Параллельная работа синхронных машин

На каждой электростанции (ЭС) обычно устанавливают несколько генераторов, которые включаются в общую сеть. На эту же сеть работает и целый ряд других электростанций (рис. 5.28), образуя электрическую систему.

Связь между электростанциями осуществляется с помощью линий электропередачи. От этих же линий либо от отдельных ответвлений получают питание двигатели переменного тока и другие потребители, объединенные в узлы нагрузки (УзН). Частота напряжения в этих точках энергетической системы одинаковая, поэтому генераторы работают синхронно.

Большинство энергосистем России объединены в Единую энергетическую систему (ЕЭС).

Необходимость такого объединения обусловлена следующими причинами:

- большей надежностью энергоснабжения потребителей;

- снижением мощности аварийного и ремонтного резерва;

- возможностью маневрирования энергоресурсами суточного и сезонного характера.

ЕЭС относится к классу сложных больших систем с автоматизированным управлением, обеспечивающим стабилизацию напряжения  и частоты  при любых колебаниях нагрузки. Управление осуществляется с центрального диспетчерского пульта. Объектом управления являются синхронные генераторы.

При анализе работы синхронного генератора в системе принимается допущение, что мощность системы по сравнению с мощностью рассматриваемого генератора является бесконечно большой. Это означает, что при любых изменениях режима работы генератора напряжение  и частота  системы остаются постоянными,

; .

Рассмотрим при этих условиях особенности параллельной работы генераторов.

Включение генератора в сеть

Процесс подключения генератора к сети, называемый синхронизацией, является важной и ответственной операцией. Схема включения синхронного генератора в сеть представлена на рис. 5.29.

Для анализа процессов при включении генератора воспользуемся простейшей схемой замещения (рис. 5.30, а), в которой синхронный генератор представлен источником ЭДС  с внутренним сопротивлением , а сеть - эквивалентным генератором бесконечной мощности с напряжением .

За положительное направление напряжения  и ЭДС  примем направление обхода контура «генератор-сеть» по часовой стрелке, тогда при разомкнутом выключателе К на его зажимах будет действовать ЭДС

,

которая определяется взаимным положением векторов  и  (рис. 5.30, б).

Если перед включением выключателя выполнить условия:

- чередование фаз генератора и сети одинаковые (векторы  и  вращаются в одну сторону);

- частоты ЭДС генератора  и напряжения сети  равны (векторы  и  неподвижны относительно друг друга);

- модули векторов  и  равны, а по фазе они сдвинуты на 180°,

то ЭДС  между контактами выключателя К будет равна нулю. Поэтому после включения генератора в сеть ток якоря останется равным нулю,

,

и генератор будет продолжать работать в режиме холостого хода.

Описанный способ включения генератора в сеть называется точной синхронизацией.

Несоблюдение условий точной синхронизации может вызвать серьезную аварию из-за возникновения значительного тока  и связанного с ним электромагнитного момента .

Существует несколько аппаратных средств, позволяющих реализовать условия точной синхронизации. Простейшим из них является ламповый синхроноскоп. Схема включения генератора в сеть с помощью лампового синхроноскопа представлена на рис. 5.31.

Порядок включения следующий. Регулируя частоту вращения ротора, доводят ее до близкой к синхронной. Затем генератор возбуждают. Ток возбуждения  устанавливается близким к , так чтобы напряжение генератора  и напряжение  были равны. Лампы синхроноскопа находятся под напряжением, определяемым величиной ЭДС . Так как в общем случае частота вращения ротора n отличается от синхронной, то векторы  и  (рис. 5.30, б) будут вращаться относительно друг друга с частотой

,

что сопровождается изменением ЭДС  в пределах от 0 до 2 .

Следовательно, лампы будут одновременно загораться и гаснуть с частотой .

Регулируя частоту вращения ротора, добиваются того, чтобы частота мигания ламп составляла . Включение генератора производят в момент, когда лампы погаснут.

Ламповый синхроноскоп позволяет контролировать также правильность чередования фаз. Если чередование фаз генератора и системы не совпадают, то лампы гаснут неодновременно.

Синхронизация с помощью лампового синхроноскопа применяется в случае генераторов малой мощности в лабораторных условиях. На электростанциях включение генераторов в сеть осуществляется с помощью автоматических синхронизаторов электромагнитного типа. Однако автоматические устройства не всегда могут быстро включить генератор в сеть, особенно в случае какой-либо аварии в сети, когда ее напряжение и частота меняются.

Для ускорения процесса включения генератора в сеть применяют способ грубой синхронизации или самосинхронизации. При самосинхронизации невозбужденный генератор с обмоткой возбуждения, замкнутой на активное сопротивление (рис.5.32), разгоняется первичным двигателем до подсинхронной частоты вращения и включается в сеть в произвольный момент времени. Затем подают возбуждение (ключ  замыкают, а  размыкают). Под действием тока возбуждения  возникает синхронизирующий момент и генератор втягивается в синхронизм.

При самосинхронизации неизбежно возникают значительные толчки тока , так как включение невозбужденного генератора приводит к появлению ЭДС . Величина тока  будет ограничиваться сопротивлением самого генератора и сети. Способом самосинхронизации включаются генераторы мощностью до 500 МВт.

5.11. Регулирование активной мощности синхронной машины,
включенной в сеть

После включения в сеть методом точной синхронизации синхронная машина работает в режиме холостого хода (). ЭДС  находится в противофазе с напряжением сети  (рис. 5.33, а). Для того, чтобы синхронная машина отдавала в сеть активную мощность, необходимо увеличить внешний момент на валу  в направлении вращения ротора. Тогда ротор начнет ускоряться. Вектор  сместится на угол q в направлении вращения ротора и возникнет ЭДС , под действием которой потечет ток

.

При этом вектор напряжения синхронной машины

сохранит свое положение в противофазе с вектором напряжения сети  (рис. 5.33, б).

Проекция тока статора  на напряжение  положительна, а на напряжение  отрицательна, поэтому активная мощность

будет вырабатываться синхронной машиной и отдаваться в сеть. Синхронная машина работает в режиме генератора. Соответствующий активной мощности электромагнитный момент

будет действовать против направления вращения ротора. При равенстве моментов

увеличение угла q прекратится и ротор вновь будет вращаться с синхронной частотой.

Если к валу двигателя приложить внешний момент в направлении против вращения ротора, то ротор начнет тормозиться. Вектор  сместится на угол q в отрицательном направлении (против направления вращения). Под действием возникшей ЭДС  потечет ток

,

проекция которого на вектор напряжения синхронной машины  будет отрицательной, а на вектор напряжения сети  - положительной (рис. 5.33, в). Следовательно, направление потока активной мощности изменится на обратное.

Синхронная машина переходит в режим двигателя, потребляя из сети активную мощность. Развиваемый ею электромагнитный момент будет действовать в направлении вращения ротора. При равенстве моментов  торможение ротора прекратится, и он вновь будет вращаться с синхронной частотой.

Таким образом, синхронная машина обладает свойством саморегулирования (автоматического поддержания синхронной частоты вращения).

5.12. Регулирование реактивной мощности синхронной машины,
включенной в сеть

Регулирование реактивной мощности в энергосистемах имеет такое же важное значение, как и регулирование активной мощности. Реактивная мощность необходима для создания магнитных полей во многих электротехнических устройствах, работающих в энергосистеме. Регулирование реактивной мощности позволяет повысить перегрузочную способность этих устройств, поддерживать постоянство напряжения в сети, снизить ее перетоки по линиям и тем самым обеспечить устойчивую и экономичную работу энергосистемы.

Вернемся вновь к режиму холостого хода синхронной машины (рис. 5.34, а).

В этом режиме по обмотке возбуждения протекает ток , соответствующий по характеристике холостого хода напряжению сети . Увеличим ток возбуждения , тогда модуль ЭДС  возрастет и возникнет ток

.

По отношению к напряжению синхронной машины  ток  будет индуктивным, а по отношению к напряжению сети  - емкостным (рис. 5.34, б), поэтому синхронная машина вырабатывает и отдает в сеть реактивную мощность

.

При уменьшении тока возбуждения () модуль ЭДС  снижается и фаза тока  меняется на противоположную (рис. 5.34, в). В этом случае ток  по отношению к напряжению синхронной машины  является емкостным, а по отношению к напряжению сети  - индуктивным. Следовательно, сеть является источником реактивной мощности, и синхронная машина ее потребляет.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины обуславливает изменение в обмотке якоря реактивного тока и, следовательно, происходит регулирование реактивной мощности.

Синхронная машина, загруженная только реактивным током и не несущая активной нагрузки, называется синхронным компенсатором.

Регулирование реактивной мощности возможно при работе синхронной машины в режимах генератора и двигателя. Согласно векторным диаграммам (рис. 5.35), в генераторном режиме при увеличении тока возбуждения (рис. 5.35, а) синхронная машина отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении тока возбуждения (рис. 5.35, б) потребляет из сети реактивную мощность.

Аналогичные явления имеют место и в двигательном режиме (рис. 5.36).

 

При увеличении тока возбуждения (рис. 5.36, а) синхронный двигатель отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении (рис. 5.36, б) - потребляет реактивную мощность.

Активная мощность при этом как в двигательном, так и в генераторном режимах, не меняется.

Возможность плавного регулирования реактивной мощности в широких пределах является важным преимуществом синхронных машин перед асинхронными.