Что включает в себя переходные устройства
Перейти к содержимому

Что включает в себя переходные устройства

  • автор:

Что включает в себя переходные устройства

15.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ. ПЕРЕМЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ

Предыдущая часть курса была посвящена изучению установившихся режимов: режима постоянного тока, при котором токи и напряжения в цепи не зависят от времени, и синусоидального режима, при котором токи и напряжения во всех ветвях являются синусоидами одной частоты.

В общем случае задача анализа цепей сводится к изучению переходных процессов , возникающих при переходе от одного режима к другому. Переходные процессы могут быть вызваны включением элементов в цепь, находящуюся под действием источников, или подключением цепи в целом к зажимам источника, либо отключением ее отдельных элементов. Такие изменения структуры цепи называют коммутацией . Определение токов и напряжений при переходных процессах является, с точки зрения практики, важной задачей, так как эти токи и напряжения могут в отдельных случаях существенно превышать их значения в установившемся режиме и приводить к повреждению элементов цепи. Скорость протекания переходных процессов в электромагнитных устройствах и системах обработки информации определяет их быстродействие.

Математическая задача расчета переходного процесса сводится к решению дифференциальных уравнений, составленных для цепи после коммутации на основе законов Кирхгофа и компонентных уравнений. Поскольку закон изменения токов и напряжений в цепи при переходном процессе неизвестен и подлежит определению, то связи между током и напряжением на катушке и конденсаторе необходимо включать в уравнения цепи в общей форме: ; . Отметим, что связи вида UL = w LIL или UС = 1/( w С)IС здесь нельзя использовать, так как они определяют связи между амплитудами или действующими значениями только синусоидальных по форме сигналов.

Существенной особенностью решения уравнений, составленных для расчета переходного процесса, является то, что начальные условия — значения искомых токов и напряжений в момент t = 0 непосредственно после коммутации, определяющие однозначное решение этих дифференциальных уравнений, мы должны формулировать сами, рассматривая состояние цепи до и после коммутации. Это принципиально отличает задачи расчета переходного процесса от чисто математических задач интегрирования дифференциальных уравнений, в которых начальные условия выступают как исходные данные.

В момент коммутации токи и напряжения отдельных ветвей ведут себя по-разному. При мгновенной коммутации некоторые токи или напряжения могут изменяться скачкообразно, другие сохраняют непрерывность. Это связано с тем, что при так называемых корректных коммутациях ограниченная мощность реальных источников энергии не может обеспечить мгновенного изменения энергии, запасенной в электрическом поле конденсаторов цепи W = Cu 2 C /2 и в магнитном поле катушек W = Li 2 L /2. Отсюда следует, что при корректных коммутациях напряжения на конденсаторах u C и токи в катушках i L непрерывны:

Здесь и далее t = – 0 и t = + 0 означают моменты времени непосредственно до и после коммутации.

Эти так называемые законы коммутации служат основой для определения начальных условий при расчете переходного процесса. Они позволяют найти напряжения на конденсаторах u C (+ 0) и токи в катушках i L (+ 0), рассматривая состояние цепи до коммутации — при t = – 0. Для других величин — токов и напряжений на резисторах, токов в конденсаторах и напряжений на катушках — непрерывность в момент коммутации в общем случае не имеет места. Поэтому при формировании системы уравнений, описывающих переходный процесс, эти уравнения необходимо составлять и преобразовывать так, чтобы их решение базировалось на определении напряжений на конденсаторах u C и токов в катушках i L . Эти величины, играющие ключевую роль при расчете переходных процессов, носят название переменных состояния .

Переменные состояния однозначно определяют запас электромагнитной энергии цепи. Все остальные токи и напряжения в данный момент времени можно алгебраически выразить из уравнений цепи через переменные состояния и значения действующих в цепи независимых источников.

Переходные устройства

Современные системы управления технологическими процес­сами включают в себя сотни датчиков и исполнительных меха­низмов. Каждый из них надо подключить к аппаратуре управле­ния, расположенной во многих случаях на большом удалении от технологического оборудования. Прокладывать от каждого датчика отдельный кабель на такое расстояние дорого и громоздко, гораздо дешевле и компактнее использовать многожильные кабе­ли. Но ведь для подключения одного датчика достаточно всего 2. 4 провода. Компромиссом в этой ситуации является разделе­ние соединительных линий на участки, на каждом из которых используется оптимальный вид кабеля, а стыковка участков обес­печивается соответствующими соединительными устройствами — разъемами и клеммными колодками.

Датчики, расположенные на оборудовании близко друг от дру­га, объединяются в группы, и хотя от каждого датчика идет 2-или 4-жильный кабель, от всей группы сигналы передаются уже по многожильным (до нескольких десятков жил) кабелям. Сты­ковка кабелей производится с помощью клеммных колодок (рис. 5.1). Аналогично подключаются и исполнительные механизмы.

Кабели, провода, разъемы и клеммные колодки составляют группу переходных устройств.

Выходная цепь датчика заканчивается обычно 2- или 4-кон­тактным разъемом. Ответная часть разъема соединяется с клемм-ной колодкой, располагаемой непосредственно на технологиче­ском оборудовании или вблизи него. Клеммные колодки, содер­жащие набор клемм, позволяют подключать соединительные про­вода, как правило, под винт. Концы проводов должны быть облу-жены. В качестве соединительных проводов для датчиков исполь­зуются 2- или 4-жильные кабели управления соответствующего сечения (обычно 0,35 или 0,50 мм 2 ). Для подключения исполни­тельных механизмов используют кабели, имеющие от 4 до 10 жил, поскольку по ним не только передаются сигналы управления, но и принимаются сигналы с датчиков состояния ИМ.

Ко второй стороне клеммных колодок подключаются инфор­мационные (передающие сигналы от датчиков) и управляющие

Рис 5.1 клеммная колодка.

Рис. 5.2. Бронированный (а) и экранированный (б) кабели

(передающие управляющие сигналы к ИМ) кабели. Это много­жильные кабели, соединяющие технологическое оборудование с аппаратурой управления, которая обычно размещается в непос­редственной близости от ЭВМ и на значительном расстоянии от технологического оборудования (до нескольких километров).

На пути от технологического оборудования до аппаратуры уп­равления сигналы претерпевают различные изменения, вызывае­мые воздействием внешних электрических и магнитных полей. Если эти воздействия сильны, то полезная информация искажается и приходит к аппаратуре управления с ошибками. Для устранения или уменьшения ошибок принимают определенные меры. Это, в первую очередь, правильный выбор типа кабелей и выбор спосо­ба их прокладки.

В качестве информационных и управляющих кабелей основное применение нашли кабели марки КУПВ и КУПР — кабели управ­ления в поливинилхлоридной и резиновой изоляции. Сечение жил кабелей 0,35, 0,50, 0,75 и 1,00 мм 2 ; количество изолированных многопроволочных медных жил — от 4 до 37. Промышленностью выпускаются кабели с общим экраном из переплетенных медных проводов или алюминиевой фольги, с отдельными экранирован­ными жилами и витыми парами жил. Для защиты от механических повреждений кабели могут покрываться сверху броней из сталь­ной проволоки — бронированные кабели (рис. 5.2, а).

Общий медный экран (рис. 5.2, б) защищает передаваемые по жилам сигналы от внешних переменных электрических полей. Ка­бели с отдельными экранированными жилами (рис. 5.3, а) ис­пользуют для исключения взаимного влияния сигналов, переда­ваемых в одном кабеле. Это особенно касается маломощных сиг­налов, например сигналов от датчиков температуры.

Витая пара жил (рис. 5.3, 6) защищает передаваемый сигнал от внешних магнитных полей, создаваемых работающими вблизи

Рис. 5.3. Кабели с экранированными жилами (а) и витыми парами (б)

кабельных трасс трансформаторами, сварочными аппаратами, электродвигателями и т.д. Пересекая жилы витой пары, перемен­ное магнитное поле в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в них ЭДС определенного знака. На длине, рав­ной периоду скрутки, знаки ЭДС противоположны и суммарная ЭДС равна нулю. Чем меньше период скрутки, тем меньшее влия­ние магнитные поля оказывают на передаваемый сигнал.

Большую роль в передаче сигналов играет способ прокладки информационных и управляющих кабелей. Наиболее применимые способы прокладки — на лотках и в коробах. В обоих случаях реко­мендуется во избежание влияния мощных управляющих сигналов на слабые сигналы от датчиков информационные кабели прокла­дывать отдельно от управляющих на своих лотках (рис. 5.4, а) или в своих коробах (рис. 5.4, б). При этом расстояние между лотками (коробами) должно быть не менее 300 мм.

На стороне аппаратуры управления концы информационных и управляющих кабелей подводятся и подключаются к клеммным стойкам, которые представляют собой набор клеммных колодок, располагаемых на специальных рельсах. К одной стороне этих ко­лодок и подключаются кабели. Ко второй стороне подключаются кабели, заканчивающиеся разъемами, которые подсоединяются к блокам системы управления (устройствам нормализации сигна­лов, запоминающим устройствам, выходным регистрам и т.д.).

Весь комплекс переходных устройств показан на рис. 5.5.

Таким образом, переходные устройства в процессе передачи сигнала играют такую же важную роль, как и остальные техни­ческие средства АСУ ТП.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Трансформаторные подстанции высочайшего качества

Переходные процессы есть процессы перехода от одного установившегося состояния к другому установившемуся состоянию. Изменения параметров элементов схемы или изменение режима работы самой схемы называются коммутациями .
Непосредственное изменение сигналов тока и напряжения во времени может быть определено классическим методом расчета электрических цепей. Основой этого способа является составление дифференциальных уравнений, описывающих состояние цепи, и их интегрирование, причем количество производных определяется числом элементов-накопителей в заданной цепи.

В соответствии с классическим методом находят частное и общее решения однородных дифференциальных уравнений. Частное решение обусловлено вынужденным воздействием источников e(t) или i(t). Общее решение находят при отсутствии источников. В этом случае токи и напряжения называются свободными и всегда затухают за счет потерь в цепи. В случае комплексных корней процессы в цепи могут быть колебательными за счет собственных колебаний цепи, но также будут убывать во времени при положительной вещественной части.

В природе соблюдается принцип непрерывности во времени потокосцепления индуктивности и электрического заряда емкости.

Потокосцепление скачком измениться не может

Заряд емкости скачком измениться не может

Следовательно, по 1-му закону коммутации в первый момент после коммутации ток в катушке индуктивности скачком измениться не может :

по 2-му закону коммутации в первый момент после коммутации напряжение на емкости скачком измениться не может :

За начало отсчета переходного процесса принимается время, равное нулю, начальные значения тока и напряжения до коммутации определяются из начальных условий.
Анализ переходных процессов в линейных цепях с сосредоточенными параметрами сводится к решению линейных неоднородных дифференциальных уравнений на основе законов Кирхгофа.

Включив и отключив источник тока в установке мы увидим, что сила тока со временем изменится и постоянное значение силы тока в контуре с соленоидом установится не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. В течение этого промежутка времени в цепи происходит процесс, получивший название переходного . Переходный процесс в цепи с соленоидом происходит за счет явления самоиндукции.
Уравнение цепи имеет вид:

Общее решение уравнения может быть найдено методом наложения принужденного и свободного режимов.

где
— ток принужденного режима при или частное решение неоднородного уравнения,
— ток свободного режима или общее решение однородного уравнения (с нулевой правой частью).

В общем случае . Число слагаемых зависит от порядка уравнения или числа накопителей энергии.
Свободные процессы исследуются для определения устойчивости системы. В устойчивой системе процессы должны затухать.
Принужденный режим определяет новое состояние электрической цепи после окончания переходного процесса.
До коммутации (до включения) ток в цепи отсутствовал . На основании 1-го закона коммутации
ток в индуктивности в первый момент после коммутации равен току до коммутации. В нашем примере ток равен 0.
Ток находим в виде суммы принужденной и свободной составляющих :

Свободную составляющую находим из уравнения :

Решение этого уравнения

где
k — корень характеристического уравнения, называют постоянной времени для цепи, состоящей из соленоида и резистора.

А — постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий при t = 0 с использованием законов коммутации, в частном случае первого закона для индуктивности

Учитывая, что
Решение будет иметь вид:

Вид кривых тока и напряжений на элементах цепи

При размыкании цепи с соленоидом, в которой отсутствует разветвление, изменение силы тока протекает более сложным образом. При отключении контакты рубильника расходятся и в цепь последовательно включается сопротивление воздушного промежутка между удаляющимися друг от друга контактами рубильника. Если предположить, что проводимость воздуха весьма мала, то сила тока в такой цепи должна почти мгновенно уменьшиться до нуля, при этом в контуре возникает большая э. д. с. самоиндукции. Она может оказаться во много раз больше, чем э. д. с. источника тока, на которую рассчитана цепь, и это может привести к аварийной ситуации (лампочки в квартире иногда перегорают после выключения цепи с большой индуктивностью).
При размыкании цепи э. д. с. самоиндукции часто создает между расходящимися контактами рубильника настолько сильное электрическое поле, что происходит ионизация воздуха, возможно даже вырывание свободных электронов с поверхности контактов (явление автоэмиссии); в воздушном промежутке возникает искровой или дуговой разряд, разрушающий контакты рубильника.

Таким образом, газовый промежуток между расходящимися контактами рубильника при отключении цепи обладает проводимостью и сила тока в цепи уменьшается до нуля не мгновенно. Сопротивление газового промежутка между контактами выключающего устройства нелинейно; поэтому детальный анализ переходного процесса в этом случае оказывается достаточно сложным.
При размыкании неразветвленной цепи большой мощности со значительной силой тока (сотни и тысячи ампер и более), содержащей большие индуктивности (электродвигатели, трансформаторы), принимают специальные меры против образования дугового разряда между контактами рубильника.

Для гашения дуги применяют масляные выключатели, в которых контакты находятся в жидком масле, имеющем малую проводимость и гасящем дугу, выключатели нагрузки, вакуумные выключатели.

Курсы лекций

О себе

Переходные процессы в электроэнергетических системах (часть I)

Основная литература

Курс лекций «Основы переходных процессов электроэнергетических систем» состоит из трех частей и изучается в течение трех семестров. Первые две части читаются студентам четвертого курса в рамках подготовки бакалавров по направлению 551700 «Электроэнергетика». Учебным планом предусмотрено выполнение курсовой работы, которая входит составной частью в выпускную работу, представляемую для получения степени бакалавра. Третья часть читается на пятом году обучения для инженеров (специалистов) по специальности 100200 и магистров по направлению 551702. Данный курс лекций (особенно две первые части) является базовым, который формирует основы инженерного мышления специалиста в области электроэнергетических систем и электроэнергетики.

В рамках данного семестра рассматриваются вопросы расчета токов коротких замыканий электрической системы и методы их ограничения, даны предварительные понятия об устройствах релейной защиты и регулирования возбуждения. Значительное внимание уделено параметрам и схемам замещения синхронных машин, подробно рассмотрены уравнения идеализированной синхронной машины, которые впоследствии используются для анализа устойчивости параллельной работы синхронных машин в электрической системе.

  • Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. Госэнергоиздат, 1950. 551 с.
  • Park R.H. Two Reaction Theory of Synchronous Machines // Transactions of the American Institute of Electrical Engineers (AIEE), Vol. 48, No.3, July 1929, pp. 716- 727 (и другие статьи, опубликованные в период 1928- 1933 гг.)
  • Бобров А.Э., Герасимов С.Е., Смоловик С.В. Математическое моделирование переходных процессов синхронных машин. Красноярск.: КрПИ, 1987. 104 с.
  • Левинштейн М.Л. Операционное исчисление в задачах электротехники. 2- е изд., доп. Л: Энергия, 1972. 358 с.
  • Юрганов А.А., Кожевников В.А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов. СПб.: Наука, 1996. 138 с.
  • Горюнов Ю.П., Смоловик С.В. Математические модели элементов электроэнергетических систем и исследование их динамических свойств. Системы координат. Уравнения синхронной машины. СПб: СПбГТУ, 1992. 80 с.
  • Применение цифровых вычислительных машин в электроэнергетике: Учебное пособие для вузов / О.В. Щербачев, А.Н. Зейлингер, К.П. Кадомская и др. Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. 240 с.
Дополнительная литература

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

2. ВНЕЗАПНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ В ПРОСТЕЙШЕЙ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ

2.1. Влияние начальной фазы возникновения КЗ

3. ДЕЙСТВУЮЩЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ТОКА КЗ

4. РАСЧЕТ ТОКА КЗ В СЛОЖНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ (ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТОКОВ КЗ)

5. ПРИВЕДЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ К ОТНОСИТЕЛЬНЫМ ЕДИНИЦАМ

6. МЕТОД КРИВЫХ ЗАТУХАНИЯ (РАСЧЕТНЫХ КРИВЫХ)

6.1. Определение периодической слагающей тока КЗ с помощью кривых затухания

6.2. Алгоритм расчета тока КЗ с помощью кривых затухания

7. МЕТОДЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

8. РАСЧЕТ ТОКОВ НЕСИММЕТРИЧНЫХ КЗ

8.1. Основные положения метода симметричных составляющих

8.2. Комплексные схемы замещения

8.3. Сопоставление различных видов несимметричных КЗ

9. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

9.1. Основные определения

9.3. Требования к устройствам релейной защиты

9.4. Токовая отсечка на линии с односторонним питанием

9.5. Максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени

9.6. Принцип действия дифференциальной защиты

10. СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

10.1. Классификация систем возбуждения

11. УРАВНЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

11.1. Допущения, положенные в основу идеализированной модели СМ

12. ПЕРЕХОД ОТ КООРДИНАТНОЙ СИСТЕМЫ abc К КООРДИНАТНОЙ СИСТЕМЕ 0qd

13. УРАВНЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СТАТОРНЫХ КОНТУРОВ СМ

13.1. Запись уравнений переходных процессов статорных контуров СМ в относительных единицах

13.2. Выражения для потокосцеплений статорных контуров и основные параметры СМ

13.2.1. Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси

13.2.2. Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси

13.2.3. Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси

13.2.4. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси

13.2.5. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по поперечной оси

13.2.6. Индуктивное сопротивление обратной последовательности

13.2.7. Электромагнитные постоянные времени СМ

13.2.8. Выражения для потокосцеплений контуров ротора СМ

13.2.9. Выражения для потокосцеплений контуров статора в именованных и относительных единицах

14. УРАВНЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ КОНТУРОВ РОТОРА СМ

14.1. Запись уравнений переходных процессов роторных контуров с помощью относительных единиц взаимного типа

14.2. Базисный ток контура возбуждения во взаимной системе относительных единиц (система «Xad»)

15. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ Э.Д.С. И СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ СМ

16. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ РОТОРА СМ

17. УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ РАБОТЫ СМ

18. ВНЕЗАПНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

18.1. Причины возникновения составляющей двойной частоты при КЗ СМ

Теоретическая часть

I. Внезапное короткое замыкание в простейшей трехфазной цепи

Задание 1. Обработка кривой переходного процесса

Задание 2. Ударные токи короткого замыкания

II. Приемы преобразования расчетных величин к относительным единицам

Задание 3. Приведение параметров схемы к относительным единицам

Задание 4. Сверхпереходные токи трехфазного короткого замыкания

III. Расчет тока короткого замыкания для заданного момента времени

Задание 5. Практические методы расчета токов короткого замыкания

Задание 6. Метод типовых кривых

IV. Несимметричные режимы работы электроэнергетических систем

Задание 7. Метод симметричных составляющих

Задание 8. Эквивалентирование расчетной модели ЭЭС

Задание 9. Расчет токов и напряжений несимметричных коротких замыканий

Задание 10. Расчет режимов с продольной несимметрией

Задание 11. Расчет токов несимметричного короткого замыкания методом типовых кривых

V. Основные параметры и установившийся режим работы синхронной машины

Задание 12. Расчетные параметры синхронной машины

Задание 13. Установившийся режим работы синхронной машины

Практические занятия

  • Внезапное короткое замыкание в простейшей трехфазной цепи
  • Практические методы расчета токов короткого замыкания
  • Анализ динамических свойств электроэнергетических систем
  • Несимметричные короткие замыкания в простейшей электроэнергетической системе
  • Исследование переходных процессов при коротком замыкании синхронного генератора

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *