ЛЕКЦІЯ 41

ТЕМА 5.3 ПАРАЛЕЛЬНА РОБОТА СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

Сучасні системи електропостачання складаються із значної кількості електростанцій (лише в Запорізькій області є атомна, теплова, та дві гідроелектростанції), що працюють паралельно одна з одною (рис. 5.19), створюючи потужну електричну мережу. Завдяки цьому підвищується надійність і економічність виробництва та розподілу електроенергії, з’являється можливість маневрувати роботою окремих станцій з урахуванням найбільш раціональних умов перетворення різних видів енергії, знижувати потужність аварійного та ремонтного резервів тощо. Так як на кожній станції установлено кілька генераторів, то в енергосистемі на паралельну роботу увімкнено сотні машин. При такій умові будь-який генератор, навіть найбільшої потужності, слід вважати незначним у порівнянні з потужністю мережі. Враховуючи це, при розгляді паралельної роботи синхронних генераторів, необхідно виходити з того, що генератор вмикається в мережу нескінченної потужності, у якої за будь-яких обставин, напруга і частота залишаються незмінними (U_м, f_м = const).

5.3.1 ВВІМКНЕННЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ПАРАЛЕЛЬНУ РАБОТУ З МЕРЕЖЕЮ

Для того, щоб запобігти появі, в момент вмикання генератора до мережі, значних струмів (так званих, кидків струмів) необхідно виконати три умови ввімкнення генератора на паралельну роботу:

– ЕРС генератора Е₀ і напруга мережі U_м повинні бути рівними і протилежно направленими ( Е₀ = – U_м );

– частота струмів генератора f_r повинна бути рівна частоті мережі (f_r = f_м = 50Гц);

– чергування фаз ЕРС генератора і напруги мережі повинно бути однаковим.

Приведення генератора до стану, коли виконані всі умови вмикання, і сам процес вмикання на паралельну роботу називається синхронізацією генератора з мережею. Існує два способи синхронізації: точна, або ручна синхронізація, та груба, або самосинхронізація.

Спосіб точної синхронізації. Суть цього способу полягає в тому, що, перед тим, як ввімкнути генератор до мережі, його приводять до стану, який задовольняє умовам ввімкнення. Момент виконання цих умов, тобто момент синхронізації, визначають приладом, який називається синхроноскопом.

Конструктивно синхроноскопи бувають лампові та у вигляді приладу зі стрілкою, що вільно обертається.

На (рис 5.20) зображена схема ввімкнення синхронного генератора на паралельну роботу з мережею за методом точної синхронізації. На ній ламповий синхроноскоп, що складається із трьох ламп накалювання 1, 2, 3, розташованих у вершинах рівностороннього трикутника, працює “на згасання” вогню, тобто кожна лампа ввімкнена у однойменну фазу мережі та генератора. Існує також схема, в якій лампи вмикають “на обертання вогню”, в цьому випадку в лампах 2 і 3 слід поміняти місцями кінці ввімкнення до фаз генератора або до фаз мережі.

При увімкненні ламп “на згасання”, момент синхронізації відповідає одночасному погасанню всіх ламп. Якщо, наприклад, зірка ЕРС генератора Е_А; Е_В; Е_С обертається з кутовою частотою w_г, що не перевищує кутову частоту обертання w_м зірки напруг мережі U_A; U_B; U_C, то напруга на лампах визначається геометричною сумою Е_A + U_A; Е_B + U_B; Е_C + U_C. В момент, коли вектори зірки ЕРС генератора і зірки напруг мережі направлені в один бік, ця сума досягає найбільшого значення і лампи світяться з найбільшим накалюванням (напруга ламп дорівнює подвоєній напрузі мережі).

В наступні моменти часу зірка ЕРС обганяє зірку напруг і накалювання на лампах зменшується (рис. 5.21, а). В момент синхронізації вектори ЕРС і напруг займають положення, при якому Е_A + U_A = 0; Е_B + U_B = 0; Е_C + U_C = 0, тобто U_л= 0 і всі три лампи гаснуть одночасно (рис. 5.21, б). При значній різниці кутових частот w_г і w_м лампи блимають часто. Змінюючи частоту обертання привідного двигуна w, можна досягти рівності w_г = w_м, про що свідчить погасання ламп на значний час. В цей момент і слід замкнути рубильник, увімкнувши генератор на паралельну роботу.

ЕРС, що створюється в обмотках генератора, і її частота контролюються відповідно вольтметром та частотоміром. Зміну, при необхідності, величини ЕРС оператор, що проводить синхронізацію, здійснює регулюванням струму збудження генератора.

Якщо ж лампи блимають неодночасно, то не співпадає порядок чергування фаз, а отже слід поміняти дві фази генератора між собою.

Так як лампи гаснуть при напрузі, що складає (30 – 60) % від їх номінальної напруги, то для точного вибору моменту ввімкнення рубильника, в схемі передбачено, так званий, нульовий вольтметр V₀ (рис. 5.20). Стрілка такого вольтметра буде повільно коливатись у відповідності з погасанням ламп і покаже нуль, коли напруга між точками А_м і А_г рівна нулю.

Достоїнством ручної синхронізації є те, що вмикання генератора до мережі відбувається без струму між мережею та генератором, а недоліком – досить значна протяжність процесу синхронізації (до 10 хвилин).

Спосіб самосинхронізації. Для зменшення часу синхронізації застосовується спосіб самосинхронізації. При такому способі ротор незбудженого генератора приводиться до обертання привідним двигуном до підсинхронної частоти обертання, що відрізняється від синхронної не більше, ніж на (2 – 5) %, а потім обмотка статора вмикається до мережі. Щоб запобігти перенапрузі в обмотці збудження, на момент розгону та вмикання генератора до мережі, вона або замикається без додаткового резистора, або, що частіше, з резистором, який має незначний активний опір. Так як у момент вмикання обмотки статора до мережі її ЕРС рівна нулю (генератор не збуджений), то під дією напруги мережі, в цій обмотці спостерігається кидок струму, який значно перевищує номінальний струм генератора. Після ввімкнення обмотки статора до мережі, обмотка збудження вмикається до джерела постійного струму, і генератор електромагнітним моментом, що діє на його ротор, втягується в синхронізм, тобто, частота його обертання стає синхронною. При цьому струм статора швидко знижується до нуля.

При самосинхронізації в генераторі відбуваються складні електромеханічні перехідні процеси, що викликають значні механічні дії на обмотки, підшипники і муфту, що з’єднує генератор з турбіною. Вплив цих дій на роботу генератора враховується при проектуванні генераторів. Способом самосинхронізації вмикаються на паралельну роботу синхронні генератори потужністю до 500 МВА.

5.3.2 АКТИВНЕ НАВАНТАЖЕННЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПРИ ПАРАЛЕЛЬНІЙ РОБОТІ З МЕРЕЖЕЮ

Після увімкнення синхронного генератора на паралельну роботу з мережею, при виконанні всіх умов синхронізації, його ЕРС Е₀ = U_г урівноважує напругу мережі (рис. 5.22, а), тому струм по обмотках статора протікати не буде – генератор працює в режимі НХ. Механічна потужність привідного двигуна затрачується на покриття втрат НХ (Р₀ = Р_мех + Р_магн + + Р_з + Р_п). В цей час момент привідного двигуна урівноважується моментом НХ (М₁ = М₀), і осі магнітних полів ротора і статора співпадають (рис. 5.22, в). Строго кажучи, в цьому випадку струм в обмотці статора відсутній, а тому відсутнє і його магнітне поле.

Для перетворення генератором механічної потужності в електричну, необхідно додати механічну потужність на вал привідного двигуна, шляхом збільшення його моменту М₁. При цьому ротор машини, отримавши деяке прискорення, зміститься відносно свого початкового положення на кут q' за напрямом обертання (магнітне поле ротора випереджує магнітне поле статора на кут “вильоту ротора” q') (рис. 5.22, б). ЕРС генератора повернеться разом з полем ротора в бік випередження, відносно напруги U_г, на такий же кут q' і займає положення Е₀ ', в якому уже не буде урівноважувати напругу мережі. Як результат, в колі обмотки статора з’явиться результатна ЕРС D Е ' = Е₀ + U_м, що викличе струм І_г. Якщо знехтувати активним опором обмотки статора і вважати її опір чисто індуктивним, то струм І_г буде відставати від D Е ' на кут в 90 ⁰.

Як видно з векторної діаграми (рис 5.22, а), цей струм направлений протилежно вектору напруги мережі U_м (кут між ними складає 180 ⁰– j_г), а отже він протікає із машини в мережу і, враховуючи незначну величину j_г, буде майже “чисто” активним. Таким чином в мережу генератором віддається активна електрична потужність. Змінюючи момент привідного двигуна і, відповідно, кут вильоту ротора q', можна регулювати величину потужності, що віддається до мережі.

Якщо привідний двигун відімкнути, а на вал машини подати гальмівний момент, не вимикаючи обмотку статора машини із мережі, то ротор відхилиться в положення (рис. 5.22, г) і кут q'' стане відстаючим. Відповідно, відстане від U_г і ЕРС Е₀, зайнявши положення Е₀ " (рис. 5.22, а). Як і у попередньому випадку з Е₀ ', ЕРС E₀ " не урівноважує напругу мережі U_м, що приводить до появи D Е " і струму, який відстає від неї на кут в 90 ⁰. На відміну від попереднього випадку, в цьому разі вектор струму І_д, практично, співпадає з вектором напруги мережі U_м, тобто він протікає під дією цієї напруги в машину, що перейшла в режим двигуна і споживає з мережі активну потужність.

Зміна кута вильоту ротора від нуля в будь-який бік, як випливає з попереднього, приводить до появи струму в обмотці статора. Цей струм, при взаємодії з основним магнітним потоком, що збуджує обмотка ротора, буде створювати електромагнітні сили і, відповідно, електромагнітний момент М_ем, який діє на ротор синхронної машини. При роботі в режимі генератора електромагнітний момент є гальмівним, легко переконатись, що направлений він проти обертання ротора і разом з моментом М₀ (як і у випадку генератора постійного струму) при незмінній частоті обертання урівноважує момент привідного двигуна

М₁ = М₀ + М_ем.

Це рівняння, як і рівняння (1.60) генератора постійного струму, є рівнянням рівноваги моментів синхронного генератора, помноживши яке на кутову частоту обертання ротора, можна отримати рівняння потужностей

Р₁ = Р₀ +Р_ем,

де Р₁ = М_{1 *} w – потужність привідного двигуна; Р₀ = М_{0 *} w – втрати НХ; Р_ем = М_{ем *} w – електромагнітна потужність генератора, яку можна визначити, як:

Р_ем = Р₁ – Р₀. (5.36)

Отже, електромагнітна потужність синхронного генератора уявляє собою електричну активну потужність, що утворилась із частини механічної потужності привідного двигуна.

Корисна потужність генератора, що віддається до мережі, може бути виражена (рис. 5.18) як частина електромагнітної (без електричних втрат в обмотці статора та додаткових втрат при навантаженні):

Р₂ = Р_ем – Р_е1. (5.37)

Таким чином, потужність на виході синхронного генератора Р₂ (активне навантаження) при його паралельній роботі з мережею може регулюватися зміною обертового моменту М₁ привідного двигуна:

Р₂ = Р₁ – å P = М_{1 *} w – å P, (5.38)

де w = 2 π _* f / p = const – кутова синхронна швидкість обертання ротора синхронної машини.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– синхронні генератори працюють паралельно один з одним, створюючи потужну електричну мережу, що дозволяє підвищити надійність і економічність виробництва та розподілу електричної енергії;

– ввімкнення синхронних генераторів на паралельну роботу слід розглядати як ввімкнення генератора до електричної мережі;

– щоб оператору ввімкнути на паралельну роботу з мережею синхронний генератор необхідно провести його синхронізацію методом точної синхронізації або автоматично за методом самосинхронізації;

– після ввімкнення на паралельну роботу з мережею генератор працює в режимі НХ;

– щоб при паралельній роботі з мережею генератор взяв на себе активне навантаження, необхідно підвищити момент привідного двигуна;

Дата добавления: 2015-07-14