Из жизни синхронных машин
Выборка-свалка заметок из нескольких тем электричества-энергетики (при желании можно обратиться к специализированной литературе): синхронизация, некоторые термины, Выборгская вставка, двигатели предельной нагрузки (а также децл по 81-717 и ВЛ-80). Цитаты в основном по Википедии.
Синхронизация с энергосистемой
Все в курсе, зачем нужна Единая энергетическая система - чем больше объединено, тем в целом система устойчивее при авариях, да и в условиях 9 часовых поясов выравнивание суточной нагрузки - весьма полезно. Но мало задумывается над тем, что все эти генераторы на всех входящих в состав ЕЭС электростанциях, на всей территории и всех 9 часовых поясах - работают синхронно (синфазно). То бишь, в каждый момент времени выдаваемая каждым часть синусоиды (угол поворота ротора) - одинакова! Зачем это нужно? Предположим, какой-то генератор работает "не в такт", тогда, из-за различия угла, будут отличаться напряжения на его выходах и в сети. А значит, он станет не то генератор, не то нагрузка, возникнут громадные встречные токи, которые потекут по его обмоткам, т.е. потоком сети его сожжет нахрен. То есть, синхронность работы необходимо обеспечить до включения генератора в сеть, и далее с высокой точностью постоянно поддерживать. А еще необходимо с достаточно большой точностью поддерживать частоту - отклонение от 50 Гц допустимо очень небольшое. А любое изменение мощности в сети тут же приводит к изменению частоты - нагрузка повысилась, валы турбин тормозятся, частота падает. Надо поднимать выдаваемую мощность. И наоборот. И т.д.
Если задуматься, это ведь, наверное, довольно сложная инженерная задача - обеспечить им всем синхронную работу, по всей стране? На самом деле, не очень. Во-первых, фазы в разных местах страны, конечно, отличаются, ввиду протяженности линий и скорости света (подробнее рассматривает теория Длинных Цепей), поэтому вновь включаемый в сеть (уже работающую синхронно) генератор (например, после ремонта) требуется синхронизировать с теми параметрами, которые есть в его месте расположения, во-вторых, при незначительных отклонениях параметров при работе - оно само поддерживает синхронию, волноваться не надо. Самым интересным является тот момент, когда генератор надо сначала синхронизировать с сетью - по частоте и фазе - а уж потом с неё соединять (замкнуть рубильник). Но и тут никаких чудес нет - так как до включения синхронной машины на параллельную работу практически невозможно добиться, чтобы частота ее напряжения была длительно равна частоте напряжения сети; после же включения машина будет работать строго в такт, синхронно с другими машинами, питающими сеть. В этом заключается характерное свойство синхронной машины, которое и дало повод к ее названию (в отличие от асинхронных двигателей, которым разрешено вращаться и с меньшей частотой под нагрузкой, и ради которых, собственно, вся эта трехфазность и была затеяна сто лет назад). То бишь, параметры постоянно плавают, и нужно просто "поймать момент". На практике применяются два метода: метод ручной/автоматической синхронизации и метод самосинхронизации.
Метод самосинхронизации заключается в том, что сначала вновь приключаемый к сети генератор раскручивается и работает вхолостую (не создает и не потребляет никакой активной мощности) - вал первичного двигателя (турбины) раскручивается до номинальной (на большинстве станций двухполюсники, так что частота стандартная, 50 Гц = 3000 об/мин - меньшие частоты (и большее число полюсов у генератора) применяют там, где скорости меньше, на гидроэлектростанциях, скажем). Далее, генератор - то есть обмотки статора - включается в сеть при снятом возбуждении ротора (он не создает своего поля). Тогда токи сети наводят в роторе магнитное поле, и генератор некоторое время работает как двигатель - в зависимости от разницы, потоки сети либо тормозят вал (а он с первичным двигателем общий), либо наоборот, докручивают - насколько имеется разница, такая ЭДС синхронизации и наводится. То есть, ротор машины просто втягивается в синхронию - если случайным образом первичный двигатель вращается быстрее, машина будет генератором, отдаст мощность и притормозит, если же медленнее, то машина будет двигателем, вал будет ускорен. В конечном счете на обмотки ротора подают возбуждение и поднимают мощность первичного двигателя - далее по тем же причинам синхрония будет поддерживаться сама собой.
При включении синхронной машины в сеть способом самосинхронизации должны быть соблюдены следующие условия:
Достоинство метода - простота, всё остальное - недостатки :))
Альтернативный вариант - на роторе генератора имеется возбуждение, он вырабатывает энергию, просадки напряжения не будет. Но синхронизация потребует замкнуть рубильник в точный момент, когда напряжения совпадут. Может быть выполнен вручную либо автоматикой. Как это выглядит технически для персонала? Девайс, именуемый синхроноскоп, имеет такую схему (в варианте так называемого "включения ламп на потухание"):
В результате разниц частот сети и генератора лампы загораются и тухнут не 50 раз в секунду, а по огибающей, значительно реже - вполне доступно человеку. Включать можно тогда, когда разница напряжений равна нулю, что дополнительно проверяется вольтметром (лампы не горят и при низком, но всё же существенном напряжении). Добиваются, чтобы интервалы были 3-5 секунд, пропускают несколько интервалов, приноравливаясь к ритму, и - включают рубильник. Возможно также включение ламп по схеме "бегающего света", когда по вращающемуся с той или иной скоростью "треугольнику света" можно определить и направление/количество текущей разницы частоты/фазы. Подробнее см. литературу.
А также некоторые факты и понятия и сборная солянка:
2.6.2. Основными признаками асинхронного хода являются устойчивые глубокие периодические колебания тока, мощности, напряжения по линии связи и на энергообъектах, а также возникновение разности частот между частями энергосистем, единой и объединенной энергосистем, вышедшими из синхронизма, несмотря на сохранение электрической связи между ними.
На шинах электростанций и подстанций, находящихся вблизи ЭЦК, происходят периодические глубокие колебания напряжения с понижением его ниже аварийных значений, в том числе на СН с возможным отключением ответственных механизмов СН и отдельных агрегатов.
Для электростанций, оказавшихся вблизи ЭЦК, характерно нарушение синхронизма генераторов со сбросом мощности.
Схемы включения генератора и нагрузки в трехфазных цепях существуют, как несложно посчитать, всего в 5 вариантах:
Некоторые более базовые понятия из электротехники
Обычную мощность (e.g. сколько тепла выделится на резисторе) все из физики помнят, произведение напряжения на силу тока. В цепях переменного тока всё хитрее. Зацитируем википедию:
"В цепях однофазного синусоидального тока P = U \cdot I \cdot \cos \varphi, где U и I - среднеквадратичные значения напряжения и тока, phi - угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). "
Реактивная мощность - величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз phi между ними: Q = U \cdot I \cdot \sin \varphi (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает - отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью Р соотношением: ~ |Q| = \sqrt{S^2 - P^2} .
Физический смысл реактивной мощности - это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.
Необходимо отметить, что величина sin phi для значений phi от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin phi для значений phi от 0 до -90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = UI sin phi, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную - то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.
Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.
Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.
Сдвиг фаз - разность между начальными фазами двух переменных величин, изменяющихся во времени периодически с одинаковой частотой. Сдвиг фаз является величиной безразмерной и может измеряться в градусах, радианах или долях периода. В электротехнике сдвиг фаз между напряжением и током определяет коэффициент мощности в цепях переменного тока.
В радиотехнике широко применяются RC-цепочки, сдвигающие фазу приблизительно на 60°. Чтобы сдвинуть фазу на 180° нужно включить последовательно три RC-цепочки. Применяется в RC-генераторах.
Наведённая во вторичных обмотках трансформатора ЭДС для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке. При противофазном включении обмоток трансформатор изменяет полярность мгновенного напряжения на противоположную, в случае синусоидального напряжения сдвигает фазу на 180°. Применяется в генераторе Мейснера и др.
А если без синхронизации? Выборгская вставка
С одним генератором и остальной сетью всё более-менее понятно. А вот когда надо соединить две энергосистемы, возникают свои сложности. И бывает так, что синхронизация - влетает в копеечку, из-за этой самой реактивной мощности. И тогда применяют другие методы. Опять же цитато:
Вставка постоянного тока Выборг - единственная в России вставка постоянного тока (ВПТ). Была построена для экспорта электроэнергии из СССР в Финляндию. Эксплуатация началась в 1981 году.
Передачу электроэнергии постоянным током выбрали по экономическим соображениям. Если бы использовалась обычная линия с переменным током, электрические системы СССР и Финляндии было бы необходимо синхронизировать. Затраты на синхронизацию превысили бы экономический эффект от экспорта. Линия электропередач соединяет подстанции Выборгская (400 кВ) с подстанциями Юлликкяля и Кюми (400 кВ). От ПС Каменногорская (г. Каменногорск) проложена ВЛ-330 кВ (W1D и W2D) до ПС Выборгская (с. Перово), где переменный ток 330 кВ преобразуется в постоянный ток 400 кВ и уходит на экспорт в Финляндию. В 2010-2011 году реализовали возможность двухсторонней передачи. Теперь Финляндия может продавать нам до 350 МВт электроэнергии из своей энергосистемы (что, безусловно, будет неплохо при вынужденном ремонте/аварии).
Станция состоит из 4 независимых тиристорных преобразовательных блоков, работающих на постоянном напряжении +/- 85 кВ. Мощность каждого блока - 355 МВт. На данный момент передаваемая мощность составляет 1400 МВт[2], что делает вставку самой мощной в мире[2].
http://web.archive.org/web/20051115122919/www.transmission.bpa.gov/cigresc14/Compendium/VYBORG.htm описание схемы Выборгской вставки (англ.)
Литература:
...электричество - оно такое:
Двигатели большой мощности особые
Генераторы генерируют, а двигатели - вращают. Кто не видел электродвигателя?.. Обычное дело. Даже и в двигателях большой мощности, в основном, нет ничего необычного. Но есть среди них и весьма, весьма интересные... Такие, что местами уже просто форумулировки - ЗвучатЪ и ВнушаютЪ:
Из-за тяжелых условий работы и жестких габаритных ограничений тяговые двигатели относят к машинам предельного использования.
Если в двух словах, то для них нормальным режимом работы является максимальный. Причем в течение очень длительного времени. Причем обычно в жестких прочих условиях - обычные двигатели от такого дохнут, взять хотя бы перегрев и охлаждение (соответственно возникает необходимость чистого воздуха) и т.д., в общем, появляется много инженерных сложностей. А теперь сборная солянка надерганных откуда поппало по википедии цитат расскажет обо всем этом подробнее.
Тяговый электродвигатель (ТЭД) - электрический двигатель, предназначенный для приведения в движение транспортных средств (электровозов, электропоездов, тепловозов, трамваев, троллейбусов, электромобилей, электроходов, большегрузных автомобилей с электроприводом, танков и машин на гусеничном ходу с электропередачей, подъемно-транспортных машин, самоходных кранов и т. п.). Основное отличие ТЭД от обычных электродвигателей большой мощности заключается в условиях монтажа двигателей и ограниченном месте для их размещения. Это привело к специфичности их конструкций (ограниченные диаметры и длина, многогранные станины, специальные устройства для крепления и т. п.).
Тяговые двигатели городского и железнодорожного транспорта, а также двигатели мотор-колес автомобилей эксплуатируются в сложных погодных условиях, во влажном и пыльном воздухе. Также в отличие от электродвигателей общего назначения ТЭД работают в самых разнообразных режимах (кратковременных, повторно-кратковременных с частыми пусками), сопровождающихся широким изменением частоты вращения ротора и нагрузки по току (при трогании с места может в 2 раза превышать номинальный). При эксплуатации тяговых двигателей имеют место частые механические, тепловые и электрические перегрузки, тряска и толчки. Поэтому при разработке их конструкции предусматривают повышенную электрическую и механическую прочность деталей и узлов, теплостойкую и влагостойкую изоляцию токоведущих частей и обмоток, устойчивую коммутацию двигателей. Кроме того ТЭД рудничных электровозов должны удовлетворять требованиям, относящимся к взрывозащищенному электрооборудованию.
Тяговые двигатели должны иметь характеристики, обеспечивающие высокие тяговые и энергетические свойства (особенно КПД) подвижного состава.
Тяговый электродвигатель, по сути, представляет собой электродвигатель с передачей вращающего момента на движитель транспортного средства (колесо, гусеницу или гребной винт).
В конце XIX века было создано несколько моделей безредукторных ТЭД, когда якорь насаживается непосредственно на ось колёсной пары. Однако даже полное подрессоривание двигателя относительно оси не избавляло конструкцию от недостатков, приводящих к невозможности развить приемлемую мощность двигателя. Проблема была решена установкой понижающего редуктора, что дало возможность значительно увеличить мощность и развить достаточную для массового применения ТЭД на транспортных средствах силу тяги.
Помимо основного режима тяговые электродвигатели могут работать в реверсивном режиме (обратное вращение вала), а также в режиме генератора (при электрическом торможении, рекуперации).
Существенным моментом использования ТЭД является необходимость обеспечения плавного пуска-торможения двигателя для управления скоростью транспортного средства. Вначале регулирование силы тока осуществлялось за счёт подключения дополнительных резисторов и изменения схемы коммутации силовых цепей. С целью уйти от бесполезной нагрузки и повысить КПД стали применять импульсный ток, регулировка которого не требовала резисторов. В дальнейшем стали использоваться электронные схемы, обслуживаемые микропроцессорами. Для управления данными схемами (вне зависимости от их устройства) применяются контроллеры, управляемые человеком, определяющим требуемую скорость транспортного средства.
Вибрация, создаваемая ТЭД, должна устанавливаться по ГОСТ 20815 в соответствующей нормативно-технической документации.
В ТЭД постоянного и пульсирующего тока остов выполняет функции массивного стального магнитопровода (статора) и корпуса - основной несущей и защитной части машины. У бесколлекторных ТЭД сердечник статора полностью шихтован - набран и спрессован из изолированных листов электротехнической стали. Его скрепляют специальными стяжками-шпонками, закладываемыми в наружные пазы в нагретом состоянии. Функции несущей конструкции выполняет литой или сварной корпус, в котором закреплен комплект статора.
За пределами магнитного ярма конфигурация остова может сильно отличаться от конфигурации магнитного ярма из-за устройств подвешивания, вентиляции и др. По соображениям технологии толщина стенок отливки остова должна быть не менее 15-18 мм.
От типа привода зависят устройства на остовах для подвешивания двигателя к раме тележки. Предусматриваются также предохранительные кронштейны для предотвращения выхода двигателя за пределы габарита и падения на путь при разрушении подвески. Для подъема и переноски остова или собранного тягового двигателя в верхней части остова предусмотрены проушины.
Предельное исполнение ТЭД вынуждает предъявлять к материалам в коллекторах повышенные требования:
В железнодорожном транспорте движущая колесная пара, тяговый двигатель и тяговая передача составляют комплекс тягового привода - колесно-моторный блок. Главный параметр в одноступенчатой тяговой передаче - централь - межцентровое расстояние зубчатой передачи, связывающее основные размеры передачи и двигателя. Конструкции тяговых передач весьма разнообразны.
На локомотивах и электропоездах существуют два типа подвешивания ТЭД и их подтипы:
Опорно-осевое подвешивание используется в основном на грузовых электровозах. Двигатель с одной стороны опирается на ось колесной пары через моторно-осевые подшипники, а с другой эластично и упруго подвешен к раме тележки. У асинхронных тяговых двигателей (АТД) ось колесной пары может проходить внутри ротора. Тяговый двигатель не подрессорен, а следовательно оказывает повышенное динамическое воздействие на путь. Чаще применяют при скоростях до 100-110 км/ч. Достаточно просто обеспечивает неизменную параллельность и постоянство централи между осью колесной пары и валом двигателя при любых перемещениях колесной пары относительно тележки.
Опорно-рамное подвешивание используется в основном на пассажирских электровозах и электропоездах. Такое подвешивание является более совершенным, так как двигатель полностью подрессорен и не оказывает значительного динамического воздействия на путь, но более сложен конструктивно. Двигатель опирается только на раму тележки локомотива и защищен от вибраций рессорным подвешиванием тележки. Чаще применяют при скоростях больше 100-110 км/ч, но также и при меньших скоростях.
Режимы работы
Для ЭПС регламентированы два режима работы двигателей, для которых существуют номинальные параметры: мощность, напряжение, ток, частота вращения, вращающий момент и др. Эти параметры указываются на паспортной табличке двигателя, в его техническом паспорте и др. документах.
На электровозах применяется интенсивная независимая вентиляция. Для нагнетания воздуха используется специальный мотор-вентилятор, установленный в кузове локомотива. Предельные допускаемые превышения температур для данного типа вентиляции не должны превышать указанных в таблице [...] Для вентиляционных систем электроподвижного состава обеспечение чистоты охлаждающего воздуха имеет важное значение. Воздух, поступающий в вентиляционную систему двигателей, содержит пыль, а также металлические частицы, образующиеся при истирании тормозных колодок. [...] Наибольшей эффективностью по задержанию капельной влаги обладает вертикальная лабиринтная решетка с гидравлическим затвором. Общим недостатком жалюзийных воздухоочистителей является низкая эффективность очистки воздуха. В последнее время получают распространение воздухоочистители, обеспечивающие аэродинамическую (ротационную) очистку охлаждающего воздуха (устанавливались на ВЛ80р, ВЛ85).
Некоторые из ТЭД (в википедии табличка побольше, конечно):
Тип двигателяМощность, кВтНапряжение номинальное (максимальное), ВЧастота вращения номинальная(максимальная), об/минКПД, %Масса, кгДлина двигателя, ммДиаметр (ширина/высота) двигателя, ммСпособ подвешиванияПодвижной состав
ТЛ2К1670150079093,45000--Опорно-осевоеВЛ10У, ВЛ11 постоянного токаНБ-418К6790950890 (2040)94,54350-1045Опорно-осевоеВЛ80Р, ВЛ80Т, ВЛ80К, ВЛ80С переменного токаНБ-514835980905 (2040)94,14282-1045Опорно-осевоеВЛ85 переменного токаДТ9Н465150067092,64600--Опорно-осевоеАгрегаты тяговые ПЭ2М, ОПЭ1Б постоянного и переменного токаНБ-5114601500670934600--Опорно-осевоеАгрегаты тяговые ПЭ2М, ОПЭ1Б постоянного и переменного токаНБ-5079301000670 (1570)94,74700--Опорно-рамноеВЛ81 и ВЛ85 переменного токаДК117М/А112/110375/7501480 (3600)-760/740912607/603-Метро-вагон "И"/81-714, 81-717УРТ-110А200-1315 (2080)-2150---Метро-вагон .Яуза. (также используется на электропоездах ЭР2)
Примеры применения
Даже на железной дороге применения ТЭД весьма и весьма разнятся. Скажем, двигатели магистрального электровоза ВЛ-80 рассчитаны на непрерывную работу по многу часов (ехать да ехать со стабильной скоростью). А вот, например, поезд метро - напротив, сложно держать с постоянной высокой скоростью. Статья с экспериментами по оптимизации в Киевском метрополитене дала неожиданный вывод - снижение пиков скорости кроме экономии еще и снизило износ (очень удивительно!). Про особенности работы расскажет цитата:
Ни один вид рельсового транспорта не разгоняется с таким ускорением и не тормозится с таким замедлением, как поезд метро. Это достигается большим количеством двигателей и сложной схемой управления ими. Схема привода - релейно-контакторная, громоздкая, одних автоматических выключателей только 57 шт. А еще два тиристорных регулятора напряжений для питания обмоток возбуждения в тормозных режимах, несколько десятков контакторов и реле, два двигателя постоянного тока для вращения реостатных контроллеров (РК), которые весят по четверти тонны, несколько ящиков пусковых резисторов, два индуктивных шунта в цепи ослабления поля весом по 120 кг и т.п. Из штатных средств измерения имеется один датчик тока, один вольтметр и по датчику скорости в головных вагонах.
В момент разгона поезда метро, РК, управляющий пуском привода, пробегает 36 позиций. Допустим, что на каждой позиции РК, в результате задания параметров привода с недостаточной точностью, получена ошибка во времени величиной 0,1 с. Тогда, за полный цикл одного пуска ошибка составит 3.6 с. На десяти перегонах ошибка по времени составит уже 36 с. Это совершенно недопустимо по нормам метрополитена. Машиниста накажут как за 36 с опережения графика, которое ведет к большому пережогу электроэнергии, так и за 36 с отставания. Подобная же ситуация с точностью расчета электроэнергии, потребляемой приводом на каждой позиции РК. Необходимо очень точно уметь рассчитывать энергию и время. Энергию только в режиме пуска, а время во всех режимах, даже на остановках. Лишнее время, отведенное на остановки, сокращает время, отведенное на движение. Значит нужно заложить большую скорость, а это - энергия. На транспорте время - энергия - деньги.
Набор оптимальных графиков получен на самом первом этапе. Это присуще использованному методу оптимизации - методу дискретного динамического программирования. Следует уточнить исходные данные, устранить недостатки привода, найти локальные экстремумы. Хуже с другим. Незаинтересованных экономить машинистов можно заменить автоматикой, а вот какова заинтересованность госпредприятия в экономии электроэнергии? Сегодня сэкономим, а завтра урежут лимиты, и снова будем должны...
Речь идет о метровагонах модели http://ru.wikipedia.org/wiki/81-717 (там же и ссылки, а также интересное про опытные модификации с 2007 по 2013).
У электровоза ВЛ-80 всё гораздо веселее, без состава берет 100 км/ч за 9 секунд, берет много, едет долго. А его запуск и отправление - совершенно волшебное зрелище, если наблюдать вживую, особенно с полного нуля, особенно звучание. К сожалению, нормального качества видео всего целиком найти не удалось, нашлось такое:
Синхронизация с энергосистемой
Все в курсе, зачем нужна Единая энергетическая система - чем больше объединено, тем в целом система устойчивее при авариях, да и в условиях 9 часовых поясов выравнивание суточной нагрузки - весьма полезно. Но мало задумывается над тем, что все эти генераторы на всех входящих в состав ЕЭС электростанциях, на всей территории и всех 9 часовых поясах - работают синхронно (синфазно). То бишь, в каждый момент времени выдаваемая каждым часть синусоиды (угол поворота ротора) - одинакова! Зачем это нужно? Предположим, какой-то генератор работает "не в такт", тогда, из-за различия угла, будут отличаться напряжения на его выходах и в сети. А значит, он станет не то генератор, не то нагрузка, возникнут громадные встречные токи, которые потекут по его обмоткам, т.е. потоком сети его сожжет нахрен. То есть, синхронность работы необходимо обеспечить до включения генератора в сеть, и далее с высокой точностью постоянно поддерживать. А еще необходимо с достаточно большой точностью поддерживать частоту - отклонение от 50 Гц допустимо очень небольшое. А любое изменение мощности в сети тут же приводит к изменению частоты - нагрузка повысилась, валы турбин тормозятся, частота падает. Надо поднимать выдаваемую мощность. И наоборот. И т.д.
Если задуматься, это ведь, наверное, довольно сложная инженерная задача - обеспечить им всем синхронную работу, по всей стране? На самом деле, не очень. Во-первых, фазы в разных местах страны, конечно, отличаются, ввиду протяженности линий и скорости света (подробнее рассматривает теория Длинных Цепей), поэтому вновь включаемый в сеть (уже работающую синхронно) генератор (например, после ремонта) требуется синхронизировать с теми параметрами, которые есть в его месте расположения, во-вторых, при незначительных отклонениях параметров при работе - оно само поддерживает синхронию, волноваться не надо. Самым интересным является тот момент, когда генератор надо сначала синхронизировать с сетью - по частоте и фазе - а уж потом с неё соединять (замкнуть рубильник). Но и тут никаких чудес нет - так как до включения синхронной машины на параллельную работу практически невозможно добиться, чтобы частота ее напряжения была длительно равна частоте напряжения сети; после же включения машина будет работать строго в такт, синхронно с другими машинами, питающими сеть. В этом заключается характерное свойство синхронной машины, которое и дало повод к ее названию (в отличие от асинхронных двигателей, которым разрешено вращаться и с меньшей частотой под нагрузкой, и ради которых, собственно, вся эта трехфазность и была затеяна сто лет назад). То бишь, параметры постоянно плавают, и нужно просто "поймать момент". На практике применяются два метода: метод ручной/автоматической синхронизации и метод самосинхронизации.
Метод самосинхронизации заключается в том, что сначала вновь приключаемый к сети генератор раскручивается и работает вхолостую (не создает и не потребляет никакой активной мощности) - вал первичного двигателя (турбины) раскручивается до номинальной (на большинстве станций двухполюсники, так что частота стандартная, 50 Гц = 3000 об/мин - меньшие частоты (и большее число полюсов у генератора) применяют там, где скорости меньше, на гидроэлектростанциях, скажем). Далее, генератор - то есть обмотки статора - включается в сеть при снятом возбуждении ротора (он не создает своего поля). Тогда токи сети наводят в роторе магнитное поле, и генератор некоторое время работает как двигатель - в зависимости от разницы, потоки сети либо тормозят вал (а он с первичным двигателем общий), либо наоборот, докручивают - насколько имеется разница, такая ЭДС синхронизации и наводится. То есть, ротор машины просто втягивается в синхронию - если случайным образом первичный двигатель вращается быстрее, машина будет генератором, отдаст мощность и притормозит, если же медленнее, то машина будет двигателем, вал будет ускорен. В конечном счете на обмотки ротора подают возбуждение и поднимают мощность первичного двигателя - далее по тем же причинам синхрония будет поддерживаться сама собой.
При включении синхронной машины в сеть способом самосинхронизации должны быть соблюдены следующие условия:
- генератор не возбужден;
- АГП отключен
- остаточное напряжение на выводах статора не должно превышать 0,1-0,3 Uном;
- скольжение машины не должно превышать допустимого значения;
- ускорение машины в момент включения не должно превосходить допустимого значения (0,5 Гц/с для гидрогенераторов без успокоительных обмоток и 2-5 Гц/с для турбогенераторов и гидрогенераторов с успокоительными обмотками).
Достоинство метода - простота, всё остальное - недостатки :))
- Поскольку точности не требуется, то и уравнительные токи возникают достаточно большие. В наиболее тяжелом предельном случае (равные нулю сопротивления сети бесконечно большой мощности и идеального генератора) он будет равен ударному току короткого замыкания. Кроме того, в момент включения напряжение на выходе генератора сильно просаживается, вплоть до 50% - это серьезно. Втягивание генератора в синхронизм происходит обычно довольно быстро, за 1-2 секунды, так что большинству потребителей обычно пофиг, но, понятно, всегда на всех не плюнешь. Обычно принимают, что самосинхронизация допустима, если уравнительный ток превосходит номинальный не более чем в 3.5 раза.
- Если разность частот будет достаточно большой, генератор может не втянуться в синхронизм.
- На практике условия точной синхронизации выполняются не абсолютно точно, а допускаются некоторые отклонения, при которых обеспечивается успешная синхронизация. Частота скольжения fS допускается примерно 0,05-0,2 Гц, что соответствует периоду биения TS = 20±5 c. Разность напряжений синхронизируемого генератора и сети допускается около 5-10 %. Значение допустимого угла ошибки определяется в зависимости от параметров сети и синхронизируемого генератора. Допустимым можно считать включение, при котором периодическая составляющая уравнительного тока в момент включения не превосходит номинального тока генератора.
- Согласно правилам технической эксплуатации способ самосинхронизации разрешается применять в аварийных условиях на турбогенераторах мощностью до 200 МВт включительно и гидрогенераторах мощностью до 500 Мвт включительно; генераторы большей мощности разрешается включать этим способом при условии, что кратность сверхпереходного тока к номинальному не превышает 3,0.
- Следует также иметь в виду, что включение генератора в сеть способом самосинхронизации сопровождается значительным снижением напряжения на выводах генератора, что может вызвать нарушение нормальной работы потребителей, подключенным к шинам генераторного напряжения.
Альтернативный вариант - на роторе генератора имеется возбуждение, он вырабатывает энергию, просадки напряжения не будет. Но синхронизация потребует замкнуть рубильник в точный момент, когда напряжения совпадут. Может быть выполнен вручную либо автоматикой. Как это выглядит технически для персонала? Девайс, именуемый синхроноскоп, имеет такую схему (в варианте так называемого "включения ламп на потухание"):
В результате разниц частот сети и генератора лампы загораются и тухнут не 50 раз в секунду, а по огибающей, значительно реже - вполне доступно человеку. Включать можно тогда, когда разница напряжений равна нулю, что дополнительно проверяется вольтметром (лампы не горят и при низком, но всё же существенном напряжении). Добиваются, чтобы интервалы были 3-5 секунд, пропускают несколько интервалов, приноравливаясь к ритму, и - включают рубильник. Возможно также включение ламп по схеме "бегающего света", когда по вращающемуся с той или иной скоростью "треугольнику света" можно определить и направление/количество текущей разницы частоты/фазы. Подробнее см. литературу.
А также некоторые факты и понятия и сборная солянка:
2.6.2. Основными признаками асинхронного хода являются устойчивые глубокие периодические колебания тока, мощности, напряжения по линии связи и на энергообъектах, а также возникновение разности частот между частями энергосистем, единой и объединенной энергосистем, вышедшими из синхронизма, несмотря на сохранение электрической связи между ними.
На шинах электростанций и подстанций, находящихся вблизи ЭЦК, происходят периодические глубокие колебания напряжения с понижением его ниже аварийных значений, в том числе на СН с возможным отключением ответственных механизмов СН и отдельных агрегатов.
Для электростанций, оказавшихся вблизи ЭЦК, характерно нарушение синхронизма генераторов со сбросом мощности.
- "в действительности с обмоткой статора сцепляется тольк один результирующий поток"
- угол 90 градусов, при котором активная мощность максимальна - характерное свойство синхронной машины
- "равновесие между моментами первичного двигателя и генератора наступает не сразу"
- "мощность Pэм.м или момент Mэм.м. определяют собой предел статической устойчивости машины, т.е. её способности сохранять синхронизм при малых возмущениях режима работы". При постепенном увеличении мощности до Pэм.м работа машины устойчива, при дальнейшем увеличении мощности на валу первичного двигателя сверх Pэм.м - машина выпадет из синхронизма.
- синхронизирующая мощность
- работа генератора в области изменения угла от 90 до 180 градусов не может быть устойчивой
- при номинальной мощности обычно держат 20-30 градусов
- при недовозбуждении генератор работает с опережающим током, при перевозбуждении - с отстающим
- при перевозбуждении реакция якоря должна быть размагничивающей
- в течение переходного процесса при небольшом изменении угловой скорости ротора регуляторы скорости первичных двигателей обычно не успевают подействовать, так как их чувствительность относительно невелика. Следовательно, изменение возбуждения вызовет лишь изменение реактивной составляющей тока
- для изменения активной - меняют мощность на валу первичного двигателя
- явнополюсные машины, неявнополюсные машины, статическая перегружаемость
Схемы включения генератора и нагрузки в трехфазных цепях существуют, как несложно посчитать, всего в 5 вариантах:
- звезда - звезда без нуля
- звезда - звезда с нулем
- звезда - треугольник
- треугольник - звезда
- треугольник - треугольник
Некоторые более базовые понятия из электротехники
Обычную мощность (e.g. сколько тепла выделится на резисторе) все из физики помнят, произведение напряжения на силу тока. В цепях переменного тока всё хитрее. Зацитируем википедию:
"В цепях однофазного синусоидального тока P = U \cdot I \cdot \cos \varphi, где U и I - среднеквадратичные значения напряжения и тока, phi - угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). "
Реактивная мощность - величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз phi между ними: Q = U \cdot I \cdot \sin \varphi (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает - отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью Р соотношением: ~ |Q| = \sqrt{S^2 - P^2} .
Физический смысл реактивной мощности - это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.
Необходимо отметить, что величина sin phi для значений phi от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin phi для значений phi от 0 до -90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = UI sin phi, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную - то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.
Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.
Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.
Сдвиг фаз - разность между начальными фазами двух переменных величин, изменяющихся во времени периодически с одинаковой частотой. Сдвиг фаз является величиной безразмерной и может измеряться в градусах, радианах или долях периода. В электротехнике сдвиг фаз между напряжением и током определяет коэффициент мощности в цепях переменного тока.
В радиотехнике широко применяются RC-цепочки, сдвигающие фазу приблизительно на 60°. Чтобы сдвинуть фазу на 180° нужно включить последовательно три RC-цепочки. Применяется в RC-генераторах.
Наведённая во вторичных обмотках трансформатора ЭДС для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке. При противофазном включении обмоток трансформатор изменяет полярность мгновенного напряжения на противоположную, в случае синусоидального напряжения сдвигает фазу на 180°. Применяется в генераторе Мейснера и др.
А если без синхронизации? Выборгская вставка
С одним генератором и остальной сетью всё более-менее понятно. А вот когда надо соединить две энергосистемы, возникают свои сложности. И бывает так, что синхронизация - влетает в копеечку, из-за этой самой реактивной мощности. И тогда применяют другие методы. Опять же цитато:
Вставка постоянного тока Выборг - единственная в России вставка постоянного тока (ВПТ). Была построена для экспорта электроэнергии из СССР в Финляндию. Эксплуатация началась в 1981 году.
Передачу электроэнергии постоянным током выбрали по экономическим соображениям. Если бы использовалась обычная линия с переменным током, электрические системы СССР и Финляндии было бы необходимо синхронизировать. Затраты на синхронизацию превысили бы экономический эффект от экспорта. Линия электропередач соединяет подстанции Выборгская (400 кВ) с подстанциями Юлликкяля и Кюми (400 кВ). От ПС Каменногорская (г. Каменногорск) проложена ВЛ-330 кВ (W1D и W2D) до ПС Выборгская (с. Перово), где переменный ток 330 кВ преобразуется в постоянный ток 400 кВ и уходит на экспорт в Финляндию. В 2010-2011 году реализовали возможность двухсторонней передачи. Теперь Финляндия может продавать нам до 350 МВт электроэнергии из своей энергосистемы (что, безусловно, будет неплохо при вынужденном ремонте/аварии).
Станция состоит из 4 независимых тиристорных преобразовательных блоков, работающих на постоянном напряжении +/- 85 кВ. Мощность каждого блока - 355 МВт. На данный момент передаваемая мощность составляет 1400 МВт[2], что делает вставку самой мощной в мире[2].
http://web.archive.org/web/20051115122919/www.transmission.bpa.gov/cigresc14/Compendium/VYBORG.htm описание схемы Выборгской вставки (англ.)
Литература:
- http://www.psm1.ru/literature/biblia-rza/106-15/941-15-47-kak-proizvoditsya-sinxronizaciya-lep-na-podstanciyax.html
- PavlovAvtomatika3.pdf
- http://www.motor-remont.ru/books/book683/book683p74.htm
...электричество - оно такое:
Click to viewДвигатели большой мощности особые
Генераторы генерируют, а двигатели - вращают. Кто не видел электродвигателя?.. Обычное дело. Даже и в двигателях большой мощности, в основном, нет ничего необычного. Но есть среди них и весьма, весьма интересные... Такие, что местами уже просто форумулировки - ЗвучатЪ и ВнушаютЪ:
Из-за тяжелых условий работы и жестких габаритных ограничений тяговые двигатели относят к машинам предельного использования.
Если в двух словах, то для них нормальным режимом работы является максимальный. Причем в течение очень длительного времени. Причем обычно в жестких прочих условиях - обычные двигатели от такого дохнут, взять хотя бы перегрев и охлаждение (соответственно возникает необходимость чистого воздуха) и т.д., в общем, появляется много инженерных сложностей. А теперь сборная солянка надерганных откуда поппало по википедии цитат расскажет обо всем этом подробнее.
Тяговый электродвигатель (ТЭД) - электрический двигатель, предназначенный для приведения в движение транспортных средств (электровозов, электропоездов, тепловозов, трамваев, троллейбусов, электромобилей, электроходов, большегрузных автомобилей с электроприводом, танков и машин на гусеничном ходу с электропередачей, подъемно-транспортных машин, самоходных кранов и т. п.). Основное отличие ТЭД от обычных электродвигателей большой мощности заключается в условиях монтажа двигателей и ограниченном месте для их размещения. Это привело к специфичности их конструкций (ограниченные диаметры и длина, многогранные станины, специальные устройства для крепления и т. п.).
Тяговые двигатели городского и железнодорожного транспорта, а также двигатели мотор-колес автомобилей эксплуатируются в сложных погодных условиях, во влажном и пыльном воздухе. Также в отличие от электродвигателей общего назначения ТЭД работают в самых разнообразных режимах (кратковременных, повторно-кратковременных с частыми пусками), сопровождающихся широким изменением частоты вращения ротора и нагрузки по току (при трогании с места может в 2 раза превышать номинальный). При эксплуатации тяговых двигателей имеют место частые механические, тепловые и электрические перегрузки, тряска и толчки. Поэтому при разработке их конструкции предусматривают повышенную электрическую и механическую прочность деталей и узлов, теплостойкую и влагостойкую изоляцию токоведущих частей и обмоток, устойчивую коммутацию двигателей. Кроме того ТЭД рудничных электровозов должны удовлетворять требованиям, относящимся к взрывозащищенному электрооборудованию.
Тяговые двигатели должны иметь характеристики, обеспечивающие высокие тяговые и энергетические свойства (особенно КПД) подвижного состава.
Тяговый электродвигатель, по сути, представляет собой электродвигатель с передачей вращающего момента на движитель транспортного средства (колесо, гусеницу или гребной винт).
В конце XIX века было создано несколько моделей безредукторных ТЭД, когда якорь насаживается непосредственно на ось колёсной пары. Однако даже полное подрессоривание двигателя относительно оси не избавляло конструкцию от недостатков, приводящих к невозможности развить приемлемую мощность двигателя. Проблема была решена установкой понижающего редуктора, что дало возможность значительно увеличить мощность и развить достаточную для массового применения ТЭД на транспортных средствах силу тяги.
Помимо основного режима тяговые электродвигатели могут работать в реверсивном режиме (обратное вращение вала), а также в режиме генератора (при электрическом торможении, рекуперации).
Существенным моментом использования ТЭД является необходимость обеспечения плавного пуска-торможения двигателя для управления скоростью транспортного средства. Вначале регулирование силы тока осуществлялось за счёт подключения дополнительных резисторов и изменения схемы коммутации силовых цепей. С целью уйти от бесполезной нагрузки и повысить КПД стали применять импульсный ток, регулировка которого не требовала резисторов. В дальнейшем стали использоваться электронные схемы, обслуживаемые микропроцессорами. Для управления данными схемами (вне зависимости от их устройства) применяются контроллеры, управляемые человеком, определяющим требуемую скорость транспортного средства.
Вибрация, создаваемая ТЭД, должна устанавливаться по ГОСТ 20815 в соответствующей нормативно-технической документации.
В ТЭД постоянного и пульсирующего тока остов выполняет функции массивного стального магнитопровода (статора) и корпуса - основной несущей и защитной части машины. У бесколлекторных ТЭД сердечник статора полностью шихтован - набран и спрессован из изолированных листов электротехнической стали. Его скрепляют специальными стяжками-шпонками, закладываемыми в наружные пазы в нагретом состоянии. Функции несущей конструкции выполняет литой или сварной корпус, в котором закреплен комплект статора.
За пределами магнитного ярма конфигурация остова может сильно отличаться от конфигурации магнитного ярма из-за устройств подвешивания, вентиляции и др. По соображениям технологии толщина стенок отливки остова должна быть не менее 15-18 мм.
От типа привода зависят устройства на остовах для подвешивания двигателя к раме тележки. Предусматриваются также предохранительные кронштейны для предотвращения выхода двигателя за пределы габарита и падения на путь при разрушении подвески. Для подъема и переноски остова или собранного тягового двигателя в верхней части остова предусмотрены проушины.
Предельное исполнение ТЭД вынуждает предъявлять к материалам в коллекторах повышенные требования:
- Холоднокатная электротехническая медь - твердость 75-85 HB, предел прочности 280 МПа, предел текучести 250 МПа на растяжение и 320 МПа на изгиб.
- Медь с присадками кадмия и серебра - твердость до 95-100 HB, предел прочности более 350 МПа.
В железнодорожном транспорте движущая колесная пара, тяговый двигатель и тяговая передача составляют комплекс тягового привода - колесно-моторный блок. Главный параметр в одноступенчатой тяговой передаче - централь - межцентровое расстояние зубчатой передачи, связывающее основные размеры передачи и двигателя. Конструкции тяговых передач весьма разнообразны.
На локомотивах и электропоездах существуют два типа подвешивания ТЭД и их подтипы:
- опорно-осевое (Кц=1,03-1,22);
- опорно-рамное (с подтипами)
Опорно-осевое подвешивание используется в основном на грузовых электровозах. Двигатель с одной стороны опирается на ось колесной пары через моторно-осевые подшипники, а с другой эластично и упруго подвешен к раме тележки. У асинхронных тяговых двигателей (АТД) ось колесной пары может проходить внутри ротора. Тяговый двигатель не подрессорен, а следовательно оказывает повышенное динамическое воздействие на путь. Чаще применяют при скоростях до 100-110 км/ч. Достаточно просто обеспечивает неизменную параллельность и постоянство централи между осью колесной пары и валом двигателя при любых перемещениях колесной пары относительно тележки.
Опорно-рамное подвешивание используется в основном на пассажирских электровозах и электропоездах. Такое подвешивание является более совершенным, так как двигатель полностью подрессорен и не оказывает значительного динамического воздействия на путь, но более сложен конструктивно. Двигатель опирается только на раму тележки локомотива и защищен от вибраций рессорным подвешиванием тележки. Чаще применяют при скоростях больше 100-110 км/ч, но также и при меньших скоростях.
Режимы работы
Для ЭПС регламентированы два режима работы двигателей, для которых существуют номинальные параметры: мощность, напряжение, ток, частота вращения, вращающий момент и др. Эти параметры указываются на паспортной табличке двигателя, в его техническом паспорте и др. документах.
- Продолжительный режим - нагрузка наибольшим током якоря в течение неограниченного времени (более 4-6 часов после пуска) при номинальном напряжении на зажимах и вентиляции, не вызывающая превышения предельно допустимых температур.
- Часовой режим (кратковременный) - нагрузка наибольшим током якоря при пуске из практически холодного состояния в течение 1 часа при номинальном напряжении с возбуждением и вентиляцией, не вызывающая превышения предельно допустимых температур.
- в продолжительном режиме - мощность P_\infin, ток I_\infin, частота вращения n_\infin, КПД \eta_\infin;
- в часовом режиме - мощность P_\text{ч}, ток I_\text{ч}, частота вращения n_\text{ч}, КПД \eta_\text{ч}.
На электровозах применяется интенсивная независимая вентиляция. Для нагнетания воздуха используется специальный мотор-вентилятор, установленный в кузове локомотива. Предельные допускаемые превышения температур для данного типа вентиляции не должны превышать указанных в таблице [...] Для вентиляционных систем электроподвижного состава обеспечение чистоты охлаждающего воздуха имеет важное значение. Воздух, поступающий в вентиляционную систему двигателей, содержит пыль, а также металлические частицы, образующиеся при истирании тормозных колодок. [...] Наибольшей эффективностью по задержанию капельной влаги обладает вертикальная лабиринтная решетка с гидравлическим затвором. Общим недостатком жалюзийных воздухоочистителей является низкая эффективность очистки воздуха. В последнее время получают распространение воздухоочистители, обеспечивающие аэродинамическую (ротационную) очистку охлаждающего воздуха (устанавливались на ВЛ80р, ВЛ85).
Некоторые из ТЭД (в википедии табличка побольше, конечно):
Тип двигателяМощность, кВтНапряжение номинальное (максимальное), ВЧастота вращения номинальная(максимальная), об/минКПД, %Масса, кгДлина двигателя, ммДиаметр (ширина/высота) двигателя, ммСпособ подвешиванияПодвижной состав
ТЛ2К1670150079093,45000--Опорно-осевоеВЛ10У, ВЛ11 постоянного токаНБ-418К6790950890 (2040)94,54350-1045Опорно-осевоеВЛ80Р, ВЛ80Т, ВЛ80К, ВЛ80С переменного токаНБ-514835980905 (2040)94,14282-1045Опорно-осевоеВЛ85 переменного токаДТ9Н465150067092,64600--Опорно-осевоеАгрегаты тяговые ПЭ2М, ОПЭ1Б постоянного и переменного токаНБ-5114601500670934600--Опорно-осевоеАгрегаты тяговые ПЭ2М, ОПЭ1Б постоянного и переменного токаНБ-5079301000670 (1570)94,74700--Опорно-рамноеВЛ81 и ВЛ85 переменного токаДК117М/А112/110375/7501480 (3600)-760/740912607/603-Метро-вагон "И"/81-714, 81-717УРТ-110А200-1315 (2080)-2150---Метро-вагон .Яуза. (также используется на электропоездах ЭР2)
Примеры применения
Даже на железной дороге применения ТЭД весьма и весьма разнятся. Скажем, двигатели магистрального электровоза ВЛ-80 рассчитаны на непрерывную работу по многу часов (ехать да ехать со стабильной скоростью). А вот, например, поезд метро - напротив, сложно держать с постоянной высокой скоростью. Статья с экспериментами по оптимизации в Киевском метрополитене дала неожиданный вывод - снижение пиков скорости кроме экономии еще и снизило износ (очень удивительно!). Про особенности работы расскажет цитата:
Ни один вид рельсового транспорта не разгоняется с таким ускорением и не тормозится с таким замедлением, как поезд метро. Это достигается большим количеством двигателей и сложной схемой управления ими. Схема привода - релейно-контакторная, громоздкая, одних автоматических выключателей только 57 шт. А еще два тиристорных регулятора напряжений для питания обмоток возбуждения в тормозных режимах, несколько десятков контакторов и реле, два двигателя постоянного тока для вращения реостатных контроллеров (РК), которые весят по четверти тонны, несколько ящиков пусковых резисторов, два индуктивных шунта в цепи ослабления поля весом по 120 кг и т.п. Из штатных средств измерения имеется один датчик тока, один вольтметр и по датчику скорости в головных вагонах.
В момент разгона поезда метро, РК, управляющий пуском привода, пробегает 36 позиций. Допустим, что на каждой позиции РК, в результате задания параметров привода с недостаточной точностью, получена ошибка во времени величиной 0,1 с. Тогда, за полный цикл одного пуска ошибка составит 3.6 с. На десяти перегонах ошибка по времени составит уже 36 с. Это совершенно недопустимо по нормам метрополитена. Машиниста накажут как за 36 с опережения графика, которое ведет к большому пережогу электроэнергии, так и за 36 с отставания. Подобная же ситуация с точностью расчета электроэнергии, потребляемой приводом на каждой позиции РК. Необходимо очень точно уметь рассчитывать энергию и время. Энергию только в режиме пуска, а время во всех режимах, даже на остановках. Лишнее время, отведенное на остановки, сокращает время, отведенное на движение. Значит нужно заложить большую скорость, а это - энергия. На транспорте время - энергия - деньги.
Набор оптимальных графиков получен на самом первом этапе. Это присуще использованному методу оптимизации - методу дискретного динамического программирования. Следует уточнить исходные данные, устранить недостатки привода, найти локальные экстремумы. Хуже с другим. Незаинтересованных экономить машинистов можно заменить автоматикой, а вот какова заинтересованность госпредприятия в экономии электроэнергии? Сегодня сэкономим, а завтра урежут лимиты, и снова будем должны...
Речь идет о метровагонах модели http://ru.wikipedia.org/wiki/81-717 (там же и ссылки, а также интересное про опытные модификации с 2007 по 2013).
У электровоза ВЛ-80 всё гораздо веселее, без состава берет 100 км/ч за 9 секунд, берет много, едет долго. А его запуск и отправление - совершенно волшебное зрелище, если наблюдать вживую, особенно с полного нуля, особенно звучание. К сожалению, нормального качества видео всего целиком найти не удалось, нашлось такое:
- подъем-подключение Сахаср токоприемника, главный выключатель, фазорасщепитель, компрессор тормозной магистрали (потом выключается):
- предыдущие стадии (плохо слышно), включение по очереди мотор-вентиляторов, потом самих двигателей, отправление:
- аналогично с грузовым составом: