Параллельная работа генераторов

Обычно на электрических станциях устанавливается несколько синхронных генераторов, предназначенных для параллельной работы, что в большой степени повышает надежность работы станций в отношении бесперебойности энергоснабжения потребителей. В этом случае возможно, в зависимости от потребной мощности, включать на совместную работу такое количество генераторов, чтобы каждый из них отдавал номинальную мощность или близкую к ней. Тогда не только генераторы, но и их первичные двигатели будут работать с высоким КПД, так как те и другие рассчитываются и выполняются таким образом, чтобы значения их КПД были наибольшими при номинальной нагрузке. Кроме того, и электрические станции часто объединяются для параллельной работы в одну мощную систему, позволяющую наилучшим образом, как с технической, так и экономической точки зрения разрешать задачу производства и распределения электрической энергии. Поэтому вопросы, относящиеся к параллельной работе синхронных машин, имеют большое практическое значение.

При изучении этих вопросов приходится иметь дело с теми свойствами синхронных машин, которые характерны только для них и выделяют их среди других машин переменного тока.

Вначале рассмотрим применительно к синхронным генераторам общие вопросы параллельной работы синхронных машин, одинаково относящиеся к генераторному и двигательному их режимам.

При включении на параллельную работу синхронных машин, как и в случае трансформаторов, необходимо выполнить определенные условия.

Рассмотрим сначала включение на параллельную работу однофазной машины. На рисунке 3.10 изображены генератор, который присоединен к общим шинам, и генератор, который нужно включить на параллельную работу с первым.

Рис. 3.10. Включение на параллельную работу однофазного генератора

Перед включением необходимо добиться равенства напряжений на зажимах генератора и сети, к которой генератор приключается. Так как при параллельной работе наведенная ЭДС должна в каждый момент времени уравновесить напряжение сети, то необходимо иметь одинаковые формы кривых ЭДС генераторов. Этому требованию современные синхронные машины удовлетворяют: они имеют стандартную, практически синусоидальную форму кривой ЭДС. Поэтому достаточно добиться при включении равенства действующих значений напряжений, а также равенства частот и фаз. Это достигается посредством изменения тока в обмотке возбуждения приключаемого генератора и путем регулирования частоты его вращения.

Определение момента времени, когда можно замкнуть рубильник, т. е. когда напряжение между точками а—а' и b—b' (рис. 3.10) равны нулю, производится при помощи фазовых или фазоиндикаторных ламп.

Один из способов включения таких ламп показан на рисунке 3.10. До включения рубильника они будут то гаснуть, то загораться. Промежутки времени между следующими одна за другой вспышками ламп будут тем больше, чем меньше отличается частота приключаемой машины от частоты сети.

Изобразим вектором напряжение сети и вектором напряжение приключаемого генератора (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Векторы напряжений: сети и генератора

В момент, когда лампы погаснут, оба вектора расположатся, как показано на рисунке 3.11 (представленная диаграмма получается при обходе контура, состоящего из обмотки якоря первой машины, общих шин и обмотки якоря второй машины: B₁A₁A₂B₂B₁ (рис. 3.10)). Напряжение, приложенное в этот момент к лампам, равно нулю. Если бы частоты напряжений были одинаковы или, что одно и то же, были одинаковы угловые скорости вращения векторов, то лампы не горели бы - в любой момент времени напряжение сети уравновешивалось бы напряжением генератора.

Рис. 3.12. Изменение напряжения на лампах при различии частот напряжений сети и генератора

Но практически не удается до включения рубильника установить на длительное время равенство частот напряжении. Поэтому векторы напряжений и будут перемещаться один относительно другого со скоростью w_с-w_г, и соответственно этой относительной скорости будет изменяться напряжение на лампах.

Если представить кривой u_с=f(t) изменение напряжения сети и кривой u_г=f(t) изменение напряжения приключаемого генератора, то, сложив ординаты обеих кривых, получим кривую изменения напряжения на лампах (жирнее начерченная кривая на рисунке 3.12,а).

Рисунок 3.12,а показывает, что напряжения сети и генератора в результате неравенства частот то уравновешивают друг друга, то складываются. На рисунке 3.12,б отдельно представлена кривая результирующего напряжения. Здесь промежутки времени от a до b соответствуют потуханию ламп (накал нити ламп перестает быть видимым уже при 30…50% от их номинального значения), а промежутки времени от b до a - горению ламп. Момент, обозначенный на рисунке 3.12,б через Г, соответствует наибольшему накалу ламп. Рубильник, очевидно, нужно включить в момент, обозначенный на рисунке 3.12,б через П.

Добиваются, чтобы промежутки времени между следующими одна за другой вспышками ламп были достаточно велики (3…5 с и больше), для чего регулируют скорость вращения приключаемого генератора. Затем, пропустив несколько раз возможные моменты включения, чтобы глаз привык определять середину промежутка потухания, включают рубильник в момент полного потухания ламп.

Показанный на рисунке 3.13 способ включения ламп называется «включением на потухание».

После того как включен рубильник, скорость вращения генератора по причинам, о которых будет сказано в дальнейшем, держится уже строго постоянной и соответствует частоте сети.

Те же условия, которые были указаны в отношении однофазных генераторов, должны быть выполнены и при включении на параллельную работу трехфазных генераторов.

Рис. 3.13. Включение на параллельную работу трехфазного генератора (включение ламп на потухание)

Обратимся к рисунку 3.13. В момент включения напряжения между точками а-a', b-b' и с-с' должны быть равны нулю. Для этого необходимо, кроме выполнения условий, о которых говорилось ранее (равенство частот и равенство напряжений), выполнение ещё одного условия, а именно, необходимо ещё иметь соответствие порядков чередования фаз приключаемого генератора и сети.

На рисунке 3.13 представлено включение ламп на потухание. При таком включении лампы будут одновременно гаснуть и одновременно загораться, если порядки чередования фаз сети и генератора совпадают.

Изобразим напряжения сети в виде звезды векторов I, II, III, а напряжения подключаемого генератора - в виде звезды векторов 1, 2, 3 (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Напряжения на лампах при их включении на потухание и при совпадении порядков чередования фаз сети и генератора

Обе звезды вращаются относительно неподвижной оси времени с различными частотами ω_с и ω_г соответственно частоте сети и частоте генератора; следовательно, одна звезда относительно другой вращается с частотой ω_с-ω_г. На рисунке 3.14 показано сложение напряжений сети и подключаемого генератора для четырех различных моментов времени. На этом рисунке видим, что все три напряжения на лампах изменяются одновременно. Рисунок 3.14,г соответствует моменту времени, когда напряжения сети уравновешивают напряжения генератора. В этот момент лампы гореть не будут и, если разность ω_с-ω_г невелика, можно включить рубильник.

Обратимся к другому способу включения ламп (рис. 3.15), называемому включением на «бегающий» или «вращающийся» свет.

Рис. 3.15. Синхронизация при включении ламп на бегающий свет

Здесь лампы будут попеременно загораться и потухать. Если лампы разместить так, как показано на рисунке 3.15, то создается впечатление бегающего по вершинам треугольника света. В зависимости от того, какая частота больше - генератора или сети, свет ламп будет вращаться в ту или другую сторону. Сказанное можно уяснить при помощи диаграмм, приведенных на рисунке 3.16.

Рис. 3.16. Напряжение на лампах при их включении на бегающий свет и при совпадении порядков чередования фаз сети и генератора

Эти диаграммы показывают, что лампы загораются и потухают попеременно и что направление вращения света зависит от знака разности ω_с-ω_г. Рисунок 3.16,г соответствует моменту времени, когда можно включить рубильник, так как в этом случае напряжения сети уравновешиваются напряжениями генератора. Следовательно, включение рубильника должно быть произведено, когда одна лампа (между I-1) потухнет, а две другие лампы (между II-3 и III-2) будут гореть с одинаковым накалом.

Если при включении ламп на потухание (рис. 3.13) они дадут бегающий свет, то это указывает на несовпадение порядков чередования фаз сети и генератора. Для того чтобы получить это совпадение, нужно поменять местами два провода, присоединенных к зажимам генератора или сети, или изменить направление вращения приключаемого генератора. После этого лампы дадут обязательно одновременное загорание и потухание.

Очевидно, что при включении ламп на бегающий свет (рис. 3.15) они дадут одновременное загорание и потухание, если порядки чередования фаз сети и генератора не совпадают друг с другом. В этом случае также нужно изменить порядок чередования фаз сети или генератора путем переключения двух фаз.

Указанные устройства с лампами называются ламповыми синхроноскопами. На электрических станциях применяются также синхроноскопы со стрелкой в виде щитовых приборов. Для более точного определения момента включения целесообразно применить так называемый нулевой вольтметр, который приключается параллельно к лампе между I и 1 (рис. 3.13 и 3.15).

Шкала такого вольтметра рассчитывается на напряжение, не меньшее двойного фазного (см., например, рисунок 3.16,а), и имеет очень сильно расширенную начальную часть. На его шкале достаточно отметить только одно нулевое значение. Стрелка вольтметра будет медленно колебаться соответственно потуханию и загоранию ламп и покажет нуль, когда напряжение между точками I и 1 будет равно нулю.