![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ
ПРОЦЕССОВ НА ЭВМ
Омск 2006
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ
ПРОЦЕССОВ НА ЭВМ
Методические указания
К лабораторным работам
Омск – 2006
.
Cоставители: Шкаруба Михаил Васильевич,
Эрнст Александр Дмитриевич
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ ХОЛОСТОГО ХОДА
ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы: Исследовать переходный процесс, возникающий при включении
однофазного трансформатора с разомкнутой вторичной обмот-
кой под синусоидальное напряжение.
Пояснения к работе.
Рассматриваемый процесс включения однофазного трансформатора с разомкнутой первичной обмоткой (рис.1.1) полностью идентичен процессу включения катушки с ферромагнитным сердечником под синусоидальное напряжение и описывается уравнением [1]
, (1.1)
где Um - амплитуда синусоидального напряжения; a - фаза напряжения при t=0 (фаза включения); - потокосцепление первичной обмотки; n1 - число витков первичной обмотки; Ф – магнитный поток;
- мгновенное значение тока холостого хода; r - активное сопротивление первичной обмотки.
Предполагается, что магнитная характеристика трансформатора (характеристика холостого хода) известна (рис. 1.2). Так как магнитная характеристика нелинейна, то и дифференциальное уравнение (1.1) будет нелинейным.
Решить это дифференциальное уравнение можно, например, методом условной линеаризации [1], который заключается в следующем. Пусть второе слагаемое в первой части уравнения (1.1) мало по сравнению с первым. Такое условие соблюдается, например, при включении мощных трансформаторов с разомкнутой вторичной обмоткой, так как активное сопротивление r у них обычно незначительно. Поэтому второе слагаемое имеет второстепенное значение по сравнению с членом
и неточность его вычисления существенно не повлияет на определение параметров переходного процесса.
Зависимость является нелинейной, так как L есть функция
, но в данном случае можно приближенно принять L=const, и связь между
и
становится линейной:
(1.2)
![]() |
Рис.1.1– Исследуемая схема включения однофазного трансформатора
![]() |
Рис.1.2 – Магнитная характеристика трансформатора
![]() |
Рис. 1.3 – Кривая и ее составляющие:
1 – апериодическая ; 2 – периодическая
Отсюда можно выразить и подставить в уравнение (1.1). Тогда уравнение (1.1) примет вид
. (1.3)
Уравнение (1.3) становится линейным и имеет решение
(1.4)
где - амплитуда потокосцепления; (a – j) – фаза включения потокосцепления; угол
.
Так как r<<(), угол
. Максимум потокосцепления соответствует фазе включения напряжения
и определяется уравнением
, (1.5)
так как в этом случае . На рис. 1.3 приведена зависи–мость
и ее составляющие –
и
. Макси-мальное мгновенное значение потокосцепления
имеет место через поло–вину периода и при f =50 Гц можно записать
(1.6)
Из выражения (1.6) следует, что при большой постоянной времени максимальное значение потокосцепления равно примерно
, а ударный коэффициент [2]
.
На рис. 1.2 приведена магнитная характеристика трансформатора. В установившемся режиме работы трансформатора амплитудное значение потокосцепления находится вблизи колена магнитной характеристики. Этому значению потокосцепления соответствует наибольшая по величине амплитуда тока
, но при включении трансформатора амплитуда потокосцепления превышает
(рис. 1.3), рабочая точка переходит в область насыщения кривой намагничивания, что приводит к очень большим броскам тока намагничивания.
На рис. 1.4 показана форма тока, соответствующая зависимости и построенная по кривой намагничивания. Видно (рис 1.4), что зависимость
сильно отличается от синусоиды, особенно в начальной стадии переходного процесса. Это происходит потому, что при насыщении сердечника индуктивность становится нелинейной и вызывает возникновение нелинейного тока. Нелинейный ток можно разложить на высшие гармоники. (В курсе ”Электромагнитные переходные про-цессы” разложение тока на высшие гармоники не рассматривается. Однако в последние годы в электроэнергетике стали уделять большое внимание вопросам качества электроэнергии и студенты должны знать, что индуктивное сопротивление трансформатора при насыщении становится нелинейным, а нелинейное сопротивление можно рассматривать как генератор высших гармоник [1], ко-торое приводят к искажению синусоидальной формы тока и напряжения и, следовательно, ухудшение качества электроэнергии. Данная лабораторная работа очень удобна для знакомства с этим вопросом, полученные сведения будут использованы в курсах ”Электроснабжение промышленных предприятий”, ”Изоляция и перенапряжения в СЭС” и других).
Разложим ток на высшие гармоники. Из курса математики известно, что любую периодическую функцию y=f(x), удовлетворяющую условиям Дирихле, можно разложить в ряд Фурье, а, как известно, все периодические функции электротехники условиям Дирихле удовлетворяют [1]. В общем виде разложение функции y=f(x) в ряд Фурье можно представить так [1]:
(1.7)
Здесь - постоянная составляющая;
-амплитуда основной (первой) синусной гармоники;
-амплитуда высшей (k-й) синусной гармоники;
- амплитуда основной (первой) косинусной гармоники;
- амплитуда высшей (k-й) косинусной гармоники.
Если периодические кривые обладают симметрией того или иного вида, то некоторые коэффициенты в разложении в ряд Фурье (1.7) обращаются в нуль [1]. Так, если кривая симметрична относительно оси ординат,то в разложении в ряд Фурье отсутствуют следующие коэффициенты: - и оно принимает вид:
(1.8)
Амплитуды постоянной составляющей и гармоник
определяются по формулам [1]
и
(9.1)
Коэффициенты ряда Фурье по известной кривой y=f(x) можно определить графическим методом [1], основанным на замене определенных интегралов (1.9) суммами конечного числа слагаемых. С этой целью период функции f(x), равный
, разбивается на n равных частей
и интегралы заменяются суммами:
и
(1.10)
Здесь p - текущий индекс, он принимает значение 1….n; - значение функции f(x) в середине p-го интервала;
- значение функции
в середине p-го интервала.
Однако ток холостого хода трансформатора во время переходного процесса в общем случае периодической функцией не является, поэтому, строго говоря, его разложить на гармоники нельзя. Вместе с тем, рассматривая переходный процесс за один период можно считать функцию квазипериодической. Это после разложения кривой тока на высшие гармоники позволяет определить действующее значение тока и тепловой импульс за первый период [3]. Иное дело – ток в цепи при r=0. В этом случае функция
будет периодической и симметричной относительно оси ординат (рис 1.5).
Ряд Фурье для тока намагничивания при r=0 принимает вид:
(1.11)
где -постоянная составляющая;
-амплитуда k-й косинусной гармоники
В лабораторной работе при определении постоянной составляющей и амплитуд косинусных гармоник
период разбивается на 48 частей, и они определяются по формулам:
(1.12)
где - значения тока
в середине р-го интервала;
- значение функции
в середине р-го интервала.
Число гармоник в лабораторной работе выбирается так, чтобы по-грешность вычисления амплитуды тока не превышала 5%, поэтому она зависит от исходных данных и изменяется от 5 до 7. На рис. 1.6 приведено разложение тока намагничивания
на гармоники при r=0.
Наибольшее значение тока намагничивания – бросок намагничивающего тока возникает через полупериод (0,01 с). Величина
может в десятки раз превосходить амплитуду тока установившегося режима
. Следовательно, в нелинейных цепях ударный коэффициент может значительно превосходить максимальное значение
в линейных цепях не превышающее значения
. Такой всплеск тока может вызвать механические разрушения обмотки, так как электродинамические усилия пропорциональны квадрату тока.
![]() |
|
намагничивания
![]() |
Оценка бросков намагничивающего тока важна и для правильной работы защиты трансформатора, которая не должна срабатывать при его включении. Для этого можно мощный ненагруженный трансформатор включить через дополнительное сопротивление
, которое затем необходимо замкнуть накоротко (рис. 1.1)
В лабораторной работе зависимость y(t) строится по уравнению (1.5), а зависимость – по рис. 1.4 [2]. Поэтому необходимо ввести в ЭВМ магнитную характеристику трансформатора, лежащую в I и III квадрантах. Так как кривая намагничивания симметрична, то достаточно определить характеристику в I квадранте. В численных расчетах нелинейную зависимость
обычно аппроксимируют несколькими линейными участками. В лабораторной работе не требуется высокой точности расчетов, поэтому магнитную характеристику одного квадранта достаточно заменить пятью линейными участками (рис. 1.7).
В табл. 1.1 приведены номинальные напряжения силовых трансформаторов и координаты точек излома линейных участков магнитных характеристик для различных сортов стали [4]. Сердечник трансформатора выбран так, чтобы при максимальном напряжении, приложенном к нему, , ток был практически синусоидальным. Однако во время переходного процесса напряжение превышает
, ток начинает отличаться от синусоиды и появляются высшие гармоники.
Среднее значение индуктивности L обмотки с сердечником определялось в точке 3 кривой намагничивания (рис 1.7) и приведено в табл. 1.2.
Рис. 6.1– Разложение тока на гармоники
![]() |
Рис. 7.1– Построение кривой намагничивания в I квадранте.
Дата публикования: 2015-04-06; Прочитано: 584 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!