Пояснения к лабораторной работе. Краткое описание лабораторной установки

Краткое описание лабораторной установки.

В опытах используется два генератора. Один из них изучался при выполнении работы "Исследование генератора постоянного тока". Второй генератор, как и первый, приводится во вращение асинхронным двигателем; концы всех обмоток этого генератора, необходимые электроизмерительные приборы, регулировочный реостат и автоматические выключатели переменного и постоянного тока расположены на отдельном щите. На этом же щите установлен пакетный выключатель QS, с помощью которого производится включение генераторов на параллельную работу. Контакты выключателя QS зашунтированы сигнальными лампами L1 и L2, как показано на рисунке 2.7.

Пояснения к лабораторной работе.

Для обеспечения надежной и экономичной работы электростанции в ней должно быть несколько генераторов: три, четыре или более. Такая необходимость объясняется двумя причинами.

Во-первых, потребность в электроэнергии зависит от многих факторов: сезона, времени суток, режима работы промышленных объектов, в то же время, для обеспечения работы генераторов с максимальным кпд их загрузка должна быть близка к номинальной.

Во-вторых, всегда возникает необходимость выведения из работы отдельных генераторов для проведения регламентных и ремонтных работ, а обеспечение энергией потребителей не должно прерываться.

Для включения генератора на параллельную работу следует выполнить два условия:

1. ЭДС генератора должна быть равна напряжению сети ,

2. полярности генератора и сети при включении должны совпадать.

Действительно, ток генератора может быть определен по формуле

,

(2.1)

где R_c – результирующее сопротивление всех источников и потребителей электроэнергии, включенных в сеть (рис. 2.1), R_а и Е – сопротивление и ЭДС вводимого в параллель генератора.

Из выражения (2.1) следует, что при выполнении обоих условий ток якоря оказывается равным нулю, то есть процесс включения на параллельную работу не будет сопровождаться толчком момента на валу первичного двигателя (у тепловых двигателей резкие изменения момента на валу ведут к снижению моторесурса).

Если не выполнено первое условие, машина сразу начинает работать либо как источник электроэнергии – генератор (, рис. 2.2.а), либо как потребитель электроэнергии – двигатель (, рис. 2.2.б).

Невыполнение второго условия ведет к аварии: генератор оказывается включен не параллельно, а последовательно с сетью (рис. 2.2.в), и ток нагрузки

,

(2.2)

может оказаться больше тока короткого замыкания, если эквивалентное сопротивление сети меньше сопротивления якоря включаемого в параллель генератора: . Если предположить, что генератор вводится в параллель с двумя такими же генераторами, работающими без нагрузки (R_н=0), эквивалентное сопротивление сети будет равно

,

и ток подключенного генератора, согласно (2.2):

.

Если генераторов больше двух и (или) к ним подключена нагрузка, возникающий при включении ток еще более значительно превысит ток короткого замыкания.

Выполнение второго условия включения в параллель обеспечивается при монтаже электростанции, первое условие должно выполняться обслуживающим персоналом при каждом включении.

Внешняя характеристика генератора, введенного в параллель с сетью при соблюдении обоих правил, представлена на рисунке 2.3.б. Для того чтобы загрузить генератор, необходимо поднять его ЭДС, увеличив ток возбуждения. Если предположить, что сеть имеет бесконечно большую мощность (сопротивление R_с пренебрежимо мало по сравнению с R_a – рисунок 2.3.а), то величина тока введенного в работу генератора будет определяться точкой пересечения его внешней характеристики с горизонталью U_c=const (рис. 2.3.в). Ток нагрузки I_нагр при неизменном напряжении на шинах останется неизменным, а ток эквивалентного

генератора снизится настолько, насколько возрастет ток загружаемого генератора.

Если мощность сети соизмерима с мощностью вводимого в работу генератора (сопротивления R_с и R_a соизмеримы – рисунок 2.4.а), увеличение тока возбуждения этого генератора при поддержании неизменного тока возбуждения остальных генераторов приведет к возрастанию напряжения на шинах электростанции. На рисунке 2.4.б показана эквивалентная внешняя характеристика работавших генераторов (кривая 1) и внешняя характеристика генератора, подключенного с точным соблюдением правил (кривая 2). В результате увеличения возбуждения этого генератора его внешняя характеристика займет положение кривой 2'. В соответствии с методом двух узлов, при увеличении одной из ЭДС схемы замещения (рис. 2.4.а), напряжение на общих зажимах увеличится от U_с до U_с' (рис. 2.4.в). При этом нагрузка введенного в работу генератора возрастет, а нагрузка генераторов, работающих с неизменным током возбуждения, снизится. Из-за увеличения напряжения на шинах ток нагрузки, в соответствии с законом Ома, также увеличится, то есть сумма токов электростанции будет несколько больше чем ток нагрузки, показанный на рисунке 2.4.б.

Отклонение напряжения сети от номинального значения отрицательно сказывается на работе потребителей, поэтому увеличение возбуждения одного генератора должно сопровождаться одновременным снижением возбуждения других генераторов с тем, чтобы напряжение на общих шинах оставалось неизменным. Кроме неизменности напряжения на шинах электростанции необходимо, чтобы коэффициенты нагрузки параллельно работающих генераторов поддерживались одинаковыми.

При изменении нагрузки сети токи возбуждения параллельно работающих генераторов следует менять таким же образом, то есть, чтобы напряжение оставалось неизменным, а коэффициенты нагрузки каждого источника энергии – одинаковыми.

Если же, включив, например, два генератора на параллельную работу, в дальнейшем их токи возбуждения не менять, то наблюдается работа в режиме внешних характеристик: напряжение непостоянно и зависит от величины нагрузки, генераторы загружаются неодинаково и наиболее загруженным оказывается генератор с самой жесткой внешней характеристикой. На рисунке 2.5.а изображена упрощенная схема электростанции, состоящей из двух генераторов одинаковой марки и мощности. Поскольку невозможно создать две абсолютно идентичные машины, внешние характеристики генераторов имеют различный наклон (для большей наглядности на рисунках 2.5.б – 2.5.г этот наклон преувеличен). После включения генераторов на параллельную работу без нагрузки их ЭДС одинаковы, напряжение сети равно ЭДС, уравнительные токи отсутствуют (рис. 2.5.б). При появлении тока нагрузки (уменьшении сопротивления нагрузки) генераторы начинают загружаться токами I_a1 и I_a2, и напряжение на шинах снижается (рис. 2.5.в). Для восстановления напряжения и выравнивания нагрузки между генераторами их токи возбуждения необходимо увеличить. На рисунке 2.5.г показано, что в результате увеличения потоков генераторов, их внешние характеристики сместились вверх, напряжение восстановилось, а токи генераторов выровнялись. По рисунку 2.5.г видно, что в большей мере потребовалось увеличить возбуждение генератора, имеющего более мягкую внешнюю характеристику.

Приведенные в настоящих методических указаниях рисунки показывают, что точка установившейся работы генератора определяется пересечением его внешней характеристики с внешней характеристикой сети. Если внешняя характеристика генератора имеет восходящий участок, что наблюдается у генераторов смешанного возбуждения, точек пересечения становится две, однако устойчивая работа будет наблюдаться только в одной из них.

На рисунке 2.6.б точки пересечения внешней характеристики генератора с внешней характеристикой сети бесконечно большой мощности обозначены А и В. Рассмотрим последовательно работу генератора в этих точках. Предположим, что ток генератора в переходном режиме оказался несколько больше I_A. Его напряжение, в соответствии с рисунком 2.6.б, окажется меньше напряжения сети, в результате чего ток генератора снизится до значения I_A. Отрицательному приращению тока I_A будет соответствовать положительное приращение напряжения генератора, и возрастание его тока до значения I_A. Таким образом, работа генератора в точке А оказывается устойчивой. В точке В работа неустойчива: снижение тока приводит к уменьшению напряжения генератора и дальнейшему снижению тока, увеличение тока ведет к возрастанию напряжения генератора и дальнейшему увеличению тока до значения I_A, при котором наступает устойчивая работа.

К подобным выводам можно прийти, анализируя уравнение, составленное по второму правилу Кирхгофа для контура, указанного на рисунке 2.6.а. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлении R_a, в переходном режиме будет справедливо следующее:

,

(2.3)

где L_aS - суммарная индуктивность якорной цепи. То есть, при производная тока оказывается отрицательной, значит, ток, за положительное направление которого принято генераторное направление (рис. 2.6.а), снижается или становится отрицательным, двигательным. Если же , ток генератора растет.

В соответствии с изложенным, если включать генератор, внешняя характеристика которого имеет восходящий участок, на параллельную работу при , как это показано на рисунке 2.6.б, оказывается меньше нуля и машина переходит в двигательный режим. При этом сериесная обмотка оказывается включена встречно шунтовой, что ведет к уменьшению потока и, как следствие, "разносу" машины. Если генератор включать на параллельную работу при (рис. 2.6.в), он примет нагрузку толчком – ток возрастет до указанного на рисунке значения I_a.

В том случае, когда внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения не имеет восходящего участка, но ее жесткость в области рабочих нагрузок достаточно велика, также наблюдается очень нестабильная работа генератора. При этом малейшему изменению ЭДС генератора или напряжения на шинах электростанции будет соответствовать значительное и резкое изменение тока нагрузки. По этой причине генератор смешанного возбуждения при включении на параллельную работу обязательно соединяется с остальными работающими генераторами уравнительным проводом (уравнительной шиной); все последовательные обмотки возбуждения оказываются при этом соединенными параллельно (рис. 2.8).

При подключении генератора с уравнительным проводом к сети его якорный ток разветвляется по всем обмоткам возбуждения, а это ведет к одновременному увеличению ЭДС всех генераторов. Нагрузка между только что включенным и остальными генераторами перераспределяется толчком, но ни один из них не переходит в двигательный режим.

По этой же причине небольшие изменения ЭДС одного из генераторов (например, из-за колебаний частоты вращения) вызывают аналогичные изменения ЭДС у всех остальных генераторов (уже из-за подмагничивающего действия сериесных обмоток этих генераторов), и значительного изменения нагрузки отдельных генераторов не наблюдается.

При введении генераторов смешанного возбуждения в параллель имеет особенности проверка выполнения второго условия включения. Если после выполнения первого условия горят обе сигнальные лампы, значит, не выполнено второе условие включения генераторов на параллельную работу. Если же продолжает гореть одна лампа, но яркость ее свечения после выполнения первого условия резко усилилась – это признак того, что последовательные обмотки генераторов подключены к якорным зажимам разных полярностей. И в одном, и в другом случае замыкание контактов QS (рис. 2.8) приведет к короткому замыканию.

Распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами смешанного возбуждения зависит не только от вида их внешних характеристик, но и от сопротивления уравнительной шины и последовательных обмоток возбуждения.