Synchroniseren van DC-Generatoren: Beste Praktijken voor Parallelle Werking en Lastverdeling

Parallelle Werking van DC-Generatoren – Voorwaarden, Voordelen en Lastverdeling

In een energienetwerk wordt stroom geleverd door meerdere generatoren die in een onderling verbonden netwerk werken. In plaats van één grote generator worden meerdere kleine DC- of AC-generatoren parallel bediend.

Soms worden DC-generatoren als reservecentrale gebruikt. Het is niet altijd mogelijk om één generator te hebben die aan alle lastvereisten voldoet. Om de lastvraag te bevredigen, worden meerdere DC-generatoren parallel geschakeld.

Tegenwoordig wordt parallelle werking van DC-generatoren breed toegepast in netwerken om de volgende voordelen te behalen:

• Gerelateerd: Parallelle Werking van Eenfasige & Drie-fasige Transformatoren

Voordelen van Parallelle Werking van DC-Generatoren

De voordelen van parallelle werking zijn:

Continuïteit van Levering

Continue stroomvoorziening is een primair vereiste. Als een centrale slechts één generatoreenheid heeft, is dit niet te garanderen. Bij onderhoud of storing van die ene generator stopt de hele centrale. Met meerdere generatoren in plaats van één eenheid kan de centrale betrouwbaarder worden gebruikt. Veel klanten (zoals ziekenhuizen, fabrieken) hebben een ononderbroken stroomvoorziening nodig.

Betere Efficiëntie

Generatoren in centrales zijn ontworpen voor volllastwerking en bereiken maximale efficiëntie op volllast. Maar de stroomvraag is niet constant; het fluctueert tussen piekbelasting overdag en minimumbelasting 's nachts. Het is economisch om 's nachts een kleine generator en overdag een grote generator te gebruiken. Als de vraag stijgt, worden beide generatoren parallel geschakeld om de hoge vraag efficiënt te bevredigen.

Eenvoudig Onderhoud en Reparatie

Generatoren vereisen periodiek onderhoud voor lange levensduur en efficiënte werking. Tijdens onderhoud moet een andere generator de last dragen. Het is gemakkelijk om generatoren te onderhouden. Bij een storing duurt het voordat de generator weer operationeel is; een andere generator kan dan de last aanvoeren.

Flexibiliteit

Parallelle schakeling van generatoren biedt meer flexibiliteit dan één grote generator. Meerdere kleine generatoren kunnen samen geschakeld worden op verschillende locaties. Een enkele grote generator vereist meer ruimte. In plaats daarvan worden meerdere generatoren op verschillende locaties geïnstalleerd.

Kosteneffectief

De kosten van elektriciteit dalen als generatoren altijd op volllast werken. Bij hoge lastvraag worden meer generatoren parallel geschakeld; bij lage vraag minder. De overige generatoren staan in stand-by. Alle generatoren werken dus onder volllastcondities, wat de kosten van elektriciteit verlaagt.

Eenvoudige Uitbreiding

De elektriciteitsvraag neemt dagelijks toe. Bij het bouwen van een centrale moet altijd ruimte voor toekomstige uitbreiding worden voorzien. In plaats van een geheel nieuwe centrale te bouwen, is het eenvoudig om meer generatoren toe te voegen en parallel te schakelen om aan de groeiende vraag te voldoen.

Vanwege deze voordelen wordt parallelle werking van generatoren breed toegepast. DC-generatoren zijn ingedeeld in drie typen:

• DC-schakelgenerator (shunt)
• DC-seriegenerator
• DC-samensteld generator (compound)

Er is een verschil in de aansluiting van ankerspoeling en veldspoeling per type. Hier bespreken we hoe elk type parallel geschakeld kan worden.

Parallelle Werking van DC-Schakelgenerator (Shunt)

Om twee generatoren parallel te schakelen, moeten hun positieve en negatieve klemmen met de overeenkomstige klemmen van de busstaven verbonden worden. De busstaf is een zware koperen staaf waarvan de klemmen fungeren als de klemmen van de gehele centrale.

Het aansluitschema van de parallelle werking van de DC-shunt-generator:

De anker van generator 1 is aangesloten op de busstaf en levert de last. Nu moet generator 2 aan het systeem gekoppeld worden. Hiervoor moet generator 2 met dezelfde polariteit worden aangesloten. Anders ontstaat een ernstige kortsluiting met blijvende schade aan de generatoren.

Voordat generator 2 wordt aangesloten, is schakelaar S open. Een voltmeter is aangesloten over de schakelaar. Eerst wordt de anker van generator 2 op de nominale toer gebracht. De vervoering van generator 2 wordt gewijzigd tot de voltmeter nul aangeeft. Dit betekent dat de klemspanning gelijk is aan de busstafspanning of de spanning van generator 1.

Na het sluiten van schakelaar S is generator 2 parallel geschakeld met generator 1. Maar generator 2 neemt nog geen last op, omdat de geïnduceerde EMK gelijk is aan de busstafspanning. Er vloeit geen stroom bij gelijke potentiaalverschillen. In deze toestand heet generator 2 een 'drijvende generator' in het systeem.

De geïnduceerde EMK van de nieuwe generator moet hoger zijn dan de busstafspanning. Dan levert generator 2 last. De stroom die generator 2 levert is:

Waarbij:

• R_a = Weerstand van ankerkring
• E = Geïnduceerde EMK
• V = Busstafspanning

De geïnduceerde EMK van een nieuwe generator kan worden geregeeld door het veld te regelen. Door de geïnduceerde EMK te regelen, kan de lastverdeling worden gestuurd.

Parallelle Werking van DC-Samenstelde Generator (Compound)

Het aansluitschema van twee parallel geschakelde samenstelde generatoren:

De samenstelde generator heeft stijgende kennlijnen. Zonder correctieve apparaten is de parallelle werking van DC-compound-generatoren instabiel. Bij opstart nemen beide generatoren een gelijke lastverdeling. Als de stroom door de serie-veldspoorling van generator-1 toeneemt, versterkt dit het veld. Dit verhoogt de gegenereerde EMK en generator-1 neemt meer last.

We nemen aan dat de last constant is. De lastverdeling van generator-2 neemt af en het serie-veld wordt zwakker. Dit laat de last verder dalen. Dit effect is cumulatief. Na verloop van tijd neemt generator-1 de volledige last en generator-2 werkt als motor. De stroomonderbreker van één generator zal dan afschakelen en de werking stoppen.

Om deze werking stabiel te maken, is een correctief apparaat nodig. In deze parallelle werking wordt een egalisatorstaf (equalizer bar) aangesloten op de ankerzijde van de serieveldsponingen. De egalisatorstaf is een laagohmige geleider. Het maakt de werking van over-compound en vlakke-compound generatoren stabiel.

Bijvoorbeeld: generator-1 begint meer last te nemen. De serie-veldstroom neemt toe. Deze verhoogde stroom loopt deels door de serie-veldspoorling van generator-1 en deels door die van generator-2. Beide generatoren worden op dezelfde manier beïnvloed. Generator-1 kan niet de volledige last nemen en generator-2 valt niet volledig uit.

Voor een goede parallelle werking en gelijke lastverdeling moet de regeling van beide generatoren gelijk zijn en de serie-veldsweerstand omgekeerd evenredig met de generatorwaarden.

Parallelle Werking van DC-Seriegenerator

Het aansluitschema van de parallelle werking van twee DC-seriegeneratoren:

We nemen aan dat beide generatoren identiek zijn en een gelijke lastverdeling hebben. Maar om welke reden dan ook stijgt de geïnduceerde EMK van generator-1 (E1 > E2). De generatorstroom I1 is dan groter dan I2. Dit versterkt het serie-veld van generator-1 en zwakt dat van generator-2.

Dit is een cumulatief proces. Uiteindelijk neemt generator-1 de volledige last en generator-2 werkt als motor. Net als bij de compound-motor wordt dit probleem opgelost door een egalisatorstaf. Hierdoor leveren beide machines ongeveer gelijke stromen aan de last.

Lastverdeling van DC-Generator

De DC-shunt-generator heeft een iets dalende kennlijn. Het is de meest geschikte generator voor stabiele parallelle werking. Als één generator meer of minder last neemt, herstellen beide generatoren door hun neiging de oorspronkelijke lastverdeling direct weer.

Bij een storing valt één generator uit en wordt het veld verzwakt. In deze toestand neemt het serie-veld van de andere generator toe. De stroomonderbreker gaat open en de defecte generator wordt uit het systeem gehaald. Deze methode van verwijderen en aansluiten maakt het systeem betrouwbaar en helpt schokken en plotselinge storingen van de primemover en het systeem te voorkomen.

De spanningskennlijn van de shunt-generator:

Uit de kennlijn blijkt dat voor dezelfde klemspanning V, generator-1 I1 levert en generator-2 I2 levert. Generator-1 heeft een sterkere dalende kennlijn en levert minder stroom. Beide generatoren verdelen de last gelijk op alle punten als hun kennlijnen gelijk zijn en dezelfde spanningsval van onbelast tot volllast hebben.

Als twee generatoren met verschillende kVA-waarden parallel geschakeld worden, wordt de last verdeeld volgens hun waarden. Hun externe kennlijnen, uitgedrukt in percentage volllaststroom, moeten identiek zijn:

Bijvoorbeeld: één generator van 100 kVA en één van 200 kVA parallel met een last van 240 kW. De eerste generator deelt 80 kW, de tweede 160 kW.

De gecombineerde werkkennlijn kan getekend worden als de individuele kennlijnen bekend zijn. De stroom die elke generator levert, kan uit de volgende afbeelding worden afgelezen:

Deze resultaten kunnen ook door eenvoudige berekening worden gevonden als de generator een rechte kennlijn heeft. Nu berekenen we de lastverdeling bij ongelijke onbelaste spanning.

• E₁, E₂ = Onbelaste spanning van twee generatoren
• R₁, R₂ = Ankerweerstand
• V = Gemeenschappelijke klemspanning

Uit de bovenstaande vergelijking blijkt dat de busstafspanning constant gehouden kan worden door Φ₂ of N₂ te verhogen of N₁ of Φ₁ te verlagen. N₂ en N₁ worden gewijzigd door de snelheid van de aandrijvende motoren te veranderen; Φ₁ en Φ₂ kunnen worden geregeerd via de shunt-veldsweerstanden.