В нормальном режиме работы на вал генератора действует два момента (считаем, что можно пренебречь моментом сопротивления, обусловленным трением в подшипниках и сопротивлением охлаждающей среды): момент турбины Мт , вращающий ротор генератора и стремящийся ускорить его вращение, и синхронный электромагнитный момент Мэм , противодействующий вращению ротора. В случае нарушения равновесия между вращающим моментом турбины и электромагнитным (тормозным) моментом генератора в зависимости от тяжести возмущения могут возникать: синхронные качания или асинхронный режим генератора.
Асинхронный режим (asynchronous regime ) – переходный режим в энергосистеме, характеризующийся несинхронным вращением части генераторов энергосистемы.
Асинхронные режимы могут возникать в результате:
Нарушения статической устойчивости из-за увеличения передаваемой мощности по линиям электропередачи сверхдопустимого значения;
Нарушения динамической устойчивости из-за аварийных возмущений (коротких замыканий, отключение генерирующего оборудования или электроустановок потребителя);
Несинхронного включения линий электропередачи и генераторов;
Потери возбуждения генератора.
Следует отметить, что асинхронные режимы работы невозбужденной и возбужденной синхронной машины существенным образом отличаются друг от друга.
1. Асинхронный режим возбужденной синхронной машины
В качестве примера, рассмотрим переход генератора в асинхронный режим работы из-за нарушения динамической устойчивости (см. рис.1) при возникновении короткого замыкания с отключением линии электропередачи.
Характерная особенность указанной зависимости - наличие четко выраженного максимума и минимума. Отличие асинхронного режима от синхронных качаний с точки зрения изменения тока заключается только в величине максимального значения тока в цикле качаний и в длительности этих качаний. Поскольку угол при синхронных качаниях теоретически может достигать своего критического значения, нельзя отличить асинхронный режим от синхронных качаний только по значению тока. Поэтому устройства АЛАР, основанные на выявлении асинхронного режима по колебаниям тока, настраиваются на работу на втором, третьем и т.д. цикле асинхронного режима. Другими словами, селективно асинхронный режим можно выявить лишь по длительным колебаниям тока с амплитудой не менее заданной и периодом не более расчетного.
Зависимость изменения напряжения и взаимного угла между двумя векторами напряжения при асинхронном режиме
Выражение для определения напряжения в промежуточных точках определяется в соответствии со вторым законом Кирхгофа по следующей формуле:
Относительная удаленность контролируемой точки с напряжением от точки с напряжением .
В асинхронном режиме вектор ЭДС синхронной машины, выпавшей из синхронизма, начинает вращаться относительно вектора ЭДС машин, работающих синхронно. Следует отметить, что в общем случае вращение вектора может происходить как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки:
против часовой стрелки ускоряются
Если вектор энергосистемы №2 вращается по часовой стрелке , то это свидетельствует о том, что генераторы энергосистемы №2 тормозятся относительно генераторов энергосистемы №1.
В качестве примера рассмотрим вращение вектора системы №2 в представленной расчетной схеме «по часовой стрелке».
Анализ полученных выражений показывает, что в момент расхождения напряжения системы №1 и системы №2 на угол 180 градусов (асинхронный проворот) активная мощность меняет свой знак, а значение реактивной мощности достигает своего максимального значения. Данная особенность изменения мощности в момент асинхронного проворота используется различными производителями в устройствах АЛАР независимо от элементной базы (электромеханические или микропроцессорные устройства).
В общем случае годограф вектора полной мощности (S = P + j Q) в месте измерения (установки реле мощности) представляет собой эллипс (зависимость P от Q) при изменении угла. Особенности изменения годографа мощности в цикле асин-хронного хода позволяют выявить момент наступления асинхронного режима, если есть возможность зафиксировать переход указанного годографа из диапазона углов ~0<δ<180° в диапазон ~180 0 <δ<360 0 при выполнении дополнительного условия, характеризующего зону δ≈180°.
Зависимость изменения сопротивления при асинхронном режиме
Сопротивление на зажимах реле сопротивления определяется как частное от деления напряжения в контролируемой точке на ток
С учетом соотношения между модулями напряжения по концам линии электропередачи 
полученное выражение может быть преобразовано в следующем виде:
Анализ полученного выражения показывает, что годографом сопротивления является окружность (эллипс), смещенная относительно начала координат. В зависимости от соотношения модулей напряжений по концам линии электропередачи характеристика изменения сопротивления имеет различный вид.
В этой статье мы познакомимся с синхронным режимом работы модуля WoodmanUSB. Имено в нем можно получить максимальные скорости пеередачи данных. В чем принципиальное отличие этого режима от асинхронного, который мы рассматривали ранее? В синхронном режиме помимо линии чтения/записи также должна применяться отдельная линия тактирования (CLK ), причем управляющие сигналы для чтения и записи должны быть довольно точно привязаны по времени к сигналу тактирования. Благодаря такой синхронизации WoodmanUSB позволяет получать скорости передачи данных до 220 МБит/с.
Начнем с основ. Существует несколько вариантов синхронного режима. В первую очередь необходимо выделить режим с внутренним и внешним тактированием. При внешнем тактировании тактовый сигнал подается на линию CLK модуля (работает на вход) от внешнего устройства. При внутреннем тактировании модуль сам генерирует тактовый сигнал и выдает его на линию CLK (работает на выход). Внешнее устройство тактируется по этому сигналу. Модуль может генерировать две частоты тактового сигнала: 30 и 48 МГц.
Теперь рассмотрим, что необходимо сделать на программном уровне, чтобы работать с портом PORTB модуля в синхронном режиме. Сдесь все очень просто. Необходимо только передать нужную констатну в функцию WUSB_SetupPortB() - и можно как раньше пользоваться функциями чтения/записи без каких-либо изменений. В библиотеке WUSBdrv.dll определены три константы для синхронного режима: SYNC_MODE_EXTERNAL_CLK - тактовый сигнал будет внешним относительно модуля (подается внешним устройством на линию CLK модуля), SYNC_MODE_INTERNAL_CLK_30MHZ - внутренний сигнал тактирования с частотой 30 МГц (выдается наружу через линию CLK) и SYNC_MODE_INTERNAL_CLK_48MHZ - тоже самое, только частота 48 МГц.
//SYNC_MODE_EXTERNAL_CLK 0x0C //SYNC_MODE_INTERNAL_CLK_30MHZ 0x14 //SYNC_MODE_INTERNAL_CLK_48MHZ 0x1C WUSB_SetupPortB(SYNC_MODE_INTERNAL_CLK_30MHZ);Еще раз повоторю, что работа с функциями чтения/записи в синхронном режиме ни как не отличается от рассмотренной ранее в асинхронном режиме.
А теперь давайте рассмотрим временные диаграммы, илюстрирующее "взаимоотношения" между сигналом тактирования и управляющими сигналами чтения/записи.
1. Синхронный режим. Чтение данных из модуля внешним устройством
Таблица 1.1
Таблица 1.2
2. Синхронный режим. Запись данных в модуль внешним устройством
Таблица 2.1 Параметры синхронного режима при внутреннем тактировании
| Параметр | Описание | Min | Max |
Период тактового сигнала |
|||
Таблица 2.2 Параметры синхронного режима при внешнем тактировании
| Параметр | Описание | Min | Max |
Период тактового сигнала |
|||
Время предустановки сигнала чтения |
|||
Время удержания сигнала чтения |
|||
Время предустановки данных на линиях порта PORTB |
|||
Время удержания данных на линиях порта PORTB |
Теперь давайте проведем небольшой тест, иллюстрирующий потенциальные скорости передачи в синхронном режиме. Идеологию оставим как в прошлой статье - сами данные реально не обрабатываем, генерируем только сигналы чтения/записи и в данном режиме еще и тактового сигнала. Также давайте определимся в каком из подвидов синхронного режима будем работать. Предлагаю использовать с вутренним тактированием на 48 МГц, поскольку с внешним все сложнее, необходимо соблюдать довольно жесткие требования по временным характеристикам. Схема тестового устройства показана ниже. Как видно из рисунка сигналы управления чтения/записи совпадают с тактовым сигналом, который в режиме внутреннего тактирования выводится "наружу" модуля по линии CLK.
Программу используем из прошлой статьи. Единственное изменение которое необходимо сделать так это вызвать функцию WUSB_SetupPortB() с параметром SYNC_MODE_INTERNAL_CLK_48MHZ. Скриншоты результатов тестов показаны ниже.
Я думаю Вы согласитесь, что результаты весьма не плохие. Итого можно сказать что синхронный режим заметно сложнее по аппаратной реализации чем асинхронный но его использование позволяет получать максимальные скорости передачи данных. Сложность аппаратной реализации обусловлена тем, что в реальности для передачи данных необходимо анализировать состояния буферов во избежание потерь данных при их переполнении это раз, затем необходимо сделать поправку на то что внешнее устройство должно быть достатчно быстродейситвующим, чтобы обеспечивать заданные временные характеристики генерации сигналов управления и их синхронизации с тактовым сигналом.
Здесь передатчик и приемник действуют независимо и обмениваются синхронизирующей комбинацией битов в начале каждого кодового элемента (кадра) сообщения. Между одним кадром сообщения и следующим нет фиксированной зависимости. Это аналогично таким устройствам обмена информацией, как клавиатура компьютера, ввод с которой может происходить с длинными случайными паузами между нажатиями на клавиши.
Рис. 2.13. Асинхронная передача данных
Выбранная первоначально скорость передачи задает частоту опроса (за исключением систем "Autobaud"). Частота опроса канала на приемнике высока, обычно в 16 раз выше скорости передачи бит (bit rate), для точного определения центра синхронизирующей комбинации (стартового бита) и его длительности.
Рис. 2.14. Извлечение синхросигнала
Затем биты данных определяются приемником путем опроса канала в моменты времени, соответствующие середине каждого передаваемого бита. Они определяются добавлением для; каждого последующего такта значения длительности бита, начиная с середины стартового бита. Для восьмибитной последовательной передачи этот опрос производится для каждого из восьми битов данных, а заключительная выборка производится во время девятого временного интервала. Последняя выборка служит для определения стопового бита и подтверждения сохранности синхронизации до конца кадра сообщения. Рис. 2.15 иллюстрирует процесс асинхронного приема данных.
Рис. 2.15. Асинхронный прием данных
2.4.4. Синхронная передача
Здесь передатчик и приемник устанавливают начальную синхронизацию, затем непрерывно передают данные, поддерживая ее на протяжении всего сеанса передачи. Достигается это посредством специальных схем кодирования данных, таких, как манчестерское кодирование (Manchester Encoding), которые обеспечивают непрерывную запись в передаваемый поток данных тактовых сигналов передатчика. Таким способом можно поддерживать синхронизацию приемника вплоть до последнего бита сообщения, которое может достигать длины 4500 байтов (36000 битов). Это позволяет эффективно передавать большие кадры данных на больших скоростях. Синхронная система упаковывает вместе множество символов и посылает их непрерывным потоком, который называется блоком. У каждого блока есть заголовок, содержащий стартовый ограничитель для начальной синхронизации и информацию о блоке, и завершающая ччасть, для проверки " ошибок и т. п. Пример блока синхронной передачи показан на рис. 2.16.
Асинхронный режим.
В этом режиме данные модем передает по одному байту. В начале каждого байта передаются биты сигхронизации, а в конце байта – стоповые биты. Между передачей двух байт выдерживается определенная пауза. Этот режим хорошо работает на не очень качественных телефонных линиях т.к. если происходит искажение данных, то небольшого их количества (за 1 сек передается небольшое количество данных) и повторять приходится только небольшое количество байт. Однако и скорость передачи не большая.
Этот режим разработан только для качественных линий. Модем передает не по одному байту а обоймами (как при временном мультиплексировании) те несколько байт передаются полряд без пауз и промежутояных старт и стоповых бит. Старт и стоповые биты передаются только вначале и в конце обоймы, а паузы – между обоймами. За счет такой пакетной передачи байтов значительно ускоряется передача, но при плохойлинии и многочисленных искажениях приходится повторно передавать большое количество данных, что не ускоряет, а наоборот, - замедляет передачу или вообще делает ее не возможной.
Модемы, работающие только в асинхронном режиме , обычно поддерживают низкую скорость передачи данных - до 1200 бит/с..
Модемы, работающие только в синхронном режиме , могут подключаться только к 4-проводному окончанию. Синхронные модемы используют для выделения сигнала высокоточные схемы синхронизации и поэтому обычно значительно дороже асинхронных модемов. Кроме того, синхронный режим работы предъявляет высокие требования к качеству линии. существуют различные стандарты ддля них:
· V.26 - скорость передачи 2400 бит/с;
· V.27 - скорость передачи 4800 бит/с;
· V.29 - скорость передачи 9600 бит/с;
· V.32 ter - скорость передачи 19 200 бит/с.
Для выделенного широкополосного канала 60-108 кГц существуют три стандарта:
· V.35 - скорость передачи 48 Кбит/с;
· V.36 - скорость передачи 48-72 Кбит/с;
· V.37-скорость передачи 96-168 Кбит/с.
Модемы, работающие в асинхронном и синхронном режимах , являются наиболее универсальными и часто используемыми устройствами. Чаще всего они могут работать как по выделенным, так и по коммутируемым каналам, обеспечивая дуплексный режим работы. На выделенных каналах они поддерживают в основном 2-проводное окончание и гораздо реже - 4-проводное.
Для асинхронно-синхронных модемов разработан ряд стандартов серии V:
· V.22 - скорость передачи до 1200 бит/с;
· V.22 bis - скорость передачи до 2400 бит/с;
· V.26 ter - скорость передачи до 2400 бит/с;
· V.32 - скорость передачи до 9600 бит/с;
· V.32 bis - скорость передачи 14 400 бит/с;
· V.34 - скорость передачи до 28,8 Кбит/с; - выбор скорости и др.параметров в зависимости от качества линии
· V.34+ - скорость передачи до 33,6 Кбит/с. – усовершенствованый метод кодирования, лучше работают на зашумленных линиях
На высокой скорости модемы V.32-V.34+ фактически всегда используют в канале связи синхронный режим.
1. Возникновение и общая характеристика асинхронных режимов
В нормальном установившемся режиме синхронные машины, включенные на параллельную работу, работают синхронно. Синхронный режим характеризуется тем, что ЭДС всех электрических машин имеют одинаковую частоту и, следовательно, их векторы вращаются с одинаковой угловой скоростью (рис 1а). Нарушение устойчивости приводит к тому, что машины перестают работать синхронно. При этом ЭДС синхронных машин, выпавших из синхронизма, вращаются относительно ЭДС машин, работающих синхронно (1б).
Рис. 1. а – нормальный установившийся режим, б – асинхронный режим
Нарушение устойчивости может произойти в результате потери возбуждения (1), резкого возмущения (2), малого возмущения перегруженной системы (3).
Рис 2. Потеря возбуждения, резкое возмущение, нарушение статической устойчивости
В сложной системе могут быть случаи, когда асинхронный ход, возникший в одной части системы, может привести к выпадению из синхронизма какого-либо генератора или группы генераторов. Это 4 случай.
Рис. Выпадение из синхронизма станции 1 и последующее раскачивание станции 2 с выпадением ее из синхронизма.
В асинхронном режиме генератор приобретает дополнительные свойства асинхронной машины, поскольку в роторе появляются токи, обусловленные наличием скольжения. Поэтому упрощенно мощность синхронного генератора в асинхронном режиме можно представить двумя составляющими: синхронной P с и асинхронной P ас. Соответственно противодействие турбине оказывает синхронный момент М с и асинхронный момент М ас . Но если на обмотку возбуждения не подается напряжение, то синхронная мощность будет равна нулю, т.е. будет только асинхронная мощность.
Для рассмотренных случаев нарушения устойчивости – в 1 случае генератор будет выдавать только асинхронную мощность, а в 2,3,4 – и синхронную, и асинхронную.
Асинхронная мощность генератора по аналогии с асинхронной машиной может быть найдена по выражению:
где r 2 ∑ , x s ∑ - параметры схемы замещения асинхронной машины с учетом внешнего сопротивления системы.
C увеличением скольжения увеличивается асинхронная мощность.
Скольжением называют разность угловых скоростей вращения или электрических частот называют скольжением:
ω s =ω 0 - ω 1
где ω 0 ω 1 – угловые скорости вращения ЭДС электрических машин (Если одна машина, то ω 0 – скорость вектора напряжения системы, ω 1 – ЭДС генератора).
Для асинхронных режимов характерно периодическое изменение угла между ЭДС от 0 до 360, изменения (качания) напряжения, тока, активной и реактивной мощности. Поскольку такие изменения могут быть весьма значительными, то асинхронный ход в ЭЭС не является нормальным режимом и длительно недопустим.
Мощность синхронного генератора при изменении δ меняется во времени примерно по синусоидальному закону. Для больших качаний в отличие от асинхронного хода характерен провал в зависимости P=f(t), появляющийся при переходе δ через 90. Для асинхронного хода характерно периодическое изменение знака синхронной мощности.
Рис. К определению асинхронного хода
Рассмотрим переход генератора в асинхронный режим работы из-за нарушения динамической устойчивости.
Рис Переход в асинхронный режим синхронного генератора: характеристики мощности в нормальном и асинхронном режиме (кривые 1,2); изменение скольжения и асинхронного момента (кривые 3,4)
Пусть одна из линий электропередачи внезапно отключается, а затем вновь включается. При этом происходит переход с характеристики 1 на характеристику 2 и обратно. Но угол включения δ вкл столь велик, что площадь ускорения f abcd превосходит наибольшую возможную площадь торможения f def . Угол δ превышает критическое значение δ кр. На ротор начинает действовать ускоряющий момент, приводящий к дальнейшему увеличению угла δ.
Как только скорость ротора станет отличаться от синхронной, появляется скольжение s, растущее с увеличением разности скоростей. Возникновение скольжения обуславливает появление асинхронной мощности P ас, увеличивающейся с ростом скольжения.
С увеличением скорости ротора начинают действовать регуляторы мощности турбины, уменьшая P т.
При некотором значении скольжения s ∞ мощность турбины уравновесится средней асинхронной мощностью. P т =P ас (М т =М ас). Это условие определяет начало установившегося асинхронного режима (хода).
Если на обмотку возбуждения подано напряжение, то кроме уравновешивающих друг друга асинхронного момента и момента турбины, на вал генератор-турбина будет действовать также синхронный вращающий момент М с. Синхронная мощность имеет пульсирующий характер, среднее значение ее равное нулю.
Рис Изменение синхронного момента и скольжения в асинхронном режиме
Колебания синхронной мощности вызывает периодическое изменение скорости вращения ротора в асинхронном режиме и, следовательно, пульсации скольжения. Скольжение изменяется от s max до s min .
В возникающем при нарушении устойчивости переходном процессе можно выделить три этапа: 1) выпадение из синхронизма; синхронные качания 2) переход к асинхронному режиму 3) установившийся асинхронный режим.