Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецький національний технічний університет Талал Аль-Ас (Сірія)

УДК 621.313:621.713

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

Поведінка асинхронного навантаження в вузлах енергосистем при відхиленнях напруги і частоти

Донецьк-2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі «Електричні станції» Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Сивокобиленко Віталій Федорович, Донецький національний технічний університет завідувач кафедри « Електричні станції». напруга, двигун, частота, живлення

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Жежеленко Ігор Володимирович, Приазовський державний технічний університет, ректор, завідувач кафедри «Електропостачання», м. Маріуполь кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Чувашев Віктор Анатолійович, Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут вибухозахищеного і рудникового електрообладнання, замісник директора з наукової роботи, м. Донецьк

Провідна установа: Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України, кафедра «Електромеханіка», м. Луганськ.

Захист відбудеться "25" вересня 2003 р. о 14³⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навчальний корпус, к. 201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонНТУ (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навчальний корпус).

Автореферат розісланий "15" серпня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К11.052.02, к.т.н., доц. Ларін А.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Відомо, що в усіх країнах світу найкрупнішим споживачем електроенергії є асинхронне навантаження, на частку якого припадає більше половини усієї електроенергії, що виробляється. Вузли асинхронного навантаження з живленням від енергосистеми дуже поширені і застосовуються на енергоємних підприємствах металургійної галузі, хімічної, гірничої та ін., а також у системах власних потреб (в.п.) електростанцій. З живленням від джерел обмеженої потужності такі вузли застосовуються на різних типах транспорту, у якості систем аварійного живлення на теплових і атомних електростанціях та у багатьох інших системах.

Завдяки розвитку напівпровідникової техніки і впровадженню перетворювачів, які дозволяють регулювати частоту і напругу живлення асинхронного навантаження, з'явилась необхідність удосконалення для поодинокого та групового асинхронного приводу алгоритмів управління, що забезпечують мінімізацію втрат електроенергії.

Останнім часом у зв'язку з енергетичними кризами в ряді країн, в тому числі в Україні, зросла актуальність дослідження поведінки асинхронного навантаження при знижених значеннях напруги і частоти, як у стаціонарних, так і у перехідних режимах (пуск, самозапуск, короткочасне падіння напруги при КЗ та ін.). Для систем електропостачання з глибокопазними асинхронними двигунами великої потужності актуальною є розробка методів синтезу заступних схем, які дозволяють враховувати ефекти витіснення струмів, насичення магнітних кіл, несинусоїдальність напруги живлення та втрати електроенергії з урахуванням цих явищ. Найбільш перспективним для аналізу цих режимів є застосування засобів обчислювальної техніки.

Актуальною також є розробка математичних моделей для аналізу електромеханічних перехідних процесів у автономних електричних системах з дизель-генераторами обмеженої потужності.

Вагомий внесок у дослідження режимів роботи асинхронного навантаження зробили вчені Сиромятніков І. А., Маміконянц Л. Г., Вєніков В. А., Костенко М. П., Соколов М. І., Сивокобиленко В. Ф., Костерєв М. В., Жежеленко І. В.,Сандлер А. С., Долина В. І., Храмов М. Я. та ін., а також наукові колективи відомих організацій (МЕІ, КПІ, ДПІ, Львів П.І, ВНДІЕ, ОРДРЕМ та ін.). Однак, до цього часу за вказаними питаннями ще не завершено створення розрахункових методик, алгоритмів і програм для визначення миттєвих значень режимних параметрів і тому необхідним є проведення додаткових досліджень, результати виконання яких і склали зміст даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає тематиці науково-дослідних робіт кафедри електричних станцій ДонНТУ. Автор приймав участь у виконанні держбюджетної теми Н-2-02 «Розробка математичної моделі і аналіз перехідних процесів в системах власних потреб електростанцій Донецького регіону».

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищення надійності роботи асинхронного навантаження за рахунок встановлення закономірностей його поведінки у стаціонарних і перехідних режимах при живленні від електричної системи і від генераторів обмеженої потужності при напрузі і частоті, які відрізняються від номінальних.

Для цього вирішені задачі:

- розроблено математичні моделі елементів вузла асинхронного навантаження (асинхронних двигунів, синхронних машин, трансформаторів), для аналізу стаціонарних і перехідних режимів з урахуванням втрат електричної енергії;

- розроблено метод синтезу параметрів заступних схем електричних машин і трансформаторів з урахуванням явищ витіснення струму і насичення магнітних кіл з урахуванням різного рівня частоти і величини напруги живлення;

- виконано аналіз втрат електричної енергії у вузлі асинхронного навантаження при різних рівнях напруги і частоти і різних навантаженнях технологічного обладнання;

- розроблено алгоритм управління напругою для мінімізації втрат електричної енергії у вузлі асинхронного навантаження;

- розроблено математичну модель вузла асинхронного навантаження, який живиться від системи або генератора обмеженої потужності, для аналізу стаціонарних і перехідних режимів його роботи при різних рівнях напруги і частоти ;

- розроблено метод вибору оптимальних черг запуску асинхронного навантаження в аварійних системах енергопостачання з джерелом живлення обмеженої потужності.

Об'єктом дослідження є процеси у вузлах навантаження електричних систем при відхиленнях напруги і частоти.

Предметом дослідження є математичні моделі для аналізу стаціонарних і перехідних режимів роботи асинхронного навантаження, у тому числі при живленні від джерел обмеженої потужності.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії перехідних процесів в електричних системах з машинами змінного струму, методах математичного моделювання, чисельних методах рішення нелінійних систем алгебраїчних і диференційних рівнянь.

Наукова новизна отриманих результатів:

дістала подальшого розвитку математична модель автономної електричної системи з асинхронним навантаженням, яка заснована на повних диференційних рівняннях усіх елементів схеми і відрізняється врахуванням синхронних генераторів обмеженої потужності та їх впливу на взаємно-зв'язані елементи;

удосконалено методику синтезу параметрів заступних схем асинхронних машин за вихідними каталожними даними, за якою окрім явищ витіснення струмів і насичення магнітних кіл враховуються рівняння енергетичного балансу, що дозволило визначити коефіцієнт корисної дії при різних напругах по величині і частоті;

- установлені функціональні залежності режимних параметрів і втрат електроенергії вузла асинхронного навантаження від напруги і частоти, які відрізняються можливістю виявлення рівня напруги, при якому забезпечується мінімум втрат електроенергії при оперативному керуванні;

- розроблено алгоритм формування черг запуску асинхронного навантаження у аварійних режимах автономних електричних систем з генераторами обмеженої потужності, який оснований на розробленій математичній моделі і відрізняється можливістю вибору варіанта з мінімальним часом введення у роботу аварійних агрегатів.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що:

- розроблені математичні моделі вузла асинхронного навантаження, алгоритми і програми розрахунку на ПЕОМ дозволяють отримати режимні параметри для стаціонарних і перехідних режимів при відхиленнях напруги і частоти;

- за допомогою розроблених програм розрахунку на ПЕОМ для автономних електричних систем із джерелом живлення обмеженої потужності стає можливим сформувати черги аварійного запуску асинхронного навантаження в аварійних режимах з мінімальним часом запуску;

- для заданого значення частоти у енергосистемі і ступеня завантаження механізмів можна визначити напругу, при якій має місце мінімум втрат у вузлі навантаження і використати це для оперативного керування;

- результати досліджень перехідних процесів у автономних системах аварійного електропостачання в.п. електростанцій з блоками потужністю 300 МВт передано Зуївській ТЕС, а також використовуються в учбовому процесі в ДонНТУ.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались на 3-й Міжнародній науково-технічній конференції «Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці» (Львів, 1999 р.), на ІV Міжнародній науковій конференції «Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств» (Маріуполь, 2000 р.), на ІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Керування режимами роботи об'єктів електричних систем - 2002» (Донецьк, 2002 р.), а також на щорічних науково-технічних конференціях аспірантів електротехнічного факультету ДонНТУ (1999-2002 рр.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 9 друкованих працях, у тому числі: одна у науковому журналі, чотири у збірниках наукових праць, які включено до переліку фахових видань України ВАК, дві у збірниках праць міжнародних конференцій і дві - тези доповідей на міжнародних конференціях.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, що містяться у дисертації, отримані здобувачем самостійно і полягають в вирішенні науково-практичної задачі створення математичної моделі вузла асинхронного навантаження для аналізу роботи з різними значеннями напруги і частоти. Здобувач розробив алгоритми і програми моделювання,виконав дослідження та узагальнив отримані дані.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел із 109 найменувань, а також містить 50 рисунків, 10 таблиць і два додатки. Загальний обсяг роботи 165 сторінок машинописного тексту, у тому числі 125 сторінок основного тексту.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано її мету і задачі досліджень, охарактеризовано наукову новизну і практичне значення результатів.

У першому розділі наведено результати аналізу і критичного огляду літературних джерел, присвячених темі дисертації, сформульовані задачі дослідження. Відзначено, що для вузлів асинхронного навантаження при аналізі його режимів роботи з напругами і частотою, що відрізняються від номінальних, застосовують в основному наближені методи, у яких не враховується нелінійність параметрів заступних схем АД, а для розрахунків струмів КЗ, режимів пуску і самозапуску не використовуються миттєві значення режимних параметрів. Математичні моделі автономних електричних систем з джерелами обмеженої потужності не дозволяють моделювати режими ступеневого пуску АД і вибирати оптимальні черги запуску.

Другий розділ присвячений удосконаленню математичних моделей основних елементів вузлів навантаження енергосистем - асинхронних і синхронних двигунів. При зміні у широких межах величини і частоти напруги живлення необхідно враховувати явища витіснення струмів і насичення магнітних кіл. Ефект витіснення струмів у роторі АД враховано шляхом представлення ротора багатоконтурним з використанням вхідної частотної характеристики провідностей. Індуктивний опір розсіяння статора X_уs представлено нелінійною функцією струму статора, індуктивний опір вітки намагнічування X_m- функцією струму в цій вітці, а активний опір R_m цієї вітки - нелінійно залежним від частоти н. З урахуванням викладеного, параметри стаціонарного режиму для АД знаходимо з рішення наступної системи (1) нелінійних рівнянь:

,

, (1)

,

,

,

,

де К_н = 0,6 - 0,95 - коефіцієнт насичення при пусковому (s = 1; U = 1) струмі статора; - опори у номінальному режимі; 0,8н і 0,2н² - відповідно коефіцієнти втрат у сталі від гістерезисних явищ і від вихрових струмів.

Для перехідних режимів розрахунок здійснюється за диференційними рівняннями (2) з використанням параметрів розглянутої вище заступної схеми:

(2)

В роботі удосконалено методику синтезу заступних схем асинхронних машин з нелінійними параметрами за вихідними каталожними даними. Методика відрізняється тим, що крім витіснення струмів і насичення магнітних кіл враховує також рівняння енергетичного балансу при напругах різної величини і частоти, що дозволяє уточнити визначення втрат в АД і забезпечити повну збіжність розрахункових і вихідних даних.

Невідомі параметри: знаходимо з рішення нелінійної системи рівнянь (3):

(3)

У (3) перші три рівняння складені за умов рівності каталожних (к) і розрахункових (р) значень обертових моментів при номінальному, пусковому (S = 1) і критичному ковзаннях, наступні два - за умов рівності струмів статора при номінальному і пусковому ковзаннях, а останнє - за умов рівності втрат у номінальному режимі работи АД. Запропонованим методом знайдені параметри двигунів власних потреб блоків 200 і 300 МВт. Наприклад, для електродвигуна циркуляційного насоса типа ВДД 213/54-16 за каталожними даними (потужність 1700 кВт, напруга 6 кВ, кратність пускового струму 5,4, моментів пускового 1,3 і максимального 2,5, ККД 0,937, коефіцієнт потужності 0,81, кутова частота обертання 368 об/хв) знайдені параметри у відносних одиницях (в.о.):

;

;

;

.

Як видно з приведених даних, струми ротора і статора при зниженні напруги збільшуються, а при зниженні частоти падають. Струм намагнічування в порівнянні зі струмами статора і ротора має протилежну залежність. Крутизна залежності струму статору при зміні частоти більша, ніж при зміні напруги. Це підтверджується даними розрахунків, приведеними на рис. 3.

Аналогічно рівнянням (1)-(3) складені також рівняння для знаходження параметрів заступних схем синхронних машин з урахуванням їх особливостей, пов'язаних з несиметрією за повздовжньою і поперечною осями.

Третій розділ присвячений розробці математичної моделі вузлів навантаження електричних систем для аналізу стаціонарних і перехідних режимів роботи при різних рівнях напруги і частоти. Приклад такого типу схеми живлення вузла навантаження приведений на рис. 4. На основі аналізу різних підходів до побудови алгоритмів встановлено, що найбільш перспективним є представлення машин змінного струму у вигляді змінної у часі еквівалентної ЕРС, прикладеної за еквівалентною індуктивністю. У цьому випадку структурні схеми і алгоритми рішення для стаціонарних і перехідних режимів співпадають. Еквівалентні ЕРС (e), надперехідні () і інверсні () індуктивності обчислюються на кожному кроці розрахунку диференційних рівнянь для АД за співвідношеннями (4):

,

, (4)

Для СД еквівалентні ЕРС (5), надперехідні і інверсні індуктивності (6) знаходять на кожному кроці розрахунку диференційних рівнянь, які записані у осях d, q , а потім перераховують до осей x, y, загальних для усієї схеми:

(5)

,

(6)

При розрахунку перехідного режиму спочатку знаходимо вузлові напруги, попередньо сформувавши матрицю вузлових інверсних індуктивностей Y і вектор швидкостей зміни вузлових струмів Т (7), а потім вирішуємо диференційні рівняння елементів схеми:

(7)

;

,

Автоматичне формування математичної моделі вузла асинхронного навантаження заданої структури здійснюється з використанням графа схеми і матриці з'єднання віток з вузлами.

Четвертий розділ присвячений аналізу і мінімізації втрат електроенергії у вузлах навантаження при різних значеннях напруги і частоти. З використанням розглянутих вище моделей встановлено, що втрати потужності як для одного двигуна, так і для вузла з асинхронним навантаженням залежать від рівня частоти, напруги і коефіцієнта завантаження. Це пов'язано з тим, що втрати у міді обмоток статора і ротора пропорційні квадрату відповідних струмів, а втрати у сталі - квадрату напруги. При цьому мінімуми втрат для окремих АД мають місце при різних рівнях напруг. В роботі запропоновано інформаційно-обчислювальну систему, яка дозволяє визначити при відомій частоті оптимальну напругу для усього вузла асинхронного навантаження, при якому має місце мінімум втрат.

Для прикладу дамо результати визначення оптимальної напруги для власних потреб блоку 200 МВт при навантаженні 0,9P_ном і напрузі на генераторі 1,03U_ном. Залежності двигунів секції в.п. 6 кВ від напруги для частот 50 і 47,5 Гц представлені на рис. 5, а від частоти для напруг U_ном і 0,9U_ном - на рис. 6. Розрахунки показали, що можна досягти зниження втрат в системі в.п. блоку 200 МВт на 180 - 200 кВт, якщо при 50 Гц встановити напругу 0,98 U_ном.. Відзначимо, що на більшості діючих електростанцій напругу підтримують значно більшою, яка становить 1,05 - 1.07 U_ном, і не є оптимальною з точки зору мінімізації втрат.

З метою перевірки адекватності розроблених математичних моделей асинхронного навантаження на рис. 7 виконано порівняння результатів моделювання і експерименту режимів пуска АД в лабораторних умовах. Струми

статорів, частоти обертання та час пуску мають розбіжність, яка не перевищує 4-5 %.

П'ятий розділ присвячений аналізу перехідних режимів роботи автономних електричних систем з двигуновим навантаженням. В системах аварійного електропостачання, які використовуються на практиці, як правило, потужність навантаження приблизно дорівнює номінальній потужності генератора. Тому підключення всього навантаження до генератора в аварійних режимах приводить до неуспішного запуску двигунів і відключення генератора захистом. Задача полягає в визначенні оптимальної потужності і кількості ступенів, які почергово підключаються до генератора. Експериментальним шляхом вирішити цю задачу важко і тому найбільш доцільно використовувати математичну модель. На базі теоретичних положень, що викладені раніше, розроблено алгоритм і програму розрахунку режимів поодинокого і групового пуску і вибігу АД, коротких замикань, самозапуску. Передбачена можливість почергового пуску двигунів при заданій кількості двигунів в кожній із черг. В якості джерел живлення можуть бути вибрані система необмеженої потужності або синхронний генератор, номінальна потужність якого близька до потужності навантаження. Для генератора враховуються регулятори збудження та швидкості обертання. Передбачена можливість моделювання режимів аварійного запуску навантаження при попередньо збудженому або не збудженому генераторі та при будь-якому заданому початковому значенню швидкості обертання і заданому законі її зростання.

В цілях можливості моделювання режимів почергового запуску АД передбачено перерахунок матриці інверсних індуктивностей схеми в залежності від часу підключення окремих двигунів. Для забезпечення числової стійкості розрахунків при моделюванні режимів, що пов'язані з відключенням гілок навантаження, розроблено режим комутації. В його основу покладено закон сталості потокозчеплень замкнених контурів з індуктивностями.

В роботі дослідження перехідних процесів в автономних електричних системах проведено на прикладі аварійних систем електропостачання власних потреб блочних електростанцій з блоками 300 МВт. Такі системи дуже актуальні і для Сірії, де вони часто використовуються не тільки як аварійні, але і в якості систем робочого електропостачання. В останньому випадку до них можуть бути підключено також синхронне навантаження, що передбачено в розробленому алгоритмі розрахунків.

В досліджуваній схемі (рис. 4) використовується дизель-генератор потужністю 500 кВт. Він підключений до збірних шин 0,4 кВ, від яких живляться через кабельні лінії зв'язку чотири секції, від яких живляться асинхронні та синхронні двигуни аварійних агрегатів в.п. та статичне навантаження. Асинхронні двигуни мають потужність 18,5; 61; 75 і 110 кВт і використовуються для приводу маслонасосів водневих ущільнень основних генераторів, змащування підшипників валообертового пристрою турбоагрегату.

Для прикладу, на рис. 8 приведено результати моделювання триступеневого групового пуску асинхронних двигунів. В перший ступінь ввійшли три двигуни, які були підключені до секцій 3, 4, 5 (рис. 4). Одночасно з їх підключенням було подано струм збудження в генератор, який обертався з номінальною швидкістю. Тому в цих

двигунах відсутні ударні струми статора і знакозмінні електромагнітні обертові моменти. Час запуску двигунів склав близько 1,5 сек. Через 0,5 сек був підключений до секції 1 АД другого ступеню. На початку процесу пуску цього двигуна виникли коливання в динамічних моментах двигуна і генератора. Їх значення в двигуні досягали від + 7,5 до -5 номінального. Напруга на генераторі знизилась при цьому на 25 - 30 В. Після наступного підключення третього ступеню і закінчення перехідного процесу настав сталий режим. В розглянутому режимі генератор не перевантажувався.

В автономних електричних системах з двигунним навантаженням відомі методи розрахунку струмів КЗ не дозволяють з достатньою точністю розраховувати струми, які необхідні для правильного вибору обладнання та пристроїв релейного захисту. Це викликано тим, що джерело аварійного живлення (дизель-генератор) має обмежену потужність і при роботі на КЗ його ЕРС і струм згасають з часом. В літературі також недостатньо висвітлені методи розрахунку струмів підживлення місця КЗ від асинхронного навантаження в системах, що тут розглядаються.

В розробленій програмі для моделювання струмів КЗ передбачені шунти з активно-індуктивним опором. Поява КЗ моделюється стрибкоподібним зменшенням R, L параметрів шунта. На рис. 9 приведена осцилограма трифазного КЗ, що тривало 0,64 с за шунтом, який підключений до секції 1. Струм підживлення місця КЗ від двигунів склав для АД1 1700 А, для АД2 - 320 А. За час перерви живлення у зв'язку з КЗ, швидкість обертання АД1 знизилась до 0,95, а для АД2 - до 0,2 від номінальної. Останній загальмувався більше ніж при груповому вибігу. Напруга на секції 1 при КЗ знизилась до 0,08 від номінальної.

Співставлення результатів моделювання проводилось для автономної системи аварійного електропостачання з експериментальними даними, які були отримані Донтехенерго (м. Горлівка) на Зуївській ТЕС. Порівнювалися режими двоступеневого групового пуску двигунів. При підключенні першого ступеню струм і напруга дизель-генератора в досліді і при моделюванні (вказано в дужках) склали 921 (932) А, 327 (332) В. При підключенні другого ступеню навантаження струм генератора збільшився до 1056 (994) А, а час запуску цієї ступені склав 1,1 (1,05) с. Різниця в результатах моделювання і досліду не перевищує 7 %.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну задачу розробки математичної моделі вузлів енергосистем з асинхронним навантаженням, за допомогою якої можна проводити аналіз стаціонарних і перехідних режимів при різних значеннях напруги і частоти.

До основних результатів роботи можна віднести наступне.

1. Розроблена математична модель і методика визначення параметрів заступної схеми одного з основних елементів вузла навантаження електричних систем - короткозамкненого асинхронного двигуна. Модель призначена для аналізу стаціонарних і перехідних режимів при різних рівнях частоти і напруги і відрізняється врахуванням втрат у сталі, насичення магнітних кіл і витіснення струмів у роторі. Індуктивності розсіювання статора і вітки намагнічування представлені нелінійними залежностями від відповідних струмів. Витіснення струмів у роторі враховане шляхом введення двох еквівалентних контурів на роторі. Розроблено метод синтезу параметрів описаної заступної схеми за вихідними каталожними даними, у якому система нелінійних рівнянь, що вирішується при синтезі, доповнена рівняннями енергетичного балансу, що дозволяє покращити співпадіння вихідних і розрахованих за заступною схемою режимних параметрів, у тому числі і ККД.

2. Розроблено математичну модель типового вузла навантаження електричної системи для аналізу стаціонарних і перехідних режимів. До складу вузла навантаження входять асинхронні і синхронні двигуни, статичне навантаження і джерела обмеженої потужності. Для всіх елементів схеми використовуються повні диференційні рівняння.

3. На відміну від відомих способів асинхронні і синхронні машини вузла навантаження представлені еквівалентною ЕРС, яка прикладена за надперехідною індуктивністю і змінюється у перехідних режимах роботи. Отримані вирази для визначення вказаної ЕРС. Показано, що при такому підході визначення напруг у вузлах розрахункової схеми аналогічне розрахункам для стаціонарних процесів. При цьому замість матриці вузлових провідностей формується матриця вузлових інверсних індуктивностей, а замість вектору задаючих струмів - вектор швидкості їх зміни.

4. Розроблено і реалізовано алгоритм автоматичного формування математичної моделі вузла навантаження заданої структури. Математична модель дозволяє аналізувати режими КЗ, пуску і самозапуску двигунів, режими комутацій групи двигунів, індивідуального и групового вибігу, АПВ ліній і трансформаторів, АВР секцій та ін. Розроблено алгоритм формування черг запуску асинхронного навантаження у системах аварійного електропостачання з живленням від джерел обмеженої потужності.

5. Результатами моделювання стаціонарних режимів встановлено, що при заданій активній потужності вузла асинхронного навантаження втрати електричної енергії у цьому вузлі при відхиленнях напруги у діапазоні 20% номінальної (при заданій частоті) змінюються за законом увігнутої параболи. Такий же характер мають втрати при відхиленнях частоти на 20% (при заданій величині напруги). Екстремальні точки цих парабол при одночасній зміні частоти і напруги і при

U/f = const

не співпадають. Розроблена модель дозволяє, порівняно із законом Костенка М.П.

(U/f = const),

з більшою точністю знаходити напругу, при якій мають місце мінімальні втрати.

6. Отримані залежності активної і реактивної потужностей, які споживаються вузлом навантаження при зміні напруги і частоти у межах 80 120 відсотків від номінальних. При цьому реактивна потужність змінюється в напрямі зміни напруги і в протилежному напрямі при зміні частоти. Характер зміни струму вузла навантаження є протилежним характеру зміни реактивної потужності.

7. Запропоновано інформаційно-обчислювальну систему для визначення оптимальної напруги у вузлах навантаження електричних систем за умов мінімума втрат електричної енергії при нестабільності частоти. Результатами розрахунків на прикладі власних потреб сучасних потужних блоків показана ефективність запропонованого підходу для скорочення втрат потужності у системах електропостачання з потужним двигунним навантаженням.

8. Результатами моделювання встановлено, що із зниженням частоти при незмінному рівні напруги терміни пуску і самозапуску АД скорочуються за рахунок збільшення моменту. При пуску глибокопазних АД від перетворювачів частоти, у яких використовується співвідношення

U/f = сonst,

інтенсивність розгону АД при знижених частотах зростає порівняно з пусками при номінальній частоті. Запропоновано визначати напругу для заданого значення частоти з урахуванням корегуючого коефіцієнта, який зменшує напругу і забезпечує постійність інтенсивності розгону.

9. При підключенні асинхронного навантаження одночасно з подачею збудження у генератор ударні динамічні струми і моменти в АД і генераторі відсутні, і має місце повільне наростання їх значень, що порівняно з підключенням асинхронного навантаження до збудженого генератора є більш переважним.

10. На основі розробленої математичної моделі запропоновано метод формування черг запуску асинхронного навантаження в аварійних режимах автономних електричних систем з генераторами обмеженої потужності, який дозволяє за результатами моделювання різних комбінацій з кількістю черг запуску і складом у них АД вибирати варіант з мінімальним терміном запуску.

11. Порівняння результатів розрахунків з експериментом для режимів поодинокого і ступеневого запуску АД в системах аварійного електропостачання в.п. блочних агрегатів 300 МВт показало, що їх розбіжність не перевищує 7 %.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:

[2] - розробка алгоритму регулювання напруги і відповідної програми розрахунку на ПЕОМ; [3] - аналіз результатів розрахунків на ПЕОМ і оцінка втрат при несинусоїдальній напрузі живлення двигунного навантаження; [4, 9] - розробка математичної моделі, розрахунки на ПЕОМ і визначення оптимальних черг запуску навантаження; [5] - дослідження впливу відхилень напруги і частоти на роботу вузла з асинхронним навантаженням; [6] - виконання розрахунків на ПЕОМ та їх аналіз; [7] - аналіз втрат електричної енергії в асинхронному навантаженні за результатами моделювання; [8] - проведення і аналіз результатів експериментів.

Публікації за темою дисертації

Талал Аль-Ас. Математическое моделирование процессов в системе электроснабжения собственных нужд электростанций при отклонениях напряжения и частоты // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія: «Електротехнiка i енергетика», випуск 17: Донецьк: ДонДТУ. -2000.- С. 184-189.

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Талал Аль-Ас. Информационно-вычислительная система минимизации расхода электроэнергии на собственные нужды электростанций // Збiрник наукових праць Донецького державного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація», випуск 21: Донецьк: ДонДТУ.- 2000. - С.44-47.

Сивокобыленко В.Ф. Аль-Ас Талал. Метод расчета потерь в асинхронной нагрузке при несинусоидальном напряжении // Збiрник праць IV Мiжнародної наукової конференції «Ефективнiсть та якiсть електропостачання промислових пiдприємств». Марiуполь,Україна, 2000.- С.75-77.

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Аль Ас Талал. Режимы работы асинхронной нагрузки при питании от источника ограниченной мощности // Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія: «Електротехніка і енергетика», випуск 28: Донецьк: ДонНТУ.- 2001.- С.47-51.

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Аль-Ас Талал. Изменение потребляемой мощности двигательной нагрузкой при отклонениях напряжения и частоты // Вiсник Схiдноукраiнського нацiонального унiверситету №3 (37), науковий журнал, Луганськ, 2001. - С.72-79.

Берепубо Э.Ф., Аль-Ас Талал. Метод эквивалентирования синхронной двигательной нагрузки // Сборник научных трудов ДонГТУ., Серия: Электротехника и энергетика, выпуск 4, Донецк: ДонГТУ. - 1999.- С.233-236.

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Аль-Ас Талал. Математическое моделирование потерь электрической энергии в системах собственных нужд электростанций // Тези доповідей 3-ї Міжнародної науково-технічної конференції «Математичне моделювання в електротехницi, електронiцi та електроенергетиці», Украiна, Львів 25-30 жовтня 1999. - С. 241.

Сивокобыленко В.Ф., Аль-Ас Талал. Экспериментальное определение параметров схем замещения электрических машин переменного тока для диагностического контроля // Известия вузов. Электромеханика, 2000 . №3. - С. 89.

Сивокобыленко В.Ф., Талал Аль-Ас., Павлюков В.А Формирование очередей запуска асинхронной нагрузки в автономной электрической системе // Тези доповідей II-ї Міжнародної науково-технічної конференції «Керування режимами роботи об'єктів електричних систем - 2002 « Донецьк, 2002. - С.76-78.

Анотація

Талал Аль-Аc (Сірія). Поведінка асинхронного навантаження в вузлах енергосистем при відхиленнях напруги і частоти. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - електричні станції, мережі і системи. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

У дисертації дане рішення актуальної наукової задачі розробки математичної моделі автономних систем аварійного живлення вузлів енергосистем з асинхронним навантаженням для аналізу стаціонарних і перехідних режимів при різних значеннях напруги і частоти.

Розроблено метод синтезу параметрів заступної схеми асинхронного двигуна за каталожними даними. Індуктивності вітки намагнічування і розсіювання статора представлені нелінійними залежностями від струмів, активний опір вітки намагнічування - як нелінійна функція від частоти, а витиснення струмів у роторі враховано введенням двох еквівалентних контурів. Установлено вплив напруги і частоти на струм статора, ротора, активну і реактивну потужності окремого двигуна і вузла асинхронного навантаження в цілому. Розроблено алгоритм визначення напруги у вузлі, яка забезпечує мінімум втрат електроенергії.

Отримала подальший розвиток математична модель автономної електричної системи з асинхронним навантаженням з використанням повних диференційних рівнянь всіх елементів схеми, яка відрізняється врахуванням синхронних генераторів обмеженої потужності і яка дозволяє аналізувати процеси у системах аварійного живлення відповідальних споживачів.

Ключові слова: асинхронне навантаження, джерело живлення з обмеженою потужністю, напруга, частота, пуск, самозапуск, вузол навантаження, математична модель.

Summary

Тalal Al As (Syria). Behaviour of asynchronous loading in units electrical power systems at deviations of a voltage and frequency. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.14.02 - Power plants, networks and systems. - Donetsk national technical university, Donetsk, 2003.

In the dissertation the decision of an actual scientific proble of creation of mathematical model of independent system of emergency electrosupply with the asynchronous loading intended for the analysis of stationary and transitive modes at deviations(rejections) of a voltage and frequency is given.

The method of synthesis of parameters of an equivalent circuit of the asynchronous engine on the catalogue data is developed. Inductance of dispersion of an stator and branch of magnetization, and also active resistance of a branch of magnetization are submitted by nonlinear dependences on the appropriate currents.

Influence of a voltage and frequency is established on a current of an stator, a rotor, active and jet capacities of the separate engine and unit of asynchronous loading. The algorithm of definition of a voltage in the unit, providing a minimum of losses of the electric power is developed.

The mathematical model of unit of the asynchronous loading, based on the full differential equations of all elements of the circuit, distinguished by the account in it of synchronous generators of the limited capacity and mutual influence of elements that allows to use her(it) for the analysis of processes in systems of emergency electrosupply of responsible consumers has received the further development.

Key words: asynchronous loading, the power supply of the limited capacity, voltage, frequency, start-up, self-start, unit of loading, mathematical model.

Аннотация

Талал Аль-Ас (Сирия). Поведение асинхронной нагрузки в узлах энергосистем при отклонениях напряжения и частоты. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - Электрические станции, сети и системы. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.

В диссертации дано решение актуальной научной задачи создания математической модели автономных систем аварийного электроснабжения с асинхронной нагрузкой для анализа стационарных и переходных режимов при различных уровнях напряжения и частоты.

В математической модели асинхронного двигателя учтены потери в стали, насыщение магнитных цепей и вытеснение токов в роторе. Индуктивности рассеяния статора и ветви намагничивания, а также активные сопротивления ветви намагничивания представлены нелинейными зависимостями от соответствующих токов. Вытеснение токов в роторе учтено введением двух эквивалентных контуров на роторе. Разработан метод синтеза параметров описанной схемы замещения по исходным каталожным данным, в котором решаемая при синтезе система нелинейных уравнений дополнена уравнениями энергетического баланса, что позволяет улучшить совпадение исходных и рассчитанных по схеме замещения данных, в том числе и КПД.

С помощью нелинейной модели установлено влияние изменения напряжения и частоты на ток статора, ротора, активную и реактивную мощности. Установлены функциональные зависимости режимных параметров и потерь электроэнергии в узле асинхронной нагрузки от напряжения и частоты, позволяющие определить напряжение в узле, обеспечивающее минимум потерь при оперативном управлении электрической системой. Предложена информационно-вычислительная система для определения оптимального напряжения в узлах нагрузки электрических систем из условия минимума потерь при нестабильности частоты. Результатами расчетов на примере с.н. современных мощных блоков показана эффективность предложенного подхода.

Результатами моделирования стационарных режимов установлено, что при заданной потребляемой активной мощности узлом асинхронной нагрузки суммарные потери электрической энергии в этом узле при отклонениях напряжения в диапазоне 20% номинального (при заданной частоте) изменяются по закону вогнутой параболы. Такой же характер имеет место и при отклонениях на 20% частоты (при заданной величине напряжения). Экстремальные точки этих парабол при одновременном изменении частоты и напряжения и при U/f = const не совпадают. Разработанная модель позволяет, по сравнению с законом Костенко М.П. (U/f = const), с большей точностью находить напряжение при заданной частоте, при котором имеют место минимальные потери.

Получила дальнейшее развитие математическая модель узла асинхронной нагрузки, основанная на полных дифференциальных уравнениях всех элементов схемы, отличающаяся учетом в ней синхронных генераторов ограниченной мощности и взаимного влияния элементов.

Асинхронные и синхронные машины представлены эквивалентной ЭДС, приложенной за сверхпереходной индуктивностью и изменяющейся по величине и фазе в переходных режимах работы. Получены выражения для определения указанной ЭДС по результатам решения на каждом шаге расчета дифференциальных уравнений. Показано, что при таком подходе упрощается определение напряжений в узлах расчетной схемы за счет выявленной аналогии по сравнению с применением метода узловых напряжений для стационарных процессов. При этом вместо матрицы узловых проводимостей формируется матрица узловых инверсных индуктивностей, а вместо вектора задающих токов - вектор скорости изменения задающих узловых токов. Разработан и реализован алгоритм автоматического формирования математической модели электрической схемы узла нагрузки заданной структуры

По разработанному алгоритму составлена программа расчета на ПЭВМ стационарных и переходных режимов работы узла асинхронной нагрузки с питанием его от электрической системы или от генератора ограниченной мощности. Приведены результаты моделирования и анализа режимов одиночного и группового пуска, выбега, короткого замыкания и самозапуска асинхронной нагрузки в системе аварийного электроснабжения собственных нужд ТЭС блоков 300 МВт, в которых в аварийных режимах осуществляется автоматический запуск 10 асинхронных электроприводов от дизель-генератора мощностью 500 кВт, напряжением 0,4 кВ. Исследованы режимы аварийного запуска асинхронной нагрузки при ее подключении с предварительно возбужденным и невозбужденным дизель-генератором. Отмечено преимущество второго способа в связи с отсутствием ударных значений токов и моментов в двигателях и генераторе благодаря плавному нарастанию напряжения и отсутствию апериодических составляющих. Проведено моделирование запуска аварийной нагрузки в одну, две и три очереди с различным количеством в них двигателей.

С использованием математической модели разработан метод формирования очередей запуска асинхронной нагрузки в аварийных режимах автономных электрических систем с генераторами ограниченной мощности, отличающийся выбором варианта с минимальным временем запуска из результатов моделирования различных комбинаций из количества очередей запуска и состава двигателей в них.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что разработанные математические модели узла асинхронной нагрузки, алгоритмы и программы расчета на ПЭВМ в среде пакета программ MathCad позволяют получить режимные параметры для стационарных и переходных режимов при отклонениях напряжения и частоты. С помощью разработанных программ расчета на ПЭВМ для автономных электрических систем с источником питания ограниченной мощности представляется возможным сформировать очереди аварийного запуска асинхронной нагрузки в аварийных режимах с минимальным временем запуска, а так же определить напряжение, при котором имеет место минимум потерь в узле нагрузки.

Ключевые слова: асинхронная нагрузка, источник питания ограниченной мощности, напряжение, частота, пуск, самозапуск, узел нагрузки, математическая модель.

Размещено на Allbest.ru

...