Электрические машины

МОиН РФ

Омский государственный технический университет

Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»

Электрические машины

ЛЕКЦИЯ: “ Работа синхронных генераторов параллельно с сетью. Регулирование активной и реактивной мощностей.

Омск 2005

1. Основные термины и определения.

1. Синхронизм машины (синхронизм) – устойчивая параллельная работа синхронной машины с питающей сетью или другой синхронной машиной при синхронной частоте вращения

2. Вхождение в синхронизм синхронной машины (вхождение в синхронизм) – достижение включенной в питающую сеть синхронной машиной устойчивой синхронной частоты вращения

3. Синхронизация синхронной машины (синхронизация) – процесс, при котором синхронная машина приводится к синхронной и синфазной работе с другой, механически не связанной с ней, синхронной машиной или сетью

4. Включение синхронной машины без контроля синхронизма – включение синхронной машины на параллельную работу путем доведения ее напряжения до значения того же порядка, что и напряжение другой машины или питающей сети с последующим включением на параллельную работу без точного согласования частоты и фазы

5. Точная синхронизация синхронной машины – синхронизация синхронной машины, при которой, напряжение частота и фаза регулируются так, чтобы они были как можно ближе к соответствующим значениям питающей сети или машины, с которой осуществляется синхронизация

6. Самосинхронизация синхронной машины (самосинхронизация) – синхронизация, при которой синхронная машина, вращающаяся с частотой, близкой к синхронной, после включения ее в сеть и подачи постоянного тока в обмотку возбуждения сама входит в синхронизм

7. Грубая синхронизация синхронной машины – синхронизация синхронной машины путем включения ее в сеть без возбуждения при частоте вращения, близкой к синхронной с последующим включением возбуждения

8. Выпадение из синхронизма синхронной машины – нарушение устойчивости параллельной работы синхронной машины с питающей сетью при синхронной частоте вращения, в результате которого она начинает вращаться с асинхронной частотой

9. Недовозбуждение синхронной машины - режим работы синхронной машины, при котором магнитный поток, создавае­мый продольной составляющей магнито­движущей силы обмотки якоря, совпадает по направлению с потоком обмотки воз­буждения

10. Перевозбуждение синхронной машины - режим работы синхронной машины, при котором магнитный поток, создаваемый продольной составляющей намагничи­вающей силы обмотки якоря, направлен на­встречу потоку обмотки возбуждения

2. Особенности параллельной работы синхронных генераторов

В настоящее время мощные энергосистемы состоят из большого числа электрических станций, работающих параллельно друг с другом. Благодаря этому повышаются надеж­ность и экономичность производства и распределения электрической энергии, появляется возможность маневрирования работой отдельных станций с учетом наиболее рацио­нальных условий преобразования различных видов энергии, уменьшается мощность аварийного и ремонтного резервов и т. д. Так как на каждой из станций установлены десятки генераторов, то в энергосистеме на параллельную работу будет включено несколько сотен машин. При этом условии, несмотря на то что мощности синхронных генераторов, установленных на станциях, велики, а в ряде случаев явля­ются предельными, по сравнению с общей мощностью системы они будут малы. При любых изменениях режима работы отдельного генератора, включенного в систему, напряжение в ней UC и частота f остаются постоянными. Они поддерживаются всеми остальными генераторами системы. В дальнейшем при рассмотрении параллельной работы синхронного генератора будем исходить из условия, что

3. Включение синхронного генератора на параллельную работу

Существуют два способа включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью: способ точной синхронизации и способ самосинхронизации (грубой синхронизации).

При включении синхронного генератора на параллель­ную работу с сетью по способу точной синхронизации стре­мятся к тому, чтобы при включении не возникало больших бросков тока. Большие толчки тока вызывают большие мо­менты, действующие как на ротор, так и на статор, и силы, которые могут привести к разрушению обмотки статора.

Для того чтобы исключить броски тока при включении генератора, необходимо выполнить следующие условия:

1) равенство ЭДС генератора Е0 и напряжения сети UC;

2) равенство частот генератора fГ и сети f;

3) ЭДС генератора Е0 и напряжение сети UС должны находиться в противофазе;

4) чередование фаз ЭДС генератора и напряжения сети должно быть одинаковым (для трехфазных генераторов).

Рис. 1. Схема включе­ния однофазного генератора на параллельную работу с сетью (а) и век­торная диаграмма для - момента включения, (б). Лампы синхроноскопа включены по схеме на потухание света

На рис. 1, а представлена схема включения однофаз­ного генератора GS на параллельную работу. При включении генератора GS на параллельную работу выполнение первого условия проверяется по вольтметрам, включенным в сеть и на выводы генератора. Равенства E0=UC добиваются путем регулирования тока возбуждения генератора GS.

Остальные условия проверяются с помощью специальных приборов, называемых синхроноскопами. Простейшим синхроноскопом является ламповый. На рис. 1, а показана одна из возможных схем включения лампового синхро­носкопа для однофазного синхронного генератора. На этой схеме лампы включаются соответственно между точками А—А' и В—В'.

При отключенном выключателе Q генератор GS работает в режиме холостого хода (E0==UC) и между контактами выключателя действует ЭДС . Если бы скорость подключаемого генератора была постоянной и равной номинальной, то частота индуцируемой ЭДС Е0 равнялась бы частоте сети и векторы E0 и UC вращались бы с одинаковой скоростью, a . В действительности получить строго постоянную скорость генератора не удается и частоты сети и генератора несколько отличаются. Поэтому векторы Е0 и UC будут перемещаться относительно друг друга со скоростью . Вследствие этого будет изменяться от 0 до 2UC, и соответственно этому изменяется напряжение на лампах: они одновремен­но будут то загораться, то гаснуть.

Наиболее благоприятным моментом для включения ге­нератора в сеть будет момент времени, когда и лампы погаснут. В этом случае оба вектора расположатся, как показано на рис. 1,6, т. е. они будут находиться в противофазе (E0=-UC). Если включение произведено при , то ток у подключенного генератора будет также равен нулю. Включение ламп, показанное на рис. 1, а, называется «включением на потухание». На практике при включении генератора на параллельную работу с сетью регулируют скорость его двигателя и добиваются, чтобы промежутки времени между следующими друг за другом пога­саниями ламп были достаточно большими, чтобы успеть включить генератор на параллельную работу.

Для трехфазных генераторов применяются две схемы включения ламп: на потухание (рис. 2, а) и на вращение света (рис. 2, б).

Рассмотрим первую схему (рис. 2, а). Здесь лампы включены между точками А'—А", В'—В" и С'—С", каж­дая пара которых относится к одной фазе. В момент включения выключателя Q напряжения между этими точками должны быть равны нулю и все три лампы должны погаснуть. При этом напряжение UC и ЭДС Е0 для каждой фазы действуют навстречу друг другу, т. е. они находятся в противофазе, как это показано на векторной диаграмме рис. 3.

Во второй схеме (рис. 2, б) одна из ламп подключает­ся к точкам одной фазы А'—А", а две другие лампы — между точками разных фаз В'—С" и С'—В". В этой схеме до включения выключателя Q лампы будут попеременно за­гораться и гаснуть. Это будет происходить из-за взаимного перемещения векторов напряжения UC и ЭДС E0 вызван­ного несовпадением их частот. Включение выключателя Q должно быть произведено, когда одна лампа (между А'-А'') погаснет, а две другие лампы будут гореть с одинако­вым накалом (рис.4). Перед включением выключателя Q следует добиться, чтобы вращение света происходило с небольшой скоростью, что достигается регулированием ско­рости приводного двигателя.

Рис. 2. Схема включения трехфазного синхронного генератора на параллельную работу с сетью. Лампы синхроноскопа включены по схе­ме на потухание света (а) и на вращение света (б)

Лампы гаснут при напряжениях, равных 30—60 % их номинального напряжения, поэтому, для того чтобы более точно выбрать момент включения выключателя Q как в одной, так и в другой схеме, параллельно лампе 1 между точками А'—А" включают так называемый нулевой вольтметр.

Рис. 3. Векторная диаграмма напряжений сети UС и ЭДС генератора Ег для момента времени включения генератора на параллельную работу с сетью

Рис. 4. Напряжение на лампах синхроноскопа при включении его. на вращение света в момент за­мыкания выключателя Q (см. рис. 2, б): U2 — напряжение на лам­пе 2; U3 — напряжение на лампе 3

Стрелка этого вольтметра при медленных колебаниях, соответствующих потуханию и загоранию ламп, покажет нуль, когда напряжение между точками А'-A" равно нулю. Очевидно, что на шкале такого прибора достаточно отметить только одно нулевое значение.

С помощью лампового синхроноскопа можно определить соответствие порядка чередования фаз сети и генератора. Если при схеме включения ламп по рис. 2, а будет наблюдаться вращение света, а при схеме по рис. 2, б — одновременное загорание и погасание ламп, то это будет означать, что сеть и генератор имеют разный порядок чередования фаз. Изменить порядок чередования фаз сети или генератора можно путем переключения двух фаз между собой.

Для мощных генераторов пользуются электромагнитным синхроноскопом, к которому подаются напряжения генератора и сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося магнитного поля, и при fГ≠fC его стрелка вращается с частотой fГ-fC в ту или иную сторону в зависимости от того, какая частота больше. При правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обращена вертикально верх..

При высоком напряжении приборы синхронизации включаются через трансформаторы напряжения. При этом необходимо позаботиться о том, чтобы фазировка (чередование фаз) этих трансформа­торов была правильной.

Синхронизация генераторов является весьма ответственной опе­рацией и требует от эксплуатационного персонала большого внима­ния. В особенности это важно в случае различных аварий, когда персонал работает в напряженной обстановке. В то же время именно при авариях необходима максимальная оперативность в производ­стве различных переключений и в синхронизации резервных или отключившихся во время аварий генераторов. Опыт показывает, что наибольшее число ошибочных действий персонала падает как раз на период аварий.

Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы пользуются автоматическими синхронизаторами, которые осуществляют автоматическое регулирование UГ и fГ синхронизируемых генераторов в нужных направлениях и при достижении необходимых условий автоматически включают генераторы на параллельную работу. Однако подобные автоматические синхронизаторы также обладают недостатками (сложность, необходимость непрерывного и квалифицированного обслуживания и т. д.). К тому же во время аварий напряжение и частота в системе нередко беспрерывно и быстро меняются и поэтому процесс синхронизации с помощью автоматических синхронизаторов сильно затягивается (до 5—10 мин и даже более), что с точки зрения ликвидации аварии крайне нежелательно.

Для ускорения включения при­меняют способ самосинхронизации. Сущность метода самосинхронизации заключается в том, что генератор включается в сеть в невозбужденном состоянии (UГ=0) при скорости вращения, близкой к синхронной (допускается отклонение до 2%). При этом отпадает необходимость в точном выравнивании частот, значения и фазы напряжений, благодаря чему процесс синхронизации предельно упрощается и возможность ошибочных действий исключается. После включения невозбужденного генератора в сеть немедленно включается ток возбуждения, и генератор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синхронной).

При самосинхронизации неизбежно возникновение значительного толчка тока, так как включение невозбужденного генератора в сеть с напряжением UС, эквивалентно внезапному короткому замыканию этого генератора при работе на холостом ходу с Е0=UС. Однако толчок тока при самосинхронизации будет все же меньше, так как, кроме сопротивления генератора, в цепи будут действовать также сопротивления элементов сети (повышающие трансформаторы, линия и т. д.).

Рис. 5. Кривые изменения токов турбогенератора мощностью 100 МВт при включении в сеть методом самосинхронизации

3. Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной скорости вращения называется синхронным.

Рассмотрим особенности этого режима подробнее, причем предположим для простоты, что сеть, к которой приключена рассматри­ваемая машина, является бесконечно мощной, т. е. в ней U=const и f=const. Практически это означает, что суммарная мощность всех приключенных к этой сети синхронных генераторов настолько велика по сравнению с мощностью приключаемой машины, что изменение режима работы машины не влияет на напряжение и частоту сети.

Напряжение параллельно работающего генератора равно напряжению сети на зажимах генератора. Для простоты предположим также, что включаемая на параллельную работу машина является неявнополюсной и сопротивление якоря ra=0. Тогда ток якоря машины определяется простой зависимостью:

(1)

которая вытекает из векторной диаграммы (рис. 6).

Рис. 6. Векторная диаграмма напряжений неявнополюсного синхронного генератора

4. Изменение реактивной и активной мощностей

Предположим, что при включении на параллельную работу условия синхронизации возбужденного генератора были соблюдены в точности, т. е. UГ=UC или.E=UC. Тогда, согласно равенству (1), I=0, т. е. машина не примет на себя никакой нагрузки (рис. 7,а).

Рис. 7. Упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного генератора, работающего параллельно с сетью при холостом ходе

Предположим теперь, что ток возбуждения после синхронизации был увеличен и поэтому E>UC. Тогда возникает ток I [см. равенство (1)], отстающий от DU, а также от E и U на 900 (рис 7,б). Машина, таким образом, будет отдавать в сеть чисто индуктивный, ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, так что E<UC , то ток I также будет отставать от DU на 900 , но будет опережать E и U на 900, т. е. машина будет отдавать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощность (рис 7,в).

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины вызовет в ней только реактивные токи или изменение реактивного тока и реактивной мощности. При E>UC синхронная машина называется перевозбужденной, а при E<UC - недовозбужденной. При равенстве активной мощности нулю перевозбужденная синхронная машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная - индуктивности.

Рис. 8. Векторные диаграммы синхронного генератора при параллельной работе его с сетью

Изменение тока возбуждения не вызывает появления активной нагрузки или ее изменения.

Чтобы включенная на параллельную работу машина приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необходимо увеличить движущий механический вращающий момент на валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину.

Тогда ротор машины начнет вращаться быстрее, и вектор E несколько сдвинется в сторону вращения векторов UC (рис. 8,а). За счет такого сдвига в цепи появится напряжение DU=E-UC , которое создаст ток I , отстающий, как и ранее от DU на 900.

А от Е0 на угол ψ<90°, и электромагнитная мощность

,

т. е. машина в этом случае будет работать генератором и создавать тормозной момент, направленный против вращения. Под действием этого момента скорость замедлится и опять станет синхронной.

Если ротор замедлит скорость, то согласно рис. 8,б также появится ток I. Угол ψ>90° и электромагнитная мощность

.

В этом случае машина будет работать двигателем, ускоряя ротор до синхронной скорости.

Весьма важно отметить, что при изменении движущего или тор­мозного механического момента на валу синхронная машина обладает свойствами саморегулирования и способностью до известных пределов сохранять синхронизм с сетью, т. е. синхронное вращение с другими синхронными машинами, приключенными к этой сети.

5. Параллельная работа синхронных генераторов на сеть ограниченной мощности

В ряде случаев мощность отдельного генератора составляет значительную часть мощности всех генераторов системы. В других случаях станция с несколькими генераторами соединена с мощной системой через длинную линию передачи. Хотя в этих условиях установленные выше общие положения также сохраняются в силе, однако при этом изменение режима работы одного. генератора оказывает все же заметное влияние на режим работы других генераторов.

Для выяснения особенностей параллельной работы в этих условиях допустим, что параллельно на общую' сеть работают два генератора одинаковой мощности, снабжая электроэнер­гией группу потребителей. Если, например, увеличить одновременно токи возбуждения этих генераторов, то напряжение U обоих генераторов и всей сети возрастет. При увеличении U в общем случае возрастет также реактивная мощность потребителей, например асинхронных двигателей. При равенстве токов возбуждения эта мощность распределится поровну между обоими генераторами.

Если увеличить только ток возбуждения первого генератора, то U также возрастет, но в меньшей степени. В то же время реактивная мощность первого генератора увеличится, а второго - уменьшится. При увеличении тока возбуждения одного генератора, для сохранения U=const ток возбуждения другого генератора нужно уменьшить.

Таким образом, в системе ограниченной мощности для повышения напряжения сети необходимо увеличивать токи возбуждения всех генераторов, а для перераспределения общей реактивной мощности между отдельными генераторами при U=const нужно токи возбуждения одних генераторов увеличивать, а других уменьшать.

Если увеличить вращающие моменты или мощности первичных двигателей всех генераторов в системе ограниченной мощности, то скорость вращения этих двигателей и частота сети будут возрастать. При этом повысится также мощность потребителей, например, в результате повышения скорости вращения асинхронных двигателей. Повышение частоты будет происходить до тех пор, пока не наступит баланс мощностей между первичными двигателями и потребителями с учетом потерь в генераторах и сети. Для сохранения f=const при увеличении мощности первичного двигателя одного генератора мощность первичного двигателя второго нужно уменьшить. При этом происходит перераспределение активных мощностей.

При недостатке генерируемой активной мощности в системе частота f будет падать, что нарушит нормальное энергоснабжение потребителей. При недостатке генерируемой реактивной мощности в системе (невозможность поддерживать на необходимом уровне реактивную мощность генераторов электростанций и синхронных компенсаторов во избежание перегрузки их током) напряжение системы будет падать, при определенных условиях даже катастрофически (так называемая лавина напряжения). Поэтому сохранение баланса реактивных мощностей в системе не менее важно, чем сохранение баланса активных мощностей.

6. Основные положения

Для включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью, необходимо выполнить следующие условия:

1) равенство ЭДС генератора Е0 и напряжения сети UC;

2) равенство частот генератора fГ и сети f;

3) ЭДС генератора Е0 и напряжение сети UС должны находиться в противофазе;

4) чередование фаз ЭДС генератора и напряжения сети должно быть одинаковым (для трехфазных генераторов);

При изменении тока возбуждения синхронного генератора, работающего параллельно с сеть бесконечно большой мощности, изменяется только реактивная мощность. Синхронная машина становится недовозбужденной или перевозбужденной.

Для изменения активной мощности необходимо менять движущий механический вращающий момент на валу.

7. Контрольные вопросы и домашнее задание.

№	Содержание	Литература
1	Какой способ включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью называют точной синхронизацией?	1, §36-2; 3, §35-1; 2, §4-12
2	Условия включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью по способу точной синхронизации, какими приборами проверяют выполнение этих условий? (Смотри рис. №1)	3, §35-1; 2, §4-12
3	Какой процесс, происходящий в синхронной машине, называется синхронизацией?	2, §4-11, §41-2; 3, §35-1
4	Укажите схемы включения трехфазного синхронного генератора на параллельную работу с сетью, в чем отличие этих схем?	1, §36-2; 3,§35-1
5	Как с помощью приборов синхронизации определить соответствие порядка чередования фаз сети и генератора?	3, §35-1
6	Что такое самосинхронизация, в чем сущность метода самосинхронизации при работе генераторов параллельно с сетью?	2, §4-12; 3, §35-1
7	Какой режим работы синхронной машины называется недовозбуждением и перевозбуждением?	2, §4-11; 3, §35-2, §35-3
8	Определите ток якоря неявнополюсного синхронного генератора, работающего параллельно с сетью в режиме холостого хода по векторным диаграммам, какие процессы вызовет изменение тока возбуждения синхронной машины? (Смотри рис. №6,№7)	2, §4-11; 3, §35-2 1, §36-2
9	Как изменится скорость вращения ротора синхронной машины, работающей параллельно с сетью в режиме генератора и в режиме двигателя?	2, §4-11, 4-12; 3, §35-2
10	Какие меры необходимо принять для поддержания неизменными напряжения и частоты питающей сети при параллельной работе синхронных генераторов в системе ограниченной мощности?	3, §35-2

8. Литература

1. Токарев машины.– М.: Энергоатомиздат, 1990, 624 с.

2. Копылов машины – М.: Логос, 2000, 607с.

3. Вольдек машины. – Л.: Энергия, 1978. – 832с.