книги из ГПНТБ / Морозовский В.Т. Системы электроснабжения летательных аппаратов

личению активной нагрузки генератора. (Угол б возрастет на не­ которую величину.) В результате такого опережения вектора э. д. с. возникает некоторая разность потенциалов между зажи­ мами генератора и сетью АU, которая вызовет появление в цепи генератора уравнительного тока /у, величина которого опреде­ ляется формулой

7xd + хс

апо фазе, этот ток /у отстает от напряжения АU на 90°. На век­

торной диаграмме (рис. 8.11) изображен случай перехода гене-

£

ратора из режима холостого хода, т. е. когда э. д. с. Е уравнове­ шена напряжением сети Uc в режим нагрузки генератора.

На этой диаграмме увеличение нагрузки изображается тем, что вектор Е перемещается на угол б, получающаяся разность потенциалов АU изображается геометрической суммой векторов Е и Uс, ток /у генератора изображается на этой диаграмме век­ тором, отстающим от АU на угол 90°. Из диаграммы видно, что этот ток почти совпадает по фазе с э. д. с. исследуемого генера­ тора, т. е. является током активным или током нагрузки для данного генератора, а по отношению к напряжению сети этот ток находится почти в противофазе, т. е. является для сети (или генератора бесконечной мощности) током разгрузки.

Изменение электрической мощности генератора, работаю­ щего параллельно с сетью, При изменении его э. д. с. по фазе можно проследить по векторной диаграмме напряжений, приве­ денный на рис. 8.12.

190

Электрическая мощность, отдаваемая генератором во внеш­ нюю сеть, равна

Р — kab — sin 8.

Воздействуя на двигатель, увеличиваем приводящий во вра­ щение генератор момент, и получаем положение вектора э. д. с. Е2, определяемое углом ö2. Конец вектора э. д. с. будет описы­ вать окружность, а мощность для

р2 = кафг----- kx sin S2.

Наибольшая мощность соответствует 6= 90°, при 6= 0 мощ­ ность равна нулю. Аналогичная картина получается и при парал­ лельной работе генератора с некоторым конечным числом син­ хронных генераторов.

Таким образом, всякое изменение по фазе э. д. с. генератора, работающего параллельно с другими, вызывает изменение на­ грузки этого генератора. Изменение же э. д. с. данного генера­ тора по фазе обусловливается положением ротора этого генера­ тора относительно роторов других генераторов, причем опереже­ ние влечет за собой увеличение, а отставание — уменьшение нагрузки на этот генератор. Следует подчеркнуть, что воздей­ ствием на регулятор скорости для изменения активной нагрузки мы не меняем установившейся (синхронной) частоты вращения генератора. Однако в переходном режиме частота вращения генератора будет изменяться, характер изменения частоты вра­ щения в переходном режиме (апериодический, колебательный

ит. п.) определяется свойствами системы в-целом.

8.5. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ДВУХ, СОИЗМЕРИМЫХ ПО МОЩНОСТИ, СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Рассмотрим другой крайний случай параллельной работы двух, соизмеримых по мощности, генераторов, но более реальный для автономных электроэнергетических систем. Характер явлений, протекающих при этом, в основном тот же. Главным отличием является то, что здесь при изменении углов опережения 6 вектор

напряжения U шин не остается на диаграмме неподвижным, как это было ранее. В то же время и величина напряжения на шинах (величина вектора на диаграмме) не может оставаться неизмен­ ной в тех случаях, когда нагрузка генераторов изменяется и про­ исходит изменение возбуждения генераторов.

Как происходит перевод нагрузки с одного генератора на другой, можно понять, рассмотрев диаграмму рис. 8.13, а. На

этой диаграмме вектор U представляет напряжение на шинах параллельно работающих генераторов; вектор I — ток, отдавае­

мый обоими генераторами в сеть, а векторы Е\ и Е2 изображают э. д. с. первого и второго генераторов.

191

Развиваемая первым генератором мощность определяется углом öi, а вторым — углом 62.

Если одному из генераторов, например второму, сообщить некоторое опережение, то вектор его э. д. с. переместится вперед (влево на диаграмме) на некоторый угол Л62. Вместе с этим пере­

местится несколько вперед и вектор U (в положение U') , а также

и вектор I (в положение /'). Энергия, отдаваемая после этого генераторами, определяется углами б / и бг'. Мощность второго генератора возрастает, а мощность первого соответственно

Рис. 8. 13. Векторная диаграмма для случая параллельной работы двух однотипных синхронных генераторов

уменьшается. Таким образом совершается перевод некоторой части нагрузки с первого генератора на второй.

Если потребление энергии в сети возрастет, то для двух агре­ гатов, подобных между собой, на диаграмме рис. 8.13,6 это

выразится тем, что векторы тока I и напряжение 0 переместятся в Ноложение Г и 0' так, что мощности генераторов определяются

теперь соответственно углами бі и бгВектор тока при этом воз­ растет, а вектор напряжения немного уменьшится, если возбуж­ дение генераторов остается неизменным. Для того чтобы неиз­ менным осталось напряжение сети, необходимо соответственно увеличить возбуждение обоих генераторов. Если на общую сеть работает параллельно несколько одинаковых генераторов, то мощность между ними распределяется приблизительно пропор­ ционально их углам упреждения. Общая мощность всех генера­ торов (в случае одинаковых генераторов) приблизительно про­ порциональна сумме углов опережения всех генераторов. Для перевода нагрузки с одной группы машин на другую необходимо, воздействуя на регуляторы механических двигателей этих агре­ гатов, создать соответствующее опережение их роторов. Чтобы сохранить неизменной частоту сети, необходимо одновременно уменьшить углы б для остальных машин и притом так, чтобы

192

сумма уменьшения углов их опережения равнялась сумме уве­ личений углов первой группы машин.

Если сетью потребляется, кроме активного, и реактивный ток, то этот ток распределяется между всеми параллельно рабо­ тающими генераторами и при этом поровну, если возбуждение их одинаково. Перевод реактивной нагрузки с одной машины (или с группами машин) на другую достигается уменьшением возбуждения этой машины. Для поддержания неизменным на­ пряжения на шинах необходимо с уменьшением возбуждения одной машины (или группы машин) соответственно увеличивать возбуждение остальных машин.

Следует отметить, что для получения наименьших потерь в меди якорей параллельно работающих генераторов одинаковой мощности необходимо распределять между ними реактивный ток, потребляемый сетью, поровну посредством управления воз­ буждением генераторов.

Правильное распределение активных и реактивных нагрузок между совместно работающими генераторами сравнительно легко достигается автоматической коррекцией регуляторов ча­ стоты и напряжения генераторов по наперед заданному закону (в зависимости от принятого метода распределения нагрузок).

8.6. МЕТОДЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ АВИАЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

На летательных аппаратах, оборудованных несколькими источниками тока, как правило, в параллельную работу вклю­ чаются однотипные генераторы. Для того чтобы обеспечить луч­ шее использование располагаемой электрической мощности, не­ обходимо распределить нагрузку между генераторами равно­ мерно. Если нагрузка распределяется между генераторами неравномерно, то мощность нагрузки будет лимитирована наи­ более нагруженным генератором. Это возникает потому, что не­ смотря на то, что некоторые из работающих параллельно гене­ раторов могут быть недогружены, дальнейшее уменьшение сопротивления нагрузки может привести к выходу из строя наи­ более нагруженного генератора.

Кроме того, при равномерной нагрузке генераторов для всей системы в целом получается больший к. п.д. и коэффициент мощ­ ности (при параллельной работе синхронных генераторов). Поэтому при параллельной работе авиационных генераторов необходимо предусмотреть специальные меры для равномерного распределения нагрузок между ними.

Равномерное распределение нагрузок должно осуществляться автоматически, без вмешательства членов экипажа:

При параллельной работе генераторов постоянного тока рав­ номерное распределение нагрузок между генераторами может быть осуществлено путем воздействия на регуляторы напряже-

ния генераторов. При параллельной работе синхронных генера­ торов воздействием на регуляторы напряжения можно управлять лишь распределением реактивных мощностей. Для управления распределением активных мощностей необходимо воздействовать

автоматизации распределения нагрузок между работающими параллельно генераторами.

Так как эти методы применимы как для распределения актив­ ных так и для распределения реактивных нагрузок, то рассмот­ рим их применительно к простейшему случаю — автоматиче­ скому распределению нагрузок при параллельной работе генера­ торов постоянного тока (рис. 8.14). На этой схеме сопротивление участка сети от зажимов генератора до общих шин Рс отнесено к внутреннему сопротивлению генератора, а регуляторы напря­ жения генераторов изображены прямоугольниками.

Метод статических характеристик

При этом методе распределения нагрузок все регуляторы генераторов (в данном случае регуляторы напряжения) берутся статическими, т. е. регулирование напряжения генераторов осу­ ществляется в соответствии со следующими уравнениями:

где Ph — мощность k-ro генератора;

Sh — статизм k-ro регулятора напряжения;

Uno — напряжение настройки k-ro регулятора напряжения.

194

Решая эти уравнения относительно Р*, получим

Из последнего соотношения нахо­ дим

П

(8.37)

Последнее уравнение описывает закон, по которому осущест­ вляется автоматическое распределение мощностей.

Возьмем частный случай, когда настройка регуляторов оди­ накова и 10= и 20= ... =U„o=Uo.

Тогда соотношение (8.38) принимает вид:

Из последнего выражения следует, что мощность между гене­ раторами распределяется обратно пропорционально статизму регуляторов напряжения. Это наглядно иллюстрируется графи­ чески (рис. 8.15), где изображены статические характеристики четырех, работающих параллельно, генераторов, оборудованных статическими регуляторами напряжения. Наибольшая нагрузка

Если статизм всех регуляторов одинаков и равен s0, то из (8.39) следует:

т.е. нагрузка между генераторами будет распределена поровну.

Кнедостаткам этого метода распределения нагрузок относится зависимость напряжения на общих шинах от величины общей нагрузки, так как из формулы (8. 37) следует (если напряжение настройки регуляторов одинаков):

Метод астатической характеристики

Из изложенного выше следует, что если все регуляторы на­ строены астатически (Sfe = 0), то распределение нагрузок между генераторами становится неопределенным, так как уравнение (8.39) принимает вид

Р к

P k = — оощ----- неопределенность.

0(• ) оо

Внекоторых случаях оказывается целесообразным один из генераторов оборудовать регулятором напряжения с астатиче­ ской характеристикой, а все остальные регуляторы напряжения взять статическими. Пусть п регуляторов имеют статические

характеристики, а п +1 регулятор — астатическую характери­ стику. Это приведет к тому, что в системе за счет астатического регулятора напряжение на шинах будет строго постоянным ({/ = const), поэтому на каждый из генераторов, имеющих регу­ лятор со статической характеристикой, нагрузка строго по­ стоянна. Всю дополнительную нагрузку принимает на себя гене­ ратор, имеющий астатическую характеристику.

Это наглядно видно из графика (рис. 8.16), на котором при­ ведены внешние характеристики четырех работающих парал­ лельно генераторов, причем четвертый генератор оборудован астатическим регулятором напряжения. Нагрузки на три генера­

Такой метод распределения нагрузок целесообразно приме­ нять там, где имеются небольшие изменения общей нагрузки и генераторы выгодно заставить работать в режиме номинальной мощности (например, генераторы на ТЭЦ), а все непредусмот­ ренные колебания нагрузки перенести на один генератор (на­

196

пример, гидрогенератор), для которого не так важно постоян­ ство нагрузки.

Достоинством этого метода является постоянство регулируе­ мой координаты (в данном случае напряжения), к недостаткам относится плохое использование генератора, на который возла­ гается регулирование распределения мощностей. В частности, получается, что вся перегрузка в системе воспринимается лишь генератором, оборудованным астатическим регулятором.

Некоторым видоизменением этого метода распределения нагрузок является метод веду­ щего генератора. Отличие его от метода астатической харак­ теристики заключается в том, что генераторы со статически­ ми регуляторами оборудованы уравнителями мощностей, при помощи которых нагрузка ге­ нераторов устанавливается пропорциональной нагрузке ге­

нератора с астатической характеристикой регулирования. Пос­ ледний называется ведущим генератором. Для данного случая закон регулирования генераторов со статическими регуляторами имеет вид

ведущего генератора Раст, тем выше располагается внешняя характеристика каждого генератора. Процесс распределения на­ грузок при этом можно представить состоящим из двух этапов. На первом этапе всю избыточную нагрузку принимает на себя ведущий генератор. Затем, на втором этапе, вступают в действие уравнители нагрузок и все внешние характеристики остальных генераторов поднимаются, оставаясь параллельными самим себе. Вследствие этого нагрузка на ведущий генератор уменьшается, а на все остальные возрастает. В конце процесса распределения нагрузок общая нагрузка будет распределена пропорционально между всеми генераторами.

Метод последовательной нагрузки генераторов до номинальной мощности

В некоторых случаях частота вращения приводов синхронных генераторов меняется в довольно узких пределах, так что частота тока не выходит за допустимые пределы, в то время как скорость вращения самих приводов регулироваться не может. (Случай

197

привода от турбовинтовых авиационных двигателей или механи­ ческих вариаторов скорости вращения.) Здесь непосредственное включение генераторов на параллельную работу осуществлено быть не может. Для возможности осуществления параллельной работы авиационных синхронных генераторов в этом случае можно между валами приводов и роторами синхронных

Один из способов осуществления параллельной работы синхрон­ ных генераторов при небольших вариациях скоростей вращения первичных двигателей был предложен А. Ф. Федосеевым. Сущ­ ность этого способа осуществления параллельной работы син­ хронных генераторов сводится к следующему: между валами приводов и роторами синхронных генераторов устанавливаются фрикционные и обгонные муфты. В зависимости от частоты вра­ щения приводов, генераторы будут подключаться на параллель­ ную работу поочередно. Фрикционные муфты рассчитываются так, чтобы через них на ротор генератора передавался вращаю­ щий момент не больше номинального. Как только вращающий момент начинает превышать номинальный, так фрикционные муфты начинают проскальзывать, и энергия скольжения выде­ ляется в муфте в виде тепловой. Обгонные муфты механически расцепляют ротор генератора и вал первичного двигателя как только частота вращения синхронного генератора становится больше частоты вращения вала привода. Если нагрузка в сети не превышает номинальной, то ее примет на себя лишь тот гене­ ратор, частота вращения которого наибольшая. Остальные гене­ раторы будут отключены от приводов своими обгонными муф­ тами и будут работать в режиме синхронных компенсаторов, отдавая в сеть реактивную мощность. Когда нагрузка в сети для одного генератора превысит номинальную, его фрикционная муфта начнет проскальзывать, частота вращения и частота тока будут снижаться. Когда частота в сети достигнет значения, соот­ ветствующего частоте вращения привода ближайшего генера­ тора, то он вступит в работу, т. е. включится в параллель с гене­ ратором, фрикционная муфта которого работает в скользящем режиме. После того, как нагрузка и на второй генератор достиг­ нет номинальной, частота снова несколько снизится и в работу вступит третий генератор и т. д. При этом роли генераторов будут непрерывно меняться.

К недостаткам такого метода распределения нагрузок между работающими параллельно генераторами относятся их неравно­ мерная нагрузка, непостоянство частоты сети и недостаточная надежность системы из-за тяжелого режима работы фрикцион­ ных муфт. Поэтому этот метод распределения нагрузок полу­ чил на самолетах ограниченное применение.

198

ционных электросистемах постоянного и переменного тока. Сущ­ ность этого метода заключается в том, что на каждом из гене­ раторов устанавливается астатический регулятор (для случая параллельной работы генераторов постоянного тока — регуля­ тор напряжения), на вход которого подается управляющий сиг­ нал (сигнал перестройки регулятора), пропорциональный откло­ нению мощности данного генератора от среднего значения мощ­ ности работающих параллельно генераторов.

Закон регулирования напряжения генераторов имеет сле­ дующий вид:

U = Uv= U w- s 1{P1- P cv)\ ■

Систему уравнений (8.44) можно переписать в несколько ином виде:

(Pk- P cp)= ± ( U k0- U ) SK

£ = 1,2

Суммируя все п уравнений, получим

199