Регулирование частоты в электрических системах требует изменения мощности, выдаваемой генераторами в сеть.
Мощность генераторов в установившихся режимах и возможности её изменения полностью определяются характеристиками турбин, которыми эти генераторы приводятся во вращение. Поэтому, рассматривая возможности регулирования частоты в электрических системах, необходимо проанализировать характеристики первичных двигателей – тепловых и гидравлических турбин – определяющих изменение выдаваемой генераторами мощности под действием систем регулирования.
На принципиальной схеме регулирующего устройства первичного двигателя (тепловой или гидравлической турбины, показанной на рис.2.1), в качестве источника энергии показан напорный резервуар с водой 1, расположенный по отношению к турбине 3 так, что обеспечивает напор, необходимый для выдачи турбиной номинальной мощности. Связь между ними обеспечивает трубопровод 2.
|
| Рис. 2.1. Принципиальная схема регулирующего устройства первичного двигателя (гидравлической турбины) 1 - напорный резервуар с водой (или паровой котёл); 2 -трубопровод; 3 - турбина; 4 - генератор; 5 -механическая передача; 6 - регулятор скорости турбины; 7 - подвижная муфта; 8 - пружина; 9 - установочный двигатель (механизм изменения оборотов – МИО); 10 - поршень золотника; 11 - серводвигатель; 12 - регулирующая задвижка; 13 - автоматический регулятор частоты. Рычаги поршней: А – серводвигателя; Б – золотника; а - в – механическая обратная связь в автоматическом регуляторе скорости |
Турбина 3 приводит во вращение генератор 4, а также через механическую передачу 5 вал маятника регулятора скорости турбины 6. Маятник регулятора связан с муфтой 7, причём изменение скорости вращения вала вызывает перемещение муфты по высоте вала под действием сил, определяемых сжатием пружины 8 (стремится опустить муфту) и положением инерционных грузов вращающегося маятника (при увеличении частоты вращения стремятся поднять муфту по валу).
Перемещение муфты обуславливает изменение положения поршня золотника 10, в камеру которого под давлением поступает масло. При этом открывается либо верхний, либо нижний канал, и масло из золотника попадает в серводвигатель 11.
Масло, воздействуя на поршень серводвигателя, смещает его и изменяет положение регулирующей задвижки 12, которая условно отражает действие направляющего аппарата турбины.
На принципиальной схеме показан также автоматический регулятор частоты 13, который через установочный моторчик 9 воздействует на муфту 7. Буквами А и Б отмечены соответственно рычаги поршня серводвигателя и поршня золотника.
Рассмотрим взаимодействие турбины и элементов системы регулирования её скорости в совместной работе.
Допустим, в силу изменения загрузки генератора, снизился электрический момент сопротивления на валу турбина-генератор, что вызвало увеличение скорости вращения подвижной механической части агрегата. При этом увеличивается скорость вращения маятника регулятора. В силу инерционности масс грузов маятника, они переместятся вверх, смещая вверх и муфту регулятора. При этом перекрывается верхний канал золотника и открывается нижний, пропуская масло под давлением в нижнюю часть серводвигателя. Поршень серводвигателя перемещается вверх, через систему рычагов опуская задвижку подачи энергоносителя на турбину. При этом вращающий момент агрегата становится равным тормозному. Одновременно поворачивается горизонтальная тяга, открывая верхний канал золотника (обратная механическая связь).
Чтобы лучше уяснить действие регулятора скорости, рассмотрим процессы в регулируемых и нерегулируемых турбинах.
Предположим, что исходному установившемуся режиму отвечают некоторая скорость 
и вращающий момент 
(интервал времени 
на рис.2.2). При этом вращающий механический момент турбины уравновешен противодействующим электромагнитным моментом генератора. Предположим также, что в силу каких-либо причин нагрузка генератора уменьшилась (момент 
). Механический момент (
) в данном случае стал больше тормозящего электрического момента (
).
|
| Рис. 2.2. Динамика изменения механических характеристик нерегулируемой турбины |
На нерегулируемой турбине под влиянием избыточного механического момента (
) агрегат турбина-генератор увеличивает скорость 
. При этом в нерегулируемой турбине будет уменьшаться момент. Когда механический момент сравняется с электрическим (в момент 
), установится новая постоянная скорость 
.
Автоматический регулятор скорости, вступающий в действие с запаздыванием 
, будет менять характер процесса, который может быть либо апериодическим (рис.2.3, а), либо колебательным (рис.2.3, б)
| 
|
| Рис. 2.3. График изменения скорости на регулируемых турбинах: а - апериодический процесс; б – колебательный процесс | |
Под действием регулятора скорости либо восстанавливается скорость начального режима , либо устанавливается некоторая новая скорость 
, близкая к .
В первом случае, когда после изменения нагрузки и окончания переходного процесса регулятор восстанавливает прежнюю скорость турбины , регулирование называется "астатическим" (рис.2.4).
Если при изменении нагрузки и окончании переходного процесса устанавливается новая, отличная от прежней скорость , то такая система регулирования называется "статической".
|
| Рис. 2.4. Основные типы характеристик систем регулирования скорости турбины |
Регуляторы скорости турбин оказывают стабилизирующее влияние на частоту в системе и поэтому часто называются первичными регуляторами частоты. Процесс изменения частоты под действием этих регуляторов называется "первичным регулированием частоты".
Реальные регуляторы частоты имеют статическую характеристику. Добиться астатической характеристики у регулятора, действующего в функции частоты вращения системы "турбина - ротор генератора", практически очень трудно.
Для астатического регулирования, т.е. для дополнительной корректировки частоты в системе, применяется так называемое "вторичное регулирование". В процессе вторичного регулирования осуществляется изменение мощности, развиваемой турбинами, в зависимости от частоты переменного тока. Вторичное регулирование ведётся либо автоматическими регуляторами частоты (вторичными регуляторами скорости), либо вручную обслуживающим персоналом по показаниям приборов.
Основным численным показателем статической характеристики автоматической системы регулирования является коэффициент статизма:
 ,
|
где 
- относительное изменение частоты:
 ,
|
- относительное изменение активной мощности
 .
|
Коэффициент статизма 
является коэффициентом передачи замкнутой автоматической системы регулирования частоты вращения энергоагрегата по главному возмущающему воздействию – мощности нагрузки синхронного генератора. Для астатической автоматической системы регулирования изменение мощности генератора не приводит к изменению регулируемой частоты вращения, т. е.
|
Возвращаясь к принципиальной схеме регулятора мощности (рис.2.1), вторичное регулирование частоты реализуется за счёт дополнительного перемещения муфты под действием установочного двигателя 9, называемого механизм изменения оборотов (МИО). Управление двигателем может осуществляться вручную или автоматическим регулятором частоты 13.
В результате вторичного регулирования статическая характеристика турбины перемещается параллельно самой себе до тех пор, пока частота не станет номинальной.
Рассмотрим реакцию системы турбина - генератор, снабжённой первичным и вторичным регуляторами частоты, на примере увеличения нагрузки потребителей (рис.2.5).
а)
| 
б)
|
в)
| 
г)
|
| Рис. 2.5. Реакция системы турбина-генератор с первичным и вторичным регуляторами на рост нагрузки присоединенной сети | |
Исходное состояние показано на рис.2.5, а.
Участок 1 - 2: увеличение нагрузки (рис.2.5, б). На интервале (0 - t запазд) первичного регулятора увеличению нагрузки с Р н1 до Р н2 соответствует снижение частоты с f ном до f 2, поэтому новая характеристика нагрузки проходит ниже.
Участок 2 - 3: первичное регулирование частоты (рис.2.5, в). Значение частоты возрастает от f 2 до f 3.
Участок 3 - 4: вторичное регулирование частоты (АРЧ) (рис.2.5, г). Значение частоты возрастает: от f 3 до f ном. В результате вторичного регулирования статическая характеристика турбины перемещается параллельно самой себе до тех пор, пока частота не станет номинальной.
