Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышлен

ПРЕДИСЛОВИЕ

При проектировании и эксплуатации систем промышлен­ ного электроснабжения возникает ряд проблем, для реше­ ния которых необходимо провести анализ переходных про­ цессов в электродвигательной нагрузке. К таким вопросам относятся: определение условий и выбор схемы пуска мощ­ ных электродвигателей, выбор и проверка электрических ап­ паратов и проводников по условиям работы при коротких замыканиях, выбор настроечных параметров релейной защи­ ты и средств противоаварийной автоматики, определение усло­ вий и способов обеспечения успешного самозапуска двигате­ лей и ряд других.

Основным способом решения перечисленных задач явля­ ется проведение расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов на базе математического моделирова­ ния систем промышленного электроснабжения.

В предлагаемой книге рассматриваются методы модели­ рования электрических двигателей, узлов промышленной комплексной нагрузки и систем электроснабжения в целом применительно к задаче автоматизации расчетно-эксперимен­ тальных исследований переходных процессов. Основное отли­ чие книги от изданных ранее по данной тематике заключа­ ется в целевой направленности как по объекту исследования (система промышленного электроснабжения), так и по кру­ гу решаемых задач (переходные процессы применительно к запросам и потребностям промышленного электроснабже­ ния).

Книга является результатом совместной работы авторов. Главы 1—5 и 7, 8 написаны С. И. Гамазиным, глава 6 — сов­ местно С. И. Гамазиным, Д. Б. Понаровкиным и С. А. Цыруком, глава 9 — совместно С. И. Гамазиным и С. А. Цыруком, глава 10 — С. А. Цыруком и глава И — Д. Б. Понаровкиным.

Отзывы о книге просим направлять по адресу: 105835, Москва, ГСП Е-250, ул. Красноказарменная, д. 14, Издатель­ ство МЭИ.

ВВЕДЕНИЕ

Системы промышленного электроснабжения являются сложными динамическими системами, в которых практичес­ ки постоянно происходят какие-либо изменения: включаются и отключаются отдельные потребители электроэнергии и эле­ менты электрической сети; меняются технологические режи­ мы отдельных механизмов и установок, а следовательно, и режимы электроснабжения соответствующих приемников электрической энергии; меняются режимы питающей элект­ рической системы. Отвлекаясь от конкретных причин возник­ новения переходных процессов, назовем в совокупности эти причины возмущающими воздействиями или возмущениями.

Преобладающую долю возмущающих воздействий в си­ стемах промышленного электроснабжения составляют микро­ возмущения, сопровождающиеся микропроцессами, приводя­ щими лишь к несущественным (с практической точки зре­ ния) изменениям режима. Такие режимы можно назвать ус­ ловно установившимися, а по существу просто установивши­ мися. Именно в таких режимах реализуется основное функ­ циональное назначение системы промышленного электро­ снабжения— передача и потребление электрической энергии, а также ее технологические преобразования в другие виды энергии.

Значительно меньшую долю составляют макровозмуще­ ния, сопровождающиеся существенными (пусть даже локаль­ ными) изменениями режима. Примерами таких возмущений могут служить короткие замыкания, приводящие к наруше­ нию нормального электроснабжения. Переходные процессы в аварийных режимах, несмотря на их кратковременность и

малую вероятность возникновения, во многом определяют параметры системы электроснабжения. Особую значимость имеют переходные процессы в системах электроснабжения с мощной электродвигательной нагрузкой. Это обусловлено следующими обстоятельствами.

1.Электрические двигатели являются самым распростра­ ненным промышленным потребителем электрической энер­ гии. Например, число двигателей на крупном металлургичес­ ком комбинате может составлять 105, а в отрасли черной металлургии в целом— 106.

2.Единичная мощность электрических двигателей посто­

янно увеличивается и достигает в настоящее время 25 000 кВт. 3. Прямой пуск синхронных двигателей большой единич­ ной мощности сопровождается существенным снижением на­ пряжения в электрической сети. Это приводит к затягиванию процесса пуска, а в ряде случаев и к невозможности или не­ допустимости прямого пуска. Выбор надежной схемы пуска синхронного двигателя может быть осуществлен лишь на базе анализа сопровождающих пуск переходных процессов.

4.Нарушение динамической устойчивости синхронных дви­ гателей является распространенной причиной срыва техно­ логических процессов непрерывных производств. Поэтому одной из актуальных задач промышленной электроэнергети­ ки является обеспечение синхронной динамической устойчи­ вости синхронных двигателей после кратковременного сни­ жения напряжения, вызванного короткими замыканиями в питающей электрической системе.

5.Самозапуск всех электрических двигателей в системе промышленного электроснабжения, как правило, не осуще­ ствим, поэтому приходится управлять режимом самозапуска путем регулирования числа и последовательности подключе­ ния электродвигателей. Законы управления самозапуском двигателей могут быть определены лишь на базе анализа переходных процессов в период самозапуска.

6.Рост единичной мощности синхронных двигателей и их доли в общей нагрузке узла электрической системы приводит

кпостоянному увеличению доли токов короткого замыкания от синхронных двигателей в общем токе короткого замыка­ ния. Поэтому являются актуальными задачи определения до­ стоверных значений токов коротких замыканий от синхрон­ ной двигательной нагрузки промышленных предприятий и ра­

зумного ограничения этих токов.

Перечисленные положения отражают основные особенно­ сти переходных процессов в системах промышленного элект­ роснабжения с мощной электродвигательной нагрузкой. Тру­ доемкость анализа переходных процессов усугубляется боль­ шим разнообразием типов синхронных и асинхронных двига­ телей, существенно различающихся как по конструктивному

исполнению и назначению, так и по расчетным параметрам, схемам замещения и характеристикам.

Несмотря на однотипность уравнений переходных процес­ сов в трехфазных генераторах и двигателях переменного тока, электромеханические и электромагнитные переходные процессы в системах промышленного электроснабжения име­ ют ряд существенных отличий от аналогичных процессов в электрических системах, а следовательно, отличаются и ме­ тоды исследования.

Для электрических систем главными являются переход­ ные процессы в синхронных генераторах электрических стан­ ций, а промышленная нагрузка учитывается упрощенно в ви­ де эквивалентного двигателя либо по статическим характери­ стикам эквивалентной комплексной нагрузки. Для систем промышленного электроснабжения главными являются про­ цессы в электромеханической нагрузке, а сама электричес­ кая система в большинстве случаев может учитываться уп­ рощенно в виде постоянной по амплитуде и частоте эквива­ лентной ЭДС, приложенной за эквивалентным сопротивле­ нием.

В системах промышленного электроснабжения частота вращения роторов синхронных двигателей изменяется в пре­ делах от 0 до 1, что приводит к необходимости полного учета влияния демпферных контуров.

Частота напряжения в системах промышленного электро­ снабжения в ряде характерных режимов (например, при групповом выбеге двигателей) колеблется в значительно бо­ лее широком диапазоне, чем в электрических системах. Это необходимо учитывать при анализе переходных процессов в системах электроснабжения с электромеханической нагруз­ кой.

Перечисленные особенности и отличия переходных про­ цессов в системах промышленного электроснабжения с мощ­ ной электромеханической нагрузкой позволяют сделать вы­ вод о целесообразности изложения этих вопросов в отдель­ ной книге.

В течение ряда лет на кафедре электроснабжения про­ мышленных предприятий Московского энергетического инсти­ тута разрабатывалась проблема автоматизации расчетно­ экспериментальных исследований переходных процессов в си­ стемах промышленного электроснабжения. В предлагаемой монографии приводятся основные результаты этих разрабо­ ток.

Глава 1

СИНХРОННЫЙ УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В синхронном установившемся режиме реализуется ос­ новное функциональное назначение СД: быть приводом с синхронной частотой вращения для механизмов и служить управляемым источником реактивной мощности путем регу­ лирования тока в обмотке возбуждения. В настоящей главе рассмотрены исходные, эквивалентные и комплексные схемы замещения СД, используемые в расчетах синхронного уста­ новившегося режима.

1.1. ИСХОДНЫЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Параметрам режима трехфазных систем электроснабже­ ния переменного тока соответствуют обобщенные вращаю­ щиеся векторы, характеризующие либо изменения во време­ ни (в частности, синусоидальные изменения тока или напря­ жения статорной обмотки), либо пространственные переме­ щения (например, вращение магнитного потока) этих пара­ метров режима. Проекции обобщенных векторов на непод­ вижные фазные оси (а, Ъ, с) равны фазным значениям со­ ответствующих параметров режима. В качестве примера на рис. 1.1 представлен обобщенный вектор напряжения t), мо­

дуль которого U характеризует амплитудное (или действую­ щее) значение напряжения, а частота вращения со совпадает с частотой напряжения.

Положение обобщенных векторов можно задавать в раз­ личных системах координат, например в двухмерной ортого­ нальной системе координат с действительной (Re) и мнимой (Im) осями комплексной плоскости. Наиболее употребитель­ ными являются следующие системы координат: а, р — непод­ вижная относительно статора; и, v — вращающаяся с синх­ ронной частотой; d, q — вращающаяся с частотой ротора.

Для трехфазных электрических машин более предпочтитель­ ной является двухмерная ортогональная система координат, вращающаяся с частотой обобщенных векторов. В такой си-

Я

Рис. 1.1. Системы координат для обобщенных векторов параметров режима

стеме координат обобщенные векторы неподвижны относи­ тельно осей, и для определения векторов может быть исполь­ зован математический аппарат теории комплексных чисел и функций. Например, вектор напряжения U в этой системе

координат может быть записан в виде

Для синхронных двигателей (СД) естественной вращаю­ щейся системой координат является система d, q, задаваемая

ставляющими. Например, векторы напряжения и тока ста­ торной обмотки СД в системе координат d, q представляют­ ся в виде:

U = Ud + jUq-,|

( 1.2)

{ = Id + jIr J

Переход от трехфазных неподвижных осей а, о, с к ор­ тогональным вращающимся d, q математически эквивален-

Физическая модель СД в системе координат d, q показа­ на на рис. 1.2. Реальная трехфазная статорная обмотка пред­ ставлена системой из двух ортогональных вращающихся кон­

Рис. 1.3. Исходные схемы замещения синхронной машины по продольной