книги / Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения
..pdfПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ
СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОГО
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Москва Издательство МЭИ 1991
ББК 31.29— 5— 043 Г 18
УДК 658.26:621.313.018.24
Гамазин С. И., Понаровкин Д. Б., Цырук С. А.
Г 18 Переходные процессы в электродвигательной нагруз ке систем промышленного электроснабжения. — М.: Из дательство МЭИ, 1991.— 352 с.: ил.
ISBN 5—7046—021—2
На основе анализа особенностей переходных процессов в си стемах промышленного электроснабжения с преобладающей электродвигательной нагрузкой изложены вопросы моделирования синхронных и асинхронных двигателей, узлов промышленной комп лексной нагрузки и систем электроснабжения в целом примени тельно к задачам расчетов, проектирования и управления режимами систем Промышленного электроснабжения. Приводятся анализ пере ходных процессов в характерных режимах таких систем, оценка способов и средств повышения статической, синхронной, динамиче ской и результирующей устойчивости узлов промышленной на грузки.
Для инженеров, занимающихся проектированием и эксплуата цией систем электроснабжения промышленных предприятий, а так же может быть полезна для студентов электроэнергетических спе циальностей вузов.
г |
^02090000—004 |
ББК 31.29—5—043 |
1 |
----------- 5—90 |
|
|
°'7(02)—91 |
|
ISBN 5—7046—021—2 |
Гамазин С. И., Понаровкин Д. Б., |
Цырук С. А., 1991
ПРЕДИСЛОВИЕ
При проектировании и эксплуатации систем промышлен ного электроснабжения возникает ряд проблем, для реше ния которых необходимо провести анализ переходных про цессов в электродвигательной нагрузке. К таким вопросам относятся: определение условий и выбор схемы пуска мощ ных электродвигателей, выбор и проверка электрических ап паратов и проводников по условиям работы при коротких замыканиях, выбор настроечных параметров релейной защи ты и средств противоаварийной автоматики, определение усло вий и способов обеспечения успешного самозапуска двигате лей и ряд других.
Основным способом решения перечисленных задач явля ется проведение расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов на базе математического моделирова ния систем промышленного электроснабжения.
В предлагаемой книге рассматриваются методы модели рования электрических двигателей, узлов промышленной комплексной нагрузки и систем электроснабжения в целом применительно к задаче автоматизации расчетно-эксперимен тальных исследований переходных процессов. Основное отли чие книги от изданных ранее по данной тематике заключа ется в целевой направленности как по объекту исследования (система промышленного электроснабжения), так и по кру гу решаемых задач (переходные процессы применительно к запросам и потребностям промышленного электроснабже ния).
Книга является результатом совместной работы авторов. Главы 1—5 и 7, 8 написаны С. И. Гамазиным, глава 6 — сов местно С. И. Гамазиным, Д. Б. Понаровкиным и С. А. Цыруком, глава 9 — совместно С. И. Гамазиным и С. А. Цыруком, глава 10 — С. А. Цыруком и глава И — Д. Б. Понаровкиным.
Отзывы о книге просим направлять по адресу: 105835, Москва, ГСП Е-250, ул. Красноказарменная, д. 14, Издатель ство МЭИ.
ВВЕДЕНИЕ
Системы промышленного электроснабжения являются сложными динамическими системами, в которых практичес ки постоянно происходят какие-либо изменения: включаются и отключаются отдельные потребители электроэнергии и эле менты электрической сети; меняются технологические режи мы отдельных механизмов и установок, а следовательно, и режимы электроснабжения соответствующих приемников электрической энергии; меняются режимы питающей элект рической системы. Отвлекаясь от конкретных причин возник новения переходных процессов, назовем в совокупности эти причины возмущающими воздействиями или возмущениями.
Преобладающую долю возмущающих воздействий в си стемах промышленного электроснабжения составляют микро возмущения, сопровождающиеся микропроцессами, приводя щими лишь к несущественным (с практической точки зре ния) изменениям режима. Такие режимы можно назвать ус ловно установившимися, а по существу просто установивши мися. Именно в таких режимах реализуется основное функ циональное назначение системы промышленного электро снабжения— передача и потребление электрической энергии, а также ее технологические преобразования в другие виды энергии.
Значительно меньшую долю составляют макровозмуще ния, сопровождающиеся существенными (пусть даже локаль ными) изменениями режима. Примерами таких возмущений могут служить короткие замыкания, приводящие к наруше нию нормального электроснабжения. Переходные процессы в аварийных режимах, несмотря на их кратковременность и
малую вероятность возникновения, во многом определяют параметры системы электроснабжения. Особую значимость имеют переходные процессы в системах электроснабжения с мощной электродвигательной нагрузкой. Это обусловлено следующими обстоятельствами.
1.Электрические двигатели являются самым распростра ненным промышленным потребителем электрической энер гии. Например, число двигателей на крупном металлургичес ком комбинате может составлять 105, а в отрасли черной металлургии в целом— 106.
2.Единичная мощность электрических двигателей посто
янно увеличивается и достигает в настоящее время 25 000 кВт. 3. Прямой пуск синхронных двигателей большой единич ной мощности сопровождается существенным снижением на пряжения в электрической сети. Это приводит к затягиванию процесса пуска, а в ряде случаев и к невозможности или не допустимости прямого пуска. Выбор надежной схемы пуска синхронного двигателя может быть осуществлен лишь на базе анализа сопровождающих пуск переходных процессов.
4.Нарушение динамической устойчивости синхронных дви гателей является распространенной причиной срыва техно логических процессов непрерывных производств. Поэтому одной из актуальных задач промышленной электроэнергети ки является обеспечение синхронной динамической устойчи вости синхронных двигателей после кратковременного сни жения напряжения, вызванного короткими замыканиями в питающей электрической системе.
5.Самозапуск всех электрических двигателей в системе промышленного электроснабжения, как правило, не осуще ствим, поэтому приходится управлять режимом самозапуска путем регулирования числа и последовательности подключе ния электродвигателей. Законы управления самозапуском двигателей могут быть определены лишь на базе анализа переходных процессов в период самозапуска.
6.Рост единичной мощности синхронных двигателей и их доли в общей нагрузке узла электрической системы приводит
кпостоянному увеличению доли токов короткого замыкания от синхронных двигателей в общем токе короткого замыка ния. Поэтому являются актуальными задачи определения до стоверных значений токов коротких замыканий от синхрон ной двигательной нагрузки промышленных предприятий и ра
зумного ограничения этих токов.
Перечисленные положения отражают основные особенно сти переходных процессов в системах промышленного элект роснабжения с мощной электродвигательной нагрузкой. Тру доемкость анализа переходных процессов усугубляется боль шим разнообразием типов синхронных и асинхронных двига телей, существенно различающихся как по конструктивному
исполнению и назначению, так и по расчетным параметрам, схемам замещения и характеристикам.
Несмотря на однотипность уравнений переходных процес сов в трехфазных генераторах и двигателях переменного тока, электромеханические и электромагнитные переходные процессы в системах промышленного электроснабжения име ют ряд существенных отличий от аналогичных процессов в электрических системах, а следовательно, отличаются и ме тоды исследования.
Для электрических систем главными являются переход ные процессы в синхронных генераторах электрических стан ций, а промышленная нагрузка учитывается упрощенно в ви де эквивалентного двигателя либо по статическим характери стикам эквивалентной комплексной нагрузки. Для систем промышленного электроснабжения главными являются про цессы в электромеханической нагрузке, а сама электричес кая система в большинстве случаев может учитываться уп рощенно в виде постоянной по амплитуде и частоте эквива лентной ЭДС, приложенной за эквивалентным сопротивле нием.
В системах промышленного электроснабжения частота вращения роторов синхронных двигателей изменяется в пре делах от 0 до 1, что приводит к необходимости полного учета влияния демпферных контуров.
Частота напряжения в системах промышленного электро снабжения в ряде характерных режимов (например, при групповом выбеге двигателей) колеблется в значительно бо лее широком диапазоне, чем в электрических системах. Это необходимо учитывать при анализе переходных процессов в системах электроснабжения с электромеханической нагруз кой.
Перечисленные особенности и отличия переходных про цессов в системах промышленного электроснабжения с мощ ной электромеханической нагрузкой позволяют сделать вы вод о целесообразности изложения этих вопросов в отдель ной книге.
В течение ряда лет на кафедре электроснабжения про мышленных предприятий Московского энергетического инсти тута разрабатывалась проблема автоматизации расчетно экспериментальных исследований переходных процессов в си стемах промышленного электроснабжения. В предлагаемой монографии приводятся основные результаты этих разрабо ток.
Глава 1
СИНХРОННЫЙ УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В синхронном установившемся режиме реализуется ос новное функциональное назначение СД: быть приводом с синхронной частотой вращения для механизмов и служить управляемым источником реактивной мощности путем регу лирования тока в обмотке возбуждения. В настоящей главе рассмотрены исходные, эквивалентные и комплексные схемы замещения СД, используемые в расчетах синхронного уста новившегося режима.
1.1. ИСХОДНЫЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ
Параметрам режима трехфазных систем электроснабже ния переменного тока соответствуют обобщенные вращаю щиеся векторы, характеризующие либо изменения во време ни (в частности, синусоидальные изменения тока или напря жения статорной обмотки), либо пространственные переме щения (например, вращение магнитного потока) этих пара метров режима. Проекции обобщенных векторов на непод вижные фазные оси (а, Ъ, с) равны фазным значениям со ответствующих параметров режима. В качестве примера на рис. 1.1 представлен обобщенный вектор напряжения t), мо
дуль которого U характеризует амплитудное (или действую щее) значение напряжения, а частота вращения со совпадает с частотой напряжения.
Положение обобщенных векторов можно задавать в раз личных системах координат, например в двухмерной ортого нальной системе координат с действительной (Re) и мнимой (Im) осями комплексной плоскости. Наиболее употребитель ными являются следующие системы координат: а, р — непод вижная относительно статора; и, v — вращающаяся с синх ронной частотой; d, q — вращающаяся с частотой ротора.
Для трехфазных электрических машин более предпочтитель ной является двухмерная ортогональная система координат, вращающаяся с частотой обобщенных векторов. В такой си-
Я
Рис. 1.1. Системы координат для обобщенных векторов параметров режима
стеме координат обобщенные векторы неподвижны относи тельно осей, и для определения векторов может быть исполь зован математический аппарат теории комплексных чисел и функций. Например, вектор напряжения U в этой системе
координат может быть записан в виде
£/=!{/'+/£;" |
(1.1) |
где U'y U" — проекции вектора напряжения |
на действитель |
ную и мнимую оси комплексной плоскости. |
|
Для синхронных двигателей (СД) естественной вращаю щейся системой координат является система d, q, задаваемая
осями ротора |
(d — продольная ось, совпадающая |
с осью |
|||
обмотки возбуждения; q — поперечная, |
ортогональная |
про |
|||
дольной). Проекции вектора |
параметра |
режима на |
оси |
d и |
|
q называются |
соответственно |
продольной и поперечной |
со |
ставляющими. Например, векторы напряжения и тока ста торной обмотки СД в системе координат d, q представляют ся в виде:
U = Ud + jUq-,|
( 1.2)
{ = Id + jIr J
Переход от трехфазных неподвижных осей а, о, с к ор тогональным вращающимся d, q математически эквивален-
тен линейному преобразова |
|
|||||||
нию |
|
системы |
координат |
|
||||
(рис. |
|
1.1). |
В реальных об |
|
||||
мотках |
С'Д |
|
ТОКИ |
Id |
и Iq И |
|
||
напряжения |
Ua и |
Uq изме |
|
|||||
рить |
нельзя. |
Однако |
в си |
|
||||
стеме координат d, q суще |
|
|||||||
ственно |
упрощаются |
урав |
|
|||||
нения |
|
переходных процес |
|
|||||
сов |
и |
|
установившегося ре |
|
||||
жима, а зная продольные и |
|
|||||||
поперечные |
|
составляющие |
|
|||||
параметров режима, при не |
|
|||||||
обходимости |
всегда |
можно |
Рис. 1.2. Модель синхронной маши- |
|||||
вычислить |
и |
фазные |
значе |
ны в осях d, q |
||||
ния. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Физическая модель СД в системе координат d, q показа на на рис. 1.2. Реальная трехфазная статорная обмотка пред ставлена системой из двух ортогональных вращающихся кон
туров— продольного (d, d) |
и поперечного |
(q, q), а обмотка |
/?ст |
/?СТ |
|
Рис. 1.3. Исходные схемы замещения синхронной машины по продольной
(а) и поперечной (б) осям |
|
|
ротора — контуром обмотки |
возбуждения (/, /) |
и продоль |
ным (d\y d\) и поперечным |
(^ь q\) контурами |
демпферной |
обмотки. |
|
|
Ввиду магнитной и электрической несимметрии ротора схемы замещения СД по продольной и поперечной осям раз личаются (рис. 1.3). Параметрами исходных схем замеще ния СД являются: /?ст и ха— активное сопротивление и ин дуктивное сопротивление рассеяния статорной обмотки (вви ду симметрии статора принимаются одинаковыми по про дольной и поперечной осям); xad и хад— сопротивления взаи
моиндукции |
между статорной |
и роторными |
обмотками по |
||
продольной |
и поперечной осям; |
хаи, |
ха\д— индуктивные соп |
||
ротивления |
рассеяния |
демпферной |
обмотки |
по продольной |
|
и поперечной осям; |
Ru и R\д— активные |
сопротивления |
демпферной обмотки тю продольной и поперечной осям; Rfy xof — активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения.
Из исходных схем замещения могут быть получены так же следующие параметры СД:
полное индуктивное сопротивление обмотки возбуждения
при разомкнутой статорной обмотке |
|
Xf— Xof+xad\ |
(1.3) |
полные индуктивные сопротивления демпферной обмотки по продольной и поперечной осям:
Xld — Xa\d “Ь Xady
(1.4)
X>\q= Xo]q "b XQq\
индуктивные сопротивления этих же обмоток, но при ко роткозамкнутой статорной обмотке:
Xf — Xaf ~b Xad\ |
|
|
X\d = |
X0\d ~b Xad\ |
(1.5) |
X\q — |
X 0\q “ | - Xpqt |
|
где
Xad =
Xaq —
Xad Xa |
|
|
Xad+XQ |
( 1. 6) |
|
Xgq Xa |
||
|
||
Xaq Ma |
|
— сопротивления взаимоиндукции между статорной и ротор ными обмотками по продольной и поперечной осям при ко роткозамкнутом статоре;