Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электромеханические переходные процессы в системах электроснабжения. Учебное пособие
.pdf
21
Учёт автоматического регулирования возбуждения
Речь идёт о синхронной машине. У неё на роторе имеется однофазная об-
мотка, питающаяся от источника постоянного тока, называемого возбудителем.
На рис. 16 показана тиристорная система автоматического регулирования
возбуждением (АРВ) с тиристорным выпрямителем.
Рис. 16. Схема автоматического регулирования возбуждения синхронной ма-
шины
СМ – синхронная машина; ТН – трансформатор напряжения; ОВ – обмотка возбуждения СМ; В – возбудитель; СУВ – система управления возбудителем; АРВ – автоматический регулятор возбуждения; ВТ – выпрямительный
трансформатор.
Ток возбуждения, протекая по обмотке ротора при его вращении, создаёт
ЭДС синхронной машины. ЭДС в трёхфазной обмотке статора пропорциональ-
на току ротора. Изменение тока ротора вызовет изменение его напряжения и
изменения в сети тока и реактивной мощности.
Обычно синхронную машину снабжают системой АРВ.
Назначение АРВ – поддержание на заданном уровне выходного напряже-
ния или других параметров генератора. Способы регулирования генераторов с
помощью АРВ:
• поддержание заданного уровня напряжения на выводах двигателя;
• поддержание заданной реактивной мощности;
• поддержание заданного коэффициента мощности и т. д.
При отклонении напряжения генератора (или другого параметра регулирования) АРВ изменяет ток возбуждения так, чтобы восстановить уровень ре-
гулируемого параметра.
На рис. 17 изображены статические характеристики синхронной машины
по реактивной мощности с системами АРВ-СД (сильного действия), АРВ-ПТ
(пропорционального типа) и без системы АРВ. Их называют внешними харак-
теристиками синхронной машины.
АРВ, как видно из рис. 17, снижает изменения напряжения U, но не
устраняет его полностью.
С увеличением выдаваемой реактивной мощности напряжение на выво-
дах машины падает. При номинальной реактивной нагрузке Q = 1 напряжение
22
уменьшается на величину ∆U. Отношение
p
HOM
U
S
U
=
называют статизмом ре-
гулирования.
Рис. 17. Внешние характеристики синхронной машины:
1 – с АРВ-СД; 2 – с АРВ-ПТ; 3 – без АРВ
Важным параметром системы АРВ является её коэффициент усиления k,
показывающий, во сколько раз изменится выходная величина (напряжение на
обмотке возбуждения) по отношению к изменению входной величины регуля-
тора.
Статизм и коэффициент усиления связаны следующей зависимостью:
р
1
100.
1
S
K
=
+
(29)
При больших значениях К принято считать Sp = 100/K. Коэффициент усиления K∆U в АРВ-ПТ имеет значение от 10 до 20. Неограниченное увеличение
коэффициента усиления вызывает самораскачивание системы.
АРВ с большим коэффициентом усиления и регулированием по производным режимных параметров относятся к регуляторам сильного действия
(АРВ-СД). Их статизм снижается до 2…0.5 % по сравнению с (10…15 %) статизма регулирования систем АРВ-ПТ.
Мощность, отдаваемая станцией в систему, пропорциональна напряжению на её отправных шинах. Поэтому на генераторах электростанций, работа-
ющих на протяжённые линии электропередачи, устанавливаются АРВ-СД, под-
держивающие напряжение с высокой точностью. Кроме того, наличие в законе
регулирования отклонения производной частоты обеспечивает демпфирование
колебаний роторов в послеаварийных режимах, что снижает время переходного
процесса. Поэтому на генераторах, работающих в центрах нагрузок, а также на
мощных синхронных двигателях устанавливаются АРВ-СД.
При правильной настройке АРВ в системе регулирования не возникает
самораскачивания и синхронная машина с АРВ может быть представлена про-
стой схемой замещения в виде ЭДС E за сопротивлением X.
Значения ЭДС E и сопротивления X зависят от параметров машины и ти-
па АРВ. Для нерегулируемой машины
,
dq
X X E E==
, где Eq – синхронная ЭДС
(рис. 18, а).
23
При установке на синхронной машине АРВ-ПТ
,
dq
X X E E
==
, где
q
E
‒
переходная ЭДС (рис. 18, б).
а
б
в
Рис. 18. Упрощённые схемы замещения синхронной машины (генератора или
двигателя): а – при отсутствии АРВ; б – с АРВ-ПТ; в – с АРВ-СД
Если генераторы снабжены АРВ-СД, то X=0, напряжение на зажимах генератора принимается неизменным во всех режимах работы машины – U
Ш
=const (рис. 18, в).
Эти параметры схем замещения хорошо согласуются с параметрами син-
хронной машины без АРВ. Использование упрощённой модели системы без
АРВ сокращает объем вычислений, но вносит погрешность в расчётах, с кото-
рой на начальной стадии проектирования можно мириться.
Наличие АРВ на синхронных машинах не изменяет вид угловой характе-
ристики передачи в простейшей энергосистеме, но изменяет её масштаб.
При увеличении нагрузки в системе с АРВ возрастает ЭДС E1>E2>E3>…
(рис. 19), что соответствует переходу с угловой характеристики, постоянной
для E1, к характеристике, соответствующей ЭДС E2>E1 и т. д.
Рис. 19. Угловые характеристики мощности при установке АРВ на генераторах
передающей станции
24
В результате для генераторов, снабжённых АРВ, получаем угловую ха-
рактеристику, максимум которой, во-первых, значительно превышает предельную мощность при постоянстве ЭДС исходного режима и, во-вторых, сдвинут
вправо, где угол τ превышает 90° (рис. 19).
P0 – мощность, отдаваемая генератором, в установившемся режиме, равна
мощности турбины.
Угловые характеристики мощности генераторов с различными видами
систем АРВ показаны на рис. 20.
Рис. 20. Угловые характеристики мощности:
1 – при отсутствии АРВ; 2 – с АРВ-СД; 3 – с АРВ-ПТ
Диапазон режимов по углу δ, превышающих 90°, вплоть до углов, соот-
ветствующих предельной мощности при различных типах АРВ, называют зоной
искусственной устойчивости (I-I и II-II) (рис. 20).
Сказанное справедливо и для синхронных машин, работающих в режиме
двигателя.
Влияние режима электрической системы на работу нагрузки
Влияние напряжения. В узлах системы из-за колебаний активной и реактивной мощности подключённой нагрузки напряжение изменяется.
При этом в соответствии со статическими характеристиками изменяется
потребляемая нагрузками мощность. В окрестностях нормального режима почти все нагрузки имеют положительный регулирующий эффект реактивной
мощности по напряжению, т. е. уменьшают потребление реактивной мощности
при уменьшении на 10…15 % напряжения (см. рис. 14). Это позволяет восста-
новить баланс по реактивной мощности при меньшем, чем в начале процесса,
напряжении U и стабилизировать режим.
Узел нагрузки с асинхронными двигателями. Представим асинхронные
двигатели узла одним эквивалентным асинхронным двигателем, подключён-
25
ным к шине бесконечной мощности. Тогда при снижении уровня напряжения
на шине увеличивается скольжение эквивалентного асинхронного двигателя, он
начинает тормозиться. Но мощность, развиваемая двигателем, остаётся неизменной, пока его максимальная мощность не станет равной мощности механизма.
Напряжение U в этом случае называют критическим U
кр
. При его дости-
жении двигатель начнёт останавливаться и опрокинется. Его активная мощность падает, и агрегат под действием избыточного тормозящего момента остановится (рис. 21).
Рис. 21. Характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения на
его зажимах
Изменения активной и реактивной мощностей асинхронного двигателя
при снижении напряжения на его зажимах показаны на рис. 22.
Рис. 22. Изменения активной и реактивной мощностей асинхронного двигателя
при изменении напряжения
26
Активная мощность двигателя до момента опрокидывания (торможение)
не изменяется, а реактивная мощность резко возрастает. После остановки двигателя напряжение снижается и потребляемая мощность уменьшается. Напряжение на шинах нагрузки в реальных узлах зависит от баланса реактивной
мощности в них, который складывается из мощностей, генерируемых в электрической системе у потребителя, и мощности, потребляемой нагрузкой. Часть
реактивной мощности поступает в узел от источников реактивной мощности
системы.
Остальная часть генерируется синхронными двигателями потребителя,
статическими батареями, статическими источниками реактивной мощности.
При ограниченной мощности компенсирующих устройств увеличение
нагрузки узла может вызывать увеличение реактивной мощности, поступающей
из системы.
Сопротивление связи двигателя с шинами бесконечной мощности будем
рассматривать как внешнее по отношению к зажимам эквивалентного генератора сопротивления Xвн. При постоянстве ЭДС E, приложенной за внешним сопротивлением Xвн, максимальная мощность P
max
и критическое скольжение Sкр
эквивалентного двигателя в соответствии с (18) определяются по формулам
2
2
MAX КР
ВН ВН
и.
2( )
RR
ER
PS
X X X X
==
++
(30)
Из-за наличия внешнего сопротивления Xвн они уменьшаются по сравнению со случаем постоянства напряжения на зажимах двигателя (рис. 23).
Рис. 23. Влияние внешнего сопротивления на асинхронную характеристику
двигателя
Если в исходном режиме напряжение на зажимах было номинальным
(точка а), при увеличении нагрузки и отсутствии резерва реактивной мощности
в узле оно и соответственно скорости вращения асинхронных двигателей узла
будут снижаться.
При торможении двигателей увеличивается потребление реактивной
мощности. Напряжение на выводах двигателей начинает резко падать из-за
увеличения падения напряжения на внешнем сопротивлении. Возникает «лави-
27
на напряжения», т. е. резкое снижение напряжения на шинах нагрузки. Лавина
напряжения может наступить и при снижении напряжения в системе (менее
30 % номинального напряжения).
Остановка двигателей без отключения от сети приводит к повреждению
изоляции обмоток из-за нагрева, так как в обмотках остановленного двигателя
протекает равный пусковому ток. Поэтому двигатели подключаются к сети посредством автоматических коммутаторов, которые с увеличением тока отклю-
чают их от питающего напряжения.
Узел нагрузки с синхронными двигателями. Синхронный двигатель при
снижении напряжения на его зажимах при наличии АРВ форсирует возбуждение до потолка. При этом выдаваемая реактивная мощность сначала увеличивается, затем уменьшается, проходя через нуль. Двигатель, выпав из синхрониз-
ма, начинает потреблять реактивную мощность из сети.
Активная мощность держится постоянной до выпадения двигателя из
синхронизма. Этот момент, как и у асинхронного двигателя, наступает, когда
максимальная мощность P
max
двигателя сравнивается с механической мощно-
стью P
max=PM
(скольжение при этом становится критическим).
Влияние изменения частоты. При возникновении дефицита активной
мощности частота в электрической системе снижается. Влияние изменения частоты на условия опрокидывания асинхронных двигателей устанавливается за-
висимостями
2
2
кр max
,.
2
LL
RU
SP
XX
==
(31)
Так как X=ꞷL, с увеличением частоты увеличиваются критическое
скольжение Sкр и максимальное значение мощности двигателя P
max
, увеличива-
ется диапазон устойчивой работы двигателя (рис. 24).
Рис. 24, 25. Влияние изменения частоты на работу асинхронного двигателя;
изменение реактивной мощности, потребляемой асинхронным двигателем, и
её составляющих при изменении частоты сети
28
Реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем, состоит из
реактивной мощности рассеяния
2
Sk
Q I X=
и реактивной мощности намагничи-
вания
2
U
Q
X
=
:
.
S
Q Q Q
=+
(32)
Учитывая, что P=ꞷM, принимая M=const, получаем I2=ꞷ. Тогда
2
S
Q =
,
1/Q=
(см. рис. 25).
Соотношение между
S
Q
и
Q
таково, что при небольшом снижении ча-
стоты устойчивость двигателей повышается. Однако при значительном снижении частоты потребление реактивной мощности увеличивается, что может привести к существенному снижению напряжения в питающей сети и стимулиро-
вать развитие лавины напряжения (рис. 26).
Рис. 26. Изменение реактивной мощности, потребляемой асинхронным двига-
телем, при изменении напряжения на его зажимах и разных частотах сети:
1 – f2<f0; 2 – частота номинальная f2=f0; 3 – f3<<f0
Влияние несинусоидальности и несимметрии питающего напряжения. В
узле нагрузки получают питание различные приёмники электрической энергии:
трёхфазные, однофазные, приёмники, получающие питание посредством преобразовательных агрегатов, дуговые сталеплавильные печи и т.д. Режим работы
одних электроприемников влияет на работу других.
Однофазные приёмники, неравномерно распределённые по фазам, могут
вызвать несимметрию напряжений на шинах. В трёхфазной системе появляются токи и напряжения обратной и нулевой последовательностей.
При работе дуговых печей, преобразовательных агрегатов или при производстве сварочных работ искажается форма кривой напряжения питания и в со-
ставе токов и напряжений появляются токи и напряжения высших гармоник.
Несинусоидальность питающего напряжения оценивают коэффициентом
гармоник
29
2
2
Г
НОМ
,
N
n
n
U
k
U
=
=
(33)
где Un – действующее значение n-й гармонической составляющей напряжения;
n – номер гармонической составляющей напряжения; N – порядок последней из
учитываемых гармонических составляющих напряжений (обычно 40).
Вольтметры обычно реагируют на сумму эффективных значений напря-
жения основной частоты и её гармонических составляющих:
22
изм 1
2
.
N
n
n
U U U
=
=+
(34)
Так как при несинусоидальности номинальным в сети поддерживается
U
изм
, напряжение прямой последовательности снижается и вращающий момент
двигателей, создаваемый составляющей основной частоты, уменьшается. На
рис. 27 показаны зависимости напряжения основной частоты и пускового мо-
мента от коэффициента гармоник.
Рис. 27. Зависимости напряжения прямой последовательности (1) и пускового
момента асинхронного двигателя (2) от коэффициента несинусоидальности
При увеличении KГ до 50 % напряжение гармоники снизится до 0.86U
ном
,
пусковой момент уменьшится до 25 %. Для значений KГ в пределах, нормируемых ГОСТ Р 54149-2010 (5…8 %), эти изменения невелики.
При несимметричной нагрузке или неполнофазных режимах появляются
составляющие обратной последовательности, что приводит к возникновению
встречного момента, величина которого незначительна и составляет не более 5
% при несимметрии напряжения 20 %.
Таким образом, несинусоидальность и несимметрия напряжений не оказывают существенного влияния на вращающий момент двигателей, а следовательно, на электромеханические переходные процессы, если показатели каче-
ства находятся в пределах норм по ГОСТ Р 54149-2010.
30
Устойчивость электроэнергетической системы
Устойчивость характеризует надёжность работы электроэнергетической
системы, её способность сохранять исходный режим после возмущений. Нарушение устойчивости – это один из видов отказов системы.
Исходя из общих положений, в проблеме устойчивости электроэнергети-
ческих систем различают статическую и динамическую устойчивости.
Статическая устойчивость проявляется как реакция на малые возмущения. Малыми считаются отклонения параметров около исходного режима, если
в его окрестностях характеристики системы можно считать линейными.
Динамическая устойчивость характеризует поведение системы при
«больших» возмущениях, когда необходимо учитывать нелинейность элемен-
тов системы.
Статическая устойчивость. Условия статической устойчивости определяются таким изменением мощности (моментов), при котором система возвращается в исходное состояние. С точки зрения механики для устойчивого (равномерного) вращения ротора машины необходимы и достаточны следующие
условия:
1. Сумма сил (моментов), приложенных к валу, должна быть равна нулю.
2. При отклонении ротора от равновесия возникает сила, возвращающая
его в исходное положение.
Рассмотрим простейшую электроэнергетическую систему (рис. 28).
а
б
Рис. 28. Однолинейная схема простейшей электрической системы (а) и её схема
замещения (б)
Ротор агрегата турбина – генератор в нормальном режиме находится в
состоянии равномерного вращения под действием на валу основных моментов.
Механический момент остаётся постоянным, так как он зависит только от положения задвижки паровой турбины или направляющего аппарата гидравличе-
ской турбины. Другой электромагнитный момент генератора зависит от электрических величин в соответствии с (16). Зависимости мощностей турбины PM
и генератора PЭ от угла δ между напряжениями генератора EГ и нагрузки U по-
казаны на рис. 29.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]