Билет №13

1.Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя (ЭМ).

Энергетическая диаграмма работы машины имеет вид (рис.2.11):

Рис.2.11.Энергетическая диаграмма работы электрической машины

 

Мощность, потребляемую из электрической сети можно определить, используя выражение:

.

В ротор передается электромагнитная мощность  (рис.2.11).

Часть этой мощности расходуется на покрытие электрических потерь в обмотке ротора; оставшаяся часть превращается в механическую мощность

.

Потери в сердечнике ротора из-за малой величины частоты  (13 Гц) практически отсутствуют. Для электромагнитной мощности можно написать:

,

где

- угловая скорость вращения магнитного поля.

,

где

- угловая скорость вращения ротора.

.

Отсюда

(2.14)

Подставив сюда: 

,

получаем:

(2.15)

2.Система управляемый преобразователь – двигатель с отрицательной обратной связью по скор

Система с отрицательной обратной связью по скорости. Функциональ-

ная схема системы электропривода с отрицательной обратной связью по скоро-

сти приведена на рис.5.43. Управляемый преобразователь УП обеспечивает ре-

гулирование напряжения на якоре двигателя.

На валу двигателя ус-танавливается датчик скорости – тахогенера-тор BR, выходное на-пряжение которого про-порционально скоростиω. Напряжение тахоге-нератора BR через де-литель и датчик напря-жения ДН формируетнапряжение обратнойсвязи по скорости UОС.На входе системы на-

пряжение UОС сравнивается с напряжением задания скорости UЗАД , и их раз-

ность в виде сигнала рассогласования (ошибки) UВХ подается на вход усилителя

У, который с коэффициентом кУ усиливает сигнал рассогласования UВХ и подает

его в виде сигнала управления UУ на вход преобразователя УП.

При увеличении момента на валу двигателя МС > М скорость двигателя сни-

жается, уменьшаются напряжение тахогенератора и UОС, растет сигнал ошибки,

вызывая рост UВХ и UУ и соответственно ЭДС преобразователя УП. Скорость

двигателя увеличивается, восстанавливается заданное значение скорости.

3.Преимущества электроприводов переменного тока.

Преимущества

Электроприводы переменного тока дают следующие преимущества:

• Минимальное энергопотребление

• Уменьшение расходов на обслуживание и увеличение жизненного цикла благодаря плавному началу и остановке работы

• Сокращение затрат на оплату потребляемой мощности и амортизацию оборудования благодаря рекуперативным приводам переменного тока с коэффициентом мощности, равным единице

• Минимизированный гармонический ток в блоках питания рекуперативных приводов ABB

• Точное регулирование скорости и момента вращения с помощью платформы контроля двигателя ABB - DTC (прямой контроль момента вращения)

• Меньшее количество повреждений и износа за счёт равномерного распределения груза между двигателями и устранения динамического эффекта

• Простое подключение к автоматизированной системе завода с помощью различных адаптеров промышленных шин

4.Источники выработки реактивной мощности. Синхронный двигатель. Силовые конденсаторы.

Источники выработки реактивной мощности. Синхронный двигатель. Силовые конденсаторы

ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Источниками реактивной мощности являются: генераторы электростанций ( синхронные машины ), синхронные компенсаторы, батареи силовых конденсаторов, специальныестатические источникиреактивной мощности, синхронные двигатели.

Если рассмотреть долю участия различных источников в покрытии общей потребности реактивной мощности, то получается:

- генераторы электростанций – 38% ;

-синхронные компенсаторы - 13% ;

- синхронные двигатели на промышленных предприятиях - 18% ;

- силовые конденсаторы – 31% в том числе: 21% - выше 1 кВ; 10% - ниже 1 кВ.

Основное назначение СД выполнение механической работы, следовательно, он является потребителем активной мощности. При перевозбуждении СД его э.д.с. больше напряжения сети, в результате вектор тока статора опережает вектор напряжения, т.е. имеет емкостный характер, а СД выдает реактивную мощность. При недовозбуждении СД является потребителем реактивной мощности. При некотором режиме возбуждения СД его cosφ равен единице. Изменение тока возбуждения позволяет плавно регулировать генерируемую СД реактивную мощность.

Максимальная реактивная мощность, которую может генерировать СД

Qмсд =Рнсд*Ксд*tgφсд|ηсд ( 5.5 )

где Рнсд – суммарная установленная мощность группы СД;

tgφсд, ηсд – коэффициент реактивной мощности и кпд СД;

Ксд – коэффициент наибольшей допустимой нагрузки СД по реактивной мощности, зависящий от типа двигателя, относительного напряжения и коэффициента загрузки по активной мощности ( 0,81 – 1,45 ).

Синхронные двигатели нормальных серий изготавливаются с «опережающим» cosφ=0.9 ( tgφ= 0.48 ) независимо от реактивной мощности, которую предприятие может использовать. При расчете суммарной реактивной нагрузки потребителей для СД, работающих с «опережающим» коэффициентом мощности, величина Qсд берется со знаком минус.

Синхронные компенсаторы ( СК ) представляют собойсинхронные электрические машины, работающие в режиме двигателя без нагрузки на валу. Они предназначены специально для выработки реактивной мощности. При большом дефиците реактивной мощности в точке подключения потребителей, когда требуется плавное и быстродействующее средство регулирования напряжения, оказывается выгодным ввод СК. При наличии резкопеременной реактивной нагрузки зона применения СК расширяется. К недостаткам СК относятся:

- повышенные потери активной мощности;

- большие масса и вибрация, из-за чего СК необходимо устанавливать на фундаментах;

- необходимость применения водородного или воздушного охлаждения;

- невозможность ( в отличие от БК ) наращивания мощности в процессе роста нагрузок.

5.Защита от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью.

В отечественных энергосистемах электрические сети напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а также с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождается появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети.

Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в сети и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю (К⁽¹⁾₃) врежиме, когда нейтраль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор.

 

Рисунок 5.1 – Протекание фахных токов при замыкании на землю

в сети с изолированной нейтралью

 

Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЗДС фаз источника питания. На рисунке 5.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (гене­ратором или понижающим трансформатором) и одной экви­валентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть. Распреде­ленная емкость фаз относительно земли заменена эквива­лентной сосредоточенной емкостью С₀. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения.

Билет №14

1.Электромагнитный момент асинхронного двигателя (ЭМ).

Электромагнитный момент возникает при наличии магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и тока в обмотке ротора. Можно показать, что электромагнитный момент определяется соотношением:

M=CΦI₂cosψ₂.

Здесь:   – конструктивный коэффициент; ω₀=2πf/p – скорость вращения магнитного поля; ψ₂ – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора; I₂cosψ₂ – активная составляющая тока ротора.

Таким образом, величина электромагнитного момента зависит от результирующего магнитного поля Φ и активной составляющей тока ротора.

На рис. 2.12 приведено пояснение влияния cosψ₂ на величину электромагнитного момента: а) ψ₂=0°, (cosψ₂=1); б) ψ₂=90°, (cosψ₂=0).

Рис. 2.12.

Как следует из рис. 2.12.а, если ψ₂=0°, в создании электромагнитного момента участвуют все проводники обмотки ротора, т.е. момент имеет наибольшее значение. Если ψ₂=90° (рис. 2.12.б), результирующая электромагнитная сила и момент равны нулю.

В режиме двигателя при изменении нагрузки на валу изменяется частота вращения ротора, что приводит к изменению скольжения, частоты тока ротора, индуктивного сопротивления ротора и cosψ₂. В результате изменяется вращающий момент. На рис. 2.13 приведено пояснение влияния индуктивного сопротивления ротора на угол ψ₂: а) при S=1 (пуск в ход); б) при S≤1 (после разгона). Наибольшие значения ЭДС и частота тока ротора имеют в момент пуска в ход, когда скольжение S=1. При этом f₂=f₁, X₂>>R₂, угол ψ₂ близок к 90° (рис. 2.13.а).

Рис. 2.13

За счет малого cosψ₂ в момент пуска в ход асинхронные двигатели имеют ограниченный пусковой момент. Кратность пускового момента (по сравнению с номинальным) у них составляет

M_пуск/M_н=0,8÷1,8.

Причем большие цифры относятся к двигателям специальной конструкции с улучшенными пусковыми свойствами.

По мере разгона ротора двигателя частота тока ротора падает, уменьшается индуктивное сопротивление ротора X_2S и угол ψ₂ уменьшается (рис. 2.13.б). Это приводит к увеличению вращающего момента и дальнейшему разгону двигателя.

Подставим в выражение для электромагнитного момента соотношения для I₂, cosψ₂ и Φ, полученные ранее:

,  ,  .

Тогда

M=C	E1E2R2S	,
	4,44w1k1f[R22+(SX2)2]

Используя соотношение

	E1	=	w1k1	=kтр,
	E2		w2k2

где: k_тр – коэффициент трансформации асинхронной машины.

Выразим E₂=E₁/k_тр, а E₁ приравняем к напряжению U₁, подведенному к обмотке статора (E₁≈U₁). В результате получим другое выражение для электромагнитного момента, которое удобно использовать при анализе работы машины, при построении ее характеристик

(*)

M=Cм	U12R2S	.
	R22+(SX2)2

Из полученного выражения для электромагнитного момента следует, что он сильно зависит от подведенного напряжения (M∼U₁²). При снижении, например, напряжения на 10%, электромагнитный момент снизится на 19% (M∼(0,9U₁)²=0.81U₁²). Это является одним из недостатков асинхронных двигателей, так как приводит на производстве к снижению производительности труда и увеличению брака.

2. Система управляемый преобразователь – двигатель с отрицательной обратной связью по напряжению.

Система поддержания скорости с отрицательной обратной связью по

напряжению на якоре. Функциональная схема системы электропривода с

отрицательной обратной связью по напряжению приведена на рис.5.41.

Управляемый преобразователь УП обеспечивает регулирование

напряжения на якоре двигателя. Сигнал обратной связи по напряжению на

якоре снимается с потенциометра R1 – R2. Датчик напряжения ДН

осуществляетпотенциальноеразделение силовойцепи и цепиуправленияпреобразователем.При увеличениимомента на валу

двигателя увеличи-вается ток якоря I,возрастает падениенапряжения на внут-реннем сопротивле-нии преобразовате-ля, а напряжение наякоре двигателя UЯ

уменьшается. Уменьшается напряжение UОН на выходе ДН, а сигнал рассогла-

сования UВХ = UЗАД – UОН увеличивается. В результате растет напряжение

управления UУ преобразователя и увеличивается его ЭДС, компенсируя паде-

ние напряжения внутри преобразователя.

Получим выражение электромеханической характеристики двигателя ω = f(I)

в системе с ООС по напряжению.

Уравнения для статики

В полученном выражении скорость идеального холостого хода ωО опреде-

ляется напряжением задания UЗАД. Точность поддержания скорости Δω зависит

от контурного коэффициента усиления kУ·kП·kОН.

В разомкнутой системе кОН = 0,точность поддержанияΔωРАЗ = ΔωRэ + Δωrяопределяется сопротивлением якор-ной цепи RЭ + rЯ. В замкнутой систе-

ме при кОН = ∞ отклонение скоростизависит только от невыключаемогосопротивления rЯΔωЗАМК = Δωrя,то есть определяется естественной

характеристикой двигателя.При kОН → ∞ механическая ха-рактеристика приближается к есте-ственной характеристике двигателя

(рис.5.42). Система обеспечивает постоянство напряжения на якоре, точность –

не велика, диапазон – небольшой, до 10:1.Достоинства – простота, нет дополнительных сложных устройств (только

делитель и датчик напряжения ДН). Предельная жёсткость – естественная ха-рактеристика двигателя.Для увеличения точности поддержания скорости и диапазона регулирова-ния требуется применять системы с обратной связью по выходному параметру.

3.Схема нереверсивного управления с короткозамкнутым двухскоростным асинхронным двигателем с двумя обмотками на статоре на разное число полюсов.

Асинхронным двигателем с короткозамкнутым

После включения автоматов QF1 и QF2 нажимают сдвоенную кнопку SB1 (рис. 5). При этом срабатывает кон­тактор КМ1, который своими контак­тами размыкает цепь катушки контак­тора КМ2, чтобы исключить возмож­ность случайного включения этого контактора, что привело бы к аварии, и включает в трехфазную сеть обмот­ку статора с меньшим числом полюсов (2р=2). Одновременно шунтиру­ется кнопка SB1. Двигатель работает с наибольшей частотой вращения.

Рисунок 5 – Схема нереверсивного управления двухскоростным асинхронным двигателем

 

При необходимости перевода дви­гателя на меньшую частоту вращения нажимают сдвоенную кнопку SB2. При этом отключается контактор КМ1 и включается контактор КМ2. В резуль­тате размыкаются линейные контак­ты КМ1 и замыкаются линейные кон­такты КМ2, включающие в сеть обмот­ку статора с большим числом полю­сов (2р=4). Для отключения двигате­ля следует нажать кнопку SB3. При этом размыкается цепь управления и все устройства в этой цепи отключа­ются. В итоге размыкаются линейные контакты КМ2 и двигатель оказыва­ется выключенным.

Для защиты асинхронного двигате­ля от перегрузки в линейные провода цепей статоров включены тепловые реле КК1 – КК4, а их размыкающие контакты включены последовательно в цепь управления. При перегрузке по току хотя бы в одном линейном про­воде сработает тепловое реле, включенное в цепь этого провода, и цепь управления окажется разомкнутой.

 

4.Принципы компоновки и размещения ТП и РП.

Компоновка РУ 6—10 кВ, как правило, базируется на использовании ячеек КРУ и КСО, а до 1000 В —на использованииКРУ,ШО-70,ВРУ-78. В РП ячейки КСО и КРУ могут располагаться в один ряд, в два ряда, отдельностоящими, а КСО и прислонно (рис. 2.2,с, б, в).

Рис. 2.2. Различная компоновка оборудования закрытых РП и ТП: с — РП с двухрядным прислонным расположением ячеек КСО; б — РП с однорядным отдельностоящим расположением ячеек КРУ; в — РП с расположением секций РУ в разных помещениях; г — РТП (РП, совмещенное с ТП) с расположением РУ и трансформаторов в отдельных помещениях; д — двухлучевая ТП с контакторными станциями и расположением всего оборудования каждого луча в отдельном помещении; е — ТП с трансформатором 400 кВА и размещением всего оборудования в одном помещении, ж — ТП с одной трансформаторной ячейкой и РУ высшего и низшего напряжений, расположенными в разных помещениях; s — бетонная комплектная ТП с РУ высшего напряжения, РУ низшего напряжения и трансформаторами 2X630 кВА, расположенными в различных помещениях; и, к — ТП с трансформаторами 2Х Х630 кВ-А с расположением трансформаторов и РУ в разных помещениях; л — различная компоновка шкафов КТП; 1 — РУ высшего напряжения; 2 — РУ низшего напряжения; 3 — силовые трансформаторы; 4 — станция управления; 5 — одноместная сборка с предохранителями ПК; 6 — шиносоедннительный мост

 

При особо высоких требованиях к надежности секции РУ 6—10 кВ располагаются в разных помещениях (рис. 2.2,в,г). Если с шин РП питаются силовые трансформаторы, то они и распредустройства 380—660 В располагаются в различных помещениях (рис. 2.2, г). Трансформаторные подстанции по компоновке оборудования можно разделить на подстанции, в которых все оборудование размещается в одном общем помещении (рис. 2.2,д, е), и подстанции с РУ 6—10 кВ, РУ до 1000 В и трансформаторов в раздельных помещениях (рис. 2.2, ж, з, и, к). Компоновка оборудования (рис. 2.2, с) предусматривает РУ 6—10 кВ с шинами, расположенными в вертикальной плоскости. Подсоединение к шинам осуществляется через однополюсные разъединители. Стремление к максимальной механизации монтажа трансформаторных подстанций привело к созданию комплектных трансформаторных подстанций (КТП) различных схем, мощностей и конструктивных решений. На рис. 2.2,з показана компоновка оборудования подстанции в четырех бетонных блоках. Двухтрансформаторные КТП могут монтироваться в один и в два ряда с устройством шинного моста, а также с П-образным расположением (рис. 2.2,л). Однотрансформаторные КТП предназначены для установки в зданиях и чаще всего монтируются в один ряд.

5.Дистанционные защиты линий. Основные элементы дистанционных защит.

4.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные токовые защиты не могут обеспечить селективного отключения КЗ.

Рассмотрим кольцевую схему с двумя источника питания на рис. 4.1. Предположим, что на подстанциях установлены максимальные направленные защиты.

Рис. 4.1. Кольцевая сеть с двумя источниками питания

 

При КЗ на линии W2 (т. К1) времена срабатывания защит выглядят следующим образом: t₃ < t₁ < t₅, t₄ < t₆ < t₂. Однако при КЗ на линии W3 (т. К2) времена срабатывания защит выглядят следующим образом: t₆<t₂<t₄, t₅ < t₃ < t₁. Как видим, возникают противоречия работы защиты по отношению к временам срабатывания. Следовательно, в таких сетях применение максимальной направленной защиты не удовлетворяет требованиям селективности, быстродействию.

В связи с этим возникла необходимость в применении других принципов, позволяющих получить защиты с необходимым быстродействием, обеспечивающие селективность, чувствительность в сетях любой конфигурации. Одной из таких защит является дистанционная защита.

Основным элементом дистанционной защиты является дистанционный орган, определяющий удаленность КЗ от места установки защиты.

В качестве дистанционного (измерительного) органа используется реле сопротивления, непосредственно или косвенно реагирующие на полное, активное, реактивное сопротивление линии (z, r, x). Сопротивление фазы линии от места установки реле до места КЗ пропорционально длине этого участка: z_рк = z_уд ·l_к, r_рк = r_уд ·l_к, x_рк = x_уд ·l_к, где z_рк, r_рк, х_рк – полное, активное и реактивное сопротивления участка линии длиной l_рк; z_уд, r_уд, х_уд – удельное сопротивление на 1 км линии.

Таким образом, поведение реле, реагирующих на сопротивление линии, зависит от удаленности места повреждения l_рк.

 

Для обеспечения селективности дистанционные защиты в сетях сложной конфигурации необходимо выполнять направленными, действующими только при направлении мощности КЗ от шин в линию.

 

4.2. ПРИНЦИП ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ

Принцип обеспечения селективности действия защит со ступенчатой характеристикой рассматривается на примере схемы сети (рис. 4.2).

 

Рис. 4.2. Согласование выдержек времени дистанционных защит со ступенчатой характеристикой (Δz – погрешность дистанционного реле; 1, 2 – дистанционные защиты)

 Протяженность первой зоны берется несколько меньше протяженности линии с учетом погрешности Δz в сопротивлении срабатывания дистанционного реле. В зависимости от точности реле первая зона составляет 0,7-0,85 длины защищаемой линии. При КЗ в пределах первой зоны защита действует мгновенно. Остальная часть линии и шины противоположной подстанции охватываются второй зоной, протяженность и выдержка которой согласуются с первой зоной защиты следующего участка. Короткое замыкание в пределах второй зоны защита отключает с выдержкой времени t₁^II. Последняя, третья ступень защиты является резервной, ее протяженность выбирается из условия охвата следующего участка на случай отказа его защиты или выключателя. При повреждениях в третьей зоне защита действует с выдержкой времени t₁^III.

 4.3. ЭЛЕМЕНТЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Дистанционная защита относится к числу сложных защит. Все разновидности этой защиты состоят из нескольких общих элементов (органов защиты), выполняющих определенные функции.

Защита состоит из следующих органов (рис. 4.3):

· пускового органа ПО, пускающего защиту при возникновении КЗ. Обычно пусковой орган выполняется при помощи реле полного сопротивления или токовых реле.

· дистанционного органа ДО, определяющего удаленность места КЗ. В ступенчатых защитах выполняется при помощи реле минимального сопротивления. К реле подводится ток и напряжение защищаемой линии (I_p и U_р) и оно срабатывает при условии  , где z_ср – наибольшее сопротивление, при котором реле начинает действовать, т.е. сопротивление срабатывания реле.

Сопротивление z_р иногда называют фиктивным, т.к. в некоторых режимах (при нагрузке и качаниях) z_р не является сопротивлением линии. В этих случаях оно представляет отношение  , обладающее размерностью сопротивления, но не имеющее физического значения.

· органа выдержки времени В, создающего выдержку времени, с которой в зависимости от поведения дистанционного органа действует защита.

· органа направления мощности ОМ, не позволяющего работать защите при направлении мощности КЗ к шинам подстанции. Выполняются при помощи реле направления мощности и предусматривается только в тех случаях, когда пусковые и дистанционные органы не обладают направленностью.

· блокировки, автоматически выводящие защиту из действия в тех режимах, когда защита может сработать неправильно при отсутствии повреждения. Обычно применяются две блокировки:

- блокировка от исчезновения напряжения U_р при неисправностях в цепях напряжения БН, питающих защиту; при U_р=0 z_р=0, в этих условиях пусковые реле (если они реагируют на z) и дистанционные органы защиты приходят в действие, что может привести к неправильной работе защиты; блокировка приходит в действие при неисправностях в цепях напряжения, снимает оперативный ток с защиты, не позволяя ей действовать на отключение;

- блокировка от неправильного действия защиты при качаниях в системе БК; в этом режиме напряжение U_р снижается, а ток I_р возрастает, что приводит к уменьшению z_р, в результате чего пусковые и дистанционные органы защиты могут срабатывать и вызвать неправильное действие защиты; при возникновении качаний блокировка БК приходит в действие и выводит защиту из работы, размыкая ее цепь отключения.

 

Рис. 4.3. Упрощенная схема трехступенчатой дистанционной защиты

 

При КЗ на линии работают пусковое реле ПО и реле мощности ОМ. Через их контакты подается плюс постоянного тока к контактам дистанционных органов и на катушку реле времени третьей зоны. Если КЗ произошло в пределах первой зоны, то дистанционный орган первой зоны ДО_I замыкает контакты, образуя цепь на отключение линии. Если КЗ произошло во второй зоне, ДО_I не работает, т.к. сопротивление на его зажимах больше уставки сопротивления срабатывания первой зоны (z_p>z₁). В этом случае приходит в действие дистанционный орган второй зоны ДО_II. Он замыкает контакты и пускает реле времени В_II. По истечении времени t_II реле В_II замыкает контакт и посылает импульс на отключение.

При КЗ за пределами второй зоны омметры ДО_I и ДО_II не работают, т.к. сопротивления на его зажимах превышают уставки сопротивления срабатывания. Защита не может действовать со временем первой и второй зон. Реле времени В_III, запущенное пусковым реле, срабатывает когда истечет его выдержка времени t_III и посылает импульс на отключение выключателя. Специальных измерительных органов третьей зоны для упрощения защиты обычно не ставят.

 

Билет №15

1.Синхронные машины, Устройство, принцип работы (ЭМ).

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.