Работа синхронного генератора параллельно с сетью.

Лекция от 20.04.20 Работа синхронного генератора параллельно с сетью. Как я уже отмечал, замечательным свойством синхронного генератора является жесткая привязка частоты генерируемой ЭДС к скорости вращения вала, не зависимо от величины нагрузки. Это позволяет соединять генераторы параллельно, образуя мощную энергетическую сеть. При этом мощность отдельно взятого синхронного генератора по сравнению с мощностью сети незначительна, и при любых изменениях режима работы отдельного синхронного генератора, включенного в энергосистему, напряжение и частота сети будут оставаться неизменными. Чтобы избежать электрического удара на сеть при подключении к ней генератора, необходимо выполнить синхронизацию ЭДС генератора и напряжения сети. Т.е. должны быть выполнены следующие условия:  Частота сети и частота генератора должны быть одинаковыми;  Напряжение сети и ЭСД генератора должны быть одинаковыми;  Напряжение сети и ЭДС генератора должны быть синфазны при одинаковом порядке чередования фаз. Соответственно порядок синхронизации должен быть следующим. 1) Скорость вращения приводного механизма устанавливают равной 𝑛 = 𝑛𝑜 = 60𝑓 𝑝 , где p – чис- ло пар полюсов подключаемого в сеть генератора. 2) Изменяя ток возбуждения синхронного генератора, устанавливают ЭДС Е0 на якорной обмотке чуть большую напряжения сети 𝑈𝑐 . 3) Выполняют синхронизацию ЭДС и напряжения сети с помощью синхроноскопа. Простейшим синхроноскопом является ламповый синхроноскоп, состоящий из трех ламп, включенных в разрыв цепи генератора «фаза в фазу». При разомкнутом выключателе синхронный генератор работает в режиме холостого хода, и между контактами выключателя действует разностное напряжение ∆𝑈 = 𝑈𝑐 - 𝐸0. При равенстве 60𝑓 𝑛= , вектора напряжения сети и ЭДС Е0 вращались бы с оди𝑝 наковой угловой частотой, а ∆U была бы постоянной. Лампы при этом горели бы с постоянным одинаковым накалом. В действительности частоты напряжения сети Uc и ЭДС Е0 несколько отличаются. Поэтому лампы будут одновременно загораться и гаснуть с частотой биения ∆𝑓 = 𝑓𝑐 − 𝑓г . Генератор подключают к сети в момент, когда лампы одновременно погасли, т.е. когда ∆𝑈=0, а вектора напряжения и ЭДС синфазны. Описанная схема синхроноскопа называется схемой «на погасание». Эта схема не очень точна, т.к. напряжение погасания ламп составляет примерно 15…30% от номинального. Более точной является схема «бегущий огонь». В этой схеме лампы каких-либо двух фаз включаются накрест, например: фаза B сети на фазу C’ генератора, фаза C сети на фазу B’ генератора. При такой схеме лампы будут по-очереди загораться с частотой биения. Подстраивая скорость вращения приводного двигателя, добиваются постоянного горения ламп, включенных накрест, и погасания третьей лампы, включенной «фаза в фазу» (фаза А). Это момент замыкания рубильника и подключения генератора к сети. Для уточнения момента включения, параллельно с лампой «фаза в фазу» ставят индикатор нулевого напряжения (нуль-индикатор, Vo). С помощью лампового синхроноскопа проверяют и соответствие чередования фаз сети и генератора. Если в первой схеме лампы синхроноскопа одновременно гаснут или загораются, то чередование фаз правильное. Во второй схеме при неправильном чередовании «бегущий огонь» не получится. Если чередование фаз неодинаково необходимо изменить порядок подключения любых двух фаз генератора. Помимо ламповых синхроноскопов применяются и специальные стрелочные синхроноскопы. Иногда, в экстренных случаях, выполняется грубая синхронизация – самосинхронизация. Суть этого способа: при разомкнутой обмотке якоря и невозбужденном генераторе, с помощью приводного двигателя раскручивают индуктор до синхронной частоты вращения. Затем подключают к сети обмотку якоря и одновременно подают питание на обмотку возбуждения. Изменяют ток в обмотке возбуждения и регулируют его таким образом, чтобы ток в обмотке якоря стал минимальным. После окончания переходного процесса синхронный генератор работает параллельно с сетью в синхронном режиме. Недостатком данного способа является существенный бросок тока в обмотке якоря. Регулировка активной и реактивной мощности генератора, U – образная характеристика. Пусть выполнена идеальная синхронизация, т.е. напряжение сети и ЭДС генератора равны по амплитуде и синхронны. После подключения к сети, ток якоря, если пренебречь активным сопротивлением якоря ra, 𝐼𝑎̇ = 𝐸̇𝑜 −𝑈̇ 𝑗𝑥𝑐 (*) будет равен нулю (вект. диаграмма (а)). Генератор не потребляет и не отдает никакой мощности – режим идеального холостого хода. Если увеличить ток возбуждения генератора, ЭДС Eo станет больше напряжения сети (вект. диаграмма (б)). В обмотке якоря появится ток, который будет отставать от напряжения на угол 90о. То есть, синхронный генератор приобретает свойства идеальной катушки индуктивности и отдает в сеть реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, ЭДС генератора Ео станет меньше напряжения сети U (вект. диаграмма (в)). Ток якоря приобретёт емкостный характер (𝜑 = −𝜋/2), и генератор станет потреблять из сети реактивную мощность. Режим работы генератора, при котором Ео >U, называется режимом перевозбуждения; режим, при котором Ео < U, называется режимом недовозбуждения; если Ео =U – это режим полного возбуждения. Таким образом, регулируя ток в обмотке возбуждения генератора, можно регулировать реактивную мощность и коэффициент мощности cos ϕ всей энергетической сети, к которой подключен генератор. В этом состоит второе важное достоинство синхронных машин. Во всех рассмотренных случаях, синхронный генератор не отдает в сеть активную мощность (cos ϕ =0) , т.е. работает с к.п.д. равном нулю (режим холостого хода). Чтобы активная мощность появилась, надо повернуть вектор Eo относительно U на некоторый угол, т.е. со- здать условия, при которых угол нагрузки θ не равен нулю. Напомню, что угол нагрузки, это угол между магнитной осью индуктора и осью результирующего магнитного поля. Положение результирующего поля в СМ всегда остается неизменным , а значит приводной механизм должен довернуть ротор генератора в сторону вращения, т.е. приложить дополнительный механический момент. Значит, единственным способом регулирования активной мощности, отдаваемой генератором в сеть, является изменение механической мощности, подводимой к валу генератора. На приведенных диаграммах показано появление активной мощности в случае перевозбуждения (а) и недовозбуждения (б). В первом случае генератор имеет активноиндуктивный характер, во втором – активно-емкостной. Поведение синхронного генератора, включенного на параллельную работу с сетью, хорошо описывают U – образные характеристики. Это зависимости тока якоря генератора от тока возбуждения 𝐼𝑎 = 𝑓(𝐼в ) при P = const, где P – отдаваемая в сеть активная мощность. Характеристики легко строятся из уравнения (*), имея в виду зависимость 𝐸𝑜 = 𝑓(𝐼в ) (см. прошлую лекцию). При полном возбуждении реактивная составляющая тока якоря равна нулю, и полный ток якоря приобретает минимальное значение. При увеличении (перевозбуждение) или уменьшении (недовозбуждение) тока возбуждения ток якоря возрастает. Если соединить точки минимумов тока якоря, получится, так называемая, регулировочная характеристика генератора, которая показывает, как надо изменять ток возбуждения, чтобы при различных нагрузках коэффициент мощности оставался равным единице. Очевидно, вдоль этой характеристики потери генераторы минимальны, а к.п.д. максимален. При малых токах возбуждения генератор становится неустойчивым (от этом позже). Для номинального режима выбирают режим с 10…15% перевозбуждением. При этом обеспечивается устойчивая работа с достаточно высоким cos ϕ в широком относительно номинального диапазоне изменения нагрузки. Угловая характеристика синхронного генератора. Под угловой характеристикой понимают зависимость активной мощности, отдаваемой генератором в сеть, от угла нагрузки 𝑃2 = 𝑓(𝜃). Пренебрегая потерями в обмотке якоря, можно считать, что полезная мощность генератора равна электромагнитной мощности 𝑃2 = mUIa∙cosϕ ≈ Рэм = 𝑚𝐸0𝐼а cos ψ, где m – число фаз, ψ – угол между векторами тока 𝐼а и ЭДС 𝐸0 . Из геометрических построений на векторной диа- грамме (см. диаграмму (а)), легко показать, что cos 𝜓 = 𝑈 𝐼𝑎 𝑥𝑐 ∙ sin 𝜃. И тогда аналитическая за- пись угловой характеристики для трехфазных машин с гладким ротором будет иметь вид: 𝑃= 3𝑈𝐸𝑜 ∙ sin 𝜃 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 ∙ sin 𝜃 𝑥𝑐 Здесь угол 𝜃 измеряется в электрических градусах (1o = p эл.o, р – число пар полюсов). Устойчивым, и потому рабочим, участком характеристики является участок 0а. Посмотрим, как на этом участке обеспечивается устойчивость генератора. Пусть по какой-то причине механический момент на валу увеличился, и индуктор получил положительное ускорение. Тогда вектор ЭДС Е0 повернется в сторону вращения вала. За счет ускорения увеличится Ео и разностное напряжение ∆𝑈̇ = 𝐸̇𝑜 − 𝑈̇. Ток якоря увеличится, при этом его вектор по отношению к разностному напряжению ∆𝑈̇ составляет угол 90о (активным сопротивлением ротора пренебрегаем), а по отношению к ЭДС (угол ψ) меньше 90о. В результате увеличения тока, увеличится электромагнитная мощность Рэм = 𝑚𝐸0𝐼1 cos 𝜓 и элек𝑃 тромагнитный момент генератора 𝑀эм = эм. Этот момент будет тормозным и скомпенсирует 𝜔о прибавку механического момента. Ускорение прекратится, и генератор вернется в состояние синхронизма, но с большим углом нагрузки 𝜃. Теперь пусть индуктор замедлился. Вектор Ео повернется в сторону противоположную 𝑑𝜓 вращению вала, и знак ЭДС (напомню: 𝑒 = − ) поменяется. По отношению к разностному 𝑑𝑡 напряжению ток сохранит индуктивный характер, а по отношению Ео угол 𝜓 станет больше 90o. Электромагнитная мощность станет отрицательной, а электромагнитный момент изменит характер на двигательный, добавляясь к механическому моменту на валу. Замедление прекратится, генератор вернется в состояние синхронизма, но с меньшим углом нагрузки. Характеристика правее точки «a» является неустойчивой. Здесь знак электромагнитного момента генератора будет направлен в сторону ускорения, и рассогласование будет увеличиваться, а частоты напряжения сети и ЭДС генератора не будут равны. Такое состояние называется выпадением из синхронизма. Т.о. точка «a» является граничной, а мощность в этой точке называется критической или максимальной (прямая аналогия с АМ). 𝑃 1 Отношение 𝑘𝑚 = 𝑚 = называется статическим запасом устойчивости генера𝑃н sin 𝜃 тора по мощности. Разность Δ𝜃 = 90 − 𝜃н называется запасом устойчивости по углу нагрузки. Номинальный угол нагрузки 𝜃н выбирают равным 20…30°, при этом обеспечивается 2…3-х кратный статический запас по мощности.