Автор: Муныкин А.О., Баева А.П.
Группа: 742 об.2
Научный руководитель: Карпова Т.В.
ВведениеНе рассматривая неизбежные переходные процессы, отметим, что длительное повышение или понижение напряжения питающей сети приводит к сокращению срока службы двигателей и источников питания. Понижение напряжения менее желательно из-за значительного роста тока потребления, нарушения и выхода из строя электроники и вычислительной техники. Отрицательное воздействие оказывает полное пропадание питающего напряжения. Кратковременные всплески и провалы напряжения вызываются переходными процессами в электрической системе, сопровождаясь высокочастотными помехами, приводящими к сбою электронной аппаратуры. Всплеск напряжения может привести к выходу из строя потребителя, если коммутационная и особенно защитная аппаратура не удовлетворяет требованиям по быстродействию и селективности.
Основные нормы качества электроэнергииКачество электроэнергии (КЭ) - это показатель того, насколько хорошо система поддерживает стабильную работу подключенных к ней нагрузок.
Согласно требованиям стандарта электропредприятия должны предоставлять данные о фактических показателях качества энергии.
На основании этих данных контролируется качество поставляемой электроэнергии пользователям электрических сетей общего назначения переменного тока частотой 50Гц. Основные нормы качества электроэнергии связаны с характеристиками напряжения электропитания, относящихся к частоте, значениям и форме напряжения, а также к симметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения:
1. Продолжительные изменения характеристик напряжения:
• отклонение частоты напряжения;
• медленные изменения напряжения;
• колебания напряжения и фликер;
• гармоничесие составляющие напряжения;
• интергармонические составляющие напряжения;
• несимметрия напряжений в тех фазных системах;
• напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям.
2. Случайные изменения:
• прерывание напряжения;
• провалы напряжения и временное перенапряжение;
• переходные процессы напряжения или импульсные напряжения.
В соответствующих стандартах, таких как IEK 61000-4-30 основные нормы качества энергии регламентируются по следующим показателям:
• амплитуде напряжения с определенными пределами для верхнего и нижнего значения;
• по форме волны напряжения с определенными допустимыми уровнями гармоник, интергармоник, переходных процессов и пиков;
• симметрии напряжений, которая определяется как баланс между тремя напряжениями в трехфазных системах;
• по частоте энергосистемы;
• по бесперебойности электроснабжения.
Переходные процессы в электрической цепиПереходные процессы не являются чем-то необычным и характерны не только для электрических цепей. Можно привести ряд примеров из разных областей физики и техники, где случаются такого рода явления.
При анализе процессов в электрических цепях приходится встречаться с двумя режимами работы: установившемся (стационарным) и переходным.
Установившимся режимом электрической цепи, подключенной к источнику постоянного напряжения (тока), называется режим, при котором токи и напряжения в отдельных ветвях цепи неизменны во времени.
Переходным режимом (или переходным процессом) называется режим, возникающий в электрической цепи при переходе от одного стационарного состояния к другому, чем-либо отличающемуся от предыдущего, а сопутствующие этому режиму напряжения и токи --переходными напряжениями и токами. Изменение стационарного режима цепи может происходить в результате изменения внешних сигналов, в том числе включения или отключения источника внешнего воздействия, или может быть вызвано переключениями внутри самой цепи.
Любое изменение в электрической цепи, приводящее к возникновению переходного процесса называют коммутацией.
В большинстве случаев теоретически допустимо считать, что коммутация осуществляется мгновенно, т.е. различные переключения в цепи происходят без затраты времени. Процесс коммутации на схемах условно показывается стрелкой возле выключателя.
Переходные процессы в реальных цепях являются быстропротекающими. Их продолжительность составляет десятые, сотые, а часто и миллионные доли секунды. Сравнительно редко длительность этих процессов достигает единицы секунды.
Переходные процессы являются причиной искажения формы импульсов при прохождении их через линейные цепи. Расчет и анализ устройств автоматики, где происходит непрерывная смена состояния электрических цепей, немыслим без учета переходных режимов.
В ряде устройств возникновение переходных процессов, в принципе, нежелательно и опасно. Расчет переходных режимов в этих случаях позволяет определить возможные перенапряжения и увеличения токов, которые во много раз могут превышать напряжения и токи стационарного режима. Это особенно важно для цепей со значительной индуктивностью или большой емкостью.
Причины возникновения переходного процессаРассмотрим явления, возникающие в электрических цепях при переходе от одного установившегося режима к другому.
Включим лампу накаливания в последовательную цепь, содержащую резистор R1, выключатель В и источник постоянного напряжения Е. После замыкания выключателя лампа сразу же загорится, так как разогрев нити и нарастание яркости ее свечения на глаз оказываются незаметными. Можно условно считать, что в такой цепи ток стационарного режима, равный Iо=E/(R1+Rл), устанавливается практически мгновенно, где Rл -- активное сопротивление накаленной нити лампы.
В линейных цепях, состоящих из источников энергии и резисторов, переходные процессы, связанные с изменением запасенной энергии, вообще не возникают.
Рис. 1. Схемы цепей для иллюстрации переходных процессов: а - цепь без реактивных элекментов, б - цепь с катушкой индуктивности, в - цепь с конденсатором.
Заменим резистор катушкой L, индуктивность которой достаточно велика. После замыкания выключателя можно заметить, что нарастание яркости свечения лампы происходит постепенно. Это свидетельствует о том, что из-за наличия катушки ток в цепи постепенно достигает своего установившегося значения I'о=E/(rк+Rл), где rк-- активное сопротивление обмотки катушки.
Следующий эксперимент проведем с цепью, состоящей из источника постоянного напряжения, резисторов и конденсатора, параллельно которому подключим вольтметр (рис. 1,в). Если емкость конденсатора достаточно велика (несколько десятков микрофарад), а сопротивление каждого из резисторов R1 и R2 несколько сотен килоом, то после замыкания выключателя стрелка вольтметра начинает плавно отклоняться и только через несколько секунд устанавливается на соответствующем делении шкалы.
Следовательно, напряжение на конденсаторе, а также и ток в цепи устанавливаются в течение относительно продолжительного промежутка времени (инерционностью самого измерительного прибора в данном случае можно пренебречь).
Что же препятствует мгновенному установлению стационарного режима в цепях рис. 1,б, в и служит причиной возникновения переходного процесса?
Причиной этому являются элементы электрических цепей, способные запасать энергию (так называемые реактивные элементы): катушка индуктивности (рис. 1,б) и конденсатор (рис. 1,в).
Возникновение переходных процессов связано с особенностями изменения запасов энергии в реактивных элементах цепи. Количество энергии, накапливаемой в магнитном поле катушки с индуктивностью L, в которой протекает ток iL, выражается формулой: WL = 1/2 (LiL2)
Энергия, накапливаемая в электрическом поле конденсатора емкостью С, заряженного до напряжения uC, равна: WC = 1/2 (CuC2)
Поскольку запас магнитной энергии WL определяется током в катушке iL, а электрической энергии WC -- напряжением на конденсаторе uC, то во всех электрических цепях три любых коммутациях соблюдаются два основных положения: ток катушки и напряжение на конденсаторе не могут изменяться скачком. Иногда эти положения формулируются иначе, а именно: потокосцепление катушки и заряд конденсатора могут изменяться только плавно, без скачков.
Физически переходные режимы представляют собой процессы перехода энергетического состояния цепи от докоммутационного к послекоммутационному режиму. Каждому стационарному состоянию цепи, имеющей реактивные элементы, соответствует определенный запас энергии электрического и магнитного полей. Переход к новому стационарному режиму связан с нарастанием или убыванием энергии этих полей и сопровождается возникновением переходного процесса, который заканчивается, как только прекращается изменение запаса энергии. Если при при коммутации энергетическое состояние цепи не изменяется, то переходные процессы не возникают.
Переходные процессы наблюдаются при коммутациях, когда изменяется стационарный режим электрической цепи, имеющей элементы, способные запасать энергию. Переходные процессы возникают при следующих операциях:
а) включении и выключении цепи,
б) коротком замыкании отдельных ветвей или элементов цепи,
в) отключении или подключении ветвей или элементов цепи и т. д.
Кроме того, переходные процессы возникают при воздействии на электрические цепи импульсных сигналов.
