Тема: «Параллельная работа синхронных машин»

§1. Предварительные замечания.

На современных электрических станциях, как правило, устанавливается несколько генераторов, включаемых параллельно. Объясняется это тем, что график нагрузки станции колеблется как в различные времена года, так и в течение суток; при малой нагрузке ряд генераторов может быть включен, а оставшиеся будут при этом работать с большим использованием, что улучшает к.п.д. как самих генераторов, так и в особенности приводных двигателей. Кроме того, при аварии с одним генератором выбывает из строя лишь часть мощности, а не вся мощность станции.

В крупных промышленных центрах на параллельную работу включается ряд станций, что позволяет иметь меньшую резервную мощность и более выгодно использовать установленную мощность. Особенно выгодна параллельная работа паровых и гидроэлектрических станций.

Параллельная работа синхронных генераторов требует выполнения ряда специальных условий, необходимых для безаварийного включения генераторов на параллельную работу и для устойчивой и надежной работы их при эксплуатации энергосистемы.

Существует два способа включения синхронных генераторов в сеть:

• способ точной синхронизации;

• способ самосинхронизации.

До конца 40-х г.г. главное значение имел первый способ, но в настоящее время начал широко применяться второй, имеющий ряд ценных преимуществ по сравнению с первым способом.

§2. Условия параллельного включения синхронных генераторов по способу точной синхронизации.

2.1. Условия параллельного включения однофазных генераторов.

Пусть даны два однофазных генератора, один из которых, например I, работает, а генераторIIнужно включить параллельно к генераторуI.

Условия параллельного включения синхронных генераторов принципиально те же, что и генераторов постоянного тока, т.е. необходимо, чтобы, во-первых, э.д.с. включаемого генератора была равна напряжению сети, в которую он включается, а во-вторых, чтобы полярность включаемого генератора соответствовала полярности сети. Но в случае синхронных генераторов э.д.с. – переменная, как по величине, так и по знаку. Поэтому приходится говорить о совпадении мгновенных значений э.д.с. генераторов, другими словами, необходимо, чтобы э.д.с. включаемого генератора IIбыла в любой момент равна по величине, но обратна по направлению напряжению на шинах, т.е. напряжениюU, работающего генератораI.

Из этого условия вытекает, что:

а) формы кривых обеих э.д.с. должны быть одинаковы

Рис. Кривые э.д.с. E_IIи напряжения сетиU_Iв момент противофазы.

б) действующие значения э.д.с. должны быть равны

Ė_II = -Ů_I

в) частоты обоих генераторов должны быть равны

f_II=f_I

Соблюдение первого условия обеспечивается конструкцией современных синхронных машин; что же касается второго и третьего условий, то они целиком зависят от операций, производимых при включении генератора на общие шины. Поэтому ниже мы рассмотрим, что именно влечет за собой несоблюдение каждого из этих условий.

Первый случай.Пустьf_II=f_I, ноE₂≠U₁, напримерU₁>E_II. В этом случае в замкнутом контуре, образованном обмотками статоров обоих генераторов, появится разностная э.д.с. ΔE=U₁–E_II, вектор которой направлен в сторону вектораU₁.

U_I

ΔЕ

I_у

0

Ė_II

Рис. Уравнительный ток при U_I>E_II.

Под действием этой э.д.с. по обмоткам статоров обоих генераторов потечет уравнительный ток I_у.

Если пренебречь активным сопротивлением обмоток статоров, то по величине

I_у=,

где х_Iи х_II– синхронные индуктивные сопротивления генераторовIиII.

По фазе вектор тока I_уотстает от ΔЕ на 90°; стало быть, он отстает на те же 90° отU₁и опережает на 90° э.д.с. E_II. Таким образом, токI_уявляется по отношению к генератору с большей э.д.с. практически индуктивным и, создавая продольно-размагничивающую м.д.с. реакции якоря, стремится уменьшить эту э.д.с. Наоборот, по отношению к генератору с меньшей э.д.с. токI_уявляется емкостным и, создавая продольно-намагничивающую м.д.с. реакции якоря, стремится увеличить эту э.д.с. Таким образом, токI_устремится выровнять э.д.с. параллельно работающих генераторов, почему он и называется уравнительным.

Так как уравнительный ток является реактивным, то он не нагружает первичные двигатели и с этой точки зрения не представляет опасности. Кроме того, сопротивления х_Iи х_II синхронных машин относительно велики, вследствие чего токI_уне выходит за пределы номинального тока даже при относительно большой разности э.д.с. ΔЕ. Только в момент включения генератора на сеть возможен резкий бросок тока, который может создать на валу генератора опасные механические усилия.

Второй случай.ПустьU₁=E_II, ноf_II≠f_I. В этом случае получаются биения напряжения, т.е. сумма напряжения сети и э.д.с. приключаемого генератора бедет изменяться в пределах от 0 до 2U_I.

Биение будет происходить тем медленнее, чем ближе между собой частоты f_Iиf_II. Такого рода биения напряжения вызывают соответствующие биения тока, в результате чего возможны сильные механические толчки. В самом деле, э.д.с.U_I иE_IIможно себе представить в виде двух векторов, один из которых вращается с угловой скоростью ω_I= 2πf, а другой – со скоростью ω_II= 2πf_II. Вместо этого можно себе представить, что один из векторов неподвижен, а другой вращается относительно первого с разностью угловых скоростей ω_Iи ω_II; при этом он может совпадать с первым, находиться с ним в противофазе или занимать промежуточное положение.

Пусть в некоторый момент времени векторы U_I иE_IIрасположились так, как показано на рисунке. Их геометрическая сумма даст результирующую э.д.с. ΔЕ, под влиянием которой потечет некоторый ток биенийI_б, отстающий от ΔЕ по фазе почти на 90°.

Основная разница между уравнительным током I_уи токомI_бсостоит в том, что, как это можно видеть из диаграммы, токI_бпочти совпадает по фазе с э.д.с.E_IIи находится в противофазе с напряжениемU_I. Таким образом, токI_бв рассматриваемый момент времени является активным током, который не только нагружает генераторы, но и отражается на работе приводных двигателей. В худшем случае может получится, что не только рассматриваемый генератор не выйдет в синхронизм, но могут выпасть из синхронизма и другие параллельно работающие генераторы.

Очевидно, что ля более легкого включения на сеть необходимо добиться возможно меньшей разницы в частотах. Само включение нужно производить в тот момент времени, когда сумма мгновенных значений U_I+e_II= 0. После включения на параллельную работу в сети и в приключаемом генераторе установятся одинаковые частоты благодаря так называемой «синхронизирующей силе».

Определение того момента, когда можно произвести включение на сеть, можно производить при помощи синхронизирующих фазных ламп, которые нужно присоединить к зажимам генератора и шинам сети так, как показано на рисунке.

Первый способ включения фазных ламп называется включением на потухание (на темноту), второй – на свет. Когда U_I= -e_II, то напряжение на зажимах фазных ламп в первой схеме равно нулю, и они потухают, а во второй схеме на лампах получается двойное фазное напряжение сети, и лампы ярко горят. Поэтому момент включения генератора на сеть соответствует моменту потухания ламп, присоединенных по первой схеме, и моменту полного горения – во второй.

Итак, для приключения на сеть однофазных синхронных генераторов необходимо выполнить следующие условия:

1. действующее значение э.д.с. приключаемого генератора и его частота должны быть практически равны действующему значению напряжения сети и её частоте;

2. включение должно быть произведено в тот момент времени, когда сумма U_I+e_II= 0.

Всякое нарушение этих условий нежелательно, так как оно может привести к ненормальным явлениям и даже авариям.

2.2.Условия параллельного включения трехфазных синхронных генераторов.

Выводы, полученные для однофазных генераторов, можно перенести и на трехфазные генераторы. Однако, к первоначальным двум условиям параллельного включения, которые действительны для однофазных и трехфазных генераторов, прибавляется ещё третье условие, а именно: порядок следования фаз приключаемого генератора и генератора, уже работающего, должен быть один и тот же, например А_I-B_I–C_Iпервого иA_II–B_II–C_IIвторого. Так как по выводным концам генератора нельзя судить о порядке следования фаз, то его надо проверить перед включением генератора на шины.

Для проверки правильности включения применяют фазные лампы, включаемые во все три фазы генератора. При этом различают две схемы включения этих ламп: схему на потухание а) и схему на вращение света б).

В первой схеме каждая из ламп присоединяется к двум концам одного и того же ножа рубильника, во второй – две из ламп включается накрест. В случае одинакового чередования фаз обоих генераторов – работающего и приключаемого к сети – э.д.с. этих генераторов могут быть изображены двумя звездами с одинаковым чередованием векторов (см. рис. а) и б)).

а) Диаграмма э.д.с. при правильном б) Диаграмма э.д.с. при правильном

чередовании фаз и включении ламп чередовании фаз и включении ламп

на потухание на вращение света

Для простоты можно совместить их нулевые точки и считать, что одна из звезд, например, звезда А_I-B_I–C_I– неподвижна, другая – вращается относительно первой с разностью их угловых скоростей. Если лампы включены по схеме а), то, как это следует из диаграммы а), все лампы будут одновременно загораться и одновременно потухать.Включать рубильник следует в тот момент, когда лампы потухнут, так как в этом случае напряжение между лампами будет равно нулю.Этот способ включения называют включением на потухание.

Если лампы включены по схеме б), то, как следует из диаграммы б), лампы горят с различной яркостью, причем последовательность зажигания ламп (A–B–CилиA–C–B) зависит от относительной скорости вращения звезд э.д.с. и, следовательно, от относительной скорости вращения генераторов. Расположение лампы по кругу (см.рисунок), можно иметь в обоих случаях вращение света, но в одном случае это вращение происходит в одну сторону, а в другом – в другую. Включать рубильник следует в тот момент, когда лампаA_IA_IIпотухнет. Этот способ включения зазывается включением на вращение света.

Если чередование фаз разное, например, в одном генераторе A–B–C, а в другомA–C–B, то там, где должно быть потухание (рис. а) будет вращение света, и наоборот. Это указывает на несовпадение чередования фаз генераторов. Для устранения этого несоответствия достаточно поменять местами любые два проводника, идущие от генератора или от сети к рубильнику.

Операция параллельного включения генераторов носит ответственный характер, особенно при больших мощностях, поэтому в настоящее время широко распространены способы автоматического включения генератора на общие шины. Для включения следует добиться, возможно, медленного зажигания и потухания ламп, если синхроноскоп включен на потухание, или медленного вращения света, если включен на вращение света; а затем замкнуть рубильник в момент потухания всех ламп а) или лампы не включенной накрест б).