5-21. Совместная работа
Водопроводные сети питаются от многих насосов. На водопроводных станциях устроены сборные бассейны, напорные баки. Сюда качают все насосы, и отсюда берут начало водопроводные магистрали. На центральных электростанциях применяют сборные шины. К этим шинам с одной стороны подключаются все генераторы, а с другой — все потребители. Но сборные шины — это не резервуар электроэнергии. Это узел энергопотоков, узел, в котором сливаются отдельные энергетические реки и из которого они вновь растекаются на многочисленные ручьи и каналы. Сложение отдельных потоков электроэнергии — более сложное дело, нежели сложение водяных или газовых потоков. Одна и та же электрическая машина при одной и той же скорости вращения может работать и как двигатель, и как генератор. При неправильном согласовании генератор, включаемый на сборные шины электростанции, вместо того, чтобы помогать остальным генераторам, может вызвать аварию. При неправильной регулировке между отдельными машинами возникают уравнительные токи, снижающие полезную мощность, вызывающие дополнительные потери.
Проще согласовать совместную работу генераторов постоянного тока, сложнее согласуется совместная работа генераторов переменного тока.
5-22. Уравнивание скоростей
Для экспрессов дальнего следования известен такой проект посадки и высадки пассажиров на промежуточных станциях: по параллельным путям пускается вспомогательный состав, который развивает ту же скорость, что и экспресс. Тогда между поездами прокладываются мостки. Пассажиры спокойно переходят по мосткам из одного бешено летящего вагона в другой, мостки убираются, вспомогательный поезд тормозит и возвращается на станцию. Подобным способом производится заправка самолетов горючим в воздухе. Самолет-цистерна подлетает к рейсовому, скорости их уравниваются, между самолетами перекидывается шланг, по которому перекачивается горючее.
Подобные соединения на ходу применяются не так часто по экономическим причинам. Но они могут служить довольно точной аналогией процессу включения на совместную работу двух генераторов постоянного тока. В этих машинах для параллельного включения достаточно выполнить одно условие: уравнять напряжения. Это соответствует уравниванию скоростей в механической аналогии.
Когда напряжения уравнены, рубильник между машинами можно замыкать, и толчка тока не произойдет. Но на современных электростанциях работают генераторы переменного тока. Их работу согласовать труднее.
5-23. Синхронное движение
Каждой весной, как только просохнут тротуары, девочки начинают играть в прыгалки. Двое крутят веревку, а третья следит за ее мельканием. Она примеривается, раскачивается и, наконец, уловив ритм, бросается в ометаемое пространство. Девочка приседает в такт поднимающейся веревке и подпрыгивает, пропуская веревку под ногами. При длинной веревке на нее могут прыгнуть и две, и три девочки, и все они свои прыжки должны совершать в такт движению веревки, строго одновременно.
Такой прыжок на мелькающую веревку напоминает включение турбогенераторов на сборные шины электростанции. На сборных шинах напряжение переменное. Оно беспрерывно пульсирует. За одну пятидесятую долю секунды напряжение проходит от максимального отрицательного значения к максимальному положительному и вновь к максимальному отрицательному.
Не нарушая этих перемен напряжения, надо соединить с шинами вновь пускаемый генератор.
При пуске паровая турбина начинает работу с малой скорости, а затем раскручивает генератор все быстрее и быстрее. И напряжение генератора меняется со все большей и большей частотой. Надо уловить то время, когда оба напряжения — и на сборных шинах электростанции, и на пускаемом в работу генераторе — меняются совершенно одинаково, когда оба эти напряжения одновременно переходят через нуль и одновременно же достигают и положительного, и отрицательного значений.
«Хронос» по-гречески будет время. Поэтому слово синхронно значит «одновременно». И уравнять вращение генератора с частотой переменного тока на шинах электростанции — называется синхронизировать, или синхронизовать генератор.
Похожую операцию совершает водитель автомобиля при каждом переключении скоростей. Сбросив газ и выжав сцепление, он отключает двигатель от ведущих колес. Следующим движением рычага коробки скоростей он должен привести в зацепление другую пару шестерен. Искусство водителя заключается в том, чтобы по возможности уравнять скорости шестерен, и тогда сцепление их произойдет мягко, без толчка. При переходе с высшей скорости на меньшую водитель должен чуть подбавить газу. А переключая на большую скорость, он должен, наоборот, на момент уменьшить газ. Чтобы улучшить переключение, применяют в коробках скоростей синхронизаторы, т. е. приспособления, которые при сближении шестерен начинают уравнивать их скорости, так что к моменту входа в зацепление шестерни полностью синхронизированы и включение их происходит без резкого толчка. Хорошие современные машины снабжаются такими синхронизаторами. Это облегчает работу водителя и увеличивает срок службы коробки скоростей.
5-24. Прыжок на ходу
Для включения генератора переменного тока на сборные шины электростанции требуется уравнять частоту генератора и сборных шин, а также уравнять величину напряжения на генераторе и на шинах.
Здесь надо выполнить условия, необходимые для соединения двух поездов, и, кроме того, условия игры в прыгалки.
Если применить еще одно сравнение, то включение генератора для совместной работы на общие шины можно уподобить прыжку на качели. Не обязательно попасть на мелькающую доску, когда скорость ее наименьшая, когда доска находится в крайнем левом или крайнем правом положении. Можно вскочить на качели и в момент их наибольшей скорости, когда они переходят через свое среднее положение, и в любой другой момент времени. Одно требуется соблюсти. Скорость прыгуна в момент соприкосновения с доской качелей должна соответствовать скорости доски.
Так и момент включения генератора переменного тока на шину может быть любым, произвольным. Можно соединить генератор с шинами и когда напряжение переходит через нуль, и когда оно имеет любое положительное или отрицательное значение. Но как установить, что напряжение генератора меняется совершенно так же, как и напряжение на сборных шинах?
Перед тем, как присоединять генератор к сборным шинам для параллельной работы с другими генераторами, можно между этим вновь присоединяемым генератором и шинами включить лампочку накаливания. На нее будет действовать разность между напряжением на шинах и напряжением генератора.
Рис. 5-22. Осциллограмма суммы напряжений двух генераторов, вращающихся с неодинаковыми скоростями.
Когда эта разность напряжений велика, лампочка горит ярко. Когда разность напряжений уменьшается, лампочка притухает. Погаснет совсем лампочка — значит, напряжение на шинах и генераторе точно согласовано, разницы между ними нет и можно соединить генератор с шинами.
5-25. Случай в Киеве
В 1929 г. швейцарская фирма Броун-Бовери устанавливала на Киевской ЦЭС новую турбину в 5 000 кВт. По тем временам это была весьма почтенная мощность. От фирмы приехал монтировать турбину инженер, молодой, но с большим самомнением. Он всегда ходил, высоко откинув голову, глядя на нас, туземцев, как на пустое пространство. Возможно, он считал себя носителем культуры среди дикарей.
Настал день пуска турбины в работу.
Поздним вечером на командном пульте, расположенном высоко над машинным залом, собралось все начальство электростанции. Поодаль толпились мы, практиканты. Швейцарец подал команду стоявшему внизу машинисту турбины, и тот повернул паровой вентиль. Из вестовой трубы турбины показались тонкие струйки пара. Свиваясь спиралями в конусах света от ярких ламп, туманные завитки поднялись и растаяли в тени решетчатых переплетений мостового крана.
Частыми вспышками замигали три расположенные звездой лампочки на синхроноскопе. Вот мигание замедляется.
Швейцарец протягивает руку к ключу, управляющему масляным выключателем генератора.
Лампочки синхроноскопа вспыхивают и гаснут все медленнее и медленнее. Частота генератора все ближе и ближе подходит к частоте тока на шинах ЦЭС. Вот лампочки померкли — и тут инженер фирмы Броун-Бовери повернул ключ на пульте.
Послышался глухой удар, погасло все освещение, вздрогнули все двигатели на электростанции, затем еще удар, завыла тревожная сирена и вспыхнул красный аварийный сигнал на пульте трансформатора, через который новый генератор должен был питать нагрузку.
Самонадеянный представитель Броун-Бовери не снизошел, оказывается, до того, чтобы поговорить с персоналом Киевской ЦЭС о принятой там системе синхронизации.
Описанное выше включение лампочек, когда на них действует разность напряжений между генератором и шинами, называется включением «на темную». Но можно присоединить лампочки в синхроноскопе таким образом, чтобы при совпадении напряжений в генераторе и на шинах на лампочки действовало суммарное напряжение. Это — включение синхроноскопа «на светлую».
При любом включении свет лампочек пульсирует тем медленнее, чем ближе генератор к синхронизму со сборными шинами.
Но самый момент полного синхронизма при включении лампочек «на светлую» отвечает наибольшей яркости их свечения, а не потуханию, как при включении «на темную».
Швейцарец включил генератор в момент наибольшего рассогласования, когда между генератором и сборными шинами была двойная разность напряжений. Такое включение хуже короткого замыкания.
Трансформатор, на который пришелся этот удар тока, не выдержал его. Под действием динамических усилий обмотки трансформатора сорвались со своих мест, смялись, изоляция их была повреждена.
Потом представитель Броун-Бовери объяснял свои действия тем, что он, дескать, хотел проверить работу защиты. Но в цепи между генератором и трансформатором защитных реле, тο как раз и не было. Да и по схеме не полагалось им быть в этом месте.
Фирма отозвала своего незадачливого представителя обратно в Швейцарию и после долгой переписки оплатила в конце-концов стоимость испорченного трансформатора.
5-26. Автоматическая синхронизация
Но если и знать точно, когда надо включать генератор, то ведь может дрогнуть рука, можно опоздать с включением.
На крупных электростанциях для включения генераторов применяются часто автоматические синхронизаторы. Эти приборы точно замеряют разность частот на включаемом генераторе и на шинах электростанций, точно предвычисляют момент, когда наступит полное согласование, и посылают импульс на включение генератора с таким расчетом, чтобы само включение произошло в требуемый момент.
Это куда надежнее, чем применять синхроноскоп, который только указывает на момент синхронизма, а все остальное предоставляет на волю оператора.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬ ЗАКОНОВ КОЛЕБАНИЙ
Л. И. Мандельштам (1879—1944 гг.)
Ветер ударяет о воду. Темные волны бегут на берег. Волны катят шуршащую гальку, ворочают камни. На миг затихнув, они отступают назад, в море, и вновь с ревом бегут вперед. К вечеру ветер стихает. Воздух спокоен. По поверхности моря змеятся пестрые голубые дорожки. Языки прибоя с тихим плеском лижут песок.
Море никогда не бывает неподвижным, В самую тихую погоду мелкая рябь морщит поверхность воды. Полная луна всходит над горизонтом. Ее лучи дробятся, отражаясь от волн. Световые блики ткут на поверхности моря бесконечную полосу — дорогу к счастью, как ее зовут поэты.
Лучами, волнами и колебаниями заполнен мир.
Сложным набором волн — сгущений и разрежений — является и музыка, и человеческая речь. Начало всей жизни на земле — солнечный луч — это поток электромагнитных волн. Но лучи света — это лишь узкая полоса в огромном спектре электромагнитных колебаний. Бесконечно разнообразны свойства электрических колебаний разных частот.
Одни электромагнитные волны движут вдоль проводов силовых сетей огромные количества энергии, другие волны переносят радиосигналы. Электромагнитные волны плавят металлы, нагревают сталь для ковки и закалки.
Разные волновые процессы переплетаются в природе. Световые колебания, попадая в любое вещество, встречаются с более медленными колебаниями молекул. Происходит рассеяние, отражение, модуляция света. В радиопередатчиках, в радиоприемниках, в аппаратах для дальней проводной связи происходит смешение, наложение и разделение токов самых различных частот — электромагнитных волн разных длин.
Детство и юность Леонида Исааковича Мандельштама прошли в Одессе на берегу Черного моря. В 1902 г. он окончил университет и написал свою первую научную работу «Определение периода колебательного разряда конденсатора». С этого времени вся его жизнь посвящена изучению законов колебаний и волн.
Мандельштам развил и разъяснил многие области теории колебаний. Он умел сделать ясными и прозрачными самые запутанные физические проблемы. В своей профессорской диссертации (1907 г.) Мандельштам показал ошибочность (или, как он предпочитал выражаться, недостаточность) общепринятой до него теории молекулярного рассеяния света (теория Рэлея). В других работах того времени он дал объяснение многим явлениям ослабления света при прохождении через вещество.
Молекулы, совершающие тепловые колебания, воздействуют на лучи света подобно тому, как микрофон воздействует на радиоволны, излучаемые передающей станцией. Исследования Мандельштама помогли создать обобщающие стройные теории для самых различных отраслей учения о волнах и колебаниях.
В 1929 г. Мандельштам был избран действительным членом Академии наук СССР. Вместе со своим другом академиком Н. Д. Папалекси он заложил основы новой теории колебаний для систем, в которых отклонение не прямо пропорционально величине воздействующей силы. Это — нелинейные колебания.
Многочисленные ученики Мандельштама и Папалекси разрабатывали применения теории нелинейных колебаний в самых разнообразных областях физики и техники. Так была создана нелинейная теория ламповых генераторов, нелинейная теория электрических машин. Эти теории оплодотворили практику, подняли прикладные промышленные исследования на более высокую научную ступень.
Новое содержание получило понятие о резонансе — отзывчивости колебательных систем. Теория нелинейного резонанса позволила создать новые виды умножителей и делителей частоты.
В 1942 г. Мандельштаму была присуждена Государственная премия за создание новых точных радиометодов измерения расстояний.
Последняя, предсмертная работа его была посвящена анализу точности хода часов, снабженных маятником. С маятника (изобретение которого относится ко времени Галилея и Гюйгенса) начинается развитие теории колебаний. Но за три века, прошедших со времени введения маятника, не была решена задача о сравнительном постоянстве хода догалилеевых (без маятника) часов и современных маятниковых.
Существуют не только механические, но и электрические маятники. Задача о точности хода важна для различных отраслей электротехники и радиотехники.
В радиолокационных и радионавигационных установках для точного определения расстояний необходимо отсчитывать десятимиллионные доли секунды. Электронные генераторы вырабатывают колебания с частотой нескольких миллиардов в секунду, и постоянство частоты этих колебаний поддерживается с точностью до стотысячных долей.
Мандельштам дал первую точную формулировку задачи о сравнительной точности хода колебательных систем различного типа, но решить эту задачу он уже не успел.
