Синхронные машины

Зарегистрировано немало случаев, когда неправильная синхро­низация вызывала серьезные повреждения оборудования (повреж­дение обмоток, поломка крепежных деталей сердечников и полю­сов, поломка вала, разрушение всего генератора).

Синхронизация с помощью лампового синхроноскопа

Этот способ может осуществляться по схеме на погасание или на вращение света.

Схема синхронизации на погасание света представлена на рис

где слева изображен генератор Г1, уже работающий на шины станции и сеть, а справа — включаемый на параллельную работу генера­тор Г2 с вольтметром V, вольтметровым переключателем П и с ламповым синхроноскопом С, каждая из ламп 1, 2, 3 которого включена между контактами одной и той же фазы или полюса выключателя В2. При соблюдении приведенных выше условий и равенства напряжения на всех лампах одновременно равны нулю и лампы не светятся, что и указывает на возможность включения генератора Г2 с помощью выключателя В2 на параллельную работу.

Достичь точного равенства частот в течение даже небольшого промежутка вре­мени практически невозможно (рис.а),

и поэтому на­пряжения Uг. — Uc на лампах 1, 2, 3  пуль­сируют с частотой  (рис.), и если эта частота мала, то лампы загораются и по­гасают с такой же частотой. Частота соответствует частоте пульсации напряжения (штриховые кривые на рис.б). Путем регулирования частоты генератора необходимо добиться того, чтобы частота загорания и погасания ламп была минимальна (период 3—5 сек), и произвести затем включение выключателя В2 в момент времени, когда лампы не горят.

При малой частоте лампы погасают раньше, чем напряжение достигнет нуля, и загораются также при U > 0. Поэтому при схеме рис. а трудно выбрать правильный момент включения. В этом отношении лучшей является схема рис. б, в которой лампа 1 включена так же, как на схеме рис. а, а лампы 2 и 3 — между различными фазами генератора и сети. Поэтому в данном случае при соблюдении перечисленных выше условий и равен­ства лампа 1 не светится, а лампы 2 и 3 находятся под линей­ным напряжением и светятся с одинаковой яркостью, что и является критерием правильности момента включения.

При лампы 1, 2 и 3  загораются и погасают поочередно, и создается впечатление вращающегося света, причем при . вращение происходит в одну сторону, а при . — в другую. Частота вращения света равна/,. — /„ и необходимо добиться, чтобы она была минимальна (период 3—5 сек).

Отметим, что если при осуществлении схемы рис. а вместо одновременного погасания и загорания всех трех ламп получится вращение света, а при схеме рис. б — одновременное погасание и загорание ламп, то это будет указывать на неправильность чере­дования фаз генератора и сети. При этом необходимо поменять местами начала двух фаз обмотки статора генератора.

Для более точного выбора момента включения параллельно одной из ламп рис. а включают вольтметр, имеющий растяну­тую шкалу в области нуля (нулевой вольтметр).

Другие методы синхронизации.

Синхронизация с помощью ламп и нулевого вольтметра применяется только для генераторов малой мощности. Для мощных генераторов пользуются электромагнитным синхроноскопом, к которому подаются напряжения генератора и сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося магнитного поля, и при его стрелка вращается с частотой в ту или иную сторону в зависимости от того, какая частота больше. При правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обра­щена вертикально вверх.

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 переключении и в синхронизации резервных или отключившихся во время аварий генераторов. Опыт пока­зывает, что наибольшее количество ошибочных действии персонала падает как раз на период аварий.

Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы пользуются автоматическими синхронизаторами, которые осуще­ствляют автоматическое регулирование Ur 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. Внедрен метод грубой син­хронизации, или 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, 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 н гене­ратор втягивается в синхронизм (т. е. его скорость достигает синх­ронной и становится )-

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 Е=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.). Кроме того, включение генератора производится при включенном сопротивлении гашения поля, что также снижает вели­чину ударного тока и способствует быстрому затуханию переходных токов.

По действующим правилам метод самосинхронизации можно применять в случаях, когда толчок тока не будет превышать 3,5 гц. В большинстве случаев это условие выполняется. На рис.

представлены кривые, относящиеся к включению в сеть методом са­мосинхронизации турбогенератора мощностью 100 Mem.

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, согласно диаграмме, ток якоря машины опре­деляется простой зависимостью

Изменение реактивной мощности.

Режим синхронного компен­сатора.

Предположим, что при включении на параллельную ра­боту условия синхронизации возбужденного генератора были соблюдены в точности, т. е. тогда, I = 0, т. е. машина не примет на себя никакой нагрузки.

Предположим теперь, что ток возбуждения после синхронизации был увеличен и поэтому . Тогда (рис а) возникает ток I отстающий от &.0, а также от Ё и 0 на 90°. Машина, таким образом, будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения уменьшить, так что  (рис. б), то ток I также будет отставать от на 90°, но будет опережать Е и 0 на 90°, т. е. машина будет отда­вать в сеть емкостный ток и потреблять из сети реактивную мощ­ность.

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины вызовет в ней только реактивные токи или изменение реактивного тока и реактивной мощности. При синхрон­ная машина называется перевозбужденной, а при — н е д о в о з б у ж д е н н о и. При равенстве актив­ной мощности нулю перевозбужденная синхронная

машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная — индуктивности.

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загру­женная реактивным током, называется синхронным ком­пенсатором. Такие компенсаторы применяются для повы­шения коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения в сетях.

Если, например, такой компенсатор установить в районе боль­шой промышленной нагрузки и перевозбудить его, то он будет снабжать асинхронные двигатели промышленных предприятий ре­активной мощностью, питающая сеть и генераторы электрических станций будут полностью или частично разгружены от этой мощно­сти, коэффициент мощности генераторов и сети повысится, потери мощности и падения напряжения в них уменьшатся и напряжение сети у потребителей сохранится на нормальном уровне.

Изменение активной мощности. Режимы генератора и двигателя.

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 ее валу, увеличив, например, поступление воды или пара в турбину.

Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора, а следовательно, и вектор э. д. с. генератора забегут вперед на некоторый угол (рис. б). При этом возникнет ток I, отстающий, как и ранее, от на 90o Но, как следует из рис. в, в данном случае

              и

т. е. машина отдает в сеть активную мощность.

Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то э.д.с. отстанет от на некоторый угол , ток будет отставать от на угол ,при этом мощность машины

              т.е. машина будет работать в режиме двигателя.

Как следует из рис. в и г, у генератора вектор отстает от вектора , а у двигателя — наоборот. Угол нагрузки в пер­вом случае будем считать положительным, а во втором — отри­цательным.

Характер магнитного поля в зазоре между статором и ротором в режимах генератора и двигателя изображен на рис. 2. У гене­ратора ось полюсов сдвинута относительно оси потока на поверх­ности статора на угол вперед, по направ­лению вращения (>0), а у двигателя—против направления вращения (<0). Угол можно назвать внутренним уг­лом

Рис 2.

нагрузки. Образование электромагнитного вращающего момента М и направление его действия согласно рис. 35-6 можно объяснить также тяжением магнитных линий.

Преобразование энергии в синхронных машинах нормальной конструкции, с вращающимся индуктором и возбудителем на об­щем валу, иллюстрируется энергетическими диаграммами рис. 3,

Рис 3.

где рмх — механические потери, рв — потери на возбуждение синх­ронной машины, включая потери в возбудителе, рд — добавочные потери от высших гармоник поля в стали статора и ротора, рмг — основные магнитные потери и рэл — электрические потери в об­мотке якоря. Для генератора Р1 — потребляемая с вала механическая мощность и Р2 — отдаваемая в сеть электрическая мощность, а для двигателя Р1 — потребляемая из сети электрическая мощ­ность и Р2 — развиваемая на валу механическая мощность. Электро­магнитная мощность Рэм передается с помощью магнитного поля с ротора на статор в режиме генератора и в обратном направлении — в режиме двигателя. Добавочные потери покрываются за счет механической мощности на роторе. Механические потери возбуди­теля включаются в потери рмх

              Весьма важно отметить, что при изменении движущего или тор­мозящего 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. Напри­мер, при приложении к валу положительного вращающего   момента Мст„ ротор будет уско­ряться и угол нагрузки будет расти от нуля (рис. б). Вместе с тем машина начинает нагружаться активной мощностью Р и разви­вать тормозящий электромагнитный момент М. При этом величины , Р и М будут расти до тех пор, пока не наступит равновесие моментов Mст = М на валу. Одновременно с этим восстановится также баланс между потребляемой с вала механической мощ­ностью, отдаваемой в сеть электрической мощностью и потерями в машине. В случае приложения к валу тормозящего момента Мст угол будет расти по абсолютной величине также до тех пор, пока не восстановится равновесие моментов на валу и баланс мощностей.