Сетевой анализатор (питание переменного тока) - Network analyzer (AC power)

Не путать с Сетевой анализатор (электрический).

С 1929 г.[1] до конца 1960-х гг. переменный ток энергосистемы были смоделированы и исследованы на Сетевые анализаторы переменного тока (также называемый сетевые калькуляторы переменного тока или же Счетные платы переменного тока) или же анализаторы переходных цепей. Эти специальные аналоговые компьютеры были продуктом вычислительных плат постоянного тока, которые использовались в самых ранних анализах энергосистем. К середине 1950-х годов в эксплуатации находилось пятьдесят анализаторов цепей.[2] Сетевые анализаторы переменного тока широко использовались для исследования 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 в количестве 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.

Расчетные методы

По мере того как в начале 20-го века энергосистемы 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 делала 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, чтобы представить сеть 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 создана путем наматывания слоев проволоки вокруг стеклянного цилиндра с чередующимися листами оловянной фольги, чтобы придать модели пропорционально такие же распределенные индуктивность и емкость, как 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 машины был значительным. Некоторые рабочие в 1920-х годах использовали модели трехфазных 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 могли быть точно уменьшены 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 не масштабировалось.[5]

Масштабная модель

Система сетевого анализатора была по сути масштабная модель 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 принципиальная схема моделируемой системы.

Вместо использования миниатюрных вращающихся машин были построены точно откалиброванные фазосдвигающие трансформаторы для имитации электрических машин. Все они запитывались от одного и того же источника (с местной частотой сети или от мотор-генераторной установки) и таким образом поддерживали синхронизм. Фазовый угол и напряжение на клеммах каждого смоделированного генератора могут быть установлены с помощью поворотных шкал на каждом блоке фазосдвигающего трансформатора. С использованием единичная система допустимые значения можно удобно интерпретировать без дополнительных вычислений.

Чтобы уменьшить размер компонентов модели, анализатор цепей часто включался с более высокой частотой, чем 50 Гц или 60 Гц. частота сети. Рабочая частота была выбрана достаточно высокой, чтобы можно было изготавливать высококачественные катушки индуктивности и конденсаторы, и чтобы она была совместима с доступными индикаторными 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. В некоторых системах использовалась частота 10 кГц с использованием конденсаторов и катушек индуктивности, подобных тем, которые используются в радиоэлектронике.

Цепи модели были запитаны при относительно низком напряжении, чтобы обеспечить безопасное измерение с адекватной точностью. Базовые количества модели варьируются в зависимости от производителя и даты разработки; по мере того, как усиливающиеся индикаторные приборы становились все более распространенными, стало возможным использование более низких базовых величин. 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. Используя единичная система, 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, но с использованием симметричные компоненты метода, несбалансированные трехфазные системы также могут быть изучены.

Полный сетевой анализатор представлял собой систему, занимавшую большую комнату; одна модель была описана как четыре отсека для оборудования, охватывающих U-образную конструкцию диаметром 26 футов (8 метров). Такие компании как General Electric и Westinghouse могли 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 помощью ручных вычислений. Несмотря на то, что сборка и эксплуатация являются дорогостоящими, сетевые анализаторы часто окупаются за счет сокращения времени расчетов и ускорения графиков проекта.[8] Например, исследование стабильности может указать, должна ли линия передачи иметь проводники большего размера или с разным расстоянием между ними для сохранения запаса устойчивости во время сбоев системы; потенциально экономит многие мили 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 ​​как однолинейная схема и все импедансы линий и машин будут масштабированы до значений модели на анализаторе. Будет подготовлена ​​схема подключения, чтобы показать соединения, которые должны быть выполнены между элементами модели. Элементы схемы будут связаны соединительными кабелями. На модельную систему будет подано питание, и измерения будут проводиться в интересующих точках модели; они могут быть увеличены до значений в полномасштабной системе.[9]

Анализатор цепей MIT

Сетевой анализатор установлен в Массачусетский Институт Технологий (MIT) вырос из дипломного проекта 1924 года Хью Х. Спенсера и Гарольд Локк Хейзен, исследуя концепцию моделирования энергосистемы, предложенную Ванневар Буш. Вместо миниатюрных вращающихся машин каждый генератор был представлен трансформатором с регулируемым напряжением и фазой, питаемым от общего источника. Это исключало низкую точность моделей с миниатюрными станками. Публикация этой диссертации в 1925 г. привлекла внимание компании General Electric, где Роберт Доэрти интересовался моделированием проблем устойчивости систем. Он попросил Хазена проверить, может ли модель точно воспроизводить поведение машин при изменении нагрузки.

Проектирование и строительство выполняли 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 Х.Л. Хазена, О.Р. Шурига и М.Ф. Гарднер. 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 образовательный инструмент, но широко использовался сторонними фирмами, которые платили за его использование. Американская газовая и электрическая компания, то Власть долины Теннесси, и многие другие организации изучали проблемы анализатора MIT в первое десятилетие его эксплуатации. В 1940 году система была перемещена и расширена для работы с более сложными системами.

К 1953 г. анализатор MIT начал отставать от современного уровня техники. Цифровые компьютеры были впервые использованы для решения проблем с энергосистемой еще "Вихрь »в 1949 году. В отличие от большинства из сорока других анализаторов, находящихся в эксплуатации к тому моменту, прибор MIT был запитан с частотой 60 Гц, а не 440 или 480 Гц, что делало его компоненты большими и затрудняло решение новых типов проблем. купили собственные анализаторы цепей. Система MIT была разобрана и продана Управление водных ресурсов Пуэрто-Рико в 1954 г.[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 разработала 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, чтобы решать проблемы, слишком большие для ручных вычислений, но не стоящие 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 около 20 коммунальных, образовательных и государственных заказчиков. В 1959 году его прейскурантная цена составляла 8 590 долларов.[12]

В 1953 г. Компания Метрополитен Эдисон и группа из шести других электрических компаний приобрели новый анализатор цепей переменного тока Westinghouse для установки в Институт 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. Yokogawa Electric Компания представила модель, работающую на частоте 3980 Гц, начиная с 1956 года.[14]

Сетевые анализаторы переменного тока [15]
ВладелецГодЧастотаГенераторыВсего схемЗамечания
Массачусетский технологический институт19296016209Первая система в коммерческом использовании
Университет Пердью194244016383Реконструирован после первоначальной установки в 1929 г.
Пенсильванская железная дорога19324406296
Компания Commonwealth Edison19324406186
Компания General Electric193748012313
Компания Public Service Electric and Gas, Нью-Джерси19384808163
Власть долины Теннесси193844018270
Bonneville Power Administration193948018326
São Paulo Tramway, Light and Power Company1940440698Бразилия
Потомакская электроэнергетическая компания19414406120
Гидроэнергетическая комиссия194144015259Онтарио, Канада
Общественная служба Оклахомы1941607185
Westinghouse Electric Corporation194244022384
Иллинойсский технологический институт194544012236Стоимость 90 000 долларов США, спонсорство - 17 электроэнергетических компаний.[16]
Государственный колледж Айовы194610,000464Продолжали коммерческое использование до начала 1970-х годов.
Техасский колледж A и M194744018344Эксплуатировалась до 1971 г., когда была продана Власть Нижнего Колорадо
Город Лос-Анджелес194744018266
Канзасский университет1947608133
Associated Electrical Industries, Ltd.194750012274объединенное Королевство
Технологическая школа Джорджии194844014322Пожертвовано Georgia Power Corp., стоимость 300 000 долларов.[17]
Тихоокеанская газовая и электрическая компания194844014324
Consolidated Gas, Electric Light and Power Co., Балтимор194844016240
Бюро мелиорации США194848012240
Компания General Electric (№ 2)194948012392
Калифорнийский университет19494806113
Индийский институт науки194948016338
Государственная комиссия по электроэнергии Виктории195045012--Производитель Westinghouse, в коммунальном хозяйстве до 1967 г., мощность двигателя-генератора 10 кВт, [18]
Институт Франклина1953440-----Производитель Westinghouse, крупнейшая система, поставленная на тот момент, стоила 400000 долларов в долларах 1953 года.
Корнелл Университет195344018---Списан в середине 1960-х гг.[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 молнии или переключения) вместо токов переменного тока промышленной частоты. Как и в анализаторе 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 осциллограф или записаны на осциллографе. Некоторые анализаторы переходных процессов все еще используются для исследований и образования, иногда в сочетании с цифровыми защитные реле или записывающие инструменты.[20]

Анаком

Вестингауз Анаком 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 присмотра, под управлением цифрового компьютера, который автоматически устанавливал начальные условия и записывал результаты. Westinghouse построил копию Anacom для Северо-Западный университет, продал Anacom ABB, и двадцать или тридцать подобных компьютеров других производителей использовались по всему миру.[9]

Физика и химия

Поскольку несколько элементов анализатора цепей переменного тока образуют мощный аналоговый компьютер, время от времени моделировались проблемы физики и химии (такими исследователями, как Габриэль Крон из General Electric ), в конце 1940-х годов, до появления универсальных цифровых компьютеров.[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 позволяло легко регулировать такие свойства, как жесткость пружины, например, изменяя номинал конденсатора. [22]

Структуры

В Модель бассейна Дэвида Тейлора эксплуатировал анализатор цепей переменного тока с конца 1950-х до середины 1960-х годов. Система использовалась для решения задач проектирования судов. 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 моральное 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 являлось избыточным предложением. 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 адекватной производительности, 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 использовать 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 приобретен American Electric Power была заменена цифровыми системами в 1961 году и передана в дар Технологический институт Вирджинии. Анализатор цепей Westinghouse, приобретенный Государственная комиссия по электроэнергии Виктории, Австралия в 1950 году была выведена из эксплуатации в 1967 году и передана инженерному отделу в Университет 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 может отображать только несколько машин и, возможно, несколько линий и автобусов. Цифровые компьютеры обычно управляли системами с тысячами автобусов и линий передачи.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Томас Парк Хьюз Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880-1930 гг. JHU Press, 1993 г. ISBN  0-8018-4614-5 стр. 376
  2. ^ Чарльз Имс, Рэй Имс Компьютерная перспектива: предыстория компьютерной эпохи, Harvard University Press, 1990 0674156269, стр.117
  3. ^ М.А. Лотон, Д.Ф. Варн (редактор),Справочник инженера-электрика (16-е издание), Эльзевир, 2003 ISBN  978-1-60119-452-7 страницы 368-369
  4. ^ H.P. Куехни, Р. Лоррейн, Новый анализатор цепей переменного тока, Транзакции AIEE, Февраль 1938 г., том 57, стр. 67
  5. ^ Дэвид А. Минделл, Между человеком и машиной: обратная связь, управление и вычисления до кибернетики, JHU Press, 2004 г. ISBN  0801880572 стр.149-150
  6. ^ Эдвард Уилсон Кимбарк, Устойчивость энергосистемы, Wiley-IEEE, 1948 г., ISBN  0-7803-1135-3 страница 64 и последующие
  7. ^ Институт инженерии и технологий, Защита энергосистемы, тома 1-4, 1995 ISBN  978-1-60119-889-1 страницы 216-220
  8. ^ Ад Блок, Грег Дауни (редактор) Раскрытие труда в информационных революциях 1750-2000 гг., Cambridge University Press, 2003 г. ISBN  0521543533, стр. 76-80
  9. ^ а б http://www.ieeeghn.org/wiki/images/e/ec/Chapter_6-Calculating_Power_(Edwin_L._Harder).pdf Calculating Power, данные получены 26 февраля 2013 г.
  10. ^ Х.Л. Хазен, О. Шурига и М.Ф. Гарднер. M.I.T. Проектирование сетевого анализатора и его применение для решения проблем с энергосистемой, 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, проверено 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 теоремы симметричных координат и AC Network Analyzer найдено 2013 г., 26 февраля.
  15. ^ W. A. ​​Morgan, F. S. Rothe, J.J. Победы Улучшенный сетевой анализатор A-C, AIEE транзакции, Volume 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%20-20025 «Электрический мозг стоимостью 90 000 долларов установлен в Технологическом институте Иллинойса»
  17. ^ http://www.gtri.gatech.edu/history/our-forefathers/gerald-rosselot получено 2013 Фев 26
  18. ^ https://collections.museumvictoria.com.au/articles/10180 Бонвик, Б. (2011) Сетевой анализатор - подробное описание в Museums Victoria Collections. Доступ 4 августа 2017 г.
  19. ^ http://www2.cit.cornell.edu/computer/history/Linke.html История вычислений Cornell, получена 26 февраля 2013 г.
  20. ^ http://www.cpri.in/about-us/departmentsunits/power-system-division-psd/transient-network-analyser.html Получено TNA в Центральном исследовательском институте энергетики, Индия, 2013 г. 26 февраля
  21. ^ http://www.metaphorik.de/12/tympasdalouka.pdf получено 26 Янв 2008
  22. ^ а б Джеймс С. Смолл, Аналоговая альтернатива: электронный аналоговый компьютер в Великобритании и США, 1930-1975 гг., Рутледж, 2013, ISBN  1134699026, страницы 35-40
  23. ^ https://collections.museumvictoria.com.au/items/1763754 Фотография части сетевого анализатора Westinghouse, полученная 3 августа 2017 г.

внешняя ссылка

  • [1] Ли Аллен Мэйо, диссертация Моделирование без репликации, University of Notre Dame 2011, pp. 52–101 обсуждает использование сетевых анализаторов для теоретических расчетов.