Параллельная работа с сетью бесконечно большой мощности синхронных машин. Метод точной самосинхронизации.

На каждой электрической станции обычно бывает установлено несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу в общую сеть. Следовательно - большая надежность энергоснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера. Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты.

Поэтому они должны вращаться строго синхронно, т. е.: Условия синхронизации генераторов.При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать большого толчка тока и ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы. Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на хх перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора. Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при: 1. Напряжение включаемого генератора U_r = напряжению сети f_с или уже работающего генератора; 2. Частота генератора f_г должна равняться частоте сети f_с; 3. Чередование фаз- генератора и сети должно быть одинаково; 4. Напряжения U_r и U_z должны быть в фазе. При этом векторы напряжений генератора и сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью (рис.35-1), разности напряжений между контактами выключателя при включении генератора (рис. 35-2) равны: Ura-Uca=Urb-Ucb=Urc-Ucc = 0, (35-1) и поэтому при включении не возникает никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Изменение частоты и фазы напряжения генератора достигается изменением скорости вращения генератора. Правильность чередования фаз необходимо проверять только при первом включении генератора после монтажа или сборки схемы. Совпадение напряжений по фазе контролируется с помощью ламп, нулевых вольтметров или специиальных синхроноскопов, а в автоматических синхронизаторах-с помощью специальных измерительных элементов. Неправильная синхронизация может вызвать серьезную аварию. Действительно, если, например, напряжения U_r и V_c будут в момент включения генератора на параллельную работу сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно кз при удвоенном напряжении (Uг-Uc = 2Uг). Если генератор включается в сеть мощной энергетической системы, то сопротивление этой сети по сравнению с сопротивлением самого генератора можно принять равным нулю, и поэтому ударный ток при включении может превысить ток при обычном кз в два раза. Ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастают в четыре раза. Сущность метода самосинхронизации заключается в том, что генератор включается в сеть в невозбужденном состоянии (U_г= 0) при скорости вращения, близкой к синхронной (допускается отклонение до 2%). При этом отпадает необходимость в точном выравнивании частот, величины 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 и становится). При самосинхронизации неизбежно возникновение значительного толчка тока, т к включение невозбужденного генератора в сеть с напряжением U_c экв внезапному кз этого генератора при работе на хх с Е = U_с. 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.).

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 к-рой приключена рассматриваемая машина, является бесконечно мощной, т. е. в ней U=const и f= const. Это означает, что суммарная мощность всех приключенных к этой сети синхронных г-ров 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. Предположим также, что включаемая на параллельную работу машина является неявнополюсной и сопротивление якоря r_а= 0. Тогда, согласно диаграмме рис. 33-4, ток якоря машины определяется простой зависимостью

53. Угловые характеристики активной мощности.Зависимость Р=f(q) при Е=const и U=const называется угловой характеристикой активной мощности синхронной машины. Изучение этой зависимости позволяет выяснить ряд важных свойств синхронной машины. Выведем математическое выражение для угловой характеристики мощности, приняв R_а=0, так как это сопротивление весьма мало влияет на вид угловой характеристики.  откуда Учитывая, что, согласно рисунку 3.5а, j=y-q, для мощности генератора имеем  Заменив здесь I_d и I_q по формулам (3.1), получим  (3,8). Равенство (3.8) и является искомым математическим выражением угловой характеристики мощности, согласно которому Р=f(E,U,q,X_d,Х_q). Электромагнитный момент М=P/W =рР/w пропорционален мощности Р, и поэтому зависимость М= f(E,U,q,X_d,Х_q) имеет подобный же вид.

54. Невозбуждённая явнополюсная машина.Если i_В=0, то и Е=0, так как в нормальных машинах ЭДС от остаточного магнитного потока пренебрежимо мала. В этом случае на основании выражения (3.8) (3.10)

Зависимость Р=(q), согласно равенству (3.8), представляет собой синусоиду с удвоенной частотой (рис 3.14, б). Из равенства (3.10) и рисунка 3.14, б следует,  что явнополюсная машина в состоянии развивать мощность при синхронном режиме р аботы также без возбуждения. Устойчивая работа в режиме генератора происходит при 0<q<45°, а в режиме двигателя – при -45°<q< 0°. Пределу устойчивой работы соответствует q_КР=±45° вместо q_КР=±90° в предыдущем случае. В рассматриваемом случае в машине существует только поток реакции якоря. При цилиндрическом роторе (рисунок 316, а), когда X_d=Х_q положение ротора относительно вращающегося поля реакции якоря безразлично, поэтому машина не развивает электромагнитного момента и мощности. В явнополюсной машине ротор стремится занять по отношению к вращающемуся полю положение, при котором сопротивление магнитному потоку и энергия магнитного поля минимальны. Если при этом приложенный к валу момент M_СT=0, то q=0 (рис 3.16, б) и электромагнитный момент, действующий на ротор, также равен нулю. При этом, согласно равенству (3-10), также Р=0. Если вал нагружен внешним моментом, то положение ротора относительно поля смещается, q¹0 и в машине развиваются электромагнитный момент и активная мощность (рис 3.16, в). Так как сам ротор не намагничен, то поворот ротора относительно поля на 180° не приводит к изменению режима. У невозбужденной явнополюсной машины электромагнитный момент развивается исключительно вследствие действия поля реакции якоря при наличии неравномерности воздушного зазора X_d¹Х_q и называется поэтому реактивным.

Синхронный двигатель

Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с cosj=1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях. Одним из препятствий к широкому использованию синхронных двигателей, кроме их повышенной стоимости по сравнению с асинхронными двигателями, является сложность их запуска. Чтобы ротор синхронного двигателя пришел во вращение его необходимо раскрутить с помощью постороннего двигателя до оборотов близких к синхронным и только после этого двигатель может быть подключён к сети.  Таким образом, чтобы запустить синхронный двигатель необходим дополнительный двигатель, способный раскрутить его ротор до оборотов, близких к синхронным. Пусковая установка получается усложненной и экономически неоправданной для двигателей небольших и средних мощностей. Выходом из такого положения является использование синхронных двигателей с модернизированным ротором, оснащенным специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой, помещенной в закрытых пазах сердечников полюсов. Для таких двигателей применяется так называемый асинхронный пуск. Для уменьшения пусковых токов асинхронный пуск мощных синхронных двигателей осуществляется при пониженном напряжении.

Синхронный компенсатор

Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным является перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность. В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения. Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным. Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с точки зрения режима своей работы в сущности являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу. Поэтому в отличие от случая, которому соответствуют векторные диаграммы рис. 35-5, а и б, синхронные компенсаторы загружены также небольшим активным током и потребляют из сети активную мощность для покрытия своих потерь. Компенсаторы строятся на мощность до S_H = 100 000 квВа и имеют явнополюсную конструкцию, обычно с 2р = 6 или 8. Мощные компенсаторы имеют водородное охлаждение. В ряде случаев в маловодные периоды для работы в режиме компенсаторов используются также генераторы гидроэлектростанций.