Нагрузка генератора, включенного на параллельную  работу.

ГЛАВА 21

Параллельная работа синхронных генераторов.

Включение генераторов на параллельную работу.

На электрических станциях обычно устанавли­вают несколько синхронных генераторов, включае­мых параллельно для совместной работы (рис. 21.1). Наличие нескольких генераторов вместо одного суммарной мощности дает преимущества, объяс­няемые теми же соображениями, которые были из­ложены применительно к параллельной работе трансформаторов (см. § 2.2).

При включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора  в момент подключения его к сети должна быть равна и проти­воположна по фазе напряжению сети ( ), частота ЭДС генератора  должна быть равна часто­те переменного напряжения в сети ; порядок следо­вания фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации

Способ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. По конструкции синхроноскопы разделяют на стрелочные и ламповые. Рассмотрим процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа, который состоит из трех ламп 1, 2, 3, расположенных в вершинах равносто­роннего треугольника.

Рис. 21.1. Включение синхронных генераторов

на параллельную работу:

Г₁ - Г₄ – синхронные генераторы, ПД₁ -ПД₄ - приводные двигатели

При включении ламп по схеме «на погасание» (рис. 21.2, а) мо­мент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. Предположим, что звезда ЭДС генератора  враща­ется с угловой частотой , превышающей угловую частоту

враще­ния  звезды напряжений сети . В этом случае напря­жение на лампах определяется геометрической суммой + ; + ; +  (рис. 21.2, б).

В момент сов­падения векторов звезды ЭДС с векторами звезды напряжений эта сумма достигает наибольшего значения, при этом лам­пы горят с наибольшим накалом (напряжение на лампах равно удвоенному напряжению сети). В последующие моменты времени звезда ЭДС обгоняет звезду напряже­ний, и напряжение на лампах уменьшается. В момент синхрониза­ции векторы ЭДС и напряжений занимают положение, при кото­ром , т.е.  = 0, и все три лампы одновременно гаснут (рис. 21.2, в). При большой разности уг­ловых частот  и        лампы вспыхивают час­то. Изменяя частоту вращения первичного двигателя, добиваются равенства , о чем будет свидетельст­вовать погасание ламп на длительное время. В этот момент и следует замкнуть рубильник, после чего генератор окажется подключен­ным к сети.

Рис. 21.2. Ламповый синхроноскоп

Способ самосинхронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2—5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

При самосинхронизации в генераторе протекают сложные электромеханические переходные процессы, вызывающие значи­тельные механические воздействия на обмотки, подшипники и муфту, соединяющую генератор с турбиной. Влияние этих воздей­ствий на надежность генератора учитывается при проектировании синхронных генераторов. Способ самосинхронизации (грубой синхронизации) обычно применяют в генераторах при их частых включениях. Этот способ прост и легко автоматизируется.

Нагрузка генератора, включенного на параллельную  работу.

Обычно совместно на одну сеть работают несколько синхрон­ных генераторов и мощность любого из них намного меньше сум­марной мощности всех остальных генераторов. Будем считать, что синхронный генератор подключают на параллельную работу сдругими генераторами, суммарная мощность которых настолько велика по сравнению с мощностью подключаемого генератора, что при любых изменениях параметров этого генератора напряжение сети  и ее частота   остаются неизменными.

Рис. 21.3. Векторные диаграммы синхронного генератора, включённого на параллельную работу в сеть большой мощности:

а – при работе без нагрузки; б – при работе с нагрузкой

После подключения генератора в сеть при соблюдении всех ус­ловий синхронизации его ЭДС  равна по значению и противоположна по фазе напряжению сети (рис. 21.3, а), поэтому ток в цепи генератора равен нулю, т. е. генератор работает без нагрузки. Механическая мощность приводного двигателя P₁  в этом случае полностью затрачивается на покрытие потерь х. х.: .

Отсутствие тока в обмотке статора синхронного генератора 0) приводит к тому, что обмотка статора не создает вращающегося магнитного поля и в генераторе действует лишь  магнитное поле возбуждения, вращающееся вместе с ротором с угловой частотой , но не создающее электромагнитного мо­мента.

Рис. 21.3. К понятию об электромагнитном моменте синхронного генератора.

Если же увеличить вращающий момент приводного двигателя , то ротор машины, получив некоторое ускорение, сместится относительно своего первоначального положения на угол  в на­правлении вращения. На такой же угол  окажется сдвинутым вектор ЭДС генератора  относительно своего положения, соответствующего режиму х. х. генератора (рис. 21.3, б). В результате в цепи статора появится результирующая ЭДС , которая создаст в цепи обмотки статора генератора ток I₁. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора и считать сопротивление этой обмотки чисто индуктивным, то ток , отстает по фазе от   на угол 90° (рис. 21.3, б) и отстает по фазе от ЭДС  на угол .

Ток I₁ создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором и создающее вместе с полем ротора результирующее магнитное поле синхронной машины. Ось этого результирующего поля d'—d' не совпадает с продольной осью полюсов ротора d – d: в синхронном генераторе ось полюсов ротора d - d опережает ось результирующего поля машины d^’-d^’ на угол  (рис. 21.4, а).

Известно, что разноименные магнитные полюсы взаимно притягиваются, поэтому между намагниченными полюсами ротора и неявно выраженными полюсами вращающегося поля статора возникают силы магнитного притяжения  (рис. 21.4, б). Вектор это и силы на каждом полюсе ротора, направленный под углом  к оси полюса, имеет две составляющие:  - нормальная составляющая, направленная по оси полюсов, и  — тангенциальная составляющая, направленная перпендикулярно оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих F₁ на всех полюсах ротора создает на роторе синхронного генератора электромагнитный момент, направленный встречно вращающему­ся магнитному полю:

                              ,          (21.1)

где D₂ — диаметр ротора.

Из полученного выражения следует, что электромагнитный момент синхронной машины является синусоидальной функцией угла   и может быть представлен выражением

                                           ,                                          (21.2)

где М_max — максимальное значение электромагнитного момента,  соответствующее значению угла  = 90 эл. град.

Электромагнитный момент М, возникающий на роторе генератора направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя , т. е. он является тормозящим моментом. На преодоление этого момента затрачивается часть мощности приводного двигателя, которая представляет собой электромагнитную мощность

                                       ,                                              (21.3)

где  — угловая частота вращения ротора.

Таким образом, с появлением тока I₁ в обмотке статора синхронного генератора, работающего параллельно с сетью, генератор получает электрическую нагрузку, а приводной двигатель (турбина, дизельный двигатель и т. п.) получает дополнительную механическую нагрузку. При этом механическая мощность приводного двигателя  расходуется не только на покрытие потерь х. х. генератора , но и частично преобразуется в электромагнитную  мощность генератора Р_эм, т. е.

                                                                                       (21.4)

Следовательно, электромагнитная мощность синхронного ч тора представляет собой электрическую активную мощность, преобразованную из части механической мощности приводного двигателя:

Что же касается активной мощности на выходе синхронного генератора , отдаваемой генератором в сеть, т. е.

то она меньше электромагнитной мощности Р_эм  на значение, равное сумме электрических потерь в обмотке статора  и добавочных потерь  при нагрузке

                            .                                   (21.5)

Следовательно, мощность на выходе синхронного генератора,   (активная  нагрузка) при его параллельной работе с сетью регулируется изменением вращающего момента   приводного двигателя:

,

где  — угловая синхронная скорость вращения ротора синхронной машины, рад/с.

Если все слагаемые уравнения (21.4) разделить на угловую частоту , то получим уравнение моментов

                                   .                                    (21.6)

Из этого уравнения следует, что вращающий момент , развиваемый приводным двигателем на валу генератора, равен сумме противодействующих моментов: момента х. х. , обусловленного потерями х. х.  и электромагнитного момента М, обусловленного нагрузкой генератора.

Момент х. х.  для данного генератора постоянен ( = соnst), поэтому нагрузка синхронного генератора возможна лишь за счет вращающего момента приводного двигателя, когда его значение превышает момент х. х., т. е. при .