Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигацииПерейти к поиску

С 1929 [1] до конца 1960-х годов большие системы переменного тока моделировались и изучались на анализаторах цепей переменного тока (также называемых сетевыми калькуляторами переменного тока или вычислительными платами переменного тока ) или анализаторах переходных цепей . Эти аналоговые компьютеры специального назначения возникли на базе вычислительных плат постоянного тока, которые использовались в самых ранних анализах энергосистем. К середине 1950-х годов в эксплуатации находилось пятьдесят анализаторов цепей. [2] Анализаторы цепей переменного тока широко использовались для исследований потока мощности., расчеты короткого замыкания и исследования стабильности системы, но в конечном итоге были заменены численными решениями, выполняемыми на цифровых компьютерах. Хотя анализаторы могли обеспечивать моделирование событий в реальном времени, не беспокоясь о числовой стабильности алгоритмов, анализаторы были дорогостоящими, негибкими и ограниченными по количеству шин и линий, которые можно было моделировать. [3] Со временем мощные цифровые компьютеры заменили аналоговые анализаторы цепей для практических расчетов, но аналоговые физические модели для изучения электрических переходных процессов все еще используются.

Методы расчета

По мере того как в начале 20-го века системы питания переменного тока становились крупнее, с большим количеством взаимосвязанных устройств, проблема расчета ожидаемого поведения систем становилась все более сложной. Ручные методы были практичны только для систем с несколькими источниками и узлами. Сложность практических задач сделала ручные вычисления слишком трудоемкими или неточными, чтобы их можно было использовать. Многие механические средства расчета были разработаны для решения задач, связанных с сетевыми энергосистемами.

На платах вычисления постоянного тока использовались резисторы и источники постоянного тока для представления сети переменного тока. Резистор использовался для моделирования индуктивного сопротивления цепи, в то время как фактическое последовательное сопротивление цепи не учитывалось. Принципиальным недостатком была невозможность моделирования сложных импедансов. Однако при исследованиях короткого замыкания влияние резистивной составляющей обычно было небольшим. Платы постоянного тока давали результаты с погрешностью около 20%, чего достаточно для некоторых целей.

Искусственные линии использовались для анализа линий электропередачи. Эти тщательно сконструированные копии распределенной индуктивности, емкости и сопротивления полноразмерной линии использовались для исследования распространения импульсов в линиях и для проверки теоретических расчетов свойств линии передачи. Искусственная линия была сделана путем наматывания слоев проволоки вокруг стеклянного цилиндра с чередующимися листами оловянной фольги, чтобы придать модели пропорционально те же распределенные индуктивность и емкость, что и у полноразмерной линии. Позже было обнаружено, что приближения линий передачи с сосредоточенными элементами дают достаточную точность для многих расчетов.

Лабораторные исследования устойчивости многомашинных систем были ограничены использованием показывающих приборов прямого действия (вольтметры, амперметры и ваттметры). Чтобы гарантировать, что инструменты незначительно нагружают модельную систему, уровень мощности используемой машины был значительным. Некоторые рабочие в 1920-х годах использовали трехфазные модели генераторов мощностью до 600 кВА и 2300 вольт для представления энергосистемы. Компания General Electric разработала модельные системы с использованием генераторов мощностью 3,75 кВА. [4]Было сложно поддерживать синхронизацию нескольких генераторов, а размер и стоимость блоков были ограничением. В то время как линии передачи и нагрузки можно было точно масштабировать до лабораторных представлений, вращающиеся машины нельзя было точно миниатюризировать и сохранять те же динамические характеристики, что и полноразмерные прототипы; отношение инерции машины к потерям на трение машины не масштабировалось. [5]

Масштабная модель

Система анализатора цепей была по сути масштабной моделью электрических свойств конкретной энергосистемы. Генераторы, линии передачи и нагрузки были представлены миниатюрными электрическими компонентами с масштабными значениями, пропорциональными моделируемой системы. [6] Компоненты модели были соединены гибкими шнурами, чтобы представить схематическую диаграмму моделируемой системы.

Вместо использования миниатюрных вращающихся машин были построены точно откалиброванные фазосдвигающие трансформаторы для имитации электрических машин. Все они были запитаны одним и тем же источником (с местной частотой сети или от мотор-генераторной установки) и, таким образом, по своей сути поддерживали синхронизм. Фазовый угол и напряжение на клеммах каждого смоделированного генератора могут быть установлены с помощью поворотных шкал на каждом блоке фазосдвигающего трансформатора. Использование пометочной системы позволило удобно интерпретировать значения без дополнительных вычислений.

Для того, чтобы уменьшить размер компонентов модели, сетевой анализатор часто был под напряжением на более высокой частоте , чем 50 Гц или 60 Гц полезной частоте . Рабочая частота была выбрана достаточно высокой, чтобы можно было изготавливать высококачественные катушки индуктивности и конденсаторы, и чтобы она была совместима с доступными показывающими приборами, но не настолько высокой, чтобы паразитная емкость повлияла на результаты. Во многих системах использовалась частота 440 или 480 Гц, обеспечиваемая мотор-генератором, чтобы уменьшить размер компонентов модели. Некоторые системы использовали частоту 10 кГц, используя конденсаторы и катушки индуктивности, подобные тем, которые используются в радиоэлектронике.

Цепи модели были запитаны при относительно низком напряжении, чтобы обеспечить безопасное измерение с адекватной точностью. Базовые количества моделей варьировались в зависимости от производителя и даты разработки; по мере того, как усиливающиеся индикаторные приборы стали более распространенными, стали возможны более низкие базовые количества. Напряжения и токи модели начинались с 200 вольт и 0,5 ампер в анализаторе MIT, что по-прежнему позволяло использовать инструменты с прямым приводом (но особенно чувствительные) для измерения параметров модели. Более поздние машины использовали всего лишь 50 вольт и 50 мА, используемые с усиленными показывающими приборами. Путем использования пометочной системы, модельные величины могут быть легко преобразованы в фактические системные величины напряжения, тока, мощности или импеданса. Ватт, измеренный в модели, может соответствовать сотням киловатт или мегаватт в моделируемой системе. Сто вольт, измеренное на модели, может соответствовать одному на единицу, что может представлять, скажем, 230 000 вольт на линии передачи или 11 000 вольт в системе распределения. Как правило, можно получить результаты с точностью до 2% от измерения. [7] Компоненты модели были однофазными устройствами, но с помощью метода симметричных компонентов можно было исследовать и несбалансированные трехфазные системы.

Полноценный сетевой анализатор представлял собой систему, занимавшую большую комнату; одна модель была описана как четыре отсека для оборудования, охватывающих U-образную конструкцию шириной 26 футов (8 метров). Такие компании, как General Electric и Westinghouse, могут предоставлять консультационные услуги на основе своих анализаторов; но некоторые крупные электроэнергетические компании использовали свои собственные анализаторы. Использование сетевых анализаторов позволило быстро решить сложные вычислительные задачи и проанализировать проблемы, которые в противном случае было бы нерентабельно вычислять с использованием ручных расчетов. Несмотря на то, что сборка и эксплуатация являются дорогостоящими, сетевые анализаторы часто окупаются за счет сокращения времени расчетов и ускорения сроков выполнения проекта. [8]Например, исследование стабильности может указать, должна ли линия передачи иметь проводники большего размера или с другим разносом для сохранения запаса устойчивости во время сбоев системы; потенциально экономит много миль кабеля и тысячи изоляторов.

Сетевые анализаторы не моделировали напрямую динамические эффекты приложения нагрузки на динамику машины (угол крутящего момента и другие). Вместо этого анализатор будет использоваться для пошагового решения динамических задач, сначала вычисляя поток нагрузки, затем регулируя фазовый угол машины в ответ на его поток мощности, и повторно вычисляя поток мощности.

При использовании моделируемая система будет представлена ​​в виде однолинейной схемы, и все импедансы линий и машин будут масштабированы для значений модели на анализаторе. Будет подготовлена ​​схема подключения, чтобы показать соединения, которые должны быть выполнены между элементами модели. Элементы схемы будут соединены соединительными кабелями. В модельную систему будет подано напряжение, и измерения будут проводиться в интересующих точках модели; они могут быть увеличены до значений в полномасштабной системе. [9]

Сетевой анализатор MIT

Анализатор цепей, установленный в Массачусетском технологическом институте (MIT), вырос из дипломного проекта 1924 года Хью Х. Спенсера и Гарольда Локка Хазена , исследующего концепцию моделирования энергосистемы, предложенную Ванневаром Бушем . Вместо миниатюрных вращающихся машин каждый генератор был представлен трансформатором с регулируемым напряжением и фазой, питаемым от общего источника. Это устранило низкую точность моделей с миниатюрными станками. Публикация этой диссертации в 1925 году привлекла внимание компании General Electric, где Роберт Доэрти интересовался моделированием проблем устойчивости системы. Он попросил Хазена проверить, может ли модель точно воспроизводить поведение машин при изменении нагрузки.

Проектирование и строительство осуществляли совместно General Electric и MIT. Когда впервые была продемонстрирована в июне 1929 года, система имела восемь фазосдвигающих трансформаторов, представляющих синхронные машины. Другие элементы включали 100 переменных линейных резисторов, 100 переменных реакторов, 32 фиксированных конденсатора и 40 регулируемых нагрузочных модулей. Анализатор был описан в статье 1930 г. Х. Л. Хазеном, О. Р. Шуригом и М. Ф. Гарднером. Базовые величины для анализатора составляли 200 вольт и 0,5 ампер. Для измерения использовались чувствительные портативные приборы типа термопары. [10]Анализатор занимал четыре больших панели, расположенных в форме буквы U, со столиками перед каждой секцией для размещения измерительных приборов. Первоначально анализатор задумывался как обучающий инструмент, но широко использовался сторонними фирмами, которые платили за его использование. Американская газовая и электрическая компания , Управление долины Теннесси и многие другие организации изучали проблемы анализатора Массачусетского технологического института в первое десятилетие его эксплуатации. В 1940 году система была перемещена и расширена для работы с более сложными системами.

К 1953 году анализатор MIT начал отставать от современного уровня техники. Цифровые компьютеры были впервые использованы для решения проблем с энергосистемой еще в " Whirlwind " в 1949 году. В отличие от большинства из сорока других анализаторов, находящихся в эксплуатации к тому моменту, прибор MIT питался с частотой 60 Гц, а не 440 или 480 Гц, что делало его компоненты большими. , а расширение до новых типов проблем затруднительно. Многие потребители коммунальных услуг купили собственные анализаторы цепей. Система Массачусетского технологического института была демонтирована и продана Управлению водных ресурсов Пуэрто-Рико в 1954 году. [11]

Коммерческие производители

К 1947 году было построено четырнадцать анализаторов цепей общей стоимостью около двух миллионов долларов США. General Electric построила два полномасштабных анализатора цепей для своей работы и для обслуживания своих клиентов. Westinghouse создала системы для внутреннего использования и предоставила более 20 анализаторов коммунальным предприятиям и университетским клиентам. Было известно, что после Второй мировой войны анализаторы использовались во Франции, Великобритании, Австралии, Японии и Советском Союзе. В более поздних моделях были усовершенствованы такие улучшения, как централизованное управление переключением, центральные измерительные ячейки и самописцы для автоматического обеспечения постоянной записи результатов.

Модель 307 компании General Electric представляла собой миниатюрный анализатор цепей переменного тока с четырьмя генераторами и одним измерительным блоком с электронным усилением. Он был нацелен на коммунальные предприятия для решения задач, слишком больших для ручных вычислений, но не стоящих затрат времени на аренду полноразмерного анализатора. Как и в анализаторе колледжа штата Айова, он использовал системную частоту 10 кГц вместо 60 или 480 Гц, что позволяло использовать конденсаторы и катушки индуктивности гораздо меньшего размера для моделирования компонентов энергосистемы. Модель 307 была внесена в каталог с 1957 года и включала в себя около 20 коммунальных, образовательных и государственных заказчиков. В 1959 году его прейскурантная цена составляла 8 590 долларов. [12]

В 1953 году компания Metropolitan Edison и группа из шести других электрических компаний приобрели новый анализатор цепей переменного тока Westinghouse для установки в Институте Франклина в Филадельфии. Система, названная самой большой из когда-либо построенных, стоила 400 000 долларов. [13]

В Японии анализаторы цепей начали устанавливать с 1951 года. Компания Yokogawa Electric представила модель с питанием от 3980 Гц, начиная с 1956 года [14].

Сетевые анализаторы переменного тока [15]
ВладелецГодЧастотаГенераторыВсего схемЗамечания
Массачусетский технологический институт1929 г.6016209Первая система в коммерческом использовании
Университет Пердью1942 г.44016383Реконструирован после первоначальной установки в 1929 году.
Пенсильванская железная дорога1932 г.4406296
Компания Commonwealth Edison1932 г.4406186
Компания General Electric1937 г.48012313
Публичная электроэнергетическая и газовая компания Нью-Джерси1938 г.4808163
Власть долины Теннесси1938 г.44018270
Бонневильское энергетическое управление1939 г.48018326
São Paulo Tramway, Light and Power Company1940 г.440698Бразилия
Потомакская электроэнергетическая компания1941 г.4406120
Гидроэнергетическая комиссия1941 г.44015259Онтарио, Канада
Общественная служба Оклахомы1941 г.607185
Westinghouse Electric Corporation1942 г.44022384
Иллинойсский технологический институт1945 г.44012236Стоимость 90 000 долларов, спонсорская поддержка - 17 электроэнергетических компаний [16].
Государственный колледж Айовы1946 г.10 000464Продолжали коммерческое использование до начала 1970-х годов.
Техасский колледж A и M1947 г.44018344Эксплуатировался до 1971 года, когда был продан Энергетическому управлению Нижнего Колорадо.
Город Лос-Анджелес1947 г.44018266
Канзасский университет1947 г.608133
Associated Electrical Industries, Ltd.1947 г.50012274объединенное Королевство
Технологическая школа Джорджии1948 г.44014322Пожертвовано Georgia Power Corp., стоимость 300 000 долларов [17]
Тихоокеанская газовая и электрическая компания1948 г.44014324
Consolidated Gas, Electric Light and Power Co., Балтимор1948 г.44016240
Бюро мелиорации США1948 г.48012240
Компания Дженерал Электрик (№ 2)1949 г.48012392
Калифорнийский университет1949 г.4806113
Индийский институт науки1949 г.48016338
Государственная комиссия по электричеству Виктории195045012-Производитель Westinghouse, находящийся в эксплуатации до 1967 г., мощность двигателя-генератора 10 кВт, [18]
Институт Франклина1953 г.440----Производитель Westinghouse, самая крупная система, поставленная на тот момент, стоила 400000 долларов в долларах 1953 года.
Корнелл Университет1953 г.44018---Списан в середине 1960-х [19]

Другие приложения

Анализатор переходных процессов

«Анализатор переходных процессов» представлял собой аналоговую модель системы передачи, специально адаптированную для изучения высокочастотных переходных скачков (например, из-за молний или переключений) вместо токов переменного тока промышленной частоты. Подобно анализатору цепей переменного тока, они представляли устройства и линии с масштабированными индуктивностями и сопротивлениями. Переключатель с синхронным приводом неоднократно подавал переходный импульс в модельную систему, и отклик в любой точке можно было наблюдать на осциллографе или регистрировать на осциллографе. Некоторые анализаторы переходных процессов все еще используются для исследований и обучения, иногда в сочетании с цифровыми реле защиты или регистрирующими приборами. [20]

Anacom

Westinghouse Anacom представляла собой электрическую аналоговую компьютерную систему с питанием от переменного тока, которая широко использовалась для решения проблем в механическом проектировании, конструктивных элементах, потоке смазочного масла и различных переходных проблемах, в том числе из-за грозовых скачков в системах передачи электроэнергии. Частота возбуждения компьютера могла варьироваться. Построенный в 1948 году Westinghouse Anacom вплоть до начала 1990-х годов использовался для инженерных расчетов; его первоначальная стоимость составляла 500 000 долларов. Система периодически обновлялась и расширялась; к 1980-м годам Anacom можно было запускать во многих случаях моделирования без участия оператора, под управлением цифрового компьютера, который автоматически устанавливал начальные условия и записывал результаты. Westinghouse построил точную копию Anacom для Северо-Западного университета, продал Anacom компании ABB , и двадцать или тридцать аналогичных компьютеров других производителей использовались по всему миру. [9]

Физика и химия

Поскольку несколько элементов анализатора цепей переменного тока образуют мощный аналоговый компьютер, иногда проблемы физики и химии моделировались (такими исследователями, как Габриэль Крон из General Electric ) в конце 1940-х годов, до того, как стали доступны универсальные цифровые компьютеры. . [21] Еще одним применением был поток воды в системах распределения воды. Силы и смещения механической системы можно было легко смоделировать с помощью напряжений и токов анализатора цепей, что позволило легко регулировать такие свойства, как жесткость пружины, например, изменяя номинал конденсатора. [22]

Структуры

Модель Дэвида Тейлора использовала анализатор цепей переменного тока с конца 1950-х до середины 1960-х годов. Система использовалась для решения задач проектирования кораблей. Электрический аналог структурных свойств предлагаемого корабля, вала или другой конструкции может быть построен и испытан на его колебательные режимы. В отличие от анализаторов переменного тока, используемых для работы в энергосистемах, частота возбуждения была сделана бесступенчатой, чтобы можно было исследовать эффекты механического резонанса.

Упадок и устаревание

Даже во время Великой депрессии и Второй мировой войны было построено множество анализаторов цепей из-за их большой ценности при решении расчетов, связанных с передачей электроэнергии. К середине 1950-х годов в Соединенных Штатах было доступно около тридцати анализаторов, что свидетельствует о переизбытке предложения. Такие организации, как Массачусетский технологический институт, больше не могли оправдывать работу анализаторов, поскольку платящие клиентам расходы практически не покрывали операционных расходов. [22]

Когда стали доступны цифровые компьютеры с адекватной производительностью, методы решения, разработанные для аналоговых анализаторов цепей, были перенесены в цифровую сферу, где коммутационные панели, переключатели и указатели счетчиков были заменены перфокартами и распечатками. То же самое универсальное цифровое компьютерное оборудование, на котором проводились сетевые исследования, легко можно было бы одновременно выполнять с бизнес-функциями, такими как расчет заработной платы. Аналоговые анализаторы цепей перестали использоваться для исследования потоков нагрузки и отказов, хотя некоторые из них еще какое-то время оставались в исследованиях переходных процессов. Аналоговые анализаторы были разобраны и либо проданы другим предприятиям, либо переданы инженерным школам, либо утилизированы.

Судьба нескольких анализаторов иллюстрирует эту тенденцию. Анализатор, приобретенный American Electric Power, был заменен цифровыми системами в 1961 году и подарен Virginia Tech . Анализатор цепей Westinghouse, приобретенный Государственной комиссией по электричеству штата Виктория , Австралия, в 1950 году, был выведен из эксплуатации в 1967 году и передан инженерному факультету Университета Монаша ; но к 1985 году даже учебное использование анализатора перестало быть практичным, и система была окончательно разобрана. [23]

Одним из факторов, способствовавших устареванию аналоговых моделей, была возрастающая сложность взаимосвязанных энергосистем. Даже большой анализатор мог представить только несколько машин и, возможно, несколько линий и автобусов. Цифровые компьютеры обычно управляли системами с тысячами автобусов и линий передачи.

См. Также

  • Сетевой анализатор (электрический)
  • Защита энергосистемы
  • Дифференциальный анализатор
  • Предполагаемый ток короткого замыкания

Ссылки

  1. ^ Томас Парк Хьюз Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880-1930 JHU Press, 1993 ISBN  0-8018-4614-5 стр. 376
  2. ^ Чарльз Имс, Рэй Имс . Компьютерная перспектива: история компьютерной эры , Harvard University Press, 1990 0674156269, стр.117
  3. ^ MA Laughton, DF Warne (редактор), Справочник инженера-электрика (16-е издание) , Elsevier, 2003 ISBN 978-1-60119-452-7, страницы 368-369 
  4. ^ HP Kuehni, RG Лотарингия, Новый AC сетевой анализатор , Транзакции AIEE , февраль 1938 Объем 57 стр 67
  5. ^ Дэвид А. Минделл, Между человеком и машиной: обратная связь, управление и вычисления до кибернетики , JHU Press, 2004 ISBN 0801880572, стр. 149-150 
  6. ^ Эдвард Уилсон Кимбарк , Стабильность энергосистемы , Wiley-IEEE, 1948, ISBN 0-7803-1135-3 стр. 64 и далее 
  7. ^ Учреждение инженерии и технологии, защита энергосистемы, тома 1-4 , 1995 ISBN 978-1-60119-889-1 страницы 216-220 
  8. ^ Аад Блок, Грег Дауни (редактор) Раскрытие труда в информационных революциях, 1750-2000 , Cambridge University Press, 2003 ISBN 0521543533 , стр. 76-80 
  9. ^ a b http://www.ieeeghn.org/wiki/images/e/ec/Chapter_6-Calculating_Power_(Edwin_L._Harder).pdf Calculating Power, получено 26 февраля 2013 г.
  10. ^ HL Hazen, OR Schurig и MF Gardner. Проектирование и применение сетевого анализатора Массачусетского технологического института для решения проблем энергосистемы , транзакции AIEEE , июль 1930 г., стр.1102-1113
  11. ^ Карл Л. Уайлдс, Нило А. Линдгрен Век электротехники и информатики в Массачусетском технологическом институте, 1882-1982 гг. MIT Press 1985 ISBN 0262231190 , стр. 100-104 
  12. ^ http://ed-thelen.org/comp-hist/GE-Computer_Department_Data_Book_1960.pdf GE-Computer_Department_Data_Book_1960 , страницы 150-152, извлечены 7 февраля 2013 г.
  13. ^ https://news.google.com/newspapers?nid=2202&dat=19530204&id=RVMmAAAAIBAJ&sjid=nf8FAAAAIBAJ&pg=830,3636416 Gettysburg Times 7 фирм поставят анализатор в институт 4 февраля 1953 г.
  14. ^ http://www2.iee.or.jp/ver2/honbu/14-magazine/log/2004/2004_08a_03.pdf Исторические тенденции и интерактивная взаимосвязь в установлении симметричных координат и анализатора сети переменного тока, получено 26 февраля 2013 г.
  15. ^ WA Morgan, FS Роте, JJ Winsness Улучшенная AC сетевой анализатор , AIEE Транзакции , том 68, 1949 стр. 891-896
  16. ^ http://fultonhistory.com/newspaper%202/Auburn%20NY%20Citizen%20Advertiser/Auburn%20NY%20Citizen%20Advertiser%201945.pdf/Newspaper%20Auburn%20NY%20Citizen%20Advertiser%201945%20-. PDF «Электрический мозг стоимостью 90 000 долларов, установленный в Технологическом институте Иллинойса»
  17. ^ http://www.gtri.gatech.edu/history/our-forefathers/gerald-rosselot, получено 26 февраля 2013 г.
  18. ^ https://collections.museumvictoria.com.au/articles/10180 Bonwick, B. (2011) The Network Analyzer - подробное описание в Museums Victoria Collections, доступ к 4 августа 2017 г.
  19. ^ http://www2.cit.cornell.edu/computer/history/Linke.html История вычислений Корнелла, получено 26 февраля 2013 г.
  20. ^ http://www.cpri.in/about-us/departmentsunits/power-system-division-psd/transient-network-analyser.html TNA в Центральном научно-исследовательском институте энергетики, Индия, данные 2013 26 февраля
  21. ^ http://www.metaphorik.de/12/tympasdalouka.pdf, получено 26 января 2008 г.
  22. ^ a b Джеймс С. Смолл, Аналоговая альтернатива: электронный аналоговый компьютер в Великобритании и США, 1930-1975 , Routledge, 2013, ISBN 1134699026 , страницы 35-40 
  23. ^ https://collections.museumvictoria.com.au/items/1763754 Фотография части сетевого анализатора Westinghouse, полученная 3 августа 2017 г.

Внешние ссылки

  • [1] Ли Аллен Мэйо, тезис « Моделирование без репликации» , Университет Нотр-Дам, 2011, стр. 52–101, обсуждает использование сетевых анализаторов для теоретических расчетов.