Синхроскоп

В системах электроснабжения переменного тока синхроскоп — это устройство, показывающее степень синхронизации двух систем ( генераторов или сетей электроснабжения ) друг с другом. ^[1]

Для синхронизации двух электрических систем обе системы должны работать на одной частоте , а фазовый угол между системами должен быть равен нулю (и две полифазные системы должны иметь одинаковую последовательность фаз ). Синхроскопы измеряют и отображают разность частот и фазовый угол между двумя системами электропитания. Только когда эти две величины равны нулю, безопасно соединять две системы вместе. Соединение двух несинхронизированных систем электропитания переменного тока может привести к возникновению сильных токов, которые серьезно повредят любое оборудование, не защищенное предохранителями или автоматическими выключателями .

Простейший способ синхронизации генератора с другой системой — это использование ламп, подключенных между аналогичными фазами двух систем; когда лампы остаются темными, напряжение и частота двух систем одинаковы, и генератор можно подключать. Однако точность такого подхода низкая, поскольку трудно различить небольшие различия фаз, а лампы не показывают относительные скорости двух систем. Синхроскопы — это приборы, которые показывают относительную разницу частоты (скорости) и фазовый угол между синхронизируемой машиной и напряжением системы.

Поскольку большинство синхроскопов подключены только к одной фазе двух систем, они не могут гарантировать правильность последовательности фаз. Когда генераторы подключаются к энергосистеме впервые или используются временные соединения, требуются другие средства для обеспечения одинаковой последовательности фаз в обеих системах. Некоторые генераторы используют как синхроскоп, так и набор из двух ламп. Если лампы мигают не в той последовательности, то последовательность фаз неправильная.

Синхроскопы — это электродинамические приборы, которые используют взаимодействие магнитных полей для вращения указателя. В большинстве типов, в отличие от вольтметров и ваттметров , нет восстанавливающего момента пружины для преодоления магнитно-созданных моментов; система указателя может свободно вращаться непрерывно. Синхроскопы имеют демпфирующую лопасть для сглаживания вибрации подвижной системы.

Синхроскоп с поляризованными крыльчатками имеет обмотку возбуждения с фазосдвигающей сетью, предназначенную для создания вращающегося магнитного поля . Обмотки возбуждения подключены к «входящей» машине. Однофазная поляризующая обмотка подключена к «рабочей» системе. Она установлена ​​перпендикулярно обмотке возбуждения и создает магнитный поток , который проходит через движущиеся крыльчатки. Движущиеся крыльчатки вращают вал, на котором находится указатель, движущийся по шкале. Если частота источника, подключенного к поляризующей обмотке, отличается от частоты источника, подключенного к обмотке возбуждения, указатель непрерывно вращается со скоростью, пропорциональной разнице частот системы ( частоте биений ). Шкала отмечена, чтобы показать направление вращения, соответствующее «входящей» машине, работающей быстрее, чем «рабочая» система. Когда частоты совпадают, движущиеся крыльчатки будут вращаться в положение, соответствующее разнице фаз между двумя источниками. Затем скорость входящей машины можно отрегулировать так, чтобы две системы находились в фазовом согласии.

В подвижном железном приборе железный лопасть установлена ​​на валу вместе с указателем. Обмотка возбуждения представляет собой трехфазную обмотку, фазы которой подключены как к рабочему, так и к входящему источникам через фазосдвигающую сеть «импедора», содержащую резисторы, конденсаторы и индукторы. В этом приборе концептуально обмотка возбуждения создает два вращающихся магнитных поля из-за рабочего и входящего источников. Железный лопасть движется в ответ на результирующую сумму двух полей.

Синхроскоп с перекрестной катушкой несколько напоминает асинхронный двигатель с обмоткой возбуждения . Двухфазная обмотка ротора подключена к входящему источнику машины с помощью фазосдвигающей сети через щетки и контактные кольца. Неподвижная обмотка возбуждения подключена к входящему источнику. ^[2]

В синхроскопе Weston подвижный элемент не может свободно вращаться непрерывно и медленно колеблется вперед и назад, когда два источника синхронизируются. Движущийся указатель освещается контрольной лампой, подключенной к трехобмоточному трансформатору, питаемому обоими источниками. Указатель освещается только в состоянии синфазности, тем самым различая состояния синфазности и противофазности на 180 градусов.

Все эти приборы используют однофазные соединения с работающими и входящими системами для упрощения проводки. Для большинства систем синхроскопы подключаются через трансформаторы напряжения для снижения напряжения машины до примерно 120 вольт для работы приборов. Синхроскопы работают только в ограниченном диапазоне частот, на несколько процентов выше и ниже номинальной частоты системы. Приборы типа «перекрестная катушка» потребляют относительно большое количество энергии от систем и предназначены только для кратковременной работы. Приборы с подвижным сердечником и поляризованными крыльчатками оказывают меньшую нагрузку на систему и могут работать в течение более длительного времени без перегрева. ^[2]

Электронные цифровые системы могут измерять и отображать разницу фазового угла напрямую. Дисплей может представлять собой кольцо из дискретных светодиодов, расположенных так, чтобы имитировать эффект перемещения указателя по шкале, с другим цветом светодиода для указания состояния «в фазе». Эти приборы также могут иметь релейный контакт для использования внешними цепями управления для указания синхронизма.

Синхроскопы используются на любой электростанции, которая подключается к внешней электросети , а также на изолированных станциях, содержащих более одного генератора. Каждый генератор должен быть синхронизирован с другими перед подключением к шине станции . Если линейные напряжения не равны при подключении, будет протекать сильный ток, поскольку каждая линия будет пытаться уравнять другую, вызывая повреждения в процессе.

Когда операторы электрогенератора хотят подключить его к сети, они сначала запускают вращение генератора со скоростью, приблизительно равной частоте сети , к которой они планируют подключиться. Затем напряжение генератора согласуется с напряжением сети путем регулировки тока возбуждения/якоря. Синхроскоп подключается к сети и к запускаемому генератору.

Если генератор вращается с более низкой частотой, чем сетка, указатель синхроскопа непрерывно вращается в направлении (обычно против часовой стрелки), обозначенном на шкале как «медленно» или «запаздывание», чтобы указать, что генератор работает медленнее или отстает от сетки. Если генератор работает быстрее сетки, указатель непрерывно вращается в противоположном направлении, обозначенном как «быстро» или «опережает». Затем оператор установки регулирует скорость генератора до тех пор, пока он не будет работать с точно такой же скоростью (частотой), что и сетка. Когда частота генератора приближается к частоте сетки, указатель синхроскопа замедляется, и когда частоты совпадают, указатель прекращает вращаться.

Затем необходимо выполнить еще одну задачу, прежде чем генератор можно будет подключить к сети. Хотя генератор и сеть теперь работают на одной частоте, они не обязательно находятся в одном и том же положении в цикле вращения. Если две электрические сети, работающие на двух разных фазовых углах, будут подключены друг к другу, произойдет неисправность , похожая на короткое замыкание , что представляет опасность повреждения генератора или другого оборудования.

Положение (в отличие от вращения) указателя на синхроскопе указывает фазовый угол между двумя системами. Угол между системами равен нулю, когда указатель синхроскопа находится прямо на линии между отметками «медленно» и «быстро» на циферблате. (В примере изображения в этой статье положение нулевого фазового угла направлено прямо вверх, в положение «12 часов».)

Скорость первичного двигателя слегка регулируется в соответствии с "медленно" или "быстро" указанием указателя. Незадолго до того, как указатель достигнет нулевой отметки, оператор установки возвращает генератор к частоте сети, чтобы остановить стрелку, когда она достигнет нулевой отметки. Когда указатель находится на нуле и не движется, две системы синхронизированы.

После синхронизации двух систем их можно безопасно соединить. В зависимости от применения и конструкции схемы оператор замыкает выключатель, когда указатель синхроскопа проходит примерно через «11 часов», медленно перемещаясь в быстром направлении. Идея заключается в том, что когда выключатель замыкается, разность фаз будет близка к нулю (12 часов). Немного более высокая частота предназначена для предотвращения параллельного включения генератора в сеть в качестве нагрузки двигателя, что может повредить первичный двигатель ( паровую турбину или поршневой двигатель внутреннего сгорания). Машина может быть защищена от этого события с помощью отключения «обратной мощности».

На некоторых электростанциях набор ламп может быть подключен между генератором и системными шинами (или между измерительными трансформаторами, подключенными к этим шинам) в качестве резерва для прибора синхроскопа. Лампы мерцают при разнице между системной и генераторной частотой. Лампы могут быть подключены так, чтобы они гасли, когда фазные напряжения идентичны и синфазны. ^[1]

Помимо синхронизации генераторов с энергосистемами, аналогичные приборы, показывающие разницу частот, используются на многомоторных судах и самолетах, чтобы позволить операторам точно синхронизировать скорость двигателей. Это помогает снизить шум и вибрацию из-за небольших различий, например, в скорости двух винтов на самолете. В этом приложении синхроскоп реагирует на небольшие различия в скорости, которые не будут видны на тахометре двигателя .

• Техническое описание принципа работы синхроскопа
• Программа, демонстрирующая работу синхроскопа от nHance Technologies
• Интерактивное приложение синхроноскопа