Модель цеха показана на рисунке 1. Зададимся следующими параметрами подстанции:
1) Трехфазный источник напряжения [1]: первичное линейное напряжение – 10 кВ; частота напряжения – 50 Гц; соединение фаз обмотки источника – Yn.
2) Кабельная линия L_1 (блок Three-Phase Series RLC Branch): активное сопротивление – 0,2 Ом; индуктивность – 2,48Е-5 Гн.
3) В качестве трансформатора выберем трансформатор ТМ-1000, мощностью 1000кВА которые применяются для преобразования трехфазного электрического тока в электрических сетях переменного тока частотой 50 Гц.
Трансформаторы ТМ-1000 изготавливаются с естественным масляным охлаждением в корпусе с расширительным бачком. Выбор данной модели трансформатора обусловлен широким распространением и повсеместным использованием его в бытовых электрических сетях.
Основные технические характеристики трансформатора приведены в таблице 1:
Таблица 1. - Основные технические характеристики трансформатора
где:
S2Н — номинальная мощность трансформатора,
U1H- номинальное высшее напряжение,
U2H- номинальное низшее напряжение.
Рисунок 1 — Модель однотрансформаторной подстанции в програме Matlab Simulink
4) Блоки B2, B3, B4, B5 это блоки измерения трехфазных напряжений и токов (Three-Phase V-I Measurement).
5) Выключатель CB2 (блок Three-Phase Breaker): активное сопротивление – 0,00014 Ом; время отключения (Switching times (s):)– (10.5), т.е. при данном времени расчета (125/50) этот выключатель будет находиться в замкнутом состоянии, время отключения (Switching times (s):)– (10.5).
6) Выключатель CB3: активное сопротивление – 0,00041 Ом; время отключения – (10.5).
7) Кабельная линия L_3: активное сопротивление – 0,0032 Ом; индуктивность – 1,8Е-6 Гн.
8) Выключатель CB5: активное сопротивление – 0,00041 Ом; время включения и отключения (5/50 101/50), т.е. через пять периодов нагрузка по пункту 9 подключается к трансформатору, а через 101 период отключается, при этом отключается и ток короткого замыкания, который создается с помощью блока по пункту 10.
9) Последовательная трехфазная RLC нагрузка 260 kW 24 kVAr (блок Three-Phase Series RLC Load): активная мощность – 260 кВт; реактивная мощность индуктивного характера – 24 ВАр.
10) Блок Three-Phase Fault (Блок трехфазный замыканий) [2]: трехфазное короткое замыкание – отмечены флажками три фазы; установлено время короткого замыкания (100/50 1010/50); сопротивление дуги (Fault resistance Ron (Ohm):) – 0,001 Ом.
11) Выключатель СВ6: активное сопротивление – 0,0011Ом, подключает асинхронный двигатель через десять периодов – (10/50).
12) Параметры асинхронного двигателя:
Рисунок 2 — Параметры асинхронного двигателя
Nominal power, voltage (line-line), and frequency (Pn(VA), Vn(Vrms), fn(Hz)) – номинальная активная мощность двигателя, линейное напряжение и частота.
Stator resistance and inductance (Rs(ohm) Lls(H)): – активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки статора.
Rotor resistance and inductance (Rr'(ohm) Llr'(H)): – приведенные к обмотке статора активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки ротора.
Mutual inductance Lm (H): – взаимная индуктивность обмоток, расположенных на статоре и роторе.
Inertia, friction factor, pole pairs (J(kg.m^2) F(N.m.s) p()): – момент инерции, коэффициент трения, число пар полюсов [3].
Initial conditions – начальные условия переменных (скольжение, электрический угол, амплитуды токов трех фаз статора, соответствующие фазы этих токов).
Simulate saturation – моделирование насыщения.
Plot – построение кривой намагничивания. Во вкладке Advanced (расширенный) предложена дискретная модель (Discrete solver model) и возможность выбора соответствующего метода расчета.
Рисунок 3- Конфигурация асинхронного двигателя.
-Preset model: (установленные модели). В выпадающем списке можно выбрать асинхронный двигатель для загрузки его параметров;
- Mechanical input: (механический вход). В зависимости от выбора на механический вход можно подать Torque Tm (момент), Speed w (скорость) или создать порт механического вращения, для взаимодействия с механическим валом библиотеки Simscape;
- Rotor type: (тип ротора). В выпадающем списке можно выбрать тип ротора: фазный, "беличья клетка" (короткозамкнутый ротор) или ротор с двойной "беличьей клеткой";
- Reference frame. Система координат, которая принимается в математической модели машины: неподвижная относительно ротора; неподвижная относительно статора, вращающаяся синхронно с полем.
13) Блок нагрузки 10W (Three-Phase Series RLC Load) необходим для корректной работы модели при отсутствии нагрузки в конце линии.
14) Выключатель СВ4 с активным сопротивлением 0,00025Ом подключает активно-индуктивную нагрузку (пункт 15) через семьдесят пять периодов– (75/50).
15) Кабельная линия L_4: активное сопротивление – 0,0016 Ом; индуктивность – 1.11Е-6 Гн.
16) Последовательная трехфазная RLC нагрузка 500 kW 270 kVAr (блок Three-Phase Series RLC Load): активная мощность – 500 кВт; реактивная мощность индуктивного характера – 270 Вар.
В данной модели время расчета составляет сто двадцать пять периодов 125/50. Выключатели СB2 и СB3 во время расчета находятся в замкнутом состоянии.
В модели задана следующая последовательность коммутаций выключателей и блока коротких замыканий:
1) пять периодов трансформатор работает на холостом ходу (5/50);
2) в момент времени (5/50) выключатель СB5 подключает активно- индуктивную нагрузку (блок 260 kW 24 kVAr);
3) через десять периодов (10/50) выключатель СB6 подключает асинхронный двигатель (Asynchronous Machine SI Units), мощностью 110 кВт;
4) через пятьдесят периодов (50/50) после разгона двигателя на холостом ходу на него набрасывают номинальную нагрузку (блок Step. Torque 706.4 (N.m));
5) через семьдесят пять периодов выключатель СB4 подключает ещё одну активно-индуктивную нагрузку (блок 500 kW 270 kVAr);
6) через сто периодов (100/50) с помощью блока Three-Phase Fault осуществляется трехфазное короткое замыкание;
7) через сто один период (101/50) выключатель СB5 отключает короткое замыкание и нагрузку.
На рисунке 4 представлены результаты расчета токов при моделировании перечисленных выше семи переходных процессов (с учетом холостого хода).
Рисунок 4 — Результаты расчетов при моделировании переходных процессов (моделирование токов)
Рисунок 5 - Положительная часть синусоидальных токов
Рисунок 6 - Результаты расчетов при моделировании переходных процессов (моделирование напряжений)
Рисунок 7 - Результаты расчетов при моделировании переходных процессов (моделирование токов асинхронного двигателя)
В связи с тем, что на этом рисунке показаны не только токи нагрузки, но и токи трехфазного короткого замыкания [4], увидеть особенности переходных процессов при набросе нагрузки можно только изменив масштаб. На рисунке 5 показана положительная часть синусоидальных кривых токов, которая дает представление о переходных процессах.
Изменение токов в трансформаторе приводит к соответствующим изменениям напряжений (Рисунок 6). Наибольшее снижение напряжения, если не считать короткое замыкание, наблюдается при пуске асинхронного двигателя. Следует отметить, что трехфазное короткое замыкание оказывает негативное влияние на асинхронный двигатель. В частности, наблюдаются токи, соизмеримые с пусковыми токами (рисунок 7) [5].
Результаты моделирования показывают, что Simulink позволяет качественно и количественно оценивать переходные процессы в однотрансформаторной подстанции, проводить расчет переходных процессов при коротких замыканиях, набросе и сбросе нагрузки, подключении асинхронного двигателя, трехфазном коротком замыкании. Это может упростить выбор оборудования, помочь оценить влияние различных переходных процессов на качество электроснабжения, выбрать компенсирующие устройства и улучшить понимание процессов, происходящих при коммутациях энергетических сетей в процессе обучения.