Синхронизация генераторов постоянного тока: Лучшие практики параллельной работы и распределения нагрузки

Параллельная работа генераторов постоянного тока — условия, преимущества и распределение нагрузки

В системах электроснабжение энергией осуществляется множеством генераторов, объединенных в взаимосвязанную сеть. Вместо использования одного крупного генератора часто применяют несколько маломощных генераторов постоянного или переменного тока, работающих параллельно.

Иногда генераторы постоянного тока используются как резервные источники. Не всегда возможно иметь один генератор, полностью покрывающий пиковую нагрузку. Поэтому для удовлетворения спроса несколько генераторов постоянного тока соединяют параллельно.

В настоящее время параллельная работа генераторов постоянного тока широко применяется в сетях для достижения следующих преимуществ.

• Связанная статья: Параллельная работа однофазных и трехфазных трансформаторов

Преимущества параллельной работы генераторов постоянного тока

Основные преимущества перечислены ниже.

Непрерывность электроснабжения

Непрерывность подачи энергии — первостепенное требование. Если электростанция имеет только один генератор, это требование выполнить невозможно: при ремонте или аварии единственного блока вся станция останавливается. Использование нескольких генераторов вместо одного значительно повышает надежность. Большинство потребителей (больницы, заводы и др.) требуют бесперебойное питание.

Повышенная эффективность

Генераторы на электростанциях рассчитаны на работу под полной нагрузкой, при которой достигается максимальный КПД. Однако потребление энергии непостоянно: днем наблюдается пик, ночью — минимум. Экономически целесообразно использовать маломощный генератор ночью и мощный — днем. При росте нагрузки оба генератора включают параллельно для эффективного покрытия пика.

Простота обслуживания и ремонта

Генераторы требуют планового обслуживания для долговечности и эффективности. Во время работ нужен второй генератор для питания нагрузки. При аварии восстановление занимает время, а резервный генератор продолжает обеспечивать потребление.

Гибкость

Параллельное соединение генераторов дает большую гибкость по сравнению с одним крупным блоком. Несколько маломощных генераторов можно установить в разных местах, тогда как большой генератор требует значительных площадей.

Экономическая эффективность

Стоимость электроэнергии снижается, если генераторы работают под полной нагрузкой. При высоком спросе включают больше генераторов параллельно, при низком — меньше. Остальные находятся в резерве. Таким образом, все работающие генераторы функционируют в оптимальном режиме, что снижает себестоимость электроэнергии.

Простота расширения

Спрос на электроэнергию растет ежедневно. При проектировании электростанции предусматривают места для будущего расширения. Вместо строительства новой станции проще добавить генераторы и включить их параллельно для увеличения мощности.

Благодаря этим преимуществам параллельная работа генераторов широко применяется. Как известно, генераторы постоянного тока делятся на три типа:

• Генератор с параллельным возбуждением (шунтовый)
• Генератор с последовательным возбуждением
• Генератор со смешанным возбуждением (компOUND)

У каждого типа различается схема соединения якорной и возбуждающей обмоток. Рассмотрим, как параллельно соединять каждый тип.

Параллельная работа шунтового генератора постоянного тока

Для параллельного включения двух генераторов их положительные и отрицательные клеммы должны быть соединены с одноименными клеммами шины. Шина — это массивная медная шина, клеммы которой выступают в роли клемм всей электростанции.

Схема параллельной работы шунтовых генераторов показана ниже.

Якорь генератора 1 подключен к шине и питает нагрузку. Теперь нужно подключить генератор 2. Для этого его полярность должна совпадать с полярностью шины. Иначе возникнет серьезное короткое замыкание, приводящее к необратимому повреждению.

Перед включением генератора 2 выключатель S разомкнут. Вольтметр подключен к его контактам. Сначала разгоняют якорь генератора 2 до номинальной частоты вращения. Возбуждение генератора 2 регулируют до нулевых показаний вольтметра. Нулевое напряжение означает, что клеммное напряжение генератора 2 равно напряжению шины (или генератора 1).

После замыкания выключателя S генератор 2 включен параллельно с генератором 1, но нагрузку не принимает, так как его ЭДС равна напряжению шины, и разность потенциалов отсутствует. В этом состоянии генератор 2 называют «висящим» в системе.

ЭДС нового генератора должна быть выше напряжения шины. Тогда генератор 2 начинает выдавать ток нагрузки. Ток генератора 2:

Где:

• R_a = Сопротивление цепи якоря
• E = Индуцированная ЭДС
• V = Напряжение на шине

Индуцированную ЭДС нового генератора регулируют через возбуждение, что позволяет управлять долей нагрузки.

Параллельная работа компOUND-генератора постоянного тока

Схема параллельного включения двух компOUND-генераторов показана ниже.

КомпOUND-генератор имеет восходящую внешнюю характеристику. Без корректирующих устройств параллельная работа неустойчива. При пуске каждый генератор берет равную долю нагрузки. Если по какой-то причине ток через последовательную обмотку генератора 1 возрастает, его поле усиливается, ЭДС растет, и он забирает больше нагрузки.

Предполагая нагрузку постоянной, доля генератора 2 уменьшается, его последовательное поле ослабевает, ЭДС падает. Процесс накапливательный: со временем генератор 1 берет всю нагрузку, а генератор 2 переходит в моторный режим. Сработает автоматический выключатель и остановит процесс.

Для стабилизации работы используется выравнивающая шина (equalizer bar), соединяющая якорные концы последовательных обмоток. Это низкоомный проводник, обеспечивающий стабильную работу перекомпOUND- и полнокомпOUND-генераторов.

Например, генератор 1 начинает брать большую долю нагрузки, ток его последовательной обмотки растет. Этот ток частично идет через последовательную обмотку генератора 2. Оба генератора испытывают одинаковое влияние, поэтому генератор 1 не может захватить всю нагрузку, а генератор 2 не сбрасывает её полностью.

Для правильной параллельной работы и равномерного распределения нагрузки регулирование обоих генераторов должно быть одинаковым, а сопротивление последовательных обмоток — обратно пропорционально номинальным мощностям генераторов.

Параллельная работа генератора с последовательным возбуждением

Схема параллельной работы двух генераторов с последовательным возбуждением показана ниже.

Предполагаем генераторы идентичными и делящими нагрузку поровну. Но если ЭДС генератора 1 возрастает (E1 > E2), его ток I1 становится больше I2. Это усиливает последовательное поле генератора 1 и ослабляет поле генератора 2.

Процесс накапливательный: в итоге вся нагрузка переходит к генератору 1, а генератор 2 работает как двигатель. Проблема решается выравнивающей шиной, как и для компOUND-генераторов, обеспечивающей примерно равные токи от обеих машин.

Распределение нагрузки между генераторами постоянного тока

Шунтовый генератор имеет слегка нисходящую внешнюю характеристику, что делает его наиболее подходящим для стабильной параллельной работы. Если один генератор берет больше или меньше нагрузки, его тенденция восстановить исходное распределение приводит к быстрому уравновешиванию долей.

В аварийном режиме один генератор отключается, его поле ослабляется. При этом поле другого генератора усиливается, срабатывает выключатель, и неисправный генератор исключается из схемы. Этот способ отключения и включения делает систему надежной, предотвращая удары и внезапные нарушения в первичном двигателе и сети.

Внешняя характеристика шунтового генератора:

Для одного клеммного напряжения V генератор 1 выдает ток I1, генератор 2 — I2. Генератор 1 с более крутой характеристикой выдает меньший ток. Оба генератора делят нагрузку поровну во всех точках, если их характеристики похожи и падение напряжения от холочего хода до полной нагрузки одинаково.

Если параллельно работают генераторы разной мощности (кВА), нагрузка распределяется пропорционально их номиналам. Их внешние характеристики, выраженные в процентах от номинального тока, должны быть идентичны.

Например, генератор 100 кВА и генератор 200 кВА параллельно питают нагрузку 240 кВт. Первый выдаст 80 кВт, второй — 160 кВт.

Совместная характеристика работы может быть построена по индивидуальным характеристикам. Токи каждого генератора определяются графически.

Результаты можно получить расчетно, если характеристики близки к прямым. Рассмотрим распределение нагрузки при неравных ЭДС холочего хода.

• E₁, E₂ = Напряжения холочего хода двух генераторов
• R₁, R₂ = Сопротивления якоря
• V = Общее клеммное напряжение

Из уравнения видно, что напряжение шины можно удерживать постоянным, увеличивая Φ₂ или n₂ или уменьшая n₁ или Φ₁. Частоты вращения n₂ и n₁ меняют скоростью приводных двигателей, а потоки Φ₁ и Φ₂ — через сопротивления шунтовых обмоток.