книги из ГПНТБ / Болотин, Б. И. Инженерные методы расчетов устойчивости судовых автоматизированных электростанций

проводить анализ колебательных явлений в СЭС с разнотипными ГА. Кроме того, в силу установленной экспериментально малой зависи­ мости устойчивости параллельной работы исследуемого типа генера­ торов от параметров системы регулирования напряжения система ре­ гулирования напряжения описывалась упрощенными уравнениями.

В настоящей книге предпринята попытка на основании полных линеаризованных уравнений всех элементов параллельно работающих ГА получить такую базовую структурную схему для двух разнотип­ ных ГА, учитывающую действие всех систем регулирования, с по­ мощью которой могли бы быть исследованы любые виды колебатель­ ных явлений в сложных САЭС.

ГЛАВА 111

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ САЭС

§ 9. Составление и основные особенности структурной схемы параллельной работы двух разнотипных ГА

На основании системы уравнений (11.86) и структурных схем от дельных элементов, составленных ранее, можно построить общую структурную схему параллельной работы двух разнотипных ГА с уче­ том действия систем автоматического регулирования напряжения и скорости. Такая общая схема представлена на рис. I II .1. Эта схема содержит основные физические параметры, которые могут быть не­ посредственно замерены на натурном объекте (активная мощность, напряжение и ток возбуждения генератора и др.).

В отличие от схем, составленных на основании полных уравнений Горева-Парка [14, 22], которые позволяют проводить исследования практически всех возможных режимов, данная схема наиболее удобна для аналитического исследования задач устойчивости парал­ лельной работы ГА, а также для исследования сравнительно медлен­ ных процессов, связанных с динамикой распределения активной и реактивной мощности, изменения частоты сети, угла между роторами ГА и т. д.

Особенно удобна рассматриваемая схема при использовании ма­ тематической модели. В этом случае могут быть исследованы и сугубо нелинейные задачи. Включение нелинейностей в структурную схему может быть произведено достаточно просто.

Отметим наиболее характерные особенности полученной схемы

70

рами понимаются контуры, образованные звеньями данного агрегата, под взаимными — образованные звеньями обоих агрегатов.)

Собственные контуры, замкнутые относительно э. д. с. E q , я в л я ю т с я электромагнитными и учитывают действие вынужденной и свободной составляющих тока возбуждения (tB. вьш и t„. св).

Собственные контуры, замкнутые относительно скорости ф1(2). являются механическими и учитывают действие регулятора скорости и самовыравнивание объекта.

электромагнитные и механические контуры. Следовательно, устой­ чивость системы относительно угла б12 есть результирующая. Она зависит от устойчивости всех перечисленных выше контуров. Следует заметить, что каждый из контуров может обусловить возникновение колебаний либо в той или иной степени усилить их.

Вторая особенность данной структурной схемы заключается в том, что в ней существуют четыре особых сумматора, выходной сигнал ко­ торых воспринимается обоими агрегатами.

Сумматор, образующий частоту Д/с, характеризует только абсо­ лютное движение системы. Два других сумматора, образующих раз­ ность скоростей (фх—ф2) и разность реактивных мощностей (Qt—Q2), характеризуют только относительное движение системы. И, наконец, четвертый сумматор, образующий напряжение и, характеризует от­ носительное (из-за составляющей пропорциональной углу 6 12) и аб­ солютное движение.

Третья особенность заключается в структурной симметрии схем собственных контуров и взаимных связей.

Симметрия собственных контуров вызвана одинаковыми законами регулирования по индивидуальным параметрам (скорости, току, на­ пряжению). Необходимость такого регулирования диктуется тем, что каждый агрегат должен функционировать в режимах и одиночной, и параллельной работы.

Симметрия взаимных связей вызвана одинаковыми законами ре­ гулирования по групповым параметрам.

Таким образом, структурная схема двух разнотипных параллельно работающих ГА — сложная многосвязная схема с прямыми и обрат­ ными перекрестными связями. Аналитическое исследование по данной структурной схеме даже линейных задач представляет определенные трудности. Поэтому, прежде чем перейти к непосредственному ана­ лизу устойчивости двух параллельно работающих разнотипных ГА,

72

остановимся на исследовании более простых режимов параллельной работы ГА. Изучение структур этих режимов поможет установить, основные закономерности, общие для всех случаев параллельной ра­ боты, и значительно упростит исследование устойчивости наиболее, сложной системы — двух разнотипных ГА.

§ 10. Структурный анализ устойчивости параллельной работы ГА с мощной сетью

Параллельная работа с мощной (береговой) сетью является одним из важных режимов для судовой практики. Т-образная схема заме­ щения генератора при работе агрегата в таком режиме представлена на рис. III.2.

В этой схеме связь узла нагрузки с точкой неизменного напряже­ ния (мощной сетью) представлена реактивным сопротивлением кабеля связи с берегом хк, а мест­ ная нагрузка — сопротив­ лением гя.

Структурная схема па­ раллельной работы агре­ гата с береговой сетью может быть получена не­ посредственно из общей структурной схемы, пред­ ставленной на рис. II 1.1, если рассматривать дейст­

вие только собственных контуров и не учитывать дополнительных воз­ мущений, создаваемых перекрестными связями. Такое допущение по­ зволяет в силу структурной симметрии электромагнитных и механи­ ческих контуров данной схемы разделить ее на две части, в каждой из которых остаются собственные электромагнитный и механический контуры, а э. д. с. и скорость исключаемых агрегатов предполагаются постоянными («закрепляются»). Таким образом, схема, представлен­ ная на рис. III. 1, распадается на две аналогичных по структуре схемы с «закрепленными» координатами.

Схема (рис. III.3), полученная в результате такого разделения,

ции и независимым (нерегулируемым) возбуждением.

Этот случай параллельной работы агрегатов аналогичен параллель­ ной работе ГА с мощной сетью, значение напряжения которой равно э. д. с. E q статического режима, а связь узла нагрузки с точкой неиз­ менного напряжения представлена реактивным сопротивлением xq. Если принять, что значение закрепленной э. д. с. равно напряжению береговой сети и, а реактивность xq равна сопротивлению кабеля хк, то схема, представленная на рис. III.3, будет эквивалентна схеме параллельной работы агрегата с береговой сетью через сложную связь

(см. рис. III.2).

73

Схема, приведенная на рис. III.3, позволяет легко перейти к ре­ жиму работы агрегата непосредственно с береговой сетью без связи через реактивное сопротивление соединительного кабеля х к , кото­ рым в большинстве случаев можно пренебречь. В этом случае в узле

бесконечности. Таким образом, эта схема является наиболее общей схемой параллельной работы агрегата с сетью.

Отметим, что при параллельной работе агрегата с сетью вводится статизм по реактивной мощности. В этом случае на корректор по­ дается сигнал, пропорциональный реактивной мощности, а не разно­

рис. III.3). Особое внимание уделим анализу знаков связей между основными и промежуточными координатами, определение которых представляет известную трудность, вследствие их неочевидности. Одни и те же связи, будучи положительны относительно одних коор­ динат,— отрицательны относительно других.

Структурный анализ внутреннего электромагнитного контура, об­ разованного регулятором возбуждения. Одним из основных внутрен­ них контуров является электромагнитный контур, включающий в себя

передаточную функцию обмотки возбуждения -----------, которая в

1 + Тд0р

данной структурной схеме повторена дважды: для вынужденной состав­ ляющей тока возбуждения, проходящей по прямой цепи 10—11—9 рис. III.3 и для свободной составляющей тока возбуждения, прохо­ дящей по цепи обратной связи 4—6—8. Электромагнитный контур включает также естественные связи генератора и искусственные связи, действующие через систему регулирования возбуждения. В отличие от систем регулирования возбуждения генераторов береговых электро­ станций [38], в которых все обратные связи по режимным параметрам воздействуют через один и тот же канал регулирования (как правило содержащий инерционные элементы), в судовых электростанциях, где в настоящее время применяются генераторы с системами самовозбуж­ дения, обратные связи воздействуют по разным каналам.

Обратные связи по току и напряжению подаются непосредственно на обмотку возбуждения через практически безынерционные элементы (через токовую обмотку и обмотку напряжения трансформатора фа­ зового компаундирования), а обратные связи по реактивной мощности и отклонению напряжения — через обычно инерционный канал кор­ ректора напряжения. При этом знаки обратных связей системы ре­

гулирования возбуждения жестко задаются и не изменяются при пе­ реходе от режима к режиму.

Электромагнитный контур условно можно разделить на две части: часть, включающую объект регулирования (обмотку возбуждения)

74

Рис. 111.3. Структурная схема, получающаяся из общей структурной схемы двух параллельно работающих ГА в результате «закрепления» координат <р и Eg

С п

с собственными естественными связями, характеризующими электро­ магнитные процессы в обмотке, и часть, в которую входит регулятор возбуждения с каналами регулирования по току Id, реактивной мощ­ ности и напряжению.

Естественная обратная связь по э. д. с. E q, действующая через

коэффициент (xd—х„) и характеризующая влияние явнополюсно- oEq

сти, отрицательна, так как ее учет вызывает уменьшение э. д. с. от значения, равного Ed, до значения, равного Eq. Очевидно, что учет

дЕq

знак этой отрицательной обратной связи не может измениться. Естественная обратная связь по э. д. с. EQ, действующая через

коэффициент [pTdQ{xd— , характеризует влияние на дина­

мику свободной составляющей тока возбуждения, наводимой током статора в обмотке ротора. Эта связь всегда положительна. Действи­ тельно, при повышении э. д. с. Eq увеличивается ток статора Id. В со­ ответствии с выражением (11.61) возрастает ток возбуждения iB, а, следовательно, происходит дальнейшее увеличение э. д. с. E q . Данная связь параллельна отрицательной связи, учитывающей явнополюсность.

Рассмотрим часть электромагнитного контура, включающую в себя регулятор возбуждения с каналами регулирования по току и напря­ жению. В прямой цепи этой части контура находится передаточная функция WK (р), состоящая из передаточных функций корректора напряжения и элементов, через которые корректор воздействует на возбуждение (например, дроссель отбора). В регуляторе возбуждения имеется несколько обратных связей. Одна из них, искусственная от­ рицательная обратная связь, по напряжению возбуждения через коэффициент k0 с обеспечивает заданное качество регулирования на одиночной и параллельной работе ГА. Другая, естественная обратная связь по току возбуждения, действующая через коэффициент пере­ дачи, равный единице, в соответствии с выражением (1 1 .6 8 ), отрица­ тельна.* Эта связь обусловлена внутренним сопротивлением источ­ ника. Она приводит к относительному уменьшению напряжения воз­ буждения при увеличении тока возбуждения и является характерной для систем с амплитудно-фазовым компаундированием. Через нее вынужденная составляющая тока возбуждения действует на напря­ жение возбуждения.

Положительная обратная связь по э. д. с. E q , действующая через

* Коэффициент передачи, равный 1, характеризует передачу поступающих сигналов со входа участка схемы на его выход без изменения.

76

did г»

коэффициент — - Hi, характеризует влияние токового компаунди- dEQ

рования на напряжение возбуждения.

Обратная связь по реактивной мощности (статизм по напряжению), действующая через коэффициент k6. п. р и канал корректора напря­ жения с передаточной функцией WK (р), налаживается таким образом, чтобы она была отрицательной относительно своей э. д. с.

Обратные связи по напряжению действуют через корректор на­ пряжения WK(p) и непосредственно через коэффициент R 2. Связь, действующая через корректор напряжения, является отрицательной обратной связью по э. д. с. EQ, через коэффициент R 2 — положи-

Sn

Рис. III.4. Структурная схема части электромагнит­ ного контура, содержащей естественные связи

тельной (так же, как и. компаундирующая связь по току) обратной связью.

При параллельной работе непосредственно с сетью связи по напря­ жению нет, так как и — const.

Для дальнейшего анализа электромагнитного контура преобра­ зуем его к более удобному виду, используя известные методы преобра­ зования структурных схем [54].* На рис. III.3 этот контур обведен пунктирной линией. Вынося сумматор 30 из контуров обратной связи

{2—3—30—4—1) и (2—3—30—6—8) в сумматоры 8 и 1, преоб­ разуем часть электромагнитного контура, содержащего естественные связи, к схеме, изображенной на рис. III.4. Контур, представленный

к структурным схемам СЭС даны в приложении 5.

77

ров, поэтому возможно его свертывание и представление в виде звена

Передаточная функция обмотки возбуждения с учетом действия естественных связей WB (р) является в общем случае интегродифференцирующим звеном.

Так как при работе генератора в параллель с мощной сетью did _ dEr

— (см. прилож. 1), то, преобразуя выражение (III.1) с учетом зна-

1 +A-TdoP xd

Как видно из выражения (III.2), эквивалентная постоянная вре­

мени апериодического звена в —f раз меньше постоянной времени

xd

обмотки возбуждения Td0 и, следовательно, равна постоянной обмотки возбуждения при замкнутой цепи статора Td.

Преобразуем далее электромагнитный контур генератора, работаю­ щего в параллель с сетью. Вынося сумматоры 30 и 10 (рис. III.3) из соответствующих контуров обратных связей в сумматор 13, получим структурную схему электромагнитного контура с учетом действия компаундирующей связи по току, связи по реактивной мощности и связей по напряжению и току возбуждения (рис. III.5).

Передаточная функция этого контура в соответствии с обозначе­ ниями схемы рис. III.5 равна

78

где

r K(р) 4 -

x — обобщенный сигнал, приведенный ко входу корректора, a WB (р) определяется выражением (III.2).

Рис. III.5. Структурная схема электромагнитного контура при работе ГА с сетью

Передаточная функция корректора напряжения WK(р) при ТК> Т у

79