УДК 621.313

Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А., Ал Ас Талал

ИЗМЕНЕНИЕ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ ПРИ ОТКЛОНЕНИЯХ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ

В настоящее время энергосистема Украины работает в таком режиме, когда в узлах нагрузки имеют место значительные отклонения напряжения и частоты от номинальных значений. Актуальным является определение в этих режимах потребляемой активной и реактивной мощностей асинхронной нагрузкой, являющейся преобладающей в узлах электрических систем. Этому вопросу посвящен ряд работ [1-3], однако в них рассматривается, как правило, отклонение только одного из влияющих параметров (напряжения или частоты), а также не учитывается влияние явлений вытеснения токов и насыщения магнитных цепей в асинхронных двигателях (АД) .

В данной работе с учетом указанных выше явлений в АД рассматривается влияние как каждого из режимных параметров (напряжения или частоты), так и их совместного воздействия. Типовая схема узла двигательной нагрузки приведена на рисунке 1. Составим математическую модель приведенной системы электроснабжения, в которой учтем соответствующими схемами замещения питающий трансформатор Т и асинхронные двигатели АД с учетом сопротивлений питающих кабелей. Здесь и далее все параметры схем замещения будем приводить в относительных номинальных единицах.

Особенностью использованных в данной работе схем замещения АД (рис. 2) является то, что в них учтены потери в меди статора и ротора, явления вытеснения тока в роторе и насыщения магнитных путей по цепи главного магнитного потока и потоков рассеяния. С учетом этих явлений разработана методика получения указанных на рисунке 2 параметров по исходным каталожным данным, типовой характеристике холостого хода АД и принятой по [4] зависимости потерь в стали от явления гистерезиса и вихревых токов. Последняя учитывается путем представления активного сопротивления ветви намагничивания в виде двух составляющих, одна из которых отражает гистерезисные потери, пропорциональные первой степени частоты напряжения, а вторая – потери от вихревых токов, пропорциональные квадрату частоты, т. е.

, (1)

где n - отношение текущей частоты w к номинальной w 0.

Ток намагничивания АД нелинейно зависит от напряжения, что можно учесть с помощью типовой характеристики холостого хода. Тогда с учетом (1) сопротивление ветви намагничивания Zm можно представить функцией

. (2)

Индуктивные сопротивления рассеяния обмоток АД нелинейно зависят от соответствующих токов. Эту зависимость учтем в сопротивлении статорной цепи, как

, (3)

где Kн – коэффициент насыщения по потокам рассеяния, принимаемый равным 0,6 – 0,95.

Входное сопротивление двигателя, ток статора, активную и реактивную потребляемые мощности находим по соотношениям:

(4)

здесь скольжение s, необходимое для определения сопротивлений контуров ротора, находится из решения нелинейного уравнения, отражающего равенство вращающего момента АД, являющегося функцией напряжения, частоты и скольжения, а также момента сопротивления АД, зависящего от коэффициента загрузки Кз и скорости вращения.

. (5)

В качестве примера по указанной методике были определены параметры схем замещения двигателей 6 кВ, используемых в системах электроснабжения собственных нужд блочных электростанций с агрегатами 200 и 300 МВт, которые представляют собой узлы асинхронной нагрузки. Каталожные данные АД такого узла нагрузки для блока 200 МВт приведены в таблице 1, а параметры их эквивалентных схем замещения – в таблице 2. Питающий трансформатор принят типа ТРДН-32000/220/6,3/6,3 мощностью 32 МВА. В таблице 1 указаны также значения коэффициентов загрузки механизмов, которые имееют место при работе блока с номинальной нагрузкой. Эти же значения принимались при расчетах на ПЭВМ. Параметры схем замещения АД (табл. 2) приведены для статора, ветви намагничивания и двух контуров ротора, эквивалентно заменяющих глубокий паз. Значение активного и индуктивного сопротивлений ветви намагничивания указаны для номинального режима, когда напряжение и ток статора, а также скольжение АД равны номинальным значениям. Рассчитанные по указанным параметрам схем замещения режимы работы АД для номинального и пускового режимов в точности соответствуют приведенным паспортным данным АД (табл. 1).

Таблица 1 – Паспортные данные АД напряжением 6 кВ

Тип

Pном, кВт

w ном, об/мин

cosf ном

h ном, %

Ммак, о.е.

Мп, о.е.

Iп, о.е.

Кз, о.е.

АТМ 3500

3800

2985

0,85

0,96

2.5

1,4

7,0

0,9

ВДД 213/54-16

1700

368

0,81

0,937

2.5

1,3

5,4

0,88

ДАЗО 1914

1500

597

0,77

0,911

2.5

0,9

5,5

0,81

АКТ 18С

1100

990

0,75

0,85

6,1

2,6

10,0

0,9

АЗ 1346-4

800

1485

0,9

0,94

2,1

1,0

5,4

0,84

ДАЗО 1914-10/12

620

599

0,72

0,842

4,2

1,8

9,2

0,82

ДАМСО 148-8

240

740

0,84

0,9

2,1

0,9

4,6

0,83

Таблица 2 – Параметры эквивалентных схем замещения АД напряжением 6 кВ

Тип

Rs

Xs s

Rm

Xm

Rr(1)

Xs r(1)

Rr(2)

Xs r(2)

АТМ 3500

0,006

0,0714

0,0954

2,697

0,0582

0.1274

0.0102

0.232

ВДД 213/54-16

0,010

0,0926

0,1209

2,185

0.2127

0.1984

0.0094

0.170

ДАЗО 1914

0,013

0,0909

0,1158

1,896

0.0889

0.2151

0.0107

0.211

АКТ 18С

0,022

0,0500

0,1525

1,633

0,0558

0.1294

0.0256

0.094

АЗ 1346-4

0,009

0,0926

0,3412

4,088

0,0853

0.1776

0.0158

0.251

ДАЗО 1914-10/12

0,030

0,0544

0,0146

1,092

0,0320

0.0884

0.0128

0.197

ДАМСО 148-8

0,016

0,1087

0,2584

2,544

0,1564

0.2598

0.0183

0.222

Используя указанные параметры схем замещения АД, уделим основное внимание зависимостям от напряжения и частоты активных и реактивных мощностей, потребляемых узлом с двигательной нагрузкой.

Так как в схему замещения АД входят сопротивления, нелинейно зависящие от напряжения и частоты питания, а также от соответствующих токов, то для получения решения используется метод итераций. Момент сопротивления нагрузки на валу двигателя может быть учтен с помощью полиномов второй или третьей степени от скорости вращения или же как постоянный. Примеры полученных решений для одного двигателя содержатся в [5].

Для узла нагрузки (рис. 1) можно определить активную (P) и реактивную (Q) мощности, как сумму мощностей отдельных двигателей и потерь в трансформаторе:

(6)

При неизменной частоте питающего напряжения и заданных коэффициентах загрузки двигателей (табл. 1) характер изменения P и Q от напряжения питающей системы показан на рисунке 3. Как видно из приведенных данных, при понижении напряжения значительно (близко к квадратичной) снижаются полная и реактивная мощности узла, тогда как активная снижается весьма незначительно. Ток статора секции при этом возрастает и в зависимости от загрузки может превысить номинальный ток трансформатора.

Аналогичные зависимости P и Q от частоты питающего напряжения при неизменной величине последнего (U=Uном) и тех же условиях по загрузке двигателей приведены на рисунке 4. Активная мощность узла нагрузки практически прямо пропорциональна частоте. Это связано с тем, что момент сопротивления на валу АД зависит от частоты вращения ротора. Таким образом при понижении частоты производительность механизмов с.н. снижается, что может вызвать снижение мощности выдаваемой блоком в энергосистему и усугубить дальнейшее неблагоприятное развитие создавшегося аварийного режима. Полная и реактивная мощности при снижениях частоты сначала убывают, а затем возрастают, т. е. имеют минимумы при определенных значениях частоты. Такой же характер зависимости имеет и ток статора.

При одновременном изменении величины и частоты питающего напржени по известному закону регулировани зависимости P и Q, при заданных Kz с зависимыми от скорости вращени моментами сопротивленими АД, показаны на рисунке 5, а при при независимых от скорости вращени моментах сопротивлени – на рисунке 6. В первом случае имеет место тенденци к уменьшению всех мощностей при понижених частоты. Ток статора при этом изменетс незначительно. Во втором случае мало изменютс все потреблемые мощности, а ток статора возрастает обратно пропорционально частоте. Таким образом, двигатели и трансформатор будут испытывать перегрузку в подобного типа режимах. Математическа модель позволет исследовать и другие законы совместного изменени частоты и напржени и оределить наиболее благопритный из них дл узлов асинхронной нагрузки.

Выводы.

1. Разработана математическая модель узла энергосистемы с асинхронной нагрузкой, особенностью которой является представление каждого АД с учетом явлений вытеснения тока и насыщения магнитных цепей, что позволяет повысить точность расчета потребляемых мощностей и потерь при отклонениях напряжения и частоты.

2. Получены зависимости активной и реактивной мощностей, потребляемых узлом нагрузки при изменении питающего напряжения в пределах 80 ¸ 120 процентов от номинального и частоты в пределах 40 ¸ 60 Гц.

3. Разработанная математическая модель реализована на ПЭВМ и может быть применена для анализа рабочих и аварийных режимов работы асинхронной нагрузки электрических систем.

Список литературы

1. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей./ Под ред. Мамиконянца Л.Г. Энергоатомиздат, М. 1984. - 240 с.

2. Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 360 с.

3. Электрическая часть станций и подстанций. Ч. 2. Под ред. А. А. Васильева. М. Энергия, 1972. – 344 с.

4. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М., Энергия, 1974. – 328 с.

5. Талал Ал Ас, Математическое моделирование процессов в системе электроснабжения собственных нужд электростанций при отклонениях напряжения и частоты/ Сб. науч. тр. ДонГТУ. Серия “Электротехника и энергетика”. – Вып.17. – Донецк, ДонГТУ, 2000. – С. 184 – 189