Влияние кратности возбуждения синхронных генераторов на работу узла нагрузки соизмеримой мощности

системы неограниченной мощности увеличивается коэффициент трансформации. В случае, если установка конденсаторов используется только для повышения уровня напряжения, то эффект будет всегда положительным.

3. В сети с компенсацией реактивной мощности динамическая устойчивость узла нагрузки уменьшается вследствие более быстрого выбега двигателя.

4. В процессе пуска и самозапуска АД возможны случаи «застревания» двигателя на полусинхронной скорости.

5. В первый момент времени при возобновлении питания возможны значительные броски электромагнитного момента, которые могут привести к деформации обмоток двигателя вследствие значительных колебаний в скорости вращения ротора.

Литература

1. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия. Ле-нингр. отд-ние, 1980. 256 с.

2. Вольдек А.И., ПоповВ.В. Электрические машины. Машины переменного тока: учебник для вузов. СПб.: Питер, 2008. 350 с.

3. Калинин А.Г., Аракелян А.К. Анализ провалов напряжения при пусках электродвигателей с вентиляторной нагрузкой // Электричество. 2011. № 6. С. 46-50.

4. Сыромятников И.А. Режимы работы синхронных и асинхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 243 с.

5. Щедрин В.А. Процессы в узлах нагрузки при медленных изменениях напряжения и частоты: текст лекций. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1985. 60 с.

КАПИТОНОВ ОЛЕГ КОНСТАНТИНОВИЧ - аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (kapitonov_oleg@mail.ru).

KAPITONOV OLEG KONSTANTINOVICH - post-graduate student of Industrial Enterprises Electrosupply Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

УДК 621.311.313

О.К. КАПИТОНОВ, В.А. ЩЕДРИН

ВЛИЯНИЕ КРАТНОСТИ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА РАБОТУ УЗЛА НАГРУЗКИ СОИЗМЕРИМОЙ МОЩНОСТИ

Ключевые слова: предел кратности возбуждения, мощность генератора, автономная система, пуск двигателя соизмеримой мощности.

Статья посвящена анализу влияния кратности предела возбуждения генератора, работающего в автономной системе, на переходные процессы, обусловленные процессами пуска асинхронных двигателей соизмеримой мощности.

O.K. KAPITONOV, V.A. SHCHEDRIN RUNNING THE ENGINE POWER IS COMMENSURATE IN THE AUTONOMOUS SYSTEM WITH A SPECIFIC LIMIT VALUE EXCITATION OF THE GENERATOR AND LOAD VALUE

Key words: limit value excitation of the generator, power generator, autonomous system, start the engine comparable power.

This article analyzes the influence of the multiplicity of the limit of the generator, operating in the autonomous system, the transients caused by the processes of starting induction motors comparable power.

Электроснабжение потребителей в основном осуществляется от источников, объединенных в единую систему. Однако возможны случаи, когда источником электрической энергии является один генератор, работающий на определенную группу электроприемников. Таким системам, как правило, присуща соизмеримость мощностей источника электроснабжения и отдельных электроприемников, в особенности

двигателей. Примером могут служить судоходные транспортные средства, карьерная техника, грузоподъемные объекты с электрической тягой и другие автономные системы. В таких системах важно уметь правильно оценивать влияние переходных процессов на работу всего узла и обеспечивать успешный запуск электрического двигателя, мощность которого соизмерима с мощностью генератора.

Переходные процессы, обусловленные пусками и самозапусками двигателей соизмеримой мощности или резкими изменениями другой нагрузки, могут вызвать значительное ухудшение качества электроэнергии, которое проявляется в провалах и всплесках напряжения. Естественно, что такое изменение параметров режима системы оказывает отрицательное влияние на работу всех электроприемников, особенно тех из них, которые наиболее чувствительны к уровню напряжения. К мерам, обеспечивающим требуемое улучшение качества электроэнергии и успешность пусков двигателей, можно отнести применение интенсивного регулирования возбуждения и правильный выбор мощности генераторов. В [2] определено, что генератор может обеспечить пуск асинхронных двигателей (АД) с общей полезной мощностью на валу, равной 70% полной мощности генератора.

Для анализа режимов запуска мощного АД от генератора соизмеримой мощности рассмотрим схему узла нагрузки, показанную на рис. 1. В качестве генератора выбрана синхронная машина типа Т2-6-2, параметры которой приведены в табл. 1.

Основной нагрузкой узла выбран мощный асинхронный двигатель типа АЗМП-5000, параметры которого представлены в табл. 2.

Таблица 1

Каталожные данные синхронного генератора

Тип ^ном, кВ РНОМ, кВт Лном, % х* о.е. х* о.е. X * о.е. Гст, Ом

Т2-6-2 10,5 6000 96,4 1,71 0,172 0,119 0,0332

Таблица 2

Каталожные данные асинхронного двигателя

Тип РНОМ, кВт ^НОМ СО*Фном КПД *НОМ Ті кП

АЗМП-5000 5000 1,4 0,9 98% 0,05 4 7

При рассмотрении вопроса о влиянии предела возбуждения на переходные процессы принято, что напряжение на шинах генератора иГ до возникновения какого-либо возмущения соответствует номинальному значению (10,5 кВ).

В качестве нагрузки, создающей механический момент сопротивления механизма Мс , в соответствии с рекомендациями [2] выбрана характеристика:

Мс = Мнг.НОМ(°Д + 0,9(1 _ 5)), где МнгнОм - номинальный момент нагрузки, Н-м; 5 - скольжение. Принято, что момент пропорционален скольжению. Это соответствует более тяжелым условиям для разворота двигателя.

В 81шРотс?ег8у81еш8 пакета 81шиИпк программы Ма1ЬаЪ произведено моделирование пуска двигателя от генератора соизмеримой мощности. При проведении расчетов предел кратности возбуждения изменялся от 1 до 30 с шагом в единицу. Выборочно результаты, полученные в ходе моделирования, при пределах кратности возбуждения (УуМАХ) равных 4-12 и 4-30 представлены соответственно на рис. 2 и 3.

Г и г инг ад

ен—р-'

Рнг + усС

Рис. 1. Принципиальная расчетная схема пуска мощного асинхронного двигателя от генератора соизмеримой мощности (Г - генератор, Q - выключатель,

АД - асинхронный двигатель, статическая нагрузка)

НГ

и, кВ 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10

а 6 в

Рис. 2. Графики изменения напряжения при пуске двигателя от генератора соизмеримой мощности: а - предел кратности равен 4; б - предел кратности равен 8; в - предел кратности равен 12

По построенным графикам нетрудно заключить, что при увеличении предела кратности возбуждения провалы напряжения в первый момент переходного процесса пуска существенно уменьшаются. Так, при потолочном возбуждении У/ МАХ, равном 12, фазное напряжение на шинах двигателя снижается до 5,3 кВ, что на 0,3 кВ выше, чем при Vмах = 4.

Однако при увеличении кратности возбуждения наблюдается возрастание всплеска напряжения на выводах двигателя. Максимальное мгновенное значение фазного напряжения совпадает по времени с приближением скорости вращения ротора к номинальному значению. Так, при У/МАХ = 12 максимальное значение фазного напряжения на шинах двигателя достигается через 1,4 с и составляет около 9,5 кВ, что на 10% выше номинального. Величина всплеска напряжения при У/МАХ менее 4 уже не превышает номинального значения.

На рис. 3 представлены графики изменения скорости ротора при различных потолках возбуждения. Из этих графиков видно, что при увеличении предела кратности возбуждения запуск мощного АД от генератора соизмеримой мощности происходит быстрее. Однако чрезмерное увеличение УуМАХ (свыше 12) малоэффективно, так как это не приводит к дальнейшему значимому уменьшению времени переходного процесса.

Приемлемое значение У/МАХ составляет 4-8 единиц, что, однако, в несколько раз превосходит среднее значение предела возбуждения при холостом ходе генератора. В свою очередь, ограничение У/МАХ определяется не только требованиями к качеству процесса регулирования возбуждения, но и возможностями технической реализации систем возбуждения [1]. Интенсивное регулирование может быть реализовано схе- Рис. 3. Графики изменения скорости вращения

мами релейного управления без запазды- р°т°ра АД при пуже его °т генераг°ра

вания. Однако эти вопросы в данной статье соизмеримой мощности ^и разл™х п^дешх г значений напряжения возбуждения:

не затрагиваются. ,, У *= 4. 2 У = 5.

г I - при МАХ = 4; 2 - при У/МАХ = 5;

Так как характер переходных процес- 3' - ПрИ У/МАХ = 6; 4' - при У/мах = 8;

сов в автономной системе зависит от боль- 5' - при УГМАХ = 12; 6' - при УГМАХ = 30

шого числа факторов, результирующий эффект от высоких потолков У/МАХ может быть различным, а значит, для каждого случая необходим индивидуальный расчет.

Для оценки влияния мощности генератора на длительность и успешность процесса пуска АД соизмеримой мощности в данной работе использована та же схема электроснабжения, причем анализ ведется при одном и том же значении У/мах = 4. Все параметры элементов схемы замещения принимаются неизменными, за исключением значений полной мощности генератора.

Результаты анализа запуска АД при различном отношении полной мощности двигателя к полной мощности генератора (км) приведены на рис. 4. Из построенных кривых видно, что запуск двигателя при выбранных условиях успешен при коэффициенте км, равном или меньше 0,57. А это означает, что для большинства ответственных потребителей успешный запуск АД возможен в случае, когда мощность генератора, как минимум, в два раза выше мощности двигателя. При этом с уменьшением данного коэффициента время пуска существенно снижается.

Если условие по выбору мощности двигателя из [2] привести к отношению полных мощностей, то, принимая во внимание параметры выбранного двигателя (КПД, кП), генератор сможет обеспечить пуск АД, когда полная номинальная мощность двигателя составит не более 0,575 от полной мощности генератора.

, рад/с 300

250

200

150

100

50

0,

< ОЭ < I

^ 1~ -г' Iе Гх * 111 / 'о/ } ос II

йг, 5 =9.55 МВА

3'

Т

0 10 (, С

Рис. 4. Кривые изменения скорости вращения ротора при пуске мощного АД от генератора соизмеримой мощности с различными значениями отношения мощности двигателя к мощности генератора: 1' - при км = 0,76; 2' - при км = 0,66;

3' - при км = 0,61; 4' - при км = 0,58;

5' - при км = 0,57; 6' - при км = 0,56;

7' - при км = 0,54; 8' - при км = 0,50;

9' - при км = 0,46; 10' - при км = 0,40

£

Д.НОМ

= 4 11 £г.ном •'Л д.НОМ = 411£

Г.НОМ

• 0,98

кП

7

= 0,575£Г

Полученные результаты и рекомендации в [2] практически совпадают.

Таким образом, в общем случае при выборе мощности генератора следует применять правило: мощность генератора должна быть в два раза больше мощности самого крупного двигателя, тем более что при этом обеспечивается запас по мощности. Для получения более точных данных для каждого конкретного случая требуется свой расчет.

При выборе минимально допустимой мощности генератора следует также исходить из допустимого снижения напряжения на выводах двигателя по условиям пуска и самозапуска. При этом напряжение на выводах двигателя должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить положительный избыточный момент в течение всего переходного процесса.

На рис. 5 в целях сравнения приведены кривые изменения электромагнитного момента АД при успешном запуске от генератора, имеющего минимально допустимое значение номинальной мощности (при км = 0,57), и при неуспешном запуске АД от генератора, мощности которого недостаточно (при км = 0,58).

Нетрудно заметить из представленного графика, что для генератора с недостаточной мощностью автоматика регулирования возбуждения позволят набрать определенную скорость вращения, однако затем набор скорости прекращается. Если судить по переходным процессам на графиках изменения фазного тока статора и фазного напря-

М, Н.м

жения на выводах двигателя (рис. 6), такая ситуация может привести к значительному перегреву элементов двигателя, что, естественно, вызовет более быстрое старение изоляции и чревато перегревом двигателя. Следовательно, для обеспечения нормальных условий работы системы номинальное значение мощности генератора должно быть увеличено в ущерб экономической составляющей.

Также отметим, что пусковой ток превышает номинальное значение в 2-3 раза, а падение напряжения составляет около 30%. Естественно, Рис. 5. График изменения

при таких значениях тока и напряже- элекгромагниш°го момента АД

ния используемый генератор должен и момента ^пртшменж шгдожи

обеспечить не только возможность успешного запуска двигателя, но и уменьшение времени пуска соизмеримых по мощности двигателей.

и, кВ

Рис. 6. Графики изменения тока фазы А статора двигателя (а) и напряжения на его выводах (б) при успешном пуске от соизмеримого по мощности генератора, имеющего минимально допустимую мощность

Начальное значение напряжения на выводах двигателя при пуске наиболее просто и быстро может быть определено по семейству кривых зависимостей напряжения генератора ЦУЦ^ном от условного отношения мощности двигателя к мощности генератора 5Г.ном/5Д.ном, построенных при разных значениях предела напряжения возбуждения генератора (рис. 7). Кривые построены на основе аппроксимации данных, полученных при моделировании.

V г / шх = 1,0

і

1,5

2,5

3,5

м II

Рис. 7. Начальное значение провала напряжения на шинах в зависимости от отношения мощности генератора к мощности двигателя

При пуске двигателя в автономной системе начальное значение напряжения на выводах можно определить, используя кривые рис. 7. Например, при Vf MAX = 4 и ^ггом/^д.юм = 1,5 напряжение на питающих шинах будет равно 0,635 о.е. Имея значение напряжения, сравнительно легко определить возможность успешного пуска двигателя.

Выводы. 1. При интенсивном регулировании восстановление напряжения после мгновенного скачка завершается почти одновременно с окончанием переходного процесса в статоре, а провал напряжения вообще может отсутствовать.

2. Рациональным следует считать предел кратности напряжения обмотки возбуждения от 8 до 12.

3. Для большинства ответственных механизмов минимально допустимая мощность генератора должна быть не менее чем в 2 раза выше значения номинальной мощности самого крупного двигателя.

Литература

1. Вилесов Д.В. Сильное регулирование возбуждения синхронных генераторов // Электричество. 1978. № 2. С. 11-14.

2. Сыромятников И.А. Режимы работы синхронных и асинхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 243 с.

КАПИТОНОВ ОЛЕГ КОНСТАНТИНОВИЧ. См. с. 121.

ЩЕДРИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.

SCHEDRIN VLADIMIR ALEKSANDROVICH - candidate of technical sciences, professor of Industrial Enterprises Electrosupply Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

УДК 621.314:658.26

Г.А. НЕМЦЕВ, А.Г. НЕМЦЕВ, О.В. ФЕДОРОВ

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Ключевые слова: резонанс, фильтрокомпенсирующие устройства, частота, методика выбора.

Изложены вопросы возникновения резонанса в сетях при использовании фильтрокомпенсирующих устройств на разных частотах в зависимости от длины линии и других сопутствующих факторов. Приведена методика расчета и выбора этих устройств.

G.A. NEMTSEV, A.G. NEMTSEV, O.V. FOEDOROV RESONANT PHENOMENA DURING USE OF POWER SUPPLYING SYSTEM WITH FILTER BALANCING DEVICES

Key words: resonance, filter balancing devices, frequency, methods of choosing.

There are (questions) problems of resonance advent development in the networks during use of power supplying devices at different frequencies depending on the length of the line and other accompanying factors. There are methods ofdesign and choosing of these devices.

В настоящее время прогрессивные технологии требуют широкого внедрения мощных электротехнических комплексов и систем (ЭТКС) с нелинейными характеристиками, вентильных преобразователей, вентильных электроприводов, которые при всей технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электроэнергии (КЭ) в системах электроснабжения (СЭС). Для уменьшения этого, т.е. для корректировки КЭ, применяются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), статические и динамические источники реактивной мощности, которые в той или иной степени позволяют «подавлять» высшие гармонические составляющие.