Влияние толчкообразной нагрузки на работу системы электроснабжения

Толчкообразные электрические нагрузки, иначе называемые "набросами", существенно влияющие на функционирование систем электроснабжения, в основном вызываются резко переменными нагрузками на валах синхронных и асинхронных двигателей, прокатных станков, подъемных кранов, дуговыми плавильными печами. Толчок (наброс) нагрузки, сказываясь на всей системе электроснабжения и на питающей системе, приводит к снижению напряжения в узле нагрузки и изменению фазы этого напряжения по отношению к источнику питания. Достаточно большая (по сравнению с мощностью системы) толчкообразная нагрузка будет вызывать в системе изменения напряжения и более или менее длительные колебания частоты. Поэтому при такой нагрузке оказывается необходимой проверка колебаний напряжения и частоты в системе и их влияния на работу остальных (не толчкообразных) потребителей системы. В тех случаях, когда изменения параметров режима, характеризующие качество энергии, отдаваемой потребителю, оказываются заметными, необходимо на основе анализа характера переходных процессов разработать специальные мероприятия, позволяющие избежать неблагоприятного влияния толчкообразной нагрузки на работу системы. Особенно остро, разумеется, стоит вопрос о влиянии периодически изменяющейся (толчкообразной) нагрузки при питании электродвигателя от генератора соизмеримой с ним мощности. В этом случае особое значение имеют специальные мероприятия, одним из которых может быть применение регуляторов возбуждения, устанавливаемых на генераторах, синхронных компенсаторах и двигателях. Весьма эффективны, в частности, регулирование сильного действия, специальное регулирование скорости, позволяющее уменьшать колебания частоты и ряд других мероприятий.

Методика анализа. Переходные процессы системы, содержащей синхронные и асинхронные двигатели с переменной нагрузкой на валу, можно исследовать различными методами. В любом случае задача сводится к решению системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих колебания роторов двигателей и генераторов, изменение токов и напряжений как в самих двигателях, получивших наброс, так и на тех шинах, от которых питается ряд других нагрузок.

Универсальным способом решения нелинейных дифференциальных уравнений может быть численное интегрирование. При толчках нагрузки, когда изменения относительных углов синхронных машин сравнительно невелики, можно упростить расчеты, применив линеаризацию, т.е. заменив нелинейную зависимость момента (мощности) от угла или от скольжения линейной.

Обычно методика расчета режима системы основывается на дополнительных упрощающих предположениях:

1) изменение нагрузки на валу двигателей известно (рис.12.21): оно происходит или строго периодически (а), или циклически (б), или в наиболее сложном случае каким-либо случайным образом (в);

2) переходный процесс обычно рассматривается при представлении генератора постоянной э.д.с. за переходным сопротивлением ;

3) сопротивление асинхронных двигателей и всей остальной нагрузки принимается в момент коммутации постоянным;

4) действие демпферного момента синхронного двигателя и регуляторов скорости первичных двигателей (турбин на электрических станциях) обычно не учитывается, исключение составляют случаи, когда запуск производится от генератора, вращаемого первичным двигателем, по мощности соизмеримым с мощностью набрасываемой нагрузки.

Динамические характеристики элементов нагрузки. Динамической характеристикой называется зависимость параметра режима от изменения других параметров, определенная при столь быстрых изменениях режима, что их скорость обязательно должна быть учтена. Динамическая характеристика представляется в виде функциональной связи какого-либо параметра режима, а также ряда других параметров режима и их производных, например

Здесь динамическая характеристика представлена гиперповерхностью, проходящей в фазовом пространстве.

Простейшим случаем динамической характеристики будет поверхность в пространстве трех измерений:

или

При заданном характере изменения напряжения, скольжения и т.д. во времени динамическая характеристика может быть представлена на плоскости: или

Характеристики осветительной нагрузки. Активная мощность, потребляемая осветительной установкой, содержащей лампы накаливания, не зависит от частоты и примерно пропорциональна напряжению в степени 1,6. Реактивную мощность осветительная нагрузка не потребляет. Активная мощность осветительной нагрузки, состоящей из люминесцентных ламп, заметно зависит от частоты, уменьшаясь на 0,5 – 0,8% с изменением частоты на 1%, но мало зависит от напряжения.

Динамические характеристики осветительных установок при анализе большинства электромеханических переходных процессов (расчеты устойчивости, больших качаний) обычно можно принимать совпадающими со статическими. На рис.10.1 представлены статические характеристики осветительной нагрузки , состоящей из ламп накаливания, и соответствующее изменение сопротивления нагрузки . Однако, как показано на рис.14.2, изменение потребления этой нагрузкой активной мощности при быстром изменении напряжения будет существенно отличным от показанного на рис.14.1.

Рис.14.1 Зависимость активной мощности от напряжения для осветительной нагрузки (при изменении напряжения не быстрее чем за 0,2-0,3 сек):

1 – характеристика при ;

2 – характеристика при (лампы накаливания);

3 – характеристика для случая 2.

Рис.14.2. Потребление активной мощности осветительной нагрузкой при быстром изменении напряжения.

Характеристики двигательной нагрузки (асинхронные и синхронные двигатели). Статические и динамические характеристики этого вида нагрузки весьма различны, что обусловлено прежде всего появлением свободных токов при быстром изменении скольжения . На рис.10.3 в качестве примера показана динамическая характеристика асинхронного двигателя в виде объемной диаграммы.

Рис.14.3. Зависимость момента асинхронного двигателя М от скольжения s и ускорения . (штриховой линией показаны характеристики при ).

Если скорость изменения угла (или скольжения) не очень велика, то при анализе различных изменений режима работы синхронного или асинхронного двигателя, например изменений напряжения на его зажимах, можно приближенно получить динамические характеристики на основе серии статических характеристик (рис.14.4).

Рис.14.4. Статические (- - - - - -) и динамические (-----------) характеристики асинхронного двигателя: а- б-

Характеристики асинхронной нагрузки (асинхронных двигателей). Активная мощность, потребляемая этой нагрузкой, и соответственно вращающий электромагнитный момент двигателя в переходных процессах в значительной мере будут определяться мощностью (тормозящим моментом) машин, приводимых во вращение (т.е. рабочих машин), и их характеристиками . Изменения будут зависеть не только от режима питающей сети, но и от механических характеристик приводимых машин, т.е. зависимостей механического момента от скорости вращения.

У рабочих машин разнообразные механические характеристики, показанные на рис.10.5, могут быть сведены к трем основным видам зависимостей :

1) Постоянный, или мало зависящий от скорости, момент

К этому виду характеристик относятся зависимости 1,2,3,4,8;

2) Момент, пропорциональный скорости (зависимость 5),

3) Момент, примерно пропорциональный квадрату скорости (характеристики 6,7), где

В общем случае можно считать, что . Принимая , можно записать, что . Однако и характеристики, представленные на рис.14.5, и, следовательно, характеристика зависят не только от , но в общем случае и от . Все это и приводит к сложным (аналогичным рис.14.4) характеристикам (динамическим).

Рис.14.5. Механические характеристики рабочих машин: а – типовые характеристики : - номинальная рабочая скорость машины; I – машины с тяжелыми условиями пуска: 1-подъемные краны и т.п. при малом моменте трения (постоянный момент); 2-подъемные краны и транспортные механизмы с трением; 3-нереверсивные прокатные станы; 4-поршневые компрессоры (пуск под нагрузкой), дробилки, вальцы в резиновой промышленности; II – машины с легкими условиями пуска: 5-каландры (в текстильной промышленности); 6-центробежные насосы и вентиляторы (пуск при открытой задвижке); 7-то же, при закрытой; 8-поршневые компрессоры, турбокомпрессоры, двигатель-генераторы (во всех случаях пуск вхолостую); б – три типа обобщенных характеристик.

Из схемы замещения двигателя следовало, что реактивная мощность Q, потребляемая им, имеет две составляющие: намагничивающую мощность , связанную с намагничивающим током, и мощность рассеяния , связанную с созданием полей рассеяния в статоре и роторе:

.

При сделанных допущениях мощность рассеяния становится сложной функцией скольжения:

,

где мощность намагничивания , где - ток холостого хода.

Значения тока холостого хода при зависят от мощности двигателя (чем больше мощность двигателя, тем меньше намагничивающий ток по отношению к номинальному) и от скорости (у тихоходных двигателей намагничивающий ток больше). Примерные значения составляют 20-60% номинального тока.

При учете уменьшения с насыщением зависимость от напряжения заметно отклоняется от квадратичной параболы, а динамические процессы искажают ее еще заметнее в самый начальный период возникновения переходного процесса.

Асинхронная машина в переходных процессах может работать не только двигателем, но и тормозом (при ) или генератором (). На рис.14.6 показаны три различных режима асинхронной машины, пояснены соотношения мощностей и моментов, а также скоростей вращающегося поля и ротора.

Рис.14.6. Характеристики режимов асинхронной машины: - потребляемая из сети мощность при сопротивлении статора ; - вращающий момент; - механическая мощность на валу двигателя; I- пусковой момент; II-мощность, потребляемая при пуске.

Простейшая динамическая характеристика асинхронного двигателя. Эта характеристика показывает изменение скольжения при понижении питающего напряжения от U₁ до U₂ (рис.10.7) и может быть построена следующим образом. Заменим характеристики прямыми и предположим, что . Не будем учитывать при этом электромагнитных процессов, происходящих в обмотках двигателя, а линеаризуем характеристики , заменив их прямыми 0 1 1', 0 2 2'.

Рис.14.7. Изменение режима асинхронного двигателя при уменьшении напряжения от U₁ до U₂: а – динамическая характеристика ; б – статические характеристики момента .

Тогда уравнение движения будет иметь вид ,

где коэффициент пропорциональности (рис.10.7, б),

или ,

откуда .

Здесь С₁ – постоянная интегрирования:

при

Раскрывая значение С₁, получим .

Проведя ряд преобразований найдем скольжение в любой момент времени t (рис.14.8, б):

В начале процесса при - , в конце процесса при - .

Кроме того, при - .

Следовательно, при известных и легко найти и далее определить .

При учете электромагнитных переходных процессов в обмотках двигателя решение было бы значительно более сложным.

Простейшая динамическая характеристика синхронной нагрузки (синхронных двигателей). На основании выражений для момента и мощности синхронной машины можно получить различного рода динамические характеристики. Так, при изменении напряжения, подведенного к двигателю, его мощность и вращающий момент изменяются (если не учитывать потери в статоре) прямо пропорционально величине напряжения:

Изменение частоты подведенного напряжения изменяет вращающий момент:

,

где - величина сопротивления при ; - относительная частота; n – показатель, характеризующий систему возбуждения двигателя.

Величина этого момента (если не учитывать насыщение) пропорциональна току ротора. Синхронный двигатель обычно работает при угле и обладает значительной перегрузочной способностью ; у некоторых специальных машин .

У явнополюсных двигателей имеется еще момент явнополюсности (иногда неудачно называемый реактивным):

.

Этот момент пропорционален квадрату подведенного напряжения и обратно пропорционален частоте.

Реактивная мощность на шинах двигателя, определенная упрощенно без учета потерь в статоре,

При двигатель выдает реактивную мощность.

Зависимости и от характера переходного процесса, например от скорости изменения напряжения на шинах двигателя, будут следующими:

при очень медленном изменении напряжения зависимости и определяются статическими характеристиками D, показанными на рис.10.8. Эти характеристики построены при ;

при резком изменении напряжения динамические характеристики А, т.е. , строятся при и приложенной за ним ;

при изменении напряжения с конечной скоростью графики располагаются между D и А (т.е. В и С).

Рис.14.8. Изменения активной и реактивной мощности синхронного двигателя при понижении напряжения: А – очень быстрое (почти мгновенное) понижение напряжения (или момент начального изменения, t=0); D – очень медленное понижение напряжения (или окончание процесса, ); В,С – понижение напряжения со средней скоростью (промежуточные точки процесса ); а – изменение активной мощности при снижении напряжения с разными скоростями (A, B, C, D) или на разных стадиях процесса, показанного на рис. г; б – то же, ; в – изменение реактивной мощности при тех же условиях; г – характер изменения напряжения.

Изменения мощности, потребляемой нагрузкой, с изменением напряжения и частоты могут быть при небольших медленных и быстрых изменениях представлены выражениями

Величины называются регулирующими эффектами активной и реактивной мощностей нагрузки по напряжению и частоте, взятые от статических или динамических характеристик соответственно.

Регулирующий эффект комплексной нагрузки при медленном изменении (статическая характеристика) напряжения вблизи его нормального значения, выраженный в относительных единицах, обычно составляет 1.5 – 3.5 для реактивной мощности и 0.3 – 0.95 для активной мощности.

Регулирующий эффект комплексной нагрузки при изменении частоты вблизи ее нормального значения составляет 1.5 – 3 для активной мощности и 1 – 6 для реактивной (статическая характеристика).

Величина регулирующего эффекта при быстрых изменениях меняется (и весьма значительно) в зависимости от скорости изменения напряжения или частоты. Обычно для отдельных слагающих нагрузки диапазон измерения регулирующего эффекта больше, чем для всей комплексной нагрузки.

Комплексная нагрузка при значительном изменении частоты и напряжения. Выше предполагалось, что при изменении частоты и напряжения настолько невелики, что можно линеаризовать характеристики нагрузки и применять их для определения и . Однако в электрических системах бывают значительные изменения частоты и напряжения. Обычно изменения частоты обусловлены появлением небаланса между электрической мощностью, отдаваемой генераторами в сеть, и механической мощностью их первичных двигателей. Эти изменения приводят, как было показано в гл.XI, к отклонениям потребления реактивной мощности, значений напряжения и потерь активной мощности. При быстрых изменениях все расчеты должны проводиться с помощью динамических характеристик.

Дата добавления: 2015-07-08