В электроэнергетической системе переменного тока (AC) синхронизация — это процесс согласования частоты , фазы и напряжения генератора или другого источника с электрической сетью для передачи мощности . Если два несвязанных сегмента сети должны быть соединены друг с другом, они не смогут безопасно обмениваться энергией переменного тока, пока не будут синхронизированы.
Генератор постоянного тока (DC) можно подключить к электросети, просто отрегулировав напряжение на его клеммах холостого хода в соответствии с напряжением сети, регулируя либо его скорость, либо возбуждение поля. Точная частота вращения двигателя не имеет решающего значения. Однако генератор переменного тока должен дополнительно согласовывать свою синхронизацию (частоту и фазу) с напряжением сети, что требует систематического контроля скорости и возбуждения для синхронизации. Эта дополнительная сложность была одним из аргументов против использования переменного тока во время войны токов в 1880-х годах. В современных сетях синхронизация генераторов осуществляется автоматическими системами.
Существует пять условий, которые необходимо выполнить, прежде чем начнется процесс синхронизации. Источник (генератор или подсеть) должен иметь среднеквадратичное напряжение , частоту , последовательность фаз , угол фазы и форму сигнала, равные таковым в системе, с которой он синхронизируется. [1]
Форма сигнала и последовательность фаз определяются конструкцией генератора и его подключением к системе. Во время установки генератора проводятся тщательные проверки, чтобы убедиться, что клеммы генератора и вся управляющая проводка правильны и порядок фаз (последовательность фаз) соответствует системе. Подключение генератора с неправильной последовательностью фаз приведет к возникновению больших токов, которые могут привести к повреждению, поскольку напряжения системы противоположны напряжениям на клеммах генератора. [2]
Напряжение, частоту и угол фазы необходимо контролировать каждый раз, когда генератор подключается к сети. [1]
Генерирующие агрегаты, подключаемые к электросети, имеют встроенную систему регулирования скорости , которая позволяет им распределять нагрузку пропорционально их номинальной мощности. Некоторые генераторные установки, особенно в изолированных системах, работают с изохронным регулированием частоты, поддерживая постоянную частоту системы независимо от нагрузки.
Последовательность событий аналогична для ручной и автоматической синхронизации. Генератор доводится до примерно синхронной скорости путем подачи большего количества энергии на его вал — например, открывая клапаны на паровой турбине , открывая затворы на гидротурбине или увеличивая настройку топливной рейки на дизельном двигателе . На поле генератора подается напряжение, напряжение на клеммах генератора наблюдается и сравнивается с напряжением системы. Величина напряжения должна быть такой же, как напряжение системы.
Если одна машина немного сдвинута по фазе, она будет синхронизироваться с другими, но если разность фаз велика, возникнут сильные перекрестные токи, которые могут вызвать колебания напряжения и, в крайних случаях, повреждение машин.
Раньше три лампы накаливания подключались между клеммами генератора и клеммами системы (или, в более общем плане, к клеммам измерительных трансформаторов, подключенных к генератору и системе). При изменении скорости генератора огни будут мигать с частотой , пропорциональной разнице между частотой генератора и частотой системы. Когда напряжение на генераторе противоположно напряжению в системе (впереди или позади по фазе ), лампы будут светиться ярко. Когда напряжение на генераторе соответствует напряжению в системе, свет погаснет. В этот момент автоматический выключатель , соединяющий генератор с системой, может замкнуться, и тогда генератор останется синхронизированным с системой. [3]
В альтернативном методе использовалась схема, аналогичная приведенной выше, за исключением того, что соединения двух ламп менялись местами либо на клеммах генератора, либо на клеммах системы. В этой схеме, когда генератор был синхронизирован с системой, одна лампа была бы темной, но две с перепутанными соединениями имели бы одинаковую яркость. Синхронизация на «темных» лампах была предпочтительнее, чем на «ярких» лампах, поскольку легче было различить минимальную яркость. Однако перегорание лампы могло дать ложноположительный результат успешной синхронизации.
Другой ручной метод синхронизации основан на наблюдении за инструментом, называемым «синхроскопом», который отображает относительные частоты системы и генератора. Стрелка синхроноскопа укажет «быструю» или «медленную» скорость генератора относительно системы. Чтобы свести к минимуму переходный ток при замыкании выключателя генератора, обычно включение инициируется, когда стрелка медленно приближается к точке синфазности. Ошибка в несколько электрических градусов между системой и генератором приведет к мгновенному броску напряжения и резкому изменению скорости генератора.
Реле синхронизации позволяют автоматически синхронизировать машину с системой. Сегодня это цифровые микропроцессорные приборы, но раньше применялись электромеханические релейные системы. Синхронизирующее реле полезно для сокращения времени реакции человека на процесс или когда человек недоступен, например, на электростанции с дистанционным управлением. Синхроскопы или лампы иногда устанавливаются в качестве дополнения к автоматическим реле для возможного ручного использования или для контроля генераторной установки.
Иногда в качестве меры предосторожности против несинхронного подключения машины к системе устанавливается реле «проверки синхронизма», которое предотвращает включение автоматического выключателя генератора , если машина не находится в пределах нескольких электрических градусов от синфазности с системой. . Реле проверки синхронизма также применяются в местах, где может быть подключено несколько источников питания и где важно, чтобы несинхронизированные источники не были случайно включены параллельно.
Пока генератор синхронизирован, частота системы будет меняться в зависимости от нагрузки и средних характеристик всех энергоблоков, подключенных к сети. [1] Большие изменения частоты системы могут привести к потере синхронности генератора с системой. Защитные устройства на генераторе сработают и автоматически отключат его.
Синхронные скорости синхронных двигателей и генераторов переменного тока зависят от количества полюсов машины и частоты источника питания.
Зависимость между частотой питания f , числом полюсов p и синхронной скоростью (скоростью вращающегося поля) ns определяется выражением :
В следующей таблице частоты показаны в герцах (Гц), а скорость вращения — в оборотах в минуту (об/мин):
