Категории: ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Лабораторная работа №2 Влияние АРВ синхронного генератора на характер переходного процесса и его показатели при трёхфазном коротком замыканииЦель работы
Изучить особенности протекания переходного процесса при трёхфазном коротком замыкании в электрической сети, питающейся от синхронного генератора, снабжённого устройством автоматического регулирования возбуждения (АРВ). Исследовать влияние различной удалённости генератора от места КЗ на характер изменения напряжения генератора и периодической составляющей тока КЗ.
Основные положения Как известно, при коротком замыкании происходит снижение напряжения не только в точке КЗ, но и в точках схемы в различной степени удаленных от места короткого замыкания, вплоть до шин генератора. Чтобы избежать работы генераторов на пониженном напряжении, их снабжают устройством АРВ, основная цель которого – поддержание напряжения генераторов на уровне нормального. Уменьшение напряжения, вызванное коротким замыканием, приводит АРВ в действие, которое выражается возрастанием тока возбуждения до величины, при которой напряжение на генераторах восстанавливается до нормального. Одновременно возрастает ток в статорных цепях генераторов. Степень увеличения тока и напряжения зависит от удаленности КЗ и параметров генераторов. Очевидно, что при относительно удаленном КЗ для восстановления напряжения до нормального достаточно незначительного увеличения возбуждения. По мере же приближения точки КЗ к генератору требуется все большее возбуждение, однако рост последнего ограничен некоторым предельным значением тока возбуждения Ifпр, величина которого зависит от вида системы возбуждения генератора. Следовательно, для каждого генератора можно установить наименьшую величину внешней реактивности, при коротком замыкании за которой генератор при предельном возбуждении обеспечивает нормальное напряжение на своих выводах. Такую реактивность называют критической (Хкр), а ток, связанный с ней равенством
(2.4)
- критическим током. Если внешняя реактивность меньше критической (Хвн < Хкр), то, несмотря на работу генератора с предельным возбуждением, его напряжение все равно остается ниже нормального. Когда же Хвн > Хкр, то напряжение генератора достигает нормального значения при токе возбуждения, меньше предельного. Таким образом, при коротком замыкании генератор с АРВ в зависимости от внешней реактивности может работать только в одном из двух режимов предельного возбуждения (РПВ) или нормального напряжения (РНН). Лишь в частном случае, когда Хвн = Хкр, оба режима существуют одновременно. Критерием для оценки возможности работы генератора в том или ином режиме является критическая реактивность, величина которой может быть найдена по формуле:
(2.5)
где Хd – синхронная реактивность генератора; Еqпр – ЭДС генератора при токе возбуждения, равным предельному. Значение Еqпр может быть вычислено по эмпирическому выражению:
(2.6)
где k = 0.7 для гидрогенератора, k = 0.8 для турбогенератора. Изучение особенностей протекания переходного процесса при КЗ в цепи генератора с АРВ невозможно без предварительного рассмотрения аналогичного процесса в цепи генератора без АРВ, суть которого заключается в следующем (иллюстрация процесса - на рисунке 2.3). Возникающий в первый момент КЗ в статоре генератора ток (начальное мгновенное значение периодической составляющей) вызывает соответствующее изменение магнитного потока статора. Так как этот ток можно считать практически индуктивным (активным сопротивлением цепи пренебрегаем ввиду его небольшой величины по сравнению с индуктивным), то создаваемый им магнитный поток является продольным потоком реакции статора Фст, направленным против потока возбуждения роторной обмотки. Но т.к. обмотка возбуждения (ОВ) обладает индуктивностью, то сцепленный с нею магнитный поток не может измениться мгновенно и в первый момент КЗ должен остаться неизменным. Это может быть только в том случае, если размагничивающее действие реакции статора будет скомпенсировано благодаря возникновению в роторе намагничивающего (свободного) тока iсв, создающего магнитный поток Фсв, направленный против потока реакции статора. Одновременно в демпферных обмотках и стальной массе ротора также наводятся свободные токи и соответствующие им магнитные потоки, которые направлены против потока реакции статора. В дальнейшем, с целью упрощения анализа переходного процесса, влияние этих потоков не будем учитывать.
Рисунок 2.3 – Схема магнитных потоков синхронного генератора
Если бы роторные цепи не обладали рассеянием, то в первый момент КЗ свободный магнитный поток, созданный свободным током в ОВ, полностью компенсировал поток реакции статора и магнитный поток в воздушном зазоре генератора оставался бы неизменным:
Фрез = Фв + Фсв – Фст = Фв. (2.7)
Неизменной оставалась бы и ЭДС, наведенная в обмотке статора. В действительности же часть указанного свободного потока замыкается по путям рассеяния ротора, и поэтому в первый момент КЗ не происходит полной компенсации потока реакции статора и магнитный поток в воздушном зазоре машины несколько уменьшается, уменьшается и ЭДС, наведенная в статоре. Так как роторные цепи обладают активным сопротивлением, то наведенные в них в первый момент КЗ свободные токи затухают (по экспоненциальному закону). При затухании этих токов уменьшаются и созданные ими свободные магнитные потоки. Вследствие этого уменьшается результирующий магнитный поток в воздушном зазоре машины, а вместе с этим – наведенные в статоре ЭДС и периодическая составляющая тока КЗ. Таким образом, периодическая составляющая тока КЗ затухает вследствие постепенного нарастания размагничивающего действия реакции статора. В момент исчезновения свободных токов в цепях возбуждения прекращается изменение ЭДС генератора и периодической составляющей тока КЗ – наступает установившейся режим КЗ. Изменение полного тока КЗ во времени для одной фазы (например, фазы А) происходит в соответствии со следующим выражением:
(2.8)
где Еq0 - синхронная ЭДС генератора; E’q0 - переходная ЭДС генератора; Udo, Uqo – составляющие предшествующего напряжения в месте КЗ; Хd, Хq – синхронные реактивности генератора; Х’d – переходная реактивность генератора; – начальная фаза; ХВН – внешнее индуктивное сопротивление статорной цепи до точки КЗ; - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ (r и rвн – активные сопротивления статора генератора и внешней цепи соответственно). - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока обмотки возбуждения ifa (определяет время затухания периодической составляющей тока статора). Тf(0) – постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутом статоре. В выражении (2.8) первое слагаемое представляет собой периодическую составляющую тока основной частоты, второе – апериодическую составляющую, третье – вторую гармонику тока, обусловленную асимметрией ротора (Хq Х/d). В начальный момент КЗ в статорной цепи генератора с АРВ влияние последнего не проявляется в силу инерции магнитных потоков, сцепленных с обмотками. Таким образом, начальное значение периодической составляющей и процесс ее затухания, а следовательно, и ударный ток КЗ, остаются такими же, как и для генератора без АРВ. Вторая гармоника тока, связанная с апериодической составляющей, также остается неизменной. В дальнейшем влияние АРВ сказывается в росте тока возбуждения и связанной с ним периодической составляющей тока статора. При малой удаленности КЗ от генератора характер изменения периодической составляющей тока КЗ остается в основном таким же, как при генераторе без АРВ, но влияние ее спустя некоторое время после возникновения короткого замыкания получается больше, в соответствии с рисунком 2.4 (кривые I и 2). 1 – генератор без АРВ, Хж расч. =0,2; 2 – генератор с АРВ, Хж расч. = 0,2; 3 – то же, Хж расч= 0,4 ( ); 4 – то же, Хж расч= 0,6 ( ); 5 – то же, Хж расч = 1,0 ( ); 6 – то же, Хж расч = 3,0 ( ).
Рисунок 2.4 – Влияние удалённости КЗ на харатер изменения тока Особенно велико различие в установившемся режиме КЗ. При большой удаленности периодическая составляющая тока КЗ сначала уменьшается, а затем, под действием АРВ, возрастает, переходя в установившееся значение ( кривая 3). При некоторой удаленности КЗ установившейся ток может оказаться равным начальному I’’(0), (кривая 4) или даже превысить его (кривая 5) При значительной удаленности КЗ (Хж расч > 3) напряжение на шинах генератора практически не изменяется, а следовательно АРВ не приходит в действие и не увеличивает ток возбуждения генератора (кривая 6). При условии, что насыщение генератора не учитывается, выражение для действующего значения периодической составляющей тока КЗ с учетом АРВ может быть получено, если к соответствующему выражению без учета АРВ прибавить приращение тока под действием АРВ, т.е.
(2.9) где ;
; F(t)-функция, определяемая из выражений:
(2.10) (2.11) В этих выражениях Tе представляет собой постоянную времени нарастания напряжения обмотки возбуждения. Для электромашинных возбудителей Те=(0,3-0,6)с, а для ионных или тиристорных систем возбуждения Те=0,02с. Для мгновенного тока можно записать:
(2.12)
На рисунке 2.5 показано, как изменяется во времени периодическая составляющая тока КЗ в соответствии с выражением ( 2.12). Изменение тока будет происходить до тех пор, пока напряжение на выводах генератора не поднимется до Uн. При этом
Рисунок 2.5 – Изменеиие периодической составляющей тока КЗ
Само же напряжение в какой-либо фазе (например, в фазе А) изменяется в соответствии со следующими выражениями:
, (2.13)
если генератор без АРВ;
, (2.14) если генератор с АРВ. Вернемся к характеру изменения тока и напряжения генератора с АРВ при различной удалённости КЗ . На рисунке 2.6 приведены кривые изменения действующих значений периодической составляющей тока статора и напряжения генератора при трех характерных удаленностях КЗ: Xвн=0; Хвн=Хкр; Хвн >Хкр. Значения внешней реактивности, при КЗ за которой начальный переходный и установившийся токи одинаковы, может быть найдено из выражения:
(2.15)
При > установившийся ток I∞ > , причём наибольшее различие между ними наступает при Xвн=Xкр. С дальнейшим ростом Xвн различие между токами снова уменьшается.
Рисунок 2.6 – Характер изменения тока и напряжения генератора
Как видно из рисунка, при Xвн >Xкр напряжение, возрастая, достигает номинального значения через некоторый промежуток времени, называемый критическим временем (tКР) и далее остается неизменным и равным . Необходимо помнить, что с увеличением удаленности КЗ затухание и нарастание токов происходит медленнее. Однако, вследствие меньшего снижения напряжения его восстановление под действием АРВ происходит в более короткий отрезок времени (хотя и с меньшей скоростью ). Таким образом критическое время уменьшается с ростом удаленности КЗ. Минимум тока или напряжения зависит от параметров генератора и удаленности КЗ, с увеличением которой он наступает раньше и в пределе наступает при t=0. При анализе переходного процесса представляет интерес и зависимость действующего значения полного тока статора при КЗ в его цепи. Если не учитывать вторую гармонику, т.е. для простоты считать, что начальное значение периодической составляющей полностью уравновешивается одной апериодической составляющей , то выражение для полного тока будет иметь вид:
(2.16)
То же выражение, но без учета АРВ, имеет вид:
(2.17)
В этих выражениях:
- ток установившегося КЗ при предшествующем токе
возбуждения If;
- начальный свободный переходной ток; ΔIпр – приращение тока под действием АРВ;
- начальное значение
апериодической составляющей тока ( для случая пренебрежения 2-й гармоникой Хq принимается равным Xd ). Порядок выполнения работы 2.2.3.1 Собрать схему лабораторных испытаний, приведенную на рисунке 3.5 (ВСЕ модули стенда должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ!).
2.2.3.1.1 Особенности работы со схемой. На рисунке представлена схема радиального питания нагрузки Sн через две последовательно включенные линии электропередачи. Для каждой ЛЭП существует возможность установить переключатель её длины SA1 в одно из трёх положений. При проведении экспериментов необходимо, чтобы сумма значений переключателей SA1 обеих ЛЭП всегда была равна 2 (двум). В этом случае суммарная длина ЛЭП1 и ЛЭП2 будет оставаться неизменной, равной 4 (четырём) условным единицам, или 100%. Однако, в зависимости от соотношения положений переключателей SA1 первой и второй линий, можно получить различные расстояния до точки короткого замыкания, расположенной между двумя ЛЭП. Варианты, которые можно получить, представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Дополнительно можно получить точку К4, при коротком замыкании на шинах нагрузки (за ЛЭП2). Трёхфазный выключатель Q используется для имитации короткого замыкания в точках К1, К2, К3, К4 (на схеме показан вариант подключения выключателя для создания короткого замыкания в точках К1, К2 и К3). Для обеспечения работы автоматического регулятора возбуждения и возможности осциллографирования действующих значений токов и напряжений к датчику А1 модуля ввода-вывода подводится ток фазы А статорной обмотки синхронного генератора, а к датчику напряжения А5 – линейное напряжение Uab статорной обмотки генератора. Измерения фазных токов, линейных и фазных напряжений генератора производится с помощью универсального измерителя мощности, включенного между статорной обмоткой генератора и генераторным выключателем (рисунок 3.5). Измерения осуществляются относительно нейтрали статорной обмотки генератора. Измерение частоты и грубое измерение линейного напряжения производятся с помощью измерительного модуля, содержащего 2 вольтметра и 2 частотомера, которые включаются на линейное напряжение генератора (два других прибора не используются). В качестве нагрузки Sн рекомендуется использовать модуль индуктивной нагрузки, включенный по схеме «звезда без нулевого провода». Нейтраль трансформатора со стороны первичной обмотки (со стороны генератора) подключается к нейтрали статорной обмотки генератора; 2.2.3.3.2 Установить переключатели SA1 модулей ЛЭП в положения, соответствующие точке короткого замыкания К1. Отключить ёмкостные составляющие ЛЭП1, ЛЭП2, установив переключатели SA2 и SA3 в положение 1; 2.2.3.3.3 Установить переключатель величины индуктивности SA1 модуля индуктивной нагрузки в положение 3; 2.2.3.3.4 Перевести переключатели режима управления всех задействованных модулей в положение «Руч.»; 2.2.3.3.5 Установить потенциометры задания RP1 модуля частотного преобразователя и модуля возбуждения в крайнее левое положение; 2.2.3.3.6 Подать питание на стенд, включив автомат модуля питания стенда; 2.2.3.3.7 Включить все задействованные модули, имеющие индивидуальный тумблер подачи питания «Сеть»; 2.2.3.3.8 Переключатель «ВПЕРЁД – НАЗАД» на панели модуля частотного преобразователя перевести из нейтрального положения в положение «ВПЕРЁД»; 2.2.3.3.9 Плавно увеличивая напряжение задания модуля частотного преобразователя (потенциометр RP1), установить уставку частоты вращения приводного двигателя на уровне 50 Гц; 2.2.3.3.10 Плавно увеличивая напряжение задания модуля возбуждения (потенциометр RP1), установить ток возбуждения, соответствующий номинальному линейному напряжению генератора 220 В (следить по показаниям универсального измерителя мощности); 2.2.3.3.11 При необходимости, скорректировать уставку частотного преобразователя, если частота по показаниям частотомера не равна 50 Гц; 2.2.3.3.12 Записать величину действующего значения линейного напряжения генератора на холостом ходу; 2.2.3.3.13 Включить генераторный выключатель; 2.2.3.3.14 Записать величины действующих значений линейного напряжения и фазного тока генератора при работе на индуктивную нагрузку; 2.2.3.3.15 Включить выключатель Q, имитирующий трёхфазное короткое замыкание в точке К1; 2.2.3.3.16 Записать величины действующих значений линейного напряжения и фазного тока генератора при коротком замыкании в точке К1; 2.2.3.3.17 Выключить выключатель Q; 2.2.3.3.18 Выключить генераторный выключатель; 2.2.3.3.19 Установить переключатели SA1 модулей обеих ЛЭП в положения, соответствующие точке короткого замыкания К2; 2.2.3.3.20 Включить генераторный выключатель; 2.2.3.3.21 Включить выключатель Q, имитирующий трёхфазное короткое замыкание в точке К2; 2.2.3.3.22 Записать величины действующих значений линейного напряжения и фазного тока генератора при коротком замыкании в точке К2; 2.2.3.3.23 Выключить выключатель Q; 2.2.3.3.24 Выключить генераторный выключатель; 2.2.3.3.25 Аналогичным образом провести испытания для случая короткого замыкания в точке К3; 2.2.3.3.26 Подсоединить выключатель Q в конец ЛЭП2 ( в точку подключения нагрузки) и провести испытания при коротком замыкании в точке К4; 2.2.3.3.27 Построить зависимости действующего значения установившегося тока статора и линейного напряжения синхронного генератора от удалённости места повреждения без учёта влияния АРВ; 2.2.3.3.28 Отключить питание стенда; 2.2.3.3.29 Соединить кабелем разъём XS1 на лицевой панели модуля возбуждения с разъёмом XS2 на лицевой панели модуля ввода-вывода; 2.2.3.3.30 Установить потенциометры задания RP1 модуля частотного преобразователя и модуля возбуждения в крайнее левое положение; 2.2.3.3.31 Перевести переключатель режима управления модуля возбуждения в положение «Авт.»; 2.2.3.3.32 Установить переключатели SA1 модулей ЛЭП в положения, соответствующие точке короткого замыкания К1; 2.2.3.3.33 Подать питание на стенд, включив автомат модуля питания стенда; 2.2.3.3.34 Включить все задействованные модули, имеющие индивидуальный тумблер подачи питания «Сеть»; 2.2.3.3.35 Плавно увеличивая напряжение задания модуля частотного преобразователя (потенциометр RP1), установить уставку частоты вращения приводного двигателя на уровне 50 Гц; 2.2.3.3.36 На персональном компьютере запустить «менеджер автоматического управления» (команда: Пуск – Программы – Модель энергосистемы – Автоматическое управление – Менеджер управления); 2.2.3.3.37 Из контекстного меню «менеджера автоматического управления» необходимо выбрать команду «Загрузить состояние» и в появившемся диалоговом окне открыть файл настроек, расположенный в папке «c:\auto\projects\АРВ\»; 2.2.3.3.38 Из контекстного меню «менеджера автоматического управления» выбрать команду «Управление»; 2.2.3.3.39 Подать команду на включение модуля возбуждения. Для этого установить переключатель SX1 в окне «Универсальный пульт управления» во включенное состояние (отображается «галочка»); 2.2.3.3.40 В том же окне выделить виртуальный регулятор А17 щелчком левой кнопки мыши или нажатием клавиши «tab» несколько раз (вокруг регулятора появится пунктирная рамка); 2.2.3.3.41 Медленно повышая величину задания на регуляторе А17 (стрелка вверх на клавиатуре), установить линейное напряжение на статорной обмотке 220 В; 2.2.3.3.42 Повторить пункты 3.3.12…3.3.25 для получения токов и напряжений при коротких замыканиях в различных точках и работе автоматического регулятора возбуждения. ВНИМАНИЕ! При проведении экспериментов СЛЕДИТЬ ЗА ТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ, который НЕ ДОЛЖЕН БЫТЬ БОЛЬШЕ 1,6 А ВО ВСЕХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ.Если это не так, то следует как можно быстрее отключить короткое замыкание (выключатель Q), отключить возбуждение (переключатель SX1 на ПК), проверить правильность сборки схемы (особенно обратить внимание на наличие обратной связи по напряжению через датчик напряжения А5) и, если необходимо, снизить величину уставки по напряжению (виртуальный потенциометр А17 на ПК) для проведения опыта на пониженном напряжении (в этом случае все токи возбуждения будут меньше); 2.2.3.3.43 Построить зависимости действующего значения установившегося тока статора и линейного напряжения синхронного генератора от удалённости места повреждения с учётом влияния АРВ; 2.2.3.3.44 Установить переключатели SA1 модулей ЛЭП в положения, соответствующие точке короткого замыкания К3; 2.2.3.3.45 На ПК из контекстного меню «менеджера автоматического управления» выбрать команду «Регистратор сигналов»; 2.2.3.3.46 В появившемся диалоговом окне задать следующие настройки: тип регистратора – зависимость сигнала от времени; функции – выбрать Y0=A1, Y1=A5; тип измерений – по таймеру с интервалом в 55 мс; управление регистратором – ручное; 2.2.3.3.47 Нажать кнопку «Запуск» (при этом генератор должен работать на нагрузку с напряжением статорной обмотки, близким к номинальному); 2.2.3.3.48 Включить выключатель Q, имитируя короткое замыкание; 2.2.3.3.49 Когда ток и напряжение достигнут установившегося значения, отключить короткое замыкание (выключатель Q); 2.2.3.3.50 Нажать кнопку «Стоп» регистратора сигналов; 2.2.3.3.51 На экране монитора появится запись зависимости действующих значений тока и напряжения генератора от времени, которую нужно сохранить в файл формата Excel, нажав кнопку «Сохранить как…» (процесс сохранения может занять несколько минут), а затем распечатать. Второй вариант: скопировать содержимое экрана кнопкой «PrtSc» и распечатать; 2.2.3.3.52 Повторить опыт при отсутствии АРВ. Для этого необходимо отключить возбуждение, остановить приводной двигатель, перевести переключатель режима управления модуля возбуждения положение «Руч.» и выполнить действия в соответствии с пунктами 3.3.5..3.3.12 и 3.3.42..3.3.49; 2.2.3.3.53 Отключить питание стенда; 2.2.3.3.54 Проанализировать полученные результаты, сделать выводы и оформить отчёт.
Требования к содержанию отчёта Отчёт должен содержать расчётную схему, схему замещения, исходные данные. К отчёту прилагаются распечатки осциллограмм переходного процесса, которые анализируются в соответствии с заданием на работу. Результаты анализа и выводы включаются в отчёт.
2.2.2.5 Контрольные вопросы. 1 В каких режимах могут работать при КЗ генераторы с АРВ и в чём суть таких режимов? 2 Что такое критическое сопротивление Хкр и критический ток Iкр? 3 Чем объясняется уменьшение периодической составляющей тока КЗ от генератора с АРВ в начальный момент короткого замыкания? 4 От чего зависит характер изменения во времени действующего значений периодической составляющей тока КЗ и напряжения генератора с АРВ? 5 Что такое критическое время tкр?
2.2.2.6 Дополнительная литература 2.2.2.6.1 Ульянов, С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах/С.А.Ульянов. – М: Энергия, 1970.- С.104-109, 168-177, 191-200, 215-221.
|
|||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-11 lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда... |