§ 6.9. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С СЕТЬЮ

Особенности работы генератора на сеть большой мощности. Обычно на электростанциях устанавливают несколько синхрон­ных генераторов для параллельной работы на общую электрическую сеть. Это обеспечивает увеличение общей мощности электростанции (при ограниченной мощности каждого из установленных на ней генераторов), повышает надежность энергоснабжения потребителей и позволяет лучше организовать обслуживание агрегатов. Электрические станции, в свою очередь, объединяют для параллельной работы в мощные энергосистемы, позволяющие наилучшим образом решать задачу производства и распределения электрической энергии. Таким образом, для синхронной машины, установленной на электрической станции или на каком-либо объекте, подключенном к энергосистеме, типичным является режим работы на сеть большой мощности, по сравнению с которой собственная мощность генератора является очень малой. В этом случае с большой степенью точности можно принять, что генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности т. е. что напряжение сети Uc и ее частота fc являются постоянными, не зависящими от нагрузки данного генератора.

Включение генератора на параллельную работу с сетью. В рассматриваемом режиме необходимо обеспечить возможно меньший бросок тока в момент присоединения генератора к сети. В противном случае возможны срабатывание защиты поломка генератора или первичного двигателя.

Ток в момент подключения генератора к сети будет равен нулю, если удастся обеспечить равенство мгновенных значений напряжений сети uс и генератора иг :

На практике выполнение условия (6.27) сводится к выполнению трех равенств: значений напряжений сети и генератора Ucm = Uгm или Uc = Uг ; частот ωc = ωг или fс = fг ; их начальных фаз αс = αг (совпадение по фазе векторов Úc и Úг). Кроме того, для трехфазных генераторов нужно согласовать порядок чередования фаз.

Совокупность операций, проводимых при подключении генератора к сети, называют синхронизацией. Практически при синхронизации генератора сначала устанавливают номинальную частоту вращения ротора, что обеспечивает приближенное равенство частот fс ≈ fг а затем, регулируя ток возбуждения, добиваются равенства напряжения Uc = Uг . Совпадение по фазе векторов напряжений сети и генератора (αс = αг) контролируется специальными приборами — ламповым и стрелочными синхроноскопами.

Ламповые синхроноскопы применяют для синхронизации генераторов малой мощности, поэтому обычно их используют в лабораторной практике. Этот прибор представляет собой три лампы, включенные между фазами генератора и сети (рис. 6.32, а). На каждую лампу действует напряжение Δu = uс — uг , которое при fс ≠ fг изменяется с частотой Δf = fc - fг , называемой частотой биений (рис. 6.32,б). В этом случае лампы мигают. При fс ≈ fг разность Δи изменяется медленно, вследствие чего лампы постепенно загораются и погасают.

Рис. 6.32.  Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа (а) и кривые изменения напряжений ис и иг перед включением генератора (б)

Обычно генератор подключают к сети в тот момент, когда разность напряжений Δu на короткое время становится близкой нулю, т. е. в середине периода погасания ламп. В этом случае выполняется условие совпадения по фазе векторов Úc и Úг . Для более точного определения этого момента часто применяют нулевой вольтметр, имеющий растянутую шкалу в области нуля. После включения генератора в сеть дальнейшая синхронизация частоты его вращения, т. е. обеспечение условия n2 = n1 , происходит автоматически.

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 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. На электрических станциях обычно используют автоматические приборы для синхронизации генераторов без участия обслуживающего персонала.

Довольно часто применяют метод самосинхронизации, при котором генератор подключают к сети при отсутствии возбуждения (обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление). При этом ротор разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (допускается скольжение до 2%), за счет вращающего момента первичного двигателя и асинхронного момента, обусловленного индуцированием тока

Рис. 6.33. Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного генератора при  параллельной работе с сетью

в демпферной обмотке. После этого в обмотку возбуждения подают постоянный ток, что приводит к втягиванию ротора в синхронизм. При методе самосинхронизации в момент включения генератора возникает сравнительно большой бросок тока, который не должен превышать 3,5Ia ном .

Регулирование активной мощности. После включения генератора в сеть его напряжение U становится равным напряжению сети Uc . Относительно внешней нагрузки напряжения U и Uc совпадают по фазе, а по контуру «генератор — сеть» находятся в противофазе, т. е. Ú = - Úc (рис. 6.33, а). При точном выполнении указанных трех условий, необходимых для синхронизации генератора, его ток Ia после подключения машины к сети равняется нулю. Рассмотрим, какими способами можно регулировать ток Ia при работе генератора параллельно с сетью на примере неявнополюсного генератора.

Ток, проходящий по обмотке якоря неявнополюсного генератора, можно определить из уравнения (6.23)

Так как U = Uc = const, то силу тока Iа можно изменять только двумя способами — изменяя ЭДС Е0 по величине или по фазе. Если к валу генератора приложить внешний момент, больший момента, необходимого для компенсации магнитных потерь мощности в стали и механических потерь, то ротор приобретает ускорение, вследствие чего вектор É0 смещается относительно вектора Ú на некоторый угол θ в направлении вращения векторов (рис. 6.33,б). При этом возникает некоторая небалансная ЭДС ΔЕ, приводящая согласно (6.28) к появлению тока Iа . Возникающую небалансную ЭДС ΔÉ = É0 - Ú = É0 + Úc = jÍa Xсн можно показать на векторной диаграмме (рис. 6.33, б). Вектор тока Iа отстает от вектора ΔЕ на 90°, поскольку его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением Xсн .

При работе в рассматриваемом режиме генератор отдает в сеть активную мощность

Р = mUIa cos φ и на вал его действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, вследствие чего частота вращения ротора остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть.

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор É0 будет отставать от вектора напряжения Ú на угол θ (рис. 6.33, в). При этом возникают небалансная ЭДС ΔÉ и ток Ía , вектор которого отстает от вектора ΔÉ на 90°. Так как угол φ > 90°, активная составляющая тока находится в противофазе с напряжением генератора. Следовательно, в рассматриваемом режиме активная мощность Р = mUIa cos φ забирается из сети, и машина работает двигателем, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент; частота вращения ротора при этом снова остается неизменной.

Таким образом, для увеличения нагрузки генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний момент (т. е. вращающий момент первичного двигателя), а для уменьшения нагрузки — уменьшать этот момент. При изменении направления внешнего момента (если вал ротора не вращать, а тормозить) машина автоматически переходит из генераторного в двигательный режим.

Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 6.34, а), увеличить ток возбуждения Iв, то возрастет ЭДС Е0 (рис. 6.34, б),возникнет небалансная ЭДС ΔÉ = - jIа Xсн и по обмотке якоря будет проходить ток Iа , который согласно (6.28) определяется только индуктивным сопротивлением Хсн машины. Следовательно, ток Ía реактивный: он отстает по фазе от напряжения Ú на угол 90° или опережает на тот же угол напряжение сети Úc . При уменьшении тока возбуждения ток Íaизменяет свое направление: он опережает на 90° напряжение Ú (рис. 6.34, в) и отстает на 90° от напряжения Úc .Таким образом, при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока Iа , т. е. реактивная мощность машины Q. Активная составляющая тока Iа в рассматриваемых случаях равна нулю. Следовательно, активная мощность Р = 0, и машина работает в режиме холостого хода.

При работе машины под нагрузкой создаются те же условия: при изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока Iа , т. е. реактивная мощность машины Q. Режим возбуждения синхронной машины с током Iв.п , при

Рис. 6.34. Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора при параллельной работе с сетью и отсутствии активной нагрузки

котором реактивная составляющая тока Iа равна нулю, называют режимом полного или нормального возбуждения. Если ток возбуждения Iв больше тока Iв.п , при котором имеется режим полного возбуждения, то ток Iа содержит отстающую от U реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом перевозбуждения. Если ток возбуждения Iв меньше тока Iв.п , то ток Iа содержит реактивную составляющую, опережающую напряжение U, что соответствует активно-емкостной нагрузке генератора. Такой режим называют режимом недовозбуждения.

Перевозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна емкости. Машину, специально предназначенную для работы в таком режиме, называют синхронным компенсатором и используют для повышения коэффициента мощности электрических установок и стабилизации напряжения в электрических сетях. Недовозбужденная синхронная машина, работающая в режиме холостого хода, относительно сети эквивалентна индуктивности.

Возникновение реактивной составляющей тока Iа физически объясняется тем, что при работе синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности суммарный магнитный поток сцепленный с каждой из фаз, ΣФ = Фрез + Фσ = Фв + Фа + Фσ не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным, так как

Следовательно, если ток возбуждения Iв больше тока, требуемого для полного возбуждения, то возникает отстающая составляющая тока Iа , которая создает размагничивающий поток реакции якоря Фа ; если ток Iв меньше тока, необходимого для полного возбуждения, то возникает опережающая составляющая тока Iа , которая создает подмагничивающий поток реакции якоря Фа . Во всех случаях суммарный поток машины ΣФ автоматически поддерживается неизменным.