Методы синхронизации генераторов
Совокупность операций, проводимых при подключении генератора на параллельную работу с сетью, называют синхронизацией.
В момент включения генератора на параллельную работу необходимо обеспечить наименьший бросок тока. В противном случае возможны срабатывание защиты, поломка генератора или первичного двигателя. Ток в момент подключения будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети и генератора. На практике это обеспечивается соблюдением вышеперечисленных условий параллельной работы в момент включения.
Применяют метод точной синхронизации и метод грубой синхронизации (самосинхронизация).
При точной синхронизации генератор приводят в состояние, отвечающее вышеуказанным условиям, и затем включают на параллельную работу. Сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот тока сети и генератора fс= fг. Затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжений Uc=Uг. Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (ас = аг) контролируется специальными приборами — синхроноскопами.
Для синхронизации генераторов малой мощности применяют ламповые синхроноскопы. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети. На каждую лампу действует напряжение ∆и=иc-иг, которое при fс≠ fг изменяется с частотой ∆f= fс— fг, называемой частотой биений. В этом случае лампы мигают. При fс ≈ fг разность ∆и изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают. Генератор подключают к сети, когда разность напряжений ∆и на короткое время становится близкой нулю в середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Uc и Uг.
Генераторы большой мощности синхронизируют с помощью стрелочных синхроноскопов, работающих по принципу вращающегося магнитного поля. В этих приборах при fс≠ fг стрелка вращается с частотой, пропорциональной разности частот ∆f= fс— fг, в одну или другую сторону в зависимости от того, какая из этих частот больше. При fс= fг стрелка устанавливается на нуль. В этот момент и следует подключать генератор к сети.
Для исключения ошибочных действий обслуживающего персонала используются автоматические синхроноскопы, регулирующие напряжение и частоту и включающие генератор на параллельную работу по предварительной команде без помощи обслуживающего персонала.
Метод грубой синхронизации (самосинхронизации) отличается от метода точной синхронизации простотой и быстротой включения. Особое значение этот метод приобретает при ликвидации аварий, когда необходимо быстро подключить генератор в сеть при значительных колебаниях напряжения и частоты. Включение методом точной синхронизации в таких случаях весьма затруднительно.
При подключении методом самосинхронизации обмотку возбуждения замыкают на активное сопротивление, чтобы избежать в ней перенапряжений. Ротор невозбуждённого генератора разгоняют до частоты вращения близкой к синхронной за счет момента первичного двигателя. Допускается скольжение не более 2%.
Затем обмотка якоря генератора подключается к сети. После этого подается питание на обмотку возбуждения (она переключается с гасительного резистора на источник питания), появляется синхронирующий момент и генератор втягивается в синхронизм.
Недостатком метода самосинхронизации является сравнительно большой бросок тока в момент включения генератора, который вызывает значительные механические усилия в обмотках, что может привестик преждевременному их выходу из строя. Поэтому бросок тока при включении не должен превышать номинальный ток якоря более, чем в 3,5 раза.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
04.10.2014
Синхронизация генераторов
В предыдущей статье были определены условия, необходимые для синхронизации генераторов. Разберем, какими средствами осуществляется выполнение этих условий.
Порядок чередования фаз обмоток статора проверяется при монтаже генераторов и их первоначальном подключении к шинам главного распределительного щита (так называемая «фазировка»); Все остальные условия надо контролировать при каждом включении генераторов на параллельную работу.
Совпадение напряжений подключаемого генератора и на шинах щита проверяется по вольтметру и достигается регулировкой возбуждения генератора. Эту проверку рекомендуется производить с помощью одного вольтметра, подключаемого через переключатель поочередно к генератору или к шинам щита.
Совпадение частот контролируется по частотомеру и осуществляется регулировкой скорости вращения первичного двигателя. Регулировка производится с главного распределительного щита посредством органов дистанционного управления подачей топлива или пара. Для удобства сравнения частот обычно применяется сдвоенный частотомер, имеющий две шкалы, расположенные непосредственно одна под другой. Одна из этих шкал включена на генератор, а вторая — на шины щита.
Равенство углов сдвига фаз между э. д. с. каждого генератора и напряжением на шинах будет иметь место при условии совпадения по фазе синусоидальных кривых напряжений обоих генераторов.
Проверка такого совпадения выполняется либо с помощью ламп синхронизации, либо с помощью синхроноскопа.
Различают два способа включения ламп синхронизации: на «темное» и на «светлое» включение.
При первом способе лампы синхронизации включаются на одноименные фазы шин распределительного щита и обмоток статора подключаемого генератора (рис. 1).
Если скорости вращения генераторов несколько отличаются, одна от другой, то сила света ламп будет периодически изменяться от погасания до максимальной. Эти изменения силы света происходят у всех ламп одновременно. Когда фазы синусоидальных кривых напряжений на клеммах генератора и на шинах распределительного щита совпадают, все лампы гаснут и автомат генератора может быть включен.
Этот способ включения неудобен тем, что нельзя определить, вращается ли подключаемый генератор быстрее или медленнее работающего.
При втором способе между одноименными фазами обмоток генераторов включается только одна лампа, две же другие включаются на разноименные фазы (рис. 2). В этом случае все лампы будут загораться и гаснуть в разное время.
Если такие лампы расположить в вершинах равностороннего треугольника, то по направлению вспышек ламп можно судить о необходимости увеличения или уменьшения скорости вращения подключаемого генератора. В момент совпадения синусоид напряжений, т. е. в момент синхронизации генераторов, лампа, включенная на одноименные фазы, погаснет, а две другие будут гореть с одинаковой силой света.
Более удобно определять момент синхронизации по стрелочному синхроноскопу. Один из способов синхронизации генераторов называется способом точной синхронизации.
Синхронизация по этому способу является достаточно сложной и ответственной операцией, требующей высокой квалификации обслуживающего персонала, а в некоторых случаях и длительного времени для ее осуществления.
Гораздо проще и быстрее включение генераторов на параллельную работу осуществляется по методу самосинхронизации.
При этом способе генератор в невозбужденном состоянии разворачивается первичным двигателем до скорости, при которой его частота отличается от частоты на шинах на 1—2 гц (эта скорость называется подсинхронной скоростью), затем подключают его к шинам и немедленно дают ему возбуждение.
Для проверки частоты синхронизируемого генератора (при отсутствии специального частотомера, который может работать на напряжении, развиваемом генератором при остаточном магнетизме) его до подключения к шинам возбуждают, при достижении подсинхронной частоты быстро снимают возбуждение, не изменяя положения маховика регулятора возбуждения, затем включают автомат генератора и снова дают возбуждение.
Включение методом самосинхронизации сопровождается возникновением кратковременного броска тока, не превышающего обычно трехкратного значения номинального тока (при низкой величине коэффициента мощности) и поэтому безопасного для генератора.
С целью уменьшить бросок тока, возникающий при включении генератора, за последнее время стали применять метод грубой синхронизации генераторов через реактор.
При этом методе генератор, возбужденный до номинального напряжения так же, как и при методе самосинхронизации, доводится до подсинхронной скорости вращения. После этого включают генератор на шины сначала через реактор, а затем (через несколько секунд) на прямую. После включения генератора на шины реактор выключают. Соответствующим подбором сопротивления реактора можно достигнуть того, что ток включения генератора не будет превышать его номинального тока.
На рис. 3 дана схема автоматизированного включения генератора на параллельную работу методом грубой синхронизации. При нажатии кнопки «Вкл.» катушка контактора К, получив питание включает генератор Г на шины через реактор Р. Одновременно контактор подает питание на катушку реле времени РВ. Через 6—8 сек после включения контактора реле времени срабатывает и подает питание на катушку электромагнитного привода автомата генератора А. После включения автомата кнопка «Вкл». отпускается. Контактор К, лишившись питания, отключает реактор и катушку реле времени. Чтобы избежать одновременного включения двух генераторов, цепи питания катушек контакторов К1 и К2 сблокированы с помощью блок-контактов этих же контакторов.
Включение на параллельную работу методом грубой синхронизации через реактор является наиболее простым, удобным и надежным, в связи с чем получает все большее распространение на судах.
Отключение работающего генератора осуществляется нажатием кнопки «Откл.», которая прерывает питание катушки автомата генератора А.
Источник
Синхронизация генераторов (стр. 1 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 |
§ 12.7. СИНХРОНИЗАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ
Способы синхронизации. Под синхронизацией понимают процесс включения синхронной машины на параллельную работу с другой синхронной машиной или с энергосистемой. Процесс включения может быть полностью автоматизирован. Все операции при этом выполняются без вмешательства персонала.
Автоматическая синхронизация применяется прежде всего на гидроэлектростанциях. Если при синхронизации часть операций по включению генератора выполняется человеком, то такая синхронизация называется полуавтоматической. В ряде случаев допускается осуществлять синхронизацию вручную без использования устройств автоматики.
Существует два способа включения синхронных генераторов на параллельную работу: самосинхронизация и точная синхронизация. При этом, несмотря на различие условий, в которых находится генератор, и тот и другой способы должны обеспечить включение генератора при допустимых значениях уравнительного тока и мощности и вхождение включенного генератора в синхронизм.
Самосинхронизация. Сущность ее заключается в том, что во время включения генератора при скорости, близкой к синхронной, автомат гашения поля (АГП) остается отключенным и обмотка ротора генератора оказывается замкнутой на разрядный резистор и отсоединенной от возбудителя. Таким образом, генератор включается в сеть невозбужденным (Е q =0). После включения выключателя генератора подается сигнал на включение АГП, который подключает обмотку ротора к возбудителю. Генератор возбуждается и втягивается в синхронизм. Для энергосистемы такое включение эквивалентно трехфазному короткому замыканию за сопротивлением генератора, поэтому действующее значение периодической составляющей переходного уравнительного тока
I ′ур= U с /(Х′ d + X с ) (12.7)
где Xc и Uc —приведенные к генераторному напряжению соответственно сопротивление и напряжение системы.
Наиболее тяжелым случаем является включение генератора на шины неограниченной мощности ( X с =0). При этом ток I ‘ур может достигать значений тока трехфазного короткого замыкания возбужденного генератора при повреждении на его выводах ( I ′к= E ′ q / X ′ q ). Во всех других случаях I ‘ур I ′к, поэтому при самосинхронизации генератор находится в более легких условиях, чем при коротких замыканиях. При самосинхронизации понижается напряжение в системе. Минимальное напряжение получается на выводах генератора U г = UcX ′ d /(Х′ d + X с ). Однако работа потребителей при этом, как правило, не нарушается (напряжение восстанавливается через 2—Зс). При самосинхронизации на ротор действует ряд вращающих моментов. Процесс вхождения в синхронизм зависит от их соотношения [98].
Самосинхронизацию рекомендуется применять как основной способ включения в тех случаях, когда уравнительный ток I ‘УР I г. ном . При этом на гидрогенераторах предусматривается автоматическая, а на турбогенераторах—полуавтоматическая самосинхронизация. Нужно отметить, что в ряде случаев при допустимой кратности уравнительного тока применяют способ автоматической или полуавтоматической точной синхронизации. Это относится, например, к генераторам с непосредственным охлаждением обмоток. В аварийных ситуациях самосинхронизацию допускается применять независимо от кратности уравнительного тока и способа охлаждения генератора. В схеме самосинхронизации применяют реле разности частот ИРЧ-01А. Действие реле основано на индукционном принципе. Оно выполнено на четырехполюсной магнитной системе.
На рис. 12.11 дана упрощенная схема полуавтоматической самосинхронизации с реле разности частот KF типа ИРЧ-0,1А.
Процесс самосинхронизации начинается с включения ключа синхронизации SA . При этом контактами SA .1— SA .3 на схему подается оперативный ток и обмотка напряжения KF .1 реле KF контактом SA .4 подключается к трансформатору напряжения Т V 1 шин электростанции (рис, 12,11,0), Обмотка KF .2 (рис.12.11,б) контактом SA .5 подключается к трансформатору напряжения TV 2 генератора спустя время t С. Р =1. 2 с (реле времени КТ), если выключатель и АГП генератора находятся в отключенном состоянии (вспомогательные контакты Q .2 и ASV замкнуты) и на выводах генератора отсутствует напряжение (контакт KV минимального реле напряжения KV замкнут). К обмотке подводится небольшое остаточное напряжение генератора, составляющее около U г. ост =0,2 В, так как генератор включается в сеть невозбужденным.
Магнитные потоки, создаваемые токами в обмотках реле, периодически смещаются по фазе на угол 0≤ δ ≤2 π со скоростью, пропорциональной разности частот синхронизируемых напряжений При этом подвижная система реле совершает колебательные движения.
Чем меньше разность частот, тем больше амплитуда колебаний При допустимой по условиям самосинхронизации разности частот реле кратковременно замыкает контакты KF в цепи обмотки промежуточного реле KL 1 (рис. 12.11, в). Оно срабатывает и контактом KL 1.1 самоудерживается, а контактом KL 1.4 подает воздействие на включение выключателя (рис 12.11, г) После этого в связи с замыканием вспомогательного контакта выключателя Q 1 включается АГП Реле KL 2, управляемое размыкающим контактом KL 1.2 реле KL 1, обеспечивает однократность действия. Реле имеет некоторое замедление при возврате, что необходимо для надежного включения выключателя и АГП.
После завершения процесса самосинхронизации обмотка KF .2 реле разности частот отключается от трансформатора напряжения TV 2 размыкающими контактами KV , KL 1.5 и вспомогательными контактами ASV и Q .2 (рис. 1211,6) Это необходимо для того, чтобы исключить повреждение обмотки, не рассчитанной на номинальное вторичное напряжение трансформатора TV 2. Для возврата реле KL 1 и других реле ключ SA переводится в отключенное положение.
Точная синхронизация. При точной синхронизации генератор включается в сеть возбужденным, поэтому уравнительный ток в момент включения определяется при прочих равных условиях значением напряжения биения Us , которое, как указывалось, равно геометрической разности ЭДС (напряжения) синхронизируемого генератора U r и системы U c .
На рис. 12.12, а дана векторная диаграмма для случая Ur = Uc = U , из которой следует, что Us =2 Usinδ /2. При этом уравнительный ток Iyp =[2 U /( Xr + Xc )] sinδ /2. Максимальное значение он приобретает в момент включения генератора ( U г = Eq » и Хг= Xd «) на шины системы неограниченной мощности (Хс=0) при угле δ=π. В этом случае уравнительный ток I УР » превышает в два раза сверхпереходный ток трехфазного короткого замыкания генератора I к «.
Очевидно, что устройство точной синхронизации должно обеспечивать включение при уравнительном токе I ур =0. Для выполнения этого условия необходимо обеспечить: равенство напряжений включаемого генератора Ur и системы U С ; совпадение по фазе указанных напряжений ( δ =0); равенство угловых скоростей включаемого генератора ω г и системы ω с . Если бы выключатель включался мгновенно ( t в. в =0), то в процессе точной синхронизации достаточно (для обеспечения I ур =0) было бы выполнить два первых требования и сигнал на включение при Us =0. В действительности t в. в ≠0, поэтому выключатель необходимо включать с некоторым опережением. Сигнал на включение можно подавать либо с постоянным углом опережения δo п , либо с постоянным временем опережения ton , равным времени включения выключателя t в. в . В соответствии с этим различают синхронизаторы с постоянным углом опережения и синхронизаторы с постоянным временем опережения.
На рис. 12.12, б показан характер изменения Us =ƒ( t ) для двух значений угловой скорости скольжения ωs = ω г -ωс. Так как угол δ = ωst , то при δ = δ оп каждому значению ωs соответствует определенное время, в частности t оп1 и t оп2 . В общем случае t оп отличается от t в. в , поэтому действие синхронизатора с постоянным углом опережения может сопровождаться значительным уравнительным током из-за включения выключателя не в момент оптимума ( Us =0), что является принципиальным недостатком синхронизатора с постоянным углом опережения. В настоящее время такие синхронизаторы уже не применяются.
Синхронизатор с постоянным временем опережения не имеет указанного недостатка. Если принять ton = t в. в , то выключатель должен при любых значениях ω s включиться в момент оптимума. Однако в действительности происходят отклонения из-за разброса времени t в. в и погрешности синхронизатора. При неравенстве абсолютных значений синхронизируемых напряжений форма огибающей напряжения биения искажается. Во всех случаях предполагается, что значение угловой скорости скольжения ω s в течение времени опережения t оп остается постоянным. В действительности имеет место некоторое угловое ускорение. В синхронизаторах, использующих напряжение биения в качестве воздействующей величины, например в синхронизаторе АСТ-4, эти обстоятельства не учитываются, что также вызывает погрешности в их работе. Таким образом, недостатки этих синхронизаторов обусловлены тем, что измерение угла δ между векторами синхронизируемых напряжений и угловой скорости скольжения ws производится косвенным способом, через напряжение биения. В связи с этим в современных синхронизаторах с постоянным временем опережения напряжение биения не используется. Такими устройствами являются синхронизаторы СА-1 и УТСЗ.
Синхронизатор СА-1 выпускается на основе разработок Московского энергетического института [77, 99, 100]. Принцип действия синхронизатора заключается в непосредственном измерении угла δ после предварительного преобразования его в напряжение постоянного тока Uδ (рис. 12.13, а). Причем угол опережения t оп , выбирается с учетом скорости изменения угла δ 
и его ускорения
т. е 
В зависимости от знака скольжения синхронизатор разрешает включение при выполнении условий δ+δ o п =2 π или δ + δon =0. Так как зависимость между δ и Uδ имеет линейный характер, то условие срабатывания синхронизатора представим в виде
, (12.8)
где U 2 π —значение Uδ при угле 2 π (0).
Упрощенная функциональная схема синхронизатора показана на рис. 12.13, б.
Измерительный преобразователь 1 осуществляет линейное преобразование угла δ в напряжение постоянного тока Uδ . Дифференцирующие усилители 2 и 3 дважды дифференцируют напряжение Uδ , а сумматор 4 реализует левую часть выражения (12.8). Полученное напряжение поступает на вход компаратора 5, который сравнивает его с напряжением U 2 π и через логическую часть устройства 10 разрешает включение, если выполняется условие (12.8). Дифференцирующие усилители 2 и 3, сумматор 4 и компаратор 5 составляют блок времени опережения Синхронизатор позволяет устанавливать t оп = 0,1. 1,0 с. Синхронизатор содержит устройство запрета по максимально допустимому углу опережения, состоящее из сумматора 6 и компаратора 7. При определении значения максимально допустимого угла опережения δ on max , соответствующего максимально допустимой скорости скольжения ω s max (δ on max =ω s max t оп ), неободимо учитытывать действительное ускорение в момент замыкания контактов выключателя. Угол δ on max устанавливается на сумматоре 6 в виде расчетного напряжения U δ on max , а поправка на ускорение вводится автоматически в сумматор в виде напряжения с выхода дифференцирующего усилиПолученное напряжение U ∑ сравнивается компаратором 7 с напряжением Uδ . Включение запрещается при U ∑ > Uδ .
Синхронизатор разрешает включение при максимально допустимых углах опережения, не превышающих 120°. Включение также запрещается, если разность абсолютных значений синхронизируемых напряжений превышает допустимое значение ΔU . Для этой цели в устройстве предусмотрен блок запрета 8. Предельная допустимая разность амплитуд синхронизируемых напряжений равна 15 В (номинальные напряжений равны 100 В). Узел блокировки 9 предотвращает неправильные срабатывания синхронизатора при переходных процессах в его элементах, возникающих в момент подачи или снятия синхронизируемых напряжений. Синхронизатор содержит уравнитель частот 11, воздействующий на систему регулирования частоты вращения генератора. Он разрешает включение, если частота сети ƒ c и частота генератора ƒг отличаются не более чем на 1 Гц. При угловой скорости скольжения, близкой к нулю, синхронизатор может отказать в действии. Для исключения этого уравнитель частот выполнен так, что он подгоняет ωs , не к нулю, а к некоторому минимальному значению.
Синхронизатор СА-1 не содержит устройства, уравнивающего синхронизируемые напряжения. Эта операция выполняется вручную в процессе синхронизации.
Синхронизатор УТСЗ , разработанный в ВНИИ «Электропривод» [101], является устройством точной синхронизации, обеспечивающим автоматизацию всего процесса включения синхронного генератора. Основными элементами синхронизатора являются (рис. 12.14): узел подгонки напряжения (УПН); узел подгонки частоты (УПЧ);
узел опережения (УО); узел включения (УВ) и узел блокировки (УБ). Рассмотрим функциональные схемы и работу этих узлов.
Узел опережения (УО) формирует сигнал на включение выключателя синхронизируемого генератора с заданным временем опережения ton без использования напряжения биения. Эго устройство, как и синхронизатор СА-1, осуществляет непосредственное измерение угла δ. Упрощенная функциональная схема УО и графики его работы показаны на рис. 12.15, а.
Напряжения сети U с и генератора Ur поступают на входы инвертирующих операционных усилителей 1 и 1′ и преобразуются ими в напряжения U 1с и U 1 r , которые, в свою очередь, с помощью операционных усилителей 2 и 2′ преобразуются в прямоугольные напряжения U 2 c и U 2 r , следующие с частотой сети ƒ c и частотой генератора ƒ r . Элементы 3 и 3′, содержащие дифференцирующие конденсаторы и инверторы (логические элементы НЕ), формируют из напряжений U 2 c и U 2г узкие импульсы с частотой сети ƒс и с частотой генератора ƒг. Напряжение U 2 c поступает также на вход инвертирующего операционного усилиНа выходе усилителя формируется пилообразное напряжение U з . Это напряжение подается на вход элемента 5 (фазового детектора), который управляется импульсами ƒг При поступлении очередного импульса на выходе элемента 5 появляется постоянное напряжение U δ , значение которого пропорционально углу δ между синхронизируемыми напряжениями Uc и U г . Таким образом осуществляется преобразование угла δ в постоянное напряжение Uδ .
На рис. 12.15,б рассмотрен случай, когда частота генератора выше частоты сети, поэтому фаза импульсов ƒг равномерно смещается во времени относительно фазы импульсов ƒс и пилообразного напряжения U з . В результате напряжение U δ приобретает ступенчатую форму. Оно максимально при δ—π и равно нулю при δ=0. Это напряжение поступает на вход дифференцирующего усилителя 6 и неинвертирующего усилиНапряжение dU δ / dt на выходе усилителя 6 пропорционально угловой скорости скольжения. Усилитель 7 имеет в цепи обратной связи три резисторных делителя, с помощью которых можно изменять значения напряжения U ‘ δ на его выходе. Сигналы с выхода усилителей 6 и 7, пропорциональные угловой скорости скольжения и углу δ , поступают на вход компаратора 10, на выходе которого формируется сигнал U 4 . Его передний фронт возникает при условии U ‘ δ = dUδ / dt , а задний фронт совпадает с моментом времени, когда δ =0, поэтому продолжительность сигнала U 4 равна времени опережения to п . Таким образом, в отличие от синхронизатора СА-1 здесь при определении t оп угловое ускорение ( d 2 Uδ / dt 2 ) не учитывается, что делает замер менее точным.
Источник
