12.5. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Крупные электрические сети питаются не одним, а несколькими генераторами. Когда мощность, забираемая потребителями, уменьшается (например, в ночное время), часть генераторов отключается от сети. В часы максимума нагрузки эти генераторы снова присоединяются.

Для того чтобы два генератора могли работать на одну и ту же сеть, т. е. параллельно, необходимо соблюдение ряда условий.

Во-первых, в их обмотках должна индуктироваться одинаковая по величине ЭДС. Если это условие не выполнено, то по обмоткам обеих машин будет протекать уравнительный ток.

Во-вторых, ЭДС обмотки машины, присоединяемой к сети, должна совпадать по фазе с напряжением сети. Чтобы оценить важность этого требования, предположим, что к сети присоединяется машина, ЭДС которой сдвинута относительно сетевого напряжения на полпериода. Это приведет к тому, что падение напряжения в обмотке будет вдвое больше напряжения сети, так как знак ЭДС противоположен знаку напряжения сети.

В-третьих, ЭДС присоединяемой машины должна иметь ту же самую частоту, что и сеть. Предположим, что это условие не выполнено и что частота сети равна 50 Гц, а ЭДС присоединяемой машины имеет частоту 46 Гц. Пусть включение на параллельную работу произошло в момент, когда и напряжение, и ЭДС машины имели нулевое значение, и найдем их значение через 1/8 с. Это время соответствует периода сети, и, следовательно, напряжение сети будет равно максимуму. Это же время соответствует периода присоединенной машины, и, следовательно, ее ЭДС будет направлена навстречу напряжению сети. Получается картина, совпадающая с только что рассмотренной.

Для того чтобы выполнить перечисленные условия, используют специальные устройства, «синхронизирующие» машину с сетью.

Рассмотрим, как сложатся условия после того, как машина приключена к сети. Так как ее ЭДС была в точности равна напряжению сети, то ток в якорной обмотке равен нулю и, следовательно, машина никакой нагрузки не несет. Чтобы нагрузить ее, необходимо, чтобы по обмотке протекал ток. Спрашивается, как это сделать.

На первый взгляд кажется, что задача может быть решена изменением возбуждения машины, т.е. изменением ЭДС. Действительно, если мы, например, уменьшим ток возбуждения, то уменьшится и величина (но не фаза) индуктированной ЭДС. Якорная обмотка представляет собой почти чистое индуктивное сопротивление, и, следовательно, между током и напряжением будет существовать сдвиг по фазе 1/4 периода. Средняя мощность за полпериода будет равна нулю, и такая машина будет вести себя как индуктивный потребитель.

Если увеличить ток возбуждения настолько, что наведенная в машине ЭДС станет больше напряжения сети (в этом случае машину называют перевозбужденной), то сдвиг фазы между напряжением и током также будет равен 1/4 периода, но ток будет опережать напряжение. Машина будет вести себя как емкостный потребитель, и этим ее свойством часто пользуются для компенсации сдвига фаз, для улучшения коэффициента мощности.

Итак, изменением возбуждения не удается нагрузить машину. Остается изменить фазу ЭДС машины по отношению к напряжению сети. И в этом случае в обмотке должен появиться ток, и если этот ток будет в фазе с напряжением (или даже отличаться от него, но на величину, меньшую 1/4 периода), то мы заставим вновь включенную машину взять на себя часть мощности, посылаемой в сеть. Возникает вопрос, следует ли добиваться того, чтобы ЭДС опережала напряжение сети или же, наоборот, отставала, от него.

Вспомним, что машина приводится во вращение механическим двигателем — паровой или гидравлической турбиной. Нагрузить машину — это значит нагрузить механический двигатель, заставить его работать с большей нагрузкой. Поэтому естественно увеличить угловую скорость двигателя. Может показаться, что тем самым мы выведем машину из синхронизма. Да, но на очень короткий срок.

Как только ротор увеличит свою скорость, в статорной обмотке появится ток и возникнут механические силы взаимодействия между токами статора и ротора. Эти силы будут тормозящими, и величина тормозящего усилия будет тем больше, чем больше величина протекающих по обмоткам токов. Ротор начнет вращаться с синхронной скоростью, но его положение относительно магнитного поля машины изменится на некоторый угол, величина которого определяет развиваемую им мощность.

Если бы мы начали каким-нибудь образом тормозить ротор, например путем уменьшения угловой скорости механического двигателя, то и в этом случае в обмотке машины появился бы ток. Но силы взаимодействия между токами теперь стремились бы ускорить вращение ротора, и машина работала бы двигателем, забирая мощность из сети.