Тема 5: «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 генератор II нужно включить параллельно к генератору I.

 

 

       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 II была в любой момент равна по величине, но обратна по направлению напряжению на шинах, т.е. напряжению U, работающего генератора I.

       Из этого условия вытекает, что:

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

Рис. Кривые э.д.с. E_II и напряжения сети U_I в 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. Пусть f_II = f_I, но E₂ ≠ U₁, например U₁ > 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 вектора U₁.

 

 

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_I и х_II – синхронные индуктивные сопротивления генераторов I и II.

       По фазе вектор тока I_у отстает от ΔЕ на 90°; стало быть, он отстает на те же 90° от U₁ и опережает на 90° э.д.с. E_II. Таким образом, ток I_у является 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. ток I_у является емкостным и, создавая продольно-намагничивающую м.д.с. реакции якоря, стремится увеличить эту э.д.с. Таким образом, ток I_у стремится 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_I и х_II  синхронных машин относительно велики, вследствие чего ток I_у не 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. Пусть U₁ = E_II, но f_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_I и f_II. Такого рода биения напряжения вызывают соответствующие биения тока, в результате чего возможны сильные механические толчки. В самом деле, э.д.с. U_I  и E_II можно 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_I и 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  и E_II расположились так, как показано на рисунке. Их геометрическая сумма даст результирующую э.д.с. ΔЕ, под влиянием которой потечет некоторый ток биений I_б, отстающий от ΔЕ по фазе почти на 90°.

       Основная разница между уравнительным током I_у и током I_б состоит в том, что, как это можно видеть из диаграммы, ток I_б почти совпадает по фазе с э.д.с. E_II и находится в противофазе с напряжением U_I. Таким образом, ток I_б в 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_I первого и A_II – B_II – C_II второго. 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 – C или          A – 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 лампа A_IA_II потухнет. Этот способ включения зазывается включением на вращение света.

       Если чередование фаз разное, например, в одном генераторе A – B – C, а в другом A – 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).

 

§3. Включение синхронных генераторов по методу самосинхронизации.

       Рассмотренные выше способы включения в сеть синхронных генераторов относительно сложны, требуют большой точности и, главное, затраты времени. Поэтому в последнее время в наших энергосистемах внедряется включение синхронных генераторов в сеть по методу самосинхронизации. Сущность метода состоит в следующем: генератор приводится во вращение первичным двигателем с частотой вращения, которая может отличаться от синхронной на ± (2 – 3)%, и включается на сеть без возбуждения, причем обмотка ротора, во избежание перенапряжения в момент включения, замыкается накоротко или через некоторое сопротивление; после этого, обычно сейчас же после включения генератора на сеть, подается возбуждение, и генератор впадает в синхронизм.

       Таким образом, при включении генератора по методу самосинхронизации разностная э.д.с. равна напряжению сети (ΔЕ = U_c – E_ген = U_c), а ротор генератора вращается с частотой, несколько отличающейся от синхронной частоты вращения, с которой вращается магнитное поле статора. В этих условиях в статоре наблюдается бросок тока, в несколько раз превышающий номинальный ток, а на валу генератора возникают механические усилия, но последние невелики и, как показал опыт, не представляют опасности для машины.

       Так можно включать явнополюсные и неявнополюсные генераторы. Ток статора снижается до номинального значения в пределах 1 – 7.

       Данный метод значительно упрощает процесс включения, легко автоматизируется и требует мало времени.

 

§4. Работа генератора при М=const и i_в=var на сеть с постоянным напряжением и постоянной частотой. U-образные кривые синхронного генератора.

       Предположим, что в схеме (рис.1) – включение однофазных генераторов на параллельную работу – генератор I является сетью по отношению к генератору II. Так как мощность сети можно считать бесконечно большой по сравнению с мощностью отдельного генератора, то напряжение сети и её частота не зависят от режима работы генератора II, то есть U_c= const и f = const.

       Для замкнутого контура, образованного генераторами I и II получаем

                                         Ė_0I + Ė_0II = İ_IZ_I + İ_IIZ_II                                    (1)

или

                               Ė_0I - İ_IZ_I = Ů_с = -(Ė_0II - İ_IIZ_II) = -Ů_г                          (2)

       Здесь Ė_0I и Ė_0II – э.д.с., индуцируемые в генераторах I и II основным магнитным потоком; I_I и I_II – токи в генераторах I и II; Z_I и  Z_II – полные сопротивления генераторов; Ů_с = Ė_0I - İ_IZ_I – напряжение сети; U_г – напряжение на зажимах генератора.

       Согласно условию, напряжение U_c= const, а э.д.с. Е_0II мы можем изменять, изменяя ток возбуждения i_в. Рассмотрим два случая работы генератора в этом режиме:

       а) при холостом ходе;

       б) при нагрузке.

А. Генератор идет вхолостую.

       В этом случае мощность Р_м =0 (электромагнитная) и, следовательно, угол между векторами э.д.с. Е₀ и напряжения U равен нулю; это значит, что при работе генератора вхолостую э.д.с. Е_0II совпадает по фазе с напряжением генератора II и находится в противофазе с напряжением сети U_c.

       Отрегулируем ток возбуждения i_в генератора II так, чтобы э.д.с. Ė_0II = - Ů_с.

       Тогда по формуле (2), ток İ_II=0. Ток возбуждения, соответствующий этому режиму, будем называть нормальным.

       Теперь увеличим ток возбуждения относительно нормального, или, как говорят, перевозбудим генератор. Э.д.с. Ė_0II и Ů_с по-прежнему остаются в противофазе (Р_м = 0 и θ=0°), но теперь появляется разностная э.д.с. ΔЕ = Е_0II – (-U_c), вектор которой направлен в сторону Ė_0II.

       Под действием этой разностной э.д.с. (ΔЕ) по генератору II начинает течь уравнительный ток I_II, отстающий от ΔЕ на 90°. Мы видим, что:

       а) при перевозбуждении генератора появляется уравнительный ток, являющийся чисто индуктивным относительно напряжения сети; создавая продольную реакцию якоря, он стремится размагнитить данный регулируемый генератор (в нашем случае генератор II) и намагнитить генераторы, работающие с ним параллельно (сеть);

       б) уравнительный ток, являясь чисто реактивным током (практически), не производит никакого перераспределения активной нагрузки.

       Если мы уменьшим ток возбуждения относительно нормального или, как говорят, недовозбудим генератор, то все произойдет в обратном.

 

       Таким образом:

       а) при недовозбуждении генератора появляется уравнительный ток, являющийся чисто емкостным относительно регулируемого генератора и индуктивным относительно сети; создавая продольную реакцию якоря, он стремится намагнитить генератор и размагнитить сеть;

       б) также как и в предыдущем случае, уравнительный ток не производит никакого перераспределения активной нагрузки.

       В общем случае мы можем опустить значок «II». Так как уравнительный ток создает только продольную м.д.с. якоря, то, пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора, имеем Z = jx_d, где x_d – продольная реактивность генератора. Тогда по формуле (2)

                                                     I = -j                                    (3)

       Если считать, что х_d = const, то ток I линейно зависит от ΔЕ и, следовательно, от э.д.с. Е₀, поскольку напряжение сети U_c= const. При Е₀ = 0 имеем ; этим определяется положение на оси ординат точки а. При Е₀ = U_c ток I = 0; этим определяется положение точки в на оси абсцисс. Соединив точки а и в прямой, построим левую ветвь зависимости I = f(E₀). Правая ветвь этой зависимости строится симметрично прямой, поведенной через точку в параллельно оси ординат.

       Зависимость I = f(E₀) напоминает собою латинскую букву U и на этом основании называется U-образной кривой.

 

       Большое практическое значение имеет зависимость I=f(i_в). Пока генератор ненасыщен, э.д.с. Е₀ пропорциональна току i_в. Это имеет место, главным образом, в зоне недовозбуждения генератора, т.е. влево от точки в. Поэтому ветвь ав может представить в соответствующем масштабе зависимость I=f(i_в).

       При перевозбуждении генератора (i_в>Ов) начинает все более сказываться насыщение стали; кроме того, увеличивается рассеяние основных полюсов вследствие встречного действия продольной м.д.с. реакции якоря. Поэтому зависимость I=f(i_в) вправо от точки в определяется кривой вс, тем сильнее отступающей от прямой I=f(E₀), чем больше ток i_в.

Б. U-образные кривые генератора при нагрузке (U= const, f= const, М= const, i_в=var).

       Так как по формуле (2) Ů_с=-Ů_г, то на диаграмме эти напряжения изображаются двумя равными по величине.