Угловые характеристики синхронной машины, работающей в сложной системе
Рассмотрение теории синхронного электрического двигателя. Описание его характеристик, переходных и установившихся режимов работы на базе дифференциальных уравнений, векторных диаграмм и схем замещения. Влияние автоматического регулятора возбуждения.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | магистерская работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.05.2018 |
| Размер файла | 1,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Государственная акционерная железнодорожная компания
"Узбекистон темир йуллари"
Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта
На правах рукописи
Магистерская работа
на тему: "Угловые характеристики синхронной машины, работающей в сложной системе"
5а 520205 - Электроснабжение предприятий железнодорожного транспорта
Автор: Фахрутдинов Т.К.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Аллаев К.Р.
Ташкент - 2013
Содержание
Введение
Глава 1
1.1 Режимы работы синхронных генераторов
1.2 Генераторный режим синхронных машин
1.3 Влияние параметров схемы на характеристики мощности
1.4 Характеристика мощности электропередачи с регулируемыми генераторами
1.5 Статический конденсатор
1.6 Расчет запаса устойчивости узла комплексной нагрузки
Глава 2
2.1 Синхронный компенсатор
2.2 Угловые характеристики СГ при различных способах регулирования возбуждения
2.3 Определение предельного угла отключения короткого замыкания
2.4 Решение уравнения движения ротора при трехфазном коротком замыкании
2.5 Решение дифференциальных уравнений синхронного генератора
2.6 Общие сведения об устройствах автоматического регулирования возбуждения синхронных машин
2.7 Применение АРВ с форсировкой и расфорсировкой возбуждения
2.8 Повышение номинального напряжения линии
2.9 Устройство токового компаундирования
2.10 Электромагнитный корректор напряжения
Заключение
Литература
Введение
Прогресс в развитии электромашиностроения зависит от успехов в области теории электрических машин. Глубокое понимание процессов электромеханического преобразования энергии необходимо не только инженерам-электромеханикам, создающим и эксплуатирующим электрические машины, но и многим специалистам, деятельность которых связана с электромеханикой.
Электрические машины применяются во всех отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту. Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими генераторами, а две трети ее преобразуется электрическими двигателями в механическую энергию. От правильного выбора и использования электрических машин во многом зависит технический уровень изделий многих отраслей промышленности.
Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы электрических машин для всех отраслей народного хозяйства. И конечно же от специалистов в области электромеханики требуются глубокие знания обслуживания и ремонта электрических машин, а также их правильной эксплуатации. Без электрических машин не может развиваться ни одна комплексная научная программа. Электрические машины работают в космосе и глубоко под землей, в океане и активной зоне атомных реакторов, в животноводческих помещениях и медицинских кабинетах. Без преувеличения можно сказать, что электромеханика определяет технический прогресс в большинстве основных отраслей промышленности.
Особая роль отводится электрическим машинам в космической, авиационной и морской технике. Электрические машины, работающие на передвижных установках, выпускаются в больших количествах. Эти машины должны иметь минимальные габариты при высоких энергетических показателях и высокую надежность. Отдельную область электромеханики составляют электрические машины систем автоматического управления, где электрические машины используются в качестве датчиков скорости, положения, угла и являются основными элементами сложнейших навигационных систем.
Невозможно для каждого заказчика выпускать отдельную машину, поэтому электрические машины выпускаются сериями. В нашей стране самой массовой серией электрических машин является общепромышленная серия асинхронных машин 4А. Серия включает машины мощностью от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращение.
На каждую из высот вращения выпускаются двигатели двух мощностей, отличающиеся по длине.
На базе единой серии выпускаются различные модификации двигателей, которые обеспечивают технические требования большинства потребителей. Большими сериями выпускаются синхронные машины, машины постоянного тока, микромашины и трансформаторы. Серийное изготовление машин позволяет модифицировать отдельные узлы и детали, применять поточные автоматические линии и обеспечивать необходимый выпуск электрических машин при минимальных затратах.
В настоящее время перед электромеханиками стоят трудные и интересные проблемы, которые требуют глубокого знания теории, проектирования и технологии изготовления электрических машин.
Электромонтер, осуществляющий деятельность в сфере электромеханике должен знать назначение и технические характеристики основных элементов и устройств систем электрических машин, а также электрооборудования, кабельные и электроизоляционные изделия, электрические аппараты, трансформаторы, полупроводниковые приборы, преобразователи и т.д., чтобы в свою очередь выполнять правильную эксплуатацию, обслуживание и своевременный ремонт, а также соблюдать электробезопасность.
В дипломной работе приведены технические данные по электрическим машинам как общего, так и специального назначения, широко применяемым в современном электроприводе. Рассмотрены вопросы технического обслуживания и техники безопасности при эксплуатации электрических машин.
В дипломной работе рассматривается теория одного из вида электрических машин - синхронный двигатель, его характеристики, устройство, переходные и установившиеся режимы работы. Теория электрических машин излагается на базе дифференциальных уравнений. Максимально используются современные достижения общей теории электрических машин; развивается классическая теория комплексных уравнений, векторных диаграмм и схем замещения.
Целью магистрской диссертации является изучение основных организационных и технических положений по обслуживанию и ремонту электрических двигателей.
В процессе изучения ставятся следующие задачи:
1. Режимы работы синхронных генераторов;
2. Режим компенсатора синхронных машин;
3. Рассмотреть особенности испытаний синхронных машин;
4. Работа генератора в сложной системе;
5. Влияние параметров и автоматических регуляторов возбуждение синхронных машин.
При подготовке магистерской работе использовалась литература следующих авторов Аллаев К.Р. "Электромеханические переходные процессы", Копылов И.П. "Электрические машины", Клокова Б.К. "Справочник по электрическим машинам", Москаленко В.В. "Справочник электромонтера" и т.д.
Актуальность работы. Современные синхронные генераторы (СГ) представляют собой достаточно сложные устройства, с соответствующими регулирующими элементами. В этом плане автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) обеспечивают высокую работоспособность и устойчивость их работы в электрической системе. Работа посвящена исследованию влияния АРВ на характеристики генератора, что и показывает актуальность темы диссертации.
Цель и задачи работы. Сопоставительный анализ различных схем возбуждения СМ и влияние их на угловые характеристики синхронного генератора.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических систем, метод малых колебаний и др.
Научно-практическая значимость проведенных исследований заключается в возможности их использования в проектных работах и эксплуатации синхронных машин в различных отраслях, включая железнодорожный транспорт.
Апробация и публикации. Результаты диссертации докладывались на семинарах кафедры. По итогам исследований в сборниках трудов ТашИИТ опубликованы 3 научных статьей.
Глава 1
1.1 Режимы работы синхронных генераторов
Холостой ход. Э. д. с, индуцированная в каждой фазе обмотки якоря синхронного генератора, при холостом ходе
E0 = cEФвn (1).
Где cE - постоянная величина, зависящая от конструкции машины (числа витков обмотки якоря, числа полюсов и др.);
Фв - магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения.
Регулирование напряжения и частоты. Из формулы 1 следует, что регулировать э. д. с. (напряжение генератора) можно двумя способами: изменением частоты вращения п или изменением магнитного потока возбуждения Фв. Для изменения потока возбуждения в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат (см. рис. 1) или автоматически действующий регулятор напряжения, которые позволяют изменить ток возбуждения, поступающий в эту обмотку, а следовательно, и создаваемый ею поток. Регуляторы напряжения широко применяют для регулирования возбуждения генераторов, работающих при переменной частоте вращения, т. е. генераторов, приводимых во вращение от дизеля (на тепловозах) или от колесной пары (на пассажирских вагонах). При изменении частоты вращения п и нагрузки машины они автоматически изменяют ток возбуждения Iв, т. е. поток Фв, так, чтобы напряжение генератора было стабильным или изменялось по заданному закону.
Регулирование частоты f1, как следует из формулы, осуществляется изменением частоты вращения ротора.
Работа машины при нагрузке. При увеличении нагрузки синхронного генератора напряжение его изменяется. Это изменение происходит по двум причинам. При протекании тока нагрузки по обмотке якоря создается также, как и в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, т. е. свой магнитный поток якоря Фя. Поток якоря Фя и поток возбуждения Фв вращаются с одинаковой частотой и создают, следовательно, некоторый результирующий поток
Фрез = Фя+Фв.
В результате э. д. с. Машины
Е = сЕФрезn,
т. е. будет отличаться от э. д. с. Е 0 при холостом ходе.
Воздействие потока якоря на результирующий поток синхронной машины называется реакцией якоря. Так как под действием реакции якоря изменяется результирующий поток в машине, то и напряжение генератора будет зависеть от тока, проходящего по обмотке якоря, и его сдвига фаз относительно напряжения. Когда ток в обмотке якоря совпадает по фазе с э. д. с. холостого хода Е 0 (рис.), поток Фя действует по поперечной оси машины q - q; он размагничивает одну половину каждого полюса и под-магничивает другую. Результирующий поток Фрез в этом случае из-за насыщения магнитной цепи машины несколько уменьшается по сравнению с Фв.
В случае, когда ток в обмотке якоря отстает от Е 0 на 90° (рис. 1, б), поток якоря Фя действует по продольной оси машины против Фв, т. е. уменьшает результирующий поток (размагничивает машину); если ток в обмотке якоря опережает Е 0 на 90° (рис. 1 а), поток Фя совпадает по направлению с Фв, т. е. увеличивает поток Фрез (подмагничивает машину). Если ток якоря отстает или опережает э. д. с. Е 0 на угол, меньший 90°, то это можно рассматривать как сочетание рассмотренных случаев. В общем случае если ток якоря отстает от напряжения, то реакция якоря действует размагничивающим образом. Она уменьшает результирующий поток и напряжение генератора. Когда ток опережает напряжение, то реакция якоря увеличивает результирующий поток и напряжение генератора.
Второй причиной изменения напряжения генератора при его нагрузке являются внутренние падения напряжения в обмотке якоря - активное и реактивное.
Рис. 1 (а б в). Реакция якоря синхронной машины при различном характере нагрузки
Эти падения напряжения возникают в синхронной машине по тем же причинам, что и в асинхронном двигателе и трансформаторе.
Внешние характеристики синхронного генератора (рис. 289) представляют собой зависимости изменения напряжения генератора U от тока нагрузки Iя при постоянных значениях т, Iв и cos?. Коэффициент мощности cos?, при котором работает генератор, определяется характером его нагрузки (соотношением между активным и реактивным сопротивлениями потребителей). При активной нагрузке напряжение генератора с ростом тока нагрузки уменьшается по кривой 2, а при активно-индуктивной - по кривой 1; чем больше угол сдвига фаз? между током Iя и напряжением U, тем сильнее размагничивающее действие реакции якоря и тем ниже идет кривая напряжения. При активно-емкостной нагрузке, когда ток Iя опережает по фазе напряжение U, реакция якоря подмагничивает машину и напряжение U может даже возрастать по сравнению с U0 = E0 при холостом ходе (кривая 3).
В синхронных генераторах из-за значительной реакции якоря изменение напряжения во много раз больше, чем в трансформаторах. Обычно генераторы работают при cos? = 0,85-0,9 при отстающем токе, при этом?U= 35-25 % от Uном.
При столь большом изменении напряжения для нормальной работы подключенных к генератору потребителей требуется применять специальные устройства для стабилизации его выходного напряжения, например быстродействующие регуляторы возбуждения.
Отдаваемая генератором мощность при одних и тех же значениях тока зависит от коэффициента мощности cos?, при котором работает генератор, т. е. от характера его нагрузки. Однако проводники генератора рассчитываются на определенный ток, а его изоляция и магнитная система - на определенное напряжение и магнитный поток независимо от cos ср нагрузки. По этой причине номинальной мощностью генератора считается его полная мощность S в киловольт-амперах (кВ*А), на которую рассчитана машина по условиям нагревания и длительной безаварийной работы. Регулировать активную мощность синхронного генератора при работе его на какую-либо нагрузку можно путем изменения сопротивления нагрузки или напряжения машины.
При передаче энергии от вала ротора синхронного генератора в обмотку статора в различных элементах машины возникают потери мощности (рис. 290). Потери имеют место в обмотках статора и ротора - электрические потери Рэл, в стали их сердечников - магнитные потери Рм и в трущихся элементах (подшипники, вентиляторы и пр.) - механические потери Рмх. К. п. д. синхронных машин находится в пределах от 0,85 до 0,95, т. е. имеет примерно те же значения, как и у асинхронных машин.
Короткое замыкание. При коротком замыкании синхронного генератора ток короткого замыкания Iк ограничивается внутренним сопротивлением обмотки якоря, которое имеет в основном индуктивный характер. Поэтому ток Iк отстает от напряжения на угол, близкий к 90°, и реакция якоря сильно размагничивает машину и резко уменьшает поток Фрез и э. д. с. генератора Е. В результате установившийся ток короткого замыкания в синхронных машинах сравнительно невелик (в некоторых машинах он меньше номинального), но из этого нельзя делать вывод, что короткое замыкание не опасно для генератора.
Рис. 2. Внешние характеристики синхронного генератора при различной нагрузке
Рис. 3. Энергетическая диаграмма синхронного генератора
При внезапном коротком замыкании и уменьшении результирующего потока машины Фрез в обмотках возбуждения и демпферной индуцируются э. д. с. и возникают токи, которые согласно правилу Ленца препятствуют изменению потока Фрез. Поэтому этот поток и э. д. с. генератора уменьшаются сравнительно медленно, хотя машина уже замкнута накоротко. В результате ток в обмотке якоря в начальный момент короткого замыкания резко возрастает, а затем постепенно уменьшается. Наибольший ток Iк в начальный момент короткого замыкания называется ударным; он может превышать амплитуду номинального тока якоря в 10-15 раз.
Для ограничения ударного тока в цепь обмотки якоря иногда вводят дополнительную индуктивность (реактор).
1.2 Генераторный режим синхронных машин
Так как выражения электромагнитной мощности и момента у синхронной машины аналогичны и в двигательном и в генераторном режимах, то достаточно рассмотреть генераторный режим синхронной машины.
При работе синхронной машины в качестве генератора можно регулировать магнитный поток Фо и пропорциональную ему Ео, изменяя ток возбуждения.
Рис. 4. Зависимость Ео=f(Iв) (2) называется характеристикой холостого хода генератора
Остаточная ЭДС у синхронного генератора равна 5-10 В.
Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет только при активной нагрузке,
При включении статора на сопротивление нагрузки по обмотке пойдет ток, который создаст поле, вращающееся относительно статора и неподвижное относительно поля возбуждения основного потока ротора Фо. Совпадение токов в проводниках по фазе с ЭДС будет только при активной нагрузке, при индуктивной ток отстает на 90°, при емкостной опережает на 90°. Рост напряжения при емкостной нагрузке связан с подмагничивающим действием реакции якоря (статора), а снижение при индуктивной нагрузке - размагничиванием.
Упрощенное уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора без учета поля рассеяния якоря имеет вид:
где Ео - ЭДС холостого хода.
Рис. 5. Данному выражению соответствуют схема замещения (рис. а) и векторная диаграмма (рис. б)
Из диаграммы следует, что Ео соответствует магнитному потоку ротора Фо, а напряжение U - результирующему магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что в генераторном режиме Фо опережает Ф на угол q.
ной режим работы генератора нагрузочный. Пренебрегая потерями в сопротивлении обмотки якоря, получим из векторной диаграммы значение cosy между напряжением и Еo:
(3). 11
С учетом этого выражения получим зависимость для определения электромагнитной мощности:
(4).
Момент равен отношению мощности к частоте вращения:
(5).
Выражение в скобках соответствует максимальному моменту Мmax, причем.
Рис. 6. Зависимости электромагнитной мощности и момента синхронной машины при различных токах возбуждения
В синхронном генераторе с активно-реактивной нагрузкой при определении электромагнитного момента необходимо учитывать фазовый сдвиг тока относительно магнитного потока или напряжения. Тогда выражение для момента
(6).
Синхронный генератор в качестве источника электрической энергии переменного тока включают в распределительную сеть параллельно. При параллельной работе генератора с системой большой мощности его частота и напряжение, а также угловая скорость должны оставаться неизменными при любых изменениях как нагрузки, так и тока возбуждения и момента первичного двигателя. Активную мощность, отдаваемую генератором в сеть, можно регулировать только изменением момента первичного двигателя, а реактивную - изменением тока возбуждения.
1.3 Влияние параметров схемы на характеристики мощности
Зависимости активной мощности от угла сдвига вектора э. д. с. имеют и в самых общих условиях при Е = const синусоидальный характер, однако синусоиды смещены как относительно оси абсцисс, так и относительно оси ординат. Смещение характеристики мощности обусловливается потерями активной мощности в элементах схемы. Оно возникает при наличии в схеме активных сопротивлений. Если активные сопротивления в схеме отсутствуют, то составляющие собственных и взаимных сопротивлений и проводимостей ветвей равны нулю. При этом мощности генератора и приемника:
(7).
Характеристика мощности имеет тот же вид, что и при схеме замещения электропередачи с последовательным соединением реактивных сопротивлений, с той только разницей, что вместо суммарного индуктивного сопротивления в знаменатель входит взаимное сопротивление . Для Т-образной схемы с индуктивными сопротивлениями ветвей (рис. 5.5) взаимное сопротивление
и характеристика мощности имеет амплитуду:
(8).
Если бы шунтирующее индуктивное сопротивление в схеме отсутствовало, то амплитуда характеристики мощности была бы равной:
(9).
Поскольку знаменатель в выражении (5.7) больше, чем в (5.8), очевидно, амплитуда мощности в первом случае меньше (кривая 3 на рис. 5.5), чем во втором (кривая 2 там же), и разница между ними тем больше, чем меньше шунтирующее индуктивное сопротивление .
Таким образом, можно констатировать, что шунтирующие индуктивные сопротивления в схеме электропередачи снижают амплитуду характеристики мощности. Это обстоятельство имеет очень большое значение для динамической устойчивости при коротких замыканиях.
Такой характер изменения амплитуды мощности справедлив, однако, только при условии, что э. д. с. генератора Е сохраняет одно и то же значение как при наличии шунтирующего индуктивного сопротивления, так и без него. В установившемся режиме работы системы при подключении индуктивного шунтирующего сопротивления (например, сопротивления в схеме на рис. 5.5) для того, чтобы восстановить напряжение в точке подключения сопротивления, приходится увеличивать э. д. с. генератора Е с тем, чтобы компенсировать потерю напряжения от реактивного тока, потребляемого индуктивным сопротивлением . Это увеличение э. д. с. приводит к прямо противоположным результатам, обусловливающим повышение характеристики мощности (кривая 1 на рис. 5.5).
Рис. 7. Влияние шунтирующего индуктивного сопротивления на амплитуду характеристики мощности: 1 - характеристика мощности при увеличенной э.д.с.; 2 - при отсутствии ; 3 - при неизменной э.д.с
При наличии в схеме электропередачи активных сопротивлений мощности генератора и приемника, вообще говоря, различны, и разница между ними определяется значением потерь мощности между генератором и приемной системой.
Характеристики мощности имеют вид, представленный на рис. 5.6, причем:
(10).
Характеристика мощности генератора смещена вверх на величину
и вправо на угол , синусоидальная характеристика мощности сдвинута, наоборот, вниз на и влево на угол .
Если приемная система имеет бесконечную мощность, то характеристика мощности не представляет интереса с точки зрения устойчивости. Работа на падающей ветви этой характеристики не приводит к неустойчивости поскольку вектор напряжения бесконечно мощной системы вращается с неизменной синхронной скоростью при любых значениях передаваемой приемнику мощности и, следовательно, возможность нарастающего изменения угла за счет перемещений вектора U исключена. В этих условиях устойчивость системы передачи связывается исключительно с характеристикой мощности генератора и нарушение устойчивости происходит при неизменной э. д. с. Е при достижении максимума этой характеристики, равного:
, (11).
при угле
= 90° +,
несколько большем 90°.
Если активное сопротивление в схеме электропередачи включено не последовательно, а параллельно, например, в виде промежуточной нагрузки на рис. 5.7, то взаимное сопротивление:
(12).
Вещественная составляющая здесь отрицательна
,
а следовательно, отрицателен и угол .
Активное сопротивление может получиться отрицательным потому, что сопротивление не является, по существу, реально существующим сопротивлением, а представляет собой лишь некоторый комплексный коэффициент пропорциональности между током в одной ветви схемы и э. д. с. в другой ветви. Собственные сопротивления и определяются как отношение напряжения к току в одной и той же ветви схемы замещения. Поэтому их активные составляющие не могут быть отрицательны. Таким образом, дополнительные углы фазных углов комплексных собственных сопротивлений всегда положительны.
Рис. 8. Характеристики мощности при учете последовательного активного сопротивления
Рис. 9. Характеристики мощности при наличии шунтирующего активного сопротивления
Синусоидальная характеристика мощности генератора на рис. 5.7 сдвинута вверх и влево, а приемной системы - вниз и вправо. Неустойчивость системы при Е = const возникает при достижении максимума характеристики мощности генератора:
(13).
при угле
,
меньшем 90°.
Таким образом, можно констатировать, что под влиянием активных сопротивлений критический угол отклоняется от 90° в ту или иную сторону на дополнительный угол взаимного комплексного сопротивления ветви . Идеальный предел мощности генераторов в этих условиях представляет собой сумму постоянной составляющей и амплитуды синусоидальной составляющей в выражении мощности.
1.4 Характеристика мощности электропередачи с регулируемыми генераторами
Предполагалось, что э. д. с. генераторов при изменении их мощности остается постоянной. Как можно видеть, связанное с ростом передаваемой мощности увеличение угла обусловливает снижение напряжения генератора. Если возрастание нагрузки происходит достаточно медленно, то э. д. с. генераторов путем регулирования тока возбуждения может быть изменена для поддержания постоянства напряжения на шинах генераторного напряжения. Предел передаваемой мощности при этом резко возрастает.
Обратимся снова к схеме электропередачи (рис. 5.8) с индуктивным сопротивлением системы
.
Значение напряжения на шинах генераторов в этой схеме нетрудно получить на векторной диаграмме (рис. 5.9), прибавляя к вектору напряжения приемника U падение напряжения в суммарном индуктивном сопротивлении трансформаторов и линии, равном:
Прибавляя далее к вектору падение напряжения в синхронном индуктивном сопротивлении генератора , находим э. д. с. генератора в данном режиме Е. Вектор напряжения на шинах генератора делит вектор полного падения напряжения на два отрезка: - в отношении значений индуктивных сопротивлений . При увеличении угла на вектор э. д. с. генератора Е займет новое положение, показанное на диаграмме рис. 5.9 штриховой линией. Положение вектора напряжения генератора в новом режиме можно найти, разделив в том же отношении значений индуктивных сопротивлений вектор полного падения напряжения, соединяющий концы векторов Е и U.
Рис 10. Принципиальная схема и схема замещения электропередачи
Рис 11. Изменение напряжения при увеличении угла
Как вытекает из диаграммы, вектор напряжения при увеличении угла поворачивается, следуя за вектором Е, и, что особенно важно, при этом уменьшается. Этот вывод, очевидно, справедлив для напряжения любой другой промежуточной точки схемы электропередачи: на шинах подстанции, на линии и т. д.
При наличии у генераторов автоматических регуляторов возбуждения контролирующих напряжение , регуляторы, реагируя на понижение напряжения при возрастании угла , будут увеличивать ток возбуждения генераторов, а с ними э. д. с. Е до тех пор, пока не восстановят прежнего значения напряжения.
Таким образом, исследуя установившиеся режимы работы генераторов, имеющих автоматические регуляторы напряжения, при различных значениях угла следует исходить из постоянства напряжения на шинах генераторного напряжения . Значение же э. д. с. генераторов Е в этих условиях будет изменяться, возрастая с увеличением угла (рис. 5.10). Если при неизменной э. д. с. характеристика мощности генераторов в зависимости от угла представляет собой синусоиду:
(14).
то при наличии регуляторов напряжения эта характеристика будет иметь более сложный характер, отражая непрерывное изменение э. д. с. генераторов в зависимости от угла . Построив для различных значений э. д. с. Е семейство синусоид, амплитуды которых пропорциональны Е (рис. 5.11), характеристику мощности с учетом изменения э. д. с. (которую мы назовем внешней характеристикой) можно получить, переходя с одной синусоиды на другую в соответствии с ростом э. д. с., вытекающим из векторной диаграммы, приведенной на рис. 5.10. Если увеличение мощности и угла происходит достаточно медленно, то такая же характеристика может быть получена и при ручном регулировании напряжения. Внешняя характеристика имеет возрастающий характер даже в области углов > 90°, что нетрудно объяснить увеличением э. д. с. Е, которое преобладает над уменьшением в выражении мощности при углах, несколько больших 90°.
Максимум внешней характеристики достигается не при = 90°, а при = 90°, где - угол вектора напряжения на шинах генераторов , Угол при этом уже значительно превышает 90°. Однако неустойчивость системы возникает ранее, и при регуляторах напряжения с зоной нечувствительности, а тем более при ручном регулировании, критическим с точки зрения устойчивости следует признать режим не при = 90°, а при = 90°. В области углов <90° несовершенство регулирования не приводит непосредственно к неустойчивости системы, так как даже синусоидальные характеристики при постоянстве э. д. с. имеют в этой области значений углов возрастающий характер.
Рисунок 12. Изменение э. д. с. с увеличением угла
Рис 13. Определение внутреннего предела мощности
Рассматривая внешнюю характеристику мощности как совокупность возможных установившихся режимов работы при ручном регулировании и при автоматическом регулировании напряжения с зоной нечувствительности, устойчивость этих режимов в каждой точке внешней характеристики следует проверять по знаку синхронизирующей мощности при постоянстве э. д. с. генераторов, определяемой по касательной не к внешней характеристике, а к соответствующей внутренней характеристике мощности, как это показано на рис. 5.11. Предельное значение мощности в этих условиях, так называемый внутренний предел мощности , достигается в точке b на внешней характеристике при = 90° (или = 90°+ при наличии в системе активных сопротивлений).
Как было отмечено, система не может работать на пределе устойчивости. На случай непредвиденных изменений режима необходим определенный запас устойчивости. Несовершенство регулирования напряжения вручную заставляет при определении запаса устойчивости при таком регулировании ориентироваться на постоянство э. д. с. генераторов.
Для каждой точки внешней характеристики мощности существует свой запас устойчивости, определяемый по внутренней характеристике, проходящей через данную точку (рис. 5.12). По мере увеличения запас уменьшается и становится равным нулю при достижении внутреннего предела мощности. Ввиду того, что необходимо иметь определенное значение запаса устойчивости наибольшее допустимое значение передаваемой мощности при ручном регулировании напряжения далеко не достигает внутреннего предела.
При автоматических регуляторах напряжения [имеющих зону нечувствительности]могут быть допущены меньшие запасы по внутренней характеристике, а следовательно, и большие значения передаваемой мощности , поскольку при более или менее значительных изменениях режима можно не считаться с зоной нечувствительности регуляторов. Регуляторы обеспечивают дополнительный запас устойчивости вплоть до внутреннего предела мощности. Это обстоятельство позволяет рассматривать автоматические регуляторы напряжения как одно из наиболее эффективных средств увеличения статической устойчивости.
Регуляторы без зоны нечувствительности принципиально позволяют работать и за внутренним пределом мощности, еще более расширяя область устойчивой работы генераторов.
Положительный эффект автоматических регуляторов напряжения может быть ограничен характеристиками возбудителей. При срабатывании регулятора напряжение возбудителя растет не беспредельно. Оно ограничивается некоторым максимальным значением - так называемым потолком возбуждения. Потолку возбуждения соответствует и некоторое предельное значение э. д. с. генератора .
Если потолок возбуждения будет достигнут при угле, меньшем 90° (например, в точке b на рис. 5.13), то при дальнейшем росте угла процесс протекает уже при постоянстве э. д. с. и предел мощности получается равным амплитуде синусоиды мощности, построенной при .
Рис. 14. Изменение запаса устойчивости, определяемого по внутренней характеристике
Если бы регулятор обладал идеальной чувствительностью и ток возбуждения генератора изменялся без всякого запаздывания, то работа генератора протекала бы при любых изменениях угла - конечных или бесконечно малых - на внешней характеристике при постоянстве напряжения на выводах генераторов.
Рис. 15. Предел мощности при ограниченном изменении э.д.с
В этих условиях предельный, с точки зрения статической устойчивости, режим определяется амплитудой внешней характеристики мощности, достигаемой при углах , значительно больших 90°. Однако неизбежное запаздывание в изменении тока возбуждения возбудителя, особенно генератора, а также запаздывание в изменении токов в цепях самого регулятора усложняют условия сохранения устойчивости. Зона устойчивой работы при этом может быть расширена вплоть до значения мощности, равного амплитуде внешней характеристики, только при специальном выборе закона регулирования, который может быть реализован так называемыми регуляторами сильного действия.
Если же регулирование возбуждения осуществляется под действием регулятора, который, как рассматривалось ранее, изменяет ток возбуждения только в зависимости от изменения напряжения (регулятор пропорционального действия), то при наличии запаздывания генератор сможет работать при углах , в той или иной степени превышающих 90°, но не достигающих значения, при котором характеристика мощности имеет максимальное значение. На рис. 5.14 показаны условия работы генератора с регулятором напряжения пропорционального действия при > 90°, где характеристики мощности при неизменных значениях э. д. с. холостого хода генератора Е = const имеют уже падающий характер, но внешняя характеристика мощности при = const еще заметно возрастает. При небольшом возмущении исходного режима работы генератора, отвечающего точке а, увеличение угла обусловливает уменьшение напряжения на шинах генератора. Регулятор напряжения повышает напряжение на обмотке возбуждения возбудителя, но ток возбуждения возбудителя, а с ним и напряжение якоря возбудителя возрастают не сразу, а постепенно в связи с существованием самоиндукции у обмотки возбуждения. Нарастание тока возбуждения генератора еще более замедлено, поскольку индуктивность обмотки возбуждения генератора весьма велика. Поэтому изменение мощности генератора на рис. 5.14 в первый момент времени следует характеристике мощности при постоянстве э. д. с. генератора, соответствующей точке а. Мощность генератора падает, и под влиянием избытка мощности турбины угол продолжает возрастать. Однако ток возбуждения и э. д. с. генератора также начинают изменяться и режим работы генератора переходит с одной характеристики мощности на другую, что не только замедляет снижение мощности генератора, но в дальнейшем приводит к увеличению мощности генератора с ростом угла. В точке b избыток мощности исчезает, но инерция ротора обусловливает дальнейшее увеличение угла, сопровождаемое ростом мощности генератора. Избыток мощности генератора затормаживает ротор, и в точке с достигается максимальное значение угла, после чего угол начинает уменьшаться. После того как будет пройдена точка d, лежащая на внешней характеристике мощности, регулятор напряжения начинает уменьшать напряжение возбудителя и кривая изменения мощности генератора пересекает семейство внутренних характеристик мощности в обратном направлении в соответствии с уменьшением э. д. с. Е. После нескольких циклов колебания затухают и устанавливается первоначальный режим работы в точке а.
Несколько иначе обстоит дело, если у регулятора существует зона нечувствительности, неизбежная у всех регуляторов электромеханического типа. Такие регуляторы начинают работать только после того, как отклонение напряжения в ту или иную сторону достигнет определенного значения, необходимого для того, чтобы преодолеть сопротивление подвижных частей регулятора. При меньших отклонениях, лежащих в пределах зоны нечувствительности, регулятор не работает. В подобных условиях для генератора можно построить две внешние характеристики мощности, соответствующие границам зоны нечувствительности (рис. 5.15). Если исходному режиму работы генератора при > 90° соответствует точка а, то вследствие существования у регулятора зоны нечувствительности этот режим длительно существовать не может. Из-за того что внутренняя характеристика мощности падает, угол начинает нарастать (или уменьшаться). После того как будут пройдены границы зоны нечувствительности, регулятор начинает работать и, изменяя э. д. с. генератора, может затормозить его и ограничить нарастание угла, также как и в случае, рассмотренном на рис. 5.14. Однако если в результате затухания колебаний процесс и возвратился бы к исходным параметрам, характеризуемым точкой а, то в силу внутренней неустойчивости режима в этой точке колебания немедленно возникли бы снова.
Рис. 16. К оценке условии работы генератора при > 90 при регуляторе без зоны нечувствительности
Рис. 17. Характеристики мощности при наличии зоны нечувствительности регуляторов
Таким образом, характерной особенностью работы генератора в области значений угла > 90° при регуляторах, имеющих зону нечувствительности, являются непрерывные незатухающие конечные колебания угла , а следовательно, мощности, напряжения и тока генератора. Эти колебания затрудняют контроль за работой генератора и заставляют отрицательно характеризовать возможность работы генераторов в области > 90° при регуляторах напряжения электромеханического типа.
При регуляторах, не имеющих зоны нечувствительности, как было показано на рис. 5.14, режим работы генератора при > 90° также характеризуется колебаниями угла, которые определяются запаздыванием изменения тока в цепях генератора, возбудителя и системы АРВ. Однако эти колебания при правильной настройке регуляторов затухают и поэтому не могут рассматриваться в качестве безусловной причины нереализуемости режима в области, где > 90°, как это было для генераторов, снабженных регуляторами с зоной нечувствительности.
Качественный анализ процесса, выполненный с помощью зависимостей, приведенных на рис. 5.14 показал, что характер процесса изменения угла зависит как от того, в какой мере влияет запаздывание токов на изменение мощности генератора, так и от скорости изменения тока возбуждения под влиянием регулятора, определяющей на рис. 5.14 переход рабочей точки с одной внутренней характеристики на другую. Поэтому выбором коэффициента усиления регулятора, который характеризует степень изменения э. д. с. генератора при изменении контролируемого регулятором напряжения, можно влиять на процесс изменения колебаний угла . Математический анализ этого процесса показывает, что при регуляторах пропорционального действия, не имеющих зоны нечувствительности, предельный угол, при котором малые колебания угла не имеют нарастающего характера, оказывается всегда меньше угла, отвечающего амплитуде внешней характеристики мощности. Следовательно, такие регуляторы обеспечивают расширение зоны устойчивой работы за предел 90°, но не позволяют повышать передаваемую мощность до теоретически максимально возможного значения.
Обеспечить затухающий характер колебания угла во всей зоне, где внешняя характеристика мощности возрастает, оказывается возможным при усложнении системы регулирования возбуждения генераторов, которая при этом должна реагировать не только на изменение напряжения (или тока), но также и изменять ток возбуждения пропорционально производным (скорости изменения) напряжения, тока или других параметров, характеризующих режим системы. Такие регуляторы называются регуляторами сильного действия.
1.5 Статический конденсатор
Реактивная мощность статических конденсаторов пропорциональна квадрату напряжения, как и для всякого постоянного сопротивления.
Рис. 4.19. Регулирующий эффект статического конденсатора
,
Конденсаторы отдают реактивную мощность в сеть, следовательно, получаемая ими реактивная мощность отрицательна (рис. 4.19).
Регулирующий эффект статических конденсаторов отрицателен и равен:
и если считать, что Q*cт.к.=Qст.к.=1 и U=1 то .
Синхронные двигатели увеличивают выработку реактивной мощности при снижении напряжения в системе и уменьшают его при снижении частоты, поэтому в условиях одновременного снижения U и f синхронные двигатели также влияют на устойчивость нагрузки в целом, как и асинхронные двигатели.
Таким образом, регулирующий эффект источников реактивной мощности по напряжению невелик и находится в пределах 2, что объясняется их статическими характеристиками.
Необходимо отметить, что сказанное относится к случаям, когда эти источники нерегулируемые. Современные источники реактивной мощности, такие как статические источники реактивной мощности, синхронные компенсаторы продольно-поперечного возбуждения имеют гораздо больший регулирующий эффект, так как снабжаются автоматическими регуляторами, позволяющими изменять реактивную мощность весьма быстро и в широких пределах. Поэтому их эффективность весьма высока и обеспечивает постоянство напряжений в контролируемых точках подключений.
1.6 Расчет запаса устойчивости узла комплексной нагрузки
Ранее мы рассмотрели зависимости потребления мощности от напряжения одиночной нагрузки U. Но обычно от некоторого электрического узла питаются не одиночные потребители, а ряд потребителей, причем в состав этих потребителей входят и вращающиеся машины. Наличие вращающейся машины, главным образом асинхронных двигателей вносит изменения на протекание переходных процессов и может привести к неустойчивости всей комплексной нагрузки.
Обычно асинхронные двигатели имеют большие запасы устойчивости: отношение максимального вращающего момента к рабочему составляет и следовательно небольшое снижение напряжения не может повлиять на их устойчивую работу. Все это относится к единичному двигателю, получающему питание от источника напряжения, которое не зависит от режима двигателя.
Если двигатель или группа двигателей питается от генератора соизмеримой мощности и, следовательно, напряжение на шинах нагрузки зависит от режима, то картина устойчивости меняется. Рассмотрим схему в котором в конце передачи имеется узел комплексной нагрузки. Предположим, что нагрузка представлена эквивалентным двигателем.
Рис. 4.20. Расчет узла комплексной нагрузки
Нагрузка представлена эквивалентным двигателем.
Очевидно, что максимум мощности характеристики эквивалентного двигателя P=f(S) должен быть определен, исходя из постоянства напряжения той точки, где напряжение считается постоянным. Максимумы мощностей определим из соотношения:
(4.20)
Xэ=Xd+Xc+Xs,
Xc=XT1+XЛ+XT2
- суммарное эквивалентное сопротивление и сопротивление системы. Расчеты проведем при условии, что вся нагрузка заменена одним эквивалентным двигателем, а генераторы отправного конца - одним эквивалентным генератором. Сравним максимумы характеристик эквивалентного двигателя при условии постоянства напряжений в разных точках (рис 4.21):
напряжение на шинах двигателя
U =пост., ;
напряжение на шинах генератора
UГ=пост.,
переходная э.д.с.
E'=пост.,
э.д.с. холостого хода
Eq=пост.,
Очевидно, что выполняются условия:
Pm1>Pm2>Pm3>Pm4
Sкр 1> Sкр 2> Sкр 3> Sкр 4
при одновременном увеличении рабочего скольжения.
Наибольший запас устойчивости обеспечивается при постоянстве напряжения на шинах двигателя, а наибольшая опасность опрокидывания двигателя при Eq=пост., так как имеет наименьшее значение, хотя условие устойчивости выполняется.
Из характеристик видно, что опрокидывание двигателя может произойти из-за незначительного изменения напряжения нагрузки. Поэтому при соизмеримых мощностях генераторов и двигателей необходимо расчет произвести исходя не из напряжения на зажимах двигателя, а из постоянства тех э.д.с генераторов, которые в данных условиях постоянны. Эта э.д.с. разная при различных регулированиях возбуждения синхронных генераторов:
...Подобные документы
Принцип работы машины постоянного тока. Статистические характеристики и режимы работы двигателя независимого возбуждения. Способы регулирования скорости двигателя. Расчет параметров электрической машины. Структурная схема замещения силовой цепи.
курсовая работа [438,8 K], добавлен 13.01.2011Расчет и обоснование номинальной величины асинхронного двигателя. Размеры и зубцовая зона статора. Воздушный зазор и полюса ротора. Определение основных паромеров магнитной цепи. Превышение температуры обмотки статора. Характеристики синхронной машины.
курсовая работа [585,7 K], добавлен 21.02.2016Характеристика проблемы анализа и синтеза оптимальных систем автоматического регулирования. Особенности трехимпульсного регулятора питания. Описание к САР на базе оптимального регулятора с учетом внутреннего контура. Моделирование переходных процессов.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 15.04.2015Параллельная работа синхронного генератора с сетью, регулирование его активной и реактивной мощности. Построение векторных диаграмм при различных режимах нагрузки. Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа.
контрольная работа [92,0 K], добавлен 07.06.2012Расчет источника гармонических колебаний. Определение резонансных режимов электрической цепи. Расчет переходных процессов классическим методом. Определение установившихся значений напряжений и токов в электрических цепях при несинусоидальном воздействии.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 18.11.2012Простота устройства, большая надежность и низкая стоимость асинхронных двигателей. Принцип действия асинхронной машины и режимы ее работы. Получения вращающегося магнитного поля. Устройство синхронной машины, холостой ход синхронного генератора.
презентация [443,8 K], добавлен 12.01.2010Общая характеристика Юго-Восточных электрических сетей. Составление схемы замещения и расчет ее параметров. Анализ установившихся режимов работы. Рассмотрение возможностей по улучшению уровня напряжения. Вопросы по экономической части и охране труда.
дипломная работа [430,3 K], добавлен 13.07.2014Статическая характеристика двигателя. Получение естественной электромеханической характеристики. Исследование статических и динамических характеристик в одномассовой электромеханической системе с двигателем постоянного тока независимого возбуждения.
контрольная работа [674,0 K], добавлен 12.05.2009Расчет переходного процесса классическим методом и решение дифференциальных уравнений, описывающих цепь. Схема замещения электрической цепи. Определение производной напряжения на емкости в момент коммутации. Построение графиков переходных процессов.
контрольная работа [384,2 K], добавлен 29.11.2015Экспериментальный и теоретический методы познания физической реальности. Единая теория векторных полей - обобщение уравнений электродинамики Максвелла, теоретическое обоснование схемы их построения; исследование гравитационного и электрического полей.
контрольная работа [18,7 K], добавлен 10.01.2011Расчет источника гармонических колебаний. Составление и расчет баланса мощностей. Расчёт четырёхполюсника, установившихся значений напряжений и токов в электрических цепях при несинусоидальном воздействии, переходных процессов классическим методом.
контрольная работа [1,0 M], добавлен 11.12.2012Модификация уравнений электромагнитного поля Максвелла для электрического и магнитного векторных потенциалов. Анализ физического содержания полученных уравнений показал, что их векторные потенциалы являются полноправными физически значимыми полями.
реферат [94,3 K], добавлен 20.01.2008Описание схемы электрической принципиальной. Составление дифференциальных уравнений, определение передаточных функций и составление структурных схем элементов системы автоматического управления. Расчет критериев устойчивости Гурвица и Михайлова.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 09.08.2015Электромагнитное поле. Система дифференциальных уравнений Максвелла. Распределение потенциала электрического поля. Распределения потенциала и составляющих напряженности электрического поля и построение графиков для каждого расстояния. Закон Кулона.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 12.05.2016Расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя; мощности, потребляемой из сети. Построение механической и энергомеханической характеристик при номинальных напряжении и частоте. Графики переходных процессов при пуске асинхронного двигателя.
курсовая работа [997,1 K], добавлен 08.01.2014Вывод операторных передаточных функций. Составление системы уравнений в матричной форме на базе метода узловых потенциалов для вывода функции коэффициента передачи по напряжению. Расчет и построение карты особых точек, частотных, переходных характеристик.
курсовая работа [488,5 K], добавлен 07.06.2012Разработка вариантов схем электрических сетей. Требования к ним с точки зрения надежности. Отбор конкурентоспособного варианта, его технико-экономические характеристики, анализ установившихся режимов. Расчет вероятностных характеристик потребителей.
курсовая работа [748,3 K], добавлен 28.08.2009Определение главных размеров двигателя, расчет сердечника и обмоток статора, параметров воздушного зазора, полюсов ротора, пусковой обмотки. Определение МДС обмотки возбуждения, ее расчет. Потери мощности, КПД и статическая перегруженность двигателя.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 14.05.2011Основные этапы проектирования электрического двигателя: расчет параметров якоря и магнитной системы машины постоянного тока, щеточно-коллекторного узла и обмотки добавочного полюса. Определение потери мощности, вентиляционных и тепловых характеристик.
курсовая работа [411,3 K], добавлен 11.06.2011Электромагнитная и электрическая схема синхронных машин. Конструкция явнополюсного ротора. Характеристика синхронного генератора, синхронное индуктивное сопротивление. Угловые характеристики и регулирование реактивной мощности, реактивный момент.
презентация [3,8 M], добавлен 09.11.2013
