И результирующая устойчивость. Мероприятия по повышению статической и динамической устойчивости

Цель лекции –изучение электромеханических переходных процессов при больших отклонениях скорости вращения роторов генераторов или двигателей от синхронной.

План лекции:

1. Характеристика асинхронных режимов

2. Возникновение асинхронного режима

3. Параметры электрических систем при асинхронных режимах

1. ХАРАКТЕРИСТИКА АСИНХРОННЫХ РЕЖИМОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Практически важное значение имеют режимы работы электрических систем при больших отклонениях скорости вращения роторов генераторов или двигателей от синхронной. К таким режимам, например, относятся: работа синхронной маши­ны на шине, где частота ω_а отлична от частоты ω этой машины, ресинхронизация после нарушения устойчивости, самосинхронизация генераторов, автоматическое повторное включение с самосинхронизацией (АПВС) или без контроля синхронизма (АПВбС), асинхронный пуск двигателей и компенсаторов, самозапуск двигателей. Все эти режимы, по различным причинам возникающие в системе, называются аси нхронньми.

Для асинхронных режимов характерно периодическое изменение вектора э.д.с. хотя бы одной станции системы на угол, больший 360 градусов. Эта станция называется работающей или идущей асинхронно (асинхронный ход или асинхронный режим).

На рис.1 показано, как меняется положение вектора э.д.с. Е одной станций системы при больших качаниях, когда вектор перемещается из положения 1 в положение 2, и при асинхронном ходе этой станции, когда из положения 1 вектор перемещается в положение 3,«обогнав» вектор напряжения U. Мощность синхронной машины, обусловленная ее возбуждением (синхронная мощность), меняется в зависимости от угла б и времени примерно по синусоидальному закону.

Следует обратить внимание на то_, что для больших качаний в отличие от асинхронного хода характерен провал в зависимости Р = f(t), появляющийся при переходе угла 6 за 90°. Для асинхронного хода характерно именно периодическое изменение знака синхронной мощности.

При асинхронном ходе и скорости больше синхронной генератор, работая как асинхронный, выдает активную мощность, которая называется асинхронной.

Если бы генератор был идеально симметричен, то асинхронная мощность при данном скольжении была бы постоянной. Наличие несимметрии (явнополюсность, одноосная обмотка возбуждения и т. д.) приводит к тому, что асинхронная мощ­ность пульсирует около некоторого среднего значения — средней асинхронной мощности.

Средняя асинхронная мощность (средний асинхронный момент) зависит от типа и конструкции генератора и от величины среднего скольжения.

Во время асинхронного хода изменяется не только мощность Р, но и токи ста­тора I и ротора I_в = Е_д, а также результирующее потокосцепление обмотки возбуж­дения — э.д.с. Э.д.с. E_q и E_q' пульсируют около некоторого среднего значения.

При первом приближении можно считать, что в начале установившегося асинхрон­ного режима ток, активная к реактивная мощности определяются значением э.д.с. Е_q исходного режима, если выпадение из синхронизма генератора, не имеющего регулятора возбуждения, происходило медленно. Если генератор имеет регулятор возбуждения, поддерживающий постоянство результирующего потокосцепления с обмоткой возбуждения, или выпадение произошло в результате резкого воз­мущения (например, короткого замыкания), то можно грубо полагать, что пара­метры установившегося асинхронного режима определяются э.д.с. E'_qQ, отвечаю­щей исходному режиму.

Указанные рекомендации очень приближенны, и с их помощью можно полу­чить только ориентировочные результаты. Но пока достаточно простой, обоснован­ной и точной в смысле совпадения с экспериментом методики не имеется.

Все рассуждения относились к асинхронному режиму одного генератора. Однако в сложных электрических системах могут быть два случая, когда из синхронизма на станции одновременно выходят несколько генераторов иле несколько стан­ций.

При анализе вся эта группа генераторов заменяется одним эквивалентным. Разумеется, такая замена может быть сделана довольно приближенно при соблюдении ряда условий и прежде всего при условии, что параметры всех объединяемых генераторов и их удаленность от узловой точка примерно одинаковы. Постоянная инерции эквивалентного генератора в этом случае находится, как обычно, суммированием приведенных к базисной мощности постоянных инерции отдельных генераторов.
Момент эквивалентного генератора принимается равным сумме моментов объединяемых генераторов. Существенное влияние асинхронный ход оказывает регулятор скорости. Для регулятора скорости эквивалентного генератора рекомендуется принять средне­взвешенное значение соответствующих параметров серводвигателей и регуляторов, установленных на эквивалентируемых генераторах.

Ряд проведенных исследований показал, что эквива-лентирование в большинстве случаев дает практически удовлетворительные результаты.

2.ВОЗНИКНОВЕНИЕ АСИНХРОННОГО РЕЖИМА

Причины появления асинхронного режима генератора или части системы (груп­пы генераторов) могут быть весьма различными. Его может вызвать исчезновение (потеря) возбуждения, нарушение динамической устойчивости после резкого возмущения (толчка) или нарушение статической устойчивости сильно перегруженной системы при малом возмущении.

В первом случае генератор работает только как асинхронный, во втором и третьем случаях при наличии возбуждения генератор наряду с асинхронной мощностью выдает также пульсирующую синхронную мощность.

Для большинства синхронных машин асинхронный ход не представляет опасности. Турбогенераторы асинхронном режиме могут развивать мощность, соизмеримую с номинальной. При скольжения порядка десятых долей процента, при которых устанавливается асинхронный режим турбогенераторов, токи, как правило не представляют какой-либо опасности для машины.

Допустимость асинхронного режима могут вызвать сомнения в связи с опасностью нарушения устойчивости остальной части системы, в которой мощный генератор или группа генераторов работает асинхронно. В этом режиме генератор обычно поглощает из системы значительную реактивную мощность, что может при­водить к снижению напряжения во всей системе, создавая опасность нарушения устойчивости остальных генераторов к двигателей. Однако опасность аварий такого рода можно сделать маловероятной правильным выбором источников реактивной мощности и регулирующих устройств.

Восстанавливать нормальную работу системы оказалось возможным, не отклю­чая от сети выпавший из синхронизма генератор, но оставляя его на некоторое время в асинхронном режиме и затем, заставляя снова войти в синхронизм. При это

Система сохраняет результирующую устойчивость, поскольку нарушения энергоснабжения потребителей не происходит.

Однако асинхронный ход, не являющийся для системы нормальным режимом, не должен осуществляться без проверки.

Обычно при выпадении генератора из синхронизма его электромагнитный момент становится меньше вращающего момента турбины. Это приводит к повышению скорости. При увеличении скорости под действием регуляторов турбин про­исходит уменьшение впуска энергоносителя в турбину и мощность, отдаваемая в сеть при асинхронном ходе, всегда будет меньше, чем мощность до выпадения.

Реактивная мощность, необходимая для создания электромагнитных полей в асинхронно работающей машине, поступает из сети. Ток статора, возрастающий в связи с увеличившейся реактивной мощностью, во время асинхронного режима колеблется около среднего значения с частотой, приблизительно разной 2(f₀—f). Асинхронный ход легко заметить по колебаниям стрелка амперметра. Число ее от­клонений α (одну сторону) в секунду численно равно скольжению, выраженному процентах.

Знак скольжения определяет режим несинхронно работающей машины:«—» — генераторный режим; «+» — двигательный режим

Амплитуда колебаний тока статора будет минимальной при разомкнутой обмотке возбуждения, а величина скольжения — при замкнутей обмотке возбуж­дение.

В асинхронном режиме предельная величина активной мощности, которую может отдавать турбогенератор, обычно ограничивается 50-70% номинальной мощности из-за возрастания тока статора а современный крупный турбогенератор- 30-50%

Возможность асинхронного хода и его длительность зависят от типа генератора. Турбогенератору при потере возбуждения разрешается работать в асинхронном режиме до 15—30 мин. без потери возбуждения — несколько меньше. Если за это время восстановить синхронную работу не удается, то турбогенератор должен быть отключен от сети. Немедленное отключение от сети турбогенератора, выпавшего из синхронизма, должно производиться только в случаях появления признаков повреждения машины, например когда в обмотках возбуждения имеются замыкания на землю, при которых до потери возбуждения происходила работа ге­нератора. Длительность работы гидрогенераторов в асинхронном режиме, разрешаемая только при возбуждении, более кратковременна (3—4 мин).

Асинхронный ход, как правило, недопустим в тех случаях, когда при его появлении потери в роторе оказываются больше номинальных, а ток статора — больше 1,1Iном

ЗАДАЧИ ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ

АСИНХРОННЫХ РЕЖИМОВ

Допуская в системе асинхронные режимы, инженер прежде всего должен про­верить поведение машин, работающих асинхронно. Здесь важно выяс­нить те механические усилия, которые будет испытывать машина при асинхронном ходе, проверить нагрев ротора и статора. Кроме того, надо вычислить активные и реактивные мощности машины. Наличие асинхронного хода одной или нескольких машин может оказать влияние на поведение системы в целом. В связи с этим необходимо проверить режим части системы, продолжающей нормальную синхронную работу: выяснить, не перегрузятся ли генераторы, не будет ли недопустимо большого снижения напряжения и не окажут ли его пульсации вредного действия на работу нагрузки. Существенным в ряде случаев является вопрос о поведении устройств автоматики и ре­лейной защиты, иногда могущих при наличии асинхронного хода работать неправильно.

Для анализа их работы необходимо весьма тщательное рассмотрение асинхрон­ных режимов. При этом выделяют процесс выпадения из синхронизма, заканчиваю­щийся установившимся асинхронным ходом. Отдельно рассматриваются режимы обратного вхождения в синхронизм машины: а) подключенной к сети, несущей нагрузку, временно перешедшей на асинхронный режим, — ресинхронизации; б) ненагруженной и подключаемой к сети (вновь или после временного отключе­ния) — самосинхронизации.

Эти два режима находят свое практическое применение з в различных комбина­циях с другими режимами: автоматическое повторное включение с одновременной самосинхронизацией (АПВС), несинхронные включения частей системы и т. д.

3.ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ АСИНХРОННЫХ РЕЖИМАХ

Генераторы. При больших изменениях скорости электромагнитный вращающий момент и мощность, отдаваемая синхронными машинами в генераторном режиме и соответственно получаемая в двигательном режиме, будут зависеть не только от величины угла, но и от скорости его изменения. В этом случае упрощенно пред­ставляют полный электромагнитный момент М синхронной машины двумя состав­ляющими: синхронной (Мс_н) и асинхронной (М_аС), причем M_сн+ M_ас = М. Соот­ветственно мощность Р_сн+ Р_ас = Р. При этом приближенно можно считать, что наличие возбуждения не оказывает никакого влияния на составляющую Рас, т. е. что при расчетах можно привести наложение синхронных и асинхронных моментов и соответственно мощностей.

Составляющая Мсн зависит от параметров машины, тока возбуждения, приложенного напряжения и величины угла δ, а составляющая Мас - от параметров машины, приложенного напряжения, угла δ и скорости его изменения, т.е. скольжения (s= -dδ\dt).

При больших скольжениях выраженный в относительных единицах синхронный вращающий момент на валу генератора не будет равен его внутренней мощности и должен определяться как М_сн — P_сн\(1-s).

Кроме того, необходимо учесть, что при непрерывном изменении угла 6 значе­ния М_сн и Р_сн не будут величинами постоянными, как при синхронном режиме, а будут изменяться, меняя свою величину и знак, поэтому их иногда называют зна­копеременными составляющими.

Асинхронную составляющую момента М_ас и соответственно мощности Р_ас можно определять при упрощающих предположениях, принимая, что машина сим­метрична в электрическом и магнитном отношениях и ее параметры по продольной и поперечной осям одинаковы: T_q = Td; x_q = x_d; x_q = х_d*

При положительных значениях скольжения s синхронный генератор, работая как асинхронный двигатель, потребляет мощность, г при отрицательных, работая как асинхронный генератор, выдает ее в сеть.

Первичные двигатели. Характеристики и параметры первичного двигателя имеют существенное значение при анализе асинхронных режимов. В первую очередь важно знать зависимость момента (или мощности) от скорости и ускорения агрегата. Под моментом (или мощностью) первичного двигателя при рассмотрении асинхрон­ных

режимов следует понимать результирующий момент, т.е. собственно момент (или мощность), развиваемый турбиной и уменьшенный на величину потерь, имеющихся как в механической части, так и непосредственно в генераторе.

В отдельных случаях момент, соответствующий потерям в турбине и генераторе, ока­зываясь больше момента, развиваемого турбиной, играет решающую роль в движении агрегата. В этих случаях результирующий вращающий момент первичного двигателя окажется тормозящим, хотя турбина и будет давать ускоряющий момент. Следует иметь в виду, что в процессах, протекающих при скорости вращения ротора, отличной от синхронной, результирующий момент, создаваемый первичным двига­телем, может быть направлен как согласно е асинхронным моментом, например при разгоне со скоростью ω < ω_O так и встречно с ним — при разгоне со скоростью ω > ω ₀.

При полном закрытии направляющего аппарата или клапанов турбины резуль­тирующий момент первичного двигателя может существенно отличаться от нуля за счет наличия момента, обусловленно­го потерями. При замене нескольких

агрегатов, генераторы которых работают асинхронно, одним эквивалентным большое значение имеют параметры систем регулирования (Тs,σ)

Нагрузка. Поведение нагрузки имеет большое значение для определения допустимости асинхронного хода в системе. Понижение напряжения при асинхронных режимах может вызвать

опрокидывание двигателей нагрузки (лавину напряжения). Колебания напряжения на шинах нагрузки, происходящие во время

асинхронного хода крупного генератора ил группы генераторов, могут привести к колебаниям светового потока осветительных установок.

При асинхронном режиме в составе напряжения, подведенного к нагрузке, будет несколько (по по меньше мере 2) различных частот переменного тока, отличных от нормальной частоты fо.

Асинхронные двигатели нагрузки будут реаги­ровать на это изменение частоты, равно как и на изменение напряжения (которое, как правило, будет пониженным), и, следовательно, будут изменять свою мощность и скорость. Однако расчеты по определению мощности двигателей и их поведения при асинхронном ходе части генераторов системы могут в первом приближении про­изводиться без учета появления нескольких составляющих в мгновенных значениях частоты. Расчеты первого приближения можно проводить, исходя только из пони­жения напряжения и изменений его огибающих с частотой асинхронных колеба­ний, принимая, что частота мгновенных изменений тока и напряжения равна f₀.

Линии электропередачи, сеть. Схемы замещения ЛЭП, трансформаторов и дру­гих неподвижных элементов системы при асинхронном ходе одного генератора или части ее генераторов, не влияющих на всю систему настолько сильно, чтобы вызвать в ней заметное отклонение частоты, не изменяются. При выявлении в процессе анализа значительных изменений частоты следует уточнять расчеты, изменяя индуктивные сопротивления в ω\ωо раз и емкостные сопротивления в ω\ωо раз. Расчеты при этом усложняются, поскольку при использовании способа

последова­тельых интервалов требует изменений всех сопротивлений в каждом интервале.

Расчеты асинхронных режимов систем в связи с некоторой неопределенностью параметров, входящих в расчетные уравнения, целесообразно выполнять приближенно, при вариации параметров. Сложная система при асинхронном ходе одного из ее генераторов (или станции) обычно приводится к более простой схеме.

Литература: [1], § 11.1-11.3, 12.1 – 12.3

[7], § 14.1 – 14.8.

Если сопротивление сети введено в , то на двигателе будет напряжение . Аналогично для установившегося режима

,

Дата добавления: 2015-07-08