Обеспечение безопасной работы синхронного генератора с сетью

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ

Особенности работы генератора на сеть большой мощности

Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции или на каком-либо объекте, подключенном к энергосистеме, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой собственная мощность генератора является очень малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности т. е. что напряжение сети U_c и ее частота f_c являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Включение генератора на параллельную работу с сетью

В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты поломка генератора или первичного двигателя. Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети u_с и генератора и_г :

U_cm sin (щ_ct — б_с ) = U_гm sin (щ_г — б_г ).

На практике выполнение условия (6.27) сводится к выполнению трех равенств: значений напряжений сети и генератора U_cm = U_гm или U_c = U_г; частот щ_c = щ_г или f_с = f_г; их начальных фазб_с = б_г (совпадение по фазе векторов U_c и U_г). Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f_с ? f_га затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжения U_c = U_г. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (б_с = б_г) контролируется специальными приборами — ламповым и стрелочными синхроноскопами.

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности, поэтому обычно их используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети (рис. 6.32, а). На каждую лампу действует напряжение Дu = u_с — u_г, которое при f_с? f_г изменяется с частотой Дf = f_c — f_г, называемойчастотой биений (рис. 6.32,б). В этом случае лампы мигают. При f_с? f_г разность Ди изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.

Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений и_с и и_г перед включением генератора (б)

Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений Дu на короткое время становится близкой нулю, т. е. в середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов U_c и U_г. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения, т. е. обеспечение условия n₂ = n₁, происходит автоматически.

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этих приборах при f_с? f_г стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности. частот f_с — f_г, в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При f_с = f_г стрелка устанавливается на нуль; в этот момент и следует подключать генератор к сети. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.

Довольно часто применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуцированием тока в демпферной обмотке. После этого в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой бросок тока, который не должен превышать 3,5I_a ном .

Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного генератора при параллельной работе с сетью

Регулирование активной мощности

После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети U_c. Относительно внешней нагрузки напряжения U и U_c совпадают по фазе, а по контуру «генератор — сеть» находятся в противофазе, т. е. U = - U_c (рис. 6.33, а). При точном выполнении указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I_a после подключения машины к сети равняется нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I_a при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (6.23)

I_a = (E₀ — U)/(jX_сн) = -j (E₀ — U)/X_сн

Так как U = U_c = const, то силу тока I_а можно изменять только двумя способами — изменяя ЭДС Е₀ по величине или по фазе. Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор E₀ смещается относительно вектора U на некоторый угол и в направлении вращения векторов (рис. 6.33,б). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС ДЕ, приводящая согласно (6.28) к появлению тока I_а. Возникающую небалансную ЭДС ДE = E₀ — U = E₀ + U_c = jI_a X_сн можно показать на векторной диаграмме (рис. 6.33, б). Вектор тока I_а отстает от вектора ДЕ на 90°, поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением X_сн.

При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность

Р = mUI_acos ц и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол и, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор E₀ будет отставать от вектора напряжения U на угол и (рис. 6.33, в). При этом возникают небалансная ЭДС ДE и ток I_a, вектор которого отстает от вектора ДE на 90°. Так как угол ц > 90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением генератора. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р = mUI_a cos ц забирается из сети, и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный кего валу внешний момент (т. е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки — уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного в двигательный режим.

Регулирование реактивной мощности

Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 6.34, а), увеличить ток возбуждения Iв, то возрастет ЭДС Е₀ (рис. 6.34, б), возникнет небалансная ЭДС ДE = - jI_а X_сн и по обмотке якоря будет проходить ток I_а ,который согласно (6.28) определяется только индуктивным сопротивлением Х_сн машины. Следовательно, ток I_a реактивный: он отстает по фазе от напряжения U на угол 90° или опережает на тот же угол напряжение сети U_c. При уменьшении тока возбуждения ток I_aизменяет свое направление: он опережает на 90° напряжение U (рис. 6.34, в) и отстает на 90° от напряжения U_c .Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_а , т. е. реактивная мощность машины Q. Активная составляющая тока I_а в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р = 0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой создаются те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_а , т. е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины с током I_в.п, при котором реактивная составляющая тока I_аравна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения I_в больше тока I_в.п, при котором имеется режим полного возбуждения, то ток I_асодержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения I_в меньше тока I_в.п, то ток I_а содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.

Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора при параллельной работе с сетью и отсутствии активной нагрузки

Перевозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна емкости. Машину, специально предназначенную для работы в таком режиме, называют синхронным компенсатором и используют для повышения коэффициента мощности электрических установок и стабилизации напряжения в электрических сетях. Недовозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна индуктивности.

Возникновение реактивной составляющей тока I_а физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток сцепленный с каждой из фаз, УФ = Ф_рез + Ф_у = Ф_в + Ф_а + Ф_у не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как

U = E₀ + E_а + E_уа = - U_c = const.

Следовательно, если ток возбуждения I_в больше тока, требуемого для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока I_а, которая создает размагничивающий поток реакции якоря Ф_а; если ток I_в меньше тока, необходимого для полного возбуждения, то возникает опережающая составляющая тока I_а, которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Ф_а. Во всех случаях суммарный поток машины УФ автоматически поддерживается неизменным.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ С СЕТЬЮ

Способы регулирования

Изменение активной и реактивной мощностей синхронного генератора, работающего параллельно с сетью большой мощности, осуществляется путем изменения внешнего момента и тока возбуждения. Чтобы обеспечить требуемый режим работы генератора, обычно одновременно регулируют и ток возбуждения, и вращающий момент.

Рассмотрим два предельных случая регулирования: а) момента при неизменном токе возбуждения; б) тока возбуждения при неизменном внешнем моменте.

Работа генератора с неизменным током возбуждения

Для генератора с неявно выраженными полюсами векторную диаграмму (рис. 6.35, а)строят по уравнению U = E₀— jI_а X_сн .Вектор напряжения сети U_c по контуру обмотки генератора имеет направление, встречное вектору напряжения генератора, т. е. U = - U_c .

Если генератор работает с cos ц = 1, то вектор тока якоря I_а1 совпадает по направлению с вектором напряжения U, а вектор ЭДС E₀₁опережает эти векторы на угол и₁. При изменении нагрузки, например при ее возрастании, следует увеличить момент, приложенный к валу генератора. При этом угол в должен увеличиться до какого-то значения и₂ в соответствии с возрастанием мощности со значения P₁ до Р₂.

Принимая полезную мощность (отдаваемую в сеть), равной электромагнитной Р = т (Е₀/Х_сн) U sin и, для соотношения мощностей Р₁ и Р₂ имеем Р₁/Р₂ = sinи₁/sinи₂. Таким образом, при увеличении мощности с Р₁ до Р₂ вектор ЭДС E₀ поворачивается в сторону опережения и образует с вектором U угол и₂. Конец вектора E₀ скользит по окружности радиусом, равным Е₀, так как ток возбуждения остается неизменным.

Соединив конец вектора U с концом вектора E₀₂, получим вектор jI_а2 X_сн. Вектор тока I_а2перпендикулярен падению напряжения jI_а2X_сн, а его модуль определится из соотношения

I_a2/I_a1 = |I_а2X_сн|/|jI_а1X_сн|.

При уменьшении мощности с Р₁ до Р₃ следует уменьшить момент, приложенный к валу генератора. При этом новый угол и₃ меньше угла и₁. Построение всех векторов (рис. 6.35, а) на диаграмме и в этом случае аналогично описанному в предшествующем примере.

Векторные диаграммы синхронного генератора при различных режимах нагрузки

Приведенные диаграммы показывают, что при изменении внешнего момента, приложенного к валу синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, изменяется не только активная, но и реактивная мощность. Следовательно, для того чтобы обеспечить наиболее благоприятный или требуемый режим работы генератора, при изменении активной мощности необходимо регулировать и ток возбуждения.

Работа генератора с неизменным моментом

синхронный генератор сеть мощность Неизменность внешнего момента на валу генератора эквивалентна неизменности его мощности Р = mUI_a cos ц. При работе на сеть большой мощности U = U_с = const, следовательно, при изменении тока возбуждения остается постоянной активная составляющая тока якоря I_a cos ц = const. На векторной диаграмме (рис. 6.35, б) это условие выражается в том, что конец вектора I_а скользит по прямой АВ, перпендикулярной вектору напряжения U. Однако при неизменной мощности (для машины с неявновыраженными полюсами) справедливо условие

U-образные характеристики синхронного генератора

Р = (mЕ₀U/X_сн )sinи = const. При изменении тока возбуждения остаются неизменными все величины, кроме Е₀ и sin и; следовательно, условие неизменной мощности приводит к условию Е₀ sin и = const. На диаграмме это условие выражается в том, что конец вектораE₀ скользит по прямой CD, параллельной вектору напряжения U. Чем меньше ток возбуждения, тем меньше по модулю векторE₀, но больше угол и. Вектор тока I_аперпендикулярен вектору падения напряженияjI_а X_сн, поэтому его можно легко построить для каждого угла и. На рис. 6.35,б показаны положения векторов E₀, I_а и jI_а X_сн для трех значений тока I_в (эти векторы имеют индексы 1,2 и 3). Минимальному значению тока I_асоответствует режим работы при cos ц = 1. Чему соответствует определенный ток возбуждения. При увеличении тока возбуждения свыше этого значения или его уменьшения ток I_а возрастает. Зависимость тока якоря от тока возбуждения, называемая U-образной характеристикой, представлена на рис. 6.36. Для каждой мощности имеется вполне определенный ток возбужде-ния, которому соответствует минимум тока якоря. Чем больше мощность, тем больше ток возбуждения, соответствующий минимальному току якоря. Штриховая кривая, проведенная через точки минимумов, соответствует режимам работы генератора с cos ц = 1.

1. Рабинович И. Н., Шубов Н. Г. Проектирование машин постоянного тока. Л., 1967.

2. Хрущев В. В. Электрические микромашины автоматических устройств. М., 1978.

3. Ермолин Н. П. Электрические машины малой мощности. М., 1975.

4. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. М., 1980.

5. Испытание электрических микромашин/ Н. В. Астахов, Б. Л. Крайз, Е. М. Лопухина и др.М., 1973.

6. Кацман М. М., Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств. М., 1980.

7. Кацман М. М. Электрические машины. М., 1983.

8. Проектирование электрических машин /И. П. Копылов, Ф. М. Горяинов, Б. К. Клоков и др. М., 1980.

9. Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины и микромашины. М., 1981.

10. Важное А. И. Электрические машины. Л., 1974.

11. Гольдберг О. Д., Гурин Я. С, Сеириденко И. С. Проектирование электрических машин. М., 1982.