ГЛАВА 7
Параллельная работа источников электрической энергии
§ 7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Питание потребителей электрической энергии возможно как при автономной, так и при параллельной работе генераторных агрегатов. В случае параллельной работы источников электрической энергии на судах уменьшается количество коммутационных аппаратов и кабельных перемычек, уменьшаются вес и габариты распределительных устройств, упрощаются их схемы, обеспечивается бесперебойное снабжение потребителей электрической энергией. Параллельная работа генераторных агрегатов позволяет переводить нагрузку с одного генератора на другой без перерыва питания, а при пиковом характере нагрузки уменьшаются отклонения напряжения от номинальной величины. Возможно также достигнуть лучшего использования установленной мощности генераторных агрегатов и тем самым снизить расход топлива судовой электрической станции. Все сказанное и привело к широкому применению параллельной работы судовых источников электрической энергии, несмотря на наличие некоторых присущих ей недостатков. К числу наиболее существенных из них следует отнести: необходимость более квалифицированного обслуживания агрегатов судовой электрической станции при их включении и работе, увеличение токов короткого замыкания и усложнение защиты. По мере износа первичных двигателей усложняется задача распределения нагрузки между машинами.
§ 7.2. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ИСТОЧНИКОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
На судах находят применение генераторы с параллельным, независимым, смешанным возбуждением и генераторы с системами автоматического поддержания постоянства напряжения.
Рассмотрим параллельную работу таких генераторов.
Генераторы с независимым возбуждением.
Рассмотрим случай параллельной работы двух одинаковых генераторов с независимым возбуждением, внешние характеристики которых приведены на рис. 7.1. Характеристики I и II имеют разные наклоны вследствие того, что при изготовлении у них получаются различными: магнитные характеристики, обусловливаемые заводскими допусками на материалы, штампы и прочее; сопротивления цепи якорей; сдвиги щеток с физической нейтрали и, наконец, характеристики двигателей, приводящих во вращение генераторы.
Допустим, что токи возбуждения генераторов 1 и 2 имеют такие значения, при которых электродвижущие силы при холостом ходе равны друг другу (см. рис. 7.1). В таком случае характеристики пересекаются в точке, расположенной на оси ординат, при токе якоря каждого генератора, равном нулю. С увеличением нагрузки в сети ток нагрузки генераторов будет распределяться между ними неравномерно благодаря неодинаковому наклону внешних характеристик. Большая нагрузка приходится на генератор с меньшим наклоном характеристики. Для того чтобы найти распределение нагрузок между генераторами и величину напряжения на шинах, следует исходить из тех соображений, что при параллельном включении напряжение на шинах для обоих генераторов одинаково при любых суммарных нагрузках. В этом случае можно построить кривую III, представляющую собой зависимость напряжения U (параллельно соединенных генераторов) от тока Iн нагрузки, или, что то же, от суммы токов Iн=I1+I2. Тогда для тока нагрузки обоих генераторов, равного Iн, напряжение генераторов будет U1 ток нагрузки первого генератора будет I'1, а второго I'2. Для тока нагрузки обоих генераторов I'н напряжение и токи каждого из них будут
и т. д. Если, не изменяя наклона характеристики генераторов, у одного из них, например у генератора 2, увеличить ток возбуждения, то новая характеристика II этого генератора переместится вверх параллельно самой себе (рис. 7.2). Можно ток возбуждения этого генератора подобрать так, что при общем токе нагрузки обоих генераторов, равном
, он распределится между ними поровну:
.
Рис. 7.1. Диаграмма распределения нагрузки в случае параллельной работы двух генераторов постоянного тока с независимым возбуждением при разных статизмах внешних характеристик
Рис. 7.2. Диаграмма распределения нагрузки в случае параллельной работы двух генераторов постоянного тока с независимым возбуждением при разных статизмах внешних характеристик и разных значениях напряжения
Тогда при меньших нагрузках ток по-прежнему будет распределяться неравномерно, причем в этом случае меньшая нагрузка будет у генератора 1. При токе нагрузки, равном нулю, как можно видеть из рис. 7.2, первый генератор перейдет в двигательный режим и будет потреблять ток, равный—
, в то время как второй генератор будет работать в генераторном режиме при токе нагрузки +
. Напряжение на шинах будет равно
Для того чтобы нагрузка поровну распределялась между генераторами при различных ее значениях, необходимо, чтобы внешние характеристики генераторов совпадали. Добиться даже у одинаковых генераторов полного совпадения характеристик по указанным выше причинам не представляется возможным. Однако в известных пределах, достаточных для целей практики, распределение нагрузки можно улучшить. Для этого прежде всего необходимо добиться возможно более близкого совпадения внешних характеристик двигателей, приводящих во вращение генераторы. После этого, если характеристики генераторов не слишком расходятся, доводку их можно осуществить поворотом щеток генераторов на углы, не влияющие существенно на коммутацию. Для сближения характеристик, т. е. получения одинакового наклона их, следует повернуть щетки у генератора 1 в сторону вращения, а у генератора 2 — в противоположную сторону. При этом, как известно из теории электрических машин постоянного тока, продольная реакция якоря и реакция добавочных полюсов у генератора, у которого щетки будут повернуты в сторону вращения, увеличат падение напряжения в генераторе при увеличении нагрузки. У генератора же, у которого щетки будут повернуты против вращения, наоборот, уменьшится падение напряжения. Характеристики сблизятся между собой. На практике обычно этим способом удается сблизить характеристики генераторов без существенного ущерба для их коммутации. Правила Регистра СССР требуют, чтобы при параллельной работе генераторов нагрузка между ними распределялась пропорционально их мощностям, с отклонением, не превосходящим 10% номинальной мощности машин. Таким образом, при параллельной работе двух генераторов неодинаковой мощности необходимо получить пропорциональное их мощностям распределение нагрузки. Для этого внешние характеристики генераторов с учетом приводных двигателей должны иметь одинаковый в процентном отношении наклон при изменении нагрузки от нуля до номинальной для каждого генератора.
Следует иметь в виду, что неравенство нагрузок и величины уравнительных токов при параллельной работе генераторов возрастают с уменьшением статизма, наклона внешних характеристик генераторов. При астатических характеристиках она становится невозможной без применения дополнительных мер.
Иногда, при жестких внешних характеристиках мощных генераторных агрегатов не удается осуществить хорошего распределения нагрузки между ними при параллельной работе генераторов. В таких случаях существенную пользу могут оказать уравнительные соединения, включенные между якорями и добавочными полюсами генераторов.
0ВШ2 окажется недогруженным.
Параллельная работа машин в таком случае может оказаться невозможной.
Рис. 7.4. Принципиальная схема параллельной работы двух генераторов со смешанным возбуждением, с УП
При включении УП малого сопротивления (рис. 7.3, б) уравнительный ток пойдет по пути наименьшего сопротивления (через УП) и не будет заходить в обмотки добавочных полюсов машин. Благодаря этому ток якоря первого генератора окажется больше тока обмотки его добавочных полюсов, вследствие чего коммутация у этого генератора станет замедленной и возникшая реакция коммутационных токов вызовет уменьшение потока Ф1 и э. д. с. Е1 якоря машины.
У второго генератора, наоборот, ток якоря будет меньше тока добавочных полюсов. Это вызовет ускоренную коммутацию у генератора и соответственно реакцию коммутационных токов, которая увеличит поток Ф2 и э. д. с. Е2 якоря машины.
В результате выравнивания э. д. с. Е1 и Е2 уравнительный ток снизится до весьма малой величины.
Генераторы со смешанным возбуждением.
При смешанном возбуждении генераторов параллельная работа их, как правило, не может быть осуществлена без применения уравнительных соединений между якорями и последовательными обмотками возбуждения машин. Как известно из теории машин постоянного тока, причиной этого является то, что при достаточно большом числе витков последовательной обмотки по мере увеличения нагрузки электродвижущая сила генераторов возрастает.
. При параллельном соединении двух одинаковых генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением без УП случайное увеличение нагрузки у одного генератора, например у первого, при соответствующем уменьшении ее у другого, приведет к увеличению электродвижущей силы у первого генератора и к снижению у второго. Это, в свою очередь, приведет к еще большей неравномерности распределения нагрузки и т. д. Введение УП с малым сопротивлением, включенного между якорями машин и обмотками последовательного возбуждения (ОВП) (рис. 7.4), приводит к выравниванию нагрузки. Если пренебречь сопротивлением УП, то благодаря одинаковому сопротивлению ОВП ток между ними распределится поровну и неравенство токов якорей генераторов никак не будет сказываться на токе последовательных обмоток.
Естественно, что при осуществлении параллельной работы генераторов со смешанным возбуждением необходимо соблюсти обязательное условие: сопротивление уравнительного соединения должно быть существенно меньше сопротивления последовательных обмоток возбуждения. В противном случае эффективность уравнительного соединения может оказаться недостаточной и не удастся достигнуть устойчивой параллельной работы генераторов со смешанным возбуждением.
Параллельная работа генераторов, снабженных автоматическими регуляторами напряжения.
Характеристика генератора постоянного тока, снабженного
АРН
Внешние характеристики генераторов постоянного тока, снабженных АРН, имеют вид, представленный на рис. 7.5. Наклон этих характеристик к оси абсцисс определяется величиной естественного статизма регуляторов. Ширина их определяется величиной зоны нечувствительности регуляторов. При таких характеристиках генераторов осуществление их параллельной работы затруднено возможным возникновением значительных уравнительных токов и связанным с ними неравномерным распределением нагрузки между параллельно работающими генераторами. На рис. 7.6 приведены внешние характеристики двух одинаковых генераторов постоянного тока, снабженных АРН. Благодаря несколько различной их регулировке начальные значения напряжения и углы наклона внешних характеристик генераторов оказались различными. В результате несовпадения характеристик при параллельной работе машины возникают значительные уравнительные токи, максимальные величины которых заключены между внешними границами характеристик. Так, например, в случае нагрузки на генераторы, при которой напряжение их равно Ur, величина возможного наибольшего значения уравнительного тока равна ±Iу. Благодаря этому ток нагрузки первой машины отказывается равным I1, а второй—I2.
Рис. 7.6. Диаграмма распределения нагрузки в случае параллельной работы двух генераторов постоянного тока, снабженных АРН, при разной настройке регуляторов
Рис. 7.7. Диаграмма распределения нагрузки в случае параллельной работы двух генераторов постоянного тока, снабженных АРН, при одинаковой настройке регуляторов
Очевидно, величина уравнительного тока будет тем меньше, чем меньше расхождение характеристик регуляторов машин, чем больше величина статизма характеристик и чем меньше ширина зоны нечувствительности. Рис. 7.7 соответствует случаю, когда два одинаковых генератора имеют регуляторы с одинаковыми характеристиками, обладающими малым статизмом и большой шириной зоны нечувствительности, и нагружены двойным номинальным током одного генератора. В этом случае из рассмотрения рисунка видно, что токи нагрузки генераторов отличаются более чем в два раза.
Рис. 7.9. Диаграмма распределения нагрузки в случае параллельной работы генераторов в зависимости от места включения измерительных элементов АРН: I — при включении в точке 1; II — при включении в точке 2
Рис. 7.8. Принципиальная схема параллельной работы двух генераторов постоянного тока с различными точками включения измерительных элементов АРН
На величину уравнительных токов существенное влияние оказывает точка подключения измерительных элементов АРН. Электродвижущую силу генератора АРН поддерживают на таком уровне, чтобы напряжение в точке подключения измерительного элемента оставалось постоянным, в пределах точности, обеспечиваемой самим регулятором. При включении измерительных элементов в точках 1 (рис. 7.8) регуляторы поддерживают напряжение возле самих шин, и сопротивление цепи между машинами и шинами не оказывает влияния на величину этого напряжения. При включении измерительных элементов регуляторов в точках 2 напряжения в этих точках сохраняются. В таком случае сопротивления соединительных проводов между машинами и шинами вызывают падение напряжения, в результате которого напряжение на шинах при увеличении тока нагрузки снижается.
На рис. 7.9 приведены зависимости напряжения на шинах от тока нагрузки, когда измерительные элементы АРН подключены в точках 1 и 2 (см. рис. 7.8) при одинаковых по величине сопротивлениях цепи якорей машин. Как видно из рисунка, увеличение наклона характеристик при включении измерительных элементов в точку 2 приводит к уменьшению уравнительных токов, но вместе с тем увеличивает на шинах отклонение напряжения от номинальной величины при изменениях нагрузки.
