Глава 5 ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ
§ 15. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СГ
Электростанция современного судна, как правило, состоит из нескольких генераторных агрегатов, которые могут работать как автономно, так и параллельно.
В первом случае генераторы работают на отдельные, не связанные между собой секции шин ГРЩ, от каждой из которых получает питание определенная группа приемников электроэнергии. Во втором случае к общим шинам ГРЩ подключаются и одновременно работают несколько генераторов, а судовые приемники электроэнергии подключены к общим шинам.
Различают параллельную работу длительную (совместная работа агрегатов в течение срока эксплуатации) и кратковременную (на время перевода нагрузки с одного агрегата на другой).
Параллельная работа генераторных агрегатов имеет следующие достоинства: выгоднейшую нагрузку ГА включением и отключением отдельных агрегатов в эксплуатационных режимах; устойчивость работы генераторного агрегата, снижение колебаний напряжения и частоты судовой сети при изменении нагрузки приемников электроэнергии; перевод приемников с одного генераторного агрегата на другой без перерыва их электроснабжения; повышение экономичности генераторных агрегатов за счет полной нагрузки в эксплуатационных режимах; упрощение схемы ГРЩ электростанции.
Недостатки параллельной работы ГА: значительное увеличение тока короткого замыкания и соответственно повышение требований к разрывным способностям коммутационной и защитной аппаратуры, установленной на ГРЩ, создание более совершенной системы избирательной защиты участков судовой сети при коротких замыканиях и перегрузках.
При режимах параллельной работы генераторных агрегатов переменного тока предъявляют дополнительные требования к системам поддержания частоты вращения первичных двигателей и к CCH генераторов. Возникают сложные вопросы распределения нагрузок на ГА в установившихся и переходных режимах работы, возможен переход генераторов в двигательный режим.
При параллельной работе генераторных агрегатов рассматриваются условия включения и способы пропорционального распределения активных и реактивных нагрузок.
При распределении активных нагрузок генераторных агрегатов изменяется подвод топлива или пара к первичным двигателям и соответственно вращающий момент на валах и частота вращения генераторов. При распределении реактивной нагрузки изменяется ток возбуждения, но сохраняется постоянным вращающий момент.
Рис. 30. Принципиальная схема, схема замещения и векторные диаграммы напряжений и токов при точной синхронизации генераторов
Включение СГ в параллельную работу осуществляется способами точной синхронизации, грубой синхронизации и самосинхронизации.
Генераторы могут работать параллельно в одной электрической системе при одинаковых угловых скоростях роторов и напряжениях на выводах генераторов, близких к номинальному. При изменении режимов активной нагрузки ГА меняются относительные углы сдвига роторов, обусловленных включением и отключением активных нагрузок и короткими замыканиями в судовой сети.
При несоблюдении условий включения в параллельную работу в обмотках генераторов могут возникнуть большие уравнительные токи, а на валах агрегатов — большие механические моменты, способные вывести генераторы из синхронизма.
Синхронизация генераторов требует выполнения следующих основных требований: уравнительный ток в обмотках в первый момент включения должен быть возможно меньшим; после включения генераторы должны оставаться в синхронизме; процесс синхронизации не должен вызывать недопустимых отклонений параметров судовой сети.
Рассмотрим три способа синхронизации, применяемых в судовых ЭС.
Точная синхронизация требует соблюдения следующих условий: равенства амплитудных значений напряжений U1=U2 и частот генераторов f1 = f2; совпадения по фазе напряжений генераторов в момент их включения; соблюдения порядка следования фаз у работающего и подключаемого СГ.
При соблюдении указанных условий точной синхронизации разность напряжения генераторов СГ1 и СГ2 (рис. 30, а) равна нулю, в момент включения генератора СГ2 нет толчков тока и изменения напряжения, т. е. уравнительный ток отсутствует. При несоблюдении условий точной синхронизации в момент включения генератора СГ1 появляются уравнительный ток и колебания напряжения.
Схема замещения при включении СГ в параллельную работу показана на рис. 30, б. Из векторных диаграмм токов и напряжений при различных условиях точной синхронизации генераторов (рис. 30, в—д) видно, что в случае равенства напряжений (U1 = U2) генераторов. СГ1 и СГ2 и неравенства частот (f1\f2) возникает уравнительный ток между статорными обмотками СГ.
Принятые на рисунке и далее обозначения: ПД — приводные двигатели; СД — серводвигатели; В — выключатель; ВГ—выключатели генераторные; ПСС—переключатель синхроноскопа S; Пс д — переключатели серводвигателей сдвинуты на угол 6. При изменении угла б от 0 до 180° геометрическая разность напряжений может изменяться от 0 до 2U. Уравнительный ток в момент включения СГ1 зависит от геометрической разности напряжений. Вектор уравнительного тока сдвинут по фазе от вектора напряжения ДU на 90°, так как активное сопротивление обмотки статора генератора значительно меньше индуктивного. Для СГ с успокоительными обмотками (см. рис. 30, б) амплитудное значение уравнительного тока iy в момент включения определяют по формуле
(12)
где ky — ударный коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока;
Е"д — э. д. с. СГ за сверхпереходным индуктивным резистором по продольным осям;
X"di, X"d2 — сверхпереходные индуктивные сопротивления генераторов по продольным осям;
Хс—эквивалентное индуктивное сопротивление соединительной цепи СГ;
6 — угол сдвига фаз между э. д. с. Е",< 4 и 2.
Наибольшее значение уравнительного тока при 6 = 180° и AU=2U
(13)
При одинаковых генераторах, когда X"d\=X"d2=Xd", и малом значении Хс наибольшее значение уравнительного тока составляет
При этом уравнительный ток равен ударному току короткого замыкания одного генератора.
Для приблизительного определения уравнительного тока в выражения (12) — (14) вместо Ed" может быть поставлено U. Значительные уравнительные токи создают большие динамические усилия в элементах СГ. При неблагоприятных условиях включения генераторов уравнительный ток превышает ударный короткого замыкания подключаемого СГ в два раза. Равенство напряжений достигается автоматическим регулированием тока возбуждения генераторов в ССН (см. § 14).
Напряжение СГ контролируют вольтметром, установленным на ГРЩ либо ПУ. Для уравнивания частот СГ регулируют частоту вращения первичного двигателя синхронизируемого генератора (частоту контролируют частотомером). Регуляторы частоты вращения первичных двигателей снабжены электродвигателями небольшой мощности — серводвигателями, которые дистанционно включаются переключателями, установленными на ГРЩ или ПУ. При воздействии серводвигателя СД на систему подачи топлива или пара первичного двигателя ГА изменяется момент на валу генератора и соответственно частота вращения двигателей при раздельной работе или угол сдвига между роторами СГ при параллельной работе. При этом перераспределяются активные нагрузки между ГА. Изменение подачи топлива или пара вызывает смещение статических скоростных характеристик первичных двигателей (мощность зависит от скорости).
Совпадение фаз напряжений генераторов определяют по стрелочному синхроноскопу S, который показывает отношение частот вращения работающего и включенного СГ.
В судовых ЭС синхронизация заменена автоматической, которая исключает возможность несинхронного включения СГ. В автоматизированных судовых ЭС предусматриваются синхронизаторы, уравнивающие напряжения и частоты, контролирующие момент включения СГ при совпадении их напряжений по фазе и производящие автоматическое включение соответствующего выключателя при точной синхронизации.
Грубая синхронизация в отличие от точной не требует точного уравнивания напряжения, частоты и совпадения фаз синхронизируемых генераторов. Включаемый СГ в произвольный момент времени подключается к работающему через реактор, ограничивающий уравнительные токи. Через несколько секунд СГ втягивается в синхронизм, после чего включается выключатель автоматический и реактор R (рис. 31, а) отключается соответствующими контакторами К1 и К2.
При правильно выбранном индуктивном сопротивлении Xv реактора (рис. 31, б) могут включаться в параллельную работу предварительно нагруженные генераторы. Максимальный угол между векторами напряжения генераторов должен быть 180° при скольжении около 3%.
Рис. 31. Принципиальная схема, схема замещения и осциллограмма переходных процессов при грубой синхронизации генераторов
Из осциллограммы грубой синхронизации двух СГ мощностью по 75 кВт, характеризующей переходный процесс при синхронизации (рис. 31, в), видно, что этот процесс сопровождается первоначальными бросками тока и провалами напряжения на шинах ГРЩ с последующими качаниями роторов, колебаниями напряжений и уравнительных токов между генераторами. Период затухающих колебаний равен периоду колебаний тока, протекающего через реактор. При этом колеблется активная мощность СГ, так как генератор, вращающийся с большой частотой, тормозится, а с малин— ускоряется. Переходный процесс при грубой синхронизации заканчивается через 2,2 с.
Снижение напряжения судовой ЭС при самосинхронизации зависит от соотношения мощностей генераторов и угла рассогласования фаз напряжений. При большой мощности синхронизируемого генератора напряжение снижается более резко. Характер и продолжительность снижения напряжения зависят от скольжения подключаемого СГ и быстродействия системы возбуждения. Наибольшее снижение напряжения соответствует включению СГ при углах между осями роторов 180°.
При втягивании СГ в синхронизм напряжение восстанавливается, а ток быстро уменьшается до значения тока холостого хода, который определяется индуктивным сопротивлением. В процессе синхронизации генераторов одинаковой мощности напряжение снижается до 50% номинального, а для генераторов, мощность которых составляет 30—25% мощности ЭС, — до 15—20%. Генераторы различной мощности при самосинхронизации надежно втягиваются в синхронизм. При этом начальный ток статора составляет 2 -4,5 ном, провалы напряжения порядка до 20—40%, время синхронизации до 1—1,5 с при скольжении ±2—3%. Самосинхронизацию можно применять в судовых ЭС, где допускаются значительные снижения напряжения. Однако чаще применяют точную и грубую синхронизацию [9].
