БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
04.10.2014
Параллельная работа генераторов переменного тока
Параллельная работа генераторов переменного тока требует соблюдения более сложных условий, чем параллельная работа генераторов постоянного тока.
Для включения синхронного генератора параллельно с другим необходимо:
1) равенство напряжений работающего и подключаемого генераторов;
2) равенство их частот;
3) совпадение порядка чередования фаз;
4) равенство углов сдвига между э. д. с. каждого генератору и напряжением на шинах.
Последнее условие сводится к геометрически одинаковому наложению роторов генераторов относительно обмоток своих статоров.
Процесс приведения генераторов в такое состояние, при котором все перечисленные условия будут выполнены, называется синхронизацией генераторов.
Если генераторы синхронизированы, то включение их на параллельную работу протекает спокойно, без появления в системе каких-либо дополнительных толчков тока. Если хотя бы одно из условий не выдержано, то между генераторами появляются значительные уравнительные токи, которые не позволяют осуществить параллельную работу генераторов, а в некоторых случаях могут даже вызвать их повреждение.
Рассмотрим параллельную работу двух синхронных генераторов.
Если генераторы одинаковы, электродвижущие силы и скорости вращения их равны, то при отсутствии внешней нагрузки (т. е. при холостом ходе) в цепи обмоток статоров генераторов тока не будет, так как э д. с. взаимно уравновешиваются.
При включении внешней нагрузки оба генератора начнут отдавать одинаковую, мощность. При индуктивной нагрузке напряжение каждого уменьшится на одну и ту же величину, причем между э. д. с. генератора и его напряжением появится некоторый сдвиг, по фазе определяемый углом δ. Мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, пропорциональна этому углу.
Предположим, что мы увеличили возбуждение, а следовательно, и э. д. с. первого генератора и уменьшили возбуждение второго так, что общее напряжение генераторов осталось прежним.
Так как мощность, развиваемая первичными двигателями, осталась неизменной, то как общая мощность, так и мощности, отдаваемые каждым из генераторов, также не изменились. Не изменился и ток внешней нагрузки: I — общий и I/2 — для каждого генератора.
Вместе с тем, так как э. д. с. обоих генераторов уже не равны, то между генераторами появится уравнительный ток Iу, протекающий только по цепи генераторов. Распределение токов в этом случае показано на рис. 1.
Как видим, ток в первом генераторе будет равен геометрической сумме токов внешней нагрузки I/2 и уравнительного Iу, а во втором — геометрической их разности.
Индуктивные сопротивления обмоток статоров генераторов значительно больше их активных сопротивлений. В связи с этим уравнительный ток будет отставать от разности э. д. с. генераторов почти на 90°.
При этом условии при сложении токов в первом генераторе и вычитании их во втором результирующий ток будет отставать от напряжения в каждом генераторе на различный угол.
Иными словами, каждый из генераторов будет работать при своем коэффициенте мощности, отличном от коэффициента мощности внешней сети. Если активная мощность, потребляемая внешней нагрузкой, близка к суммарной мощности обоих генераторов, то у перевозбужденного генератора действующий ток превысит номинальный ток генератора, чего допускать нельзя (перегрузка по току).
Отсюда следует, что при параллельной работе синхронных генераторов необходимо стремиться к тому, чтобы все генераторы работали с одним и тем же коэффициентом мощности, равным коэффициенту мощности сети.
Предположим теперь, что не изменяя возбуждения воздействием на регулятор первичного двигателя первого генератора, мы увеличили ему подачу топлива. В этом случае первичный двигатель разовьет увеличенный вращающий момент, под влиянием которого ротор первого генератора забежит вперед относительно ротора второго генератора, вращаясь в дальнейшем с прежней синхронной скоростью. Вследствие расхождения по фазе электродвижущих сил генераторов в их цепи возникнет разность э. д. с., под влиянием которой появится уравнительный ток.
Но уравнительный ток по своей фазе будет почти совпадать с э. д. с. первого генератора, т. е. явится для него током нагрузки, и будет почти противоположным э. д. с. второго генератора (будет уменьшать его нагрузку). В этом случае каждый из генераторов будет нести нагрузку, пропорциональную вращающему моменту, развиваемую его первичным двигателем.
При этом полюса более нагруженного генератора будут в пространстве находиться впереди полюсов менее нагруженного. Последнее обстоятельство равносильно тому, что у более нагруженного генератора угол сдвига фаз между э. д. с. и напряжением δ1 больше, чем у менее нагруженного δ2.
Следует отметить, что параллельная работа синхронных генераторов проходит устойчиво только при определенных значениях угла δ. Наиболее устойчива она при угле δ, равном 0°, что соответствует холостой работе генераторов; при угле, равном 90°, генератор выпадает из синхронизма и параллельная работа становится невозможной.
Неизменность угла δ зависит от постоянства скорости вращения первичного двигателя. При колебании скорости вращения вследствие изменения нагрузки или по каким-либо другим причинам угол δ может измениться до недопустимой величины. Поэтому надежность и устойчивость параллельной работы синхронных генераторов в значительной мере зависит от качества работы регуляторов оборотов первичных двигателей.
Необходимое для перераспределения нагрузок генераторов дистанционное управление подачей топлива первичным двигателям обеспечивается применением регуляторов с серводвигателем или с электромагнитным приводом клапанов подачи топлива. При включении напряжения серводвигатель или соленоид открывает клапан подачи топлива или пара. Степень открытия клапана, а следовательно, и количество подаваемого топлива регулируется продолжительностью включения серводвигателя или числом включенных соленоидов.
У синхронных генераторов с самовозбуждением и саморегулированием напряжения величина тока возбуждения, зависит от тока в цепи статора. В свою очередь при параллельной работе синхронных генераторов изменение тока возбуждения генератора влияет на величину его реактивного тока. Отсюда вытекает, что при параллельной работе синхронных генераторов с самовозбуждением и саморегулированием напряжения необходимо принимать специальные меры для обеспечения правильного распределения реактивного тока между ними.
В качестве такого мероприятия у генераторов одинаковой мощности предусматривают уравнительное соединение между их обмотками возбуждения (на стороне постоянного тока), как это изображено на рис. 2.
При замыкании автоматов генераторов подается ток на катушки контакторов К1 и К2, подключающих обмотки возбуждения к уравнительным шинам.
В результате параллельного соединения обмоток возбуждения любое изменение возбуждения одного генератора отражается и на величине возбуждения второго. Поэтому распределение реактивного тока между ними сохраняется правильным.
При параллельной работе генераторов разной мощности, уравнительное соединение выполняется в цепях схемы регулирования напряжения на стороне переменного тока (рис. 3).
Источник
БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
01.09.2020
Параллельная работа судовых генераторов. Главное условие включения генераторов переменного тока на параллельную работу
На судах обычно применяют параллельную работу генераторов, которая может быть продолжительной или кратковременной. При продолжительной параллельной работе генераторы работают в течение времени, требуемого эксплуатационными условиями. Кратковременная параллельная работа генераторов предусматривается на время перевода нагрузки с одного генераторного агрегата на другой.
Параллельная работа генераторов по сравнению с раздельной имеет целый ряд преимуществ: обеспечивается оптимальная загрузка электростанции, так как дополнительные генераторы включают только тогда, когда этого требуют эксплуатационные условия; нагрузка с одного генератора на другой переводится без перерыва питания; обеспечивается возможность пуска мощных двигателей при допустимых значениях провала напряжения; имеется возможность снизить расход топлива за счет лучшего использования мощности генераторных агрегатов; обеспечивается бесперебойное электроснабжение потребителей в случае выхода из строя одного из генераторов и другие.
Вместе с тем, параллельной работе генераторов присущи и некоторые недостатки: требуется аппаратура для их включения на параллельную работу, обслуживающий персонал должен иметь высокую квалификацию, увеличивается ток короткого замыкания, усложняется защита генераторов и возникают задачи, связанные с распределением нагрузки между ними.
- э. д. с. включаемого генератора должна быть равна напряжению уже работающего генератора;
- полярность выводов включаемого генератора должна совпадать с полярностью работающего. Это условие выполняется при монтаже.
На судах с электростанциями постоянного тока применяются генераторы параллельного и, чаще всего, смешанного возбуждения (рис. 1).
Рис. 1. Включение генераторов смешанного возбуждения на параллельную работу: П — потребители
Если генератор смешанного возбуждения Г1 работает и включен на шины (рубильник 1 замкнут), то для включения генератора Г2 на параллельную работу следует: запустить первичный двигатель и довести его частоту вращения до номинальной; возбудить генератор Г2 регулятором возбуждения РВ2 так, чтобы его э. д. с. Е2 стала равной или превышала (на 2—3 В) напряжение U на шинах; включить рубильник 2; перераспределить нагрузку между генераторами путем одновременного изменения э. д. с. регуляторами возбуждения РВ1 и РВ2.
Возбуждение генератора Г2 увеличивают, а Г1 — уменьшают, так чтобы напряжение на шинах оставалось номинальным. Если напряжение отличается от номинального, то одновременным поворотом РВ1 и РВ2 в нужную сторону его доводят до номинального.
Перераспределение нагрузок между генераторами легко объяснить с помощью формул:
Сопротивление якорных цепей Rя1, Rя2 генераторов и напряжение на шинах U — величины постоянные. Поэтому токи нагрузки генераторов I1 и I2 определяются величинами их э. д. с. E1 и Е2. Если э. д. с. какого-либо генератора станет меньше напряжения на шинах, ток через генератор изменит направление, а генератор перейдет в двигательный режим. Поэтому при параллельной работе предусматривается защита от обратного тока.
С увеличением общей нагрузки (рис. 2) генератор, имеющий более крутопадающую характеристику U=f(I), будет загружаться меньше. Поэтому статизм (наклон) внешних характеристик параллельно работающих генераторов должен быть обратно пропорциональным их мощностям.
Нагрузки должны распределяться с точностью 10% номинальной для генераторов равной мощности и 12% (20%) —мощности большего (меньшего) генератора для генераторов разной мощности при изменении общей нагрузки от 20 до 100%.
Рис. 2. Распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами
Устойчивая параллельная работа генераторов смешанного возбуждения возможна лишь при условии соединения одноименных выводов якорей генераторов со стороны последовательной обмотки (точки а и b на рис. 1) уравнительным проводом. При его отсутствии и увеличении частоты вращения, например генератора Г1 э.д.с. Е1 возрастет, что приведет к увеличению тока нагрузки I1, м. д. с. последовательной обмотки этого генератора увеличится и, следовательно, еще больше увеличится э.д.с. Е1 и ток I1. Второй генератор Г2 начнет разгружаться и может перейти даже в двигательный режим, т. е. работа будет неустойчивой.
При наличии уравнительного провода, параллельно соединяющего последовательные обмотки генераторов, увеличение нагрузки какого-либо из них одновременно увеличивает возбуждение и других, работа будет устойчивой. При параллельной работе генераторов смешанного возбуждения возможно их размагничивание или перемагничивание (изменение полярности). Поэтому предусматривают устройство для подмагничивания генераторов.
Генераторы параллельного возбуждения включаются на параллельную работу аналогично генераторам смешанного возбуждения, но не требуют для устойчивой работы уравнительного провода.
- равенство э.д.с. включаемого генератора и напряжения цепи;
- равенство частот включаемого генератора и цепи;
- главное условие — совпадение углов сдвига фаз э. д. с. включаемого генератора и напряжения цепи.
Так как указанные условия должны выполняться для всех трех фаз, то необходимо, чтобы генераторы были присоединены один к другому одноименными фазами, т. е. должен соблюдаться одинаковый порядок чередования фаз. Это условие выполняется при монтаже электростанции.
Процесс включения генераторов на параллельную работу называется синхронизацией и может выполняться вручную, полуавтоматически и автоматически.
Различают три способа синхронизации генераторов: точная синхронизация, самосинхронизация и грубая синхронизация (через реактор).
Способ точной синхронизации (рис. 3): генератор включается на параллельную работу после выполнения условий синхронизации.
Рис. 3. Схема включения синхронных генераторов на параллельную работу методом точной синхронизации: П —потребители
Порядок выполнения операций при этом (считаем, что генератор Г1 работает) может быть следующий:
- добиваются равенства частот включаемого генератора и цепи, изменяя частоту вращения первичного двигателя генератора Г2 посредством переключателя ПСД2 серводвигателя СД2 (частоту контролируют по частотомеру Hz2);
- уравнивают при помощи регулятора возбуждения РВ2, по вольтметрам V2 и V1, э. д. с. включаемого генератора и напряжения цепи;
- используя синхроноскоп S путем изменения частоты вращения генератора Г2, добиваются совпадения фаз напряжений и замыкают автомат А2 синхронизируемого генератора.
После включения генератора на параллельную работу перераспределяют нагрузки между параллельно работающими генераторами.
При синхронизации для определения момента совпадения фаз используют лампы накаливания, нулевые вольтметры и стрелочные синхроноскопы.
Лампы накаливания могут включаться «на погасание» и «на вращение огня». При включении ламп на разность напряжений одноименных фаз (рис. 4, а) в момент совпадения напряжений по фазе (момент синхронизации) лампы гаснут, а при расхождении векторов напряжения на 180° они будут гореть, находясь под двойным напряжением.
При включении ламп на вращение огня (см. рис. 4,б) лампа ЛЗ включена на погасание (в момент синхронизации гаснет), а лампы Л2 и Л1 включены на горение и в момент синхронизации находятся под линейным напряжением. Если лампы расположить по вершинам равностороннего треугольника, то при разной частоте вращения генераторов они будут зажигаться и гаснуть в определенном порядке. При этом будет создаваться впечатление вращающегося огня. Включение генератора должно производиться, когда вращение огня прекращается.
Синхронизация с помощью ламп очень несовершенна, поэтому дополнительно к ней иногда устанавливают нулевой вольтметр (в момент синхронизации стрелка должна стоять на нуле).
Стрелочные синхроноскопы более точны и поэтому чаще применяются на судах. Они представляют собой прибор с трехфазной обмоткой на статоре и однофазной — на роторе. Концы трехфазной обмотки синхроноскопа включены в фазы цепи, а концы роторной обмотки — на две фазы синхронизируемого генератора. Если включаемый генератор работает синхронно с цепью, то стрелка синхроноскопа устанавливается на красной черте шкалы.
Рис. 4. Ламповые синхроноскопы: включение ламп и векторные диаграммы на «погасание» (а) и на «вращение огня» (б)
При равенстве частот, но несовпадении фаз стрелка синхроноскопа отклоняется на некоторый угол в ту или иную сторону.
Если частоты не равны, то стрелка синхроноскопа будет вращаться в ту или иную сторону. Включать синхронизируемый генератор следует в тот момент, когда стрелка медленно подходит к красной черте, вращаясь по часовой стрелке.
Способ точной синхронизации обеспечивает наилучшие условия включения генераторов переменного тока на параллельную работу.
Действительно, при выполнении всех условий точной синхронизации геометрическая разность напряжений включаемого и работающего генераторов равна нулю (ΔŪ = Ū1-Ū2 = 0) и уравнительный ток в момент включения генератора Г2 равен нулю (рис. 5).
Однако включение генераторов с помощью этого способа вручную требует от обслуживающего персонала достаточного опыта. При неправильном включении генератора могут возникнуть большие броски тока и колебания напряжения. Допустим, что напряжения генераторов равны, а частоты разные: U1=U2=U; f1 ≠ f2. Тогда векторы напряжений работающего и включаемого генераторов сдвинуты на некоторый угол (см. рис.5,б). Так как угловые скорости роторов генераторов w1 и w2 разные, то угол δ будет изменяться от 0 до 180°, а геометрическая разность напряжений ΔŪ = Ū1-Ū2 будет изменяться от 0 до 2U.
В момент включения генератора Г2 появится уравнительный ток, величина которого будет определяться разностью напряжений ΔU. Активное сопротивление обмоток статоров генераторов Меньше индуктивного, поэтому вектор уравнительного тока Īур сдвинут по фазе от вектора разности напряжений ΔŪ приблизительно на угол 90°. Уравнительный реактивный ток может иметь достаточно большую величину, наибольшее его значение будет при δ = 180° (см. рис. 5,в).
Рис. 5. Диаграммы напряжений и токов при синхронизации генераторов для различных углов δ: а— δ = 0; б — 0
Источник
