Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышлен
..pdfРазработан пусковой орган АВР, реагирующий на после довательность прямых и инверсных импульсов, соответствую щих полуволнам синусоид напряжений на рабочей и резерв
ной секциях |
|[47]. Нормально |
|
|
|
|
|
|||||||||
му режиму |
системы |
электро |
|
|
|
|
|
||||||||
снабжения |
и |
различным |
ви |
|
|
|
|
|
|||||||
дам аварийных режимов одно |
|
|
|
|
|
||||||||||
значно |
|
соответствует |
вполне |
|
|
|
|
|
|||||||
определенная |
последователь- |
|
|
|
|
|
|||||||||
ность |
этих |
импульсов, что |
и |
|
|
|
|
|
|||||||
дает |
возможность |
зафиксиро |
|
|
|
|
|
||||||||
вать |
|
потерю |
питания. |
При |
|
|
|
|
|
||||||
этом |
существенно |
упрощается |
|
|
|
|
|
||||||||
измерительный |
орган |
АВР, |
|
|
|
|
|
||||||||
состоящий из двух трансфор |
|
|
|
|
|
||||||||||
маторов напряжения |
на рабо |
|
|
|
|
|
|||||||||
чей и резервной секциях и уст |
|
|
|
|
|
||||||||||
ройства для (выдачи импульсов. |
|
|
|
|
|
||||||||||
Вместе с тем усложняется ло |
|
|
|
|
|
||||||||||
гическая |
часть |
АВР, |
выпол |
|
|
|
|
|
|||||||
няющая анализ последователь |
|
|
|
|
|
||||||||||
ности |
импульсов |
для |
|
выявле |
|
|
|
|
|
||||||
ния факта |
потери питания. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Следует |
отметить, |
что |
для |
|
|
|
|
|
|||||||
всех перечисленных выше |
пус |
|
|
|
|
|
|||||||||
ковых органов АВ'Р, -как пра |
|
|
|
|
|
||||||||||
вило, |
требуется индивидуаль Рис. 6.31. Многоступенчатая |
||||||||||||||
ная |
|
настройка. |
|
Наиболее |
схема электроснабжения про |
||||||||||
сложны |
условия |
работы |
пус |
мышленного |
предприятия |
|
|||||||||
ковых устройств АВР в много |
|
|
|
|
|
||||||||||
ступенчатых |
схемах электроснабжения. На рис. 6.31 при |
||||||||||||||
веден |
пример |
такой |
схемы |
электроснабжения |
промышлен |
||||||||||
ного |
|
предприятия. |
От шин |
|
ГПП |
{ГРУ) |
по |
радиальной |
|||||||
схеме |
осуществляется |
электроснабжение РУ—2\ от |
шин |
||||||||||||
последнего |
тоже |
по |
радиальной |
схеме — РУ—3. |
Сек |
||||||||||
ционные выключатели |
ГПП |
{ГРУ), РУ—2 и РУ—3 снабже |
|||||||||||||
ны устройствами |
АВР |
При |
аварийном повреждении |
цепи |
|||||||||||
питания первой секции ГПП |
{ГРУ) |
(например, |
в результате |
||||||||||||
КЗ |
в точке |
К1) |
релейная защита |
отключит |
выключатель, |
находящийся в месте присоединения цепи питания этой сек ции к электрической сети. В результате первые секции ГПП (ГРУ), РУ—2 и РУ—3 полностью теряют электроснабжение. Ток подпитки КЗ со стороны выключателя В1 может ока
заться недостаточным для его отключения релейной защитой и в этом случае он остается включенным. Пусковое устрой ство АВР1 секционного выключателя СВ1 должно выявить потерю питания первой секции и отключить выключатель В1. При этом блок-контактами выключателя В1 подготавлива ется цепь включения секционного выключателя СВ1.
Включение выключателя СВ1 осуществляется лишь после того, как напряжение на первой секции ГПП (ГРУ), поддер живаемое за счет электромагнитной энергии, запасенной в обмотках выбегающих двигателей, окажется меньше значе ния, допустимого по условиям несинхронного включения. Значительного сокращения времени выдержки АВР1 СВ1
можно достигнуть при гашении |
поля |
СД, |
подключенных к |
шинам первой секции ГПП (ГРУ). Б |
этом |
случае пусковое |
|
устройство АВР1 одновременно |
с командой |
на отключение |
выключателя В1 должно выдавать команду на перевод си стем возбуждения этих двигателей в режим гашения поля.
Работа АВР2 на секционном выключателе СВ2 при КЗ в точке КЗ протекает аналогично. Пусковое устройство АВР2 должно реагировать на аварийные повреждения и отключе ния в цепи питания РУ—2. Вместе с тем пусковое устройство не должно запускать схему АВР2 при КЗ на отходящих от ГПП линиях, например в точке К2 (рис. 6.31). Такое КЗ отключается выключателем В2, и электроснабжение первой секции РУ—2 восстанавливается от рабочего источника. Од нако КЗ на отходящих линиях (точка К2) от КЗ в цепи пи тания (точка КЗ) отличить практически невозможно, пос кольку КЗ за выключателями В2 и ВЗ электрически эквива лентны. Поэтому отключению выключателя В4 пусковым уст ройством и запуску тем самым схемы АВР2 должна предше
ствовать выдержка времени, достаточная |
для |
отключения |
КЗ, находящихся вне цепи питания РУ—2. |
И |
только если |
после^такой выдержки времени КЗ не устраняется, пусковое устройство должно запускать схему АВР2. Этим достигается селективность в работе пускового органа АВР2 при КЗ в электрической сети.
Селективность работы АВР на различных ступенях мно гоступенчатой схемы электроснабжения может быть обеспе чена по-разному. -Например, КЗ в точке К1 (рис. 6.31) явля ется повреждением не только в цепи питания первой секции ГПП (ГРУ), но одновременно и в цепи питания 'первых сек ции РУ—2 и РУ—3. Перерыв в электроснабжении потреби телей первых секций ГПП и РУ в этом случае может быть
ликвидирован либо при срабатывании АВР1 на секционном выключателе СВ1 (т. е. при селективной работе АВР), ли бо при срабатывании помимо АВР1 также АВР2 и АВРЗ на СВ2 и СВЗ (т. е. при независимой работе АВР). Каждый из вариантов восстановления электроснабжения имеет свои пре имущества и недостатки.
В первом случае (при работе АВР1 на СВ1) осуществля ется одновременный самозацуск двигателей первых секций ГПП и РУ, причем послеаварийное электроснабжение РУ—2 и РУ—3 осуществляется по нормальной схеме. Этим облег чаются условия самозапуска двигателей первых секций РУ—2 и РУ—3. Однако селективность работы АВР на раз личных ступенях системы электроснабжения может быть обеспечена лишь увеличением выдержки времени срабатыва ния АВР на каждой последующей ступени: выдержка време ни АВР2 должна быть достаточной для того, чтобы предва рительно могло сработать АВР1. Этим исключается возмож ность срабатывания АВР2 при повреждениях непосредствен но в цепи питания ГПП (например, при КЗ в точке К1). Только в том случае, если устройство АВР1 не сработало, должно сработать устройство АВР2. Аналогично, выдержка времени АВРЗ должна быть достаточной для того, чтобы предварительно могло сработать АВР2.
Необходимость дополнительной выдержки времени селек тивного АВР на каждой последующей ступени устраняется при наличии канала связи между РУ предыдущей и после дующей ступеней. Назначение этого канала — передача уп равляющего воздействия на отключение выключателя в на чале этой линии. В качестве примера рассмотрим работу АВРЗ на секционном выключателе РУ—3 (рис. 6.31). Выклю чатели В6 и В7 питающей линии имеют вышеназванный ка нал связи. При КЗ в точке К5 выключатель В6 отключается релейной защитой и передает импульс на отключение вык лючателя В7 Отключение последнего происходит без выдер жки времени, и выдается команда на запуск АВРЗ.
Допустима в многоступенчатых схемах и независимая ра бота АВР В этом случае при КЗ в точке К1 (рис. 6.31) за пускаются АВР всех последующих ступеней. Независимая работа АВР не требует ни дополнительных выдержек време ни на последующих ступенях схемы, ни дополнительных ка налов связи. Независимая работа АВР приводит к следую щим недостаткам: ухудшаются условия самозапуска двига телей РУ—2 и РУ—3 при потере питания одной из секций
ГПП {ГРУ)] затрудняется восстановление нормального электроснабжения после ликвидации аварии; уменьшается надежность электроснабжения потребителей РУ—2 и РУ—3 в послеаварийных режимах, поскольку при КЗ в точке Д7 электроснабжение каждого из этих РУ возобновляется по од
ной линии.
Выбор режима АВР в многоступенчатой схеме электро снабжения (селективная либо независимая работа) должен производиться с учетом расположения ответственных потре бителей и допустимого времени перерыва в электроснабже нии. При обеспечении успешного самозапуска предпочтение следует отдавать режиму селективной работы.
Выше уже отмечалось, что существенной составляющей времени полного цикла АВР при самозапуске СД после на рушения динамической устойчивости является выдержка вре мени включения секционного выключателя, обусловленная ожиданием снижения напряжения на потерявшей питание секции до безопасных значений, допускающих последующее несинфазное включение. Периодическая составляющая тока включения СД
Xc+*d
где £ с и хс — эквивалентные ЭДС и сопротивление резервно го источника; Е"д— сверхпереходная ЭДС по поперечной оси
СД, равная остаточному напряжению на выводах отключен ного двигателя.
Значение периодической составляющей тока включения существенно зависит от угла сдвига б между векторами ЭДС Ес и в момент включения и может изменяться от нуля
(при синфазном включении, т. е. при 6= 0) до двухкратного значения сверхпереходного тока трехфазного КЗ на выводах
двигателя |
(при включении в противофазе, т. |
е. при 6 = |
180е, |
и условиях |
x"i^>xZt E"q^ E c). Максимальное |
значение |
апе |
риодической составляющей тока включения равно амплитуде периодической составляющей. Следовательно, максимальное мгновенное значение тока СД при включении в противофазе может достигать двухкратного значения ударного тока трех фазного КЗ на выводах двигателя, а соответствующие элект родинамические воздействия на статорную обмотку в 4 раза превышать допустимые.
Избежать недопустимых токов включения можно не толь ко за счет выдержки времени включения секционного выклю-
184
чателя, обусловленной ожиданием естественного либо прину дительного (при гашении поля) снижения остаточной ЭДС отключенного двигателя, но и путем выявления моментов синфазного включения. Последний способ АВР можно наз вать синфазным АВР
Для осуществления синфазного АВР необходимо устрой ство (синфанизатор), которое запускается от пускового ор гана АВР, выявляет либо непосредственно, либо с некоторым упреждением моменты совпадения фаз напряжений на поте рявшей питание и резервной секциях и только в эти момен ты выдает команду на включение секционного аппарата. Пре имущества синфазного АВР:
1. Периодическая составляющая тока включения СД, как следует из выражения (6.101), минимальна либо равна ну лю. Поскольку ток статорной обмотки двигателя в режиме, предшествующем включению, равен нулю, апериодическая составляющая тока включения минимальна либо равна нулю. Поэтому подключение СД осуществляется без сколько-ни будь значительных бросков тока статорной обмотки и элект ромагнитного момента на валу двигателя.
2.При синфазном АВР синхронный двигатель подключа ется к электрической сети возбужденным, в связи с чем су щественно сокращается время цикла АВР и создаются бо лее благоприятные условия для успешного самозапуска СД.
3.После синфазного подключения СД начинается интен сивное ускорение ротора как за счет среднего асинхронного, так и за счет синхронного электромагнитного момента. Ис следования синфазного АВР показали, что при подключении
СД после первого проворота ротора (6= 2 л) он успешно втягивается в синхронизм.
4. Ток статорной обмотки и электромагнитный момент на валу двигателя в процессе синфазного самозапуска не пре вышают допустимых для двигателя значений. Даже если синхронизация двигателя осуществляется с проворотом рото
ра, т. е. |
угол |
6 достигает |
значений |
кратных |
я, мгновенное |
значение |
тока |
статорной |
обмотки |
не превышает значений |
|
ударного |
тока |
трехфазного КЗ на |
выводах |
двигателя. Это |
объясняется тем, что апериодическая составляющая тока ста
торной обмотки |
при |
синфазном |
включении равна |
нулю, |
||||
а |
мгновенные значения |
периодической составляющей |
даже |
|||||
в |
моменты |
противофазы |
не |
превышают ударного тока КЗ. |
||||
|
Однако, |
несмотря |
на все |
преимущества синфазного АВР, |
||||
его реализация |
является |
технически |
трудноосуществимой за |
дачей, а при использовании существующих коммутационных аппаратов даже неосуществимой. Технические трудности обусловлены требованиями к секционному и вводным комму тационным аппаратам.
Угол положения ротора отключенного от электрической
сети СД при условии постоянства момента механизма в |
на |
|
чальный период выбега (ММех=Лз = const) |
определяется |
со |
отношением |
|
|
в««о + */о-1 Г ~ |
(6.102) |
Электромеханическая постоянная 7, в этой формуле приве дена к номинальной мощности PN на валу двигателя.
Моменты времени для синфазного включения СД соот ветствуют значениям угла б, кратным 2 я (6 = 2 kn, где k = = 1, 2, ...). Обозначим th время k-ro проворота ротора отно сительно синхронно вращающейся оси, тогда из соотношения (6.102) следует:
Скорость изменения угла б при k-м провороте ротора может быть получена после дифференцирования выражения (6.102) и подстановки t = t k:
^б*/Л=2Ул/0(2 лк—б0)Кз/Тj. |
(6.104) |
Скорость изменения угла dbjdt определяет приращение угла Дб* за достаточно малый промежуток времени после момен тов синфазности.
Время полного проворота ротора и скорость изменения положения ротора зависят от электромеханической постоян ной времени Т, агрегата «двигатель—механизм». Результаты
расчетов |
по формулам (6.103) и |
(6.104) |
(для |
упрощения |
||||
принято 60= 0; К3=1): |
|
|
|
|
|
|||
Тj, |
с |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
tu |
С |
|
0,200 |
0,282 |
0,356 |
0,400 |
0,447 |
0,600 |
A6i, град/10-2 с |
36,0 |
25,4 |
20,8 |
18,0 |
16,1 |
12,0 |
||
/г. с |
. . |
0,282 |
0,384 |
0,507 |
0,565 |
0,633 |
0,850 |
|
Д62, град/10-2 с |
50,8 |
36,0 |
28,4 |
25,4 |
22,8 |
17,0 |
||
h, |
с |
|
0,346 |
0,487 |
0,617 |
0,693 |
0,775 |
1,040 |
Дб3, град/10-2 с |
62,3 |
44,0 |
36,0 |
31,2 |
28,0 |
20,8 |
||
U, |
с. |
. . |
0,400 |
0,564 |
0,712 |
0,800 |
0,894 |
1,200 |
Д64, град/IQ-2 с |
72,0 |
50,8 |
41,6 |
36,0 |
32,2 |
24,0 |
Наиболее распространенные значения Г, для агрегатов с синхронными двигателями напряжением 6—10 кВ состав ляют от 2 до 5 с. Для этих значений Т3 время первого про ворота ротора изменяется от 0,28 до 0,45 с. За это время не обходимо обнаружить потерю питания, отключить вводной выключатель, уловить момент совпадения фаз напряжений на потерявшей питание и резервной секциях и включить сек ционный выключатель. Время фиксирования потери питания наиболее быстродействующими пусковыми органами АВР составляет 0,2—0,32 с; время отключения вводного выключа теля от рабочего источника — 0,12—0,15 с (для выключате
лей ВМП). Таким образом, на подготовительный этап АВР необходимо 0,32—0,47 с, что превышает время первого про ворота ротора. При наиболее распространенной коммутаци онной аппаратуре в системах электроснабжения (выключа тели ВМП и даже ВЭ) использовать первый проворот ротора двигателя для синфазного включения в общем случае не уда ется. Однако главным препятствием для применения синфаз ного АВР является недопустимо большое время включения секционного выключателя (для выключателей серии ВЭ — 0,075 с), приращение же угла при первом провороте ротора только за 0,01 с составляет 16—24° Следовательно, даже ес ли будет точно зафиксирован момент синфазности, реальное включение за счет запаздывания выключателя может про изойти в противофазе. При использовании времени второго и следующего проворотов ротора для синфазного включения скорость изменения угла б возрастает еще более.
Эффективное внедрение синфазного АВР возможно лишь при использовании специальных коммутационных аппаратов, которые должны удовлетворять следующим требованиям: время отключения выключателя на вводе не должно превы шать 0,05 с, а полное время включения секционного аппара та— 0,01 с. Из разработанных коммутационных аппаратов таким требованиям удовлетворяют тиристорные коммутаци онные аппараты [45], но они очень дороги. Синфанизатор АВР целесообразно настроить на некоторое упреждение момента синфазности (на 15—20°), компенсирующее время включения секционного аппарата.
С И Н Х Р О Н Н Ы Е Д В И Г А Т Е Л И С Р А С Щ Е П Л Е Н Н О Й С Т А Т О Р Н О Й О Б М О Т К О Й
Использование синхронных двигателей с расщепленными статорными обмотками, подключенными к различным секци ям шин (см. рис. 6.30), позволяет существенно увеличить ди намическую устойчивость двигательной нагрузки при крат ковременных перерывах электроснабжения. Установившийся режим и переходные процессы в таких СД характеризуются рядом особенностей, которые необходимо учитывать при про ектировании и эксплуатации систем промышленного электро снабжения.
7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Свойства СД с расщепленной статорной обмоткой во мно гом определяются взаимной индуктивной связью между об мотками статора. Эта связь осуществляется только через зо ны перекрытия, т. е. через те зоны статора, где расщеплен ные обмотки располагаются в одних пазах:
%ad12/Xad:—%aq12/%aq--Z fZ, |
(7.1) |
где xad и xaq— сопротивление взаимоиндукции между обмот ками статора и ротора СД с обычной статорной обмоткой по осям d и q\ хаЛ\ч и xaq\2—сопротивление взаимоиндукции меж ду расщепленными обмотками статора по осям d и q\ Z — общее число пазов статора; Z' — число пазов в зоне пере крытия.
На размеры зон перекрытия, а следовательно, и на вза имную индуктивную связь обмоток статора определяющее влияние оказывает число полюсов 2 р двигателя. С увеличе нием числа полюсов взаимная связь между расщепленными обмотками статора ослабевает и при 2 р ^ 8 практически от сутствует.
В двухполюсных СД, к числу которых относятся неявно полюсные двигатели серии СТД, расщепленные обмотки рас полагаются в одних и тех же пазах. Перекрытие обмоток про исходит по всей окружности расточки статора, т. е. Z'=Z. С учетом этого из соотношения (7.1) следует:
%ad12 =z‘%aq12==%ad• |
(7.2) |
В многополюсных (явнополюсных) СД расщепленные об мотки статора расположены в разных пазах статора (Z' —
= 0), поэтому магнитная связь между этими обмотками от сутствует:
(7.3)
Эти особенности СД с расщепленными статорными обмотка ми необходимо учитывать в схемах замещения и уравнениях переходных процессов.
7.2. СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ НЕЯВНОПОЛЮСНЫХ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С РАСЩЕПЛЕННОЙ СТАТОРНОЙ ОБМОТКОЙ
В схеме замещения неявнополюсного СД с расщепленной обмоткой статора необходимо отразить наличие двух само стоятельных обмоток, в общем случае подключенных к раз ным секциям шин, учесть особенность, выражаемую соотно шением (7.2). Кроме того, при равенстве напряжений на рас щепленных обмотках статора схема должна преобразовы ваться в схему замещения СД с обычной статорной обмот кой. Этим условиям удовлетворяют схемы замещения, при веденные на рис. 7.1, где хор = 2 х а— индуктивное сопротив-
о—
Рис. 7.1. Схемы замещения неявнополюсного СД с расщепленной статор ной обмоткой по продольной (а) и поперечной (б) осям ротора
ление рассеяния каждой из самостоятельных обмоток стато ра. Сопротивления взаимоиндукции между всеми обмотками статора и ротора одинаковы и равны xad. При равенстве на пряжений на расщепленных обмотках статора (Uq\ = Uq2~ = Uq\ U(n = U(t2=\U(i) эти схемы путем объединения парал лельных ветвей могут быть преобразованы в схему замеще ния обычного двигателя (см. рис. 1.4), и, следовательно, их параметры могут быть получены из схем замещения двига телей с обычной статорной обмоткой (см. § 3.5, 3.6).
При различных способах преобразования исходной схемы (рис. 7.1) могут быть получены соответствующие эквивалент-
а) |
6) |
б)
Рис. 7.2. Эквивалентные схемы замещения неявнополюсного СД с расщеп ленной статорной обмоткой по продольной оси:
а — синхронная; б — переходная; в — сверхпереходная
ные схемы замещения неявнополюсного СД с расщепленной статорной обмоткой по продольной (рис. 7.2) и поперечной (рис. 7.3) осям. Несмотря на наличие двух самостоятельных
ю
Рис. 7.3. Эквивалентные схемы замещения неявнополюсного сД с рас щепленной статорной обмоткой по поперечной оси:
а — синхронная; б — сверхпереходная
статорных |
обмоток, двигатель характеризуют |
следующие |
|
«единые» |
ЭДС: синхронная |
(составляющие Еч и |
пере- |
ходная Е'ч и сверхпереходная |
(составляющие Е"ч и в"«) Из |