Способы синхронизации синхронных генераторов

Параллельная работа генераторов переменного тока, в отличие от параллельной работы генераторов постоянного тока, является более сложным процессом.

Синхронные генераторы могут работать параллельно только при одинаковых угловых скоростях роторов, т.е. при синхронном их вращении. При этом относительные углы сдвига роторов в установившемся режиме определяются различной активной нагрузкой отдельных генераторов и не должны превышать допустимых величин.

С изменением режима активной нагрузки генераторов изменяются и углы относительного сдвига между их роторами, особенно при переходных процессах: сбросах и набросах активной нагрузки, коротких замыканиях в системе. Работа генераторов при допустимых перемещениях их роторов относительно друг друга является синхронной.

Для включения генератора на параллельную работу необходимо выполнить определенные условия, без чего возможен значительный толчок уравнительного тока. Процесс включения генера­торов на параллельную работу с выполнением ряда таких условий называется синхронизацией.

Упомянутые толчки приводят к снижению напряжения в электроэнергетической системе и могут вызвать повреждения генераторов и первичных двигателей и нарушение параллельной работы ранее работавших генераторов. Включенный генератор может не сразу втянуться в синхронизм, а находиться некоторое время в асинхронном режиме, вызывая дополнительные толчки и коле­бания уравнительного тока.

Синхронизация генераторов выполняется вручную, полуавтоматически и автоматически. При ручной синхронизации все действия по включению генератора в сеть производятся персоналом вручную. При полуавтоматической синхронизации часть операции выполняется вручную, а другая – автоматически. Процесс автоматической синхронизации полностью автоматизирован.

Применяются три различных способа синхронизации генераторов.

Точная синхронизация. Включается возбужденный генератор при соблюдении равенства напряжений и частот подключаемого генератора и системы, а также совпадения по фазе этих напряжений.

Самосинхронизация. Включается возбужденный генератор при скорости вращения, близкой к синхронной (скольжение составляет 2…3%), с последующей подачей возбуждения, и он сам втягивается в синхронизм.

Грубая синхронизация. Возбужденный генератор с напряжением и частотой, незначительно отличающимися от напряжения и частоты сети (скольжение не более 3…4)%, без соблюдения усло­вий синхронизма включается на параллельную работу через реактивное сопротивление (реактор), которое шунтируется после вхождения машины в синхронизм. Сдвиг по фазе напряжения генератора и сети в момент включения может быть различный.

 

Включение синхронных генераторов на параллельную

Работу способом точной синхронизации

Включение генераторов на параллельную работу при точной синхронизации производится так, чтобы толчок уравнительного тока был минимальным и исключалась возможность тяжелого повреждения генераторов и нарушения параллельной работы.

Если генераторы синхронизированы без выхода за пределы допустимого угла относительного сдвига роторов, то включение их на параллельную работу протекает спокойно, без значительных уравнительных токов.

Рассмотрим схему электростанции, состоящую из двух генераторов, где генератор Г ₁ несет нагрузку, а генератор Г ₂ работает в холостую и должен быть включен на параллельную работу.

При выполнении всех условий точной синхронизации геометри­ческая разность напряжений равна нулю Δ Ū = Ū ₁ – Ū ₂ = 0 и уравнительный ток, в момент включения генератора Г _2, равен нулю, т. е. не будет толчка и колебаний напряжения на шинах (рис. 1.5, а).

Если же условия точной синхронизации не выполняются ча­стично или полностью, то при включении генератора Г ₂ возникнет уравнительный ток разной величины.

Допустим, что напряжения генераторов равны, а частоты разные:

U ₁ = U ₂; f ₁ ≠ f ₂. В этом случае векторы напряжений работающего и подключаемого генераторов сдвинуты на некоторый угол δ (рис. 1.5, б). Вследствие неравенства угловых скоростей вращения ω ₁ и ω ₂ роторов генераторов угол δ меняется от 0 до 180° и геометрическая разность напряжений Δ U = Ū ₁ – Ū ₂ на­ходится в пределах 0 – 2U.

 

Рис. 1.5. Диаграммы напряжений и токов

при синхронизации генераторов при различных углах δ

а – случай δ = 0; б – случай 0 < δ < 90 ⁰; в – случай δ = 180 ⁰ колебания напряжения на шинах

 

В момент включения генератора Г ₂ появится уравнительный ток, величина которого зависит от геометрической разности напряжений ∆ U. Так как активное сопротивление обмотки статора генератора значительно меньше индуктивного, то вектор уравнительного тока Ī _ур сдвинут по фазе от вектора напряжения Δ Ū примерно на угол 90°. Уравнительный ток может иметь достаточно большую величину и вызвать механический толчок на валу генераторов и их тяжелое повреждение.

Геометрическая разность напряжений Δ Ū не остается постоянной во времени. Если напряжения генераторов изменяются соответственно по закону: u ₁ = U _l sin ω ₁ t; u ₂ = U ₂ sin ω ₂ t, то мгновенное значение их разности называется напряжением биения u _s. При условии u ₁ = u ₂ = u.

Наибольшее значение u _s имеет место при δ = 180°. Включение операторов на параллельную работу при несовпадении их напряжений по фазе (как, например, в случае, показанном на риc. 1.5, б, когда вектор напряжения Ū ₁ генератора Г ₁ опережает на угол δ вектор напряжения Ū ₂ генератора Г ₂ ), также приводит к тому, что возникают геометрическая разность напряжений Δ Ū и уравнительный ток I _ур.

Этот ток, как и в случае неравенства частот генераторов, для первого генератора является током нагрузки, создающим тормозящий электромагнитный момент, а для второго – током двигательным, создающим ускоряющий электромагнитный момент вращения. Появление толчка уравнительного тока вызовет резкое измене­ние скорости агрегатов, т. е. затормаживание первого и ускорение второго генераторов, и при этом возможны механические повреждения агрегатов и обмоток генераторов.

Ручная и полуавтоматическая точная синхронизация генератора достигается изменением возбуждения подключаемого генератора к скорости вращения первичного двигателя для выполнения указанных выше условий параллельной работы. Равенство напряжений обеспечивается регулированием возбуждения синхронизируемого генератора, при этом наблюдение ведут по двум вольтметрам: один вольтметр контролирует напряжение подключаемого генератора, а другой – напряжение ра­ботающего генератора или сборных шин электростанции.

Равенство частот обеспечивается регулированием скорости вращения первичного двигателя синхронизируемого генератора и контролируется двумя частотомерами: работающего (системы шин) и подключаемого генератора. Для этого посредством серводвигателя воздействуют на систему подачи топлива или пара сервисного двигателя генератора. Совпадение фаз напряжений синхронизируемого и работающего генераторов (или системы) определяют нулевым вольтметром, лам­повым или стрелочным синхроноскопами. Синхроноскопы облегчают и ускоряют процесс синхронизации и дают возможность установить не только совпадение фаз напряжений синхронизируемых генераторов, но и показывают скорость вращения подключаемого генератора по отношению к работающему.

В некоторых электростанциях получили преимущественное применение стрелочные синхроноскопы. Схема включения стрелочного синхроноскопа приведена на рис. 1.6.

Измерительным элементом синхроноскопа является двигатель (сельсин) 1 с насаженной на валу стрелкой. Двигатель состоит из статора 2 с трехфазной обмоткой, соединенной в звезду, которая подключается через добавочное сопротивление ДС под напряжение синхронизируемого генератора. Ротор 3 содержит однополюсную обмотку, соединяемую с работающим генератором.

Трехфазная система токов статорной обмотки образует вращающееся магнитное поле. Взаимодействие этого поля с магнитным полем ротора создает вращающий момент, под действием которого ротор приходит в движение со скоростью, пропорциональной разности частот работающего и подключаемого генераторов.

 

Рис. 1.6. Схема стрелочного синхроноскопа

 

В зависимости от того, быстрее или медленнее вращается синхронизируемый генератор относительно работающего, стрелка синхроноскопа перемещается по шкале от своего нулевого положения в сторону «быстро» или «медленно».

При равенстве частот и совпадении фаз стрелка прибора уста­навливается в «нулевое» положение, соответствующее моменту синхронной работы генераторов, что дает возможность включить генератор на параллельную работу.

После подключения генератора постепенно увеличивают его нагрузку, разгружая при этом работающий. Для этого с помощью серводвигателей, управляемых со щита управления, воздействуют на регуляторы первичных двигателей, у подключаемого повышая скорость, а у работающего понижая, и тем самым поддерживая частоту в электросистеме постоянной. Отдача реактивной мощности регулируется посредством возбуждения. Распределение реактивной нагрузки между генераторами контролируется вольтметрами каждого генератора.

Ручная и полуавтоматическая точная синхронизация имеет ряд существенных недостатков: процесс включения генераторов достаточно сложен, так как требует соблюдения условий синхронизации и большого внимания дежурного персонала, что занимает много времени (иногда несколько минут); несинхронное включение приводит к тяжелым повреждениям агрегата или нарушениям параллельной работы генераторов.

Трудность выполнения ручной и полуавтоматической точной синхронизации обусловливает необходимость осуществления автоматической синхронизации с целью предотвращения несинхронных включений генераторов.

Процесс автоматической синхронизации генератора с сетью зависит от того, насколько отличаются между собой амплитуды, частоты и фазы напряжений включаемого генератора и системы. Поэтому в момент включения необходимо обеспечить, чтобы уравнительный ток и электромагнитный момент были близки к нулю, а снижение на­пряжения на шинах системы не превышало допустимых значении. Кроме того, втягивание генератора в синхронизм должно происходить при δ < 180° без поворота его ротора. В случае идеальной синхронизации должно соблюдаться равенство следующих величин: амплитудных значений напряжений U ₁ = U ₂;

Δ U = U ₁ – U ₂ = 0; угловых скоростей вращения ω ₁ = ω ₂; ω _s =ω ₁ – ω ₂ = 0; относительных углов сдвига ω ₁·t = ω ₂·t.

Практически сложно выполнить автоматические синхрониза­торы для идеальной синхронизации, а поэтому можно допустить неточное соблюдение указанных условий в момент включения генератора. Тогда возмущения в системе, вызываемые идеальной синхронизацией, не должны превышать допустимых пределов при обеспечении устойчивой синхронизации в первом цикле качаний.

 

123456789Следующая ⇒

Поделиться: