9.3.6. Включение генераторов на параллельную работу

Как уже отмечалось, для включения генераторов постоянного тока на параллельную работу необходимо, чтобы напряжения на зажимах их были одинаковыми и чтобы полярность включаемого генератора соответствовала полярности сети. При этом напряже­ние подключаемого генератора устанавливают несколько выше напряжения работающих генераторов, чтобы сразу же после за­мыкания контактов выключателя генератор принял на себя часть нагрузки работающих машин. Затем по мере прогрева привод­ного двигателя подключаемого генератора напряжение на его зажимах увеличивают и одновременно уменьшают напряжение работающих машин так, чтобы напряжение на шинах осталось без изменения.

Процесс перераспределения нагрузки протекает следующим образом. Например, при увеличении тока возбуждения подклю­чаемого генератора возрастает его напряжение, от чего увеличи­вается нагрузка и снижается частота вращения приводного дви­гателя. При этом начинает действовать регулятор частоты, уве­личивая подачу топлива или пара (в зависимости от типа привод­ного двигателя), и восстанавливает частоту вращения агрегата при соответственно увеличенной его мощности.

При необходимости отключения одного из генераторов умень­шают его возбуждение и одновременно увеличивают возбуждение других машин так, чтобы напряжение на шинах оставалось по­стоянным. Эту операцию производят до тех пор, пока ток генера­тора не станет равным нулю.

Следует иметь в виду, что при чрезмерном уменьшении напря­жения отключаемого генератора его ток может изменить направ­ление и машина перейдет в двигательный режим, что может привести к аварии. Во избежание этого предусматривается уста­новка реле обратного тока, отключающего генератор при измене­нии направления тока.

Условия параллельного включения СГ, по существу, те же, что и генераторов постоянного тока, но напряжения СГ изменя­ются по величине и по знаку. Поэтому у СГ имеется в виду совпа­дение мгновенных значений их напряжений, т. е. u1=u2, что оп­ределяет следующие условия включения СГ на параллельную ра­боту.

• формы кривых напряжений u1 и u2 должны быть одинако­выми;

• действующие значения напряжений должны быть равны между собой;

• напряжения должны совпадать по фазе;

• частоты должны быть одинаковыми;

• порядок чередования фаз (для 3-фазных машин) должен быть одинаковым.

Выполнение первого условия обеспечивается конструкцией со­временных генераторов, последнего—при монтаже, а остальных— в зависимости от того, как производятся операции, связанные с включением генераторов на параллельную работу. Выполнение их контролируется вольтметрами, синхроноскопами и частотомерами.

При несоблюдении условий включения СГ на параллельную работу, например при неравенстве действующих значений напря­жений, могут возникнуть большие уравнительные токи. При не­выполнении третьего и четвертого условий возникают напряже­ния биения.

Представим напряжения U1 и U2 в виде двух векторов, один из которых неподвижен, а другой вращается относительно пер­вого со скоростью, равной разности угловых скоростей 2f1-2f2.

Пусть в некоторый момент времени векторы U1 и U2 распо­ложены так, как показано на рис. 120. Их геометрическая сумма определяет напряжение U, под влиянием которого по цепи пой­дет ток биений Iб, отстающий от напряжения U по фазе на 90°. В отличие от уравнительного тока ток биения близок по фазе к напряжению U2 и находится в противофазе с напряжением U1. Таким образом, в рассматриваемый момент ток является актив­ным и не только нагружает генераторы, но и влияет на работу при­водных двигателей.

Напряжение биений возникает при несин­хронной работе генераторов и зависит от величины рассогласо­вания частот и от угла сдвига фаз между напряжениями. Макси­мального значения, равного 2Um, напряжение биения достигает при угле сдвига фаз, равном 180°.

Итак, невыполнение условий безаварийного включения генера­торов на параллельную работу приводит к возникновению пере­ходных процессов, которые сопровождаются толчками уравнитель­ного тока между генераторами, и механического момента на валах приводных двигателей. Эти явления обычно сопровождаются зна­чительными отклонениями напряжения судовой сети.

Все это может привести к тому, что не только включаемый ге­нератор не войдет в синхронизм, но могут выпасть из синхро­низма и другие параллельно работающие генераторы. Вот поче­му включение генератора на параллельную работу с другими, уже работающими, представляет собой весьма ответственную задачу, которая должна выполняться при строгом соблюдении всех усло­вий, гарантирующих параллельную работу ГА судовой электро­станции.

Процесс включения генераторов переменного тока на парал­лельную работу при выполнении указанных выше условий назы­вается синхронизацией.

Синхронизация предусматривает выполнение следующих основ­ных требований:

• уравнительный ток в первый момент включения должен быть возможно меньшим;

• после включения генераторы должны оставаться в синхро­низме;

• процесс синхронизации не должен вызывать отклонения пара­метров судовой сети выше допустимых.

Синхронные генераторы могут включаться на параллельную работу способами точной синхронизации, грубой синхронизации и самосинхронизации, причем эти способы включения осуществля­ются как вручную—оператором, так и автоматически.

Точная синхронизация. При точной синхронизации напряжение подключаемого СГ должно несколько превышать напряжение на шинах, а частота вращения СГ должна быть близкой номиналь­ной. Для этого обычно на ГРЩ располагают кнопочные посты управления серводвигателями SB1 и SB2 (рис. 121), воздейст­вующие на регуляторы частоты вращения приводных двигателей ПД. Включая серводвигатель Ml или М2 в ту или иную сторону, повышают или понижают частоту вращения подключаемого СГ до нужного значения. Затем, пользуясь синхроноскопом SS, улав­ливают момент близкого совпадения по фазе напряжения на ши­нах и напряжения подключаемого СГ и выключателем Q включают генератор на параллельную работу.

Наибольшее применение получили синхроноскопы 2-х типов: на лампах накаливания и сельсинах. В простейшем случае синхроноскоп может быть выполнен на одной лампе, включенный между одноименными фазами сети и включаемого генератора.

На практике чаще всего используется 3-х ламповая схема синхроноскопа, причем возможно 2 варианта ее выполнения. На погасание ламп и на « вращение огня». В первом случае лампы включены между одноименными фазами А-А, В-В, С-С. В этом случае на каждой лампе напряжение биения может изменяться с частотой равной разности f3=f1-f2, см. рис. 122. Причем момент погасания лампы свидетельствует о совпадении векторов напряжения U1 и U2, то есть все лампы будут гореть пульсирующим огнем.

Во втором случае используются схемы вращения огня, одна из ламп включена между одноименными фазами, например А-А, а две другие – между разноименными, см. рис. 123.

В результате схема дает эффект вращения огня, со скоростью – пропорциональной разности частот, при этом направление вращающегося огня зависит от того, отстает или опережает вектор напряжения включаемого генератора от вектора напряжения сети.

Здесь момент включения генераторного выключателя выбирается по двум факторам: возможно низкая скорость вращения огня, и момент погасания ламп включенными между одноименными фазами.

Второй тип синхроноскопа выполненный на сельсинах, представляет стрелочный прибор в котором вращается со скоростью равной частоте сети, и по ее положению определяется момент включения.

После подключения СГ постепенно, известным способом уве­личивают его нагрузку, для чего воздействуют посредством кно­почных постов на регуляторы приводных двигателей: у подклю­чаемого генератора в сторону увеличения частоты вращения, у работающего—в сторону снижения ее в таких пределах, чтобы частота сети оставалась неизменной.

При одинаковых генераторах и малом значении Хс (эквивалентное индуктивное сопротивление соединительной цепи) наибольшее значение уравнительного тока

При этом уравнительный ток равен ударному току ко­роткого замыкания одного ге­нератора.

Таким образом, включению СГ на параллельную работу способом точной синхрониза­ции должны предшествовать замеры и сравнения следую­щих величин работающего и подключаемого генераторов: напряжения, частоты, угла сдвига  между векторами напря­жения.

Подключение генератора к системе производится при выполне­нии следующих условий:

u1u2, f1f2, =0.

На зажимах одноименных фаз двух несинхронно работающих генераторов возникает напряжение биения, огибающая которого показана на рис. 125. Эта кривая характеризуется периодом бие­ния tб и максимальным значением напряжения Uбmах.

Подключение генератора на параллельную работу следовало бы производить в точке, где uб=0, так как при этом выполня­ются указанные выше условия. Однако, принимая во внимание определенную продолжительность срабатывания выключателя, оператор должен воздействовать на его цепь управления не в мо­мент времени, соответствующий uб=o, а с некоторым опереже­нием tоп, равным времени срабатывания аппарата tср. Сказан­ное выше обусловливает высокие требования в отношении точно­сти выполнения операций по синхронизации генераторов.

Грубая синхронизация. Отличается от точной синхронизации тем, что генератор подключается на шины не прямо, а через ре­активное сопротивление Хр, включенное в каждую фазу, которое после втягивания СГ в синхронизм отключается контакторами К1 и К2 (рис. 124). Введение сопротивления между генераторами ограничивает уравнительные токи даже при значительных сдви­гах напряжения генераторов по фазе и потому не требует особой точности при выборе момента включения коммутационного ап­парата.

Наибольшее значение уравнительного тока

где U—напряжение синхронизируемого генератора.

Реактор для синхронизации генераторов мощностью 50 - 1500 кВт имеет индуктивное сопротивление 1,3—1,8 (о е) при разности частот 2 Гц, массу обмотки 90 кг.

Правильный расчет и выбор реактора, а также установление допустимых пределов разности частот синхронизируемых генерато­ров обеспечивают втягивание в синхронизм генераторов в тече­ние 1,5—3 с Максимальные всплески токов и провалы напряже­ния при этом не превышают допустимых значений Так как про­цесс грубой синхронизации проходит довольно быстро, реакторы рассчитываются на кратковременную работу.

Отсутствие необходимости в точном выборе момента включе­ния генератора является существенным достоинством способа гру­бой синхронизации, а к его недостаткам следует отнести наличие специальных реакторов и коммутационных аппаратов

Самосинхронизация. При самосинхронизации частоту вращения подключаемою генератора доводят до значения, близкого к но­минальному, и без возбуждения подсоединяют к шинам работа­ющего генератора, затем подают возбуждение, и генератор втягивается в синхронизм

Так как ЭДС подключаемого генератора равна нулю, то максимальное значение уравнительною тока в момент замыкания контактов будет вдвое меньше возможного максимального тока при синхронизации возбужденных генераторов Однако уравнительный ток все же значителен и может вызвать большие кратко­временные провалы напряжения в сети. Скачок тока при подключении генератора зависит от соотношения мощностей работающего и подключаемого генераторов. При включении СГ у параллельно работающего генератора, имеющего такую же мощность, напряже­ние может снизиться до 50 % номинального, а у генераторов, мощность которых представляет 25-30% мощности ЭС, —до 15—20 %. Генераторы различной мощности при самосинхрониза­ции надежно втягиваются в синхронизм При этом начальный ток статора составляет (2—4,5) Iном, провалы напряжения—до 20— 40 %, время синхронизации—до 1—1,5 с при скольжении ±2—3%.

Способ самосинхронизации не может быть применен, когда оба генератора работают с нагрузкой и включение их на парал­лельную работу производится с целью перевода всей нагрузки на один генератор или для создания в системе вращающегося резер­ва мощности.

Самосинхронизация генераторов осуществляется крайне про­сто, так как при этом способе включения СГ не нужно улавли­вать моменты совпадения фаз ЭДС подключаемого и работаю­щего генераторов. Тем не менее из-за возможных больших прова­лов напряжения этот способ синхронизации на судовых электро­станциях применения не находит и может использоваться лишь в отдельных электрических установках, например в гребных элект­рических установках.

Автоматическая синхронизация. Включение СГ на параллельную работу способом точной синхронизации требует от обслуживаю­щего персонала соответствующих знаний и навыков. При непра­вильном включении генератора судно может полностью или ча­стично остаться без электроэнергии. При этом могут лишиться питания и механизмы, от которых зависит живучесть судна.

В настоящее время применяются устройства автоматической точной синхронизации генераторов, которые позволяют произво­дить включение СГ на параллельную работу практически без скачков тока и провалов напряжения в судовой сети.

При этом необходимо соблюдение следующих уже известных нам условий:

• скольжение не превосходит допустимой величины;

• угол сдвига фаз между сравниваемыми напряжениями в мо­мент замыкания контактов выключателя близок к нулю;

• разность амплитуд сравниваемых напряжений не превышает допустимой величины.

При полуавтоматической точной синхронизации подгонка ча­стоты подключаемого генератора осуществляется вручную дистан­ционно с пульта управления специальным ключом, а включение автомата—от сигнала синхронизатора.

При ручной точной синхронизации операции по подгонке ча­стоты и включение автомата производятся дистанционно вручную с контролем по синхроноскопу и частотомерам, установленным на пульте управления.

Для осуществления автоматической, полуавтоматической и ручной синхронизации на пульте управления кроме автоматиче­ского синхронизатора и синхроноскопа установлены ключи син­хронизации. Эти ключи представляют собой универсальные па­кетные переключатели на два рабочих положения: «Автома­тическая синхронизация» и «Ручная синхронизация», и нулевое положение, когда все цепи разомкнуты.