Параллельная работа (синхронизация) дизель-генераторов

Параллельная работа (синхронизация) дизель-генераторов

Дизельные электростанции широко используются для обеспечения резервными мощностями крупных и средних потребителей.

Также они находят применение в электроснабжении предприятий, находящихся в удалении от централизованных сетей. Такие установки комплектуются как минимум двумя агрегатами. Следовательно, должна быть обеспечена безаварийная параллельная работа этих дизель генераторов.

Производители предлагают к продаже большой ассортимент различных электромашин. Возникает вопрос, почему нельзя выбрать один агрегат и ограничиться этим? Дело в том, что набор требуемой мощности с помощью нескольких ДГУ имеет существенные преимущества:

• Несколько небольших дизель-генераторов дешевле, чем одна крупная установка равной мощности.
• Нагрузка предприятий очень редко является постоянной величиной. Чаще всего, ее значение меняется в два-три раза, в зависимости от того, ночь это или день. Поэтому, нерационально вырабатывать ресурс крупного (и дорогого) дизель-генератора, используя его то на треть от номинальной нагрузки, то загружая его на полную мощность.
• Схема с несколькими агрегатами значительно надежнее, чем применение одного генератора. В случае выхода из строя одной из машин электростанции, потребители не останутся полностью без электроснабжения, чего нельзя сказать про одиночную ДГУ.
• Если в составе нагрузки есть один или несколько больших двигателей со значительными пусковыми токами, без нескольких генераторов тоже не обойтись. При пуске обычно работают они все, а затем ненужная мощность отключается.

Одним словом, дизель-генераторная электростанция — это дешевле, надежнее и удобнее, чем одиночный агрегат.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Синхронный и асинхронный генератор

Электричество есть везде. Уже настал тот день, когда с этим сложно спорить. Даже там, куда не дотянулась централизованная электросеть, вовсю используются дизельные и бензиновые генераторы, которые получили широкое распространение не так давно, несмотря на почти двухсотлетнюю историю. Сегодня ассортимент генераторов очень велик, и существует множество способов их классификации, один из которых – классификация по степени синхронизации.

Применительно к электрогенераторам, синхронизация – это совмещение частоты вращения ротора и магнитного поля статора. Соответственно, если частота их вращения совпадает, такой генератор будет называться синхронным, а если нет, то асинхронным.

Синхронный генератор

Как известно, в дизельном или бензиновом генераторе электрический ток образуется после прохождения вращающегося магнитного поля через обмотку. При этом в синхронном электрогенераторе ротор представляет собой постоянный магнит или электромагнит. После запуска генератора он создаёт вокруг себя слабое магнитное поле, которое с увеличением оборотов становится сильнее. В конце концов, число оборотов ротора и магнитного поля синхронизируются, что позволяет получить на выходе наиболее стабильный ток.

В отличие от асинхронного генератора, синхронный агрегат уязвим при перегрузках, поскольку превышение допустимой нагрузки может вызвать сильный скачок напряжения в обмотке ротора. С другой стороны, важным преимуществом синхронного генератора является его способность кратковременно выдавать ток мощностью в 3-4 раза выше номинального, что позволяет подключать к нему такие устройства, как насосы, компрессоры, холодильники и т.д. Иными словами, он предназначен для электроприборов с высокими стартовыми токами. Несмотря на свою уязвимость, стоимость синхронных генераторов выше, чем асинхронных устройств.

Асинхронный генератор

Асинхронный генератор работает в режиме торможения: ротор вращается в одном направлении со статором, но скорость его вращения изначально выше. При этом частота вращения магнитного поля всегда остаётся неизменной, а регулированию поддаётся лишь скорость вращения ротора. Такие генераторы малоуязвимы при коротком замыкании и хорошо защищены от внешних воздействий (пыли, низкой температуры, влаги и т.д.).

Недостатками асинхронного генератора можно назвать обязательное наличие конденсаторов и зависимость частоты выходного тока от стабильности работы дизельного или бензинового двигателя. При этом стоимость такого устройства ниже, чем синхронного, но применяется оно реже. Асинхронные генераторы рекомендуется использовать для подключения устройств, не требующих высокого стартового напряжения и устойчивых к его перепадам.

Консультация

Заполните заявку, мы перезвоним в течение 30 минут и ответим на все ваши вопросы

Отличие асинхронного электродвигателя от синхронного

С виду внешне они похожи, порой даже специалист не отличит по внешним признакам синхронный электродвигатель от асинхронного. У обоих электродвигателей есть неподвижный статор, состоящий из обмоток (катушек), которые уложены в пазы сердечника, набранного из пластин, выполненных из электротехнической стали, и подвижный ротор. Кроме того, функция этих типов электродвигателей одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.

Ротор синхронного двигателя имеет обмотку возбуждения с независимым питанием. Статоры синхронного и асинхронного двигателя устроены одинаково, функция в каждом случае одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.

Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора, в то время как обороты синхронного двигателя равны по частоте «оборотам» магнитного поля статора. И поэтому у асинхронного двигателя есть такой параметр — как СКОЛЬЖЕНИЕ — разность скоростей вращения ротора и вращающегося магнитного поля в статоре. У синхронного электродвигателя частота вращения ротора всегда равна частоте вращения электромагнитного поля.

У этих двух типов двигателей разные области применения: синхронные электродвигатели отличаются гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой, но они дороже и сложней. И поэтому асинхронные двигатели востребованы там, где достаточно их характеристик, ведь они дешевле и проще в изготовлении.

Содержание

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока [2] или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали.

Распределение активной мощности ДЭС, работающей параллельно с другими ДЭС или промышленной сетью.

После включения генератора на параллельную работу с сетью осуществляют прием нагрузки на включенный генератор с помощью увеличения подачи топлива у первичного двигателя включаемого генератора.

Для устойчивой и надежной параллельной работы генераторов необходимо, чтобы активная мощность, отдаваемая работающими генераторами, распределялась между ними пропорционально их номинальным мощностям, так как в противном случае один из параллельно работающих генераторов окажется недогруженным, а другие перегруженными, что вызовет выход последних из строя или выпадение из синхронизма.

Пропорциональное распределение активной мощности между генераторами производится только в том случае, если приводные двигатели имеют одинаковый наклон характеристик, выражающих зависимость частоты вращения дизеля n от активной мощности Р на валу, т.е. одинаковый статизм.

При неодинаковом статизме привода и одинаковой частоте вращения параллельно работающих генераторов распределение активной мощности между ними не будет пропорционально их номинальным мощностям, как показано на рис.2. Чтобы этого не происходило, статизм двигателя заранее регулируют настройкой регулятора подачи топлива.

Рис.2. Распределение активной мощности между параллельно работающими
генераторами 1 и 2 при неравенстве статизма их двигателей.
n — частота вращения генератора;
Р — активная мощность генератора.

Обычно дизельные двигатели имеют статизм 3%, что позволяет обеспечить неравномерность распределения активной мощности между параллельно работающими генераторами не более 10% мощности меньшего генератора.

Для перераспределения активной мощности между параллельно работающими ДЭС необходимо изменить подачу топлива в дизель, например увеличить подачу топлива в дизель генератора, на который переводят активную мощность, и уменьшить подачу топлива в дизель генератора, с которого снимают активную мощность.

Точная синхронизация скорости двигателей с преобразователями частоты YASKAWA GA500 и GA700

В данной статье мы хотим обратить ваше внимание на встроенные в стандартные версии преобразователей частоты YASKAWA возможности по точной синхронизации (согласованию) скоростей нескольких электродвигателей в том числе и с разными передаточными соотношениями.

Общие сведения

Задачи синхронизации скоростей исполнительных механизмов с различными передаточными соотношениями широко распространены в промышленности:

для обеспечения равномерности подачи материалов и продукции: подающие конвейера и шнеки;

в системах перемотки и намотки материалов: текстильное, полиграфическое, упаковочное и тому подобное оборудование;

формообразующее оборудование: экструдеры и прокатные станы различного типа.

Преобразователи частоты YASKAWA обеспечивают высокую точность задания и контроля скорости вращения электродвигателей, которая в сериях GA700 и GA500 может достигать 0,01 Гц, при соответствующем качестве мотора. Современные векторные алгоритмы управления двигателями, используемые ПЧ серий GA позволяют обеспечить максимальную быстроту реакции на изменение нагрузки для поддержания скорости в любых задачах.

Реакция контура управления скорости GA500 на изменение момента нагрузки

Для такой точности и диапазона частот (до 590 Гц) аналогового задания скорости уже недостаточно, поэтому используется или частотное задание (до 32 кГц), или цифровое по промышленным протоколам CANopen, CC-link, DeviceNet, EtherCat, Ethernet/IP, MECHATROLINK, Modbus, Powerlink, PROFIBUS-DP, Profinet. Так же при таком задании сигнал менее подвержен помехам, что повышает точность управления и уменьшает количество сбоев в работе.

Синхронизация скорости при использовании частотного сигнала

В отличии от многих других частотников, ПЧ YASKAWA имеют не только частотный вход для задания скорости с возможностью масштабирования сигнала, но и настраиваемый частотный выход, на который можно дублировать приходящее на ПЧ задание или передавать реальную скорость двигателя. Это позволяет легко обеспечить синхронизацию скоростей при последовательном (каскадном) и параллельном подключении группы преобразователей частоты. Транзисторный частотный выход позволяет подключать параллельно до четырех преобразователей серий GA.

Последовательная (каскадная) схема синхронизации скорости

Параллельная схема синхронизации скорости

Список параметров ПЧ на которые нужно обратить вынимание при настройке:

1) Параметр b1-01 определяет из какого источника (пульт, сети, входы) ПЧ будет получать задание частоты. В случае частотного задания скорости в нем нужно установит значение 4, при сетевом задании 2 или 3;

2) Параметр H6-01 определяет назначение частотного входа RP. Для задания скорости ПЧ через RP в нем нужно установить значение равное 0;

3) Параметр H6-02 отвечает за соответствие частоты входного сигнала RP скорости и может быть использован в качестве электронного редуктора. Например, при подаче на вход RP сигнала с частотой 24000 Гц при установленном параметре H6-02 = 24000 преобразователь выдаст 100 % задания, что по умолчанию соответствует 60,00 Гц и коэффициент пересчет в этом случае равен 1/400;

4) В параметр H6-03 задается при необходимости смещение входного сигнала RP. Например, при необходимости изменения скорости в ведомом не в n раз, а на m Гц или обмин;

5) Параметр H6-07 отвечает за соответствие частоты выходного сигнала MP скорости и может быть использован в качестве электронного редуктора. Например, при скорости 60,00 Гц (100%) и при установленном параметре H6-07=18000 на выходе MP сигнала с частотой 18000 Гц, что соответствует коэффициенту усиления равному 300;

6) В параметр H6-07 задается при необходимости смещение входного сигнала RP;

7) Параметр H6-06 определяет назначение частотного выхода MP. Для получения на выходе входного задания пропорционального RP в нем нужно установить 102, для пропорционального реальной скорости двигателя 105.

Задание скорости и опрос состояний ПЧ по сетевым протоколам при синхронизации

Задание скорости для ведущего (Master) ПЧ может быть, как частотное, так и по цифровому протоколу. Ведомые (Slave) ПЧ, не смотря на то что задание скорости идет по частотному сигналу, могут опрашиваться по цифровым протоколам для диагностики и изменения параметров (например, передаточного соотношения) с основной системы управления. В этом случае проектировщикам так же будет интересна функция, когда, используя одну плату, установленную в ведущий ПЧ, мы можем получать данные еще с четырех ПЧ GA подключенных к нему по встроенному порту RS485 (Modbus RTU).

Пример схемы с заданием скорости по сетевому протоколу

Описанные возможности, дополненные функцией Droop Control и встроенным контроллером ПЧ YASKAWA c ПО DriveWorksEZ, позволяют решить основной объем задач, связанных с точной синхронизацией скоростей электродвигателей без привлечения дополнительного оборудования, то позволяет сократить стоимость системы управления и ускорить процесс проектирования. В случае решения задач, связанных с синхронизации (согласованием) положения валов двигателя нужно использовать преобразователи частоты с дополнительным ПО (прошивкой) «Электронный вал Electronic Line Shaft».