§ 43. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ГЕНЕРАТОРАМИ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ТОКА
Из курса общей электротехники известно, что трехфазная обмотка статора, подключенная к трехфазной сети переменного тока, создает вращающееся магнитное поле. При подключении генератора на параллельную работу с соблюдением всех условий синхронизации поле и ротор будут вращаться с одинаковой частотой, причем угол Θ между осью вращающегося поля и осью ротора равен нулю. Если теперь попытаться увеличить э.д.с. вновь включенного генератора, увеличивая его ток возбуждения, то в обмотках статора потечет чисто реактивный ток и генератор будет вырабатывать только реактивную мощность. Реактивный ток отстает от э.д.с. генератора на четверть периода и в каждой данный момент времени протекает в тех проводниках обмотки статора, с которыми в это время магнитное поле ротора не взаимодействует. Следовательно, реактивная мощность, вырабатываемая генератором, не создает тормозного момента, и первичный двигатель работает вхолостую.
Из сказанного видно, что при увеличении тока возбуждения генератор принимает на себя реактивную нагрузку, разгружая от нее другие генераторы. Интересно отметить, что если ток возбуждения у генератора не увеличивать, а уменьшать, то он сам становится индуктивной нагрузкой для других генераторов. Таким образом, изменением тока возбуждения активную мощность между генераторами перераспределить нельзя.
Для того чтобы вновь включенный генератор принял на себя активную нагрузку, необходимо повысить вращающий момент первичного двигателя, увеличивая подачу топлива или пара. При этом ротор под действием возросшего вращающего момента попытается уходить вперед от вращающегося поля. В обмотках статора увеличится активный ток, под действием которого возрастут силы электромагнитного взаимодействия и уравновесят вращающий момент первичного двигателя. Частоты вращения поля и ротора останутся равными, но угол Θ увеличится. Следует отметить, что при увеличении вращающего момента первичного двигателя угол в будет увеличиваться и генератор будет принимать на себя активную нагрузку до тех пор, пока угол Θ будет меньше 90 эл. град. В случае дальнейшего увеличения угла Θ генератор выпадет из синхронизма. При номинальной нагрузке угол Θ у различных генераторов лежит в пределах 20—30 эл. град.
Когда включенный генератор принимает на себя нагрузку, другие генераторы разгружаются, при этом частота вращения всех генераторных агрегатов несколько повышается, а значит, повышается частота тока. Для того чтобы при переводе нагрузки частота тока оставалась постоянной, необходимо у первичных двигателей разгружаемых генераторов несколько уменьшить подачу топлива или пара.
Распределение активной нагрузки между параллельно работающими генераторами контролируется только по ваттметрам.
Зная физическую картину процессов, происходящих в генераторных агрегатах при распределении активной нагрузки, можно по электроизмерительным приборам контролировать работу первичных двигателей и их исправность.
Приведем несколько примеров.
1. Общая нагрузка на электростанцию почти не меняется, ио стрелки ваттметров колеблются с частотой около 0,5—1 Гц и со значительной амплитудой. Нетрудно догадаться, что плохо работают регуляторы частоты вращения первичных двигателей. Если в процессе колебаний мощности угол Θ у одного из генераторов превысит 90 эл. град., то генератор может выпасть из синхронизма.
Вероятно, при этом сработает защита и выключит генератор, но оставшиеся генераторы будут перегружены, приняв на себя всю нагрузку.
2. После распределения активной нагрузки между двумя генераторами поровну через некоторое время нагрузка первого генератора скачком уменьшилась, а второго — настолько же увеличилась. Такая ситуация возникает, когда в качестве первичных двигателей используются дизели и у дизеля первого генератора перестал работать один цилиндр.
Приведенный пример показывает, что если поочередно отключать подачу топлива у цилиндров, то по разности показаний ваттметров можно определить мощности, развиваемые каждым цилиндром, и использовать эти данные для настройки и регулирования двигателя. Необходимо только, чтобы суммарная нагрузка на генераторы в процессе замеров оставалась постоянной, что нетрудно сделать при стоянке судна, используя работу мощных насосов и вентиляторов в качестве балластной нагрузки.
Такой способ определения мощности цилиндров дизеля может оказаться особенно полезным в тех случаях, когда вспомогательные первичные двигатели не имеют приспособлений для снятия индикаторных диаграмм.
Из сказанного видно, что распределение активной нагрузки между параллельно работающими генераторами определяется только вращающими моментами, которые развивают первичные двигатели генераторов. Вращающие же моменты зависят от количества топлива или пара, поступающего в двигатель. Количество топлива (пара) изменяется автоматическими регуляторами частоты вращения первичных двигателей. Таким образом, процессы распределения активной нагрузки между генераторами и стабилизации частоты тока взаимосвязаны. Частота тока определяется соотношением 
где р — число пар полюсов генератора; п — частота вращения, об/мин.
Как известно, в качестве автоматических регуляторов, используемых для стабилизации частоты вращения первичных двигателей, широко применяют центробежные регуляторы различных конструкций.
Точность стабилизации частоты вращения, а значит, частоты тока определяется наклоном (статизмом) характеристики n=f(P) регулятора (где Р — мощность, развиваемая двигателем). Если характеристики регуляторов частоты вращения генераторных агрегатов, работающих параллельно, будут иметь различный наклон, то распределение активной нагрузки между генераторами будет происходить неравномерно. На рис. 105 показаны характеристики регуляторов трех генераторных агрегатов одинаковой мощности. При параллельной работе их нагрузка будет соответственно равна P1, Р2, Р3.
Рис· 105. Характеристики регуляторов частоты вращения генераторных агрегатов
Рис. 106. Характеристики ведущего и ведомых генераторных агрегатов при параллельной работе
При изменении уставки (заданного значения) частоты вращения характеристика n=f(P) перемещается параллельно самой себе. Этим можно выровнять нагрузки у генераторов, совместив характеристики 1, 2 и 3 (см. рис. 105) в одной точке. Но как только суммарная нагрузка на СЭС изменится, произойдет ее перераспределение: она опять будет у генераторов различной.
По Правилам Регистра СССР автоматические регуляторы частоты вращения первичных двигателей должны иметь такие характеристики, чтобы активные нагрузки параллельно работающих генераторов переменного тока не отличались более чем на 10% от активной мощности наибольшего работающего генератора.
Автоматическое распределение активной нагрузки.
В схеме, приведенной на рис. 98, функцию распределения активной нагрузки выполняет УСЧН. Отечественная промышленность выпускает унифицированное устройство типа УРЧН для автоматического распределения нагрузки между генераторами.
Принцип действия большинства подобных устройств одинаков. Отличия могут быть в элементной базе, внутренней структуре и совмещении некоторых дополнительных функций (как, например, в УСЧН). Основными элементами таких устройств являются датчик частоты тока (ДЧ) и датчик активного тока (ДАТ). Если частота тока равна номинальной, то сигнал на выходе ДЧ равен нулю. Отклонение же частоты от номинальной в ту или иную сторону вызывает появление на выходе ДЧ сигнала соответствующего знака. Если этот сигнал использовать (после усиления) для управления серводвигателем подачи топлива или пара, то характеристика n=f(P) будет астатической, т. е. прямой, параллельной оси абсцисс (прямая 1 на рис. 106). Это происходит потому, что при отклонении частоты вращения (и частоты тока) генераторного агрегата серводвигатель будет изменять подачу топлива или пара до тех пор, пока частота вращения не станет номинальной. Тогда сигнал ДЧ исчезнет и серводвигатель остановится.
При параллельной работе один из генераторов всегда является ведущим, или базовым, а остальные — ведомыми. Ведущий генератор обеспечивает стабилизацию частоты тока, поэтому его СД работает от выходного сигнала ДЧ и первичный двигатель имеет астатическую характеристику (линия 1 на рис. 106). Серводвигатели ведомых генераторов работают в зависимости от сигналов с выхода ДАТ. При равенстве активных нагрузок у всех генераторов (для простоты считаем, что они имеют одинаковую номинальную мощность) статические характеристики ведомых генераторов пересекаются в точке А (прямые 2 и 3 на рис. 106). Выходные цепи ДАТ всех генераторов объединены в общую цепь уравнительными соединениями таким образом, что при равенстве выходных напряжений датчиков сигналы к серводвигателям ведомых генераторов не поступают.
Изменение общей нагрузки СЭС воспринимается прежде всего ведущим генератором. Под действием выходного напряжения его датчика активного тока нарушается баланс в уравнительных цепях, что приводит к включению серводвигателей ведомых генераторов. Подача топлива (пара) у ведомых генераторов изменяется до тех пор, пока активные нагрузки вновь не выровняются (статические характеристики будут пересекаться в точке В).
Распределение реактивной нагрузки.
Если ваттметры генераторов показывают одинаковую мощность, а амперметры — различный ток, это означает, что реактивная мощность распределена не поровну. Распределение реактивной нагрузки между генераторами зависит от характеристик автоматических регуляторов напряжения (ΑΡΗ).
По Правилам Регистра СССР реактивная нагрузка генераторов не должна отличаться более чем на 10% от номинальной реактивной нагрузки наибольшего генератора. У генераторов с прямым амплитудно-фазовым регулированием для равномерного распределения реактивного тока обязательно следует применять уравнительное соединение, роль которого принципиально не отличается от роли уравнительного соединения при параллельной работе генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением.
Наиболее простое уравнительное соединение показано на рис. 98, где обмотки возбуждения всех работающих генераторов соединены между собой параллельно. В этом случае токи возбуждения всех генераторов будут равны (если равны сопротивления обмоток возбуждения). При изменении сопротивления регулировочного резистора (см. рис. 100) у одного генератора изменятся токи возбуждения у всех параллельно работающих генераторов.
Несколько сложнее осуществляется уравнивание реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами с тиристорной системой возбуждения (см. рис. 101, I). Там в состав регулятора входит отдельный блок распределения реактивной нагрузки.
Принцип действия блока можно объяснить при помощи векторной диаграммы (см. рис. 101, II), если для простоты считать коэффициент трансформации трансформаторов ТрТ и ТрН1 равным единице. Это допущение позволяет суммировать вектор Uab линейного напряжения генератора с вектором IR1 падения напряжения на резисторе RI, вызванного током нагрузки фазы С генератора. В результате суммирования получаем вектор напряжения UR4, которое после выпрямления выпрямителем ВП1 прикладывается к резистору R4. Из векторной диаграммы видно, что как при увеличении тока нагрузки генератора, так и при уменьшении значения cosφ, т. е. увеличении угла φ от φ1 до (поворот вектора IR1 вправо) повышается напряжение UR4.
При параллельной работе генераторов точки а и б схемы (см. рис. 101, I) соединяются с подобными точками схемы возбуждения другого генератора. Если токи нагрузки и значения cosφ обоих генераторов одинаковы, то напряжения UR4 в обеих системах регулирования также будут одинаковыми. Так как эти напряжения действуют навстречу друг другу, то ток в контуре, образованном резисторами R4 и R5, будет равен нулю.
Если у одного из генераторов увеличится ток нагрузки или уменьшится cos φ, то, как было показано выше, увеличится напряжение UR4 в схеме этого генератора и в контуре R4—R4— R5—R5 появится уравнительный ток. На резисторе R5 данного генератора возникнет напряжение, положительное по отношению к базам своих транзисторов, а на резисторе R5 другого генератора — отрицательное. Резистор R5 включен так, что напряжение на нем суммируется с напряжением UR8 так же, как и напряжение Uв,г (см. рис. 101, II, в). Следовательно, в схеме первого генератора увеличится угол а, а значит, уменьшится ток возбуждения генератора, а в схеме второго генератора все произойдет наоборот. Это будет происходить до тех пор, пока вновь не выровняются напряжения UR4, а значит, и реактивные нагрузки генераторов.
Принцип распределения реактивной нагрузки тиристорной системы возбуждения применяют в некоторых системах ПАФР с корректорами напряжения, а также в регуляторах типа РУН.
