§ 31. Параллельная работа генераторов

Работа генераторов в судовых электростанциях

Судовая электростанция может иметь два, три, а иногда четыре дизель-генератора. Они могут работать раздельно или параллельно. При раздельной работе каждый генератор через отдельную секцию главного электрораспределительного щита обеспечивает электроэнергией определенную группу приемников. С помощью переключающихся устройств можно менять подключение приемников к генераторам. (Например - питание рулевой машины по 2-м фидерам).

Раздельная работа не позволяет использовать генераторы на полную мощность в различных режимах работы судна, так как мощность каждого генератора определяется общей мощностью приемников, которые могут быть подключены к нему. Однако число работающих механизмов зависит от режима эксплуатации судна, т.е. не все электроприемники постоянно находятся в работе, а это значит, что раздельно работающие генераторы часто оказываются недостаточно загруженными. При этом снижается к.п.д. и эффективность их работы. Кроме того, переключение генераторов или приемников можно осуществлять только с перерывом питания.

Параллельная работа генераторов дает следующие преимущества: обеспечивает полную загрузку генераторов, что позволяет уменьшить агрегатную мощность дизель-генераторов; гарантирует непрерывное питание приемников при переходе с одного генератора на другой; повышает бесперебойность снабжения приемников электроэнергией, т.е. надежность работы электростанции повышается.

Эффективность использования генераторов при параллельной работе объясняется возможностью включать в работу столько генераторов, сколько требуется для обеспечения энергией подключенных приемников. При возрастании или уменьшении нагрузки количество работающих генераторов соответственно может быть увеличено или уменьшено, при этом нагрузка у работающих генераторов всегда близка к номинальной, в результате чего к.п.д. электростанции повышается. У неработающих в это время дизель-генераторов сохраняется моторесурс и можно производить их техническое обслуживание.

К недостаткам параллельной работы генераторов следует отнести большую сложность процессов включения и отключения генераторов, необходимость более квалифицированного обслуживания, высокие требования к четкости работы агрегатов судовой электростанции, особенно автоматических регуляторов частоты вращения дизелей, автоматических регуляторов напряжения и систем автоматического распределения нагрузки.

При включении на параллельную работу генератора постоянного тока должны быть соблюдены два условия:

1) э.д.с. включаемого генератора должна быть равна напряжению работающего генератора: E₂=U =E - Ir ,

т.е. при включении генератора в сеть его ток должен быть равен нулю:

I₂=(E₂ - U)/r_я2;

2) полярность на выводах включаемого генератора должна соответствовать полярности сети.

Поэтому для включения генератора на параллельную работу (рис.2.36) необходимо:

• запустить первичный двигатель дизель-генератора и установить номинальную частоту вращения;

- регулировочным реостатом R2 в обмотке возбуждения LG2 установить э.д.с. Е₂, равную напряжению сети. До включения генератора в сеть вольтметр показывает его Э.Д.С. При правильной полярности генератор G2 включается автоматом Q2 на шины ГЭРЩ. После подключения генератора его нагрузка равна нулю (I₂ = 0). Для перевода нагрузки с ранее работающего генератора на включенный необходимо увеличить ток возбуждения реостатом R2 второго генератора, т.е. увеличить его э.д.с. Е₂ и одновременно уменьшить ток возбуждения у ранее работающего генератора G1; по показаниям амперметров установить необходимые токи генераторов (нагрузку между ними распределить равномерно).

Рис. 2.36. Принципиальная схема Рис. 2.37. Зависимость режима

параллельной работы генераторов нагрузки генераторов от наклона

постоянного тока с параллельным внешней характеристики

возбуждением

Рис. 2.38. Принципиальная схема параллельной работы генераторов постоянного тока смешанного возбуждения

При параллельной работе генераторов нагрузка должна распределяться пропорционально их мощности. На рис 2.37. показаны характеристики 1 и 2 генераторов G1 и G2. Мощность генератора G1 меньше мощности генератора G2. Генераторы, внешние характеристики которых имеют одинаковый наклон (коэффициенты статизма равны), должны иметь равномерное распределение нагрузок. Для получения устойчивой параллельной работы генераторов со смешанным возбуждением необходимо включать уравнительный провод между началами последовательных обмоток возбуждения (2.38). При наличии уравнительного провода увеличение тока нагрузки одного генератора приведет к равномерному увеличению токов в последовательных обмотках возбуждения обоих генераторов, в результате чего возрастает ток нагрузки в обоих генераторах. Уравнительный провод при изменении нагрузки одного генератора одновременно вызывает изменение возбуждения у других параллельно работающих генераторов, обеспечивая устойчивость параллельной работы дизель-генераторов.

При отсутствии уравнительного провода понижение э.д.с. вызовет уменьшение тока нагрузки генератора G1, что в свою очередь вызовет дальнейшее уменьшение его э.д.с. и разгрузку. У другого генератора G2 в это время ток нагрузки возрастет, увеличатся его магнитный поток и э.д.с. В связи с этим будет происходить дальнейшая его перегрузка. Таким образом, первый генератор будет размагничиваться и в конце концов перейдет в режим двигателя.

Устойчивость параллельной работы генераторов зависит от сопротивления уравнительного провода. Чем меньше его сопротивление, тем устойчивее параллельная работа. При отключении одного из генераторов уравнительный провод должен также отключаться, чтобы обмотки отключенного генератора не находились под напряжением.

На правильность и постоянство распределения нагрузок при параллельной работе генераторов очень большое влияние оказывает зона нечувствительности автоматических регуляторов напряжения и регуляторов частоты вращения первичных двигателей.

При значительной нечувствительности регуляторов генераторы могут быть отключены под действием какой-либо защиты (например, защиты от обратной мощности). Правила Речного Регистра требуют, чтобы неравномерность распределения нагрузок при параллельной работе составляла не более 10% мощности генератора.

Рис. 2.39. Внешние характеристики генератора (1) и аккумуляторной батареи (2) при их параллельной работе

При параллельно работающих дизель-генераторах в процессе эксплуатации судов большое внимание необходимо уделять регуляторам частоты вращения приводных двигателей, так как они имеют подвижные изнашивающиеся детали. На электростанциях судов малого водоизмещения предусматривают параллельную работу генератора с аккумуляторной батарей, включенных через реле-регулятор вибрационного типа. Внешние характеристики генератора 1 и аккумуляторной батареи 2 выбирают пересекающимися при определенном значении тока нагрузки (рис. 2.39.). В зоне малых токов I_г1, внешняя характеристика генератора должна быть расположена выше характеристики аккумулятора, в результате чего осуществляется заряд аккумулятора, а в зоне больших токов I_г2 характеристика аккумулятора расположена выше характеристики генератора, и аккумулятор воспринимает на себя токовые нагрузки.

Параллельная работа судовых генераторов переменного тока

Количество приемников электрической энергии, питающихся в данный момент времени от СЭЭС и степень их загрузки зависят от эксплуатационного режима работы судна (стоянка, ход и т.д.), состояния моря, района плавания, времени года и т.п. В связи с этим значение нагрузки генераторов и некоторых преобразователей электроэнергии СЭС изменяется в широких пределах. Если в таких условиях ориентироваться на использование одного генератора электроэнергии, то мощность его необходимо принимать по наибольшей потребляемой приемниками мощности. Тогда в некоторые моменты времени генератор будет иметь нормальную загрузку, но большее время будет работать с недогрузкой. Это обстоятельство влечет за собой работу генераторов и их приводных двигателей с КПД значительно меньше номинального, что в конечном итоге, связано с излишним расходом топлива и нерациональным использованием ресурсов. Поэтому на электростанциях (СЭЭС) обычно устанавливают несколько генераторов и обеспечивают их как раздельную, так и параллельную работу в зависимости от изменения мощности, потребляемой приемниками электроэнергии.

Параллельная работа генераторов позволяет производить замену генераторов в целях осмотра и ремонта, что не влияет па работу приемников электроэнергии. При внезапном отказе одного из параллельно работающих генераторов его нагрузка автоматически переходит на другие генераторы без перерыва питания приемников ответственного назначения (при необходимости приемники не ответственного назначения временно отключают). Таким образом, при параллельной работе генераторов, возможно эффективнее использовать их и повысить бесперебойность питания приемников электроэнергии. Безусловно, что параллельно работающие генераторы должны сохранять стабильное распределение нагрузки приемников электроэнергии в соответствии с номинальной мощностью каждого из генераторов. Это определяется, в основном, качеством (свойством) систем автоматического регулирования частоты вращения и напряжения генераторов. Первые из них определяют распределение активной мощности генераторов, вторые - реактивной мощности.

Нарушение стабильности и равноценного распределения нагрузки между генераторами наблюдается при ухудшении качества автоматических регуляторов, при существенном различии значений мощности генераторных агрегатов (при соотношении мощностей более 3:1) и различных типах приводных двигателей генераторов. При этом рекомендуется только кратковременная параллельная работа генераторов (например, на время перевода нагрузки без перерыва питания приемников). Не допускается параллельная работа валогенераторов с дизель-генераторами или турбогенераторами, так как мощность приводного двигателя валогенератора (главного двигателя силовой установки) в десять раз больше мощности валогенератора.

С учетом изложенного в схемах судовых электростанций, как правило, предусматривается возможность параллельной и раздельной работы генераторов (на различные приемники). Для этого сборные (общие) шины электростанций делят на несколько частей (секции) по числу генераторов, установленных на электростанции.

Специфическими для параллельной работы генераторов мероприятиями являются обеспечение правильного включения генераторов на параллельную работу и распределение нагрузки между ними после включения. Идеальным случаем включения генератора на параллельную работу с другими генераторами является такой, при котором ток генератора в момент включения равен нулю. Для этого при включении на параллельную работу синхронных генераторов необходимо уравнять напряжение и частоту подключаемого генератора с напряжением и частотой генераторов работающих на шины электростанции, а также обеспечить совпадение фаз синусоид напряжений генераторов. Первая часть этой операции обеспечивает синхронную, вторая - синфазную работу генераторов. Однако на практике процесс включения генераторов на параллельную работу принято называть синхронизацией синхронных генераторов.

Включение генераторов временного тока на параллельную работу можно производить тремя способами: точной синхронизации, грубой синхронизации и самосинхронизации.

При точной синхронизации включение генератора осуществляется при токе, близком к нулевому значению. При грубой синхронизации ток включения обычно близок к номинальному значению. При самосинхронизации ток включения в несколько раз превышает номинальное значение. Поэтому способ точной синхронизации генераторов является наиболее распространенным.

На рис. 2.40 представлена схема точной синхронизации генераторов.

Включение генератора G2 на параллельную работу с генератором G1 по этой схеме производят в следующем порядке. Вначале регулятором возбуждения РВ2 уравнивают напряжение U₂ с напряжением U1, контролируя их значения по вольтметрам PU и PU₂. Затем с помощью сервомотора СМ2, к которому подается напряжение через переключатель ПСМ2 (с отметками «больше», «меньше»), изменяют количество топлива или пара, поступающего в приводной двигатель ПД2 генератора G2, и уравнивают угловые скорости ω , ω₂ и частоты f₁, f₂ генераторов, контролируя их значения по частотомерам PF₁ и PF₂.

С помощью переключателя ПЕ включают на разность напряжений ΔU=U - U₂, и частот Δf =f - f₂, генераторов G1 и G2 стрелочный (или ламповый) синхроноскоп РТ (стрелка прибора при этом начинает вращаться с определенной скоростью, лампа мигает). Посредством сервомотора СМ2 и переключателя ПСМ2 изменяют значение угловой скорости подключаемого генератора и добиваются наименьшей разности Δω= ω -ω₂ угловых скоростей генераторов G1 и G2. Стрелка синхроноскопа при этом вращается с очень низкой скоростью, а лампа долго высвечивается и медленно затухает. В момент, когда лампа полностью погасает или стрелка синхроноскопа окажется против красной отметки, т.е. разность напряже-

Рис. 2.40. Схема и векторная диаграмма точной синхронизации синхронных

генераторов

ний ΔU и угол между векторами фазных напряжений будут близки к нулю, генератор G2 с помощью коммутационного аппарата (автоматического выключателя) QF2 подключают к шинам электростанции. При этом уравнительный ток генератора I_УР будет иметь значение, близкое к нулю.

На рис.2.41 представлена схема грубой синхронизации генераторов. Само название говорит о том, что данный способ не преследует обеспечения идеальных условий включения генераторов на параллельную работу. Наоборот, в целях упрощения процесса включения генераторов преднамеренно идут на определенный бросок тока, величина которого ограничивается индуктивным сопротивлением (реактором) х_р.

Грубую синхронизацию генераторов осуществляют в следующем порядке: уравнивают напряжения и частоты генераторов, пользуясь теми же аппаратами и приборами, что и при точной синхронизации; замыкают контакт КМ2 и тем самым включают генератор G2 на параллельную работу с генератором G1 через реактор х_р; после спадания первоначального броска тока и уменьшения колебаний напряжения генераторов примерно через 3-5 с включают аппарат QF2 генератора G2 и размыкают контакт КМ2 (контакторы (КМ 1 и КМ2 имеют механическую блокировку во избежание одновременного включения).

Сопротивление реактора Хр выбирается значительно превышающим сумму сопротивлений генераторов x₁+x₂ с таким расчетом, чтобы бросок тока приводил к «провалу» напряжения, равному 20-30% номинального, допускаемому Правилами Регистра.

На рис. 2.42 представлена схема самосинхронизации генератора. Включение генератора G2 на параллельную работу с генератором G1 производится в следующем порядке: обмотка возбуждения генератора G2 контактом 1 контактора КМ замыкается на резистор R, сопротивление которого в 10-15 раз больше сопротивления обмотки, а контактом 2 отключается от источника питания; генератор G2 разгоняется приводным двигателем до частоты вращения, близкой к синхронной, что контролируется по тахометру Рn2, и с помощью автомата QF2 подключается к шинам электростанции невозбужденный генератор G2.

Одновременно через вспомогательный контакт аппарата QF2 подается сигнал на включение реле времени РВ, которое с небольшой выдержкой времени (через десятые доли секунд) подает сигнал на включение контактора КМ (происходит замыкание контакта 2 и размыкание контакта 1). При этом синхронный генератор подключается на сеть в режиме асинхронного короткозамкнутого двигателя (с явнополюсным ротором). Роль короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя выполняет демпферная обмотка, а также обмотка возбуждения генератора, замкнутая на резистор R. Под действием асинхронного момента этих обмоток и момента явнополюсности ротора частота вращения генератора приближается к синхронной. После подключения обмотки ротора генератора к источнику возбуждения возникает синхронный момент, под действием которого генератор G2 самостоятельно втягивается в синхронную (параллельную) работу с генератором G1, что и называется самосинхронизацией.

Подключение синхронного генератора в режиме асинхронного двигателя сопровождается броском тока, равным 5-7-кратному значению номинального. Если мощность подключаемого генератора близка к мощности работающих генераторов, то на шинах электростанции будет «провал» напряжения, значение которого составит 30 - 40% номинального. Если мощность работающих генераторов больше мощности подключаемого, то «провал» напряжения несколько меньше. По этой причине способ самосинхронизации можно применять только на тех судах, где подобные колебания напряжения в течение нескольких секунд не оказывают вредного воздействия на работу потребителей электроэнергии, установленных на судне.

Отметим, что включение заранее нагруженных генераторов на параллельную работу можно производить только способом точной или грубой синхронизации. Перед включением генераторов на параллельную работу, особенно после производства ремонта щита или замены генераторов, следует проверить правильность чередования (полярности) фаз.

После подключения генератора на параллельную работу необходимо его нагрузить. Для этого при работе генераторов постоянного тока соизмеримой мощности увеличивают ток возбуждения (в обмотке независимого или параллельного возбуждения) подключенного генератора и уменьшают ток возбуждения ранее работавшего генератора. При этом амперметр, включенный в обмотку якоря подключенного генератора, укажет на возрастание тока от нулевого значения, а амперметр работающего ранее генератора укажет на его уменьшение. Так распределяется нагрузка между генераторами и устанавливается ее значение пропорционально мощности каждого генератора при сохранении неизменным значения напряжения на шинах электростанции. Если мощность подключенного генератора значительно меньше суммарной мощности работающих генераторов и они снабжены автоматическими регуляторами напряжения, то для нагрузки подключенного генератора достаточно увеличить ток его возбуждения.

Подключенный на параллельную работу синхронный генератор должен быть загружен как активной, так и реактивной мощностью. Для этого увеличивают вращающий момент на валу генератора, т.е. подачу топлива (или пара) приводного двигателя, значение которого пропорционально реактивной мощности генератора.

Изменение тока возбуждения генераторов осуществляется с помощью регулятора возбуждения (резистора с регулируемым значением сопротивления). Изменение подачи топлива (пара) приводного двигателя осуществляется с помощью сервомотора и переключателя его питания (см. рис. 2.40, 2.41).

При соблюдении всех условий синхронизации генераторы включатся на параллельную работу без броска тока и изменения напряжения на шинах ГРЩ, т.к. разность напряжений включаемого генератора и судовой сети равна нулю: Δ = _г − _c =0.

При невыполнении условий синхронизации возможны перегрузки сетей реактивными токами; механические перегрузки, опасные для валов, муфт и приводных двигателей.

Применяют два способа включения ламп накаливания лампового синхроноскопа: на погасание (рис. 2.43, а) и на вращение огня (света) (рис. 2.43, б). В первом случае лампы включают на одноименные фазы генератора и сети, во втором – на разные фазы.

Г2 (подключаемый генератор) Г2 (подключаемый генератор)

Рис. 2.43. Ламповый синхроноскоп

Вместо ламповых синхронизирующих устройств широкое распространение получили стрелочные синхроноскопы, представляющие собой сельсин, имеющий трехфазную обмотку статора и однофазную – ротора. Обмотка статора подключается всеми тремя фазами к фазам сети, обмотка ротора – к двум фазам включаемого генератора. Схема показана на рис. 2.44.

Рис. 2.44. Принципиальная схема стрелочного синхроноскопа