Параллельная работа синхронной машины с сетью

Особенности работы генератора на сеть большой мощности. Обычно электростанции имеют несколько синхронных генераторов для параллельной работы на общую сеть. Это увеличивает общую мощность 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, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой мощность рассматриваемого генератора является очень малой. В этом случае сбольшой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности, т.е. что напряжение сети U _с и ее частота f _с являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Рассмотрим условия включения генератора на параллельную работу с сетью и способы регулирования нагрузки.

Включение генератора на параллельную работу с сетью. При этом 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:

. (1.29)

На практике осуществление (1.29) сводится к выполнению трех равенств:

величин напряжений сети и генератора U _{c m} = U_m или U _с = U;

частот ω_с = ω_г или f _с = f _г;

их начальных фаз α_с = α_г (совпадение по фазе векторов Ù _cи Ù).

Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, требуемых для подключения генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот f _с ≈ f _г, а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений U _с = U. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (α_с = α_г) контролируется специальными приборами – ламповыми и стрелочными синхроноскопами.

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности и обычно используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампочки, включенные между фазами генератора и сети (рис. 1.31, а). На каждую лампу действует напряжение Δ u = u _с– и, которое при f _c ≠ f _гизменяется с частотой Δ f = f _с– f _г, называемой частотой биений (рис. 1.31, б). В этом случае лампы будут мигать. При f _с ≈ f _г разность Δ и будет изменяться медленно, вследствие чего лампы будут постепенно загораться и погасать. Обычно генератор подключают к сети в момент, когда разность напряжений Δ и на короткое время становится близкой нулю, т.е. в середине периода погасания ламп; в этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Ù _си Ù. Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты вращения ротора, т.е. поддержание условия n ₂ = n ₁, происходит автоматически.

Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этом приборе при f _c ≠ f _гстрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот f _c – f _гв одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При f _c = f _г она 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.

Часто также применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключается к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При самосинхронизации ротор разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение s до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуктированием тока в успокоительной обмотке и замкнутой обмотке возбуждения. После этого в обмотку возбуждения подается постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой толчок тока, который не должен превышать 3,5 I_{а ном}.

Рис. 1.31 – Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений и_с и и перед включением (б) генератора

Регулирование активной мощности. После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети U _c. По отношению к внешней нагрузке напряжения U и U _с совпадают по фазе, а по контуру «генератор – сеть» находятся в противо-фазе, т.е. Ù = – Ù _c(рис. 1.32, а). Так как перед включением в сеть генератор работал вхолостую, то при выполнении указанных ранее трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток I_а после подключения к сети также будет равен нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток I_а при работе генератора параллельно с сетью на примере неявно-полюсной машины.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (1.19в):

. (1.30)

Так как Ù = – Ù _c = const, то величину тока İ_а можно изменять только двумя способами: изменяя э.д. с. Ė ₀по величине или по фазе.

Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор Ė ₀смещается относительно вектора Ù на некоторый угол θ в сторону вращения векторов (рис. 1.32, б). При этом возникает разность векторов Ė ₀ – Ù, приводящая согласно (1.30) к появлению тока İ_а. Вектор этого тока опережает на 90° вектор – jİ_аx _сн и сдвинут относительно вектора Ù на некоторый угол φ, меньший 90°. При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность P = mUI_a cosφ и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больший внешний момент приложен к валу генератора, тем больше будет угол θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Рис. 1.32 – Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машины при параллельной работе с сетью в режимах:

а – холостого хода; б–генераторном; в-двигательном

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор Ė ₀будет отставать от вектора напряжения Ù на угол θ (рис. 1.32, в). При этом возникает ток I_а, вектор которого опережает на 90° вектор – jİ_ах _сни сдвинут на некоторый угол φ относительно вектора напряжения Ù. Так как угол φ>90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением Ù машины. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р= тÙİ_а соsφ 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 к его 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 режима в двигательный.

Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 1.33, а), увеличить ток возбуждения I _в, то возрастет э. д. с. Е ₀(рис. 1.33, б) и по обмотке якоря будет проходить ток I_а, величина которого согласно (1.30) определяется только индуктивным сопротивлением х _снмашины. Следовательно, ток İ_a будет реактивным: он отстает по фазе от напряжения Ù на угол 90^е или опережает на тот же угол напряжение сети Ù _с.

Рис. 1.33 – Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсной синхронной машины при параллельной работе с сетью, отсутствии активной нагрузки и изменении э. д. с. Е₀ путем регулирования тока возбуждения:

а – при E₀ = U_с; б – при Е₀ > U_с; в-при E₀ < U_c

При уменьшении тока возбуждения ток İ_а изменит свое направление: он будет опережать на 90° напряжение Ù (рис. 1.33, в) и отставать на 90° от напряжения Ù _с. Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока İ_а, т.е. реактивная мощность машины Q= mUI_a sinφ. Активная составляющая тока İ_a в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р _эл = 0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой имеют место те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I_а,т.е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины, при котором реактивная составляющая тока İ_a равна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения I _в больше тока I _в.п, при котором имеет место режим полного возбуждения, то ток I_а содержит 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.

Рис. 1.34 – Определение активной и реактивной мощностей по упрощенным векторным диаграммам неявнополюсного (а) и явнополюсного (б) синхронных генераторов

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

. (1.31)

Следовательно, если ток возбуждения I _в (т.е. поток Ф_в и э. д. с. Е ₀)становится большим, чем это требуется для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока I _а, которая создает размагничивающий поток реакции якоря Ф _а; при I _в меньшем, чем необходимо для полного возбуждения, возникает опережающая составляющая тока I_а, которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Ф _а. Во всех случаях суммарный поток машины ∑Ф автоматически поддерживается неизменным.