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:

(6.27)

U_cm sin (ω_ct - α_с) = U _{г m} sin (ω _г - α _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 ω _c = ω _г или f _с = f _г; их начальных фаз α _с = α _г (совпадение по фазе векторов Ú _c и Ú _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 (α_с = α_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 Δ u = u _с — u _г , которое при f _с ≠ f _г изменяется с частотой Δ f = f _c - f _г, называемой частотой биений (рис. 6.32,б). В этом случае лампы мигают. При f _с ≈ f _г разность Δ и изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.

Рис. 6.32. Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений и с и и гперед включением генератора (б)

Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений Δ u на короткое время становится близкой нулю, т. е. в середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Ú _c и Ú _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 n ₂ = n ₁, 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

Рис. 6.33. Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного генератора при параллельной работе с сетью

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 3,5 I _{a ном}.

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. Ú = - Ú _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)

(6.28)

Так как U = U _c = const, то силу тока I _а можно изменять только двумя способами — изменяя ЭДС Е ₀ 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 É ₀ смещается относительно вектора Ú на некоторый угол θ в направлении вращения векторов (рис. 6.33, б). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС Δ Е, приводящая согласно (6.28) к появлению тока I _а. Возникающую небалансную ЭДС Δ É = É ₀ - Ú = É ₀ + Ú _c = j Í _a X _сн можно показать на векторной диаграмме (рис. 6.33, б). Вектор тока I _а отстает от вектора Δ Е 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_a cos φ 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 θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор É₀ будет отставать от вектора напряжения Ú на угол θ (рис. 6.33, в). При этом возникают небалансная ЭДС Δ É и ток Í_a , вектор которого отстает от вектора Δ É на 90°. Так как угол φ > 90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением генератора. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р = mUI_a cos φ 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 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 I в, то возрастет ЭДС Е ₀ (рис. 6.34, б),возникнет небалансная ЭДС Δ É = - 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 Í_a реактивный: он отстает по фазе от напряжения Ú на угол 90° или опережает на тот же угол напряжение сети Ú _c. При уменьшении тока возбуждения ток Í_a изменяет свое направление: он опережает на 90° напряжение Ú (рис. 6.34, в) и отстает на 90° от напряжения Ú _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

Рис. 6.34. Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора при параллельной работе с сетью и отсутствии активной нагрузки

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.

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, ΣФ = Ф_рез + Ф_σ = Ф_в + Ф_а + Ф_σ не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как

(6.29)

Ú = É₀ + É_а + É_σа = - Ú_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 ΣФ автоматически поддерживается неизменным.