t₄, рівною 0,25–0,3 c, за допомогою логічних “ І ” DX і “Заборона” D уси­лителя Е4 і вихідного реле KL9 діє на механізм управління турбіни в напрямі "Додати". Витримка часу t₄ виключає дію на турбіну при короткочасних спрацьовуваннях элемен­тів ЕА4 і ЕА5 у момент увімкнення синхронізатора в роботу. Тривалість дії на механізм управління турбіни обмежується часом t₅, створюваним елементом часу DT5, який забороняє проходження сигналу на вихідні реле. Уставка елементу DT5 може регулюватися в межах 0,15—0,45 c за допомогою резистора R13. Таким чином, за кожен період биття вузол формує один імпульс дії на регулятор частоти обертання турбіни. Чим боль­ша частота биття, тим частіше імпульси регулювання, тобто вузол підгон­ки частоти здійснює пропорційно–імпульсне регулювання частоти обертання генератора. Наявність витримки часу t₄ забезпечує автоматичне вирівнювання частоти, починаючи тільки з різниці частот 2 Гц.

Аналогічним чином вузол підгонки частоти діє за f_Г > f_C .

Рис. 6.9. Векторні діаграми, що пояснюють роботу вузла підгонки частоти за fГ < fC і кутах δ = 0 (а) і δ = 60° (б)

Вузол увімкнення і вузол живлення. Вузол увімкнення (рис. 6.10, а) складається з елементу DХ, трігера DS5, підсилювачів Е6 і Е7, вихідного реле КL4, елементу часу DT6 і реле обмеження імпульсу на увімкнення вимикача генератора КL5.

Сигнал на увімкнення вимикача генератора формується элемен­том DХ за наявності одночасно трьох сигналів на його вході: напруги з виходу вузла випередження U_ВП, вузла контролю різниці частот U_КЧ і вузла контролю різниці напруги U_КН . Цей сигнал фіксується трігером DS5 і вихідним реле КL4, яке управляє увімкненням вимикача. Для обмеження сигналу на увімкнення вимикача передбачені елементи DT6, Е7 і реле КL5. Елемент часу DT6 з витримкою часу t₆, рівною 1,5 c, і підсилювач Е7 забезпечують спрацювання реле КL5, яке своїм розмикаючим контактом розми­кає коло живлення реле КL8 у вузлі живлення (рис. 6.10, б). Реле КL8 у свою чергу знімає живлення зі всіх елементів синхронізатора. Таким чином, синхронізатор, виконавши операцію автоматичного увімкнення генератора, виводиться з роботи.

Увімкнення синхронізатора для повторної дії проводиться за допомогою кнопки S8, котушки реле КL8, що замикає коло по схемі самоутримування. Замикаючими контактами КL8.1, КL8.3, КL8.4 подається живлення до елементів синхронізатора. Одно­часно з подачею живлення трігери синхронізатора встановлюються в початковий стан. Синхронізатор УБАС виконаний з використанням напівпровідникових логічних елементів серії "ЛОГИКА–Т". Використання напівпровідникових логічних елементів дозволяє порівняно легко реалі­зувати вельми складні функції точної синхронізації і, крім того, робить цей пристрій надійним в роботі.

Рис. 6.10. Функціональні схеми; а – вузла увімкнення; б – вузла живлення