Оптимизация режимов электроснабжения электроприводов, нефтеперекачивающей станции

Министерство образования и науки российской федерации



РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина



Факультет Автоматики и вычислительной техники                          .

Кафедра Теоретической электротехники и электрификации             .          нефтяной и газовой промышленности                                                 .

Направление 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»        .

Программа «Автоматизированные электромеханические                 .            комплексы и системы нефтегазовой промышленности»                   .         

		





           Оценка                                            		    		«К защите»

 ________________                          				Заведующий кафедрой 

_____________ (________________) 

«____»____________20__ г.                                       «____»_____________20__ г.      

__________________

(подпись секретаря ГЭК) 





МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

на тему: «Оптимизация режимов электроснабжения электроприводов       . нефтеперекачивающей станции»                                                                      .

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________





Научный руководитель 



        профессор, д.т.н. Ершов М.С.         .        

(должность, степень, фамилия, инициалы)

__________________________________

(подпись)





Студент группы АЭМ-15-03          .  .



   Левченко Анастасия Ивановна       .

(фамилия, имя, отчество)

____________________________________

( подпись )  

____________________________________

( дата )



























Москва 2017



Министерство образования и науки Российской Федерации

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина



Факультет Автоматики и вычислительной техники           .

Кафедра Теоретической электротехники и                             . 

электрификации нефтяной и газовой промышленности     .

Направление          13.04.02                Группа    АЭМ-15-03     .

Программа «Автоматизированные электромеханические  .            комплексы и системы нефтегазовой промышленности»     .         



Календарный план
подготовки магистерской диссертации



Студент                       Левченко Анастасия Ивановна                                    .

(фамилия, имя, отчество)

Тема:

«Оптимизация режимов электроснабжения электроприводов                   .

нефтеперекачивающей станции»                                                                      .

_________________________________________________________________

Период подготовки диссертации: с 01.10.2015г. по 28.05.2017г.

Научный руководитель Ершов М.С., профессор, д.т.н., кафедра ТЭЭП  . 

(фамилия, инициалы, должность, степень, место работы)

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина                                               .

Тема диссертации и научный руководитель утверждены 
приказом № _________ от «___» ____________________ 20__ г.





Место подготовки диссертации: кафедра ТЭЭП РГУ нефти и газа           .   (НИУ) имени И.М. Губкина                                                                               .



Заведующий
кафедрой ________________________________ «___» ____________ 20__






№ п/п

Перечень 
разделов диссертации 

Срок 
выполнения

Отметки о выполнении

1

Введение

01.11.2015 г.



2

Особенности электроснабжения НПС

15.01.2016 г.



3

Особенности статических характеристик нагрузок НПС

01.04.2016 г.



4

Моделирование режимов работы типовых схем НПС

01.10.2016 г.



5

Моделирование электромеханических переходных процессов электротехнической системы НПС

15.12.2017 г.



6

Анализ способов регулирования напряжения

15.02.2017 г.



7

Оценка экономической эффективности

01.04.2017 г.



8

Выводы, заключение

15.05.2017 г.





          Составлен «___» _____________________ 20___ г.

	        _________________________	_________________________

	   (Подпись научного руководителя)	        (Подпись студента)






Оглавление:



	ВВЕДЕНИЕ	6

	ГЛАВА 1. Особенности электроснабжения НПС	8

		1.1. Технология магистрального транспорта нефти	8

	1.2. Характеристика электроэнергетического оборудования НПС	10

	1.3. Требования к схемам внутреннего электроснабжения НПС	13

	1.4 Примеры типовых схем электроснабжения НПС	14

	ГЛАВА 2. Особенности статических характеристик    нагрузок НПС	20

	2.1 Общие характеристики электрических нагрузок	20

	2.2 Типовые характеристики асинхронных двигателей	22

	2.3 Типовые характеристики синхронных двигателей	28

	2.4 Типовые характеристики статической нагрузки и компенсирующих устройств	32

	2.5 Типовые обобщенные статические характеристики	34

	ГЛАВА 3. Моделирование режимов работы типовых схем НПС	36

	3.1 Моделирование в программном комплексе «ENERGY»	44

	3.2 Моделирование в программном комплексе «SAD»	55

	ГЛАВА 4. Моделирование электромеханических переходных процессов электротехнической системы НПС	61

	4.1 Моделирование процессов пуска электродвигателей	61

	4.2 Моделирование устойчивости электротехнической системы НПС	72

	ГЛАВА 5. Способы регулирования напряжения. Анализ влияния пониженного напряжения на ресурс двигателя	79

	5.1 Способы регулирования напряжения	79

	5.2 Анализ влияния пониженного напряжения на ресурс двигателя	86

	ГЛАВА 6. Оценка экономической эффективности	88

	ЗАКЛЮЧЕНИЕ	95

	Список использованных источников	99










ВВЕДЕНИЕ

Эффективность функционирования любого промышленного предприятия определяется в значительной мере экономичностью работы системы электроснабжения, что особенно важно при значительных удельных расходах электроэнергии. Как правило, электроэнергия составляет существенную долю от всех потребленных энергетических ресурсов предприятия. Неэффективное использование электроэнергии приводит не только к росту себестоимости продукции, но и к уменьшению ресурса эксплуатации оборудования. В связи с этим актуальна задача оптимизации режимов работы систем электроснабжения с целью снизить расходы на электроснабжение промышленного предприятия.

Проектирование и эксплуатация систем электроснабжения требуют решения разнообразных задач, характеризующихся повышением надежности электроснабжения потребителей и множеством параметров, определяющих состояние взаимосвязанных и взаимодействующих процессов в синхронных и асинхронных двигателях, отдельных элементах системы электроснабжения и энергосистемы. Проблемы анализа, расчета и оптимизации режимов работы решаются на основе применения специальных методов и средств вычислительной техники. Наибольшее распространение получили методы математического моделирования.

Одно из наиболее эффективных мероприятий по оптимизации режимов работы систем электроснабжения – анализ схемы электроснабжения при изменении статических характеристик нагрузок. Статические характеристики мощности узлов нагрузок в установившемся режиме представляют собой зависимости активной и реактивной мощностей нагрузки от напряжения в узле нагрузки. Они нашли широкое применение при решении задач электроснабжения, в частности: при расчетах установившихся режимов; при выборе компенсирующих устройств и управлении ими; при регулировании напряжения в узлах нагрузки. Повышение надежности и экономичности функционирования систем электроснабжения остается актуальной задачей и в настоящее время.

Цель данной работы заключается в следующем: на основе статических характеристик нагрузок нефтеперекачивающей станции (НПС) найти оптимальное напряжение на шинах питающей подстанции (ПС) с экономической точки зрения и предложить вариант оптимизации с учетом изменения потребления мощности электроприемников.

Для достижения данной цели в работе поставлены следующие теоретические и прикладные задачи:

проанализировать особенности электроснабжения НПС, характеристики энергетического оборудования, классические схемы подключения;

рассмотреть типовые статические характеристики различной нагрузки: асинхронные двигатели, синхронные двигатели, статическая нагрузка и компенсирующие устройства;

провести моделирование режимов работы типовых схем электротехнических систем НПС в программных комплексах «ENERGY» и «SAD», получить статические характеристики нагрузок и подобрать оптимальное напряжение на шинах;

учитывая изменение переходных процессов и устойчивости ЭТС при снижении напряжения, смоделировать и сравнить процессы пуска двигателей и проанализировать время динамической устойчивости при различных уровнях напряжения;

проанализировать возможные способы регулирования и поддержания напряжения на шинах ПС на уровне оптимального;

провести оценку экономической эффективности предложенных мероприятий по оптимизации режимов работы электротехнической системы НПС.



ГЛАВА 1. Особенности электроснабжения НПС

Технология магистрального транспорта нефти

Магистральные трубопроводы — это капитальные инженерные сооружения, предназначенные для бесперебойной транспортировки на значительные расстояния нефти и нефтепродуктов. В состав магистральных трубопроводов входят: нефтеперекачивающие станции (НПС); резервуарные парки; линейная часть трубопровода с ответвлениями и лупингами, запорной арматурой, переходами через естественные и искусственные препятствия, узлами подключения НПС и т. д.; вдольтрассовые линии электропередачи, установки электрохимической защиты и т. д.

Нефтеперекачивающие станции предназначены для перекачки нефти или нефтепродуктов. В зависимости от места расположения и назначения НПС магистральных трубопроводов подразделяют на головные и промежуточные.

Головная НПС располагается вблизи нефтяных промыслов или нефтеперерабатывающих заводов и предназначается для приема нефти или нефтепродуктов и для их дальнейшей перекачки по трубопроводу. Головные НПС являются наиболее ответственной частью всего комплекса магистрального трубопровода и во многом определяют его работу в целом. На них выполняют следующие основные технологические операции: прием и учет нефти или нефтепродуктов; закачку их в резервуарный парк для краткосрочного хранения; откачку нефти или нефтепродуктов в трубопровод; прием и запуск очистных, разделительных и диагностических устройств. На головных станциях можно производить подкачку нефти или нефтепродуктов с других источников поступления, например, с других трубопроводов.

Промежуточные НПС предназначены для повышения давления перекачиваемой жидкости в трубопроводе, и их размещают по трассе согласно гидравлическому расчету. Они имеют в своем составе в основном те же объекты, что и головные перекачивающие станции, но вместимость их резервуаров значительно ниже, либо они отсутствуют (в зависимости от принятой схемы перекачки).

Основной технологический процесс перекачки нефти по магистральным нефтепроводам осуществляется насосными агрегатами, которые называют основными или магистральными (МНА). Для привода МНА на НПС в настоящее время применяют высоковольтные асинхронные или синхронные электродвигатели напряжением 6(10) кВ.

Кроме основного технологического процесса технологическая схема НПС включает ряд вспомогательных процессов, таких как: смазка подшипников главных и подпорных насосов и их приводных электродвигателей; вентиляция насосных помещений и электрозала; сбор утечек перекачиваемой жидкости и др. Для привода электродвигателей вспомогательных механизмов применяют низковольтные электродвигатели напряжением 0,4 кВ.




1.2. Характеристика электроэнергетического оборудования НПС

	В настоящее время для привода основных и подпорных агрегатов на НПС применяются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором и синхронные двигатели (СД) напряжением 6(10) кВ. При расположении электродвигателей в насосном помещении используются взрывозащищенные электродвигатели, вид взрывозащиты — взрывонепроницаемая оболочка для АД и продуваемые под избыточным давлением для СД (исполнение СТДП). При расположении электродвигателей в электрозале с невзрывоопасной средой применяются электродвигатели обычного исполнения.

Мощности асинхронных двигателей для привода МНА могут быть до 8000 кВт. Для привода главных насосов НПС находят применение двухполюсные асинхронные двигатели серии 4АТД (асинхронные турбодвигатели) в нормальном и взрывозащищенном (продуваемом под избыточным давлением) исполнении. Исполнение по взрывозащите 1ЕхрПТ5. [33] Двигатели серии 4АТД могут иметь разомкнутый (обозначение двигателей 4АРМП) и замкнутый (обозначение двигателей 4А3МП) циклы вентиляции. Двигатели выдерживают прямой пуск от полного напряжения сети и допускают два пуска подряд из холодного состояния или один пуск из горячего.

Согласно ОТТ-10.00-74.20.13-КТН-006-1-04, на вновь сооружаемых НПС к установке в качестве основных агрегатов при мощности электродвигателя до 5 МВт должны быть установлены асинхронные двигатели, а при мощности электродвигателя 5 МВт и более — синхронные электродвигатели типа СТДП. 

Единичные мощности электродвигателей для привода основных насосов составляют от 1250 до 8000 кВт и более. При таких больших мощностях электродвигателей возникает проблема ограничения пусковых токов, токов самозапуска и токов, посылаемых электродвигателями в точку короткого замыкания (КЗ). Для решения этой проблемы применяется распределение крупных электродвигателей по отдельным секциям шин технологического ЗРУ-6(10) кВ, иногда по одному двигателю на каждую секцию.

Наибольшее распространение на НПС для привода МНА получили двигатели мощностью 5000, 6300 и 8000 кВт, причем на НПС устанавливают не менее четырех основных насосных агрегатов. При этом установленная мощность электродвигателей на современных головных НПС достигает 40-60 МВт, а промежуточных — до 30-40 МВт. При таких значительных установленных мощностях самым экономичным решением внешнего электроснабжения является организация глубокого ввода. Понижающая подстанция глубокого ввода (ПГВ или ГПП) сооружается вблизи насосной станции и получает энергию от энергосистемы при напряжении 35, 110 или 220 кВ по воздушным линиям электропередачи. Возможно также питание насосных станций при напряжении 6-10 кВ, если они расположены в непосредственной близости от районных подстанций энергосистемы. [33]

По требованиям к надежности электроснабжения НПС относятся к категории 1. При этом НПС должны получать питание от двух независимых источников питания по двум ЛЭП. Схемы ГПП и схемы технологических КТП должны содержать не менее двух трансформаторов. Мощности трансформаторов ГПП могут быть до 63 МВА. При таких больших мощностях трансформаторов возникает проблема ограничения токов короткого замыкания (КЗ). Для ограничения токов КЗ применяют: секционирование шин НПС на две или четыре секции шин; трансформаторы с расщепленными обмотками; токоограничивающие реакторы.

Для питания высоковольтных электродвигателей на НПС сооружается закрытое распределительное устройство (ЗРУ) напряжением 6(10) кВ. Такое ЗРУ-6(10) кВ на НПС называют технологическим. Технологическое ЗРУ-6(10) кВ НПС либо совмещается с ЗРУ-6(10) кВ ГПП, либо выполняется отдельно от него. В последнем случае электроснабжение от ГПП до технологического ЗРУ-6(10) кВ НПС выполняется либо по кабельным линиям 6(10) кВ большого суммарного сечения, либо по гибким воздушным токопроводам. Схемы ГПП при этом могут быть выполнены вообще без распределительного устройства 6(10) кВ.

Для питания низковольтных электродвигателей вспомогательных механизмов на НПС сооружаются технологические комплектные трансформаторные подстанции (КТП) напряжением 6(10)/0,4 кВ. Трансформаторы КТП подключаются либо к шинам технологического ЗРУ-6(10) кВ, либо к питающим линиям (вводам) 6(10) кВ, соединяющим трансформаторы ГПП с шинами технологического ЗРУ. Такое подключение выполняют до вводных выключателей. Для непосредственного подключения и управления электродвигателями низкого напряжения на НПС сооружаются щиты станций управления (ЩСУ). Из всех низковольтных электродвигателей выделяются те, которые обеспечивают работу основных магистральных насосных агрегатов. Такие электродвигатели получают питание от отдельного ЩСУ, называемого технологическим.

В тех случаях, когда электроснабжение НПС осуществляется от районных подстанций энергосистемы при напряжении 6(10) кВ, подвод электроэнергии к распределительным устройствам НПС осуществляется по линиям 6(10) кВ большого суммарного сечения с большой пропускной способностью. 

Для питания линейных потребителей электроэнергии сооружается вдольтрассовая линия электропередачи. Её подключают к технологическому ЗРУ-6(10) кВ. Она представляет собой воздушную линию (ВЛ) напряжением 6 или 10 кВ и может быть длиной до 60-80 км и более. К вдольтрассовой ВЛ подключаются трансформаторные подстанции 6(10)/0,4 кВ для питания станций катодной защиты и других линейных потребителей. С целью повышения надежности электроснабжения вдольтрассовая ВЛ секционируется коммутационными аппаратами: разъединителями с ручным или дистанционным управлением или высоковольтными выключателями.




1.3. Требования к схемам внутреннего электроснабжения НПС

Схемы внутреннего электроснабжения НПС построены таким образом, что все элементы схемы электроснабжения постоянно находятся под нагрузкой и при аварии с одним элементом сети оставшиеся в работе могут принять на себя всю нагрузку путем перераспределения ее между собой с учетом допустимой перегрузки. При этом должна применяться раздельная работа вводов 6(10) кВ с использованием автоматического включения резерва (АВР) на стороне 6(10) кВ и раздельная работа вводов 0,4 кВ ЩСУ с применением АВР в РУ-0,4 кВ КТП и РУ-0,4 кВ ЩСУ.

Питание возбудителей СД должно осуществляться от секции шин КТП, взаимосвязанной с секцией шин ЗРУ-6(10) кВ, от которой получает питание обмотка статора СД. Все взаимосвязанные вспомогательные технологические агрегаты одного MHA должны питаться от одной секции шин.

На вновь проектируемых площадках НПС применяют напряжение 10 кВ. Напряжение 6 кВ допускается только при реконструкции существующих НПС, имеющих питающие линии 6 кВ и подстанции 6/0,4 кВ.

Электроснабжение КТП с двумя трансформаторами для питания вспомогательных систем осуществляется по радиальным линиям, присоединяемым к разным секциям шин ЗРУ 6(10) кВ. При этом работа трансформаторов КТП должна быть раздельной с использованием автоматического включения резерва (АВР) на стороне 0,4 кВ.

Схемы распределения электроэнергии при напряжении 0,4 кВ от            РУ-0,4кВ КТП могут применяться как радиальные, так и магистральные, в зависимости от территориального расположения нагрузок. Распределительные устройства технологических ЩСУ должны быть двухсекционными, а работа секций ЩСУ — раздельной с автоматическим включением резерва.



1.4 Примеры типовых схем электроснабжения НПС

Вид схемы электроснабжения НПС определяется мощностью трансформаторов ГПП, числом насосных станций (числом обслуживаемых нефтепроводов), числом магистральных насосов, единичной мощностью электродвигателей МНА, применяемыми схемными решениями для ограничения токов К3.  

В зависимости от единичной мощности электродвигателей, числа насосных (числа трубопроводов) и установленной мощности для питания НПС применяются ГПП с двумя или с тремя двухобмоточными трансформаторами, с двумя трансформаторами с расщепленной обмоткой низшего напряжения, с тремя трансформаторами и др. Технологическое 3РУ-6(10) кВ может быть двух-, четырех- или восьмисекционным. Наибольшее распространение получили блочные схемы типа 4Н и мостиковые схемы типов 5А и 5АН. Самой простой является блочная схема подстанции типа 4Н с неавтоматической ремонтной перемычкой, приведенная на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 – Схема подстанции типа 110-4Н [33]

Наибольшее распространение получили блочные схемы с выключателями в цепи трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны линий. Блочная схема на основе трехобмоточных трансформаторов типа ТДТН с масляными выключателями BM-IIO в цепи трансформаторов приведена на рисунке 1.2. На стороне 110 кВ выключатель в перемычке между двумя трансформаторами отсутствует. Установлены только секционные разъединители СР-1 и СР-2. Ремонтная перемычка подключена к вводам 110 кВ между линейными разъединителями (ЛР) и разъединителями в цепи трансформаторов (РТ). Аналогичную схему имеют и ГПП на основе двухобмоточных трансформаторов.



Рисунок 1.2 – Схема головной части ГПП НПС [33]



Более надежны и маневренны подстанции с автоматической перемычкой (с выключателем в перемычке на стороне высокого напряжения) по типу схем 5Н (см. рисунок 1.3) и 5АН (см. рисунок 1.4). Вид схемы электроснабжения при использовании подстанций типов 5Н и 5АН зависит от мощности и типа трансформаторов и средств ограничения токов КЗ.



Рисунок 1.3 – упрощенная схема электроснабжения НПС при питании от подстанции типа 5АН с двухобмоточными трансформаторами без реакторов [33]



Рисунок 1.4 – упрощенная схема электроснабжения НПС при питании от подстанции типа 5АН с групповыми одиночными трансформаторами на вводах [33]



При мощности трансформаторов до 16 МВА применяются в основном подстанции 110/6(10) кВ с двумя двухобмоточными трансформаторами, а технологическое ЗРУ выполняется двухсекционным (рисунки 1.3 и 1.4). При этом схемы ГПП могут быть как с распределительным устройством РУ-6(10) кВ (рисунок 1.3), так и без него (рисунок 1.4). 





Ограничение по числу электродвигателей на одну секцию шин определяют как величиной тока КЗ, так и условиями успешного самозапуска.

Трансформаторы с расщепленными обмотками низшего напряжения применяют при мощности трансформаторов ГПП 25-63 МВА. В этом случае для питания электроприемников НПС одного нефтепровода нашли применение схемы ГПП с двумя трансформаторами с расщепленными обмотками без ЗРУ-6(10) кВ с организацией четырехсекционного технологического ЗРУ-6(10) кВ (рисунки 1.5, 1.6).





Рисунок 1.5 - Схема ГПП с трансформаторами с расщепленной обмоткой и секционированием шин на четыре секции [33]





Рисунок 1.6 - Схема ГПП с трансформаторами с расщепленной обмоткой и одиночными реакторами на вводах [33]



При питании одного нефтепровода на каждой секции шин устанавливают по одному ЭД МНА. 








ГЛАВА 2. Особенности статических характеристик    нагрузок НПС

2.1 Общие характеристики электрических нагрузок

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 электрической системе. В общем они описываются как зависимости активной и реактивной мощности от напряжения и частоты  ,  . 

В нашем случае частоту сети считаем неизменной величиной и рассматриваем только зависимости мощности нагрузки от напряжения. 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 частоты или напряжения.

Для различных электроприемников и их сочетаний статические характеристики  получаются разными, зависят от их рабочих режимов. Практически приходится пользоваться статическими характеристиками, полученными экспериментально. В некоторых случаях их удается получить расчетным путем.

Статические характеристики изображаются в координатах относительных величин – активной и реактивной мощности от частоты или напряжения (рисунок 2.1)



Рисунок 2.1 – Типовые статические характеристики нагрузки

На рисунке 2.1 относительная величина напряжения , а относительные мощности определяются по отношению к номинальной или какой-либо выбранной величине мощности нагрузки: , .

Для снижения регулирующих эффектов нагрузки в электрической системе устанавливаются автоматические регулирующие устройства, которые компенсируют изменение напряжения на электроприемниках. Рассмотрим статические характеристики отдельных видов нагрузки.




2.2 Типовые характеристики асинхронных двигателей

Активная мощность двигателей в значительной мере зависит от характеристик машин, приводимых во вращение двигателями. Наиболее часто рабочие машины имеют механические характеристики трех типов: а) механический момент Ммех постоянный, т.е. не зависит от угловой скорости, б) момент пропорционален скорости, в) момент пропорционален квадрату скорости. Примем в дальнейшем, что Ммех не зависит от , а, следовательно, и от скольжения . При этом механическая мощность пропорциональна угловой скорости .

Упрощенная Г-образная схема замещения представлена на рисунке 2.2. В этой схеме не учитываются потери активной мощности в стали (в ветви намагничивания). 



Рисунок 2.2 - Упрощенная схема замещения асинхронного двигателя:

хs – суммарное сопротивление рассеяния обмоток статора (х1) и ротора (x2); r2 – приведенное к статору сопротивление ротора, включающее сопротивление обмоток статора



Активная мощность, определяемая в зависимости от напряжения и скольжения в соответствии со схемой замещения на рисунке 2.2 равна

                                                    (2.1)

Будем приближенно считать, что 

                                                                (2.2)

При  можно считать, что относительные значения момента и мощности равны. Из последнего выражения следует, что 

                                                                                        (2.3)

т.е. скольжение пропорционально квадрату тока 

Соответствующие зависимости активной мощности асинхронного двигателя от скольжения P(s) при различных значениях напряжения, а также зависимость скольжения от напряжения s(U) приведены на рисунке 2.3.



Рисунок 2.3 - Характеристика P=f(s) асинхронного двигателя при различных значениях подведенного напряжения U и соответствующая ей зависимость s=f(U)



При заданном значении механической мощности нагрузки Рмех каждому значению напряжения UKP0 устойчивы — точки 1,2, 3, а при dP/ds < 0 неустойчивы — точки 5, 6, 7. Для заданного значения Рмех существует критический или предельный режим при критических или предельных значениях напряжения и скольжения sкр и Uкp — точка 4 на рисунке 2.3. В предельном режиме dP/ds = 0. При напряжениях меньше критического работа двигателя невозможна, так как его максимальная электрическая мощность меньше механической мощности нагрузки, P< Рмех. При снижении напряжения ниже критического режим двигателя не существует. Физически при снижении UUc. При перевозбуждении вектор I1 опережает по фазе вектор напряжения Uс, т. е. ток I1, потребляемый из сети, имеет емкостную составляющую. Синхронный двигатель при перевозбуждении потребляет емкостный ток и генерирует реактивную мощность. 


                                                                                                 (2.6)

Отсюда 

                                                                                                        (2.7)



Выразим Р и Q синхронного двигателя через Eq и Uc:

                                                                (2.8)

Обозначим угол между напряжением сети Uc обратной ЭДС Eq через ? (на рисунке 2.7 эти величины соответственно обозначены Uc, Eq , ).

Подставим в предыдущее выражение:

                      )                                (2.9)

Учитывая, что , получим следующее выражение:

                                                           (2.10)

Из последнего вытекают следующие выражения для активной и реактивной мощностей синхронного двигателя:

                                                                                              (2.11)

                                                                                     (2.12)

В режиме перевозбуждения синхронный двигатель потребляет активную и выдает реактивную мощность, т.е. имеет емкостной характер реактивной мощности по отношению к сети. Последнее видно из того, что (рисунок 2.7) и Q <0. В соответствии с принятыми во введении обозначениями реактивная мощность емкостной нагрузки имеет знак минус. Синхронный двигатель в режиме перевозбуждения имеет тот же знак Q, что и емкостная нагрузка, т. е. генерирует Q.



Рисунок 2.8 – Векторная диаграмма синхронного двигателя в режиме недовозбуждения

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. Рисунок 2.8 соответствует режиму недовозбуждения, когда при малом токе возбуждения . При недовозбуждении вектор  отстает по фазе от вектора  т. е. ток , потребляемый из сети, имеет индуктивную составляющую. Синхронный двигатель при недовозбуждении потребляет индуктивный ток и реактивную мощность. Это видно из того, что . и Q>0.

Статические характеристики синхронного двигателя с независимым возбуждением по напряжению показаны на рисунке 2.9. Характеристики приведены в относительных единицах.

Кривые 1, 2, 3 — это зависимости Q* = Q/Qном от напряжения соответственно при хd=0,5; 1 и 2. Момент на валу и активная мощность двигателя постоянны, т.е. Р*=М*= const.



Рисунок 2.9 – Статические характеристики синхронного двигателя с независимым возбуждением

Синхронные двигатели используются как источники реактивной мощности в электрической системе 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 от присоединен. В целом синхронные двигатели имеют положительный регулирующий эффект как по активной, так и по реактивной мощности.




2.4 Типовые характеристики статической нагрузки и компенсирующих устройств

Установки электрического освещения с лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми ртутными, натриевыми, ксеноновыми лампами применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения. 

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.......................