Переходные процессы в электротехники / Лабораторные работы / ПП-2012.Учебное пособие
.pdfВведение.
Электроэнергетическая система представляет собой [1] совокупность электрических станций, электрических и тепловых сетей и узлов потребления,
объединенных процессом производства, передачи и распределения электроэнергии и теплоэнергии и связанных общим оперативным и хозяйственным управлением.
Электрическая система – это условно выделенная часть электроэнергетической системы [2], в которой осуществляется выработка, преобразование, передача и потребление электрической энергии.
Врезультате аварий в системе возникают переходные процессы, в течение которых происходит переход от одного режима к другому.
Всилу физических свойств электрической схемы переходный процесс является единым по своей природе, и должен рассматриваться на основе общего математического описания. Тем не менее, очень часто переходный процесс делят на две стадии. На первой стадии из-за большой инерции вращающих машин в электрической системе происходит электромагнитный переходный процесс, который длится от нескольких сотых до десятых долей секунды. На второй стадии проявляются механические свойства системы. Эта стадия называется электромеханическим переходным процессом, который длится несколько секунд.
К электромагнитным переходным процессам относятся процессы вызванные короткими замыканиями в элементах системы, отключением одной фазы линии электропередачи, выключением трансформаторов, электродвигателей и других электроприемников.
Короткими замыканиями называют замыкания между фазами, замыкание фаз на землю (в сетях с заземленными нейтралями), а также межвитковые замыкания в электрических машинах и трансформаторах.
При возникновении коротких замыканий в электрической системе сопротивление цепи резко уменьшается, что приводит к увеличению токов в отдельных ветвях системы по сравнению с токами нормального режима. Это вызывает снижение напряжения в системе, которое особенно велико вблизи места короткого замыкания.
3
Трехфазные короткие замыкания называются симметричными, так как при таких замыканиях все фазы остаются в одинаковых условиях. Все остальные виды коротких замыканий называются несимметричными. Эти короткие замыкания, а
также несимметричные нагрузки представляют различные виды поперечной несимметрии.
Нарушение симметрии промежуточного элемента трехфазной цепи (например,
отключение одной фазы линии электропередачи) называется продольной несимметрией.
Вычисление токов коротких замыканий необходимо для выбора электрооборудования (электрических аппаратов, шин, изоляторов, силовых кабелей и т.д.), выбора средств ограничения этих токов, проектирования релейной защиты и т.д.
Косновным причинам возникновения коротких замыканий относятся:
нарушение изоляции электрооборудования, обусловленное её старением, загрязнение поверхности изоляторов, механические повреждения изоляции; обрывы проводов линии электропередачи; преднамеренные замыкания, вызванные действием короткозамыкателей; ошибки персонала при проведении переключений.
Последствия коротких замыканий: системная авария, вызванная нарушением устойчивости электрической системы; термическое повреждение электрооборудования, связанное с его недопустимым нагревом; механическое повреждение электрооборудования, вызванное действием больших электромагнитных сил между токоведущими частями; ухудшение условий работы потребителей (например, при понижении напряжения возможна остановка электродвигателей); наведение в соседних линиях связи и сигнализации ЭДС опасных для обслуживающего персонала.
Содержание (схемы, таблицы, описание) учебно-методического комплекса, на котором производится постановка лабораторного практикума, принадлежат авторам
[11].
4
1.Учебный программно-методический комплекс «Переходные процессы в электроэнергетических системах»
Аппаратная часть учебного программно-методического комплекса [11]
выполнена по блочному (модульному) принципу и содержит: спроектированные с учебными целями натурные аналоги элементов электрической системы; источники питания; измерительные преобразователи и приборы; IBM-совместимый персональный компьютер с встроенной платой ввода/вывода информации фирмы
National Instruments; составной лабораторный стол с встроенными контейнерами для хранения проводников и методических материалов, рамами для установки необходимых в эксперименте функциональных блоков, выкатной полкой для клавиатуры компьютера и подставкой для системного блока последнего.
Питание модели осуществляется от трехфазной электрической сети напряжением 380 В с нейтральным и защитным проводниками.
Потребляемая мощность В·А, не более……………...........1000
Габариты (длина/ ширина / высота), мм...…..3650x900x1600
Масса, кг, не более……………….....……………….............300
Программная часть комплекса включает: программную среду персонального компьютера (Windows XP); комплект специальных программ на языке Delphi 6.
5
1.1 Перечень аппаратуры, используемой в экспериментах
Тип и количество функциональных блоков аппаратной части учебного
программно-методического комплекса [11], используемых в конкретных экспериментах, приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Тип |
|
Номер лабораторной работы |
|
|||||
функционального |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
блока |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
101.2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
102.1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
103.1 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
104 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
201.2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
206.1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
209.2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
214.1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
301.1 |
|
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
2 |
304 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
306.1 |
|
1 |
|
1 |
1 |
|
|
|
313.2 |
|
2 |
2 |
2 |
2 |
1 |
1 |
2 |
314.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
317.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
319 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
324.2 |
|
1 |
|
1 |
1 |
|
|
|
330 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
331 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
332 |
|
|
|
|
|
|
|
|
338 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
340 |
|
|
|
|
|
|
|
|
347.1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
|
|
1 |
347.2 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
1 |
401.1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
402.3 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
504.2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
505.2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
506.2 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
507.2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
508.2 |
|
|
|
1 |
1 |
|
1 |
|
550 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1.2 Описание и технические характеристики электромашинных агрегатов
Технические характеристики электромашинных агрегатов даны в табл. 1.2-1.4.
Электромашинный агрегат (тип 100.1) предназначен для электромеханического преобразования энергии постоянного или переменного тока, получения сигналов,
определяющих частоту вращения и угловое положение подвижных частей агрегата.
6
Он включает сочлененные между собой и установленные на едином основании машину постоянного тока, машину переменного тока, маховик и преобразователь угловых перемещений.
Концы обмоток машин выведены через гнезда на терминальные панели,
прикрепленные к их корпусам.
|
Таблица 1.2. |
|
|
Машина постоянного тока |
|
(тип 101.2) |
|
Номинальная мощность, Вт |
90 |
Номинальное напряжение якоря, В |
220 |
Номинальный ток якоря, А |
0,56 |
Номинальная частота вращения, мин–1 |
1500 |
Возбуждение |
Независимое |
|
/параллельное/ |
|
последовательное |
Номинальное напряжение возбуждения, В |
220 |
Номинальный ток обмотки возбуждения, А |
0,2 |
КПД, % |
57,2 |
Направление вращения |
любое |
Режим работы |
Двигательный/ |
|
генераторный |
|
|
Машина переменного тока (тип 102.1) |
|
Число фаз на статоре |
3 |
Число фаз на роторе |
3 |
|
|
Как синхронная машина |
|
Номинальная активная мощность, Вт |
100 |
Номинальное напряжение, В |
230 |
Схема соединения обмоток статора |
Y |
cos H |
1 |
Номинальный ток статора, А |
0,26 |
Ток возбуждения холостого хода, А |
1,6 |
Номинальное напряжение возбуждения, В |
22 |
Номинальный ток возбуждения, А |
1,85 |
Направление вращения |
любое |
Номинальная частота вращения, мин–1 |
1500 |
|
|
Как асинхронная машина |
|
Частота тока, Гц |
50 |
Номинальная полезная активная мощность, Вт |
30 |
Номинальное напряжение, В |
127 |
Схема соединения обмотки статора |
Y |
Схема соединения обмотки ротора |
Y |
Номинальный ток статора, А |
0,35 |
КПД, % |
36 |
cos H |
0,73 |
Номинальная частота вращения, мин–1 |
1250 |
|
|
Маховик |
|
Момент инерции, н·м·с2 |
0,032 |
7
Масса, кг, не более |
7 |
|
|
|
|
Преобразователь угловых перемещений (тип 104) |
|
|
Модель |
ВЕ 178А |
|
Количество выходных каналов |
6 |
|
Выходные сигналы |
серия |
импульсов |
|
и |
опорный |
|
импульс |
|
Число импульсов за оборот в серии |
2500 |
|
Диапазон изменения рабочих частот вращения вала, мин-1 |
0..6000 |
|
Электромашинный агрегат (тип 100.3) предназначен для электромеханического преобразования энергии постоянного или переменного тока, получения сигналов,
определяющих частоту вращения и угловое положение подвижных частей агрегата.
Он включает сочлененные между собой и установленные на едином основании машину постоянного тока, классический асинхронный двигатель переменного тока,
маховик и преобразователь угловых перемещений.
Концы обмоток машин выведены через гнезда на терминальные панели,
прикрепленные к их корпусам.
|
Таблица 1.3. |
|
|
Машина постоянного тока (тип 101.2) |
|
|
|
|
|
Номинальная мощность, Вт |
90 |
Номинальное напряжение якоря, В |
220 |
Номинальный ток якоря, А |
0,56 |
Номинальная частота вращения, мин–1 |
1500 |
Возбуждение |
Независимое |
|
/параллельное/ |
|
последовательное |
Номинальное напряжение возбуждения, В |
220 |
Номинальный ток обмотки возбуждения, А |
0,2 |
КПД, % |
57,2 |
Направление вращения |
любое |
Режим работы |
Двигательный/ |
|
генераторный |
|
|
Асинхронный двигатель (тип 106) |
|
Число фаз на статоре |
3 |
Схема соединения обмоток статора |
Δ/Y |
Частота тока, Гц |
50 |
Номинальная полезная активная мощность, Вт |
120 |
Номинальное напряжение, В |
220/380 |
Номинальный ток статора, А |
0,73 / 0,42 |
КПД, % |
63 |
cos H |
0,66 |
Номинальная частота вращения, мин–1 |
1350 |
|
|
8
Маховик |
|
|
Момент инерции, н·м·с2 |
0,009 |
|
Масса, кг, не более |
7 |
|
|
|
|
Преобразователь угловых перемещений (тип 104) |
|
|
Модель |
ВЕ 178А |
|
Количество выходных каналов |
6 |
|
Выходные сигналы |
серия |
импульсов |
|
и |
опорный |
|
импульс |
|
Число импульсов за оборот в серии |
2500 |
|
Диапазон изменения рабочих частот вращения вала, мин-1 |
0…6000 |
|
1.3 Описание и технические характеристики функциональных блоков
Таблица 1.4.
|
|
Наименование и описание |
|
|
|
Параметры |
|
Тип |
Ширина |
||
|
|
|
|
|
|
, мм |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
3 |
4 |
|
Трехфазный источник питания |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Предназначен для питания комплекса трехфазным |
400 В ~; |
|
|
|
|||||||
переменным |
напряжением. Включается |
вручную. |
Имеет |
16 А |
|
201.2 |
285 |
||||
защиту от перегрузок, устройство защитного отключения, |
Ток срабатывания |
||||||||||
|
|
||||||||||
кнопку |
аварийного |
отключения |
и |
ключ |
от |
УЗО – 30 mA |
|
|
|
||
несанкционированного включения. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Источник питания двигателя постоянного тока |
|
Цепь якоря |
|
|
|
||||||
Предназначен для питания обмоток якоря и возбуждения |
|
|
|
||||||||
0…250В–; |
|
|
|
||||||||
постоянным током. Включается вручную или дистанционно / |
|
|
|
||||||||
автоматически от ПЭВМ. Якорное напряжение регулируется |
3 А |
|
206.1 |
285 |
|||||||
вручную или дистанционно. Напряжение возбуждения |
Цепь возбуждения |
|
|
||||||||
200В–; 1А |
|
|
|
||||||||
постоянное. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Тиристорный преобразователь / регулятор |
|
|
|
|
|
|
|||||
Предназначен для регулирования частоты вращения двигателя |
|
|
|
|
|||||||
постоянного тока (режим преобразователя) и трехфазного |
|
|
|
|
|||||||
асинхронного |
двигателя |
(режим регулятора). |
Преобразует |
3x400В -; |
|
207.2 |
285 |
||||
трехфазное напряжение синусоидального тока в напряжение |
2 А |
|
|||||||||
|
|
|
|||||||||
постоянного тока, а также в трехфазное напряжение |
|
|
|
|
|||||||
переменной величины. Выходное напряжение регулируется |
|
|
|
|
|||||||
вручную или дистанционно / автоматически (от ПЭВМ). |
|
|
|
|
|
||||||
Возбудитель синхронной машины |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Предназначен для питания обмотки возбуждения. Включается |
0…40В –; 3,5 А |
|
209.2 |
285 |
|||||||
и регулируется вручную или дистанционно / автоматически |
|
||||||||||
(от ПЭВМ). Выходные цепи изолированы от входных. |
|
|
|
|
|
||||||
Источник постоянного напряжения |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Предназначен для питания обмоток якоря и возбуждения |
|
|
|
|
|||||||
постоянным током. Включается вручную или дистанционно / |
0…125В –; 3 А |
|
214.1 |
285 |
|||||||
автоматически от ПЭВМ. Выходное напряжение регулируется |
|
|
|
|
|||||||
вручную или дистанционно (от ПЭВМ). |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Трехполюсный выключатель |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Предназначен для ручного или дистанционного / |
400В~; 10А |
|
301.1 |
95 |
|||||||
автоматического (от ПЭВМ) включения / отключения |
|
||||||||||
электрических цепей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Терминал |
|
|
|
|
|
|
6 розеток с |
8 |
|
|
|
Предназначен для обеспечения удобного доступа к входам / |
контактами; |
|
304 |
95 |
|||||||
выходам управления функциональных блоков. |
|
|
6x8 гнезд |
|
|
|
|||||
9
Активная нагрузка |
|
|
|
|
|
220/380В; 50Гц; |
|
|
|||
Предназначена для моделирования однофазных и трехфазных |
306.1 |
285 |
|||||||||
потребителей активной мощности. Регулируется вручную. |
|
3x0…50 Вт; |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
Модель линии электропередачи |
|
|
|
400 В~; |
|
|
|
||||
Предназначена для моделирования ЛЭП переменного тока как |
3х0,5 А |
|
|
|
|||||||
цепи с сосредоточенными параметрами |
|
|
0…1,5 Гн/ |
|
313.2 |
285 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
0…50 Ом |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
0…2x0,45 мкФ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
0…250 Ом |
|
|
|
|
Линейный реактор |
|
|
|
|
|
220/380 В; 50 Гц; |
|
|
|||
Предназначен для моделирования продольной индуктивности |
314.2 |
95 |
|||||||||
электрической сети |
|
|
|
|
|
0,5А;0,3 Гн/10 Ом |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Устройство продольной емкостной компенсации |
|
400 В; 50 Гц; |
|
|
|
||||||
Предназначено для моделирования продольной емкостной |
0,5 А; |
|
315.2 |
95 |
|||||||
компенсации ЛЭП |
|
|
|
|
|
Емкость на |
фазу |
||||
|
|
|
|
|
|
|
2x16 мкФ |
|
|
|
|
Емкостная нагрузка |
|
|
|
|
220/380 В; 50 Гц; |
|
|
||||
Предназначена для моделирования опережающей реактивной |
317.2 |
285 |
|||||||||
мощности в электрической системе |
|
|
|
3x40 Вар |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Блок синхронизации |
|
|
|
|
400 В ~; 10 А |
|
|
|
|||
Предназначен |
для |
|
ручного |
|
или |
|
|
|
|||
дистанционного/автоматического подключения (от ПЭВМ) |
3 |
индикаторные |
319 |
285 |
|||||||
синхронной машины к сети методами точной синхронизации |
лампы; |
|
|
|
|||||||
или самосинхронизации. |
|
|
|
|
синхроноскоп |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Индуктивная нагрузка |
|
|
|
|
220/380 В; 50Гц; |
|
|
||||
Предназначена для |
моделирования |
потребителя |
отстающей |
324.2 |
285 |
||||||
реактивной мощности в электрической системе |
|
|
3х40 Вар |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Коннектор |
|
|
|
|
|
8 аналог. диф. |
|
|
|||
Предназначен для обеспечения удобного доступа к входам / |
Входов; 2 аналог. |
|
|
||||||||
выходам платы ввода/вывода |
|
|
|
|
выхода; |
|
330 |
285 |
|||
PCI 6024E персонального компьютера. |
|
|
8 цифр. Входов/ |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
выходов |
|
|
|
|
Блок ввода /вывода цифровых сигналов |
|
|
8 |
входов |
типа |
|
|
||||
Предназначен для ввода сигналов типа «сухой контакт» и |
«сухой контакт»; |
331 |
95 |
||||||||
вывода сигналов через контакты промежуточного реле |
|
8 |
релейных |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
выходов |
|
|
|
|
Трехфазная трансформаторная группа |
|
|
3 х 80 В·А; |
|
|
|
|||||
Предназначена для преобразования однофазного / |
230 |
(звезда)/242, |
347.1 |
285 |
|||||||
трехфазного напряжений. |
|
|
|
|
235, 230, 126, 220, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
133, 127 В |
|
|
|
|
Трехфазная трансформаторная группа |
|
|
3 х 80 В·А; |
|
|
|
|||||
Предназначена для преобразования однофазного / |
242, 235, 230, 126, |
|
|
||||||||
трехфазного напряжений. |
|
|
|
|
220, 133, 127 / 230 |
347.2 |
285 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(треугольник) |
|
|
|
|
Блок |
измерительных |
трансформаторов |
тока |
и |
3 трансформатора |
|
|
||||
напряжения |
|
|
|
|
|
напряжения |
600/ |
|
|
||
Предназначен для получения нормированных сигналов, |
3В; |
|
3 |
401.1 |
142,5 |
||||||
пропорциональных синусоидальным напряжениям и токам в |
трансформатора |
|
|
||||||||
силовых цепях. |
|
|
|
|
|
тока 0,3А/3В |
|
|
|
||
Блок датчиков тока и напряжения |
|
|
|
3 |
измерительных |
|
|
||||
Предназначен для получения нормированных электрических |
преобразователя |
|
|
||||||||
сигналов, пропорциональных напряжениям и токам в |
«ток |
– |
|
|
|||||||
контролируемых силовых цепях постоянного и переменного |
напряжение» |
(5 |
402.3 |
142,5 |
|||||||
тока, и гальванически с последними не связанных. |
|
|
А/1 А)/5 В; |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
измерительных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
преобразователя |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
«напряжение |
— |
|
|
|
10
|
|
|
|
|
напряжение» |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1000 В/100 В)/5В |
|
|
||
Блок мультиметров |
|
|
|
0…1000В ; |
|
|
|
||
Предназначен для измерения токов, напряжений, активного |
|
|
|
||||||
сопротивления. |
В |
состав блока |
входят два |
цифровых |
0…10 А ; |
|
509.2 |
190 |
|
мультиметра с жидкокристаллическим дисплеем. |
|
0…20 Мом |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
Измеритель напряжений и частот |
|
|
2 |
вольтметра |
|
|
|||
Предназначен для измерения переменных напряжений и |
0…500 В ~ |
|
|
|
|||||
частот. |
|
|
|
|
2 |
частотомера |
504.2 |
285 |
|
|
|
|
|
|
45…55 Гц; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
220 В ~ |
|
|
|
|
Указатель угла нагрузки синхронной машины |
|
|
|
|
|
|
|||
Предназначен для измерения и отображения в аналоговой |
|
o |
o |
|
|
||||
форме угла нагрузки синхронной машины. Имеет выходные |
–180 …0…180 |
|
505.2 |
142,5 |
|||||
гнёзда для подключения к ПЭВМ. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Указатель частоты вращения |
|
|
|
|
|
|
|
||
Предназначен |
для |
отображения |
частоты |
вращения |
2000…0…2000 |
506.2 |
142,5 |
||
электрических машин в аналоговой форме. Имеет выходные |
мин–1 |
|
|||||||
|
|
|
|||||||
гнёзда для подключения к ПЭВМ. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Измеритель мощностей |
|
|
15; |
60; 150; |
300; |
|
|
||
Предназначен для измерения активной и реактивной |
600 В, |
|
507.2 |
285 |
|||||
мощностей и отображения их в аналоговой форме. |
|
0,05; 0,1; 0,2; |
0,5 |
||||||
|
|
|
|
|
А. |
|
|
|
|
Персональный компьютер |
|
|
IBM-совместимый |
|
|
||||
Предназначен для автоматического управления лабораторным |
Windows |
XP, |
550 |
— |
|||||
комплексом и отображения информации о нем. |
|
плата PCI 6024E |
|
|
|||||
1.4 Электрическая схема соединений тепловой защиты машины переменного тока (рис 1.1)
L1
L2
L3
N
РЕ
TK
Вкл.
201.2
G1
102.1
TK
A1
Рис. 1.1.
Перечень аппаратуры приведен в таблице 1.5
Таблица 1.5.
11
|
Обозначение |
Наименование |
Тип |
Параметры |
|
|
А1 |
Машина переменного тока |
102.1 |
50 Вт, 220 В 1500 мин–1 |
|
|
G1 |
Трехфазный источник питания |
201.2 |
400 В ~; 16 А |
|
При выполнении экспериментов, в которых |
электромашинный агрегат не |
||||
используется, гнезда «ТК» трехфазного источника питания G1 следует соединить
между собой.
1.5. Подготовка и проведение измерений с помощью электронного мультиметра
Для измерения трех базовых электрических величин (напряжения, тока и омического сопротивления) используется мультиметр. До его подключения к цепи
(рис.1.2-1.4) необходимо выполнить следующие операции: установка рода тока
(постоянный/переменный); выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений; правильное подсоединение зажимов мультиметра к измеряемой цепи.
Рис. 1.2 Присоединение мультиметра как вольтметра
Рис. 1.3 Присоединение мультиметра как амперметра
12