Синхронизирование синхронных машин (механизмов)

Оглавление

Введение 2
1. Синхронизирование синхронных машин (механизмов) 3
2. Возникновение асинхронного режима 9
Заключение 14
Список использованных источников 15

Введение

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.
Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения.
В электробытовых приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и системах управления широко применяются различные синхронные микромашины — с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.
Рис.1 - Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б)
Синхронизирование синхронных машин (механизмов)Синхронизацией называется процесс включения синхронного генератора на параллельную работу с другими генераторами или энергосистемой.
Перед включением генератора на параллельную работу (синхронизацией), требуется выполнить ряд операций, которые могут быть проведены как вручную, так и специальными автоматическими устройствами. В соответствии с этим различают два вида синхронизации - ручную и автоматическую. Возможен и промежуточный вариант - так называемой полуавтоматической синхронизации, когда часть операций выполняется персоналом станции вручную, а другая - автоматически. Далее рассматривается только автоматическая синхронизация.
Существуют два способа синхронизации - точная и самосинхронизация. Термин точная синхронизация полнее отражает сущность метода, подчеркивая факт точной подгонки частоты, величины и фазы напряжения синхронизируемого генератора.
Термин самосинхронизация не раскрывает полностью сущности этого метода. Необходимые операции для синхронизации генератора и в этом случае выполняются либо персоналом вручную, либо автоматикой, но при этом не требуется столь точная подгонка указанных величин синхронизируемого генератора.
После разгона ротора синхронной машины до подсинхронной скорости ее необходимо включить в сеть. Однако для безаварийного включения необходимо выполнить ряд условий. Процедура выполнения этих условийназывается синхронизацией.
Первым основным и обязательным условием для любого способа синхронизации является проверка правильности чередования фаз сети и подключаемой машины. Включение в сеть машины, имеющей обратное чередование фаз, вызовет последствия более тяжелые, чем несинхронное включение. Такое включение машины сопровождается возникновением электромагнитного момента, противоположного моменту, развиваемому разгонным двигателем, а также появлением чрезмерных токов в статоре машины. Результатом может быть не только повреждение синхронизируемой машины, но и поломка вала разгонного двигателя. Проверку правильности чередования фаз необходимо производить при первом включении машины, а также после ремонтных работ в ее первичных цепях. Эта проверка должна производиться при помощи одного и того же трансформатора напряжения, подключенного к системе шин, на которую поочередно подается напряжение от подключаемой машины и от сети.
Выполнение других условий зависит от используемого способа синхронизации. Различают способ точной синхронизации и способ самосинхронизации.
Способ точной синхронизации
Этот способ используется при включении в сеть синхронных машин. Он состоит в том, что синхронизируемую машину сначала разворачивают разгонным двигателем (кроме асинхронного электродвигателя) до частоты вращения, близкой к синхронной, а затем возбуждают и при определенных условиях включают в сеть. Условиями, необходимыми для включения синхронизируемой машины в сеть (в данном случае ее необходимо рассматривать как генератор), являются:
равенство напряжений включаемого генератора и работающего генератора или сети (при включении в сеть способом точной синхронизации с включенным АРВ, снабженным устройством автоматической подгонки напряжения, различие напряжений сети и генератора не должно превышать 1 %, при отсутствии устройства автоматической подгонки напряжения, а также при ручном регулировании возбуждения различие напряжений генератора и сети не должно превышать 5 %
совпадение фаз этих напряжений (во всех случаях включения способом точной синхронизации следует стремиться к тому, чтобы угол между напряжением генератора и сети в момент включения не превышал 10°;
равенство частот включаемого генератора и работающего генератора или сети (отклонение не более 0,1%, причем предпочтительно, чтобы частота подключаемой машины превышала частоту сети на 0,05…0,1 Гц, что соответствует движению стрелки синхроноскопа по часовой стрелке с периодом 1 оборот за 20…10 с.
Первое условие обеспечивается путем регулирования тока возбуждения машины, а для выполнения второго и третьего условий необходимо изменение вращающего момента на ее валу, что достигается изменением, например, количества пара или воды, пропускаемых через турбину.
Выполнение условий точной синхронизации может быть осуществлено вручную или автоматически. При ручной синхронизации все операции по регулированию возбуждения и подгонке частоты выполняет дежурный персонал, а при автоматической синхронизации – автоматические устройства. При точной ручной синхронизации напряжения и частоты контролируются по установленным на щите управления двум вольтметрам и двум частотомерам, а сдвиг по фазе напряжений – по синхроноскопу. Последний позволяет не только уловить момент совпадения фаз напряжений, но также определить, вращается ли генератор быстрее или медленнее, чем работающие. Указанные приборы объединяют в так называемую «колонку синхронизации». Вольтметр и частотомер, относящийся к синхронизируемому генератору, подключают к его трансформатору напряжения, а вольтметр и частотомер, относящиеся к работающим генераторам (или сети), обычно подключают к трансформатору напряжения сборных шин станции. Синхроноскоп подключают одновременно к обоим трансформаторам напряжения.
При соблюдении всех вышеуказанных условий разность напряжений генератора и сети равна нулю, поэтому уравнительного тока между ними не возникает. Включение генератора в сеть при значительном неравенстве напряжений по величине и при большом угле δош расхождения по фазе вызовет появление уравнительного тока I"вкл и связанных с ним последствий. Особенно опасно включение генератора при несовпадении напряжений по фазе, так как именно фазовый сдвиг вызывает толчки тока статора и электромагнитного момента на валу. Влияние фазового сдвига на величину тока включения может быть проиллюстрировано векторной диаграммой (Рис. 1).
Рис. 1 - К определению допустимой угловой ошибки при синхронизации
Из векторной диаграммы видно, что при равенстве напряжений системы и генератора Uс = Eг = U
где хd,,-cверхпереходное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси; xc– сопротивление системы.
При сдвиге 180° (включение в противофазу) ток значительно превышает ток короткого замыканияна выводах генератора:
Возникающий при этом момент вращения может в несколько раз превышать момент на валу генератора при коротком замыкании на его выводах. От этого могут разрушиться лобовые части обмотки статора или одна из обмоток трансформатора, через который генератор подключается к сети. Включение в противофазу может случиться при неисправности во вторичных цепях или при неправильном включении синхронизирующего устройства.
При значительной разности частот трудно безошибочно выбрать момент для включения генератора. Кроме того, если даже момент включения будет выбран удачно, то из-за большой начальной разности между синхронной скоростью и скоростью вращения ротора ротор генератора не успеет затормозиться и удержаться в синхронизме, что вызовет появление недопустимо больших колебаний тока статора и вращающего момента ротора. Поэтому при большой скорости вращения, а также при резких качаниях стрелки синхроноскопа включать генератор не допустимо.
Точной ручной синхронизации свойственны следующие недостатки:
сложность процесса включения из-за необходимости подгонки напряжения по модулю и фазе, а также частоты генератора;
большая длительность включения – от нескольких минут в нормальном режиме до нескольких десятков минут при авариях в системе, сопровождающихся изменением частоты и напряжения, когда особенно важно обеспечить быстрое включение генератора в сеть;
возможность механических повреждений генератора и первичного двигателя при включении агрегата с большим углом δош.
Во избежание механических повреждений ручная синхронизация выполняется с автоматическим контролем синхронизма, который запрещает включение выключателя синхронизируемой машины при несоблюдении условий синхронизации. Ручная синхронизация при отключенной блокировке от несинхронного включения запрещается.
Способ самосинхронизации
При способе самосинхронизации (этот способ используется как дополнительный к основному) синхронизируемая машина с обмоткой возбуждения, замкнутой на гасительное сопротивление при отключенном АГП включается в сеть без возбуждения. Частота машины и частота сети должны при этом расходиться не более чем на 2% . Начальный ток включения (ток самосинхронизации ) определяется по формуле:
и, следовательно, он меньше, чем при коротком замыкании на выводах машины, так как ток короткого замыкания в этом случае определится как
Синхронизируемая машина возбуждается сразу же после включения в сеть и плавно (в течение 1…2 с.) входит в синхронизм.
Как видно, включение машины по способу самосинхронизации в первый момент эквивалентно короткому замыканию за сверхпереходным реактивным сопротивлением генератора. Остаточное напряжение на шинах, к которым подключается машина
где xдоп – сопротивление блочного трансформатора (в блочной схеме) или реактора, приведенное к мощности генератора.
Именно вследствие понижения напряжения на шинах при самосинхронизации, этот способ нежелателен для синхронизации генераторов на электростанциях с общими сборными шинами генераторного напряжения. Для мощных блочных станций способ самосинхронизации допустим, однако выигрыш во времени по сравнению с пуском теплового блока исчезающе мал. Поэтому в настоящее время в нормальных условиях на всех электростанциях, как правило, применяется способ точной синхронизации, а самосинхронизация может применяется лишь в аварийных условиях, например после потери генератором возбуждения, при включении резервных гидрогенераторов, при трехфазном АПВ с самосинхронизацией генераторов и т.п.
Возникновение асинхронного режимаАсинхронный режим для большинства синхронных машин не представляет опасности, но возникает опасность возникновения нарушения устойчивости остальной части системы, в которой мощный генератор работает асинхронно. В этом режиме генератор обычно потребляет из системы значительную реактивную мощность. Это приводит к увеличению тока статора. Поскольку предельная величина тока статора ограничена, предельная активная мощность генератора также ограничивается 50...70 % номинальной мощности, а у крупных турбогенераторов - 30...50 %. Это приводит к дефициту активной мощности в системе, что является существенным недостатком асинхронного режима.
Возможность работы в асинхронном режиме и ее длительность ограничены опасностью повреждений самого генератора. Турбогенератору разрешается работать в асинхронном режиме 15...30 минут, длительность работы гидрогенератора более кратковременна и составляет несколько минут.
Восстановление нормальной работы возможно без отключения от сети выпавшего из синхронизма генератора. Можно оставить его на некоторое время в асинхронном режиме, а затем заставить снова войти в синхронизм, осуществив ресинхронизацию.
Причины появления асинхронного режима генератора или части системы (группы генераторов) могут быть весьма различными. Его может вызвать исчезновение (потеря) возбуждения (Рис.3), нарушение динамической устойчивости после резкого возмущения (толчка) (Рис. 4) или нарушение статической устойчивости сильно перегруженной системы при малом возмущении (Рис. 5).
Рис. 3 - Потеря возбуждения и переход в асинхронный режим
В первом случае генератор работает только как асинхронный, угол характеристики на рис. 3
При потере возбуждения и переходе на асинхронный режим характеристики мощности постепенно уменьшаются с уменьшением тока возбуждения при отключении возбуждения.
Графики перехода на асинхронный режим в результате нарушения динамической устойчивости (площадка ускорения больше площадки торможения) на рис. 4.
а
б
Рис. 4 - Переход на асинхронный режим в результате нарушения динамической устойчивости
При переходе на асинхронный режим в результате нарушения статической устойчивости при графики будут иметь вид, как на рис. 5.
Рис. 5 - Переход на асинхронный режим в результате нарушения
статической устойчивости при 
Во втором и третьем случаях при наличии возбуждения генератор наряду с асинхронной мощностью выдает также пульсирующую синхронную мощность.
Для большинства синхронных машин асинхронный ход не представляет опасности. Турбогенераторы в асинхронном режиме могут развивать мощность, соизмеримую с номинальной. При работе турбогенератора через малое сопротивление на шины неизменного напряжения и при скольжении порядка десятых долей процента, при которых устанавливается асинхронный режим турбогенераторов, токи, как правило, не представляют какой-либо опасности для машины.
Допустимость асинхронного режима может вызывать сомнения в связи с опасностью нарушения устойчивости остальной части системы, в которой мощный генератор или группа генераторов работает асинхронно. В этом режиме генератор обычно поглощает из системы значительную реактивную мощность, что может приводить к снижению напряжения во всей системе, создавая опасность нарушения устойчивости остальных генераторов и двигателей. Однако опасность аварий такого рода можно сделать маловероятной правильным выбором источников реактивной мощности и регулирующих устройств.
Восстанавливать нормальную работу системы оказалось возможным, не отключая от сети выпавший из синхронизма генератор, но оставляя его на некоторое время в асинхронном режиме и заставляя снова войти в синхронизм. При этом говорят, что система сохраняет результирующую устойчивость, поскольку нарушения энергоснабжения потребителей не происходит.
Однако асинхронный ход, не являющийся для системы нормальным режимом, не должен осуществляться без проверки.
Обычно при выпадении генератора из синхронизма его электромагнитный момент становится меньше вращающего момента турбины. Это приводит к повышению скорости. При увеличении скорости под действием регуляторов турбины происходит уменьшение впуска энергоносителя в турбину, и мощность, отдаваемая в сеть при асинхронном ходе, всегда будет меньше, чем до выпадения.
Реактивная мощность, необходимая для создания электромагнитных полей в асинхронно работающей машине, поступает из сети. Ток статора, возрастающий в связи с увеличившейся реактивной мощностью, во время асинхронного хода колеблется около среднего значения с частотой, приблизительно равной . Асинхронный ход легко заметить по колебаниям стрелки амперметра. Число её отклонений N (в одну сторону) в секунду численно равно скольжению, выраженному в процентах:
где – частота синхронного хода. Знак скольжения определяет режим несинхронно работающей машины: «минус»– генераторный режим «плюс» – двигательный режим .
Амплитуда колебаний тока статора будет минимальной при разомкнутой обмотке возбуждения, а величина скольжения – при замкнутой обмотке возбуждения.
В асинхронном режиме предельная величина активной мощности, которую может отдавать турбогенератор, обычно ограничивается 50–70 % номинальной мощности из-за возрастания тока статора, а современный крупный турбогенератор – 30–50 %. Кратковременно ее можно повысить, допустив перегрузку по току статора.
Возможность асинхронного хода и его длительность зависят от типа генератора. Они ограничены условиями работы системы и опасностью повреждений самого генератора. Турбогенератор при потере возбуждения может работать в асинхронном режиме до 15–30 мин, без потери возбуждения – несколько меньше. Если за это время восстановить синхронную работу не удается, то турбогенератор должен быть отключен от сети. Немедленное отключение от сети турбогенератора, выпавшего из синхронизма, должно производиться только в случаях появления признаков повреждения машины, например, когда в обмотках возбуждения имеются замыкания на землю, при которых до потери возбуждения происходила работа генератора. Длительность работы гидрогенераторов в асинхронном режиме разрешается только при возбуждении 3–4 мин без демпферных обмоток, при наличии последних – более длительная работа. Для крупных же гидрогенераторов Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС асинхронный ход вообще запрещен. При появлении асинхронного режима машина должна немедленно отключиться.
Асинхронный ход, как правило, недопустим в тех случаях, когда при его появлении потери в роторе оказываются больше номинальных, а ток статора больше .
Заключение

Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. На металлургических заводах, шахтах, холодильниках они приводят в движение насосы, компрессоры, вентиляторы и другие механизмы, работающие с неизменной частотой вращения. Специальные синхронные двигатели малой мощности используются в устройствах, где требуется строгое постоянство скорости: электронасосы, автоматические самопишущие приборы, устройства программирования и т. п.
Достоинством синхронной машины является то, что она может быть источником реактивной мощности. Если асинхронные машины для создания поля потребляют из сети реактивную мощность, то синхронные в зависимости от степени возбуждения выдают в сеть или забирают из сети реактивную мощность.
Способность синхронной машины работать с опережающим cosφ и отдавать при этом в сеть реактивную мощность позволяет улучшать режим работы и экономичность системы электроснабжения.
Список использованных источников

Бокман, Г. А. Конструкция и технология производства электрических машин и аппаратов / Г.А. Бокман, И.С. Пузевский. - М.: Высшая школа, 2000. - 344 c.
Ванурин, В.Н. Электрические машины: Учебник / В.Н. Ванурин. - СПб.: Лань, 2016. - 304 c.
Виноградов, Н.В. Обмотчик электрических машин / Н.В. Виноградов. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 226 c.
Гольдберг, О. Д. Испытания электрических машин / О.Д. Гольдберг. - М.: Высшая школа, 2000. - 256 c.
Гольдберг, О. Д. Надежность электрических машин / О.Д. Гольдберг, С.П. Хелемская. - М.: Академия, 2010. - 288 c.
Клоков, Б. К. Обмотчик электрических машин / Б.К. Клоков. - М.: Высшая школа, 1987. - 256 c.
Марек, Е. Обмотки электрических машин постоянного и переменного тока / Е. Марек. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 699 c.
Хитерер, М. Синхронные электрические машины возвратно-поступ. движения: Учебное пособие / М. Хитерер, И. Овчинников. - М.: Бином-Пресс, 2008. - 368 c.
Шумилов, Р.Н. Электрические машины: Учебник / Р.Н. Шумилов, Ю.И. Толстова, А.Н. Бояршинова. - СПб.: Лань, 2016. - 352 c.