Synchroskop

Ten synchroskop był używany do synchronizacji elektrowni fabrycznej z siecią energetyczną zakładu.

W systemach elektroenergetycznych prądu przemiennego synchroskop to urządzenie, które wskazuje stopień synchronizacji dwóch systemów ( generatorów lub sieci elektroenergetycznych ) .

Aby dwa systemy elektryczne mogły zostać zsynchronizowane, oba systemy muszą działać z tą samą częstotliwością , a kąt fazowy między systemami musi wynosić zero (a dwa systemy wielofazowe muszą mieć tę samą kolejność faz ). Synchroskopy mierzą i wyświetlają różnicę częstotliwości i kąt fazowy między dwoma systemami zasilania. Tylko wtedy, gdy te dwie wielkości są zerowe, można bezpiecznie połączyć ze sobą dwa systemy. Łączenie ze sobą dwóch niezsynchronizowanych systemów zasilania prądem zmiennym może spowodować przepływ wysokiego prądu, który poważnie uszkodzi sprzęt niezabezpieczony bezpiecznikami lub wyłączniki .

Zasady działania

Najprostsza pomoc w synchronizacji generatora z innym systemem wykorzystuje lampy podłączone między podobnymi fazami dwóch systemów; gdy lampy pozostają ciemne, napięcie i częstotliwość obu systemów są takie same i można podłączyć generator. Jednak dokładność tego podejścia jest niska, ponieważ trudno jest dostrzec niewielkie różnice faz, a lampy nie pokazują względnych prędkości obu systemów. Synchroskopy to instrumenty, które pokazują względną różnicę częstotliwości (prędkości) i kąt fazowy między synchronizowaną maszyną a napięciem systemu.

Ponieważ większość synchroskopów jest podłączona tylko do jednej fazy z dwóch systemów, nie mogą one zapewnić prawidłowej kolejności faz. Gdy generatory są nowo podłączane do systemu elektroenergetycznego lub używane są połączenia tymczasowe, wymagane są inne środki, aby zapewnić, że oba systemy mają tę samą kolejność faz. Niektóre generatory wykorzystują zarówno synchroskop, jak i zestaw dwóch lamp. Jeśli lampki migają w innej kolejności, oznacza to, że kolejność faz jest nieprawidłowa.

Synchroskopy to instrumenty elektrodynamiczne, które opierają się na interakcji pól magnetycznych w celu obracania wskazówki. W większości typów, w przeciwieństwie do woltomierzy i watomierzy , nie ma przywracającego momentu sprężyny, który mógłby pokonać moment obrotowy wytwarzany magnetycznie; system wskaźników może się swobodnie obracać w sposób ciągły. Synchroskopy posiadają łopatkę tłumiącą, która wygładza drgania poruszającego się układu.

Synchroskop z polaryzacją łopatkową ma uzwojenie pola z siecią przesunięcia fazowego, zorganizowaną w celu wytworzenia wirującego pola magnetycznego . Uzwojenia polowe są podłączone do „przychodzącej” maszyny. Jednofazowe uzwojenie polaryzacyjne jest podłączone do układu „działającego”. Jest on zamontowany prostopadle do uzwojenia pola i wytwarza strumień magnetyczny, który przechodzi przez ruchome łopatki. Ruchome łopatki obracają wałek, na którym znajduje się wskazówka poruszająca się po skali. Jeżeli częstotliwość źródła podłączonego do uzwojenia polaryzacyjnego jest różna od częstotliwości źródła podłączonego do uzwojenia pola, wskazówka obraca się w sposób ciągły z prędkością proporcjonalną do różnicy częstotliwości układu (częstotliwość dudnień ). Skala jest zaznaczona, aby pokazać kierunek obrotów odpowiadający „przychodzącej” maszynie pracującej szybciej niż „bieżącemu” systemowi. Kiedy częstotliwości się zgadzają, ruchome łopatki obracają się do pozycji odpowiadającej różnicy faz między dwoma źródłami. Przychodzącą maszynę można następnie dostosować pod względem prędkości, aby oba systemy były zgodne fazowo.

W poruszającym się żelaznym instrumencie żelazna łopatka jest osadzona na trzonku wraz ze wskazówką. Uzwojenie wzbudzenia jest uzwojeniem trójfazowym, z fazami podłączonymi zarówno do źródła pracującego, jak i wejściowego poprzez sieć „impedorów” z przesunięciem fazowym, zawierającą rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne. W tym instrumencie, koncepcyjnie, uzwojenie pola wytwarza dwa obracające się pola magnetyczne ze względu na działające i przychodzące źródła. Żelazna łopatka porusza się w odpowiedzi na wypadkową sumę dwóch pól.

Synchroskop z cewką krzyżową przypomina nieco silnik indukcyjny z polem uzwojonym. Dwufazowe uzwojenie wirnika jest podłączone do wejściowego źródła maszyny za pomocą sieci z przesunięciem fazowym za pomocą szczotek i pierścieni ślizgowych. Stacjonarne uzwojenie pola jest podłączone do źródła wejściowego.

W synchroskopie wzorca Westona ruchomy element nie może swobodnie obracać się w sposób ciągły i oscyluje powoli tam iz powrotem, gdy dwa źródła są synchronizowane. Ruchoma wskazówka jest oświetlana przez lampkę kontrolną podłączoną do trójuzwojeniowego transformatora zasilanego z obu źródeł. Wskaźnik jest podświetlany tylko w stanie zgodnym w fazie, rozróżniając w ten sposób stan zgodny w fazie i 180 stopni poza fazą.

Wszystkie te przyrządy wykorzystują połączenia jednofazowe z systemami pracującymi i wejściowymi, aby uprościć okablowanie. W przypadku większości systemów synchroskopy są połączone za pomocą przekładników napięciowych w celu obniżenia napięcia maszyny do około 120 woltów w celu obsługi instrumentów. Synchroskopy działają tylko w ograniczonym zakresie częstotliwości, kilka procent powyżej i poniżej częstotliwości nominalnej systemu. Instrumenty z cewką krzyżową pobierają stosunkowo dużą ilość energii z systemów i są przeznaczone tylko do krótkotrwałego działania. Instrumenty z ruchomym żelazkiem i spolaryzowanymi łopatkami zmniejszają obciążenie systemu i mogą działać przez dłuższy czas bez przegrzania.

Elektroniczne systemy cyfrowe mogą bezpośrednio mierzyć i wyświetlać różnicę kątów fazowych. Wyświetlacz może być pierścieniem dyskretnych diod LED rozmieszczonych tak, aby symulować efekt poruszania się wskaźnika po skali, z innym kolorem diody LED wskazującym stan „w fazie”. Przyrządy te mogą również mieć styk przekaźnika do użytku przez zewnętrzne obwody sterujące w celu wskazania synchronizmu.

Proces synchronizacji

Przykład pracy synchroskopu na hydroelektrowni.

Synchroskopy są używane w każdej elektrowni, która jest podłączona do zewnętrznej sieci elektrycznej , a także w izolowanych elektrowniach zawierających więcej niż jeden generator. Każdy generator musi być zsynchronizowany z pozostałymi przed podłączeniem do magistrali zakładowej . Jeśli napięcia linii są nierówne, gdy są podłączone, popłynie duży prąd, ponieważ każda linia będzie próbowała wyrównać drugą, powodując uszkodzenia w procesie.

Kiedy operatorzy generatora elektrycznego chcą podłączyć go do sieci, najpierw uruchamiają generator, obracając się z prędkością w przybliżeniu równą częstotliwości linii sieci , z którą planują się połączyć. Napięcie generatora jest następnie dopasowywane do sieci poprzez regulację prądu pola/twornicy. Synchroskop jest podłączony do sieci energetycznej i do uruchamianego generatora.

Jeśli generator obraca się z niższą częstotliwością niż siatka, wskaźnik synchroskopu obraca się w sposób ciągły w kierunku (zwykle przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) oznaczonym na tarczy jako „wolno” lub „opóźnienie”, aby wskazać, że generator działa wolniej lub pozostaje w tyle, siatka. Jeśli generator pracuje szybciej niż sieć, wskaźnik obraca się w sposób ciągły w przeciwnym kierunku, oznaczonym jako „szybko” lub „ołów”. Następnie operator instalacji dostosowuje prędkość generatora, aż będzie on pracował z dokładnie taką samą prędkością (częstotliwością) jak sieć. Gdy częstotliwość generatora zbliża się do częstotliwości sieci, wskaźnik synchroskopu zwalnia, a gdy częstotliwości się zgadzają, wskaźnik przestaje się obracać.

Jest więc jeszcze jedno zadanie do wykonania, zanim generator będzie mógł zostać podłączony do sieci. Chociaż generator i sieć działają teraz z tą samą częstotliwością, niekoniecznie znajdują się w tej samej pozycji w cyklu obrotowym. połączyć ze sobą dwie sieci elektryczne pracujące pod dwoma różnymi kątami fazowymi , wystąpiłaby usterka podobna do zwarcia , stwarzająca zagrożenie uszkodzenia generatora lub innych urządzeń.

Położenie (w przeciwieństwie do obrotu) wskaźnika na synchroskopie wskazuje kąt fazowy między dwoma systemami. Kąt między układami wynosi zero, gdy wskazówka synchroskopu znajduje się bezpośrednio na linii pomiędzy oznaczeniami „wolno” i „szybko” na tarczy. (Na przykładowym obrazku w tym artykule pozycja zerowego kąta fazowego jest skierowana prosto w górę, w pozycji „godzina dwunasta”).

Prędkość głównego napędu jest nieznacznie regulowana w zależności od wskazań wskaźnika „wolno” lub „szybko”. Na krótko przed osiągnięciem przez wskazówkę znaku zerowego operator elektrowni przywraca generator do częstotliwości sieciowej, aby zatrzymać wskazówkę, gdy osiągnie znak zerowy. Gdy wskaźnik znajduje się na zero i nie porusza się, oba systemy są zsynchronizowane.

Po zsynchronizowaniu obu systemów można je bezpiecznie połączyć.

W zależności od zastosowania i konstrukcji obwodu, wyłącznik jest zamykany, gdy wskazówka synchroskopu przechodzi przez mniej więcej „godzinę jedenastą”, poruszając się powoli w szybkim kierunku, dając czas na zamknięcie wyłącznika. Ma to na celu zapobieżenie pracy równoległej generatora z siecią jako obciążenie silnika, co może potencjalnie uszkodzić główny napęd ( turbina parowa lub tłokowy silnik spalinowy). Maszynę można zabezpieczyć przed takim zdarzeniem przez wyłączenie „zasilania zwrotnego”.

W niektórych elektrowniach zestaw lamp może być podłączony między generatorem a szynami systemowymi (lub między przekładnikami podłączonymi do tych szyn) jako rezerwa dla instrumentu synchroskopowego. Lampy migają przy różnicy między częstotliwością systemu i generatora. Lampy można podłączyć tak, aby gasły, gdy napięcia fazowe są identyczne i zgodne w fazie.

Pojazdy wielosilnikowe

Oprócz synchronizacji generatorów z systemami zasilania, podobne przyrządy wskazujące różnicę częstotliwości są stosowane na statkach i samolotach wielosilnikowych, aby umożliwić operatorom dokładną synchronizację prędkości silników. Pomaga to zredukować hałas i wibracje spowodowane niewielkimi różnicami, na przykład w prędkości dwóch śmigieł w samolocie. W tym zastosowaniu synchroskop reaguje na niewielkie różnice prędkości, które nie byłyby widoczne na obrotomierzu silnika .

Linki zewnętrzne