Лыкин. 317_Лыкин(1). А. Г. Русина Работа подготовлена на кафедре
 Скачать 1.85 Mb.
|
2.3. Электрическая нагрузка2.3.1. Статические характеристики электрической нагрузкиПроцесс потребления электрической энергии отождествляется с понятием электрической нагрузки, которая характеризуется мощностью и энергией. Нагрузкой может быть один электроприемник, группа однотипных электроприемников или совокупность различных электроприемников – смешанная нагрузка. К основным электроприемникам в электрической системе относятся: асинхронные двигатели, синхронные двигатели, лампы накаливания, люминесцентные лампы, печи сопротивления, дуговые печи. Существует также большое число устройств и бытовых приборов, в которых сочетаются различные по типу электроприемники. В задачах анализа установившихся режимов электрических систем необходима величина активной и реактивной мощности нагрузки. Физическая природа потребления энергии электрической нагрузкой такова, что ее активная и реактивная мощности зависят от подведенного напряжения и частоты в электрической системе. Такие зависимости носят название статических характеристик нагрузок по частоте и по напряжению. Разные типы электрических нагрузок имеют различные статические характеристики. В совокупности различных типов электроприемников рассматриваются статические характеристики смешанной нагрузки. Статические характеристики используются при регулировании частоты и напряжения в ЭЭС. В общем они записываются как  .Здесь мы будем рассматривать зависимости мощности нагрузки только от напряжения – статические характеристики нагрузки по напряжению  . При этом будем считать частоту в ЭЭС неизменной величиной. По статическим характеристикам, построенным в относительных номинальных единицах, могут быть определены регулирующие эффекты нагрузки – как производные  в какой-либо рабочей точке характеристики, например при U = Uном.Регулирующий эффект показывает степень снижения активной и реактивной нагрузки при изменении напряжения. Чем больше регулирующий эффект, тем сильнее изменяется мощность, потребляемая нагрузкой при изменении напряжения или частоты. Для различных электроприемников и их сочетаний статические характеристики получаются разными и зависящими от их рабочих режимов. Практически приходится пользоваться статическими характеристиками, полученными экспериментально. В некоторых случаях их удается получить расчетным путем. Статические характеристики изображают в координатах относительных величин – активной и реактивной мощности от частоты и напряжения (рис. 2.17).   Рис. 2.17. Средние статические нагрузки по напряжению для смешанной нагрузки На рис. 2.17 относительная величина напряжения U* = U / Uном, а относительные мощности определяются по отношению к номинальной или какой либо выбранной величине мощности нагрузки: P* = P / Pном, Q* = Q / Qном. Следует отметить, что в ЭЭС и конкретно у потребителей устанавливаются специальные автоматические регулирующие устройства, которые компенсируют изменение напряжения на электроприемниках, что в значительной мере снижает регулирующие эффекты нагрузки. В простейшем случае это стабилизаторы напряжения, а в высоковольтных сетях – мощные регулируемые компенсирующие устройства реактивной мощности и регуляторы напряжения силовых трансформаторов. Рассмотрим статические характеристики отдельных видов нагрузки. Асинхронные двигатели Принцип действия асинхронного двигателя основан на явлении электромагнитной индукции. В неподвижную трехфазную обмотку статора асинхронного двигателя подается переменный ток, который формирует в статоре вращающееся магнитное поле. Это поле пересекает проводники замкнутой обмотки ротора и наводит в них ЭДС, под действием которых по обмотке ротора будет протекать ток. Взаимодействие этого тока с полем статора создает на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы – вращающий момент, направление которого определяется по правилу «левой руки». Эти силы увлекают ротор в сторону вращения магнитного потока. Скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля статора. Если предположить, что в какой-то момент времени частота вращения ротора оказалась равной частоте вращения поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекать магнитное поле статора и тока в роторе не будет. В этом случае вращающий момент станет равным нулю, и частота вращения ротора уменьшится по сравнению с частотой вращения поля статора, пока не возникнет вращающий момент, уравновешивающий момент нагрузки на валу двигателя и момент сил трения в подшипниках. Асинхронные двигатели имеют различные статические характеристики. Активная мощность двигателей в значительной мере зависит от характеристик машин, приводимых во вращение двигателями. Реактивная мощность имеет разную зависимость от напряжения, обусловленную номинальной мощностью двигателя. Маломощные двигатели имеют более крутые характеристики по сравнению с мощными двигателями. Реактивная мощность, потребляемая асинхронными двигателями, складывается из намагничивающей мощности, связанной с намагничивающим током, и мощности рассеяния, связанной с созданием полей рассеяния в статоре и роторе. При снижении напряжения реактивная мощность рассеяния растет, а намагничивающая мощность снижается. Суммарная мощность вначале снижается, а затем вновь начинает расти. При определенном напряжении, называемом критическим, дви-гатель останавливается и его дальнейшая работа становиться невозможной. Синхронные двигатели Вращающееся магнитное поле статора синхронной машины увлекает за собой ротор, который является электромагнитом-индуктором. Разноименные полюса магнитного поля статора и ротора притягиваются, и ротор вращается с постоянной скоростью. Для того чтобы ротор стал электромагнитом, на него подается постоянный ток – ток возбуждения. Этот ток при вращении ротора вызывает магнитное поле в статоре – реакцию якоря. В зависимости от величины тока возбуждения синхронный двигатель может работать в режиме перевозбуждения или недовозбуждения. Режим перевозбуждения – это нормальный режим работы двигателя. Мощные синхронные двигатели изготавливают с номинальным коэффициентом мощности 0,9 и 0,8 при работе с перевозбуждением. В режиме перевозбуждения синхронный двигатель выдает реактивную мощность, т. е. имеет емкостный характер реактивной мощности по отношению к сети. При недовозбуждении синхронный двигатель имеет реактивную мощность индуктивного характера, но вследствие ограничений по устойчивости работы и перегреву лобовых частей машины максимально возможная потребляемая реактивная мощность не превышает 30 % от номинальной реактивной мощности при перевозбуждении. Синхронные двигатели используются как источники реактивной мощности в ЭЭС и применяются для регулирования напряжения. Ток возбуждения синхронных машин изменяется в соответствии с законом регулирования напряжения в сети, поэтому статические характеристики синхронного двигателя по реактивной мощности зависят от закона регулирования напряжения в узле нагрузки, к которому он присоединен. В целом синхронные двигатели имеют положительный регулирующий эффект как по активной, так и по реактивной мощности. Осветительная нагрузка Установки электрического освещения с лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми ртутными, натриевыми, ксеноновыми применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения, для бытовых потребителей, нужд городского освещения и т. д. Лампы накаливания излучают свет за счет свечения нити накаливания при большой температуре. При этом значительная часть потребляемой лампами накаливания энергии тратится на превращение в тепловую энергию. Если считать сопротивление R нити накаливания неизменным, а индуктивным сопротивлением пренебречь, то активная мощность лампы будет пропорциональна квадрату подведенного напряжения:  Однако с изменением тока, протекающего по нити накаливания, ее температура и сопротивление меняются: с увеличением тока растет температура и увеличивается сопротивление нити и, наоборот, при снижении напряжения нить остывает и сопротивление снижается. Экспериментально установлено, что потребляемая лампами накаливания мощность пропорциональна напряжению в степени 1,5…1,6. Реактивная мощность лампами накаливания практически не потреб-ляется. Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения. При повышении напряжения потребляемая мощность и световой поток увеличиваются, а при снижении – уменьшаются, но не в такой степени, как у ламп накаливания. Однако при снижении напряжения на люминесцентных лампах до величины 0,9Uном они начинают мерцать, а при величине напряжения 0,8Uном просто не загораются. Регулирующий эффект люминесцентных ламп по схеме с расщепленной фазой равен примерно 1,9 для активной мощности, а для реактивной мощности может быть оценен величиной 1,5. Печи сопротивления Они имеют характеристики, схожие с характеристиками ламп накаливания. Дуговые печи Дуговые печи представляют собой сложную и тяжелую нагрузку для энергосети – это крупный несимметричный и в высокой степени нестабильный потребитель по реактивной мощности. Флуктуации реактивной мощности, особенно выраженные на стадии расплава, приводят к падениям напряжения, уменьшающим активную мощность, поступающую к электропечи и другим электрическим нагрузкам, подсоединенным к тем же шинам распределительного устройства. Активная мощность, потребляемая печью, меняется пропорционально квадрату напряжения. Компенсирующие устройства Устройства типа индуктивности и емкости имеют квадратичные зависимости реактивной мощности от напряжения (если их реактивные сопротивления постоянны). Емкостная нагрузка имеет отрицательный регулирующий эффект. Большинство компенсирующих устройств в настоящее время выпускаются с регулирующими устройствами, т. е. при изменении напряжения на шинах, где подключены компенсирующие устройства, последние изменяют свою мощность в соответствии с законом регулирования. Чаще всего компенсирующие устройства стабилизируют напряжение, т. е. поддерживают его на заданном уровне, что эквивалентно положительному регулирующему эффекту. 2.3.2. Моделирование электрических нагрузокСтатические характеристики для каждого типа электрической нагрузки и их совокупностей могут быть получены экспериментально. Однако в каждом конкретном случае это затруднительно и чаще всего пользуются так называемыми типовыми характеристиками. Так, например, можно выделить статические характеристики асинхронных двигателей малой, средней и большой мощности или статические характеристики определенного состава смешанной нагрузки. Полученные по таким нагрузкам статические характеристики обобщаются и представляются в виде математических моделей. В общем случае статические характеристики нагрузки по напряжению могут быть представлены в виде  где P0 и Q0 – активная и реактивная мощности нагрузки при номинальном напряжении; P*(U) и Q*(U) – статические характеристики нагрузок в относительных единицах; Uном – номинальное напряжение нагрузки или сети; aP, aQ, bP, bQ, cP и cQ – коэффициенты (параметры) моделей, полученные в результате обработки экспериментальных данных. Средние статические характеристики примерно соответствуют следующему составу нагрузки, %: Крупные асинхронные двигатели 15 Мелкие асинхронные двигатели 35 Крупные синхронные двигатели 9 Печи и ртутные выпрямители 11 Освещение и бытовая нагрузка 22 Потери в сетях 8 Обычно принимается aP = 0, т. е. линейная зависимость активной нагрузки от напряжения. Коэффициенты bP и cP в зависимости от характеристики узла нагрузки приведены в табл. 2.4. Таблица 2.4 Значения коэффициентов bP и cP
Коэффициенты aQ, bQ и cQ в зависимости от коэффициента мощности приведены в табл. 2.5. Таблица 2.5 Значения коэффициентов aQ,bQ и cQ
Моделирование электрических нагрузок статическими характеристиками по напряжению в расчетах установившихся режимов считается наиболее точным способом учета потребляемой мощности нагрузки. Однако для получения действительных статических характеристик требуются экспериментальные исследования, а для подбора типовых статических характеристик должен быть известен состав нагрузки, который может сильно изменяться во времени. Кроме того, в этом случае в расчетах непременно следует учитывать действие регуляторов напряжения, что значительно усложняет подготовку данных и требует знания законов регулирования. Поэтому в большинстве случаев пользуются самой простой моделью нагрузки – постоянными значениями активной и реактивной мощности: P = const, Q = const. В некоторых задачах, в которых выполняются расчеты установившихся режимов, токов короткого замыкания в электрической сети или расчеты устойчивости ЭЭС, нагрузки принято представлять схемами замещения. Такое представление является точным в том случае, если для нагрузки известны ее статические характеристики и величина подведенного напряжения. В других случаях такие модели являются приближенными. Рассмотрим электрическую цепь, в которой имеется нагрузка, представленная в виде сопротивления Zн. Это сопротивление в общем случае является переменной величиной – получается нелинейная электрическая цепь. Даже если считать мощность, потребляемую нагрузкой, постоянной, сопротивление будет меняться в зависимости от напряжения по формуле  . (2.53)Кроме того, мощность также зависит от напряжения по статической характеристике и поэтому  . (2.54)Нагрузка может быть представлена в виде двух схем замещения: с последовательным и параллельным соединением элементов (рис. 2.18).  Рис. 2.18. Схемы замещения нагрузки При последовательном соединении:  , (2.55)а при параллельном:  (2.56)При постоянной величине заданного сопротивления или проводимости моделирование с помощью выражений (2.55) и (2.56) дает характеристики:   . (2.57)Моделирование постоянным сопротивлением дает обратную квад-ратичную зависимость от напряжения, а постоянной проводимостью – зависимость пропорционально квадрату напряжения. Вторая модель хорошо согласуется с моделью статической характеристики реактивной мощности нагрузки (2.52), поэтому для реактивной мощности вполне приемлема. Для активной мощности можно, например, воспользоваться линейной моделью, тогда будем иметь:  (2.58)где Gн и Bн вычислены при номинальном напряжении нагрузки. На рис. 2.19 представлены действительные статические характеристики нагрузки (сплошные линии) и характеристики, полученные по моделям (2.58) – пунктирные линии.  Рис. 2.19. Действительные статические характеристики нагрузки и зависимости мощностей от напряжения при модели- ровании нагрузки схемой замещения Иногда в качестве данных по нагрузке бывают известны измеренные токи нагрузки. Принимая какое-либо значение коэффициента мощности нагрузки, ее можно моделировать постоянными значениями токов Iн:  (2.59)что дает линейные статические характеристики как активной, так и реактивной мощности. Такие модели нагрузки используются в низковольтных сетях и сетях среднего напряжения. Все математические модели электрических нагрузок, рассмотренные выше, сведены в табл. 2.6. Таблица 2.6 Математические модели электрических нагрузок
Примечание. Во всех формулах Sн0 – полная мощность нагрузки, которая может быть принята равной номинальной или максимальной мощности, а также мощности некоторого исходного или начального режима работы электроприемника или потребителя. Пример. Найти коэффициенты статической характеристики нагрузки по опытным данным для активной и реактивной мощности и определить их регулирующие эффекты. Используем линейную модель для активной мощности и параболу для реактивной мощности. Построение характеристик выполним в Mathcad. Все величины приведены в относительных единицах. Исходные данные (результаты эксперимента):  Коэффициенты функции полиномиальной регрессии:  Определение функций статических характеристик и аргументов:  Графики статических характеристик (на графике отдельными маркерами нанесены экспериментальные данные):  Регулирующие эффекты:  Изменение регулирующих эффектов:  Регулирующий эффект активной мощности не меняется, так как модель статической характеристики была принята линейной. Вопросы для самопроверкиНазовите основные электрические и магнитные свойства ЛЭП. Поясните физический смысл параметров ВЛ. Какие уравнения называются уравнениями длинной линии? Как можно вычислить напряжение и ток в произвольной точке на линии? Как получаются уравнения идеальной линии? Какие линии называются волновыми (полуволновыми)? Как найти параметры П-образной схемы замещения линии? В каких случаях можно пользоваться упрощенными моделями ВЛ? Поясните физический смысл параметров схемы замещения трансформатора. Запишите уравнения трансформатора в дифференциальной форме записи. Какой трансформатор называется идеальным и совершенным? Нарисуйте Г-образную схему замещения трансформатора. Как определяются параметры П-образной схемы замещения трансформатора? Как построить внешнюю характеристику трансформатора? Что такое статические характеристики нагрузки? Что такое регулирующий эффект нагрузки? Какие существуют основные виды электрических нагрузок? Какие нагрузки не потребляют реактивной мощности? Какой регулирующий эффект имеют печи сопротивления и лампы накаливания? Как изменяется регулирующий эффект по реактивной мощности асинхронного двигателя при снижении напряжения? Какие математические модели используются для моделирования электрической нагрузки в установившихся режимах? Что такое типовые статические характеристики? Какие схемы замещения используются для моделирования нагрузки? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
