Name: generator rotor motion and the swing equation
Uploaded: 2024-11-21T14:54:38.000Z
Duration: 1 min 21 s
Channel: JoVE

Уравнение поворота имеет решающее значение для понимания динамики генерирующих агрегатов, таких как трехфазный синхронный генератор.
Он описывает движение ротора с помощью второго закона Ньютона, включающего такие факторы, как инерция, угловое ускорение, а также механический и электрический крутящий момент.
В установившемся состоянии, когда механический равен электрическому крутящему моменту, ускорение ротора и ускоряющий момент равны нулю, сохраняя постоянную скорость ротора или синхронную скорость.
Частота вращения ротора увеличивается, когда механический крутящий момент превышает электрический, и уменьшается в противном случае.
Измерение положения ротора относительно синхронно вращающейся оси отсчета удобнее, чем стационарного.
Кроме того, работа с мощностью в расчете на единицу упрощает расчеты, как и использование нормализованной постоянной H.
Уравнение поворота для единицы, нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка, имеет важное значение для исследований устойчивости переходных процессов.
Это объясняет переменный характер электрической мощности и частоты вращения ротора. Для удобства вычислений оно переписано как два дифференциальных уравнения первого порядка.
Уравнение колебания также используется для прогнозирования динамики ротора ветрогенераторов.

Уравнение качания

The Swing Equation

Уравнение качания (The Swing Equation) является фундаментальным инструментом в динамике энергосистем, особенно для анализа поведения генерирующих установок, таких как трехфазные синхронные генераторы. Это уравнение возникает из применения второго закона Ньютона к ротору генератора, учитывая такие факторы, как инерция, угловое ускорение и взаимодействие между механическими и электрическими моментами.

В установившемся режиме работы механический крутящий момент (T_m), подаваемый на генератор, уравновешивается генерируемым электрическим крутящим моментом (T_e). Этот баланс подразумевает, что угловое ускорение ротора и ускоряющий крутящий момент (T_a) равны нулю, тем самым поддерживая постоянную скорость ротора или синхронную скорость. Отклонения от этого баланса происходят, когда T_m превышает T_e, что приводит к увеличению скорости ротора, или когда T_e превосходит T_m, что приводит к снижению скорости ротора.

Положение ротора (δ) традиционно измеряется относительно синхронно вращающейся опорной оси, а не неподвижной оси, что упрощает анализ. Кроме того, использование системы единиц относительных значений (per-unit, p.u.) для представления мощности упрощает вычисления, как и использование нормализованной инерционной постоянной (H). Уравнение качания в системе единиц относительных значений (per-unit), представляющее собой нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка, задается следующим образом:

<img alt="Equation1" src="/files/ftp_upload/16034/16034_PT%20Equation_1.svg" style="height: 36px;">

Где δ — угол ротора, ω_syn — синхронная угловая скорость, а H — нормализованная инерционная постоянная. Это уравнение имеет решающее значение для исследований переходной устойчивости, поскольку учитывает переменную природу как электрической мощности, так и скорости ротора.

Для простоты вычислений уравнение качания часто переформулируют в два дифференциальных уравнения первого порядка:

<img alt="Equation2" src="/files/ftp_upload/16034/16034_PT%20Equation_2.svg" style="height: 100px;">

Это преобразование обеспечивает более эффективное численное интегрирование и моделирование.

Роль уравнения качания распространяется на прогнозирование динамики ротора в условиях колебаний, например, в ветровых турбинных генераторах, где механический крутящий момент изменяется в зависимости от скорости ветра. Точное прогнозирование этой динамики имеет решающее значение для поддержания стабильности сети, гарантируя, что переходные возмущения не приведут к нестабильности или отказу системы. Таким образом, понимание и применение уравнения качания являются неотъемлемой частью надежной работы и управления современными энергосистемами.

Уравнение поворота имеет решающее значение для понимания динамики генерирующих агрегатов, таких как трехфазный синхронный генератор.
Он описывает движение ротора ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

Электротехника

Unit 1

Раздел 1

Transient Stability and System Controls

Переходная устойчивость и системы управления

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

generator rotor motion and the swing equation

Generator rotor motion is described by the Swing Equation in power system dynamics. It is used to study generating units such as three-phase synchronous generators. The equation comes from Newton’s second law applied to the generator rotor. It links inertia, angular acceleration, and the balance between mechanical and electrical torques.

In steady-state operation, the mechanical torque supplied to the generator is equal to the electrical torque produced by the generator. When these torques match, the rotor has no angular acceleration. The accelerating torque is also zero, and the rotor keeps a constant speed called synchronous speed.

If the balance changes, the rotor speed changes too. When mechanical torque is greater than electrical torque, the rotor speeds up. When electrical torque is greater than mechanical torque, the rotor slows down. The rotor angle, written as δ, is measured relative to a synchronously rotating reference axis instead of a fixed stationary axis. This makes the analysis easier.

The Swing Equation is often written in the per-unit system, or p.u., which simplifies power calculations. It also uses the normalized inertia constant H. In this form, the Swing Equation is a nonlinear second-order differential equation. It is important for transient stability studies because both electrical power and rotor speed can change with time.

For numerical work, the equation is often rewritten as two first-order differential equations. This form is easier to integrate and simulate on a computer. The same ideas also help predict rotor behavior when mechanical torque varies, such as in wind turbine generators as wind speed changes. These calculations support grid stability and help prevent transient disturbances from causing system instability or failure.

Generator Rotor Motion and the Swing Equation

generator-rotor-motion-and-the-swing-equation

the swing equation

Generator rotor motion is described by the Swing Equation in power system dynamics. It is used to study generating units such as three-phase synchronous generators. The equation comes from Newton’s second law applied to the generator rotor. It links inertia, angular acceleration, and the balance between mechanical and electrical torques. In steady-state operation, the mechanical torque supplied to the generator is equal to the electrical torque produced by the generator. When these torques...

simplified synchronous machine model

Transient Stability in Synchronous Generators

The synchronous machine model helps students analyze transient stability in power systems. It represents a synchronous generator under balanced three-phase positive-sequence conditions. The model assumes constant excitation and ignores losses and saturation. These simplifications make it easier to study how a generator behaves during a disturbance. In this setup, the generator is connected to a network of transmission lines, transformers, loads, and other machines. That larger system is often...

multimachine stability

Power-System Stability in Multi-Machine Networks

Power-system stability in multi-machine networks focuses on how several synchronous machines behave as they stay connected to an N-bus power system. The analysis solves the swing equations for the machines and tracks how the network responds when conditions change. It is used to study transient stability, which is the system’s ability to stay in step after a disturbance. The network is written with nodal equations that link bus voltages, machine voltages, and machine currents. In this model, V...

wind turbine machine models

Wind Turbine Types and Generator Control

Wind turbine machine models are used to study how wind turbines behave in transient stability analysis. In this setting, induction machines and synchronous machines are the main model types. Induction machines are common because they are simple and reliable. Induction machines work through the rotating magnetic field made by the stator and rotor. A key term is slip, which is the difference between synchronous speed and rotor speed relative to synchronous speed. Slip is zero at synchronous...

generator voltage control

Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines

Generator voltage regulation helps keep synchronous generators and wind turbines working stably. Older systems use a DC generator driven by the rotor to supply DC power to the rotor field winding. That power is passed through slip rings and brushes. Newer systems use static exciters or brushless exciters. A static exciter rectifies AC power from the generator terminals and sends DC power directly to the rotor. A brushless exciter uses an inverted synchronous generator, takes AC power from...

turbine-governor control

How Turbine Governors Stabilize Power Output

Turbine-governor control helps keep generator frequency and rotor speed stable when electrical load changes. It does this by matching turbine mechanical power with the power demand on the system. In a power grid, that balance is important for steady operation. Turbine-generator units also store kinetic energy because their parts are rotating. When load increases, that stored energy is released to help meet the demand. At first, electrical torque rises while mechanical torque stays nearly...

load-frequency control

Load-frequency control in power grids

Load-frequency control keeps a power grid stable when electrical demand changes. It helps keep system frequency and power flow within acceptable limits. Turbine-governor control reduces rotor speed changes after a load shift, but a steady-state frequency error can still remain when the turbine-governor reference setting does not change. In an interconnected power system, each area agrees to export or import a scheduled amount of power through tie-lines, which are the transmission lines that...

key terms and concepts

Learn how the Swing Equation describes generator rotor motion, torque balance, synchronous speed, and grid stability using the per-unit system.

Generator Rotor Motion and the Swing Equation | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

electrical engineering

Generator Rotor Motion and the Swing Equation

Description

Transcript