На судах обычно применяют параллельную работу генераторов, которая может быть продолжительной или кратковременной. При продолжительной параллельной работе генераторы работают в течение времени, требуемого эксплуатационными условиями. Кратковременная параллельная работа генераторов предусматривается на время перевода нагрузки с одного генераторного агрегата на другой.
Параллельная работа генераторов по сравнению с раздельной имеет целый ряд преимуществ: обеспечивается оптимальная загрузка электростанции, так как дополнительные генераторы включают только тогда, когда этого требуют эксплуатационные условия; нагрузка с одного генератора на другой переводится без перерыва питания; обеспечивается возможность пуска мощных двигателей при допустимых значениях провала напряжения; имеется возможность снизить расход топлива за счет лучшего использования мощности генераторных агрегатов; обеспечивается бесперебойное электроснабжение потребителей в случае выхода из строя одного из генераторов и другие.
Вместе с тем, параллельной работе генераторов присущи и некоторые недостатки: требуется аппаратура для их включения на параллельную работу, обслуживающий персонал должен иметь высокую квалификацию, увеличивается ток короткого замыкания, усложняется защита генераторов и возникают задачи, связанные с распределением нагрузки между ними.
Включение генераторов постоянного тока на параллельную работу возможно при соблюдении следующих условий:
- э. д. с. включаемого генератора должна быть равна напряжению уже работающего генератора;
- полярность выводов включаемого генератора должна совпадать с полярностью работающего. Это условие выполняется при монтаже.
На судах с электростанциями постоянного тока применяются генераторы параллельного и, чаще всего, смешанного возбуждения (рис. 1).
Рис. 1. Включение генераторов смешанного возбуждения на параллельную работу: П — потребители
Если генератор смешанного возбуждения Г1 работает и включен на шины (рубильник 1 замкнут), то для включения генератора Г2 на параллельную работу следует: запустить первичный двигатель и довести его частоту вращения до номинальной; возбудить генератор Г2 регулятором возбуждения РВ2 так, чтобы его э. д. с. Е2 стала равной или превышала (на 2—3 В) напряжение U на шинах; включить рубильник 2; перераспределить нагрузку между генераторами путем одновременного изменения э. д. с. регуляторами возбуждения РВ1 и РВ2.
Возбуждение генератора Г2 увеличивают, а Г1 — уменьшают, так чтобы напряжение на шинах оставалось номинальным. Если напряжение отличается от номинального, то одновременным поворотом РВ1 и РВ2 в нужную сторону его доводят до номинального.
Перераспределение нагрузок между генераторами легко объяснить с помощью формул:
Сопротивление якорных цепей Rя1, Rя2 генераторов и напряжение на шинах U — величины постоянные. Поэтому токи нагрузки генераторов I1 и I2 определяются величинами их э. д. с. E1 и Е2. Если э. д. с. какого-либо генератора станет меньше напряжения на шинах, ток через генератор изменит направление, а генератор перейдет в двигательный режим. Поэтому при параллельной работе предусматривается защита от обратного тока.
С увеличением общей нагрузки (рис. 2) генератор, имеющий более крутопадающую характеристику U=f(I), будет загружаться меньше. Поэтому статизм (наклон) внешних характеристик параллельно работающих генераторов должен быть обратно пропорциональным их мощностям.
Нагрузки должны распределяться с точностью 10% номинальной для генераторов равной мощности и 12% (20%) —мощности большего (меньшего) генератора для генераторов разной мощности при изменении общей нагрузки от 20 до 100%.
Рис. 2. Распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами
Устойчивая параллельная работа генераторов смешанного возбуждения возможна лишь при условии соединения одноименных выводов якорей генераторов со стороны последовательной обмотки (точки а и b на рис. 1) уравнительным проводом. При его отсутствии и увеличении частоты вращения, например генератора Г1 э.д.с. Е1 возрастет, что приведет к увеличению тока нагрузки I1, м. д. с. последовательной обмотки этого генератора увеличится и, следовательно, еще больше увеличится э.д.с. Е1 и ток I1. Второй генератор Г2 начнет разгружаться и может перейти даже в двигательный режим, т. е. работа будет неустойчивой.
При наличии уравнительного провода, параллельно соединяющего последовательные обмотки генераторов, увеличение нагрузки какого-либо из них одновременно увеличивает возбуждение и других, работа будет устойчивой. При параллельной работе генераторов смешанного возбуждения возможно их размагничивание или перемагничивание (изменение полярности). Поэтому предусматривают устройство для подмагничивания генераторов.
Генераторы параллельного возбуждения включаются на параллельную работу аналогично генераторам смешанного возбуждения, но не требуют для устойчивой работы уравнительного провода.
Включение генераторов переменного тока на параллельную работу требует обеспечить:
- равенство э.д.с. включаемого генератора и напряжения цепи;
- равенство частот включаемого генератора и цепи;
- главное условие - совпадение углов сдвига фаз э. д. с. включаемого генератора и напряжения цепи.
Так как указанные условия должны выполняться для всех трех фаз, то необходимо, чтобы генераторы были присоединены один к другому одноименными фазами, т. е. должен соблюдаться одинаковый порядок чередования фаз. Это условие выполняется при монтаже электростанции.
Процесс включения генераторов на параллельную работу называется синхронизацией и может выполняться вручную, полуавтоматически и автоматически.
Различают три способа синхронизации генераторов: точная синхронизация, самосинхронизация и грубая синхронизация (через реактор).
Способ точной синхронизации (рис. 3): генератор включается на параллельную работу после выполнения условий синхронизации.
Рис. 3. Схема включения синхронных генераторов на параллельную работу методом точной синхронизации: П —потребители
Порядок выполнения операций при этом (считаем, что генератор Г1 работает) может быть следующий:
- добиваются равенства частот включаемого генератора и цепи, изменяя частоту вращения первичного двигателя генератора Г2 посредством переключателя ПСД2 серводвигателя СД2 (частоту контролируют по частотомеру Hz2);
- уравнивают при помощи регулятора возбуждения РВ2, по вольтметрам V2 и V1, э. д. с. включаемого генератора и напряжения цепи;
- используя синхроноскоп S путем изменения частоты вращения генератора Г2, добиваются совпадения фаз напряжений и замыкают автомат А2 синхронизируемого генератора.
После включения генератора на параллельную работу перераспределяют нагрузки между параллельно работающими генераторами.
При синхронизации для определения момента совпадения фаз используют лампы накаливания, нулевые вольтметры и стрелочные синхроноскопы.
Лампы накаливания могут включаться «на погасание» и «на вращение огня». При включении ламп на разность напряжений одноименных фаз (рис. 4, а) в момент совпадения напряжений по фазе (момент синхронизации) лампы гаснут, а при расхождении векторов напряжения на 180° они будут гореть, находясь под двойным напряжением.
При включении ламп на вращение огня (см. рис. 4,б) лампа ЛЗ включена на погасание (в момент синхронизации гаснет), а лампы Л2 и Л1 включены на горение и в момент синхронизации находятся под линейным напряжением. Если лампы расположить по вершинам равностороннего треугольника, то при разной частоте вращения генераторов они будут зажигаться и гаснуть в определенном порядке. При этом будет создаваться впечатление вращающегося огня. Включение генератора должно производиться, когда вращение огня прекращается.
Синхронизация с помощью ламп очень несовершенна, поэтому дополнительно к ней иногда устанавливают нулевой вольтметр (в момент синхронизации стрелка должна стоять на нуле).
Стрелочные синхроноскопы более точны и поэтому чаще применяются на судах. Они представляют собой прибор с трехфазной обмоткой на статоре и однофазной — на роторе. Концы трехфазной обмотки синхроноскопа включены в фазы цепи, а концы роторной обмотки — на две фазы синхронизируемого генератора. Если включаемый генератор работает синхронно с цепью, то стрелка синхроноскопа устанавливается на красной черте шкалы.
Рис. 4. Ламповые синхроноскопы: включение ламп и векторные диаграммы на «погасание» (а) и на «вращение огня» (б)
При равенстве частот, но несовпадении фаз стрелка синхроноскопа отклоняется на некоторый угол в ту или иную сторону.
Если частоты не равны, то стрелка синхроноскопа будет вращаться в ту или иную сторону. Включать синхронизируемый генератор следует в тот момент, когда стрелка медленно подходит к красной черте, вращаясь по часовой стрелке.
Способ точной синхронизации обеспечивает наилучшие условия включения генераторов переменного тока на параллельную работу.
Действительно, при выполнении всех условий точной синхронизации геометрическая разность напряжений включаемого и работающего генераторов равна нулю (ΔŪ = Ū1-Ū2 = 0) и уравнительный ток в момент включения генератора Г2 равен нулю (рис. 5).
Однако включение генераторов с помощью этого способа вручную требует от обслуживающего персонала достаточного опыта. При неправильном включении генератора могут возникнуть большие броски тока и колебания напряжения. Допустим, что напряжения генераторов равны, а частоты разные: U1=U2=U; f1 ≠ f2. Тогда векторы напряжений работающего и включаемого генераторов сдвинуты на некоторый угол (см. рис.5,б). Так как угловые скорости роторов генераторов w1 и w2 разные, то угол δ будет изменяться от 0 до 180°, а геометрическая разность напряжений ΔŪ = Ū1-Ū2 будет изменяться от 0 до 2U.
В момент включения генератора Г2 появится уравнительный ток, величина которого будет определяться разностью напряжений ΔU. Активное сопротивление обмоток статоров генераторов Меньше индуктивного, поэтому вектор уравнительного тока Īур сдвинут по фазе от вектора разности напряжений ΔŪ приблизительно на угол 90°. Уравнительный реактивный ток может иметь достаточно большую величину, наибольшее его значение будет при δ = 180° (см. рис. 5,в).
Рис. 5. Диаграммы напряжений и токов при синхронизации генераторов для различных углов δ: а— δ = 0; б — 0 < δ < 90°; в — δ = 180°
Броски тока и колебания напряжения при неправильном включении генератора представляют опасность для генераторных агрегатов и ГРЩ, а также могут привести к нарушению устойчивости (выпадению из синхронизма) генераторов.
Способ самосинхронизации генераторов является простым и обеспечивает ускорение процесса синхронизации, что особенно важно в аварийных ситуациях. На рис. 6 приведена упрощенная схема включения генератора на параллельную работу способом самосинхронизации.
Рис. 6. Схема включения синхронных генераторов на параллельную работу методом самосинхронизации
Если предположить, что генератор Г1 работает и его автомат А1 включен, то для включения генератора Г2 на параллельную работу нужно выполнить следующие операции:
- невозбужденный генератор Г2 (обмотка возбуждения включена на резистор R) при помощи первичного двигателя разгоняют примерно до синхронной частоты вращения;
- генератор Г2 включают в цепь с помощью автомата А2;
- сразу после включения автомата обмотка возбуждения отключается от резистора и на нее подается возбуждение.
Процесс включения невозбужденного генератора в цепь аналогичен включению вращающегося асинхронного короткозамкнутого двигателя. Он сопровождается значительными бросками тока (2÷8) Iн и глубокими провалами напряжения, достигающими (0,2÷0,45) Uн.
Величина тока статора при этом:
где U — напряжение на шинах ГРЩ, В; хd' — синхронное переходное сопротивление генератора по продольной оси, Ом; хc — реактивное сопротивление цепи, Ом.
Этот способ практически не применяется на судах.
Способ грубой синхронизации (через реактор) получил широкое распространение на судах. Сущность этого способа заключается в том, что для уменьшения уравнительного тока в момент синхронизации между включаемым генератором и цепью (рис. 7) включается реактор (индуктивное сопротивление).
Рис. 7. Схема включения синхронных генераторов на параллельную работу методом грубой синхронизации: П — потребители
Величина сопротивления реактора значительно больше суммы индуктивных сопротивлений обмоток статоров генераторов. Величина тока при включении генераторов определяется выражением:
где ΔU—разность напряжения генераторов Г1 и Г2; xг1, хг2— индуктивные сопротивления обмоток статоров генераторов Г1 и Г2; хр — индуктивное сопротивление реактора.
При включении генераторов на параллельную работу этим способом не стремятся получить точного совпадения напряжений по фазе.
Если считать, что генератор Г1 работает и автомат А1 включен, то для включения генератора Г2 на параллельную работу нужно выполнить следующие операции:
- пользуясь вольтметрами и частотомерами, уравнивают напряжения и частоты генераторов;
- включают генератор Г2 на шины через реактор хр с помощью рубильника P2;
- после уменьшения броска тока и колебаний напряжения включают автомат А2 и размыкают рубильник Р2.
Таким образом, метод грубой синхронизации требует приблизительного равенства напряжений и частот, а в совпадении фаз вообще нет необходимости. Этот способ не требует большой квалификации обслуживающего персонала, синхронизация выполняется за короткое время и возможна при значительных колебаниях напряжения и частоты. Автоматизация грубой синхронизации может быть осуществлена проще, чем точной.
