Анализ динамической устойчивости простейшей системы графическим методом
Рассмотрим простейший случай, когда электростанция G работает через двухцепную линию на шины бесконечной мощности (рис. 10.1, а). Условие постоянства напряжения на шинах системы (U = const) исключает качания генераторов приемной системы и значительно упрощает анализ динамической устойчивости. Схема замещения системы показана на рис. 10.1, б. Генератор входит в схему замещения сопротивлением x'd и ЭДС Е' . Мощность, выдаваемая генератором в систему, равна мощности турбины и обозначена Pq, угол генератора - 8о- Характеристика мощности, соответствующая нормальному (доаварийному) режиму, может быть получена из выражения (9.10) без учета второй гармоники, что вполне допустимо в практических расчетах. Принимая Е'ц = Е, получим выражение характеристики мощности в следующем виде:
Р = E’U/x’d sinS, (ЮЛ)
'
где x'dZ =x'd + хТ1 + Х/.| // ха + хГ2.
Зависимость Р = Д8) для нормального режима приведена на рис. 10.1, г (кривая 7).
Рис. 10.1. К анализу динамической устойчивости простейшей системы: а - принципиальная схема; б - схема замещения в нормальном режиме; в - схема замещения в послеаварийном режиме; г - графическая иллюстрация динамического перехода: характеристики нормального и аварийного режимов (кривые /, 2 соответственно)
Предположим, что линия L2 внезапно отключается. Рассмотрим работу генератора после ее отключения. Схема замещения системы после отключения линии показана на рис. 10.1, в. Суммарное сопротивление послеаварийного режима x'dYi(n a) = x'd +xi\ +хп +%2 увеличится по сравнению с x'dl (суммарное сопротивление нормального режима). Это вызовет уменьшение максимума характеристики мощности послеаварийного режима (кривая 2, рис. 10.1, г). После внезапного отключения линии происходит переход с характеристики мощности / на характеристику 2. Из-за инерции ротора угол 8 не может измениться мгновенно, поэтому рабочая точка перемещается из точки а в точку Ь.
На валу, соединяющем турбину и генератор, возникает избыточный момент, определяемый разностью мощности турбины, которая не изменилась после отключения линии, и новой мощности генератора (АР = Ро - Рт). Под влиянием этой разности ротор машины начинает ускоряться, двигаясь в сторону больших углов 5. Это движение накладывается на вращение ротора с синхронной скоростью, и результирующая скорость вращения ротора будет 05 = ©о + Дсо, где ю0 - синхронная скорость вращения;
Аш - относительная скорость. В результате ускорения ротора рабочая точка начинает движение по характеристике 2. Мощность генератора возрастает, а избыточный (ускоряющий) момент (пропорциональ ный разности АР = Ро - Р{0)) - убывает. Относительная скорость Дщ возрастает до точки с. В точке с избыточный момент становится равным нулю, а скорость Дсо — максимальной. Движение ротора со скоростью со не прекращается в точке с, ротор по инерции проходит эту точку и продолжает движение. Но избыточный момент при этом меняет знак и начинает тормозить ротор. Относительная скорость вращения начинает уменьшаться и в точке d становится равной нулю. Угол 8 в этой точке достигает своего максимального значения. Но и в точке d относительное движение ротора не прекращается, так как на валу агрегата действует тормозной избыточный момент, поэтому ротор начинает движение в сторону точки с относительная скорость при этом становится отрицательной. Точку с ротор проходит по инерции, около точки Ъ угол становится минимальным, и начинается новый цикл относительного движения. Колебания угла 6(t) показаны на рис. 10.1, г. Затухание колебаний объясняется потерями энергии при относительном движении ротора.
Избыточный момент связан с избытком мощности выражением
dM=dP/w
где w - результирующая скорость вращения ротора.
Изменение скорости Лео при качаниях пренебрежимо мало по сравнению со скоростью со0, поэтому с достаточной для практика точностью можно принять со = со0 , и тогда получаем (выражая AM, АР и соо в относительных единицах) AM* = ДР/со0 =АР,, поскольку соо = 1. Рассматривая только относительное движение ротора и работу, совершаемую в этом движении, можно предположить, что при перемещении ротора на бесконечно малый угол db избыточный момент выполняет элементарную работу AM db. При отсутствии потерь вся работа идет на изменение кинетической энергии ротора в его относительном движении.
В тот период движения, когда избыточный момент ускоряет вращение ротора, кинетическая энергия, запасенная ротором в период его ускорения
Площади fahc и fcdc, пропорциональные кинетической энергии ускорения и торможения, называются площадями ускорения и торможения.
В период торможения кинетическая энергия ротора переходит в потенциальную энергию, которая возрастает с уменьшением скорости Асо. В точке d кинетическая энергия равна нулю, и для определения максимального угла отклонения ротора Ъм достаточно выполнить условие
F уск = F торм =0
Отсюда следует, что при максимальном угле отклонения площадь ускорения должна быть равна площади торможения. Максимально возможная площадь торможения определяется углом 8кр. Если максимальный угол превысит значение 8кр, то на валу турбина - генератор возникнет ускоряющий избыточный момент (Ро > Ра) и генератор выпадет из синхронизма. На рис. 10.1, г площадь cdm -максимально возможная площадь ускорения. Определив ее, можно оценить запас динамической устойчивости.
64. Пуск и самозапуск двигательной нагрузки в промышленных системах электроснабжения.
Пуск двигателя - это процесс перехода двигателя и рабочих механизмов из неподвижного состояния (со = 0) в состояние вращения с нормальной скоростью (со = со))-
Процессы, протекающие при пуске синхронных и асинхронных двигателей, а также их схемы пуска очень похожи и отличаются лишь тем, что у синхронного двигателя на последней стадии пуска включается возбуждение. Пуск двигателей является нормальным переходным режимом, который рассматривается с точки зрения обеспечения нормальной работы системы электроснабжения. При этом решаются такие задачи, как определение тока двигателей, напряжения на их зажимах при пуске, возможность группового пуска двигателей и т.п.
Во время пуска двигатель потребляет значительно большее количество энергии, чем в нормальном режиме, что сопровождается увеличением пускового тока. Кратность пускового тока по отношению к номинальному достигает 5...8 для двигателей с коротко-замкнутым ротором.
Условия пуска двигателей определяются механическим моментом, который должен быть создан двигателем в начальный момент пуска.
Механические характеристики некоторых типов приводимых во вращение механизмов даны на рис. 10.13. Выделяют легкие, нормальные и тяжелые условия пуска.
Легкие условия возникают, когда начальный момент вращения двигателя Ммехнач = (10 ... 40)% Мты, где Мном - номинальный момент двигателя.
Нормальные условия возникают при Ммех.Нач - (50...75) %
Мюм-
Тяжелые условия пуска - это такие условия, при которых Ммех.„ач = 100 % и более Мти.
Тяжелые условия пуска характерны для таких механизмов, как подъемные краны (рис. 10.13), дробильные барабаны, насосы с открытой задвижкой и т.п. Для облегчения тяжелых условий пуска в некоторых приводах применяются специальные механизмы: центробежные, гидравлические, сцепные и другие муфты, с помощью которых двигатель нагружается лишь после того, как достигнет нужной скорости вращения и станет развивать соответствующий этой скорости механический момент.
Схемы пуска определяются жесткостью питающей сети. Рассмотрим схемы прямого и реакторного пусков как наиболее распространенные в практике эксплуатации.
Рис. 10.14. Схемы пуска двигателей: а - прямого; б - реакторного
Прямой пуск производится по схеме, показанной на Рис. 10.14, а. Двигатель включается на полное напряжение сети выключателем. Это наиболее простая схема, применяемая Для пуска двигателей малой мощности
Реакторный пуск производится по схеме, показанной на рис. 10.14, б. В начале пуска шунтирующий выключатель В2 от-ключей. Двигатель подключается к сети через реактор, который ограничивает пусковой ток двигателя, снижая напряжение на его зажимах. По мере разгона двигателя потребляемый им ток снижается, и при приближении скорости вращения двигателя к номинальной включается шунтирующий выключатель В2, выключающий пусковой реактор. Сопротивление реактора определяется следующим образом:
Xp=Uном(1/iпуск.мин-1/iпуск.макс)
Пусковой ток при этом
Недостатком реакторного пуска является необходимость в дополнительном оборудова незначительнонии (реакторе и выключателе). Кроме того, увеличивается время пуска двигателя, снижается его пусковой электромагнитный момент. Достоинство реакторного пуска -улучшение режима напряжений в питающей сети, смягченные требования к ее оборудованию.
Пуск синхронных двигателей имеет свои особенности. Синхронный двигатель подключается к сети невозбужденным. Его обмотка возбуждения короткозам кнута или закорачивается на сопротивление гпуск - (5... 10) rt, где rf, - сопротивление обмотки возбуждения.
Расчет режима пуска производится с целью определения времени пуска, допустимости нагрева обмоток, характера изменения напряжений в питающей сети. Как для асинхронных, так и для синхронных двигателей расчет режима пуска производится решением уравнений движения ротора двигателя. Начальное значение скольжения при этом равно единице (SnycK = 100 %). Разбивая интервал времени пуска на малые интервалы, находят зависимость S(t), по которой определяют время пуска (при S =So). Зная время существования токовых перегрузок и их величины, вычисляют нагрев двигателя. Зависимость U(i) (необходимая, например, для оценки устойчивости работающих рядом двигателей) определится, если на каждом интервале времени рассчитывать режим напряжения в питающей сети и на зажимах двигателя.
Самозапуск - это процесс восстановления нормального режима работы двигателей после кратковременного отключения источника питания. Задача самозапуска заключается в том, чтобы не допустить массового отключения электродвигателей. Самозапуск отличается от пуска тем, что:
- одновременно пускается целая группа двигателей;
- в момент восстановления питания какая-то часть или все двигатели вращаются с некоторой скоростью;
- самозапуск происходит под нагрузкой.
По условиям самозапуска механизмы делятся на две группы:
1) механизмы, имеющие постоянный момент сопротивления и при кратковременном прекращении питания быстро теряющие скорость (шаровые мельницы, транспортеры, прокатные станы, подъемные краны и т.п.);
2) механизмы, имеющие вентиляторные характеристики момента (центробежные насосы, вентиляторы, дымососы, центрифуги и др.). Самозапуск этой группы проходит легче, чем механизмов первой группы, так как момент сопротивления механизмов снижается при уменьшении скорости.
Для обеспечения успешного самозапуска определяют суммарную мощность электродвигателей, которые могут быть запущены после перерыва питания. В соответствии с полученным значением выделяются те двигатели, отключение которых недопустимо по условиям технологического процесса или правилам техники безопасности. Суммарная неотключаемая мощность электродвигателей определяется при условии, что остаточное напряжение в режиме самозапуска обеспечивает вращающий момент, превышающий момент механизма.
Расчет самозапуска предполагает решение нескольких задач:
1. Рассчитывается момент вращения двигателей при пониженном напряжении и проверяется его превышение над моментами механизмов.
2. Устанавливается температура дополнительного нагрева двигателей из-за увеличения времени разгона.
Скольжение двигателей к моменту самозапуска может быть оПределено численным интегрированием уравнения движения ротора двигателя. Рассматривая самозапуск асинхронных двигателей, предположим, что питание двигателей осуществляется по наиболее характерной схеме, показанной на рис. 10.16, а.
Мощность самозапуска связана с номинальной мощностью следующим образом (при КПД двигателей, равном 1):
Sa = SmaKs, (10.24)
причем
где К - кратность пускового тока. Подставляя (10.24) в (10.23), получаем выражение для мощности, которую можно назвать неот-ключаемой мощностью двигателей при самозапуске:
—Z -(Z +хвн) U
синхронный с определенным скольжением, то процесс его самозапуска нужно рассматривать как пуск асинхронного двигателя, но осуществляемый от достигнутого скольжения. При этом возбужденный двигатель включается на шины нагрузки без дополнительных сопротивлений в цепи статора. ,
Задачами расчета самозапуска являются: т
1) проверка влияния самозапуска на режим работы потребителей, находящихся в электрической близости; расчет остаточного напряжения на зажимах двигателей;
2) расчет момента двигателя; ч*
3) определение времени пуска и перегрева двигателя.
Во время перерыва питания напряжение на зажимах двигателя определяется его ЭДС, которая уменьшается по мере выбега. При уменьшении скорости ротора на 20 % напряжение двигателя с форсировкой не превышает номинального, а без форсировки снижается до 60...70 % номинального.
Допустимое напряжение на шинах нагрузки во время самозапуска определяется следующими требованиями:
1. При совместном питании двигателей и освещения:
- при частых и длительных пусках ((/> 0.9);
- при редких и кратковременных пусках и самозапусках
([/> 0.8...0.85).
Самозапуск синхронных двигателей обладает рядом особенно стей по сравнению с асинхронными. Если после кратковременно перерыва питания двигатель не выпал из синхронизма или не отключен, то происходит самозапуск. Если двигатель выпадает синхронизма и к моменту восстановления напряжения работает :
3. При люминесцентном освещении (U> 0.9).
4. При питании двигателей через блок-трансформаторы напряжение ограничивается минимальной величиной электромагнитного момента.
В тех случаях, когда самозапуск неосуществим, можно применять автоматическую ресинхронизацию двигателя. Вхождение в синхронизм обеспечивается действием форсировки возбуждения, повышающей максимум синхронного момента.