Электромеханические процессы при синхронизации генератора с сетью.

Моделирование процесса синхронизации СГ на сеть

При идеальном включении СГ на сеть, когда одинаковые напряжения, частота и фазы напряжения СГ и сети

(2.86)

синхронизация происходим безударно – без протекания по обмоткам генератора уравнительных токов. Однако условия (2.86) точно никогда не выполняются и уравнительные токи включения всегда существуют. Критерием качественной синхронизации можно считать минимум ударного тока I_уд включения.

Отклонения от равенств (2.86) в большую или меньшую сторону оказывают на величину I_уд влияние, которое из-за сложности описания процессов в СГ невозможно предсказать.

Обычно СГ включается в сеть ненагруженным, а после синхронизации генератор берет на себя активную и реактивную нагрузки. Судовые электромеханики при включении СГ на сеть руководствуются в большинстве случаев опытно установленным правилом, чтобы частота СГ была бы немного больше частоты сети и фаза напряжения СГ несколько опережала фазу напряжения сети.

Представляется целесообразным проверить, насколько это правило применимо для различных типов СГ. Забегая вперед, учитывая результаты моделирования, можно сказать, что это правило подтверждается в примерно 50% случаев по типам СГ, которые могут быть установлены на судне. Вопрос минимизации ударного тока СГ при включении его на сеть еще важен и тем, что СГ и судовая сеть имеют соизмеримые мощности, и появление значительного ударного тока ведет далее к раскачиванию системы и к потере устойчивости.

Процесс раскачивания поясним с использованием рис.2.13, где обмотка возбуждения показана в виде замкнутого витка с током.

На рис.2.13,а приведены построения, соответствующие моменту включения СГ на сеть. Для упрощения анализа будем считать, что:

- обмотка статора имеет одну пару полюсов, поэтому в номинальном режиме частота вращения ротора равна частоте напряжения сети;

- частоту вращения ротора СГ и частоту напряжения сети в момент включения СГ на сеть примем равными друг другу (s₀=0), а фазу напряжения СГ примем опережающей фазу напряжения сети на положительный угол q₀.

Обмоткой возбуждения создается магнитное поле y_f. Уравнительными токами, протекающими по статорным обмоткам, создается магнитное поле статора y_s, вращающееся с частотой ω_s. Взаимодействием поля статора y_s с токами, протекающими по обмотке возбуждения, создается электромагнитная сила F_эм, направление которой определяется "правилом левой руки". Так как с сетью синхронизируется незагруженный СГ, то вращающий момент дизеля М_диз=0. Ротор под действием момента М_эм=F_эмh начнет замедлять вращение.

Рисунок 2.13 - Колебательные электромеханические процессы при синхронизации генератора с сетью

В момент совпадения магнитных полей статора и ротора (рис.2.13,б) электромагнитный момент М_эм обратится в нуль, так как плечо h действия электромагнитных сил будет нулевым. Ротор все еще будет вращаться с частотой, меньшей частоты напряжения сети (s₁<0) и, за счет механической инерции угол q будет убывать (возрастать в отрицательную сторону) даже при нулевом электромагнитном моменте.

Из рис.2.13,в видно, что по мере увеличения угла q₂ будет увеличиваться плечо h действия электромагнитных сил М_эм, и на ротор будет действовать электромагнитный момент, ускоряющий ротор. При некотором значении угла q₂ отставание ротора от поля статора прекратится, ротор и магнитное поле статора будут вращаться с одинаковой частотой и s₂=0. Далее ротор начнет ускоряться, в положении на рис.5.1б скольжение будет больше нуля (s₃>0), ротор будет ускоряться и угол q будет возрастать.

Этим описан на качественном уровне процесс качания ротора.

Из-за электрических потерь мощности в обмотках статора, возникающих при протекании по этим обмоткам индуктированных в них токам во время качаний ротора, угол q₂ по абсолютной величине будет меньше начального угла q₀. В последующих циклах качания угол q в крайних положениях ротора по абсолютной величине все время будет убывать. Также будет убывать от цикла к циклу амплитуда скольжения.

Графики сигналов q и s приведены на рис.2.14.

Если положение вектора y_s будет изменяться во времени (на генераторы, уже работающие на сеть, действуют те же силы, что и на включаемый в сеть СГ), то процессы изменения угла q усложняются, оставаясь качественно такими же, как показано на рис.2.13. Качания y_s опасны тем, что генераторы сети уже нагружены и запас их устойчивости может быть мал. При больших качаниях возможно выпадение уже работающего СГ из синхронизма.

Рисунок 2.14 - Графики переходных процессов скольжения s(t) и угла нагрузки θ (t) при синхронизации генератора с сетью

Процесс качаний, изображенный в виде графиков на рис.2.14, выглядит проще и нагляднее на фазовой плоскости (рис.2.15) в координатах "угол нагрузки q" – "скольжение s". Точкой окончания процесса синхронизации является начало координат:

(2.87)

Рисунок 2.15 - Фазовая траектория в координатах θ-s при синхронизации генератора с сетью

При математическом моделировании необходимо задать начальные условиях в различных квадрантах фазовой плоскости с тем, чтобы определить начальные условия с минимумом ударного тока.

Процесс синхронизации генератора на сеть моделируется по полным УПГ (2.12) с учетом соотношений (2.9, 2.13, 2.14). Докажем соотношения (2.9), используя векторную диаграмму, приведенную на рис.2.16. Ось d направлена по оси обмотки возбуждения, поэтому потокосцепление направлено по оси d. Э.д.с. , наведенная потокосцеплением , отстает от него на угол 90^о. В режиме холостого хода э.д.с. равна э.д.с. генератора .

При включении СГ в сеть на его выводах будет уже не э.д.с. , а напряжение генератора , отличающееся от на величину падения напряжения полном сопротивлении статорной обмотки . Между и угол равен q.

Рисунок 2.16 - Векторная диаграмма перед включением генератора в сеть

Из рис.2.16 следуют равенства

(2.88)

УПГ выводились в предположении, что СГ работает автономно на нагрузку, и тогда бы в УПГ нужно было бы подставить выражения для напряжений в виде (2.3).

В рассматриваемой задаче включения СГ на сеть на его выводы уже поступает напряжение сети . Фактически на выводах обмотки статора СГ действует только одно напряжение, а не два - напряжение сети и напряжение генератора . Следовательно, по величине оба напряжения должны быть одинаковыми, а по знаку – противоположны. Это значит, что их векторная сумма будет равна нулю при главенстве напряжения сети . Следовательно, в УПГ нужно подставлять составляющие напряжения сети, которые согласно рис.2.16 равны

(2.89)

что доказывает соотношения (2.9).

Перед счетом на компьютере по УПГ нужно задать начальные условия для всех переменных, входящих в выражения (2.12 - 2.14).

Задаемся:

так как СГ перед включением в сеть работает вхолостую.

- начальные значения, которые нужно задать произвольно в пределах возможных ошибок в момент включения СГ в сеть.

U_c=1 – для номинального напряжения сети

Далее вычисляем для установившегося режима работы СГ до включения его в сеть начальные значения потокосцеплений

(2.90)

Начальное значение тока I_f0 возбуждения определяется по выражению (2.85) и при таком значении тока I_f0 возбуждения э.д.с. генератора перед включением в сеть будет равна 1. Тогда начальное значение напряжения возбуждения будет равно

(2.91)

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите условия идеальной синхронизации. К каким последствиям приводит включение СГ в сеть с неидеальными условиями?

2. Поясните электромеханические процессы в СГ при включении его в сеть с неидеальными условиями синхронизации.

3. Приведите и поясните вид графиков переходных процессов в функции времени и на фазовой плоскости для угла нагрузки и скольжения СГ.

4. Поясните вид векторной диаграммы СГ перед включением его в сеть.

5. Как рассчитать начальные условия для токов, напряжений и потокосцеплений СГ?

Литература [1-9]