Síťový analyzátor (střídavé napájení) - Network analyzer (AC power)

Od roku 1929^[1] do konce 60. let, velké střídavý proud energetické systémy byly modelovány a studovány na AC síťové analyzátory (také zvaný síťové kalkulačky se střídavým proudem nebo AC výpočetní desky) nebo analyzátory přechodových sítí. Tyto speciální účely analogové počítače byly výrůstky DC výpočtových desek použitých při nejranější analýze energetického systému. V polovině 50. let bylo v provozu padesát síťových analyzátorů.^[2] Analyzátory AC sítě byly často používány studie toku energie, výpočty zkratů a studie stability systému, ale nakonec byly nahrazeny numerickými řešeními běžícími na digitálních počítačích. Zatímco analyzátory mohly poskytovat simulaci událostí v reálném čase, aniž by se obávaly numerické stability algoritmů, byly analyzátory nákladné, nepružné a omezené počtem sběrnic a linek, které bylo možné simulovat.^[3] Nakonec výkonné digitální počítače nahradily analogové síťové analyzátory pro praktické výpočty, ale analogové fyzikální modely pro studium elektrických přechodových jevů se stále používají.

Metody výpočtu

Vzhledem k tomu, že se na začátku 20. století střídavé napájecí systémy zvětšily a měla více propojených zařízení, stal se problém výpočtu očekávaného chování systémů obtížnějším. Ruční metody byly praktické pouze pro systémy několika zdrojů a uzlů. Díky složitosti praktických problémů byly techniky manuálního výpočtu příliš pracné nebo nepřesné, než aby byly užitečné. Mnoho mechanických pomůcek pro výpočet bylo vyvinuto k řešení problémů souvisejících se síťovými napájecími systémy.

Desky pro výpočet stejnosměrného proudu používaly odpory a zdroje stejnosměrného proudu k reprezentaci střídavé sítě. K modelování indukční reaktance obvodu byl použit odpor, zatímco skutečný sériový odpor obvodu byl zanedbán. Zásadní nevýhodou byla neschopnost modelovat složité impedance. U studií zkratových poruch však byl účinek odporové složky obvykle malý. Desky DC sloužily k vytváření výsledků s přesností na přibližně 20% chybu, což je pro některé účely dostatečné.

K analýze přenosových linek byly použity umělé linky. Tyto pečlivě konstruované repliky distribuované indukčnosti, kapacity a odporu vedení v plné velikosti byly použity ke zkoumání šíření impulzů v řádcích a k ověření teoretických výpočtů vlastností přenosového vedení. Umělá linka byla vytvořena navinutím vrstev drátu kolem skleněného válce s prokládanými listy cínové fólie, aby model získal proporcionálně stejnou distribuovanou indukčnost a kapacitu jako linka v plné velikosti. Později se zjistilo, že aproximace soustředěných prvků přenosových vedení poskytují dostatečnou přesnost pro mnoho výpočtů.

Laboratorní výzkum stability systémů s více stroji byl omezen použitím přímo ovládaných indikačních přístrojů (voltmetry, ampérmetry a wattmetry). Aby bylo zajištěno, že přístroje zanedbatelně zatěžovaly modelový systém, byla použitá úroveň výkonu stroje značná. Někteří pracovníci ve 20. letech 20. století používali k reprezentaci energetického systému třífázové modelové generátory o výkonu až 600 kVA a 2300 voltech. Společnost General Electric vyvinula modelové systémy využívající generátory o výkonu 3,75 kVA.^[4] Bylo obtížné udržovat synchronizaci více generátorů a omezením byla velikost a cena jednotek. Zatímco přenosová vedení a zátěže lze přesně zmenšit na laboratorní reprezentace, rotující stroje nelze přesně miniaturizovat a zachovat stejné dynamické vlastnosti jako prototypy plné velikosti; poměr setrvačnosti stroje ke ztrátě třením stroje se nezměnil.^[5]

Maketa

Systém síťového analyzátoru byl v podstatě a maketa elektrických vlastností konkrétního energetického systému. Generátory, přenosová vedení a zátěže byly zastoupeny miniaturními elektrickými součástmi s hodnotami měřítka v poměru k modelovanému systému.^[6] Komponenty modelu byly propojeny pružnými šňůrami, které představovaly schematický diagram modelovaného systému.

Místo použití miniaturních rotačních strojů byly postaveny přesně kalibrované transformátory fázového posuvu, které simulují elektrické stroje. Všechny byly napájeny ze stejného zdroje (na místní frekvenci napájení nebo ze sady motor-generátor), a tak ze své podstaty udržovaly synchronizaci. Fázový úhel a koncové napětí každého simulovaného generátoru lze nastavit pomocí rotačních stupnic na každé transformační jednotce s fázovým posunem. Za použití systém na jednotku povolené hodnoty lze pohodlně interpretovat bez dalšího výpočtu.

Aby se zmenšila velikost komponent modelu, byl síťový analyzátor často napájen na vyšší frekvenci než 50 Hz nebo 60 Hz frekvence sítě. Pracovní frekvence byla zvolena dostatečně vysoká, aby umožňovala výrobu vysoce kvalitních induktorů a kondenzátorů, a aby byla kompatibilní s dostupnými indikačními přístroji, ale ne tak vysoká, aby rozptylová kapacita ovlivňovala výsledky. Mnoho systémů používalo ke snížení velikosti komponent modelu buď 440 Hz, nebo 480 Hz, poskytované sadou motorgenerátoru. Některé systémy používaly 10 kHz a používaly kondenzátory a induktory podobné těm, které se používají v rádiové elektronice.

Modelové obvody byly napájeny relativně nízkým napětím, aby bylo umožněno bezpečné měření s odpovídající přesností. Základní množství modelu se lišilo podle výrobce a data návrhu; jak se zesílené indikační přístroje staly běžnějšími, bylo možné provádět nižší základní množství. Napětí a proudy modelu začaly v analyzátoru MIT kolem 200 voltů a 0,5 ampér, což stále umožňovalo používat přímo poháněné (ale zvláště citlivé) přístroje k měření parametrů modelu. Pozdější stroje používaly pouhých 50 voltů a 50 mA a používaly se zesílenými indikačními přístroji. Použitím systém na jednotku, modelové veličiny lze snadno transformovat na skutečné systémové veličiny napětí, proudu, výkonu nebo impedance. Watt měřený v modelu může odpovídat stovkám kilowattů nebo megawattů v modelovaném systému. Sto voltů měřených na modelu může odpovídat jednomu na jednotku, což může představovat například 230 000 voltů na přenosovém vedení nebo 11 000 voltů v distribučním systému. Typicky lze dosáhnout výsledků s přesností na přibližně 2% měření.^[7] Komponenty modelu byly jednofázové zařízení, ale používaly symetrické komponenty metodou by mohly být studovány také nevyvážené třífázové systémy.

Kompletním síťovým analyzátorem byl systém, který zaplnil velkou místnost; jeden model byl popsán jako čtyři pozice zařízení, které překlenovaly uspořádání ve tvaru písmene U v délce 26 stop (8 metrů). Společnosti jako General Electric a Westinghouse mohl poskytovat poradenské služby na základě svých analyzátorů; ale některé velké elektrické společnosti provozovaly své vlastní analyzátory. Použití síťových analyzátorů umožnilo rychlé řešení složitých problémů s výpočty a umožnilo analyzovat problémy, které by jinak bylo neekonomické vypočítat pomocí ručních výpočtů. Síťové analyzátory, i když je jejich výroba a provoz nákladné, často splácely své náklady ve zkrácené době výpočtu a zrychleném harmonogramu projektu.^[8] Například studie stability může naznačovat, zda by přenosové vedení mělo mít větší nebo odlišně rozmístěné vodiče, aby byla zachována stabilita během poruch systému; potenciálně šetří mnoho kilometrů kabelu a tisíce izolátorů.

Síťové analyzátory přímo nesimulovaly dynamické účinky aplikace zatížení na dynamiku stroje (úhel točivého momentu atd.). Místo toho by se analyzátor používal k postupnému řešení dynamických problémů, nejprve by se měl vypočítat tok zátěže, pak by se měl upravit fázový úhel stroje v reakci na jeho tok energie a znovu by se měl vypočítat tok energie.

Při použití by systém, který má být modelován, byl reprezentován jako jednořádkový diagram a všechny impedance linek a strojů by byly upraveny podle modelových hodnot na analyzátoru. Bylo by připraveno schéma zapojení, které by ukazovalo vzájemná propojení mezi prvky modelu. Prvky obvodu by byly propojeny propojovacími kabely. Systém modelu by byl napájen a měření by se prováděla v bodech zájmu v modelu; tyto by mohly být zvětšeny na hodnoty v systému s plným měřítkem.^[9]

Síťový analyzátor MIT

Síťový analyzátor nainstalován v Massachusetts Institute of Technology (MIT) vyrostl z projektu diplomové práce z roku 1924 od Hugha H. Spencera a Harold Locke Hazen zkoumající koncepci modelování energetické soustavy navrženou Vannevar Bush. Namísto miniaturních točivých strojů byl každý generátor představován transformátorem s nastavitelným napětím a fází, všechny napájené ze společného zdroje. To eliminovalo špatnou přesnost modelů s miniaturními stroji. Publikace této práce z roku 1925 upoutala pozornost na General Electric, kde Robert Doherty se zajímal o modelování problémů stability systému. Požádal Hazena, aby ověřil, že model dokáže přesně reprodukovat chování strojů během změn zatížení.

Návrh a konstrukci provedli společně General Electric a MIT. Když byl poprvé představen v červnu 1929, měl systém osm transformátorů fázového posuvu, které představovaly synchronní stroje. Mezi další prvky patřilo 100 rezistorů s variabilním vedením, 100 variabilních reaktorů, 32 pevných kondenzátorů a 40 nastavitelných zátěžových jednotek. Analyzátor popsal v článku z roku 1930 H.L Hazen, O.R. Schurig a M.F. Gardner. Základní množství pro analyzátor byly 200 voltů a 0,5 ampéru. K měření byly použity citlivé přenosné přístroje termočlánkového typu.^[10] Analyzátor zabíral čtyři velké panely, uspořádané do tvaru písmene U, se stoly před každou částí, ve kterých byly umístěny měřicí přístroje. Přestože byl analyzátor primárně koncipován jako vzdělávací nástroj, zaznamenal značné využití ze strany externích firem, které by zařízení platily. Americká plynárenská a elektrická společnost, Úřad Tennessee Valley a mnoho dalších organizací studovalo problémy na analyzátoru MIT v jeho první dekádě provozu. V roce 1940 byl systém přesunut a rozšířen, aby zvládl složitější systémy.

V roce 1953 začal analyzátor MIT zaostávat za nejmodernější technikou. Digitální počítače byly poprvé použity k problémům s energetickým systémem již „Vichřice „v roce 1949. Na rozdíl od většiny čtyřiceti dalších analyzátorů, které byly v tomto bodě v provozu, byl přístroj MIT napájen při 60 Hz, nikoli 440 nebo 480 Hz, což jeho součásti značně zvětšilo a expanze na nové typy problémů byla obtížná. koupili vlastní síťové analyzátory. Systém MIT byl demontován a prodán společnosti Portorický úřad pro vodní zdroje v roce 1954.^[11]

Komerční výrobci

Do roku 1947 bylo postaveno čtrnáct síťových analyzátorů s celkovými náklady asi dva miliony amerických dolarů. Společnost General Electric postavila dva komplexní síťové analyzátory pro svou vlastní práci a pro služby svým klientům. Společnost Westinghouse vytvořila systémy pro jejich interní použití a poskytla více než 20 analyzátorů klientům z oblasti služeb a univerzit. Po druhé světové válce bylo známo, že se analyzátory používají ve Francii, Velké Británii, Austrálii, Japonsku a Sovětském svazu. Pozdější modely měly vylepšení, jako je centralizované řízení přepínání, centrální měřící pole a zapisovače grafů, které automaticky poskytují trvalé záznamy o výsledcích.

General Electric Model 307 byl miniaturizovaný síťový analyzátor střídavého proudu se čtyřmi generátorovými jednotkami a jednou elektronicky zesílenou měřící jednotkou. Bylo zaměřeno na společnosti poskytující veřejné služby, aby vyřešily příliš velké problémy pro ruční výpočet, ale nestály za to náklady na pronájem času v analyzátoru plné velikosti. Stejně jako analyzátor Iowa State College používal systémovou frekvenci 10 kHz namísto 60 Hz nebo 480 Hz, což umožnilo použít k modelování komponent energetického systému mnohem menší kondenzátor a induktory ve stylu rádia. Model 307 byl katalogizován od roku 1957 a měl seznam asi 20 zákazníků z oblasti veřejných služeb, vzdělávání a vlády. V roce 1959 byla jeho ceníková cena 8 590 $.^[12]

V roce 1953 Společnost Metropolitan Edison a skupina šesti dalších elektrotechnických společností zakoupila nový síťový analyzátor Westinghouse pro instalaci v Franklin Institute ve Filadelfii. Systém, popsaný jako největší, jaký byl kdy postaven, stál 400 000 $.^[13]

V Japonsku byly síťové analyzátory instalovány od roku 1951. The Yokogawa Electric Společnost představila model napájený na 3980 Hz od roku 1956.^[14]

Další aplikace

Přechodný analyzátor

„Přechodný síťový analyzátor“ byl analogový model přenosového systému, který byl speciálně upraven pro studium vysokofrekvenčních přechodových rázů (například blesků nebo přepínání) namísto střídavých proudů střídavého proudu. Podobně jako u síťového analyzátoru střídavého proudu představovaly aparaturu a vedení se škálovanými indukčnostmi a odpory. Synchronně poháněný spínač opakovaně aplikoval přechodný impuls na modelový systém a reakci v kterémkoli bodě bylo možné pozorovat na osciloskop nebo zaznamenané na oscilografu. Některé přechodové analyzátory se stále používají pro výzkum a vzdělávání, někdy v kombinaci s digitálními ochranná relé nebo záznamové nástroje.^[20]

Anacom

Westinghouse Anacom byl elektrický analogový počítačový systém napájený střídavým proudem, který se značně používá při problémech v mechanické konstrukci, konstrukčních prvcích, průtoku mazacího oleje a při různých přechodných problémech, včetně problémů v důsledku bleskových rázů v systémech přenosu elektrické energie. Frekvence buzení počítače se mohla měnit. Westinghouse Anacom postavený v roce 1948 byl používán až do počátku 90. let pro technické výpočty; jeho původní cena byla 500 000 $. Systém byl pravidelně aktualizován a rozšiřován; v 80. letech mohl být Anacom bez dozoru spuštěn v mnoha simulačních případech pod kontrolou digitálního počítače, který automaticky nastavil počáteční podmínky a zaznamenal výsledky. Westinghouse postavil repliku Anacomu pro Northwestern University, prodal Anacom ABB a po celém světě bylo používáno dvacet nebo třicet podobných počítačů od jiných výrobců.^[9]

Fyzika a chemie

Vzhledem k tomu, že více prvků síťového analyzátoru střídavého proudu vytvořilo výkonný analogový počítač, občas byly modelovány problémy ve fyzice a chemii (takovými výzkumníky jako Gabriel Kron z General Electric ), na konci 40. let před připravenou dostupností univerzálních digitálních počítačů.^[21] Další aplikací bylo proudění vody ve vodovodních rozvodech. Síly a posuny mechanického systému lze snadno modelovat pomocí napětí a proudů síťového analyzátoru, což umožňuje snadné přizpůsobení vlastností, jako je tuhost pružiny, například změnou hodnoty kondenzátoru. ^[22]

Struktury

The David Taylor Model Basin provozoval síťový analyzátor střídavého proudu od konce 50. let do poloviny 60. let. Tento systém byl použit při problémech s konstrukcí lodí. Mohl by být sestaven elektrický analog strukturálních vlastností navrhované lodi, šachty nebo jiné konstrukce a testován na její vibrační režimy. Na rozdíl od střídavých analyzátorů používaných pro práci v energetických systémech byla vzrušující frekvence plynule proměnlivá, aby bylo možné zkoumat účinky mechanické rezonance.

Pokles a zastarávání

Dokonce i během hospodářské krize a druhé světové války bylo vyrobeno mnoho síťových analyzátorů pro jejich velkou hodnotu při řešení výpočtů souvisejících s přenosem elektrické energie. V polovině 50. let bylo ve Spojených státech k dispozici asi třicet analyzátorů, což představuje nadměrnou nabídku. Instituce, jako je MIT, již nemohly ospravedlnit provozní analyzátory, protože platící klienti sotva pokryli provozní náklady. ^[22]

Jakmile byly k dispozici digitální počítače s odpovídajícím výkonem, byly metody řešení vyvinuté na analogových síťových analyzátorech migrovány do digitální sféry, kde byly zásuvné desky, přepínače a ukazatele měřičů nahrazeny děrovacími kartami a výtisky. Stejný univerzální digitální počítačový hardware, který prováděl síťové studie, mohl snadno plnit dvojí úkol s obchodními funkcemi, jako je například mzda. Analogové síťové analyzátory vybledly z obecného použití pro studie zátěžového toku a poruch, ačkoli některé přetrvávaly v přechodových studiích ještě chvíli. Analogové analyzátory byly demontovány a buď prodány jiným společnostem, poskytnuty technickým školám nebo vyřazeny.

Trend ilustruje osud několika analyzátorů. Analyzátor zakoupený společností Americká elektrická energie byl v roce 1961 nahrazen digitálními systémy a darován Virginia Tech. Síťový analyzátor Westinghouse zakoupený společností Státní komise pro elektřinu ve Victorii, Austrálie v roce 1950 byla vyřazena z veřejné služby v roce 1967 a darována inženýrskému oddělení v Monash University; ale do roku 1985 již ani instruktážní použití analyzátoru nebylo praktické a systém byl nakonec demontován.^[23]

Jedním z faktorů přispívajících k zastarávání analogových modelů byla rostoucí složitost vzájemně propojených energetických systémů. Dokonce i velký analyzátor mohl představovat jen několik strojů a možná i několik bodovacích řádků a sběrnic. Digitální počítače běžně obsluhovaly systémy s tisíci sběrnic a přenosovými linkami.

Viz také

• Síťový analyzátor (elektrický)
• Ochrana energetického systému
• Diferenciální analyzátor
• Potenciální zkratový proud

Reference

externí odkazy

• [1] Lee Allen Mayo, práce Simulace bez replikace„University of Notre Dame 2011, s. 52–101 pojednává o použití síťových analyzátorů pro teoretické výpočty