Цикл лекций в курсе «Электрические машины». Синхронные машины

1.

Синхронные
машины
Цикл лекций в курсе «Электрические
машины»

2.

Ручное/автоматическое управление
включением синхронного генератора на
параллельную работу по способу
самосинхронизации

3.

Параллельная работа синхронных
генераторов
Общие положения.
На современных электрических станциях
устанавливают несколько синхронных генераторов,
предназначенных для параллельной работы. При
переменном графике нагрузки целесообразно
включать на параллельную работу или отключать
отдельные машины с таким расчетом, чтобы каждая из
них работала с номинальной нагрузкой, при которой к.
п. д. и другие показатели генераторов и первичных
двигателей имеют наибольшую величину.

4.

Параллельная работа генераторов и
объединение электростанции для
параллельной работы увеличивают
надежность и бесперебойность
электроснабжения потребителей и
позволяет иметь меньшую резервную
мощность.
Для правильного подключения синхронною
генератора к сети необходимо выполнить
ряд условий, чтобы не была нарушена
нормальная работа сети и потребителей.

5.

На каждой электрической станции обычно бывает установлено
несколько генераторов.
Благодаря параллельной работе генераторов достигается:
– большая надежность энергоснабжения потребителей;
– снижение мощности аварийного и ремонтного резерва;
– возможность маневрирования энергоресурсами сезонного
и суточного характера.
Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток
одинаковой частоты. Поэтому они должны вращаться строго в такт или,
как говорят, синхронно, т.е. их скорости вращения должны быть в
точности обратно пропорциональны числам пар полюсов:
n1
60 f
p1
n2
60 f
p2
n3
60 f
p3
Существует два способа включения синхронного генератора на
параллельную
работу
–
способ
точной
синхронизации
и
самосинхронизации.

6.

Включение на параллельную работу
синхронных генераторов
Включение на параллельную работу может
быть осуществлено двумя способами:
• способом точной синхронизации
• способом самосинхронизации

7.

Процессы при включении генератора на параллельную работу.
EГ
xd
Q
xС
xсв
EС
Схема замещения при включении генератора на параллельную работу
При включении генератора
уравнительный ток:
I ур
на
параллельную
работу
E
xd xсв x С
ΔE
I ур
EГ
δ
EС
Векторная разность ЭДС генератора и системы
возникает

8.

Первый случай когда EГ EС E
Это соответствует включению возбужденного синхронного генератора.
Уравнительный ток:
2E
I ур
sin
xd xсв x С
2
Для мощной энергосистемы:
Тогда можно записать
xd
xсв x С
2E
sin
xd
2
Наибольшее значение уравнительного тока будет при угле δ = 180°
2E
I ур
xd
– что равносильно двукратному току трехфазного КЗ на выводах
генератора.
Наименьшее значение уравнительного тока при угле δ = 0°
I ур
I ур 0

9.

Второй случай когда E Г 0
Это соответствует включению невозбужденного синхронного генератора.
Уравнительный ток:
EС
I ур
xd xсв x С
Принимая во внимание (5.4) получим:
EС
xd
– что равносильно току трехфазного КЗ на выводах генератора.
I ур

10.

Условия для включения генератора на параллельную работу
При включении генераторов на параллельную работу необходимо
избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных
электромагнитных моментов, способных вызвать повреждение
генератора и другого оборудования, а также нарушить работу
электрической сети или энергосистемы.
Поэтому необходимо отрегулировать режим работы генератора на
холостом ходу и в надлежащий момент времени включить генератор в
сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией
генератора.
Требования для включения синхронного генератора на параллельную
работу:
1) напряжение включаемого генератора должно U Г быть равно
напряжению сети U 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 Г и U С должны быть в фазе.

11.

При соблюдении указанных условий векторы напряжений генератора и
сети совпадают и вращаются с одинаковой скоростью, разности напряжений
между контактами выключателя при включении генератора равны:
U ГА U СА U ГВ U СВ U ГС U СС 0
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 специальными
приборами – ламповыми и стрелочными синхроноскопами.

12.

Схема синхронизации генератора с помощью ламповых синхроноскопов с
включением на погасание а) и вращение б) света
а)
б)
Г1 – генератор, уже работающий на шины станции и сеть; Г2 – включаемый на параллельную
работу генератор; В1, В2 – выключатели; V – вольтметр имеющий растянутую шкалу в области
нуля (нулевой вольтметр); П – вольтметровый переключатель; С – ламповый синхроноскоп,
каждая из ламп 1, 2, 3 которого включена:
а) между контактами одной и той же фазы или полюса выключателя В2.
б) лампа 1 включена между контактами одной и той же фазы, а лампы 2 и 3 – между
различными фазами генератора и сети.

13.

При соблюдении приведенных выше условий напряжения на всех лампах
одновременно равны нулю и лампы не светятся. Генератор Г2 с помощью
выключателя В2 подключаем на параллельную работу.
Кривые изменения во времени напряжений генератора u Г , сети uС и ламп
u Г uС при неравенстве частот сети и генератора
На практике.
Достичь точного равенства частот f Г fС в течение даже небольшого
промежутка времени практически невозможно и поэтому напряжения U Г U С
на лампах 1, 2, 3 (рисунок а) пульсируют с частотой f Г fС , и если эта частота
мала, то лампы загораются и погасают с такой же частотой.
Частота f Г fС соответствует частоте пульсаций напряжения (штриховые
кривые на рисунке). 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.

14.

Кроме того, при малой частоте лампы погасают раньше, чем
напряжение достигнет нуля, и загораются также при U>0. Поэтому при
схеме на погасание света трудно выбрать правильный момент включения.
Лучшей является схема включение на вращение света.
При f Г fС 0 лампы 1, 2 и 3 загораются и погасают поочередно, и
создается впечатление вращающегося света.
А при соблюдении перечисленных условий 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.
Электромагнитный синхроноскоп, к нему подаются напряжения
генератора и сети. Этот прибор работает на принципе вращающегося
магнитного поля, и при f Г fС его стрелка вращается с частотой f Г fС
в ту или иную сторону в зависимости от того, какая частота больше. При
правильном моменте включения стрелка синхроноскопа обращена
вертикально вверх.
Автоматические
синхронизаторы,
которые
осуществляют
автоматическое регулирование U Г и f Г при достижении необходимых
условий автоматически включают генераторы на параллельную работу.

15.

Вследствие того что при точной синхронизации:
– ошибка при подключении может привести с механическим
повреждениям;
– во время аварий, когда постоянно меняются напряжение и частота,
процесс синхронизации с помощью автоматических синхронизаторов
сильно затягивается (до 5-10 мин и даже более),
широко внедрен метод грубой синхронизации, или самосинхронизации.
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%). После включения невозбужденного генератора в сеть немедленно
включается ток возбуждения и генератор втягивается в синхронизм (т.е.
его скорость достигает синхронной и становится f Г fС ).
При самосинхронизации неизбежно возникновение значительного
толчка тока. Обмотку возбуждения замыкают на разрядный резистор,
используемый при гашении поля, чтобы избежать появления в обмотке
возбуждения напряжений, опасных для ее изоляции. Что также снижает
величину ударного тока и способствует быстрому затуханию переходных
токов.

16.

Кривые изменения токов турбогенератора мощностью 100 МВт при
включении в сеть методом самосинхронизации
Метод самосинхронизации можно применять в случаях, когда толчок
тока не будет превышать 3,5 I н

17.

Достоинства и недостатки методов синхронизации.
Точная синхронизации
Достоинство состоит в том, что включение генератора, не
сопровождается большими толчками тока и длительными качаниями.
Недостатками является:
– большое время, необходимое для подгонки скорости вращения и
напряжения синхронизируемого генератора и выбора момента подачи
импульса на включение;
– возможность механических повреждений генератора и первичного
двигателя при включении агрегата с большим углом опережения.
Самосинхронизация
Основными достоинствами является: – простота;
– ускорение процесса синхронизации;
– легко может быть автоматизирован.
Преимущества самосинхронизации особенно важны в аварийных
условиях при значительных колебаниях частоты и напряжения в
энергосистеме.
Недостатком следует считать сравнительно большие толчки тока в
момент включения, при этом подгорают контакты выключателей и
подвергаются дополнительным динамическим усилиям обмотки генераторов
и трансформаторов.

18.

Изменение угла при увеличении нагрузки на валу СД
В рабочем режиме синхронного двигателя Uс = const и Хс = const. При этом ток возбуждения Iв
и ЭДС Е0 постоянны, следовательно, электромагнитная мощность определяется только углом .
M
3UE0 sin θ
X сн
Пусть на валу двигателя имеется какая-то нагрузка, ротор вращается с постоянной
частотой n и и между осевыми линиями полюсов сохраняется постоянный угол
.
При увеличении нагрузки ротор двигателя начинает тормозиться и угол увеличивается.
Одновременно с этим увеличивается и электромагнитная мощность, которая поступает из сети.
При увеличении электромагнитная мощность уравновесит новую нагрузку на
валу и ротор двигателя продолжает вращаться
с той же частотой n, но при новом значении . .
'
При уменьшении нагрузки все происходит в обратном порядке.

19.

Набор нагрузки
ПТЭ 5.1.21.
• Скорость повышения напряжения на генераторах
и синхронных компенсаторах не ограничивается.
• Скорость набора и изменения активной нагрузки
для всех генераторов определяется условиями
работы турбины или котла.

20.

Набор нагрузки
• Скорость изменения реактивной нагрузки
генераторов и синхронных компенсаторов с
косвенным охлаждением обмоток,
турбогенераторов ГТУ, а также гидрогенераторов
с непосредственным охлаждением обмоток не
ограничивается;
• на турбогенераторах с непосредственным
охлаждением обмоток эта скорость в
нормальных режимах должна быть не выше
скорости набора активной нагрузки, а в
аварийных условиях - не ограничивается.

21.

U – образные характеристики СД
Iя
P = const U = const
граница Mc2 > Mc1
устойчивости
Mc1
cosφ = 1
Mc = 0
φ<0
θ < θном Iв
φ > 0; θ > θном
режим Iв,ном
режим
недовозбуждения перевозбуждения
Пунктирная линия –регулировочная характеристика при
Выход за границу статической устойчивости — уменьшение тока возбуждения — приводит
к выходу СГ из синхронизма
Точка А соответствует холостому ходу невозбужденной синхронной машины