Реферат на тему випускної роботи
Зміст
2. Загальні положення аналізу стійкості вузлів навантаження при малих збуреннях.
3. Основні математичні співвідношення для аналізу статичної стійкості вузлів навантаження.
3.1. Розрахунок стійкості асинхронних і синхронних двигунів.
3.2. Врахування впливу електричної мережі.
4. Врахування впливу компенсації реактивної потужності.
6. Перелік використаних джерел.
1 Вступ
Визначення умов стійкості електричного навантаження енергосистем є одним з необідних етапів загального аналізу енергосистем, визначенні пропускної здатності ліній електропередачі, виборі засобів управління, регулювання, тощо. Такі дослідження виконуються як на різних етапах проектування, так і під час експлуатації – головним чином для уточнення області припустимих режимів.
Розрахунки стійкості навантаження необхідні також при проектуванні систем електропостачання промислових підприємств для розробки заходів, які забузпечують неперервність технологічність процесів в різних режимах роботи підприємств та при різних збуреннях.
Дослідження стійкості енергетичних систем в загальному випадку припускає аналіз стійкості статичної чи динамічної як генераторів, так і двигунів. В енергосистемах можливі випадки, коли порушення стійкості генераторів не призводить до порушення роботи двигунів. В той же час можливі системні ситуації, які викликають гальмування і наступне відімкнення великих груп двигунів при збереженні паралельної роботи генераторів. Тому задача забезпечення стійкості двугунів є дуже актуальною.
Метою роботи є аналіз статичної стійкості промислових споживачів з двигунним навантаженням при наявності синхронних і асинхронних двигунів.
Для дослідження мети роботи були поставлені і вирішені наступні задачі:
розробка програмного забезпечення для вивчення теоретичних положень вторинних критеріїв статичної стійкості;
розробка програмного забезпечення для виконання розрахунків відносно визначення умов статичної стійкості методом малих коливань;
розробка методичних вказівок для створення лабораторної роботи по вивченню умов статичної стійкості більш простої електричної системи.
Особливістю розрахунків стійкості вузлів навантаження є застосування ЕОМ з використанням відповідних математичних моделей. Математичний опис двигунного навантаження зкладається в залежності від числа двигунів, які увімкнені у вузлі. Треба розрізняти три основних випадки [7].
1. Невелика група двигунів. Двигуни вводяться в розрахунок безпосередньо: кожний з них враховується своїми рівняннями і параметрами.
2. Групи з багатьох двигунів, які обслуговують одне виробництво. Такі групи замінюють невеликою кількістю двигунів.
3. Потужні вузли навантаження. Їх опис для розрахунків стійкості складається на основі конкретних даних про склад навантаження і параметри розподільчої мережі з використання деяких параметрів, отриманих шляхом статистичного аналізу.
Використання на промислових підприємствах напівпроводникових перетворювачів, дугових печей прямого нагріву для плавки сталі, електрозварювальних установок викликають велике споживання реактивної потужності. Тому при аналізі електромеханічних перехідних процесів необхідно враховувати вплив реактивної потужності на стійкість вузлів електричних навантажень.
В практиці дослідження стійкості вузлів навантаження використовуть комплексні розрахункові моделі [4] які описують простішу одновузлову схему. Такі моделі дозволяють відтворити основні особливості перехідних процесів в електродвигунах і врахувати вплив інших електроприймачів.
Комплексні розрахункові моделі навантаження містять рівняння еквівалентних асинхронного і синхронного двигунів, а також статичного навантаження. Під статичним навантаженням розуміють навантаження, яке не має магнітних полів, що обертаються: освітлення, електропечі, комунально-побутові прилади, конденсаторні батареї, індуктивні і активні опори елементів мережі.
2 Загальні положення аналізу стійкості вузлів навантаження при малих збуреннях
Малі збурення можуть виникати під дією системи живлення (змінення напруги і частоти), а також в наслідок змінення роботи самої системи і її електроспоживачів за умовами технологічного процесу (змінення кількості ліній живлення, оперативні переключення тощо). В таких умовах електропостачання властивості і тип електроприймачів вузла навантаження суттєво впливає на його стійкість.
Статичну стійкість вузла промислового навантаження розраховують в такій послідовності [1]:
замінюють вузол навантаження розрахунковою моделлю і визначають її параметри;
виділяють суттеві параметри і критерії стійкості для даної схеми електропостачання;
оцінюють припустимий режим за критичним значенням суттєвіх змінних запасом стійкості.
Вузол навантаження з асинхронними двигунами заміщюють розрахунковою моделлю у вигляді еквівалентного асинхронного двигуна. Похибка заміщення залежить від способу її здійснення [3]. Вибір критерію заміщення залежить від мети задачі, яка вирішується, і необхідній точності. В наближених розрахунках можна використовувати статистичні параметри еквівалентного двигуна [2].
Разнотипність синхронних двигунів у вузлах навантаження невелика. Це дозволяє враховувати їх за фактичними параметрами і параметрами нормального режиму. В наближених розрахунках стійкості вузлів навантаження використовують середні значення параметрів синхронних двигунів. Вони відрізняються в залежності від типу двигунів (явнополюсні, неявнополюсні).
Вузол навантаження, де є асинхронні і синхронні двигуни, представляють комплексною розрахунковою моделлю. ЇЇ параметри можна встановити заміщенням окремих характерних складових навантаження, які описуються статичними характеристиками. Для наближених розрахунків можна використовувати середні значення параметрів моделі, які наведено в [1].
Стійкість вузла навантаження аналізують за заступною схемою всієї системи електропостачання і параметрами її режиму. В залежності від конкретних умов розрахункову схему електропостачання зводять до одного з основних видів, наведених на рис. 1
Рисунок 1 - Розрахункові моделі вузла навантаження
Це дає можливість використовувати практичні критерії стійкості. Таким чином, отимують чотири розрахункових моделі вузла навантаження, які відрізняються між собою критеріми стійкості:
1. Модель, де напруга у вузлі навантаження є незалежною змінною, яка не залежить від режиму роботи електроприймачів, що дозволяє розраховувати стійкість незалежно для кожної з характерних груп електроприймачів за її основним критерієм (рис. 1 а).
2. Модель, де характерні групи електроприймачів радіально пов”язані за допомогою зовнішнього опору з шинами вузла навантаження, напруга на яких є незалежною змінною режима (рис. 1. б).
3. Модель, де характерні групи електроприймачів зв”язані з вузлом навантаження за допомогою зовнішнього опору і назалежною змінною режиму є Е.Р.С. ждерела живлення (рис. 1. в).
4. Модель, де вузол навантаження містить всі характерні складові а також джерело реактивної потужності (ДРП) (рис. 1. г).
3 Основні математичні співвідношення для аналізу статичної стійкості вузлів навантаження
3.1 Розрахунок стійкості асинхронних і синхронних двигунів
Порушення статичної стійкості
в своїй початковій стадії може характеризуватися мінливим (аперіодичним)
зміненням параметрів режиму, наприклад, збільшенням кута навантаження 
, якщо потужність, приводного
механізму перевищує максимальне значення. При деяких умовах можливо також
порушення статичної стійкості при виникненні і зростанні коливань параметрів
режиму (коливальне порушення). Основними причинами, які викликають порушення
аперіодичного типу є зростання потужності, значне збільшення зовнішнього опору
і частіш за все зниження напруги у вузлі навантаження. Звичайно запас за
статичною стійкостю навантаження оцінюється величиною допустимого зниження
напруги в точці живлення при нормальному стані мережі живлення, або при
відмиканні деяких ліній електропередачі [8].
Значення напруги на затисках
двигунів і незалежною від режиму роботи двигунів Е.Р.С. джерела живлення
називаються критичними (
),
якщо вони відповідають границі аперіодичної стійкості. Критичний режим для
синхронного двигуна, зв”язаного з джерелом Е.Р.С. постійним опором,
визначаються наступним виразом
Незалежна оцінка стійкості вузла навантаження за окремими групами асинхронних і синхронних двигунів виконується для розрахункових моделій згідно рис. 1 а і б. Суттєвою незалежною змінною у цьому випадку є напруга на шинах вузла навантаження. Для оцінки його стійкості використовують головні крітерії стійкості:
і 
При цьому необхідно враховувати характеристики поданих механізмів і їх завантаження.
Для асинхронних двигунів (або їх еквівалента)
головною вимогою порушення стійкості є межове рівняння 
. При Ммх=соnst і безпосереднім
увімкненням двигунів до шин вузла навантаження критичні параметри, що
відповідають межовому режиму його статичної стійкості, визначаються за
формулами:
При увімкненні двигунів до вузла навантаження через власні зовнішні опори zзов1, zзов2 і zзов3 (див. рис. 1, б) розрахунок межових параметрів режиму і запасу стійкості виконується аналогічно з урахуванням цих опорів.
Якщо активними опорами нехтувати, то 
. Розрахункові формули у
такому разі мають вигляд:
(1)
Наявність зовнішнього опору при увімкненні до вузла навантаження асинхронних двигунів знижує межове за статичною стійкістю значення ковзання.
При відомій характеристиці поданого механізма Ммх = f (s) межові параметри режима знаходять при вирішенні системи рівнянь:
(2)
З урахуванням вираження для розрахунку межового ковзання
і системи рівнянь (1) після відповідних перетворювань система рівнянь (2) приймає вигляд:
(3)
Розрахувавши систему рівнянь (3), можна
визначити параметри Uс кр і sу для межового за стійкістю режиму, де відповідне
межі статичної стійкості ковзання sу буде більше межового ковзання 
при М < Mmax / (1+xзов / xs).
В наближених розрахунках вважають 
. Тоді після рішення системи
рівнянь (3) отримуемо
. (4)
При p=0 має місце особистий
випадок 
і вираз для
визначення критичної напруги перетворюється у відповідний вираз, який
отримується із (1).
Критична напруга на виводах
двигуна визначається при допущенні равенства струму статора 
і зведеного струму ротора 
. Оскільки
,
а з урахуванням (1)
,
вираз для визначення критичної напруги на затисках двигуна можна записати у наступному вигляді:
. (5)
Статична стійкість синхронних
двигунів, підключених до вузла навантаження з незмінним значенням напруги і
частоти, порушується при граничній умові 
. З урахуванням
і
цю умову можна представити в наступному вигляді:
. (6)
При відсутності пристроїв АРЗ
двигунів похідна 
і
межовий за статичною стійкістю режим відповідає значенню кута 
, коли
(7)
Електрорушійна сила 
в долях її значення при
неробочому ході визначається виразом
, (8)
де 
; 
.
При наявності автоматичного
регулятора пропорційної дії синхронний двигун як і генератор можна представити
у вигляді перехідного опору 
і ЕРС 
. В цьому випадку критична напруга на затисках
двигуна визначається залежністю
(9)
і завжди менш критичної напруги, яка визначається виразом (7) при відсутності АРЗ, оскільки перехідний опір значно менший за синхронний.
Присутність зовнішнього опору при підключенні до вузла навантаження асинхронних і синхронних двигунів знижую граничне за статичною стійкістю значення максимальної активної потужності і підвищує значення критичної напруги у вузлі навантаження. Це, в свою чергу, робить більш жорсткими вимогами до стабільності напруги живлення.
3.2 Врахування впливу електричної мережі
Якщо двигуни вузла навантаження приєднані до
центру живлення з постійною напругою через зовнішню мережу (див. рис. 1, в), то
умови стійкості вузла навантаження суттєво залежать від параметрів цієї мережі
з опором 
та режиму
роботи всіх електроприймачів. В цьому випадку напруга у вузлі навантаження є
змінною величиною і її значення буде залежати від змінення згаданих факторів.
Тому стійкість вузла навантаження оцінюють на основі незалежної змінної –
напруги у вузлв навантаження. При цьому використовуються побічні критерії
(10)
або
. (11)
При використанні критерію (10) змінні режиму
можна аналітично зв”язати між собою, застосувавши статичні характеристики вузла
навантаження 
і 
:
. (12)
Дослідження цього виразу в області значень
функцій (7.10) і (7.11) мають метою визначити координати 
і 
мінімуму функції, які відповідають межі
статичної стійкості 
.
Згідно з критерієм (11) статичну стійкість
оцінюють при порушенні у вузлі навантаження балансу реактивної потужності, якмй
викликається зниженням напруги. Для точки врівноваженості режиму повинно
виконуватися умова балансу 
,
а в її окресності – неравенство 
.
Метод дослідження змінення реактивної потужності
(13)
обирають в залежності від вихідної іеформації про вузол навантаження. Якщо відомі статичні характеристики навантаження, то умови статичної стійкості визначають аналітично. В іншому випадку статичну стійкість аналізують графічним дослідження виразу
(14)
по залежностям складових від напруги у вузлі
навантаження. Мета графічного аналізу – визначити статичну стійкість режиму за
умовою 
.
Складові небалансу реактивної потужності (14) визначають наступним чином.
Залежность реактивної потужності, яка поступає від електричної системи, від напруги у вузлі навантаження визначається рівняння
. (15)
Реактивну потужність, споживану еквівалентним асинхронним двигуном, можна розрахувати за формулою
, (16)
де 
. (17)
Якщо співвідношення 
та 
при умові незмінності частоти замінити на їх
значення:
;
,
то отримуємо вираз для визначення реактивної потужності через напругу у вузлі навантаження:
,
або
. (18)
На границі статичної стійкості
і 
. При цьому критичне значення напруги
на виводах асинхронного двигуна визначається виразом
, (19)
а критичне значення споживаної ним реактивної потужності – виразом
. (20)
Останній вираз з урахуванням (17) можна спростити:
. (21)
Стійкість синхронних двигунів звичайно аналізують без врахування насичення та асиметрії ротора.
Реактивну потужність синхронного двигуна розраховують за виразом
, (22)
де 
- ЕРС неробочого ходу, яка обумовлена струмом
збудження і визначається наступним виразом:
. (23)
Якщо 
, то двигун споживає із мережі реактивну
потужність; при 
він
працює в режимі 
; якщо 
, то двигун генерує реактивну
потужність до мережі.
При навантаженні синхронного двигуна ЕРС статора, яка утворюється результуючим магнитним потоком в його повітряному зазорі, можна визначити за формулою
, (24)
де 
- опір розсіяння двигуна (в практичних
розрахунках можна приймати для явнополюсних двигунів 
).
Реактивна потужність, яку
генерує синхронний двигун, суттєво залежить від відношення короткого замикання
та кратності змінення струму збудження. Це відношення є конструктивний параметр
двигуна і в розрахунках приймають 
. Зв”язок струму збудження із суттєвою змінною
(напруга мережі) при аналізі стійкості вузла навантаження визначається
структурой системи збудження синхронного двигуна.
При відсутності регулювання збудження і при живленні обмотки збудження від машинного збуджувача струм збудження не залежить від напруги мережі.
При живленні обмотки збудження від випрямлювачів і відсутності АРЗ струм збудження практично пропорційно залежить від напруги мережі.
При наявності АРЗ струм збудження збільшується при зниженні напруги на обмотці статора двигуна.
Залежність ЕРС статора від струму збудження СД визначається виразом
, (25)
де 
- коефіцієнт, який характеризує ступінь
насичення обмотки статора (в розрахунках без врахування насичення 
; 
- струм збудження неробочого ходу; 
- номінальний струм
збудження; 
- кратність
струму збудження, яка обумовлена системою збудження; 
- теж при неробочому ході двигуна.
При зміненні струму збудження змінюється реактивна потужність СД за виразом
. (26)
Залежність (26) можна
використовувати для аналізу реактивної потужності СД в функції напруги на його
виводах, якщо відомий закон регулювання збудження 
.
Для межі статичної стійкості вузла навантаження критична напруга на виводах СД з урахуванням (7) та при регулюванні струму збудження відповідно до (25) визначається виразом
. (27)
Після підстановки цього виразу в рівняння (7.26) отримуємо
. (28)
З рівняння (28) виходе, що на границі статичної стійкості вузла навантаження синхронний двигун споживає із мережі реактивну потужність.
4 Врахування впливу компенсації реактивної потужності
До вузла навантаження реактивна потужність надходить із електричної системи. Але вона може вироблятися і місцевими джерелами реактивної потужності (ДРП). Такими ДРП можуть бути конденсаторні батареї, синхронні компенсатори, синхронні двигуни (рис. 1, г).
Реактивна потужність конденсаторної батареї суттєво залежить від напруги у вузлі і може бути визначена наступним чином
, (29)
де 
- номінальна потужність конденсаторної батареї;
С – результуюча ємність батареї.
Синхронний компенсатор або синхронний двигун можуть генерувати і споживати реактивну потужність, яка визначається виразом
, (30)
Режим роботи синхронного компенсатора задається системою його збудження.
Головне призначення місцевих
джерел реактивної потужності – розвантаження мережі живлення і розподілення від
перетоків реактивної потужності. Батарея конденсаторів може встановлюватися в
будь якмй точці електричної мережі. Синхронні компенсатори розташовують в
потужних вузлах навантаження з напругою 6-10 кВ. Це звичайно відповідає
районній підстанції електричної системи. Завдяки місцевим ДРП знижуються втрати
енергії в електричній
мережі, підвищується рівень і якість напруги у споживачів та змінюються умови
стійкості вузла навантаження.
В оцінці стійкості вузла навантаження з компенсуючими пристроями реактивної потужності суттєвими факторами є розміщення цих пристроїв у вузлі асинхронного навантаження і використання їх у вузлах комплексного навантаження.
При розміщенні ДРП у вузлі асинхронного навантаження змінюються умови зовнішнього елетропостачання. В результаті цього напруга у електроприймачів із-за зменшення падіння напруги в мережі живлення підвищується. Падіння напруги визначається виразом
. (31)
Змінення еквівалентних параметрів зовнішньої мережі при ввімкненні конденсаторної батареї можна визначити наступним чином:
, (32)
. (33)
Тобто здійснюється збільшення напруги у електроприймачів вузла навантаження і опори зв”язку вузла з шинами нескінченної потужності, що призводить до відповідного змінення критичних параметрів:
критичне ковзання (див. 1) зменшується до значення
, (34)
а критична напруга збільшується до значення
. (35)
Як бачимо це відповідає
зменшенню запасів статичної стійкості вузла навантаження. При цьому умови
стійкості вузла навантаження за активною потужністю залежать від співвідношення
опорів 
.
Підвищення потужності
конденсаторної батареї негативно сказується на стійкості вузла асинхронного
навантаження, бо при цьому падає 
.
Якщо вузол комплексного навантаження віддалений від джерела незмінної напруги і містить місцевий ДРП (див. рис. 1, г), то статичну стійкість такого вузла необхідно аналізувати за критерієм (11). В цьому випадку рівняння небалансу реактивної потужності у вузлі має вигляд
. (36)
Дослідження (36) на екстремум виконується графічно.
Рисунок 2 - Визначення критичної напруги вузла навантаження без урахування потужності компенсуючих пристроїв
Рисунок 3 - Визначення критичної напруги вузла навантаження з урахуванням потужності компенсуючих пристроїв
сумарна характеристика реактивної потужності
навантаження і ДРП становиться більш пологою
5 Висновки
У даній магістерській роботі розглядаються методики оцінки статичної стійкості всіх згаданих розрахункових моделей вузла навантаження. В середовищі універсального математичного процесору MathCAD 7.0 розробляється програмне забезпечення для проведення конкретних розрахунків. За допомогою розроблених програм виконються розрахунки статичної стійкості за різними критеріями вузла навантаження підстанції “Авдеєвка - 35”. На данному етапі магістерська робота не завершена.
6 Перелік використаних джерел
1. Рогозин Г.Г. Об использовании функциональных характеристик при учете влияния насыщения синхронных машин / Г.Г. Рогозин, И.И. Ларина // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1986. - №6. – С.61-68.
2. Машины электрические синхронные трехфазные. Методы испытания. ГОСТ 10169-77. М.:Госкомстандарт СМ СССР, 1977.
3. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. — М.: Изд-во АН СССР, 1962. — 624 с.
4. Шапиро А.С. Схема замещения турбогенератора при больших скольжениях с учетом клиньев и торцевого эффекта // Турбо- и гидрогенераторы большой мощности и перспективы их развития. – Л.: Наука, 1969. – С. 153-167.
5. Переходные процессы в системах электроснабжения: Учебник / В. Н. Винославский, Г.Г. Пивняк, Л.И. Несен и др.; Под ред. В. Н. Винославского. – К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. – 422 с.: ил.
6. Методические указания к лабораторным работам по электромеханическим переходным процессам в электрических системах (для студентов специальностей 1001, 1002, 1004.01) / Сост.: Г. Г. Рогозин, А. М. Ларин, Н. Г. Пятлина. – Донецк: ДПИ, 1990. – 48 с.
7. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: Учеб. для электроэнергет. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. В. А. Венников / М.: Высш. шк., 1970. – 472 с., ил.
8. Жданов П. С. Статическая устойчивость сложных электрических систем. – М.: 1940,
9. Кафедра ЭСИС — разработка автоматизированной системы управления электрическим системами [Электронный ресурс].— Режим доступа: http://etf.donntu.ru
10. Методы расчетов предельных по статической устойчивости режимов энергосистем [Электронный ресурс].— Режим доступа: http://referats.allbest.ru/programming/103021.html