Параллельная работа синхронных генераторов

• Название: Параллельная работа синхронных генераторов
• Дата: 17.05.2023
• Размер: 3.19 Mb.
• Имя файла: mashiny_2_chast_ (1).doc
• Тип: Документы; #1138650
• страница: 1 из 11

§ 6.9. Параллельная работа синхронных генераторов

Включение генераторов на параллельную работу. Синхронные генераторы так же, как и генераторы постоянного тока, могут вклю­чаться на параллельную работу (рис. 6.22), что позволяет более полно использовать мощность работающих генераторов. Включение синхронных генераторов на параллельную работу обладает некото­рыми особенностями. Если для ввода генераторов постоянного тока в параллельную работу достаточно уравнять э. д. с. генератора и напряжение на шинах станции, то для генераторов переменного тока необходимо еще, чтобы их переменная э. д. с. в любой момент вре­мени была равна напряжению на шинах и находилась по отноше­нию к нему в противофазе. Для этого требуется, чтобы частота э. д. с. генератора была равна частоте напряжения сети, а вектор э. д. с. был сдвинут относительно вектора напряжения сети на 180 .

Если будет нарушено первое условие, т. е. э. д. с. Е_огенератора, включаемого на параллельную работу, не будет равна напряжению на шинах U_с,, то между обмотками обоих генераторов возникнет разностная э. д. с. . Эта э. д. с. создаст уравнитель­ный ток Iур, который по фазе будет отставать от разностной э. д. с. на 90°. По отношению к генератору с большей э. д. с. уравнитель­ный ток является индуктивным и будет создавать в нем продольно-размагничивающую м. д. с. реакции якоря, уменьшая его э. д. с." По отношению к генератору с меньшей э. д. с. ток /_ур является емкостным и будет создавать в нем продольно-намагничивающую м. д. с. реакции якоря, увеличивая его э. д. с. Таким образом, уравнительный ток стремится уравнять э. д. с. обоих генераторов. Являясь реактивным, ток /_ур не нагружает первичные двигатели, но в первоначальный момент включения генератора может вызвать на валу двигателя значительные механические усилия.

Если же будет нарушено второе условие и частота э. д. с. ра­ботающего генератора, и частота э. д. с. генератора, включаемого на параллельную работу, не будут равны , то возникнут биения напряжения в пределах от 0 до 2 U_с,, которые вызовут соответствующие биения тока /_б. Эти биения тока могут вызвать на валу первичного двигателя ощутимые механические усилия в виде толчков. Явления, имеющие место в рассматриваемом случае, могут быть представлены в виде диаграммы (рис. 6.23). Так как

частоты обоих генераторов не равны, то векторы U_си Е_обудут вра­щаться с различной угловой скоростью: вектор подключаемого,

генератора Е₀— со скоростью , а вектор работающего генератора U_c— со скоростью .

Если в какой-то момент времени векторы U_cи Ё_орасположатся во отношению друг к другу так, как показано на диаграмме, то разностная э. д. с. будет равна геометрической сумме обеих э. д. с.

Под действием разностной э. д. с. в цепи статоров генераторов возникнет ток биений /_б, который будет отставать по фазе от

на 90° и почти совпадет по фазе с э. д. с. E₀- Отсюда следует, что ток биений /_б имеет активную составляющую и нагружает генера­тор, что сказывается на работе первичного двигателя.

Включение синхронных генераторов на параллельную работу необходимо производить при соблюдении следующих условий:

1. 
   равенстве мгновенных значений э. д. с. генератора и напря­жения сети;
   
2. 
   равенстве частот э. д. с. генератора и напряжения на шинах;
   3) сдвига по фазе э. д. с. генератора и напряжения на шинах на 180°;
   

4) одинаковом порядке следования фаз у включаемого и рабо­тающих генераторов.

Обеспечение перечисленных условий называется синхронизацией генераторов.

Ввод генераторов в параллельную работу возможен методами точной синхронизации и самосинхронизации.

Метод точной синхронизации. При этом методе соблюдение ус­ловий синхронизации в процессе подключения генератора на па­раллельную работу проверяют следующим образом.

Равенство э. д. с. генератора (напряжения на его зажимах при холостом ходе E₀=U₀) и напряжения на шинах устанавливается посредством вольтметров. Регулировка э. д. с. генератора производится изменением его тока возбуждения при помощи реостата в цепи возбуждения.

Равенство частот, совпадение Е_ои U_c,, а также чередование фаз проверяют посредством стрелочного или лампового синхроно­скопа. Ламповый синхроноскоп состоит из ламп, подключаемых к ножам рубильника во все три фазы генератора. Различают две'

с хемы включения ламп: «на поту­хание» (рис. 6.24, а) и «на вращение света» (рис. 6.24, б).

На рис. 6.25 показаны звезды

векторов э. д. с. Ё_А, Ё_B, Ё_Cтрех­фазного генератора, вводимого в параллельную работу, и звезда

векторов напряженияU_A U_B,,U_C на шинах станции.


Схема включения ламп:

а) — на потухание и б) — на враще­ние света

Рис. 6.24.
Если частоты, э. д. с. и напря­жения одинаковы, то звезды век­торов будут вращаться с оди­наковыми угловыми скоростями и относительно друг друга будут оставаться неподвижными.

При соблюдении условий синхронизации векторы э. д. с.

и напряжений каждой фазы равны и находятся в противофазе (рис. 6.25, в), т. е. их сумма равна нулю, и лампы, включенные в, разрыв фаз, погаснут. Это свидетельствует о соблюдении условий синхронизации. Если же угловые скорости векторных звезд не­равны , то одна звезда будет вращаться относительно другой со скоростью . Ha рис. 6.25, а и б показано сложение



Рис. 6.25. Звезда векторов э. д. с. при вклю­чении лампового синхроноскопа «на потухание»

напряжений сети и присоединяемого генератора при совпадении век­торов Е_А, Е_В, Е_С с векторами U_А, U_Bи U_Cпо фазе и образовании между ними угла сдвига фаз. Лампы периодически загораются и гаснут.
Частота мигания ламп определяется разностью между угловыми скоростями вращения обеих векторных звезд, т. е. пропорциональ­на разности частот напряжений подключаемого и работающих ге­нераторов. Совпадение частот на длительное время практически получить очень трудно. Поэтому, регулируя скорость вращения первичного двигателя, добиваются такого положения, при котором* период потухания ламп достигает 4—5 сек, после чего процесс под­готовки генератора к включению считают законченным и в момент погасания ламп включают рубильник.





Рис. 6.26. Звезда векторов э. д. с. при включении лампового синхроноскопа «на вращение света»

Схема включения ламп синхроноскопа по схеме «на вращение света» представлена на рис. 6.24, б. Из векторной диаграммы з-. д. с. E_A, E_B, E_Cuнапряжений U_A, U_B, U_C(рис. 6.26,а и б) видно, что при лампы будут попеременно загораться и гаснуть. При расположении ламп в вершинах треугольника попеременное их погасание создает эффект, «вращения света». Скорость вращения света тем больше, чем больше разность . При соблюдении условий синхронизации две лампы устойчиво горят, а одна гаснет (рис. 6.26, в).

Если в процессе присоединения выводов генератора к ножам рубильника был нарушен порядок чередования фаз, то в схеме «на потухание» лампы синхроноскопа ведут себя, как при включе­нии их по схеме «на вращение света», а в схеме «на вращение света» они ведут себя, как при включении по схеме «на потухание».

В этом случае для обеспечения необходимого порядка чередо­вания фаз подключаемого генератора необходимо поменять местами провода, идущие от генератора к рубильнику. Включение генера­тора можно производить только после того, как будет согласован порядок чередования фаз.

Метод точной синхронизации позволяет включать генераторы в параллельную работу без особых толчков тока и колебаний на­пряжения. В то же время этот метод требует от обслуживающего персонала определенного опыта. При неточном включении возможны броски тока до 15-кратной величины от номинального значения, что, может вызвать аварию.

Метод самосинхронизации. В этом случае вводимый генератор приводят во вращение со скоростью, отличающейся от синхронной не более чем на ±5%, и включают на шины станции в параллель­ную работу без возбуждения.

Во избежание перенапряжения обмотка возбуждения генератора должна быть при этом замкнута на некоторое сопротивление. После включения генератор возбуждают и он самостоятельно «втягивается» в синхронизм.

До возбуждения на генератор действует асинхронный момент, а после возбуждения возникает дополнительно синхронный момент, который и синхронизирует генератор. Асинхронный момент возникает как следствие неравенства скоростей вращения ротора и вращающегося поля статора. Он создается током в стали и успоко­ительной обмотке ротора. Судовые генераторы имеют усиленную успокоительную обмотку и поэтому величина асинхронного момен­та у них значительная.

Реактивный момент на валу генератора создается за счет син­хронного поля статора. Асинхронный и реактивный моменты спо­собствуют доведению скорости генератора почти до синхронной, реактивный и синхронный моменты втягивают генератор в синхро­низм.

Судовые генераторы имеют явнополюсные роторы и реактивный момент у них достаточно велик, поэтому они надежно втягиваются в синхронизм при включении их в параллельную работу методом самосинхронизации.

При вводе в параллельную работу синхронного генератора ме­тодом самосинхронизации неизбежен некоторый бросок тока и про-йал напряжения сети. Но он не представляет опасности для вводи­мого в синхронизм и работающих генераторов.

Величина провала напряжения определяется соотношением мощностей подключаемого и работающего генераторов. На судах, как правило, в параллельную работу включаются генераторы оди­наковой мощности, и провал напряжения в этом случае составляет 30-40% от номинального, а полное время восстановления напря­жения равно нескольким секундам. Такой провал напряжения не нарушает устойчивой работы судовых установок и вполне допустим. Для уменьшения провала напряжения подключаемый к сети гене­ратор следует как можно быстрее возбуждать.

Изменение тока возбуждения. Рассмотрим параллельную работу генератора c сетью бесконечно большой мощности при изменении тока в его обмотке возбуждения. Если генератор работает в режиме

холостого хода, то вектор его э. д. с. Е₀ уравновешивает напряже­ние сети U_c, а поэтому тока в статоре не будет (рис. 6.27, а).

Если увеличить ток возбуждения (перевозбудить машину), то э. д. с. генератора возрастет до значения E_O'>U_Cи напряжение сети не будет уравновешивать э. д. с. машины. Появится разностная э. д. с. (рис. 6.27, б). Эта э. д. с. создаст уравни­тельный ток I_ур, который будет протекать по обмоткам всех парал­лельно работающих машин. Пренебрегая их сопротивлением, а также ак­тивным сопротивлением рассматрива­емого генератора, можно считать, что величина реактивного уравнительного тока



Этот реактивный ток отстает по фазе от ΔE на 90° и относительно напряжения сети U_Сон является опережающим (ем­костным).

При уменьшении тока возбужде­ния (при недовозбуждении) э.д.с. генера­тора уменьшится до значения E_O"<U_C. В этом случае уравнительный ток I_ур опережает по фазе э. д. с. генератора Е₀ '' (рис. 6.27, в). Отно­сительно напряжения сети U_C этот ток является отстающим (ин­дуктивным).

Таким образом, при любых изменениях тока возбуждения в цепи синхронного генератора возникает уравнительный ток, яв­ляющийся чиcто реактивным и поэтому не влияющим на величину нагрузки генератора Р₂. Из выражения активной мощности (на­грузки) синхронного генератора



следует, что при P₂=const активная составляющая тока статора также является величиной постоянной, так как напряже­ние сети U_C=const

В то же время изменения тока возбуждения вызывают соответ­ствующие изменения тока I₁ за счет его реактивной составляющей. Это ведет к изменениям коэффициента мощности

На рис. 6.28 представлены U-образные кривые, определяющие зависимость тока I_tот тока возбуждения I_B. Каждая кривая по­строена для определенного значения нагрузки генератора P₂= =const. Кривая 1 — для холостого хода (P₂=0), кривая 2 — для нагрузки P₂ =0,5P_H и кривая 3 - для нагрузки P₂=Р_H. Значение тока I_B, при котором ток нагрузки I₁ имеет минимальную величи­ну, соответствует коэффициенту мощности

Штриховой линией показана область устойчивой работы маши­ны. При недовозбуждении и перевозбуждении синхронного гене­ратора становится меньше единицы.

Изменение активной нагрузки синхронного генератора. Рас­сматривая параллельную работу синхронного генератора с сетью, необходимо установить, как происходит перераспределение на­грузки между генераторами. Будем считать, что генератор подключается к шинам станции очень большой мощности, и изменение па­раметров генератора не влияет на параметры сети, ее напряжение U_Cи частота f_C остаются неизменными.

Рис. 6.28. Uобразные кривые

Рис. 6.29. Векторная диаг­рамма синхронного генератора

В первый момент подключения к сети (шинам станции) генератор работает вхолостую, т. е. не отдает и не потребляет активной мощ­ности. В соответствии с условиями синхронизации вектор э. д. с. машины Е_оравен вектору напряжения сети U_Cи сдвинут относи­тельно его на 180°. Если по какой-либо причине моментах на валу механического двигателя увеличится, возрастет скорость вращения

генератора и вектор э. д.с. Е_о(рис. 6.29, а) несколько сдвинется в сторону вращения векторов. Сдвиг фаз между U_cи Ео уже не будет равен 180°, и возникнет разностная э. д. с., которая создаст ток I, Между векторами тока I и э. д. с. угол сдвига фаз равен 90^е, так как активное сопротивление ничтожно мало, и практически обмотка статора обладает только индуктивным соп­ротивлением. Напряжение сети U_Cуравновешивается напряжением генератора U₁ . Генератор отдает в сеть активную мощность . Если не принимать во внимание незначительные потери в проводниках статора (Р_м<1%), то можно считать, что полезная мощность генератора равна его электромагнитной мощности.

При емкостной нагрузке вектор э. д. с. Ё_осдвигается в сторону, противоположную вращению векторов (рис. 6.29, б).

Под электромагнитной мощностью понимают мощность, переда­ваемую с ротора на статор через магнитное поле воздушного зазора.

Уравнение, выражающее электромагнитную мощность, может быть выведено из диаграммы (рис. 6.30). Проектируя векторы на­пряжения Uи э. д. с. Ё_она направления векторов E₀иI и умножая проекции на ml, получаем



В то же время

откуда
Угол определяет активную мощность синхронного генератора которая имеет наибольшее значение при =90°.

Выражение (6.5) справедливо для неявнополюсной синхронной
машины, у которой x_й=x_d. У генераторов с явнополюсным рото­ром мощность .



Электромагнитная мощность явнополюсной машины состоит из основной Р_эм и добавочной Р_ДОБ мощностей.

Между электромагнитной мощностью и электромагнитным мо­ментом имеется известная зависимость:



Так как синхронный генератор вращается со строго постоянной скоростью , его электромагнитная мощность прямо-пропорциональна электромагнитному моменту:

Из выражений (6.5) и (6.6) видно, что величины электромагнит­ной мощности и электромагнитного момента синхронных машин яв­ляются функцией угла , определяющего угол сдвига фаз между э. д. с. Е_ои напряжением U. Электромагнитный момент в синхронной машине всегда действует в сторону уменьшения угла , т.e. стремится к тому, чтобы ось полюсов совпала с осью поля.

Зависимости Р_ЭМ=f( ) и М=f( ) называются угловыми ха­рактеристиками синхронной машины. Они представлены на рис. 6.31 для неявнополюсного синхрон­ного генератора.

Б
ольшое значение для синхронных машин имеет вопрос устойчивости -
Рис. 6.31. Угловые харак­теристики синхронного ге­нератора


Рис. 6.30. Диаграм­ма синхронного ге­нератора для вывода уравнения электро­магнитной мощности
их ра­боты. Когда вращающий момент, приложенный к валу синхронного генератора, уравновешивается момен­том сопротивления М_ЭМ,, то ротор машины вращается с равномерной скоростью. Если приложенный к валу машины момент несколько возрастет, а затем вновь снизится до прежней величины, то вначале угол увеличится до значения , а затем уменьшится, но не до первоначального значения, а вследствие инерции вращающихся частей машины до несколько меньшего значения угла . Возникают затухающие колебания угла около его первоначального значения или, что то же, колебания угловой скорости ротора около синхронной угловой скорости . Эти колебания быстро затухают.

В пределах изменения угла от 0 до 90° работа генератора при незначительных изменениях нагрузки является устойчивой. При значении угла =90° электромагнитная мощность и момент имеют максимальное значение. Одновременно они представляют собой предел устойчивой работы генератора. В пределах изменения угла от 90 до 180° положительному приращению будет соответ­ствовать отрицательное приращение мощности , угол воз­растет еще больше, и машина выпадет из синхронизма.

Таким образом, синхронная машина будет работать устойчиво, если положительному приращению соответствует положитель­ное приращение электромагнитной мощности , а отрицательному приращению — отрицательное приращение . Кри­терием устойчивой работы служит условие .

Чтобы Генератор мог работать устойчиво, не выпадая из син­хронизма, он должен обладать достаточной синхронизирующей мощ­ностью. Удельная синхронизирующая мощность определяется про­изводной от электромагнитной мощности по углу и для неявнополюсной машины


Синхронизирующая мощность равна удельной синхронизирую­щей мощности, умноженной на смещение до:



В хождение машины в синхронизм зависит от синхронизирующей мощности, замедляющей вращение ротора при положительном приращении угла или ускоряющей его вращение при отрицатель­ном приращении угла . Зависимость удельной синхронизирующей мощности от угла на рис. 6.31 показана штриховой линией. При =0 генератор развивает наибольшую син­хронизирующую мощность, но его электромагнитная мощность Р_ЭМ=0. Наоборот, когда =90°, генератор раз­вивает наибольшую электро­магнитную мощность, а его синхронизирующая мощность _ЭМ=0. Практически угол у работающих генераторов не превышает25°.

При рассмотрении вопроса влияния изменения тока возбуждения на параллельную работу генераторов было отмечено, что изменение возбуждения влечет за собой изменение реактивных токов генераторов, в то время как их активные токи остаются неизменными.

Для изменения активной мощности генераторов необходимо, чтобы изменился создаваемый первичным двигателем момент на валу генератора. Этого можно достигнуть увеличением или уменьшением сообщаемого механическому двигателю запаса энергии, например увеличением расхода пара или воды у паровых или гидравлических турбин.

Процесс перевода нагрузки с одного генератора на другой на­глядно представлен на диаграмме (рис. 6.32). Генераторы, работая параллельно, имеют одинаковые э. д. с. (Е₀₁=Е₀₂ ). а также ак­тивные и реактивные токи (I₀₁ = I₀₂).Увеличение вращающего мо­мента на валу первого генератора вызовет увеличение угла и соответствующее отклонение вектора Е_0A (точка А). Если теперь уменьшить вращающий момент на валу второго генератора, то его вектор э. д. с. отклонится в обратную сторону на угол (точка В); у генераторов изменились и их равенство нарушилось. Чтобы восстановить равенство , необходимо увеличить возбуждение первого генератора с тем, чтобы конец вектора E₀₁ переместился в точку С, и уменьшить возбуждение второго гене­ратора, чтобы конец вектора E₀₂переместился в точку D. При этом токи I₀₁ и I₀₂ будут совпадать по фазе.

Дальнейшее увеличение вращающего момента на валу первого генератора и одновременное уменьшение его на валу второго гене­ратора вызовет соответствующее смещение векторов Е₀₁и Е₀₂в точки Е и F. При этом вся нагрузка будет переведена на первый генератор, а второй генератор будет полностью разгружен (Р₂=0) и ток в его статорной обмотке I₀₂=О. Напряжение при этом сохраняет свое первоначальное значение.

Следовательно, для перевода нагрузки с одного генератора на другой необходимо мощность на валу одного генератора умень­шить, а на валу другого генератора увеличить. Для сохранения неизменным величины напряжения в сети одновременно надо воздей­ствовать на возбуждение генераторов, увеличивая возбуждение нагружаемого генератора и уменьшая возбуждение разгружаемого генератора

ГЛАВА VII
СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ .

§ 7.1. Принцип действия синхронных двигателей

Если у одного из параллельно работающих генераторов отклю­чить первичный двигатель, то ротор генератора будет продолжать вращаться синхронно в силу того, что статор и ротор по-прежнему упруго связаны между собой магнитными силовыми линиями вра­щающегося поля. В этом случае в машину будет поступать из сети электрическая мощность и преобразовываться в механическую, т. е. синхронная машина станет работать в режиме двигателя. От­сюда следует, что синхронные машины обладают свойством обрати­мости.

При работе машины в режиме двигателя ось потока статора опе­режает ось потока ротора на угол , соответственно, и вектор на­пряжения сети U_C опережает вектор э. д. с. E₀на угол .

Для уяснения процесса передачи мощности в синхронной ма­шине рассмотрим на схеме (рис. 7.1) взаимодействие маг­нитных полей статора и рото­ра.

На рис71а дана магнитная схема генератора, у которого магнитное поле ротора несколько опережает магнитное поле статора и между осями потоков статора и ротора образуется положительный угол

При холостом ходе синхрон­ной машины оси обоих потоков совмещены и угол =0 (рис. 7.1, б). При работе синхронной машины в двигательном режиме ведущим становится поток ста­тора, а ведомым — поток ротора, ось которого начинает отставать от оси потока статора на отри­цательный угол (рис. 7.1, в). С увеличением нагрузки на ва­лу машины увеличивается тор­мозной момент и соответственно угол . Одновременно растет развиваемая двигателем меха­ническая мощность и потреб­ляемая из сети электрическая мощность.

Для синхронного двигателя под электромагнитной мощностью понимают мощность, передаваемую вращающимся полем от статора к ротору. Эта мощность преобразуется в механическую, развивае­мую ротором. При этом, однако, полезная мощность на валу дви­гателя меньше электромагнитной на величину потерь — механичес­ких, добавочных, в, стали и на возбуждение.

Основная диаграмма э. д. с. синхронного двигателя аналогична основной диаграмме э. д. с. синхронного генератора. Однако в дан­ном случае на диаграмме строится вектор напряжения сети U_C,

приложенного к зажимам машины, а не вектор напряжения U, раз­виваемого на зажимах генератора.



У равнение электромагнитной мощности Р_ЭМ синхронного дви­гателя такое же, как и для генератора, с той разницей, что угол считается отрицательным. Ма­шина в данном случае не отдает энергию в сеть, а потребляет ее из сети. Электромагнитный мо­мент двигателя прямо пропор­ционален электромагнитной мощности Р_ЭМ и является вра­щающим моментом, уравнове­шивающим тормозящий момент на валу.

Удельная синхронизирую­щая мощность Р_СХ двигателя, так же как и у генератора, определяется производной от электромагнитной мощности по углу . На рис. 7.2 показаны графики зависимости

М_ЭМ =f( ) и М_CX =f( ). Устойчивой работе двигателя соответствует участок кривой в зоне угла от 0 до , так как в указанных пределах удельный синхронизирующий момент сохраняет свое положительное значение, и увеличение мо­мента сопротивления на валу двигателя сопровождается увеличе­нием развиваемого машиной вращающего момента.