Резкие изменения режима в системах электроснабжения

Эти изменения происходят по следующим причинам:

- авария, например КЗ или перегрузка в распределительной или питающей сети, и последующее её устранение; напряжение в момент t =0 уменьшается от величины U ₀ до U ₁, а затем по истечении времени t ₁ вновь восстанавливается;

- отключение узла нагрузки (перерыв питания) и подключение резервного питания через время t ₁;

- изменение момента сопротивления механизма в связи с увеличением или уменьшением нагрузки механизма с последующим восстановлением прежнего значения момента.

Рассмотрим эти случаи упрощённо, чтобы выяснить основную физическую картину процесса и особенности поведения синхронных и асинхронных двигателей. Будем считать, что механический момент нагрузки двигателей М _мехизменяется скачком в моменты времени t= 0, t=t ₁, что электромеханический момент М может быть определен по статической характеристике, а электромагнитные переходные процессы в двигателях не учитываются, так как они в большинстве случаев сравнительно мало влияют на изучаемые процессы.

Предположим, что напряжение питания меняется так, как показано на рис. 2.27, а, или момент сопротивления меняется так, как показано на рис. 2.27, б. В обоих случаях происходит наброс нагрузки, который может вызвать неустойчивость.

а) б)

Рис. 2.27. Изменение режима:

а – снижение напряжения; б – увеличение момента

Наброс нагрузки на синхронный двигатель

При снижении напряжения от U ₀ до U₁ максимальный момент уменьшится от М ₀ до М ₁. Процесс будет определяться характеристиками, приведёнными на рис. 2.28, а. При снижении напряжения до U ₁система остаётся устойчивой. Аналогично протекает процесс при увеличении момента нагрузки от М _мех0до М _мех1 (рис. 2.28, б). В обоих случаях площадь ускорения abca меньше максимально возможной площади торможения cdec. Новый установившийся режим будет в точке с.

 

а) б)

Рис. 2.28. Изменение напряжения и нагрузки синхронного двигателя:

а – уменьшение напряжения от U ₀ до U ₁ и U ₂;

б – увеличение механического момента от М _мех0до М _мех1 и М _мех2

 

При снижении напряжения до U ₂ (рис. 2.28, а) или увеличении механического момента до М _{мех 2} (рис. 2.28, б) система оказывается неустойчивой. В обоих случаях площадь ускорения ab ₁c₁ a больше возможной площади торможения с ₁ d ₁ e ₁ c ₁.

Для сохранения устойчивости нужно при угле δ_откл восстановить исходные условия (поднять напряжение до U ₀ в случае а, снизить момент до М _мех0в случае б). Угол δ_откл надо подобрать так, чтобы площадь ускорения была равна площади торможения. Например, в случае на рис. 2.28, а

(пл. ab₁ c₁ a + пл. e₁fk₁e₁) – (пл. с₁d₁e₁c₁ + пл. k₁kmnk₁) = 0.

В частном случае при периодически меняющейся нагрузке, график которой показан на рис. 2.29, будем иметь при δ₀=0, М ₀=0, . Предельный угол (при котором сохраняется устойчивость) будет δ₁. В рассматриваемом случае при предельный угол составляет δ₁=2 рад»114°, а при δ₁=1 рад» 57°.

 

а) б)

Рис. 2.29. Наброс нагрузки (a) и (б)

на ненагруженный синхронный двигатель

 

Наброс нагрузки на асинхронный двигатель

Изменение напряжения питающей сети или механической нагрузки на валу двигателя вызывает изменение скольжения. С уменьшением напряжения или ростом механического момента скольжение увеличивается (рис. 2.30).

а) б)

Рис. 2.30. Наброс нагрузки на асинхронный двигатель:

а – понижение напряжения от U ₀ до U ₁ (уменьшение момента от М ₀ до М ₁);

б – увеличение механического момента от М _мех0до М _мех1

 

Если при этом механический момент М _мех окажется больше максимального М _мех> M _m, то двигатель будет увеличивать своё скольжение до полной остановки (s = 1).

Скольжение, при котором возможно восстановление исходного режима после восстановлении напряжения, . При исходный режим восстанавливается. При двигатель останавливается. Во избежание этого надо своевременно восстановить напряжение (или уменьшить механический момент на валу).

 

Вопросы для самопроверки

1. Приведите примеры больших возмущений в системах электроснабжения.

2. Каков порядок пусковых токов асинхронных двигателей?

3. Дайте характеристику легких условий пуска асинхронного двигателя.

4. Дайте характеристику нормальных условий пуска асинхронного двигателя.

5. Дайте характеристику тяжелых условий пуска асинхронного двигателя.

6. Дайте характеристику прямого пуска асинхронного двигателя.

7. Дайте характеристику реакторного пуска асинхронного двигателя.

8. Дайте характеристику автотрансформаторного пуска асинхронного двигателя.

9. Дайте характеристику частотного пуска двигателя.

10. Приведите алгоритм пуска синхронного двигателя.

11. Приведите характерные отличия самозапуска двигателей от пуска.

12. Дайте характеристику периодической составляющей тока самозапуска двигателей в начальный момент времени после восстановления напряжения.

13. Приведите соотношение между моментом двигателя и моментом сопротивления механизма, при котором самозапуск будет успешным.

14. Каково должно быть напряжение на зажимах двигателя для его успешного самозапуска?

15. Как изменяется скольжение асинхронного двигателя при изменении напряжения на его зажимах?

16. Как изменяется скольжение асинхронного двигателя при изменении механического момента механизма?

17. Приведите примеры (рисунки) наброса нагрузки на синхронный двигатель и изменения напряжения питающей сети.

18. Приведите примеры (рисунки) наброса нагрузки на асинхронный двигатель и изменения напряжения питающей сети.

Заключение

При изучении дисциплины рассматриваются только основы теории переходных процессов в электроэнергетических системах и системах электроснабжения.

В инженерных исследованиях переходных процессов находят все большее применение:

- методы кибернетического моделирования переходных процессов;

- методы виртуального моделирования переходных процессов;

- теория электроэнергетических расчетов на основе прямого (второго) метода Ляпунова;

- теория катастроф и др.

Поэтому в современных условиях становление грамотного специалиста в области электроэнергетики потребует самостоятельного творческого изучения новых подходов и, возможно, новых, более совершенных теорий и их практических приложений.

3.3. Глоссарий (краткий словарь терминов)

 

Термин	Что обозначает
Апериодическая составляющая тока	Составляющая тока, изменяющаяся по экспоненциальному закону
Асинхронный режим синхронной машины	Режим синхронной машины при частоте вращения ротора, отличающейся от синхронной
Глухозаземленная нейтраль	Нейтраль источника, непосредственно соединенная с землей
Демпферная обмотка	Дополнительная обмотка на роторе синхронной машины
Динамическая устойчивость	Способность системы восстанавливать исходный режим после большого возмущения, например после короткого замыкания
Изолированная нейтраль	Нейтраль источника, не имеющая соединения с землей
Интеграл Джоуля	Параметр, характеризующий термическое действие тока
Компенсированная нейтраль	Нейтраль источника, соединенная с землей через индуктивность
Короткое замыкание	Внезапное резкое уменьшение сопротивления цепи, подключенной к источнику напряжения
Комплексная схема замещения	Схема, включающая в себя схемы прямой, обратной и нулевой последовательностей
Лавина напряжения	Глубокое снижение напряжения в результате нарушения устойчивости работы асинхронных двигателей
Нулевая последовательность	Система, состоящая из трех одина­ковых векторов, совпадающих но направлению друг с другом
Обобщённая нагрузка	Совокупность различных электроприемников, подключенных к шинам источника питания
Обратная последовательность	Система трех равных векторов, сдвинутых по фазе на 120°, с обратным порядком чередования векторов, чем в несимметричной системе
Опрокидывание электродвигателя	Останов двигателя по причине снижения напряжения на его зажимах
Относительное значение величины	Отношение этой величины к заранее принятой базисной величине
Периодическая составляющая тока	Составляющая тока, изменяющаяся по синусоидальному закону
Преобразование координат	Переход от одной системы координат к другой системе координат
Поперечная ось синхронной машины	Ось синхронной машины, направленная между полюсами ротора
Продольная ось синхронной машины	Ось синхронной машины, направленная по полюсам ротора
Простейшая трёхфазная схема	Симметричная трёхфазная цепь с сосредоточенными параметрами при отсутствии трансформаторных связей
Прямая последовательность	Система трех равных векторов, сдвинутых по фазе на 120°, с тем же по­рядком чередования векторов, что и в несимметричной системе
Реакторный пуск двигателя	Пуск двигателя через реактор, включенный между шинами и двигателем
Ресинхронизация	Автоматическая или самопроизвольная ликвидация асинхронного режима синхронной машины
Самозапуск электродвигателей	Пуск группы двигателей после кратковременного перерыва питания, за который двигатели успели затормозиться
Сопротивление переходное	Сопротивление синхронной машины в начальный момент КЗ при отсутствии на роторе демпферных обмоток
Сопротивление сверхпереходное	Сопротивление синхронной машины в начальный момент КЗ при наличии на роторе демпферных обмоток
Сопротивление синхронное	Сопротивление синхронной машины в установившемся режиме работы
Статическая устойчивость	Способность системы восстанавливать исходный режим после малого возмущения
Ударный ток	Максимальное мгновенное значение тока КЗ
Шунт несимметричного короткого замыкания	Сопротивление, включаемое между началом и концом схемы замещения прямой последовательности и определяемое величинами результирующих сопротивлений схем замещения обратной и нулевой последовательностей
ЭДС синхронная	ЭДС синхронной машины в установившемся режиме работы
ЭДС переходная	ЭДС синхронной машины в начальный момент КЗ при отсутствии на роторе демпферных обмоток
ЭДС сверхпереходная	ЭДС синхронной машины в начальный момент КЗ при наличии на роторе демпферных обмоток