Билет №4

1 Процесс коммутации токов в фазах питающего трансформатора тп при переключении вентилей.

Коммутация в переходных процессах — мгновенное изменение параметров электрической цепи;

Ранее процесс перехода тока с одной фазы трансформатора на другую рассматривался, как мгновенный. Это было обусловлено принятыми допущениями. В реальных схемах из-за наличия в цепях переменного тока индуктивных сопротивлений, в частности, индуктивных сопротивлений обмоток трансформатора, процесс коммутации имеет определенную длительность. Индуктивные сопротивления обмоток трансформатора, обусловленные потоками рассеяния в магнитной системе, определяются из опыта короткого замыкания трансформатора, и в расчетах учитываются в виде общей индуктивности Ls, представляющей собой суммарную индуктивность рассеяния вторичной обмотки и, приведенную к ней, индуктивность первичной обмотки. Влияние на процесс коммутации активных сопротивлений обмоток трансформатора учитывать не будем из-за незначительности этого влияния.

По-прежнему выпрямленный ток считаем идеально сглаженным (Lн =). На рис 16 представлена эквивалентная схема трехфазного нулевого выпрямителя и диаграммы напряжений и токов, поясняющие процесс коммутации токов. Индуктивные сопротивления обмоток учтены введением в схему индуктивностей Ls . Предположим, что в проводящем состоянии находится вентиль VS1 . В момент1 поступает включающий импульс на вентиль VS2 . Поскольку потенциал анода вентиля в этот момент положителен относительно катода, вентиль включается.

Начиная с момента 1 оба тиристора включены и две фазы (“а” и “b”) вторичной обмотки трансформатора оказываются замкнутыми через них накоротко. Под воздействием ЭДС обмоток этих фаз (eа и eb) в короткозамкнутой цепи (контура коммутации) появляется ток короткого замыкания ik , который является коммутирующим током.

Этот ток можно в любой момент интервала коммутации (2 -1 ) определить по формуле:

ik = (U2m/2Xs)*{cos  - cos ( + )} (3-7)

где U2m -амплитудное значение линейного напряжения между фазами “a” и “b”.

Xs= LS (3-8)

 - угол управления.

Нужно отметить, что через вентиль VS1 фазы “а” ток ik протекает в непроводящем направлении. Такое возможно, т.к. вентиль VS1 смещен прямым током Id , протекавшем через него до начала коммутации. Ток ik направлен от фазы “b” с большим потенциалом к фазе “а” с меньшим потенциалом. Учитывая, что выпрямленный ток Id при Lн =в интервале коммутации остается неизменным, можно, согласно первому закону Кирхгофа для точки 0 записать:

ia + ib + Id = 0 ;

или с учетом направления токов:

ia + ib = Id = const.

Последнее уравнение справедливо для любого момента интервала коммутации. Пока ток проводит только вентиль VS1 , получаем ia = Id и ib = 0. На интервале одновременной проводимости вентилей VS1 и VS2 (интервал коммутации тока с фазы “а” на фазу “b”):

ia = Id - ik и ib = ik. Когда коммутация закончится и ток будет проводить только вентиль VS2 , получим:

ib = Id ; ia = 0.

Из рис 16 видно, что в интервале от 1 до2 ток ib плавно увеличивается, а ia уменьшается. Когда ток ib станет равным Id , а ток ia снизится до нуля, вентиль VS1 выключится и ток нагрузки будет продолжать протекать только через вентиль VS2 .

Длительность интервала коммутации характеризуется углом коммутации , который может быть определен из следующего уравнения (для трехфазной нулевой и трехфазной мостовой схем):

обозначив угол коммутации при угле управления= 0 через0, можно записать:

Подставляя в исходное уравнение значение 0, получаем:

 = arccos {cos + cos0 - 1} -.

Согласно последней формуле с ростом угла (в пределах 0<<90) уменьшается угол коммутации. Физическая сущность этого явления состоит в том, что с увеличением угла(в указанных пределах) растет напряжение, под действием которого возрастает ток ik в контуре коммутации и, следовательно, до значения Id он нарастает быстрее.

При дальнейшем росте угла (90180) угол коммутации увеличивается.

Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение Ud . Это связано с тем, что при изменении фазных токов в зоне коммутации в индуктивностях Ls обмоток трансформатора появляются ЭДС самоиндукции. В выходящей из работы фазе ЭДС самоиндукции складывается с ЭДС “ea”. Во вступающей в работу фазе ЭДС самоиндукции вычитается из “eb”. Таким образом, с учетом действия ЭДС самоиндукции мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока равно полусумме ЭДС коммутируемых фаз.

Ud = (Ua + Ub)/2 . (3-12)

где Ua и Ub - мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.

Так как, в зоне коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения снижается, по сравнению с мгновенной коммутацией, до величины Ud , происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения. Его величина определяется выражением:

(3-14)

Из (3-7), (3-8), и (3-14) можно получить: (3-15)

Анализируя последнюю формулу, мы видим, что от двух первых множителей, стоящих в числителе, зависит ширина заштрихованной на диаграмме площадки. От значения третьего множителя (mn) зависит количество этих площадок, приходящихся на период переменного напряжения - (2).

В завершение рассмотрения процесса коммутации фазных токов обратим внимание на то, что коммутационное снижение средней величины выпрямленного напряжения не зависит от действующего значения переменного напряжения на вторичных обмотках питающего трансформатора, а, также, от величины угла управления “”. Оно зависит только от трех величин, входящих в формулу (3-15).

Внешней характеристикой ТП называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки при неизменной величине угла управления .

mn - пульсность схемы -отношение частоты пульсации к частоте питающего напряжения.Mn=шести-трехфазная мостовая схема.Mn=3-трехфазная нулевая схема.Mn=2 – однофазная мостовая схема выпрямителя.

Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением преобразователя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки. Снижение напряжения обусловлено в том числе Коммутационным падением напряжения (Uk).

2 Режимы работы электрических сетей. Режимы нейтрали в промышленных электроустановках.

При работе в нормальном установившемся режиме значения основных параметров(частоты и напряжения) равны номинальным или находятся в пределах допустимых отклонений от них, значения токов не превышают допустимых по условиям нагревания величин. Нагрузки изменяются медленно, что обеспечивает возможность плавного регулирования работы электростанций и сетей и удержание основных параметров в пределах допустимых норм. Отметим, что нормальным считается режим и при включении и отключении мощных линий или тра нсформаторов, а также для резкопеременных (ударных) нагрузок. В этих случаях после завершения переходного процесса, который продолжается доли секунды, вновь наступает установившийся нормальный режим, когда значения параметров в контрольных точках системы оказываются в допустимых пределах.

В переходном неустановившемся режиме система переходит из установившегося нормального состояния в другое установившееся с резко изменившимися параметрами. Этот режим считается аварийным и наступает при внезапных изменениях в схеме и резких изменениях генераторных и потребляемых мощностей. В частности, это имеет место при авариях на станциях или сетях, например при коротких замыканиях и последующем отключении поврежденных элементов сети, резком падении давления пара или напоров воды и т.д. Во время аварийного переходного режима параметры режима системы в некоторых ее контрольных точках могут резко отклоняться от нормированных значений.

Послеаварийный установившийся режим наступает после локализации аварии в системе. Этот режим чаще всего отличается от нормального, так как в результате аварии один или несколько элементов системы (генератор, трансформатор, линия) будут выведены из работы. При послеаварийных режимах может возникнуть так называемый дефицит мощности, когда мощность генераторов в оставшейся в работе части системы меньше мощности потребителей. Параметры послеаварийного (форсированного) режима могут в той или иной степени отличаться от допустимых значений. Если значения этих параметров во всех контрольных точках системы являются допустимыми, то исход аварии считается благополучным. В противном случае исход аварии неблагополучен и диспетчерская служба системы принимает немедленные меры к тому, чтобы привести параметры послеаварийного режима в соответствие с допустимыми. Режим работы нейтрали в установках напряжением выше 1 кВ Электротехнические установки напряжением выше 1 кВ согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) разделяются на установки с большими токами замыкания на землю (сила тока однофазного замыкания на землю превышает 500 А) и установки с малыми токами замыкания на землю (сила тока однофазного замыкания на землю меньше или равна 500 А). В установках с большими токами замыкания на землю нейтрали присоединены к заземляющим устройствам непосредственно или через малые сопротивления. Такие установки называются установками с глухозаземленной нейтралью. В установках, имеющих малые токи замыкания на землю, нейтрали присоединены к заземляющим устройствам через элементы с большими сопротивлениями. Такие установки назы-ваются установками с изолированной нейтралью. В установках с глухозаземленной нейтралью всякое замыкание на землю является коротким замыканием и сопровождается большим током. В установках с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не является коротким замыканием (КЗ). Прохождение тока через место замыкания обусловлено проводимостями (в основном, емкостными) фаз относительно земли. Выбор режима нейтрали в установках напряжением выше 1 кВ производится при учете следующих факторов: экономических, возможности перехода однофазного замыкания в междуфазное, влияние на отключающую способность выключателей, возможности повреждения оборудования током замыкания на землю, релейной защиты и др. В электрических сетях РАО ЕЭС России приняты следующие режимы работы нейтрали:

электрические сети с номинальными напряжениями 6...35 кВ работают с малыми токами замыкания на землю; при небольших емкостных токах замыкания на землю - с изолированными нейтралями; при определенных превышениях значений емкостных токов - с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Если в одной из фаз трехфазной системы, работающей с изолированной нейтралью, произошло замыкание на землю, то напряжение ее по отношению к земле станет равным нулю, а напряжение остальных фаз по отношению к земле станет равным линейному, т. е. увеличится в ˅3 раз. Ток замыкания на землю будет небольшим, поскольку вследствие изоляции нейтрали отсутствует замкнутый контур для его прохождения. Ток замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью будет небольшим и не вызовет аварийного отключения линии. Таким образом, изоляция нейтрали источника питания обеспечивает надежность электроснабжения, так как не отражается на работе потребителей. Однако в сетях с большими емкостными токами на землю (особенно в кабельных сетях) в месте замыкания возникает перемежающаяся дуга, которая периодически гаснет и вновь зажигается, что наводит в контуре с активными, индуктивными и емкостными элементами э.д.с,

превышающие номинальные напряжения в 2,5...3 раза. Такие напряжения в системе при однофазном замыкании на землю недопустимы. Чтобы предотвратить возникновение перемежающихся дуг между нейтралью и землей включают индуктивную катушку с регулируемым сопротивлением. Повышение напряжения по отношению к земле в неповрежденных фазах при наличии слабых мест в изоляции этих фаз может вызвать междуфазное короткое замыкание,. Кроме того, напряжение в неповрежденных фазах повышается в ˅3 раз, следовательно, требуется выполнять изоляцию всех фаз на линейное напряжение, что приводит к удорожанию машин и аппаратов. Поэтому, хотя и разрешается работа сети с изолированной нейтралью при замыкании фазы на землю, его требуется немедленно обнаружить и устранить. Электрические сети с номинальным напряжением 110 кВ и выше работают с большими токами замыкания на землю (с эффективно заземленными нейтралями).

Режим работы нейтрали в установках напряжением до 1 кВ

Электроустановки напряжением до 1 кВ работают как с глухо-заземленной (четырехпроводные сети), так и с изолированной (трехпроводные сети) нейтралью. В наиболее распространенных четырехпроводных сетях напряжением до 380 В, общих для силовых и осветительных электроприемников, нейтраль и нейтральный провод обязательно заземляются. Это вызвано тем, что контроль изоляции нейтрального провода относительно земли практически неосуществим. Нейтральный провод, не имеющий заземления, с неустраненными скрытыми дефектами изоляции представляет собой пожарную опасность, так как при однофазном замыкании на землю образуется петля для протекания тока КЗ через нейтральный провод (рис. 2.1). При относительно малом сечении нейтрального провода этот ток может вызвать значительный его перегрев и возгорание.

Рис. 2.1. Схема четырехпроводной сети напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью трансформатора и занулением оборудования.

Рис. 2.2. Принципиальная схема трехпроводной сети напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью трансформатора: 1 - вторичная обмотка трансформатора; 2 - схема контроля изоляции; 3 – заземление

В четырехпроводных сетях необходимо также осуществить заземление всего оборудования на заземленную нейтраль. Безопасность при этом обеспечивается немедленным автоматическим отключением аварийного участка при протекании большого тока металлического КЗ. В трехпроводных сетях (рис. 2.2) трехфазные двигатели, печи, сварочные аппараты и другие трехфазные электроприемники включаются только на линейное напряжение. Однофазные электроприемники соединяют по схеме треугольника, распределяя их равномерно по сторонам треугольника напряжений. Рассмотренные выше преимущества и недостатки трехпроводных сетей напряжением 6...35 кВ с изолированной нейтралью распространяются и при напряжении до 1 кВ. Однако в сетях напряжением до 1 кВ перемежающиеся дуги при однофазном замыкании на землю не возникают и поэтому не требуется установка дугогасящих катушек. Однако емкостные токи при замыканиях на землю представляют опасность для персонала при соприкосновении с фазой. Безопасные значения токов могут быть только в малоразветвленных сетях с хорошим состоянием изоляции. Таким образом, в установках напряжением до 1 кВ допустимы обе системы: при малоразветвленных сетях имеет преимущества система с изолированной нейтралью, при сильно разветвленных сетях целесообразно работать с заземленной нейтралью. В электроустановках напряжением 500 и 660 В нейтраль, как правило, изолирована.

3.	Статистические и динамические характеристики технологических объектов управления
	- Способы определения параметров объекта управления.
	- Возможности регулирования статистической и динамической ошибки.
	- Комбинированное управление (по управляющим и возмущающим воздействиям) на примере котельной установки.
	- Настройка регуляторов на нужное качество динамических процессов.

Расчет параметров объекта управления

Существуют аналитические, экспериментальные и комбинированные методы получения математического описания объектов управления.

Аналитические методы базируются на использовании уравнений, описывающих физико-химические и энергетические процессы, протекающие в исследуемом объекте управления. Это, например, законы сохранения вещества и энергии (уравнения материального баланса). В настоящее время для многих классов объектов управления получены их математические модели. В частности, для аэрокосмических объектов (ракет, самолетов, вертолетов), для технологических объектов (химические реакторы), для энергетических процессов (ядерные реакторы, паровые турбины, генераторы, двигатели). При получении таких описаний обычно оперируют с дифференциальными уравнениями в частных производных, так как переменные изменяются и во времени, и в пространстве.

Экспериментальные методы предполагают проведение серии экспериментов на реальном объекте управления. Обработав результаты экспериментов, оценивают параметры динамической модели объекта, задавшись предварительно ее структурой.

Наиболее эффективными оказываются комбинированные методы построения математической модели объекта, когда, используя аналитически полученную структуру объекта, ее параметры определяют в ходе натурных экспериментов.

Для быстрого и экономичного определения динамических характеристик обычно используют метод переходных характеристик (кривых разгона). В режиме ручного управления подают ступенчатое входное воздействие (1–5 % от диапазона регулирования) и регистрируют изменение выходного сигнала.

При проведении эксперимента обычно требуется для достоверности снять 4–16 переходных характеристик (в зависимости от помех), затем каждую характеристику обработать (произвести сглаживание переходной характеристики, например, скользящим усреднителем), нормировать, усреднить до одной и аппроксимировать.

Сняв кривую разгона и оценив характер объекта управления (с самовыравниванием или без), можно определить параметры соответствующей передаточной функции. Перед началом обработки кривую разгона рекомендуется пронормировать (диапазон изменения нормированной кривой 0–1) и выделить из ее начального участка величину чистого временного запаздывания.

При снятии кривой разгона необходимо выполнить ряд условий:

1. Если проектируется система стабилизации, то кривая разгона должна сниматься в окрестности рабочей точки процесса.

2. Кривые разгона необходимо снимать как при положительных, так и отрицательных скачках управляющего сигнала. По виду кривых можно судить о степени асимметрии объекта. При небольшой асимметрии расчет настроек регулятора рекомендуется вести по усредненным значениям параметров передаточных функций. Линейная асимметрия наиболее часто проявляется в тепловых объектах управления.

3. При наличии зашумленного выхода желательно снимать несколько кривых разгона с их последующим наложением друг на друга и получением усредненной кривой.

4. При снятии кривой разгона необходимо выбирать наиболее стабильные режимы процесса, например ночные смены, когда действие внешних случайных возмущений маловероятно.

5. При снятии кривой разгона амплитуда пробного входного сигнала должна быть, с одной стороны, достаточно большой, чтобы четко выделялась кривая разгона на фоне шумов, а с другой стороны, она должна быть достаточно малой, чтобы не нарушать нормальный ход технологического процесса.

В простейшем случае при практических расчетах наиболее часто h(t) объекта аппроксимируют либо апериодическим звеном с запаздыванием (рис. 14.22,а),

,

либо интегрирующим звеном с запаздыванием (рис. 14.22, б),

.

а б

Рис. 14.22. Аппроксимация объекта регулирования

Рассмотрим пример. Построим график нормированной кривой разгона по ее значениям, приведенным ниже (выделена величина чистого запаздывания τ_з= 3 мин).

t, мин	0	2	4	6	8	10	12	14	18	222
h	0	0,087	0,255	0,43	0,58	0,7	0,78	0,84	00,92	00,96

Определение динамических характеристик объектов по кривой разгона можно производить разными методами.

Метод касательной к точке перегиба кривой разгона. В данном случае точка перегиба соответствует переходу кривой от режима ускорения к режиму замедления темпа нарастания выходного сигнала. Полное запаздывание τ_обопределяется в соответствии с графиком τ_об= τ_з+ τ_d.

Формульный метод позволяет аналитически вычислить величину динамического запаздывания и постоянной времени по формуле

где значение берется в окрестности точки перегиба кривой, а значениепринимается равным 0,8–0,85. По этим значениям определяются и моменты времении.

Рис. 14.23. График кривой разгона

Тогда

.

Близкие результаты получаются по методу Круг–Мининой:

_об= 0,5(3₁ –₂),Т_об = 1,25(₂–₁),

где ₁– время приh(t) = 0,33H_уст, ₂– время приh(t) = 0,7H_уст.

Методика определения параметра Kдинамической модели объекта без самовыравниваниярассмотрим на примере кривой разгона регулирования нагрузки осветлителя. Предполагается, что на вход объекта увеличили подачу воды на 10 м³/час =G, при этом уровень начал увеличиваться. Приращение уровня зафиксировано ниже.

tc,с	0	100	200	300
h,мм	0	20	76	135

Для объекта без самовыравнивания коэффициент усиления определяется как отношение установившейся скорости изменения выходной величины к величине скачка входного сигнала (рис. 14.24):

K == 0,56/10 = 0,056.

Рис. 14.24. График разгонной характеристики объекта без самовыравнивания

Объект можно более точно описать передаточной функцией 2-го порядка, выводимой из реальной кривой разгона (рис. 14.25):

.

Т₁можно найти, если отрезокabразделить пополам, найдя точкус, от­кудаТ₁ =DB.

Рис. 14.25. Реальная кривая разгона

Уже затем для расчетов принимают

,

где _об = _у + _м, Т_об = Т₁ + _м. Ориентировочно можно принять Т_об = Т_а.

На рис. 14.26 представлены экспериментальная кривая 1 и аппроксимированная кривая 2 по уравнению звена первого порядка с запаздыванием. Хотя кривые отличаются, все же такое представление наиболее распространено из-за простоты и удобства в расчетах.

Существенно лучше сближение переходных характеристик может быть получено при аппроксимации объекта последовательным соединением двух звеньев первого порядка с одинаковыми постоянными времени Т₂ (кривая3на рис. 14.26).

,

где Т₂=Т₀ / 2,72, τ_n = 0,102Т₀.

Рис. 14.26. Представление объекта регулирования

Если сложный объект представить как nодинаковых инерционных звеньев первого порядка, соединенных последовательно, то его передаточная функция

W₀ (p) =

Переходные процессы для такого объекта приведены на рис. 14.27, где K₀ = 1.

Рис. 14.27. Переходные процессы для nодиночных звеньев

Длительность апериодического переходного процесса можно определить:

t_n >,

где ω₀– полоса пропускания¹.

Для малоколебательных переходных процессов

t_n = .

Все новейшие САР используют цифровые регуляторы. Требуется правильно выбрать период квантования. Можно воспользоваться теоремой Котельникова–Шеннона, по которой

f_кв >ω₀/ 2π.

Также рекомендуется выбирать период квантования из соотношения

T₉₅/ 15 < 1/f_кв<T₉₅/ 5,

где T₉₅– время достижения выходным сигналом уровня 95 % от установившегося значения при подаче на вход объекта ступенчатого сигнала. Можно приниматьT₉₅ ≈ τ_об+ 3T_об.