В системе переменного тока (AC) синхронизация — это процесс согласования частоты , фазы и напряжения генератора или другого источника с электрической сетью для передачи мощности . Если два неподключенных сегмента сети должны быть подключены друг к другу, они не смогут безопасно обмениваться мощностью переменного тока , пока не будут синхронизированы.
Генератор постоянного тока (DC) можно подключить к электросети, просто отрегулировав напряжение на клеммах разомкнутой цепи так, чтобы оно соответствовало напряжению сети, либо регулируя его скорость, либо возбуждение поля. Точная скорость двигателя не имеет решающего значения. Однако генератор переменного тока должен дополнительно согласовывать свою синхронизацию (частоту и фазу) с напряжением сети, что требует систематического контроля как скорости, так и возбуждения для синхронизации. Эта дополнительная сложность была одним из аргументов против работы переменного тока во время войны токов в 1880-х годах. В современных сетях синхронизация генераторов осуществляется автоматическими системами.
Есть пять условий, которые должны быть выполнены до того, как произойдет процесс синхронизации. Источник (генератор или подсеть) должен иметь равное среднеквадратичное напряжение , частоту , последовательность фаз , фазовый угол и форму волны с системой, с которой он синхронизируется. [1]
Форма волны и последовательность фаз фиксируются конструкцией генератора и его соединениями с системой. Во время установки генератора проводятся тщательные проверки, чтобы убедиться, что клеммы генератора и вся проводка управления верны, чтобы порядок фаз (последовательность фаз) соответствовал системе. Подключение генератора с неправильной последовательностью фаз приведет к большим, возможно, разрушительным токам, поскольку напряжения системы противоположны напряжениям клемм генератора. [2]
Напряжение, частота и фазовый угол должны контролироваться каждый раз, когда генератор подключается к сети. [1]
Генерирующие блоки для подключения к электросети имеют встроенный контроль скорости падения , который позволяет им распределять нагрузку пропорционально их номиналу. Некоторые генераторные блоки, особенно в изолированных системах, работают с изохронным контролем частоты, поддерживая постоянную частоту системы независимо от нагрузки.
Последовательность событий для ручной или автоматической синхронизации аналогична. Генератор доводится до приблизительно синхронной скорости путем подачи большего количества энергии на его вал - например, открывая клапаны на паровой турбине , открывая затворы на гидравлической турбине или увеличивая установку топливной рейки на дизельном двигателе . Поле генератора возбуждается, и напряжение на клеммах генератора наблюдается и сравнивается с напряжением системы. Величина напряжения должна быть такой же, как и напряжение системы.
Если одна машина немного не совпадает по фазе, она будет работать в такт с остальными, но если разность фаз велика, возникнут сильные перекрестные токи, которые могут вызвать колебания напряжения и, в крайних случаях, повредить машины.
Раньше три лампы накаливания подключались между клеммами генератора и клеммами системы (или, в более общем смысле, к клеммам измерительных трансформаторов, подключенных к генератору и системе). При изменении скорости генератора огни будут мигать с частотой биений , пропорциональной разнице между частотой генератора и частотой системы. Когда напряжение на генераторе противоположно напряжению системы (либо опережает, либо отстает по фазе ), лампы будут светиться ярко. Когда напряжение на генераторе соответствует напряжению системы, огни будут темными. В этот момент автоматический выключатель, соединяющий генератор с системой, может быть замкнут, и генератор тогда останется синхронизированным с системой. [3]
Альтернативный метод использовал схему, похожую на вышеописанную, за исключением того, что соединения двух ламп были поменяны местами либо на клеммах генератора, либо на клеммах системы. В этой схеме, когда генератор был синхронизирован с системой, одна лампа была темной, но две с поменянными соединениями были одинаковой яркости. Синхронизация на «темных» лампах была предпочтительнее, чем на «ярких», потому что было легче различить минимальную яркость. Однако перегорание лампы могло дать ложноположительный результат для успешной синхронизации.
Другой ручной метод синхронизации основан на наблюдении за прибором, называемым «синхроноскоп», который отображает относительные частоты системы и генератора. Указатель синхроноскопа будет показывать «быструю» или «медленную» скорость генератора по отношению к системе. Чтобы минимизировать переходный ток при замыкании выключателя генератора, обычной практикой является инициирование замыкания, когда стрелка медленно приближается к точке синфазности. Ошибка в несколько электрических градусов между системой и генератором приведет к кратковременному броску и резкому изменению скорости генератора.
Синхронизирующие реле позволяют производить автоматическую синхронизацию машины с системой. Сегодня это цифровые микропроцессорные приборы, но в прошлом применялись электромеханические релейные системы. Синхронизирующее реле полезно для устранения времени реакции человека в процессе или в случаях, когда человек отсутствует, например, на дистанционно управляемой электростанции. Синхроскопы или лампы иногда устанавливаются в качестве дополнения к автоматическим реле для возможного ручного использования или для контроля за работой генератора.
Иногда в качестве меры предосторожности против несинхронного подключения машины к системе устанавливается реле «контроля синхронизма», которое предотвращает замыкание выключателя генератора , если машина не находится в пределах нескольких электрических градусов от синфазности с системой. Реле контроля синхронизма также применяются в местах, где могут быть подключены несколько источников питания и где важно, чтобы несинхронные источники случайно не были запараллелены.
Пока генератор синхронизирован, частота системы будет меняться в зависимости от нагрузки и средних характеристик всех генераторных установок, подключенных к сети. [1] Большие изменения частоты системы могут привести к выходу генератора из синхронизма с системой. Защитные устройства на генераторе сработают и автоматически отключат его.
Синхронные скорости синхронных двигателей и генераторов переменного тока зависят от числа полюсов машины и частоты питания.
Соотношение между частотой питания f , числом полюсов p и синхронной скоростью (скоростью вращающегося поля) n s определяется по формуле:
В следующей таблице частоты указаны в герцах (Гц), а скорости вращения — в оборотах в минуту (об/мин):
