Синхроскоп: Принцип работы и применение в электроэнергетических системах.

Введение

В системах переменного тока синхроскоп – это прибор, показывающий степень синхронизации двух систем (генераторов или энергосетей). Для синхронизации двух электрических систем обе системы должны работать на одинаковой частоте, а фазовый сдвиг между ними должен быть равен нулю (при этом две многофазные системы должны иметь одинаковую последовательность фаз). Синхроскопы измеряют и отображают разность частот и фазовый сдвиг между двумя энергосистемами. Только при нулевых значениях этих двух параметров безопасным является соединение систем. Соединение двух несинхронизированных систем переменного тока может привести к возникновению больших токов, которые серьезно повредят оборудование, не защищенное предохранителями или автоматическими выключателями.

Принципы работы

Простейшее средство синхронизации генератора с другой системой – использование ламп, включенных между соответствующими фазами двух систем; когда лампы не горят, напряжение и частота обеих систем совпадают, и генератор можно подключить. Однако точность этого метода невелика, поскольку сложно различить незначительные разности фаз, а лампы не отображают относительные скорости систем. Синхроскопы – это приборы, показывающие разность относительных частот (скоростей) и фазовый угол между машиной, подлежащей синхронизации, и напряжением системы. Поскольку большинство синхроскопов подключены только к одной фазе обеих систем, они не гарантируют правильность последовательности фаз. При подключении генераторов к энергосистеме впервые или при использовании временных соединений требуются дополнительные средства для обеспечения одинаковой последовательности фаз в обеих системах. Некоторые генераторы используют одновременно синхроскоп и комплект из двух ламп. Если лампы загораются не по порядку, значит, последовательность фаз неверна. Синхроскопы – это электродинамические приборы, работающие за счет взаимодействия магнитных полей для вращения указателя. В большинстве конструкций, в отличие от вольтметров и ваттметров, отсутствует пружинный возвратный момент, противодействующий крутящему моменту, создаваемому магнитным полем; система указателя может вращаться непрерывно. Синхроскопы оснащены демпфирующим лопастью для гашения колебаний подвижной системы. Поляризованный лопастной синхроскоп имеет полевую обмотку с фазосдвигающей цепью, создающей вращающееся магнитное поле. Полевые обмотки подключены к "подключаемой" машине. К "работающей" системе подключена однофазная поляризующая обмотка, установленная перпендикулярно полевой обмотке и создающая магнитный поток, проходящий через подвижные лопасти. Подвижные лопасти вращают вал с указателем, перемещающимся по шкале. Если частота источника, подключенного к поляризующей обмотке, отличается от частоты источника, подключенного к полевой обмотке, указатель непрерывно вращается со скоростью, пропорциональной разнице частот систем (разностной частоте). На шкале указаны направления вращения, соответствующие тому, что "подключаемая" машина вращается быстрее, чем "работающая" система. При совпадении частот подвижные лопасти займут положение, соответствующее разности фаз между двумя источниками. Затем скорость "подключаемой" машины можно отрегулировать для обеспечения согласования фаз обеих систем. В приборе с движущимся железным элементом железный лопасть установлен на валу вместе с указателем. Полевая обмотка – трехфазная, фазы которой подключены как к "работающему", так и к "подключаемому" источникам через фазосдвигающую сеть "импедансов", содержащую резисторы, конденсаторы и индукторы. В этом приборе полевая обмотка, по сути, создает два вращающихся магнитных поля от "работающего" и "подключаемого" источников. Железный лопасть перемещается под воздействием результирующей суммы этих двух полей. Кросс-катушечный синхроскоп в некоторой степени напоминает асинхронный двигатель с фазным ротором. Двухфазная обмотка ротора соединена с источником "подключаемой" машины через фазосдвигающую сеть с помощью щеток и контактных колец. Стационарная обмотка поля подключена к "подключаемому" источнику. Электронные цифровые системы могут непосредственно измерять и отображать разность фазовых углов. Дисплей может представлять собой кольцо из отдельных светодиодов, расположенных для имитации эффекта движущегося указателя по шкале, при этом другой цвет светодиода указывает на состояние "в фазе". Эти приборы также могут иметь релейный контакт для использования во внешних цепях управления, сигнализирующий о синхронизме.

The simplest aid to synchronizing a generator to another system uses lamps wired between similar phases of the two systems; when the lamps stay dark, the voltage and frequency of the two systems are the same and the generator may be connected. However, the accuracy of this approach is low since it is difficult to discern slight phase differences, and the lamps do not show the relative speeds of the two systems. Synchroscopes are instruments that show the relative frequency (speed) difference and the phase angle between the machine to be synchronized and the system voltage. Since most synchroscopes are connected only to a single phase of the two systems, they cannot assure that the phase sequence is correct. When generators are newly connected to a power system, or temporary connections are used, other means are required to assure both systems have the same phase sequence. Some generators use both a synchroscope and a set of two lamps. If the lamps flash out of sequence, then the phase sequence is incorrect. Synchroscopes are electrodynamic instruments, which rely on the interaction of magnetic fields to rotate a pointer. In most types, unlike voltmeters and wattmeters, there is no restoring spring torque for the magnetically produced torques to overcome; the pointer system is free to rotate continually. Synchroscopes have a damping vane to smooth out vibration of the moving system. A polarized vane synchroscope has a field winding with a phase shifting network arranged to produce a rotating magnetic field. The field windings are connected to the "incoming" machine. A single phase polarizing winding is connected to the "running" system. It is mounted perpendicular to the field winding and produces a magnetic flux that passes through the moving vanes. The moving vanes turn a shaft that carries a pointer moving over a scale. If the frequency of the source connected to the polarizing winding is different from the source connected to the field winding, the pointer rotates continually at a speed proportional to the difference in system frequencies (the beat frequency). The scale is marked to show the direction of rotation corresponding to the "incoming" machine running faster than the "running" system. When the frequencies match, the moving vanes will rotate to a position corresponding to the phase difference between the two sources. The incoming machine can then be adjusted in speed so that the two systems are in phase agreement. In the moving iron instrument, an iron vane is mounted on a shaft along with the pointer. The field winding is a three phase winding, with the phases connected to both the running and incoming sources through a phase shifting "impedor" network containing resistors, capacitors, and inductors. In this instrument, conceptually the field winding produces two rotating magnetic fields due to the running and incoming sources. The iron vane moves in response to the resultant sum of the two fields. The cross coil synchroscope somewhat resembles a wound field induction motor. A two phase rotor winding is connected to the incoming machine source by a phase shifting network through brushes and slip rings. The stationary field winding is connected to the incoming source. Electronic digital systems can measure and display the phase angle difference directly. The display may be a ring of discrete LEDs arranged to simulate the effect of a pointer moving over a scale, with a different color of LED to indicate the "in phase" condition. These instruments may also have a relay contact for use by external control circuits, to indicate synchronism.

Процесс синхронизации

Синхроскопы используются на любой электростанции, подключенной к внешней электрической сети, а также на изолированных электростанциях, содержащих более одного генератора. Каждый генератор должен быть синхронизирован с другими, прежде чем быть подключенным к шинам станции. Если напряжения линий не согласованы при подключении, возникнет большой ток, поскольку каждая линия будет пытаться выровнять другую, что приведет к повреждениям. Когда операторы электрического генератора хотят подключить его к сети, они сначала запускают генератор, вращая его со скоростью, приблизительно равной частоте сети, к которой планируется подключение. Затем напряжение генератора согласовывается с напряжением сети путем регулировки тока возбуждения. Синхроскоп подключается к энергосистеме и к запускаемому генератору. Если генератор вращается с частотой ниже частоты сети, указатель синхроскопа непрерывно вращается в направлении (обычно против часовой стрелки), обозначенном как "медленно" или "отставание" на циферблате, указывая, что генератор работает медленнее или отстает от сети. Если генератор вращается быстрее, чем сеть, указатель непрерывно вращается в противоположном направлении, обозначенном как "быстро" или "опережение". Далее оператор станции регулирует скорость генератора до тех пор, пока она не станет точно такой же (частотой), как и у сети. По мере приближения частоты генератора к частоте сети, указатель синхроскопа замедляется, и когда частоты совпадают, указатель перестает вращаться. Перед подключением генератора к сети необходимо выполнить еще одну задачу. Хотя генератор и сеть теперь работают на одной частоте, они не обязательно находятся в одной и той же фазе вращения. Если две электрические сети, работающие с разными фазовыми углами, будут соединены друг с другом, возникнет авария, аналогичная короткому замыканию, что может привести к повреждению генератора или другого оборудования. Положение (а не вращение) указателя синхроскопа указывает на фазовый угол между двумя системами. Угол между системами равен нулю, когда указатель синхроскопа находится точно на линии между отметками "медленно" и "быстро" на циферблате. (На примере изображения в этой статье нулевой фазовый угол соответствует положению "12 часов"). Скорость привода слегка регулируется в соответствии с показаниями "медленно" или "быстро" на указателе. Непосредственно перед тем, как указатель достигнет нулевой отметки, оператор станции возвращает генератор к частоте сети, чтобы остановить стрелку при достижении нулевой отметки. Когда указатель находится в нуле и неподвижен, обе системы синхронизированы. После синхронизации обеих систем их можно безопасно соединить. В зависимости от применения и схемы подключения оператор замыкает выключатель, когда указатель синхроскопа проходит примерно через положение "11 часов", медленно двигаясь в сторону "быстро". Идея заключается в том, что в момент замыкания выключателя разность фаз будет близка к нулю (12 часов). Небольшая избыточная частота предназначена для предотвращения параллельного включения генератора в сеть в качестве двигательной нагрузки, что может повредить первичный двигатель (паровую турбину или двигатель внутреннего сгорания). Машина может быть защищена от этого явления с помощью реле обратной мощности. На некоторых электростанциях между генератором и системными шинами (или между измерительными трансформаторами, подключенными к этим шинам) может быть подключен набор ламп в качестве резервного индикатора синхроскопа. Лампы мигают в зависимости от разницы между частотой системы и генератора. Лампы могут быть подключены так, чтобы гаснуть, когда фазовые напряжения идентичны и находятся в фазе.

Synchroscopes are used in any power plant that connects to an outside electrical grid and also in isolated plants containing more than one generator. Each generator must be synchronized with the others before being connected to the plant bus. If line voltages are unequal when they are connected, a heavy current will flow as each line will attempt to equalize the other, causing damage in the process. When operators of an electric generator wish to connect it to the grid, they first start the generator spinning at a rate approximately equal to the line frequency of the grid with which they plan to connect. The voltage of the generator is then matched with the grid by adjusting the field/armature current. The synchroscope is connected to the power grid and to the generator being started. If the generator is turning at a lower frequency than the grid, the synchroscope pointer rotates continually in the direction (usually counterclockwise) marked "slow" or "lag" on the dial to indicate that the generator is running slower than, or lagging behind, the grid. If the generator is running faster than the grid, the pointer rotates continually in the opposite direction, marked "fast" or "lead". Next, the plant operator adjusts the speed of the generator until it is running at precisely the same speed (frequency) as the grid. As the frequency of the generator nears that of the grid, the synchroscope pointer slows down and when the frequencies match, the pointer stops rotating. There is then one more task to perform before the generator can be connected to the grid. Although the generator and the grid are now operating at the same frequency, they are not necessarily at the same position in the rotational cycle as each other. If two electrical networks operating at two different phase angles were to be connected to each other, a fault similar to a short circuit would occur, presenting a hazard of damage to the generator or other equipment. The position (as opposed to rotation) of the pointer on a synchroscope indicates the phase angle between the two systems. The angle between the systems is zero when the synchroscope pointer is directly on the line in between the "slow" and "fast" markings on the dial. (In the picture example in this article, the zero phase angle position is straight upwards, at the "12 o'clock" position.) Speed of the prime mover is adjusted slightly according to the "slow" or "fast" indication of the pointer. Slightly before the pointer reaches the zero mark, the plant operator returns the generator to the grid frequency in order to stop the needle when it reaches the zero mark. When the pointer is at zero and is not moving, the two systems are synchronized. Once the two systems are synchronized, they can be safely connected. Depending on the application and the circuit design, the operator closes the break when the synchroscope pointer is passing through approximately "11 o'clock", while traveling slowly in the fast direction. The idea is that when the breaker makes contact, the phase difference would be close to zero (12 o'clock). The slightly faster frequency is intended to prevent the generator paralleling onto the grid as a motor load, potentially damaging the prime mover (steam turbine or reciprocating internal combustion engine). The machine may be protected from this occurrence by a "reverse power" trip. In some power plants, a set of lamps may be connected between the generator and system busses (or between the instrument transformers connected to those busses) as a backup to the synchroscope instrument. The lamps flicker at the difference between system and generator frequency. The lamps can be connected to go dark when the phase voltages are identical and in phase.

Многомоторные транспортные средства

Помимо синхронизации генераторов с энергосистемами, аналогичные приборы, показывающие разницу частот, используются на многодвигательных судах и самолетах для точной синхронизации скорости работы двигателей. Это позволяет снизить шум и вибрацию, возникающие из-за незначительных расхождений, например, в скорости вращения двух воздушных винтов на самолете. В этом случае синхроскоп реагирует на малейшие различия в скорости, которые не отображаются на тахометре двигателя.