Синхронные машины

 

     На  каждой электрической станции обычно бывает установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. В современных  энергосистемах на общую сеть, кроме того, работает целый ряд электростанций, и поэтому параллельно на общую сеть работает большое число синхронных генераторов. Благодаря этому достигается большая надежность энергоснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера и другие выгоды.

Все параллельно  работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты. Поэтому  они должны вращаться строго в  такт или, как говорят, синхронно, т. е. их скорости вращения п₁ n₂ n₃  должны быть в точности обратно пропорциональны числам пар полюсов:

            

     В частности, скорости вращения генераторов  с одинаковыми числами полюсов  должны быть в точности одинаковыми.

Условия синхронизации генераторов.

 

     При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы.

     Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на холостом ходу перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора.

     Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих требований:

     1) напряжение включаемого генератора  U_r должно быть равно напряжению сети U_c. или уже работающего генератора;

      2) частота генератора f_г должна равняться частоте сети f_с,

     3) чередование фаз генератора и  сети должно быть одинаково;

     4) напряжения U_г и U_c должны быть в фазе.

     При указанных условиях векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью 

 

     разности  напряжений между контактами выключателя  при включении генератора равны:

           

     и поэтому при включении не возникает  никакого толчка тока.

     Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения генератора.

     Правильность  чередования фаз необходимо проверять  только при первом включении генератора после монтажа или  сборки схемы. Совпадение напряжений по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтметров или специальных синхроноскопов, а в автоматических синхронизаторах — с помощью специальных измерительных элементов.

     Неправильная  синхронизация может вызвать  серьезную аварию.  Действительно, если, например, напряжения U_г и U_c. будут в момент включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении. Если генератор включается в сеть мощной энергетической системы, то сопротивление этой .сети по сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превысить ток при обычном коротком замыкании в два раза. Ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре раза.

     Зарегистрировано  немало случаев, когда неправильная синхронизация вызывала серьезные повреждения оборудования (повреждение обмоток, поломка крепежных деталей сердечников и полюсов, поломка вала, разрушение всего генератора).

Синхронизация с помощью лампового  синхроноскопа

 

     Этот  способ может осуществляться по схеме  на погасание или на вращение света.

     Схема синхронизации на погасание света  представлена на рис

 
 

     где слева изображен генератор Г1, уже работающий на шины станции и сеть, а справа — включаемый на параллельную работу генератор Г2 с вольтметром V, вольтметровым переключателем П и с ламповым синхроноскопом С, каждая из ламп 1, 2, 3 которого включена между контактами одной и той же фазы или полюса выключателя В2. При соблюдении приведенных выше условий и равенства напряжения на всех лампах одновременно равны нулю и лампы не светятся, что и указывает на возможность включения генератора Г2 с помощью выключателя В2 на параллельную работу.

     Достичь точного равенства частот в течение даже небольшого промежутка времени практически невозможно (рис.а),

 

и поэтому  напряжения U_г. — U_c на лампах 1, 2, 3  пульсируют с частотой  (рис.), и если эта частота мала, то лампы загораются и погасают с такой же частотой. Частота соответствует частоте пульсации напряжения (штриховые кривые на рис.б). Путем регулирования частоты генератора необходимо добиться того, чтобы частота загорания и погасания ламп была минимальна (период 3—5 сек), и произвести затем включение выключателя В2 в момент времени, когда лампы не горят.

     При малой частоте лампы погасают раньше, чем напряжение достигнет  нуля, и загораются также при  U > 0. Поэтому при схеме рис. а трудно выбрать правильный момент включения. В этом отношении лучшей является схема рис. б, в которой лампа 1 включена так же, как на схеме рис. а, а лампы 2 и 3 — между различными фазами генератора и сети. Поэтому в данном случае при соблюдении перечисленных выше условий и равенства лампа 1 не светится, а лампы 2 и 3 находятся под линейным напряжением и светятся с одинаковой яркостью, что и является критерием правильности момента включения.

 

При лампы 1, 2 и 3 загораются и погасают поочередно, и создается впечатление вращающегося света, причем при . вращение происходит в одну сторону, а при . — в другую. Частота вращения света равна/,. — /„ ^и необходимо добиться, чтобы она была минимальна (период 3—5 сек).

     Отметим, что если при осуществлении схемы  рис. а вместо одновременного погасания и загорания всех трех ламп получится вращение света, а при схеме рис. б — одновременное погасание и загорание ламп, то это будет указывать на неправильность чередования фаз генератора и сети. При этом необходимо поменять местами начала двух фаз обмотки статора генератора.

     Для более точного выбора момента  включения параллельно одной  из ламп рис. а включают вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля (нулевой вольтметр).

Другие  методы синхронизации.

 

     Синхронизация с помощью ламп и нулевого вольтметра применяется только для генераторов  малой мощности. Для мощных генераторов  пользуются электромагнитным синхроноскопом, к которому подаются напряжения генератора и сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося магнитного поля, и при его стрелка вращается с частотой в ту или иную сторону в зависимости от того, какая частота больше. При правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обращена вертикально вверх.

     При высоком напряжении приборы синхронизации  включаются через трансформаторы напряжения. При этом необходимо позаботиться о том, чтобы фазировка (чередование фаз) этих трансформаторов была правильной.

     Синхронизация генераторов является весьма ответственной  операцией и требует от эксплуатационного персонала большого внимания. В особенности это важно в случае различных аварий, когда персонал работает в напряженной обстановке. В то же время именно при авариях необходима максимальная оперативность в производстве различных переключении и в синхронизации резервных или отключившихся во время аварий генераторов. Опыт показывает, что наибольшее количество ошибочных действии персонала падает как раз на период аварий.

     Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы пользуются автоматическими  синхронизаторами, которые осуществляют автоматическое регулирование U_r и f_г синхронизируемых генераторов в нужных направлениях и при достижении необходимых условий автоматически включают генераторы на параллельную работу. Однако подобные автоматические синхронизаторы также обладают недостатками (сложность, необходимость непрерывного и квалифицированного обслуживания и т. д.).

     К тому же во время аварий напряжение и частота в системе нередко беспрерывно и быстро меняются и поэтому процесс синхронизации с помощью автоматических синхронизаторов сильно затягивается (до 5—10 мин и даже более), что с точки зрения ликвидации аварии крайне нежелательно. Внедрен метод грубой синхронизации, или самосинхронизации.

     Сущность  метода  самосинхронизации заключается в том, что генератор включается в сеть в невозбужденном состоянии (U_г = 0) при скорости вращения, близкой к синхронной (допускается отклонение до 2%). При этом отпадает необходимость в точном выравнивании частот, величины и фазы напряжений, благодаря чему процесс синхронизации предельно упрощается и возможность ошибочных действий исключается. После включения невозбужденного генератора в сеть немедленно включается ток возбуждения н генератор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синхронной и становится )-

При самосинхронизации  неизбежно возникновение значительного толчка тока, так как включение невозбужденного генератора в сеть с напряжением U_с эквивалентно внезапному короткому замыканию этого генератора при работе на холостом ходу с Е=U_с. Однако толчок тока при самосинхронизации будет все же меньше, так как, кроме сопротивления генератора, в цепи будут действовать также сопротивления элементов сети (повышающие трансформаторы, линия и т. д.). Кроме того, включение генератора производится при включенном сопротивлении гашения поля, что также снижает величину ударного тока и способствует быстрому затуханию переходных токов.

     По  действующим правилам метод самосинхронизации  можно применять в случаях, когда  толчок тока не будет превышать 3,5 гц. В большинстве случаев это условие выполняется. На рис.

 

представлены  кривые, относящиеся к включению  в сеть методом самосинхронизации турбогенератора мощностью 100 Mem.

Синхронные  режимы параллельной работы

  синхронных машин

 

     Режим работы синхронной машины параллельно  с сетью при  синхронной скорости вращения называется синхронным.

     Рассмотрим  особенности этого режима подробнее, причем предположим для простоты, что сеть, к которой приключена рассматриваемая машина, является бесконечно мощной, т. е. в ней U = const и f -= const. Практически это означает, что суммарная мощность всех приключенных к этой сети синхронных генераторов настолько велика по сравнению с мощностью приключаемой машины, что изменение режима работы машины не влияет на напряжение и частоту сети.

     Напряжение параллельно работающего генератора равно напряжению сети на зажимах генератора. Для простоты предположим также, что включаемая на параллельную работу машина является неявнополюсной и сопротивление якоря r_a = 0. Тогда, согласно диаграмме, ток якоря машины определяется простой зависимостью

              

Изменение реактивной мощности.

Режим синхронного компенсатора.

 

     Предположим, что при включении на параллельную работу условия синхронизации возбужденного генератора были соблюдены в точности, т. е. тогда, I = 0, т. е. машина не примет на себя никакой нагрузки.

     Предположим теперь, что ток возбуждения после  синхронизации был увеличен и  поэтому  . Тогда (рис а) возникает ток I отстающий от &.0, а также от Ё и 0 на 90°. Машина, таким образом, будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, так что   (рис. б), то ток I также будет отставать от на 90°, но будет опережать Е и 0 на 90°, т. е. машина будет отдавать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощность.

     Таким образом, изменение тока возбуждения  синхронной машины вызовет в ней  только реактивные токи или изменение  реактивного тока и реактивной мощности. При синхронная машина называется перевозбужденной, а при — н е д о в о з б у ж д е н н о и. При равенстве активной мощности нулю перевозбужденная синхронная