Резонанс в электрических цепях Топологические методы расчета


Расчет режима симметричной трехфазной нагрузки при несимметричном напряжении

 

Пусть к симметричному трехфазному приемнику, например электродвигателю, приложена несимметричная система напряжений UA, UB, UC. Для получения общих закономерностей введем в схему нулевой провод с сопротивлением ZN. Схема цепи примет вид (рис. 108):

Разложим несимметричную систему напряжений UA, UB, UC на симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей:

,

,

.

Применим к расчету схемы метод наложения и выполним расчет токов отдельно для каждой симметричной составляющей напряжения. Так как для каждой из симметричных составляющих трехфазная схема генератор-приемник полностью симметрична, то расчет режима можно выполнять только для одной фазы А, соответственно трехфазную схему следует заменить тремя однофазными отдельно для каждой составляющей (рис. 109а, б, в). В симметричном режиме для прямой и обратной последовательностей ток в нулевом проводе равен нулю и, следовательно, напряжение . Это означает, что сопротивление в нейтральном проводе ZN не оказывает влияния на фазные токи и не должно включаться в схемы для этих последовательностей (рис. 109а, б). Токи нулевой последовательности во всех фазах совпадают и могут замкнуться только через нулевой провод: IN = IA0 + IB0 + IC0 = 3IA0. По 2-му закону Кирхгофа для нулевой последовательности (рис. 3) получим:

UA0 = IA0Z0 + IN×ZN = IA0(Z0 + 3ZN)

Согласно полученному уравнению схема замещения для нулевой последовательности получит вид (рис. 109в), в которой последовательно с сопротивлением фазы Z0 включается утроенное сопротивление нейтрали 3ZN.

В схемах для отдельных симметричных составляющих (рис. 4а, б, в) обозначены Z1, Z2, Z0 - комплексные сопротивления фазы приемника для токов соответственно прямой, обратной и нулевой последовательностей. Для приемников с вращающимся магнитным полем эти сопротивления существенно отличаются.

По закону Ома в каждой из схем рис. 109а, б, в производится расчет токов прямой, обратной и нулевой последовательностей:

.

Действительные токи в исходной схеме (рис. 108) определяются по методу наложения, как векторные суммы токов прямой, обратной и нулевой последовательностей:

IA = IA1 + IA2 + IA0 ,

IB = IB1 + IB2 + IB0 = a2×IA1 +a×IA2 + IA0 ,

IC = IC1 + IC2 + IC0 =a×IA1 + a2×IA2 + IA0 .

Комплексные сопротивления фаз статичных трехфазных приемников (осветительная нагрузка, нагревательные приборы и др.) не зависят от вида последовательности, для таких приемников . Расчет токов таких приемников может выполняться обычными методами. Для трехфазных приемников, в которых существует вращающееся магнитное поле (электродвигатели, генераторы), сопротивления фаз для токов разных последовательностей существенно отличаются (). Расчет токов таких приемников при несимметричном напряжении должен производиться исключительно методом симметричных составляющих.

Последовательность расчета переходных процессов
операторным методом

1. Определение независимых начальных условий путем расчета докоммутационного режима работы цепи.

2. Составление операторной схемы замещения цепи (для простых цепей с нулевыми начальными условиями этот этап может быть опущен).

3. Запись уравнений по законам Кирхгофа или другим методам расчета линейных  цепей в операторной форме с учетом начальных условий.

4. Решение полученных уравнений относительно изображений искомых величин.

5. Определение оригиналов (с помощью формулы разложения или таблиц соответствия оригиналов и изображений) по найденным изображениям.

В качестве примера использования операторного метода определим ток через катушку индуктивности в цепи на рис. 1.

С учетом нулевого начального условия операторное изображение этого тока

.

Для нахождения оригинала  воспользуемся формулой разложения при нулевом корне

,      

(1)

где , .

Корень уравнения

.

Тогда

и

.

Пусть к симметричному трехфазному приемнику, например электродвигателю, приложена несимметричная система напряжений UA, UB, UC. Для получения общих закономерностей введем в схему нулевой провод с сопротивлением ZN. Схема цепи примет вид (рис. 108):

Расчет токов коротких замыканий в энергосистеме методом симметричных составляющих

В результате различного вида коротких замыканий в сложной энергосистеме возникает несимметричный режим. Расчет токов коротких замыканий в различных точках энергосистемы является важной инженерной задачей. Также расчеты выполняются методом симметричных составляющих.

В качестве примера рассмотрим определение тока однофазного короткого замыкания на землю в заданной точке простейшей энергосистемы. Символьная схема энергосистемы показана на рис. 110. Короткое замыкание фазы А на землю происходит в конце линии электропередачи.

Далее в соответствии с теоремой об эквивалентном генераторе производится свертка расчетных схем для каждой из симметричных составляющих относительно выводов несимметричного участка ab. В результате свертки получаются простейшие одноконтурные схемы (рис. 114а, б, в):

Для каждой из расчетных схем (рис. 114а, б, в) составляются уравнения по 2-му закону Кирхгофа:

 (1)

  (2)

  (3)

В полученной системе уравнений Кирхгофа содержится 6 неизвестных величин (IA1, IA2, IA0, UA1, UA2, UA0) и ее непосредственное решение невозможно. Поэтому система уравнений Кирхгофа дополняется тремя недостающими уравнениями, вытекающими из вида короткого замыкания. В рассматриваемом примере в точке короткого замыкания напряжение фазы А равно нулю (UA = 0), а также токи фаз В и С равны нулю (IB = IC = 0). Дополнительные уравнения будут иметь вид:

Фильтры симметричных составляющих

Фильтрами симметричных составляющих называются технические устройства или схемы, служащие для выделения соответствующих составляющих токов или напряжений из несимметричной трёхфазной системы векторов.

Напряжения и токи, выделяемые фильтрами симметричных составляющих, используются на практике в качестве входных величин для релейной защиты энергетических установок (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи) от несимметричных режимов, возникающих в результате коротких замыканий, или для соответствующей сигнализации о несимметричном режиме.

Фильтр напряжений обратной последовательности реализуется схемой рис. 116 при следующих соотношениях между параметрами элементов: , , .

Напряжение на отдельных участках схемы с учетом заданных соотношений между парамтрами элементов:

Выходное напряжение фильтра:

Преобразуем формулу для напряжения обратной последоватеоьности путем добавления и вычитания члена :

При составлении характеристического уравнения на основе выражения главного определителя число алгебраических уравнений, на базе которых он записывается, равно числу неизвестных свободных составляющих токов. Алгебраизация исходной системы интегро-дифференциальных уравнений, составленных, например, на основании законов Кирхгофа или по методу контурных токов, осуществляется заменой символов дифференцирования и интегрирования соответственно на умножение и деление на оператор р. Характеристическое уравнение получается путем приравнивания записанного определителя к нулю. Поскольку выражение для главного определителя не зависит от правых частей системы неоднородных уравнений, его составление можно производить на основе системы уравнений, записанных для полных токов.


Электрические цепи трехфазного тока