Электромеханические переходные процессы

1. Электромеханические  пп. Классификация режимов. Требования, предъявляемые к системам и режимам.

Электромеханические переходные процессы связаны с изучением взаимодействия электрических процессов протекающих в электроэнергетической системе и механических процессов, сопутствующие работе турбины и генератора. В генераторе происходит преобразование механической энергии в электрическую и именно в генераторе начинает осуществляться ЭМПП. При работе энергосистемы происходит непрерывное изменение потребляемой активной мощности. Это та полезная работа, которая совершается в системе.

Электроэнергетическая система - та часть энергетической системы, в которой теплота и различные виды энергии преобразуются в электрическую энергию, передаваемую на расстояние, распределяемую по потребителям, где она вновь преобразуется.  Электрическая система представляет собой совокупность взаимодействующих элементов, которые можно разбить на 2 группы: 1)Силовые элементы, вырабатывающие (генераторы), преобразующие (трансформаторы, выпрямители, инверторы), передающие (ЛЭП, сети), и потребляющие энергию. 2)Элементы управления, регулирующие и изменяющие состояние системы (регуляторы возбуждения синхронных машин, регуляторы частоты, реле, выключатели и т.д.). Режим системы - совокупность процессов, существующих в системе и определяющих ее состояние в любой момент времени или некоторый интервал времени. Режим характеризуется показателями, количественно определяющие условия работы энергосистемы. Их называют параметрами системы. К ним относятся: напряжение, ток, частота, cosφ и т.д. параметры режима связываются в математических уравнениях, соотношения, в которые входят параметры системы. Режим системы может быть установившемся или переходным.  В установившемся режиме параметры электрической системы непрерывно меняются, но эти изменения происходят около некоторого среднего значения очень малые, и поэтому режим можно считать установившемся. Виды режимов системы:

1) Нормальный установившийся режим, применительно к ним проектир. энергет. сист. и техно-эконом. показат. - сопровождается нормальной эксплуатацией системы: включение и отключение отдельных потребителей, вкл(откл) отдельных элементов системы.

2) Норм переходн режим – режим в течение которого система переходит из одного установ режима в другой.

3) Аварийный установившийся  и переходной режим. Для которого определяются технические характеристики, связанные с необходимостью ликвидации аварий и выяснений условий дальнейшей работоспособности.

4) Послеаварийный режим  – установившейся режим технико-экономические показатели которого хуже нормально установившегося режима.

Требования предъявляемые к режимам:

1) качество потребляемой  электроэнергии

2) надежность энергоснабжения  потребителей, без перерыва и  снижения качества

3) живучесть – способность  противостоять воздействию внешних  сил и длительное время сохранять это состояние.

4) экономичность 

 

 

 

 

2. Величина передаваемой  мощности. Векторная диаграмма. Идеальный предел передаваемой мощности.

Мощность, выдаваемая генератором в сеть зависит от δ. Если возникает избыток мощности, то генератор начинает ускоряться. Получается новая точка равновесия, если ее не существует, то генератор выпадает из синхронизма или отключен защитой. Если точка равновесия существует , то пройдя эту точку генератор начнет тормозится в точке (а)-тормозится, в точке (в) ускоряться  / Рмах=(Uc∙Е/ Х∑) – идеальный предел мощности/. Если угол δ=0, то энергия не передается.

Все точки устойчивого равновесия находятся на восходящей части синусоиды 0÷90, зона от 90÷180 является неустойчивой работы. Статическая устойчивость – способность системы самостоятельно восстанавливать исходный режим работы при малом возмущении. Важные условия статической устойчивости: для устойчивости системы необходимо и достаточно чтобы приращение угла и мощности Рг  имели один и тот же знак т.е.  ∆Рг/∆ δ>0, или переходя к пределу dPг/d δ>0, это условие выполняется при 0≤ δ≤90

Кз=(Рн-Ро)/Ро – коэф-т запаса по мощности

Кз= (δ- δо)/ δo – коэф-т запаса по углу

 

Рmax - предел передаваемой мощности, Р0 - мощность вращения турбины.

- передаваемая мощность энергосистемы. Из выражения следует что при постоянстве ЭДС генераторов и напряжения на шинах приемной системы, изменение передаваемой мощности Р зависит лишь от изменения угла δ.

При заданных значениях эдс генератора и напряжения приемника существует определенный максимум передаваемой мощности, который наз-ся идеальным пределом мощности: δ=90° => Pmax= Uc∙Е/ Х∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Понятие о  статической устойчивости. Энергетический критерий устойчивости.

Статическая устойчивость СЭС - это устойчивость при малых возмущениях режима. При этом элемент синусоиды, характеризующей угловую характеристику, можно заменить отрезком прямой, т.е. считать систему линейной. Этот процесс наз-ся линеаризация системы.

Есть состояния (режимы), в которых системы после случайного возмущения стремятся восстановить исходный или близкий к нему режим. В других режимах случайное возмущение уводит системы от исходного состояния. В первом случае системы устойчивые, в другом - неустойчивые.

В установившемся режиме между энергией источника Wг, поступающей в систему извне, и энергией расходуемой в нагрузке и на покрытие потерь, имеется баланс. При каком-либо возмущении, проявляющемся в изменении параметра режима П на ∆П, этот баланс нарушается. Если система обладает такими св-ми, что энергия W=Wн+∆W после возмущения расходуется более интенсивно, чем приобретается от внешнего источника ∆Wг=f(П), то новый режим, возникший в результате возмущения, не может быть обеспечен энергией и в системе должен восстановиться прежний установившийся или близкий к нему режим. Такая система устойчива.

Из определения устойчивости следует, что условием сохранением системы (критерием устойчивости) яв-ся соотношение: ∆W/∆П > ∆Wг/∆П или в дифференциальной форме

 

- избыточная энергия. Эта энергия положительна, если дополнительная генерируемая энергия, появившаяся при возмущении, возрастает интенсивнее, чем нагрузка системы с учетом потерь в ней. - режим устойчив, если производная от избыточной энергии по определяющему параметру П отрицательна.

В установившемся режиме мощность турбины Р0 равна мощности генератора Р, т.е. между неизменной мощностью первичного двигателя и мощностью генератора существует равновесие. При этом каждому значению мощности турбины Р0 соответствуют две точки равновесия на угловой характеристике мощности генератора и, следовательно, два значения угла (δa и δb). Однако устойчивый режим работы возможен лишь в точке a. При ускорении генератора эдс Е перемещается относительно вращающегося с неизменной скоростью вектора напряжения приемной системы Uc. Связанное с этим увеличение угла δ приводит к соответствующему повышению мощности генератора по синусоидальному закону до тех пор, пока она вновь не уравновесит мощность турбины. Поскольку зависимость Р = ƒ(δ) носит синусоидальный характер, с увеличением угла δ мощность Р сначала возрастает, а затем, достигнув максимального значения, начинает падать. При заданных значениях эдс генератора Еq и напряжения приемника Uc существует определенный максимум передаваемой мощности, который называется идеальным пределом мощности. Он наступает при δ = 90° и определяется выражением:

Рмах = Еq Uc / хdрез.

Предположим, что вследствие небольшого возмущения угол δa увеличился на Δδa. Этому случаю соответствуют переход рабочей точки на угловой характеристике из а в с и увеличение мощности генератора на ΔР, т.е. положительному приращению угла соответствует положительное приращение мощности. В результате увеличения мощности генератора при неизменной мощности турбины равновесие вращающего и тормозящего моментов турбины и генератора нарушается, и на валу машины возникает тормозящий момент. Под его влиянием ротор генератора начинает замедляться, что обуславливает перемещение связанного с ротором вектора эдс генератора Е в сторону уменьшения угла δ. С уменьшением угла δ вновь восстанавливается исходный режим в точке а. Следовательно, данный режим системы является устойчивым. К этому же выводу можно придти и при отрицательном приращении угла в Δδ точке а. В точке b на рис. положительное приращение угла Δδ сопровождается отрицательным изменением мощности генератора ΔР. Уменьшение мощности генератора вызывает появление ускоряющего момента, под влиянием которого угол δ не уменьшается, а возрастает. С увеличением угла δ мощность генератора продолжает падать, что обуславливает дальнейшее увеличение угла δ и т.д. Процесс протекает прогрессивно, и генератор выпадает из синхронизма, т.е. режим работы в точке b статически неустойчив. Таким образом, состояние генератора, соответствующее точке а и любой другой точке на возрастающей части синусоидальной характеристики мощности, статически устойчиво. Отсюда вытекает следующий критерий статической устойчивости (практический) системы: ΔР/Δδ > 0, dP/dδ > 0. Из этого следует, что статическая устойчивость системы обеспечивается, если приращения угла δ и мощности генератора Р имеют один и тот же знак. Производную dP/dδ = SЕ принято называть синхронизирующей мощностью. Эта мощность характеризует реакцию генератора на увеличение угла сдвига ротора. Положительный знак ее является критерием статической устойчивости.

Количественная статическая устойчивость характеризуется коэффициентом запаса

Кз = (Рмах – Р0)/ Р0, где Рмах и Р0 – максимальная и номинальная мощности системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18. Пуск и самозапуск АД. Схемы пуска.

(1)

            

Процесс движения двигателя описывается уравнением (1), где  М – электромагнитный момент двигателя, ММЕХ – момент сопротивления рабочего механизма, TJ – постоянная инерции агрегата. Определение времени разбега при пуске или остановке требует выяснения зависимости вращающего момента двигателя М и момента сопротивления механизма ММЕХ  от скольжения, причем при определении зависимости М=f(s) необходимо учитывать влияние сопротивления.

Возможны упрощенные решения при аппроксимации зависимостей М=f (s) и ММЕХ = f (s) прямыми или некоторыми кривыми, при которых интегрирование оказывается возможным.

Предположим, что М и ММЕХ не зависят ни от времени, ни от ускорения и полностью определяются скольжением S. Разобьем на ряд равных интервалов по скольжению: . Тогда уравнение (1) на любом интервале будет иметь вид или

Аналогично можно выразить и приращение частоты вращения

где ΔMi – среднее значение избыточного момента на данном интервале

Время от момента пуска до конца любого интервала

Точность решения возрастает с уменьшением величины Δs и соответственно с увеличением числа интервалов.

При пуске ЭД должен выполняться ряд требований:

1. Пусковой момент должен быть достаточно большим (во время пуска двигатель должен развивать вращающий момент, необходимый для преодоления момента сопротивления механизма и для создания определённой кинетической энергии вращающихся масс агрегата);
2. Пусковые токи по возможности малые (большие токи могут вызвать понижение напряжения, создать неблагоприятное влияние на др. двигатели и др. виды нагрузки и привести к тому, что двигатель будет разгоняться медленнее, чем это предполагалось при неизменном напряжении на его зажимах. Вследствие снижения напряжения в сети вращ. момент двигателя может оказаться либо меньше момента сопротивления механ. нагрузки, либо ненамного больше и разгон двигателя будет или невозможен, или недопустимо затянут);

Условия пуска разделяют на лёгкие (требуемый момент в начале вращения двигателя составляет 10-40%), нормальные (треб. момент 50-75%), тяжелые (треб. момент 100%). Для облегчения тяжёлых условий пуска в некоторых случаях применяются спец. мех. средства, с помощью которых двигатель принимает нагрузку после того, как он достиг нужной скорости и стал развивать нужный вращ. момент.

Способы пуска:

1) Прямой пуск – непосредственное подключение обмотки статора к сети    I1 – ток статора;    т.П – нач. момент пуск     т.Р – М=Мст. Для запуска любых АД в нач. момент должен быть избыточный момент = 20-30% от ном. На всей продолжительности пуска избыточный момент д. б. не ниже 10-15% от ном. Напряжение не должно снижаться на 10-15% - при пуске мелких АД и ≤20% для более крупных. Если Мп≤Мст в начальный момент пуска, то двигатель разогнаться не сможет.

Недостатки прямого пуска:

Сравнительно небольшой пусковой момент; 2) Большой бросок пускового тока (Iп=(5-7)Iн);

- тр-ры до 25 МВА допускают 4-х кратную перегрузку, но не более 3-х раз в сутки;

- тр-ры S=25…100 МВА доп. 2-х кратн. перегрузку не более 3-х раз в сутки, пуск при этом ≤15 с.   При пуске необходимо контролировать температуру в верхних частях тр-ра.    При пуске крупных АД надо найти точку сети, кот. можно считать системой бесконечной мощности, либо точку питания в кот. известно ток КЗ  Iкз(3). При пуске Uс перегр=1.05Uном.

Понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске применяют если прямой пуск АД невозможен. Осуществляется с помощью включения реактора или понижающего тр-р

Сх. пуска с реактором       Сх. пуска с тр-ром

  Пусковой реактор  ограничивает пусковой ток и снижает напряжение на двигателе при пуске за счет падения напряжения в реакторе (недостаток – необходимость подкл. доп. оборудования (пуск. реактора и шунтирующего выкл-ля). 

Схема запуска ЭД с автотрансформатором:                                                      

Автотрансформатор применяется в тех случаях, когда   необходимо обеспечить плавное регулирование                                                 

пускового тока и плавно изменение скорости двигателя.    В начале пуска все выключатели отключены, затем вкл. В3, В1, после этого контактная  система передвигается в сторону повышения напряжения, ч-з некот-е время вкл-ся В2, В3- откл-ся.

Самозапуск АД. Самозапуск – это процесс восстановления нормальной работы двигателей после кратковременного отключения питающего напряжения. Самозапуск применяют для повышения устойчивости и надежности электроснабжения наиболее ответственных установок при кратковременных снижениях или отключениях напряжения источника питания. При отключении напряжения питания наступает режим свободного или группового (если в самозапуске будут участвовать несколько двига- телей) выбега. Перерыв питания должен быть таким, чтобы к моменту восстановления питания частота вращения самозапускаемых двигателей была больше нуля, и значение остаточного напряжения на зажимах электроприемников должно быть таким, чтобы вращающий момент электродвигателей превышал статический момент сопротивления механизмов. Для этого иногда приходится в режиме самозапуска оставлять включенными только часть электродвигателей наиболее ответственных механизмов. Электродвигатели, самозапуск которых недопустим по условиям технологии или техники безопасности, обязательно должны отключаться защитой. По условиям самозапуска электроприемники условно делятся на две группы: 1. Электроприемники с постоянным моментом сопротивления. Двигатели этих приемников при кратковременном перерыве в электроснабжении быстро теряют частоту вращения и медленно разгоняются (шаровые мельницы, конвейеры, прокатные станы и т.п.). Для обеспечения самозапуска приводов таких электроприемников необходимо, чтобы после восстановления напряжения двигатель обладал моментом, равным (0,8 – 0,9) Мном, а время перерыва в электроснабжении должно быть сокращено до минимума, чтобы не произошло значительного снижения частоты вращения. 2. Электроприемники, обладающие вентиляторными механическими характеристиками (центробежные насосы, вентиляторы, центрифуги и т.д.). Самозапуск двигателей этой группы электроприемников обеспечивается легче, поскольку их момент сопротивления уменьшается с уменьшением частоты вращения. Практическая задача самозапуска состоит в том, чтобы не допустить массового отключения электродвигателей и обеспечить бесперебойную работу электроприемников.