Synchronizacja generatora "na ciemno" czyli dawno obiecany wpis na #konstruktorelektrykamator
hejto.pl
#konstruktorelektrykamator #elektryka
No to jest i dawno zapowiadany tekst o najprostszej metodzie synchronizacji generatora z siecią elektryczną.
Naszło mnie na napisanie tego po tym jak w zeszłym tygodniu podłączałem 40kVA agregat prądotwórczy z SZR (Samoczynne Załączenie Rezerwy)
No to zaczynamy. Jak to mówią, Jeden obraz mówi więcej niż tysiąc słów.
Jak wiadomo żeby popłynął prąd elektryczny musi wystąpić różnica potencjałów, czyli muszą być dwa różne napięcia na końcach odbiornika. Pierwszy obrazek przedstawia sytuację gdzie nie ma różnicy napięć, więc i wartość prądu wynosi 0A. Na wykresie widać czerwony wykres 5V z jednego ze źródeł, drugie też ma 5V ale jest pod tym czerwonym, a wykres prądu też jest przykryty (skala prądu jest po prawej stronie). Element R jest przedstawieniem żarówki.
Drugi obrazek pokazuje sytuację gdy mamy różnicę potencjałów, więc i pojawia się jakiś przepływ prądu. Żarówka już zaczęłaby się świecić.
No to podstawy podstaw już mamy, wiemy że żeby energia przepłynęła z jednego miejsca do drugiego musi być różnica napięć. Czyli jeśli generator ma dostarczać energię do sieci musi mieć ciutkę wyższe napięcie niż owa sieć. W tym przypadku V2 to generator a V1 to sieć (odbiorniki). Tak np działa ładowanie akumulatora w samochodzie czy w telefonie. Ładowarka podaje wyższe napięcie i wpycha energię do ogniwa.
Podstawy z prądem stałym już mamy więc teraz lecimy z czymś trudniejszym. Przebiegi sinusoidalne.
Teraz wprowadzamy kolejne modyfikację i zaczynamy symulować synchronizację generatora z siecią.
Jeśli mamy jakiś generator (nie ważne czym zasilany) to swoją pracę zaczyna od rozpędzenia wirnika blisko obrotów nominalnych. Załóżmy że jest to hydroelektrownia i wirnik kręci się nominalnie z prędkością 300obr/min i gdzieś w tej okolicy zostaje rozpędzony jako przygotowanie do synchronizacji.
Być może niektórzy zauważyli że czerwony wykres jest podwójną sinusoidą. Wykres przedstawia przepływ prądu przez element R na schemacie ale jest odzwierciedleniem różnicy napięć między sygnałem V1 i V2 czyli sieć i agregat.
Jak widać są momenty gdzie wykres jest bliski 0 a są też gdzie osiąga maksimum 2A. Co 200ms mamy prąd bliski 0 czyli napięcia są identyczne i co 200ms mamy napięcia w przeciwfazie gdzie prądy są maksymalne. Żarówka migałaby co 200ms czyli 5Hz. Nie możemy w takiej sytuacji podpiąć generatora do sieci bo jeśli trafimy w zły moment to napięcie na zaciskach generatora i sieci mogą być skrajnie różne i doszłoby do zwarcia i w najlepszym przypadku uszkodzenia tylko zabezpieczeń a w najgorszym zniszczenie generatora* i/lub trafo.
Cóż możemy zrobić żeby ułatwić sobie takie podłączenie do sieci? A no trzeba tak wyregulować obroty generatora by jego częstotliwość była jak najbliższa tej z sieci. No i np ten ww generator ustawiamy na 301obr/min. Co to nam da? A no taki wykres:
Zmieniła się teraz podstawa czasowa na wykresie, wcześniej była 1s, teraz jest 10s. Czerwony wykres to wciąż różnica napięć między generatorem a siecią. Wartości minimalne i maksymalne wciąż są takie same ale minimum jest raz na 10 sekund a to daje szansę na wpięcie generatora przy minimalnej różnicy napięć.
Ale przecież możemy wyregulować obroty generatora do wartości synchronicznej, czyli nominalnych 300obr/min (50Hz)
No i taką sytuację przedstawia kolejny obrazek. [Uwaga, zmiana skali czasowej na 0,2s]
Ale co to ma być, częstotliwość sieci i generatora są identyczne, 50Hz. Napięcia też są identyczne ale wciąż jest czerwony sinusoidalny wykres przedstawiający różnicę napięć. Skąd to się bierze? Odpowiedź jest prosta, przesunięcie fazowe. Najprościej jest to wytłumaczyć na podstawie zegarka.
Załóżmy że cały świat ma tylko jedną strefę czasową, bądźmy egocentryczni i będzie to czas Greenwich. Co to oznacza? A no to że jak w GB będzie południe to i słońce będzie w zenicie. U nas zegarowo też będzie południe, ale astronomicznie słońce w zenicie było 2 godziny temu czyli o 10. W takich Chinach czy Japonii słońce w zenicie będzie gdzieś o 3 może 4 rano. Znowu gdzieś na Florydzie słońce będzie w zenicie gdzieś koło 18. Wizja chorego świata. Ale tak się dzieje z generatorem. Mimo że operujemy tym samym czasem (częstotliwość) to zenit (szczyt sinusoidy) fizycznie wypada w innych momentach czasu.
Co trzeba zrobić? Zmniejszyć trochę obroty, o ułamek obrotu na sekundę, poczekać aż napięcia się zsynchronizują i znów podnieść obroty o tą samą wartość. Wtedy uzyskamy idealną synchronizację gdzie mamy przebieg sinusoidalny, o identycznej amplitudzie i identycznej częstotliwości i ten sam kąt przesunięcia fazowego.
Co to oznacza? A no to samo co wcześniej, brak różnicy napięć między generatorem a siecią czyli brak przepływu energii. Żarówka jest ciemna. Możemy podłączyć generator do sieci bez obaw o uszkodzenie czegokolwiek.
Tak oto wygląda procedura synchronizacji "Na ciemno", chodzi o to by żarówka wpięta między generator a sieć się nie świeciła, była ciemna.
Tak wygląda teoria, w praktyce zazwyczaj jest to tak że generator daje częstotliwość jak najbliższą nominalnej, np 49,95Hz** i zapina się go do sieci gdy jest minimalna różnica napięć. Wtedy to sieć dostarcza minimalną ilość energii by rozpędził się do prędkości synchronicznej (generator przez tą chwilę jest silnikiem, odbiornikiem energii), i gdy już jest spięty z siecią to podaje się pełną parę/wodę/gaz żeby przeszedł w pracę generatorową.
Są inne rozbudowane układy synchronizacji z żarówkami ale już nie są takie proste. Są układy np z 3 żarówkami, gdzie jedne świecą a drugie nie w przypadku idealnej synchronizacji. Są urządzenia które nazywają się synchroskopami, pokazują czy generator kręci się wolniej czy szybciej od sieci i jaki jest kąt przesunięcia fazowego. Są też ich elektroniczne wersje. Każdy falownik PV (jak większość #oze, są generatory które nie wymagają synchronizacji, ale to inna sprawa) ma zaimplementowany system synchronizacji z siecią.
A na koniec dwa filmiki, jeden z synchronizacji hydrogeneratora z siecią
https://www.youtube.com/watch?v=8rnZXZs7bw4
*W komentarzu do tego filmu jest opisana historia z załączeniem generatora do sieci gdy był w przeciwfazie.
drugi przedstawiający budowę wewnętrzną synchroskopu
https://www.youtube.com/watch?v=SJ3pnyAvngg
** Strona z aktualnym podglądem częstotliwości w europejskiej sieci. Tak, cała europa to jedna wielka sieć energetyczna. Jak wielki żywy organizm.
