Случается так, что возникает необходимость подключения второго генератора на параллельную работу. К примеру в судовых электроэнергетических системах с целью увеличения живучести устанавливаются два или более генераторов. Суммарная мощность генераторов всегда несколько больше суммарной мощности всех потребителей. Установка нескольких генераторов повышает живучесть и экономичность установки, дает возможность проводить плановые осмотры и ремонты генераторов, выводя их поочередно из действия.
Судовые генераторы могут работать раздельно, без электрической связи между собой, или совместно, при параллельном соединении. Различают кратковременную и длительную параллельную работу генераторов. Кратковременная параллельная работа предназначена для плавного перевода нагрузки с одного генератора на другой с последующим отключением первого генератора или раздельной их работы. Совместная параллельная работа генераторов имеет ряд преимуществ:
1) перевод нагрузки с одного генератора на другой осуществляется плавно, без перерыва питания;
2) обеспечивается бесперебойность питания потребителей при выходе из строя одного из генераторов;
3) обеспечивается более высокое качество электроэнергии (меньше колебания напряжения);
4) возможность поочередного проведения технических осмотров и ремонтов генераторов.
К недостаткам параллельной работы генераторов следует отнести:
1) усложнение схемы включения и управления генераторами;
2) значительное увеличение тока при коротких замыканиях в электроэнергетической системе.
Рассмотрим параллельную работу генераторов постоянного тока параллельного и смешанного возбуждения, т.к. генераторы последовательного возбуждения в таком режиме обычно не применяются, а в параллельной работе генераторов параллельного и независимого возбуждения практически различий нет.
Рис.1 — Схема параллельной работы генераторов параллельного возбуждения
Включение на параллельную работу генераторов параллельного возбуждения.
Принципиальная схема параллельной работы генераторов изображена на рис.1. Допустим, что первый генератор Г1 включен на шины и работает с некоторой нагрузкой, создавая на шинах напряжения U. Генератор Г2, работающий на холостом ходу, требуется включить в работу так, чтобы не изменился режим первого генератора Г1, а ток генератора Г2 при включении равнялся нулю.
Для замкнутого контура, образованного генераторами и участком шин между ними, составим уравнение по второму закону Кирхгофа
Отсюда следует, что ЭДС генераторов должны быть направлены встречно относительно друг друга. Следовательно, условия включения генераторов параллельного возбуждения на параллельную работу можно сформулировать так:
1. Полярность зажимов работающего и подключаемого генератора должна быть одинаковой.
2. ЭДС подключаемого генератора должна быть равна напряжению сети, к которой он подключается.
При выполнении этих условий ток генератора Г2 будет равен нулю, а режим генератора Г1 не изменится, так как
Если включить генератор Г2 с неправильной полярностью, то в замкнутой цепи, образованной якорями обоих генераторов и шинами, их ЭДС будут складываться и так как сопротивление этой цепи очень мало, то возникает очень большой ток, что может привести к аварии генераторов.
Перевод и распределение нагрузки. После подключения генератора Г2 к сети, можно принимать на него нагрузку. Для двух работающих параллельно генераторов уравнения равновесия напряжений цепи якоря можно представить в виде
откуда получаются соотношения для токов нагрузки
Из системы уравнений видно, что для принятия нагрузки на генераторы нужно увеличивать ЭДС, которые можно изменять либо изменением числа оборотов генератора, либо изменением тока возбуждения. Обычно частота вращения генераторов поддерживается постоянной с помощью автоматического регулятора скорости (АРС) и на практике ЭДС генераторов регулируют изменением тока возбуждения.
Для принятия нагрузки на генератор Г2 нужно увеличить ток Iв2 путем уменьшения сопротивления rв2 в цепи возбуждения. ЭДС Еа2 становится больше напряжения U, в результате чего в якоре генератора Г2 возникает ток I2. Если ток нагрузки не изменяется, то с появлением тока I2 ток I1 уменьшается. Если Еа1 при этом не изменять, то Еа1-I1ra1 становится больше и напряжение на шинах начинает расти. Поэтому для поддержания U=const одновременно с увеличением Еа2 нужно уменьшать Еа1 путем уменьшения тока возбуждения Iв1 в цепи возбуждения генератора Г1. Таким образом можно перевести часть или всю нагрузку с генератора Г1 на генератор Г2. Следует отметить, что при переводе нагрузки изменяются токи генераторов, а следовательно, изменяются и их мощности. При этом нарушается баланс мощностей генераторов и их первичных двигателей, в результате чего изменяются частоты вращения генераторов. Для поддержания числа оборотов постоянными включаются в работу АРС, которые изменяют подачу топлива, пара и т.д. в первичный двигатель и восстанавливают прежнюю частоту вращения.
Рис. 2 — Внешние характеристики генераторов
Как правило, в качестве генераторов для параллельной работа выбираются машины равной мощности, внешние характеристики которых совпадают. Тогда можно нагружать генераторы равномерно при одинаковом токе возбуждения. Если внешние характеристики не совпадают, то генераторы при параллельной работе нагружаются разными токами. На рис.2 показаны внешние характеристики двух генераторов, имеющие разный наклон. Допустим, что оба генератора включены параллельно и работают на холостом ходу с напряжением U0. При включении на них номинальной нагрузки равной 2Iн на шинах устанавливается номинальное напряжение Uн.
Этому напряжению по внешним характеристикам соответствуют токи нагрузки генераторов I1и I2, причем I1+I2=2Iн. Как видим, генератор, имеющий более «мягкую» характеристику (1), оказывается недогруженным, а с более «жесткой» характеристикой (2) перегружен. В этом случае для равномерной нагрузки обоих генераторов необходимо увеличивать ток возбуждения первого генератора и уменьшать его у второго генератора до уравнивания токов I1 и I2.
Если генераторы имеют различные мощности и предназначены для параллельной работы, то для пропорционального распределения нагрузки соответственно их мощностям без регулирования тока возбуждения, необходимо, чтобы совпадали их относительные характеристики . В этом случае нагрузка будет распределяться пропорционально номинальным мощностям генераторов.
Особенности параллельной работы генераторов смешанного возбуждения. Принципиальная схема включения генераторов смешанного возбуждения при параллельной работе представлена на рис. 3.
Рис. 3 — Схема параллельной работы генераторов смешанного возбуждения
Ее отличительная особенность состоит в том, что точки (I) и (2), в которых последовательные обмотки возбуждения подключены к одноименным зажимам якоря, соединены между собой уравнительным проводом.
Уравнительный провод позволяет обеспечить устойчивую параллельную работу генераторов. Чтобы уяснить необходимость уравнительного провода, рассмотрим параллельную работу генераторов смешанного возбуждения без уравнительного провода. Допустим, что работают два генератора одинаковой мощности, с одинаковой частотой вращения, одинаковым внутренним сопротивлением rа1= ra2, нагрузки, ЭДС и магнитные потоки их также равны.
Если по какой-либо причине скорость одного, например, первого генератора, возрастает, то это вызовет увеличение его ЭДС Ea1, а следовательно и увеличение тока нагрузки на этот генератор. Благодаря наличию последовательной обмотки, рост нагрузки влечет за собой увеличение результирующего магнитного потока этого генератора, что приводит к еще большему возрастанию ЭДС, а соответственно и тока и т.д. В результате нагрузка данного генератора будет возрастать, а у второго генератора уменьшаться, вплоть до его перехода в двигательный режим, что опасно для обоих генераторов.
В дальнейшем чрезмерное увеличение нагрузки на первом генераторе вызывает снижение его частоты вращения, а следовательно и ЭДС. Нагрузка начинает переходить на второй генератор, т.е. его обороты будут стремиться к увеличению. Таким образом возникает колебательный процесс перехода нагрузки с одного генератора на другой и параллельная работа получается неустойчивой.
При наличии уравнительного провода 1-2 (рис. 3), последовательные обмотки оказываются включенными параллельно. Следовательно, их токи всегда находятся в одном и том же отношении, определяемом сопротивлениями этих обмоток.
Если теперь почему-либо ЭДС Ea1 генератора Г1 станет больше ЭДС Ea2 генератора Г2, то в цепи между якорями возникает уравнительный ток, величина которого определяется выражением
Таким образом, при увеличении ЭДС, а следовательно и тока в последовательной обмотке одного генератора в том же отношении увеличится ток и в последовательной обмотке другого генератора. В соответствии с этим одновременно увеличатся ЭДС и нагрузочные токи обоих генераторов и колебательный процесс происходить не будет. Это равенство токов в последовательных обмотках будет сохраняться при любой нагрузке. Если параллельно работают генераторы разной мощности, то сопротивления их последовательных обмотках будут не равны, поэтому токи в этих обмотках будут распределяться обратно пропорционально их сопротивлениям. Однако в любом случае изменение тока в одном генераторе приведет к изменению тока в другом и колебательный процесс происходить не будет. В этих условиях параллельная работа генераторов смешанного возбуждения становится вполне устойчивой.
Прием и распределение нагрузки в генераторах смешанного возбуждения производится как в генераторах параллельного возбуждения путем изменения тока в параллельных обмотках возбуждения.
