книги / Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока
..pdfс их роторами. Поэтому по необходимости |
будут введены |
||||||||
ВелИЧИНЫ Ujj, Чц, |
Ц10, Ч2^, Ч2д, |
ц20> |
*1?’ |
*Ю> |
|
*21)> Чо> |
|||
а стало быть нужно ввести |
уравнения |
связи |
между |
||||||
ними и |
величинами |
и1а, uib, ы1е, |
ч2а. ч2Ь, ч2с, |
iu , |
ilb, |
ilc, |
|||
i2a, i2à, |
iic, входящими в (2-100) |
и в |
уравнение |
первого |
за |
||||
кона |
Кирхгофа в |
точке 2, |
чтобы |
полученную |
систему |
уравнений можно было решать совместно. Тогда появятся уравнения связи, определяемые формулами основного пре образования (1-5а) для составляющих токов гх (iu , i^iio ) и i2 (i2d, i2q, i20) и формулами (1-ба) для составляющих напряже ний и1 («ltf, ulq, и10) и ч2 («2<f, ч2д, ч20).
Так как уравнения обоих генераторов записываются по обоим способам совершенно одинаково, то сравнивать бу дем только уравнения линии и уравнения первого закона Кирхгофа в точке 2. Число нелинейных членов в уравне ниях (2-6), (2-7) и (2-14), записанных по способу «г», рав но 10, причем в (2-14) нужно в соответствии с рис. 2-8 от бросить токи /нМ и iBÎJ. В уравнениях линии (2-100), записанных по способу «ж», нелинейных членов нет. Зато в уравнениях связи, записываемых для токов h и 4 соглас но (1-5а), для напряжений Ч\ и «2 — на основании (1-ба), число их будет равно 24. Стало быть, способ «г» значитель но рациональнее.
Для схемы рис. 2-9 по способу «г», поскольку нагрузка Н2 включена на шины СГ2, уравнение линии Л, нагрузки Н2 и уравнение первого закона Кирхгофа нужно относить к осям, жестко связанным с ротором СГ2. При этом урав
нения |
нагрузки Н2, получающиеся |
из (2-18) и (2-19) при |
ô = 0 |
и 0Х= Ь2, будут содержать |
два, уравнения линии |
шесть и уравнения первого закона |
Кирхгофа в точке 1 че |
тыре нелинейных члена. Общее число их теперь будет рав но 12.
По способу «ж» общее число нелинейных членов оста нется равным 24.
Наконец, для схемы рис. 2-1 добавятся уравнения перво го закона Кирхгофа в точке / (2-13), не содержащие нели нейных членов, и уравнения нагрузки Н1 (2-15) и (2-16), содержащие 2 нелинейных члена. Общее число их теперь будет равно 18. По способу «ж» общее число нелинейных членов снова останется равным 24.
Таким образом, для указанных схем способ «г» явля ется более рациональным, чем способ «ж», причем преиму щества способа «г» уменьшаются по мере увеличения в схе ме числа статических элементов.
Положение изменится, если в сравниваемых схемах не учитывать нулевых составляющих, т. е. рассматривать сим метричные режимы. При этом число нелинейных членов, получаемых в способе «г», не изменится, а в способе «ж» значительно уменьшится, так как в уравнениях связи, на
пример, ток |
ic |
можно будет выразить через токи ia и ib, |
в силу чего эти |
уравнения, например, ( 1 -5а), будут давать |
|
не б, а 4 |
нелинейных члена. |
|
Д ля схем рис. 2-8, 2-9 и 2-1 при этом получим, применяя |
||
способ «ж», |
по |
16 нелинейных членов. Таким образом, для |
схемы рис. 2-1 способ «ж» оказывается уже более простым, чем способ «г». Сказанное относится также к способу «д», так что при большом числе статических элементов в схеме способы «д» и «ж» могут оказаться значительно более ра циональными, чем способ «г».
Подводя итоги сравнения схем, заключаем, что предло женный автором способ «г» и способы «д» и «ж» выбора вращающихся координатных осей являются, вообще гово ря, наиболее рациональными. Следом за ними идет способ «е», также предложенный автором, согласно которому уравнения статических элементов цепи относятся к непо движным координатным осям, оперирующим с результи рующими (а не с фазными) величинами токов, напряжений и потокосцеплений.
Остальные способы, как это было показано выше, зна чительно менее рациональны.
2-6. МЕТОД СОСТАВЛЕНИЯ УРАВНЕНИИ ДЛЯ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ И ОБРЫВАХ В ОДНОЙ И В РАЗЛИЧНЫХ ТОЧКАХ ЦЕПИ
Все изложенное выше применимо и к расчету переход ных процессов, возникающих при несимметричных коротких замыканиях и обрывах и при переменных угловых ско ростях роторов машин. Другими словами, метод составле ния уравнений остается справедливым, если расчету подле ж ат электромеханические переходные процессы, возникаю щие при несимметричных коротких замыканиях и обрывах.
Рассмотрим сначала, какими уравнениями определяется процесс двухфазного короткого замыкания на зажимах син хронного генератора при учете изменения угловой скоро сти его ротора. Цепь его статора дана на рис. 2-10.
Отбрасывая уравнения для нулевых составляющих тока и напряжения, так как их при двухфазном к. з. не возника ет, получим, что уравнения для СГ даются шестью равен ствами (2-61).
К ним добавим еще два уравнения, учитывающих несим-
метрию. Ток |
в фазе |
а |
равен |
нулю: |
|
|
ia = |
/dcos8 — Z?sin 0 = 0. |
(2-101) |
||
С учетом |
переходного |
сопротивления г в |
месте к. з. |
||
(рис. 2-10) имеем: |
|
|
|
|
|
|
|
и ь ~ ис = |
1ьг, |
|
|
или |
|
|
|
|
|
У 3 (иа sin 8 + uq cos 8) = |
id r cos (8 — 120°) — |
||||
|
— /9rsin (8 — 120°). |
(2-102) |
Мы получим восемь уравнений с восемью неизвестными функциями id, iq, иа, uq, 8, if, ig, ih. Из них три линейных уравнения с постоянными коэффициентами и пять нелинейных уравнений, из которых два (2-101) и (2-102)
Рис. 2-10. |
Рис. 2-11. |
содержат периодические функции sin и cos угла 8 , явля |
ющегося одной из искомых функций времени. Решение по лученной системы дифференциальных уравнений на инте граторе или одним из численных методов является точным (в том смысле, что при этом учитывается изменение угловой
d в |
, |
скорости <«>= |
машины). |
При расчете однофазного к. з. (рис. 2-11) к семи урав-
нениям (2-61) добавятся три уравнения, учитывающие несимметрию:
ib = |
ia cos (0 - |
120°) — iqsin (0 — 120°) + |
/0 - |
0; |
(2-103) |
|||
ic = |
id cos (0 + |
120°) - |
iqsin (0 + |
120°) + |
i0 = |
0; |
(2-104) |
|
ua = ua cos 9 — uq |
sin 0 + |
u0 = ia r = |
(id cos 6 — iq sin 0 + i0) r. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
(2-105) |
|
Мы |
получили |
десять |
дифференциальных |
уравнений |
с |
|||
десятью неизвестными функциями |
id, iq, |
/0, ud, |
uq, и0, |
if, |
||||
ig, ih и |
6. Подчеркнем, |
что при |
наличии |
несимметрии |
в |
цепи статора уравнения для нулевых составляющих уже не представляют собой отдельной системы уравнений. Они связаны с продольными и поперечными составляющими уравнениями, учитывающими несимметрию.
1а
I *
Рис. 2-12. |
Рис. 2-13. |
Для двухфазного к. з. на землю (рис. 2-12) вместо урав нений (2-103) — (2-105) будем иметь следующие три уравне ния, учитывающих несимметрию:
ub = ud cos (0 — 120°) — uq sin (0 — 120°) -f u0 = u( =
= ua cos (0 + 120°) — uq sin (0 -f 120°) + |
u0, |
или |
|
ud sin 0 + uqcos 0 = 0; |
(2-106) |
иь = ий cos (6 — 120°) — uqsin (6 — 120°) +
+Ы0 = Г(ib -f ic) = Г(— ia cos 0 + iqsin 0) + |
2 ( 2 - 1 0 7 ) |
ia *= cos 0 — iq sin 6 -ф- iQ= 0. |
(2- 1C8) |
Наконец, для четвертого возможного случая к. з. в од ной точке, когда при двухфазном к. з. одновременно зазем ляется третья фаза в той же точке, рассмотренного впервые автором [Л. 108] и представляющего собою двухфазно-од нофазное к. з. (рис. 2-13), имеем следующие три уравне ния несимметрии:
иа = ud cos 6 — uq sin 0 + «0 = r0ia = r0 r(ia cosb — i^sin 0+ i0);
|
|
|
(2-109) |
|
V T (ud sin 6 -f uq cos 6) = id r cos (0 — 120°) — |
||
|
— j#rsin (9 — 120°); |
|
(2-110) |
|
ib -f*'c = — id cos 0 + iq sin 0 + |
2*'0 = 0. |
(2-111) |
Таким образом, мы получили системы уравнений для |
|||
точного |
(в смысле учета изменения |
угловой |
скорости |
d0 |
генератора в процессе к. з.) расчета всех возмож- |
||
ю = ----- |
|||
dt |
|
|
|
ных несимметричных к. з. на зажимах генератора.
При расчете несимметричных к. з. в сложных цепях метод составления уравнений для всех элементов цепи оста
ется таким же, как он |
изложен выше в § 2-4. |
порядок |
|
Так, например, для |
цепи рис. 2-3 суммарный |
||
системы дифференциальных уравнений |
с учетом |
нулевых |
|
составляющих цепи статора равен 25. |
Составляя |
их так, |
как изложено в § 2-4, т. е. пользуясь не контурными токами, а прямо токами ветвей, и вводя в каждом узле по три со ставляющих напряжения, будем иметь 35 уравнений с 35
неизвестными |
(все составляющие токов, напряжений в уз |
лах, углы 6j и |
62), Напряжения и^ и u2f, приложенные |
к обмоткам возбуждения СГ1 и СГ2, известны. Предпола гаем также, что нулевые точки обмоток статоров С П , СГ2, АД1 к АД2 заземлены.
Если, например, в узле 1 цепи рис. 2-3 происходит од нофазное к. з., то, вводя представление об ответвлении к. з. [Л. 108, 73, 81, 132, 163], показанном на рис. 2-14, получим, что добавятся три уравнения несимметрии с тремя неиз
вестными токами iKd, |
iKg, |
/к0, |
которые |
мы |
относим к |
||
осям, жестко связанным с |
ротором СГ1: |
|
|
|
|||
iKd cos (0! - |
120°) - |
iKq sin (0X- |
120°) + i Ko = |
0; |
(2-112) |
||
*'«, cos {% -f |
120°) - |
iKq sin (0! + |
120°) + |
iK0 = |
0; |
(2-113) |
|
uu cos 0X— |
sin 9X-J—u10 = |
r (iKd cos 6t — iKg |
sin 0X+ *'J. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
(2-114) |
Разумеется, при записи уравнений первого закона Кирх гофа в точке 1 нужно будет учесть и токи ответвления к. з. (рис. 2-14). Аналогично составляются уравнения' при расче
те любого вида несимметричного к. з. в одной точке в цепи любой сложности.
При одновременном возникновении несимметричных к. з. в двух и более точках цепи вводим два и больше ответвле ний к. з. Каждое из них дает по три уравнения, учитываю щих тип несимметрии, и увеличивает общее число неизве стных на три.
Изложенное относилось к расчету несимметричных к. з., т. е. к расчету поперечной несимметрии в цепях.
При наличии продольной несимметрии, т. е. обрывов и неодинаковых сопротивлений в разных фазах какого-либо участка цепи, можно записать три уравнения, характери зующих вид продольной несимметрии. При этом нужно счи тать различными напряжения справа и слева от места про
дольной несимметрии. Так |
как до появления обрыва три |
|||
составляющих |
напряжения |
ий, uq, |
и0 |
в данной точке |
уже входили |
в уравнения, |
то вновь |
вводятся только три |
напряжения, т. е. столько новых неизвестных, сколько до бавилось уравнений.
На схеме рис. 2-15 в фазы а и b включались различные сопротивления га и гь, а в фазе с одновременно про изошел обрыв. Уравнения‘продольной несимметрии при за
писи |
их |
через фазные величины: |
|
|
|
||||
|
/, = |
0; |
|
|
‘о7 о* |
*1Ь' “2Ь = |
1ЬГЬ- |
(2-115) |
|
Те же уравнения в системе координат d, q, 0: |
|
||||||||
|
id cos (9 + 120°) — iq |
sin (0 + |
120°) + <0 = 0; |
(2-116) |
|||||
|
(uld — u2d) cos |
0 — {ulq — u2q) sin 0 + «Ю — h20 = |
|
||||||
|
|
|
= |
ra (idcos 0 - L sin 0 -j- *o); |
|
(2-117) |
|||
|
(«Id ' |
u2i) cos (0— 120°) |
(ui?— «2?) sm (0— 120°) + |
||||||
+ |
U10 |
«20 — Гb Vd COS (0 - |
120°) — i. sin (0 - |
120°) + /<,]• |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2-118) |
Ufa |
|
|
|
|
|
ufa |
|
|
|
t o " |
J—1 |
u |
|
2b |
|
1 a b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
“te |
|
* |
4 |
" |
’ |
|
Ufc |
h |
u2e |
|
V |
. ---- - |
|
u2c |
|
----- |
|||
|
Рис. 2-15. |
|
|
|
Рис. 2-16. |
|
Аналогично на схеме рис. 2-16 в фазу а включилось со противление га при одновременном обрыве фаз b и с. Уравнения продольной несимметрии при записи их через фазные величины:
= |
0, |
ic 0; |
ula |
u2a = ia ra. |
|
(2-119) |
|
Те же уравнения в системе координат d, q, 0: |
|
|
|||||
idcos (0 - |
120°) — iq |
sin (0 - |
120°) + |
i0 = |
0; |
|
|
ia cos (0 + |
120°) — iq |
sin (0 + |
120°) + |
i0 = |
0; |
(2-120) |
|
(Ula— U2d) cos Ь — (иц - u2q) |
s n 0 + |
ы10 — |
|
||||
|
|
||||||
— «20 = |
ra (ia cos 0 — iqsin 9 + /„). |
|
|
Обрывы в схемах рис. 2-15 и 2-16 без введения сопротив ления дуги рассматривать возможно, если это не ведет к скачку тока в какой-либо ветви с индуктивностью в момент коммутации.
При одновременном возникновении обрывов в разных точках цепи вышеуказанные уравнения записываются для каждого места обрыва.
Наконец, если в разных точках цепи одновременно воз никает поперечная и продольная несимметрия, уравнения, учитывающие ее вид, записываются для каждого ответвле ния к. з. и для каждой точки обрыва в отдельности.
Выше было показано, как метод составления дифферен циальных уравнений переходных электромеханических про цессов, возникающих вследствие любых симметричных коммутаций, распространяется и на любые несимметричные коммутации.
Итак, при расчете несимметричных к. з. разных видов в одной или в различных точках цепи (поперечная несиммет рия) или обрывов в одной или в различных точках цепи (продольная несимметрия) в дополнение к ранее состав ленным уравнениям нужно написать уравнения для нуле вых составляющих токов и напряжений для каждого из элементов цепи, а также уравнения, характеризующие со отношения между токами и напряжениями в месте повреж дения и все эти уравнения решать совместно.
При этом из уравнений, составленных для мест повреж дения, периодические коэффициенты не исключаются.
2-7. ОБ УЧЕТЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
В предыдующих параграфах этой главы мы не учиты вали наличия у синхронных машин автоматических регуля торов напряжения. Это было сделано только для того, что бы не осложнять изучения и без того достаточно сложных процессов, происходящих в самих синхронных машинах. К тому же существует ряд систем автоматического регули рования напряжения и рассмотрение всех их не входит в задачу данной работы.
Однако учесть наличие любой системы автоматического регулирования напряжения при составлении и решении уравнений переходных электромеханических процессов в электрической системе вполне возможно. При этом следует учесть два обстоятельства:
1) Уравнения переходных процессов во всех звеньях системы автоматического регулирования напряжения сле дует относить к неподвижной системе координат. Стало быть, их не нужно преобразовывать к какой-либо враща ющейся системе координат.
2) В точках примыкания системы автоматического регу лирования напряжения к генератору нужно составить урав
нения связи, т. е. уравнения, связывающие мгновенные зна чения фазных токов и напряжений с их продольными, попе речными и нулевыми составляющими.
Как известно [Л. 164], системы автоматического регу лирования напряжения делятся на две основные группы:
1. Электромеханические, по выполнению подразделяю щиеся на реостатно-плавные (угольные и реостатные), рео статно-импульсные, вибрационно-импульсные и релейные (для форсировки возбуждения).
Регуляторы этой группы изменяют возбуждение гене раторов путем изменения сопротивления в цепях обмоток возбуждения возбудителей в соответствии с изменением на
пряжения на зажимах |
генератора. |
2. Электромагнитные |
и электрические, по выполнению |
подразделяющиеся на электромашинные и электронно-ион ные, а также системы компаундирования с коррекцией от напряжения.
Регуляторы этой группы изменяют возбуждение гене раторов путем введения в обмотки возбуждения их возбуди телей дополнительных токов, пропорциональных: а) откло нению напряжения на зажимах генератора, б) току стато ра и в) отклонению напряжения статора и его току. При этом дополнительный ток подается либо в основную обмот ку возбуждения возбудителя, либо в добавочную обмотку.
В соответствии с этим рассмотрим составление уравне ний переходных процессов для синхронного генератора, снабженного: 1) угольным регулятором напряжения и 2) устройством компаундирования, когда дополнительный ток, пропорциональный току статора генератора, вводится а) в основную и б) добавочную обмотку возбуждения воз будителя.
1) У р а в н е н и я п е р е х о д н ы х э л е к т р о м е х а н и ч е с к и х п р о ц е с с о в с и н х р о н н о г о г е н е р а т о р а с у г о л ь н ы м р е г у л я т о р о м н а п р я ж е н и я
Схема угольного регулятора, все токи в ней и их поло жительные направления даны на рис. 2-17.
Уравнения генератора и цепи статор — дополнительное сопротивление — трехфазная мостовая выпрямительная схема рассмотрим только для симметричного режима в ге нераторе. Учет несимметричного режима генератора услож нил бы уравнения только вышеуказанных элементов.
Уравнения генератора без учета нулевых составляющих были даны шестью равенствами (2-61). В них немного из
менится только уравнение обмотки возбуждения, так как в схеме рис. 2-17 последовательно с ней включена последо вательная обмотка возбудителя. Поэтому для обмотки воз буждения синхронного генератора будем иметь:
Щ — (rf + rc) h + — £ — |
— id -f- ( Lf Lc ) |
if -f Mfe ig |
, |
|
|
|
|
(2-12 |
) |
Уравнения первого |
закона |
Кирхгофа |
в точке |
С |
(рис. 2-17): |
|
|
|
|
|
lcd |
» |
(2-122) |
|
*4 |
|
' |
||
|
|
|