9. Включение сг на параллельную работу. Синхронизация генераторов.

Синхронные машины включают параллельно, чтобы вырабатывать больше мощности, для надёжности системы, снизить аварийность, возможности резервирования мощности, для маневрирования энергоресурсами, если они носят сезонный характер.

Обычно на станции используется несколько синхронных машин, включенных параллельно. Главным условием работы на параллель является то, что частота вырабатываемого тока всех генераторов должна быть одинакова (т.е. все генераторы должны иметь одну и ту же частоту). Отсюда следует, что частоты вращения у них должны быть обратно пропорциональны их парам полюсов.

Будем рассматривать включение синхронных машин в сеть или подключение её к другим синхронным машинам. Необходимо избегать при этом чрезмерных бросков тока, поскольку при слишком больших бросках тока при включении возникают ударные электромагнитные силы и моменты, которые способны вызвать повреждение генератора и нарушить работу энергосистемы.

Совокупность регулировочных операций, обеспечивающих включение на параллельную работу генератора по возможности без бросков тока и ударных электромагнитных сил, называется синхронизацией. Т.е. перед включением в сеть нам нужно наш синхронный генератор (СГ) синхронизировать с сетью.

1. Способ точной синхронизации. При этом методе сеть и машина практически не чувствуют, что машина подключена к сети (нет тока между сетью и машиной). Для этого нужно соблюсти следующие условия:

-напряжение подключаемого генератора должно быть (д.б.) равно напряжению сети. А если мы подключаем генератор к другому (уже работающему) генератору, то значит напряжение генератора (который мы подключаем) должно быть равно напряжению уже работающего генератора.

-частота генератора д.б. равна частоте сети

-чередование фаз генератора и сети д.б. одинаковым

-напряжения генератора и сети д.б. в фазе.

Если эти условия соблюдаются, тогда разность между вектором напряжения генератора и вектора напряжения сети по всем трём фазам будет равна нулю. А это значит, что при подключении ток из генератора в сеть не потечёт.

Как выполняются эти условия? Для равенства напряжений (генератора и сети) регулируют ток возбуждения генератора. Это равенство контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы генератора по отношению к напряжению сети достигается изменением скорости вращения генератора и контролируется специальным прибором, который называется синхроскоп. Правильность чередования фаз также контролируется синхроскопом. Им также контролируется совпадение по фазе напряжения генератора и сети. Бывают ламповые, автоматические (контроль осуществляется с помощью специальных измерительных элементов).

Что произойдёт, если мы неправильно включаем генератор? Это может привести к тяжёлым авариям, особенно если генератор подключается к мощной энергосистеме. Допустим, мы включили генератор в сеть так, что напряжение генератора и сети находятся в противофазе (т.е. между ними 180 градусов). Такое включение в сеть (если сеть достаточно мощная) практически равносильно короткому замыканию на напряжение, в 2 раза большее напряжению сети. При этом ударный ток м.б. больше номинального в 10-12 раз, а электромагнитные силы, которые действуют на обмотки, могут превышать номинальные больше чем в 100 раз. Это может привести к поломке генератора и проблемам в самой сети.

Рассмотрим ламповый синхроскоп. На рисунке изображён СГ, который включается в сеть через специальные электрические лампочки. Возможны 2 варианта подключения: а). на потухание огня и б). на вращение огня.

На потухание огня лампы включаются последовательно в каждую фазу синхронной машины (СМ). На вращение огня одна лампа включается в фазу, а две другие включаются на линейное напряжение.

а). На потухание огня

Если с помощью тока возбуждения мы выровняли наши напряжения (сети и генератора) и затем с помощью двигателя, который вращает ротор генератора (первичный двигатель) сделали так, чтобы частота вращения генератора была такова, что частота тока в нем совпадала с частотой сети, то тогда векторы фаз напряжения сети и векторы фаз напряжения генератора совпадали бы и между напряжением сети и генератора напряжения бы не было (т.е. на 3й фазе при потухании огня напряжение равнялось бы нулю). Следовательно, наши лампы не горели бы. Именно в этот момент и нужно включать генератор (когда совпадают напряжения сети и генератора по величине и фазе). Это видно из векторной диаграммы на рисунке.

Обычно трудно достичь полного совпадения частот. На кривых изменения во времени напряжений генератора и сети (на рисунке) видно, что разность этих напряжений в некоторых точках равна нулю, а потом опять возрастает. Т.е. когда мы подключаем СМ в сеть, мы будем видеть, что лампы то гаснут одновременно, то снова загораются, и нам нужно включить на параллельную работу генератор в момент, когда разность напряжений равна нулю (т.е. когда все лампы погаснут).

В случае б) на вращение огня при полном совпадении векторов напряжений 1я лампа, например, не будет гореть, а две другие будут гореть с одинаковой силой. Но поскольку частоты несколько плывут, то лампы будут поочередно загораться и гаснуть, поэтому такое название (вращение огня). Сначала погаснет левая лампа, потом средняя, потом правая и опять левая. Включать генератор надо тогда, когда одна лампа погасла, а две другие горят с одинаковой силой.

Если вдруг окажется, что мы включили нашу СМ в сеть методом «на потухание огня» и видим, что лампы загораются одна за другой, а не одновременно, или если мы включили наши лампы способом «на вращение огня» и видим, что они гаснут и загораются одновременно, это значит, что у нас перепутаны 2 фазы и мы должны их поменять и в том, и в другом случае.

Поскольку иногда лампы загораются раньше, чем наступает ноль (разности напряжений сети и генератора) и лампы включаются несколько позже момента наступления нуля, т.е. мы не совсем попадаем в точку, где разность напряжений равна нулю (на кривой изменения во времени напряжений на рисунке), включают специальный вольтметр с расширенной шкалой. По этому вольтметру дополнительно проверяют равенство нулю напряжений и в этот момент включают лампы.

С помощью лампового синхроскопа синхронизируют только маломощные СГ, а мощные СГ синхронизируют с помощью специальных электромагнитных синхроскопов, которые работают по принципу вращающегося магнитного поля. Стрелка у них вращается в ту или иную сторону в зависимости от того, чья частота больше – генератора или сети. Когда стрелка замирает, включают такой генератор. Обычно на электростанциях если у нас плановое включение генератора в сеть, то применяют автоматические синхронизаторы, которые автоматически регулируют напряжение и частоту генератора. Но процесс такого автоматического регулирования длится от 5 до 10 минут, и если у нас аварийная ситуация в энергосистеме, то такой длительный период регулирования для подключения недопустим, ведь генератор надо в этом случае включать быстро. Быстрое включение можно произвести способом грубой синхронизации или самосинхронизации.

2. Способ грубой синхронизации или самосинхронизации. При этом способе не нужно точно регулировать частоту подключаемого генератора, его напряжение и фазу, поэтому процесс сильно упрощается. Генератор без возбуждения (т.е. когда ещё не подано возбуждение) раскручивают до некоторой скорости, которая отличается от синхронной на величину не больше 2%. После того как его раскрутили, его включают на сеть и немедленно подаётся ток возбуждения. Под воздействием возникающего электромагнитного момента генератор втягивается в синхронизм. Все включение занимает очень мало времени. При этом произойдёт бросок тока, поскольку такое включение равносильно короткому замыканию на напряжение, равное номинальному. Но поскольку в цепи СГ обычно включается последовательно ещё повышающий трансформатор, шинопроводы и т.д., то ток включения все-таки ограничен. По правилам включение СГ данным методом разрешается, если отношение токов включения к номинальному не будет больше, чем 3,5.

Синхронные режимы параллельной работы СМ.

Если машина вращается с синхронной скоростью, мы называем такой режим синхронным. Будем считать, что СГ подключен к сети бесконечной мощности, т.е. напряжение и частота сети постоянны. Т.е. мы считаем, что когда мы подключаем этот СГ к сети, напряжение и частота сети не изменяются. Также будем считать (для простоты), что наш генератор неявнополюсный и сопротивление якоря у него равно нулю. Векторная диаграмма для такого СГ будет такой же, как на рисунке, за исключением вектора -r_aI. Соответственно, первое уравнение будет таким же, как на рисунке, только без последнего члена. Это уравнение для неявнополюсной СМ. Т.к. r_a = 0, то ток равен (второе уравнение) разности ЭДС и напряжения, делённое на синхронное индуктивное сопротивление x_d. Эту разность будем обозначать как Таким образом, ток появляется тогда, когда есть ненулевая разность .