Асинхронные режимы в электрических системах

Министерство образования и науки Республики Казахстан Некоммерческое АО «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева» Институт Электроэнергетики и электротехники Кафедра Электроэнергетических систем ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ для студентов специальности 5В071800 - Электроэнергетика 14 Лекция. Асинхронные режимы в электрических системах. Ресинхронизация синхронных генераторов и двигателей Алматы 2021 1 Дисциплина «Переходные процессы в электроэнергетике» является одной из профилирующих для электроэнергетических специальностей. Переходные процессы возникают в электрических системах как при нормальной эксплуатации (включение и отключение нагрузок, источников питания, отдельных цепей и пр.), так и в аварийных условиях (обрыв нагруженной цепи или отдельной ее фазы, короткое замыкание, выпадение машины из синхронизма и т.д.). Изучение переходных процессов необходимо прежде всего для ясного представления причин возникновения и физической сущности этих процессов, а также для разработки практических критериев и методов их количественной оценки, с тем чтобы можно было предвидеть и заранее предотвратить опасные последствия таких процессов. Важно понимать переходные процессы, но еще важнее уметь сознательно управлять ими. При любом переходном процессе происходит в той или иной мере изменение электромагнитного состояния элементов системы и нарушение баланса между моментом на валу каждой вращающейся машины и электромагнитным моментом. В результате этого нарушения соответственно изменяются скорости вращения машин, т.е. некоторые машины испытывают торможение, в то время как другие – ускорение. Такое положение существует до тех пор, пока регулирующие устройства не восстановят нормальное состояние, если это вообще осуществимо при изменившихся условиях. Из этого следует, что переходный процесс характеризуется совокупностью электромагнитных и механических изменений в системе. Последние взаимно связаны и, по существу, представляют единое целое. 2 14 Лекция. Асинхронные режимы в электрических системах Содержание лекции: возникновение установившийся асинхронный режим. асинхронного режима, Цель лекции: изучение процесса установившегося асинхронного режима. Асинхронными называют такие режимы работы генератора или двигателя, при которых скорость вращения роторов значительно отклоняется от синхронной. К асинхронным режимам относятся: - работа синхронной машины после ее выпадения из синхронизма; - асинхронный пуск двигателей или синхронных компенсаторов; - самозапуск двигателей. В асинхронном режиме вектор ЭДС синхронной машины, выпавшей из синхронизма, вращается относительно вектора ЭДС машин, работающих синхронно. 14.1 Возникновение асинхронного режима Асинхронный режим может возникнуть в результате нарушения динамической устойчивости, вследствие потери возбуждения синхронной машины. Рассмотрим переход генератора в асинхронный режим работы из-за нарушения динамической устойчивости (см. рисунок 14.1). Рисунок 14.1 3 Пусть одна из линий электропередачи внезапно отключается, а затем включается вновь. При этом происходит переход с характеристики 1 на характеристику 2 и обратно. Но угол включения (см. рисунок 14.1) столь велик, что площадь ускорения превосходит наибольшую возможную площадь торможения . Угол вектора эквивалентного генератора G превышает критическое значение . На ротор начинает действовать ускоряющий избыточный момент, приводящий к дальнейшему увеличению угла . Как только скорость ротора станет отличаться от синхронной, появляется скольжение S, растущее с увеличением разности скоростей. Скольжение обусловливает появление асинхронного момента, который также зависит от напряжения на зажимах генератора и его параметров. Причем приближенно можно принять . С увеличением скольжения начинают действовать регуляторы мощности турбины, уменьшая . Синхронная мощность приобретает пульсирующий характер и, являясь функцией скольжения, будет, в свою очередь, влиять на него, вызывая его пульсации. При некотором значении скольжения момент турбины уравновесится средним асинхронным моментом условие определяет начало установившегося асинхронного режима Это (хода). 14.2 Установившийся асинхронный режим Установившийся асинхронный ход характеризуется скольжением которое в соответствии с рисунком 14.2 определяется точкой пересечения характеристик момента турбины и асинхронного момента. Если выпавшая из синхронизма машина возбуждена, то кроме взаимно уравновешивающих друг друга асинхронного момента и момента турбины на вал генератор-турбина будет действовать также синхронный вращающий момент. Этот знакопеременный момент вызывает периодическое изменение скорости вращения ротора в асинхронном режиме, а следовательно, и пульсации скольжения, изменяющегося от до около своего среднего значения (см. рисунок 14.3). Очевидно, что чем больше амплитуда синхронного момента, тем больше разница между максимальным и минимальным значениями пульсирующего скольжения. Уравнение движения ротора генератора в асинхронном режиме может быть записано в следующем виде: . 4 (14.1) Преобразуем это уравнение, введя в его левую часть скольжение. Рисунок 14.2 Рисунок 14.3 Ускорение ротора двигателя может быть записано в виде (14.2) где - разность между текущей и синхронной скоростями ротора. В относительных единицах она может быть представлена так: 5 . (14.3) Подставляя формулу (14.3) в (14.2), получаем . Следовательно, уравнение (14.1) запишется в виде . (14.4) Предположим, что заданы как функции угла проинтегрировав уравнение (14.4), получим Тогда, , откуда можно найти значение скольжения в любой момент времени . 6 (14.5) 14.3. Ресинхронизация синхронных генераторов и двигателей Содержание лекции: ресинхронизация синхронных генераторов и двигателей. Цель лекции: изучение процесса восстановления нормальной работы генератора, выпавшего из синхронизма. Для большинства синхронных машин асинхронный режим не представляет опасности. Сомнения в допустимости этого режима могут возникнуть в связи с опасностью нарушения устойчивости остальной части системы, в которой мощный генератор работает асинхронно. В этом режиме генератор обычно потребляет из системы значительную реактивную мощность. Это приводит к увеличению тока статора. Поскольку предельная величина тока статора ограничена, предельная активная мощность генератора также ограничивается 50...70 % номинальной мощности, а у крупных турбогенераторов - 30...50 %. Это приводит к дефициту активной мощности в системе, что является существенным недостатком асинхронного режима. Возможность работы в асинхронном режиме и ее длительность ограничены опасностью повреждений самого генератора. Турбогенератору разрешается работать в асинхронном режиме 15...30 минут, длительность работы гидрогенератора более кратковременна и составляет несколько минут. Восстановление нормальной работы возможно без отключения от сети выпавшего из синхронизма генератора. Можно оставить его на некоторое время в асинхронном режиме, а затем заставить снова войти в синхронизм, осуществив ресинхронизацию. Если скольжение, с которым работает генератор в асинхронном режиме, станет равным нулю, то это означает, что скорость вращения генератора стала синхронной, при этом . В этом случае среднее значение скольжения 7 . Условие S = 0 необходимое, но недостаточное для втягивания генератора в синхронизм. Для выявления второго условия рассмотрим протекание процесса ресинхронизации, показанного на рисунке 15.1. Предположим, что увеличение тока возбуждения повышает синхронный вращающий момент, что в свою очередь приводит к росту пульсаций скольжения. При каком-то значении синхронного момента скольжение пройдет через нуль, что свидетельствует о наступлении синхронного режима. Избыточный момент, определяющий движение генератора в асинхронном режиме, состоит из трех составляющих: , где - момент турбины; - синхронный и асинхронный моменты. Когда скольжение становится равным нулю, асинхронный момент также равен нулю. Следовательно, условием втягивания генератора в синхронизм будет Мс > Мт. При таком соотношении моментов и S = 0 на вал генератора действует тормозной избыточный момент, который вызывает уменьшение угла . Ротор генератора начинает движение в сторону его уменьшения, площадь торможения abc уравновешивается площадью ускорения cde, происходят затухающие колебания около точки с. Ввиду того, что ток возбуждения продолжает увеличиваться, отсчет площадей производится от характеристики синхронного момента, соответствующего более высокому току возбуждения (изображена пунктирной линией). Необходимо подчеркнуть, что увеличение тока возбуждения в процессе ресинхронизации приводит к более быстрому втягиванию генератора в синхронизм, демпфированию колебаний угла во времени. Если условие > не выполняется, то ресинхронизация будет неуспешной, угол продолжит возрастать, а генератор останется в асинхронном режиме. 8 Рисунок 15.1 После вхождения в синхронизм регулятор скорости турбины начинает увеличивать впуск энергоносителя, вследствие чего возрастает момент турбины. Это приводит к увеличению площади ускорения и уменьшению площади торможения, что может вызвать выпадение из синхронизма в одном из последующих циклов качаний. Избежать выпадения из синхронизма можно, регулируя надлежащим образом ток возбуждения. Процесс ресинхронизации может быть рассчитан методом последовательных интервалов с учетом характеристик турбин и их регуляторов скорости. Восстановление синхронного режима работы синхронных двигателей производится для ответственных механизмов, сохранение которых в работе необходимо по условиям техники безопасности или технологии производства. Оно может осуществляться разными способами: - ресинхронизацией; - ресинхронизацией с автоматической разгрузкой рабочего механизма (если она допустима) до такой степени, при которой обеспечивается втягивание двигателя в синхронизм; - отключением двигателя и повторным его автоматическим пуском. В последнем способе при сохранении возбуждения двигателя важное значение имеет его синхронное включение. При несовпадении по фазе векторов напряжений синхронизируемого двигателя и сети возникает ударный ток включения, который приближенно может быть определен как 9 , где сети; - геометрическая разность между ЭДС двигателя и напряжением - сопротивление двигателя и системы. При ударный ток имеет наибольшее значение и может вызвать повреждение обмоток двигателя при его включении. Если работа устройства, осуществляющего ускоренную синхронизацию, основана на регистрации мгновенных значений напряжений на синхронизируемых шинах, то происходит постоянное сравнение значений напряжений по концам выключателя, осуществляющего ресинхронизацию. Как только разность U= превысит наперед заданное значение , зависящее от погрешности измерения, начнется определение ускорения расхождения векторов : , где и - скорости вращения векторов напряжений - время, за которое произошло увеличение скорости с ; до После определения ускорения вычисляются текущий угол и угол опережения. Текущий угол находится по моментам прохождения через нуль напряжений и Для включения двигателя после проворота его ротора при угле необходимо команду на включение выключателя подавать с некоторым опережением по времени. При этом угол опережения получают из соотношения , 10 где S, - текущие значения скольжения и ускорения ротора; - собственное время включения двигателя. Условие срабатывания выключателя запишется в виде , при его выполнении подается сигнал на включение выключателя. > 2л Описанный алгоритм обеспечивает ускоренную синхронизацию в случае кратковременной потери питания двигателя, которая может возникнуть из-за КЗ на питающей линии либо ее отключения, а затем включения от АПВ двигателя. 11