analisador de rede (energia CA) - Network analyzer (AC power)

De 1929 a década de 1960, grande corrente alternada sistemas de energia foram modelados e estudados em analisadores de AC de rede (também chamados alternando calculadoras de rede atuais ou placas de calcular AC ) ou analisadores de rede transitórios . Estes fins especiais computadores analógicos foram uma conseqüência das placas de calcular DC utilizados na análise muito mais antigo sistema de energia. Em meados da década de 1950, cinquenta analisadores de rede estavam em operação. Analisadores de rede AC foram muito usados para estudos de fluxo de energia , cálculos de curto-circuito e estudos de estabilidade do sistema, mas acabaram por ser substituídas por soluções numéricas em execução em computadores digitais. Enquanto os analisadores poderia fornecer simulação em tempo real de eventos, sem preocupações sobre a estabilidade numérica dos algoritmos, os analisadores eram caros, inflexíveis e limitada no número de ônibus e linhas que podem ser simulados. Eventualmente poderosos computadores digitais substituído analisadores de redes analógicas para cálculos práticos, mas modelos físicos analógicas para estudar transientes elétricos ainda estão em uso.

métodos de cálculo

Como os sistemas de energia AC tornou-se maior no início do século 20, com dispositivos mais interligados, o problema de cálculo do comportamento esperado dos sistemas tornou-se mais difícil. métodos manuais foram apenas práticas para sistemas de algumas fontes e nós. A complexidade dos problemas práticos feitos técnicas de cálculo manuais muito trabalhosos ou imprecisas para ser útil. foram desenvolvidos muitos auxílios mecânicos para cálculo para resolver problemas relacionados com sistemas de energia da rede.

DC placas de cálculo utilizado resistores e fontes CC para representar uma rede AC. Uma resistência foi usada para modelar a reactância indutiva de um circuito, enquanto que a resistência em série real do circuito foi negligenciada. A desvantagem princípio foi a incapacidade para modelar complexos impedâncias. No entanto, para os estudos de avaria de curto-circuito, o efeito do componente de resistência era geralmente pequena. placas DC servido para produzir resultados precisos de erro em torno de 20%, suficiente para alguns fins.

linhas artificiais foram usados ​​para analisar linhas de transmissão. Estas réplicas cuidadosamente construídos da indutância distribuído, capacitância e resistência de uma linha de tamanho completo foram utilizados para investigar a propagação de impulsos em linhas e para validar os cálculos teóricos de propriedades de linha de transmissão. Uma linha artificial foi feita por camadas de enrolamento de fio em torno de um cilindro de vidro, com as folhas intercaladas de folha de estanho, para se obter o modelo de forma proporcional o mesmo indutância e capacitância distribuída como a linha de tamanho completo. Mais tarde, aproximações aglomeradas-elemento de linhas de transmissão foram encontrados para dar precisão adequada para muitos cálculos.

As investigações laboratoriais da estabilidade dos sistemas de máquinas de múltiplas foram limitados pela utilização de instrumentos directos-operado (indicando voltímetros, amperímetros e wattímetros). Para assegurar que os instrumentos insignificantemente carregado no sistema modelo, o nível de potência da máquina utilizada foi substancial. Alguns trabalhadores na década de 1920 usado geradores modelo trifásicos nominais de até 600 kVA e 2300 volts para representar um sistema de energia. General Electric desenvolveu sistemas modelo usando geradores avaliado em 3,75 kVA. Foi difícil manter múltiplos geradores em sincronismo, e o tamanho eo custo das unidades era uma restrição. Enquanto as linhas de transmissão de cargas e pode ser dimensionada com precisão para baixo para representações de laboratório, máquinas rotativas não pode ser miniaturizado com precisão e têm as mesmas características dinâmicas como protótipos de tamanho completo; a proporção de inércia máquina a perda de atrito máquina não escala.

modelo em escala

Um sistema analisador de rede era, essencialmente, um modelo em escala das propriedades eléctricas de um sistema de alimentação específica. Geradores, linhas de transmissão, e as cargas foram representados por componentes eléctricos miniatura com valores da escala de proporção para o sistema modelado. Componentes do modelo foram interconectadas com os cabos flexíveis para representar o diagrama esquemático do sistema modelado.

Em vez de utilizar máquinas rotativas em miniatura, transformadores de mudança de fase com precisão calibrados foram construídos para simular máquinas eléctricas. Estes foram todos energizado pela mesma fonte (com uma frequência de energia local ou a partir de um conjunto de motor-gerador) e sincronismo tão inerentemente mantida. O ângulo de fase de tensão e o terminal de cada gerador simulado pode ser definido utilizando escalas rotativos em cada unidade de transformador de mudança de fase. Usando as do sistema por unidade valores permitidos para ser convenientemente interpretados sem cálculo adicional.

Para reduzir o tamanho dos componentes do modelo, o analisador de rede frequentemente foi energizada a uma frequência mais elevada do que a de 50 Hz ou de 60 Hz de frequência de utilidade . A frequência de operação foi escolhido para ser alta o suficiente para permitir indutores de alta qualidade e capacitores para ser feito, e para ser compatível com os instrumentos que indicam disponíveis, mas não tão alto que capacitância parasita iria afetar os resultados. Muitos sistemas utilizados quer 440 Hz, ou 480 Hz, fornecido por um conjunto de motor-gerador, para reduzir o tamanho das componentes do modelo. Alguns sistemas utilizados 10 kHz, usando capacitores e indutores semelhantes aos utilizados em eletrônica de rádio.

Circuitos modelo foram energizados com tensões relativamente baixas para permitir uma medição segura com precisão adequada. As grandezas de base modelo variaram pelo fabricante e data de concepção; como instrumentos indicando amplificados tornou-se mais comum, as quantidades de base inferiores eram viáveis. Tensões e correntes modelo entrou cerca de 200 volts e 0,5 amperes no analisador MIT, que ainda permitiu accionado directamente (mas especialmente sensíveis) meios que podem ser utilizados para medir os parâmetros do modelo. As máquinas usadas posteriores tão pouco como 50 volts e 50 mA, com instrumentos utilizados indicando amplificados. Pela utilização do sistema por unidade , quantidades modelo poderia ser facilmente transformadas para as quantidades reais do sistema de tensão, a corrente, a potência ou impedância. Um watt medido no modelo pode corresponder a centenas de quilowatts ou megawatts no sistema modelado. Cem V, medida no modelo pode corresponder a um por unidade, o que pode representar, por exemplo, 230.000 volts sobre uma linha de transmissão ou 11.000 volts num sistema de distribuição. Tipicamente, resulta uma precisão de poderia ser obtido a cerca de 2% de medição. Componentes do modelo foram os dispositivos de fase única, mas utilizando a componentes simétricos método, sistemas trifásicos desequilibradas pode ser estudada como bem.

Um analisador de rede completo foi um sistema que encheu uma sala grande; um modelo como foi descrito quatro compartimentos de equipamento, que mede um arranjo em forma de L 26 pés (8 metros) de diâmetro. Empresas como a General Electric ea Westinghouse poderia fornecer serviços de consultoria com base em seus analisadores; mas algumas grandes utilitários elétricos operado seus próprios analisadores. O uso de analisadores de rede autorizados soluções rápidas para problemas de cálculo difíceis, e permitiu problemas a ser analisadas que de outra forma seria pouco económico para calcular usando cálculos manuais. Embora caro para construir e operar, analisadores de rede, muitas vezes reembolsado seus custos em tempo de cálculo reduzida e cronogramas de projetos acelerada. Por exemplo, um estudo de estabilidade pode indicar se uma linha de transmissão deve ter condutores espaçados maiores ou de forma diferente para preservar a margem de estabilidade durante as falhas do sistema; potencialmente salvar muitas milhas de cabo e milhares de isoladores.

analisadores de rede não simular diretamente os efeitos dinâmicos da aplicação da carga a dinâmica da máquina (ângulo de torque, e outros). Em vez disso, o analisador poderia ser utilizado para resolver problemas dinâmicos num modo passo a passo, o primeiro cálculo de um fluxo de carga, depois de ajustar o ângulo de fase da máquina em resposta ao seu fluxo de energia, e re-cálculo do fluxo de energia.

Em utilização, o sistema para ser modelada seria representado como um único diagrama de linha e todas as linhas de impedâncias e máquinas seria dimensionado para modelar valores no analisador. Um diagrama de entupimento seria preparado para mostrar as interligações a serem feitas entre os elementos do modelo. Os elementos de circuito seria interligadas por cabos curtos. O sistema modelo seria energizada, e as medidas tomadas para os pontos de interesse no modelo; estes poderiam ser ampliados para os valores no sistema em grande escala.

O analisador de rede MIT

O analisador de rede instalada no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) cresceu a partir de um projeto de 1924 tese de Hugh H. Spencer e Harold Locke Hazen , investigando um conceito de modelagem do sistema de energia proposto por Vannevar Bush . Em vez de máquinas rotativas em miniatura, cada gerador foi representada por um transformador com tensão ajustável e fase, todos alimentados a partir de uma fonte comum. Isso eliminou a pouca precisão dos modelos com máquinas em miniatura. 1925 publicação desta tese atraiu a atenção na General Electric, onde Robert Doherty estava interessado em modelar problemas de estabilidade do sistema. Ele pediu Hazen para verificar se o modelo poderia reproduzir com precisão o comportamento de máquinas durante as mudanças de carga.

Concepção e construção foi realizada em conjunto pela General Electric e MIT. Quando demonstrado pela primeira vez, em Junho de 1929, o sistema tinha oito transformadores de mudança de fase para representar máquinas síncronas. Outros elementos incluídos 100 resistências variáveis de linha, 100 reactores variável, 32, condensadores fixos e 40 unidades de carga ajustável. O analisador foi descrito num artigo por HL 1930 Hazen, OU Schurig e MF Gardner. As quantidades de base para o analisador foram 200 volts e 0,5 amperes. Instrumentos do tipo termopar portáteis sensíveis foram usados para a medição. O analisador ocuparam quatro grandes painéis, dispostos em forma de U, com mesas em frente de cada secção para segurar instrumentos de medição. Embora concebido principalmente como uma ferramenta educacional, o analisador viu uso considerável por empresas de fora, que pagam para usar o dispositivo. American Gas and Electric Company , a Autoridade do Vale do Tennessee , e muitas outras organizações estudadas problemas no analisador MIT em sua primeira década de operação. Em 1940, o sistema foi movido e expandido para lidar com sistemas mais complexos.

Em 1953, o analisador MIT estava começando a ficar para trás o estado da arte. Computadores digitais foram utilizados pela primeira vez em problemas do sistema de potência tão cedo como " turbilhão " em 1949. Ao contrário da maioria dos outros quarenta analisadores em serviço por esse ponto, o instrumento MIT foi energizada a 60 Hz, não 440 ou 480 Hz, tornando os seus componentes grande e expansão para novos tipos de problemas difíceis. Muitos clientes de serviço público tinha comprado seus próprios analisadores de rede. O sistema MIT foi desmontado e vendido ao Recursos Hídricos Autoridade Puerto Rico em 1954.

fabricantes comerciais

Em 1947, quatorze analisadores de rede tinha sido construído a um custo total de cerca de dois milhões de dólares americanos. General Electric construiu dois analisadores de rede em grande escala para o seu próprio trabalho e pelos serviços prestados aos seus clientes. Westinghouse construiu sistemas para seu uso interno e forneceu mais de 20 analisadores aos clientes de serviços públicos e universitários. Após os analisadores Segunda Guerra Mundial eram conhecidos por estar em uso na França, Reino Unido, Austrália, Japão e União Soviética. modelos posteriores teve melhorias, tais como o controlo centralizado de comutação, centrais de medição baías, e registadores de gráficos para fornecer automaticamente registos permanentes de resultados.

Modelo 307 da General Electric foi um analisador de rede AC miniaturizado com quatro unidades geradoras e uma única unidade de medição eletronicamente amplificada. Foi dirigido a empresas de serviços públicos para resolver problemas muito grandes para a computação de mão, mas não vale a despesa de alugar tempo em um analisador de tamanho completo. Como o analisador de Iowa State College, ele usou uma freqüência do sistema de 10 kHz em vez de 60 Hz ou 480 Hz, permitindo muito menor capacitor e indutores de estilo de rádio a ser usado para modelar os componentes do sistema de energia. O 307 foi catalogado de 1957 e tinha uma lista de clientes cerca de 20 utilidade, educacionais e governamentais. Em 1959, seu preço de tabela era de US $ 8.590.

Em 1953, o Metropolitan Edison Company e um grupo de seis outras empresas elétricas comprou um novo analisador de rede Westinghouse AC para instalação no Instituto Franklin , na Filadélfia. O sistema, descrito como o maior já construído, custou US $ 400.000.

No Japão, analisadores de rede foram instalados a partir de 1951. A Yokogawa Electric empresa introduziu um modelo energizado em 3980 Hz a partir de 1956.

AC Analisadores de Rede
Proprietário Ano Freqüência Unidades Geradoras total de circuitos Observações
MIT 1929 60 16 209 Primeiro sistema em uso comercial
Universidade de Purdue 1942 440 16 383 Reconstruída depois de 1929 a instalação inicial
Pennsylvania Railroad 1932 440 6 296
Commonwealth Edison Company 1932 440 6 186
General Electric Company 1937 480 12 313
Serviço Público elétrica e Co Gás de New Jersey 1938 480 8 163
Tennessee Valley Authority 1938 440 18 270
Administração de Energia Bonneville 1939 480 18 326
São Paulo Tramway, Light and Power Company 1940 440 6 98 Brasil
Potomac Electric Power Company 1941 440 6 120
Hidro Comissão de Energia Elétrica 1941 440 15 259 Ontario, Canada
Serviço Público Co. de Oklahoma 1941 60 7 185
Westinghouse Electric Corporation 1942 440 22 384
Instituto de Tecnologia de Illinois 1945 440 12 236 Custou US $ 90.000, patrocinado por 17 utilitários elétricos
Iowa State College 1946 10.000 4 64 Continuou em uso comercial até o início dos anos 1970.
Texas A e M Colégio 1947 440 18 344 Operou até 1971, quando foi vendido para Lower Colorado Power Authority
Cidade de Los Angeles 1947 440 18 266
Universidade do Kansas 1947 60 8 133
Associadas eléctricos Industries, Ltd. 1947 500 12 274 Reino Unido
Escola de Tecnologia da Geórgia 1948 440 14 322 Doada por Georgia Power Corp, custou US $ 300.000
Pacific Gas and Electric Company 1948 440 14 324
Gas consolidada, luz elétrica e Power Co. de Baltimore 1948 440 16 240
Estados Unidos Bureau of Reclamation 1948 480 12 240
General Electric Company (No. 2) 1949 480 12 392
Universidade da Califórnia 1949 480 6 113
Indian Institute of Science 1949 480 16 338
Estado Comissão de Electricidade de Victoria 1950 450 12 - Westinghouse fazer, em serviço de utilidade e 1967, 10 kW de entrada gerador de motor,
Instituto Franklin 1953 440 - --- Westinghouse marca, maior sistema entregue a essa data, custou US $ 400.000 em 1953 dólares
Universidade de Cornell 1953 440 18 --- Descomissionado meados de 1960

Outras aplicações

analisador Transient

Um "analisador de rede transitória" era um modelo análogo de um sistema de transmissão especialmente adaptado para estudar transitórios de alta frequência de picos (tais como aqueles devido a raios ou de comutação), em vez das correntes de frequência de energia de corrente alternada. De modo semelhante para um analisador de rede AC, que representado aparelhos e linhas com indutâncias e resistências escalados. Um interruptor accionado de forma síncrona aplicado repetidamente um impulso transitório ao sistema de modelo, e a resposta em qualquer ponto poderia ser observada em um osciloscópio ou registados num oscilógrafo. Alguns analisadores transitórios ainda estão em uso para pesquisa e educação, por vezes combinado com digitais relés de proteção ou instrumentos de gravação.

Anacom

A Westinghouse Anacom era um sistema de computador analógico eléctrico AC-energizado usado extensivamente para problemas no desenho mecânico, elementos estruturais, o fluxo de óleo de lubrificação, e vários problemas transientes, incluindo aquelas devidas a sobretensões relâmpago em sistemas de transmissão de energia elétrica. A frequência de excitação do computador pode ser variada. A Westinghouse Anacom construído em 1948 foi usado até o início da década de 1990 para cálculos de engenharia; seu custo original foi de US $ 500.000. O sistema foi periodicamente atualizado e ampliado; na década de 1980 a Anacom poderia ser executado através de muitos casos de simulação autônoma, sob o controle de um computador digital que configura automaticamente as condições iniciais e registrou os resultados. Westinghouse construiu uma réplica Anacom para Northwestern University , vendeu um Anacom a ABB , e vinte ou trinta computadores semelhantes de outros fabricantes foram utilizados em todo o mundo.

Física e Quimica

Uma vez que os vários elementos do analisador de rede AC formado um poderoso computador analógico, ocasionalmente, problemas na física e química foram modelados (por pesquisadores como Gabriel Kron da General Electric ), no final de 1940, antes da pronta disponibilidade de computadores digitais de uso geral . Outra aplicação foi fluxo de água em sistemas de distribuição de água. As forças e os deslocamentos de um sistema mecânico pode ser facilmente modelada com as tensões e as correntes de um analisador de rede, o que permitia fácil ajuste de propriedades tais como a rigidez de uma mola, por exemplo, alterando o valor de um condensador.

estruturas

O Taylor Bacia Modelo David operado um analisador de rede de CA do final dos anos 1950 até meados dos anos 1960. O sistema foi usado em problemas na concepção dos navios. Um análogo eléctrico das propriedades estruturais de um navio, o eixo, ou outra estrutura proposta pode ser construída, e testada para os seus modos de vibração. Ao contrário dos analisadores AC utilizados para o trabalho de sistemas de potência, a frequência de excitação foi feita continuamente variável, de modo que os efeitos de ressonância mecânica poderia ser investigado.

Declínio e obsolescência

Mesmo durante a Depressão ea Segunda Guerra Mundial, muitos analisadores de rede foram construídos por causa de seu grande valor na resolução de cálculos relacionados com a transmissão de energia elétrica. Em meados da década de 1950, cerca de trinta analisadores estavam disponíveis nos Estados Unidos, o que representa um excesso de oferta. Instituições como MIT já não podia justificar analisadores operacionais como clientes pagantes despesas operacionais mal cobertas.

Uma vez que os computadores digitais de desempenho adequada tornou-se disponível, os métodos de solução desenvolvidas em analisadores de rede analógicas foram migrados para o reino digital, onde quadros de tomadas, interruptores e ponteiros do medidor foram substituídos com cartões perfurados e impressões. O mesmo general-purpose computador digital hardware que correu estudos de rede poderia facilmente ser dual-encarregado de funções de negócios, como a folha de pagamento. analisadores de rede analógicas desvaneceu de uso geral para estudos de carga de fluxo e de avaria, embora alguns estudos persistiu em transientes por um tempo mais longo. analisadores analógicos foram desmantelados e ou vendida para outras utilidades, doados para escolas de engenharia, ou desmantelada.

O destino de alguns analisadores ilustra a tendência. O analisador comprada pela American Electric Power foi substituído por sistemas digitais em 1961, e doado a Virginia Tech . O analisador de rede Westinghouse comprada pela Comissão de Energia Elétrica do Estado de Victoria , Austrália, em 1950, foi retirado de serviço de utilidade em 1967 e doou para o departamento de Engenharia da Universidade Monash ; mas em 1985, até mesmo o uso de instrução do analisador não era mais prático e o sistema foi finalmente desmantelada.

Um fator que contribui para a obsolescência dos modelos analógicos foi a crescente complexidade dos sistemas interligados. Mesmo uma grande analisador só poderia representar algumas máquinas, e talvez algumas linhas estriadas e autocarros. computadores digitais rotineiramente manipulados sistemas com milhares de ônibus e linhas de transmissão.

Veja também

Referências

  1. ^ Thomas Parke Hughes Networks de poder: a electrificação na sociedade ocidental, 1880-1930 JHU Press, 1993 ISBN  0-8018-4614-5 página 376
  2. ^ Charles Eames, Ray Eames Uma Perspectiva Computer: Fundo para a era do computador , Harvard University Press, 1990 0674156269, página 117
  3. ^ MA Laughton, DF Warne (ed), Livro de Engenheiro Eletricista de Referência (16ª edição) , Elsevier, 2003 ISBN  978-1-60119-452-7 páginas 368-369
  4. ^ HP Kuehni, RG Lorraine, A New AC Network Analyzer , Transações AIEE , fevereiro 1938 o volume 57 página 67
  5. ^ David A. Mindell, entre homem e máquina: comentários, Controle e Computing Antes Cibernética , JHU Press, 2004 ISBN  0801880572 pp.149-150
  6. ^ Edward Wilson Kimbark , Power System Estabilidade , Wiley-IEEE, 1948, ISBN  0-7803-1135-3 página 64 e seguintes
  7. ^ Instituto de Engenharia e Tecnologia, proteção elétrica, Volumes 1-4 , 1995. ISBN  978-1-60119-889-1 páginas 216-220
  8. ^ Aad Blok, Greg Downey (ed) Descobrindo Trabalho em Revolutions Informações, 1750-2000 , Cambridge University Press, 2003 ISBN  0521543533 , pp. 76-80
  9. ^ Um b http://www.ieeeghn.org/wiki/images/e/ec/Chapter_6-Calculating_Power_(Edwin_L._Harder).pdf Calculando Energia, recuperada 2013 26 de fevereiro
  10. ^ HL Hazen, OU Schurig e MF Gardner. O Analisador de Projeto e aplicação aos problemas Power System MIT de rede , Transações AIEEE , julho 1930 pp.1102-1113
  11. ^ Karl L. Wildes, Nilo A. Lindgren Um Século de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT, 1882-1982 MIT Press 1985 ISBN  0262231190 , pp. 100-104
  12. ^ Http://ed-thelen.org/comp-hist/GE-Computer_Department_Data_Book_1960.pdf GE-Computer_Department_Data_Book_1960 , página 150-152, recuperada 2013 07 de fevereiro
  13. ^ Https://news.google.com/newspapers?nid=2202&dat=19530204&id=RVMmAAAAIBAJ&sjid=nf8FAAAAIBAJ&pg=830,3636416 Gettysburg Número 7 empresas vão colocar analisador no instituto , 04 de fevereiro de 1953
  14. ^ Http://www2.iee.or.jp/ver2/honbu/14-magazine/log/2004/2004_08a_03.pdf tendências históricas e interactivo de Relacionamento no Estabelecimento da de Symmetrical Coordenadas e AC Network Analyzer recuperada 2013 26 de fevereiro
  15. ^ WA Morgan, FS Rothe, JJ Winsness uma melhor AC Network Analyzer , Transações AIEE , Volume 68, 1949 pp. 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-%200253. PDF "$ 90.000 Cérebro elétrica instalada em Illinois tech"
  17. ^ Http://www.gtri.gatech.edu/history/our-forefathers/gerald-rosselot recuperada 2013 26 de fevereiro
  18. ^ Https://collections.museumvictoria.com.au/articles/10180 Bonwick, B. (2011) O Analisador de Rede - uma descrição detalhada em museus Victoria coleções Acessado em 04 de agosto de 2017
  19. ^ Http://www2.cit.cornell.edu/computer/history/Linke.html Cornell histórias de computação, recuperada 2013 26 de fevereiro
  20. ^ Http://www.cpri.in/about-us/departmentsunits/power-system-division-psd/transient-network-analyser.html TNA no Instituto de Pesquisa de Energia Central, Índia recuperada 2013 26 de fevereiro
  21. ^ Http://www.metaphorik.de/12/tympasdalouka.pdf recuperados 26 jan 2008
  22. ^ Um b James S. Small, o análogo Alternativa: A Electronic Analogue computador na Grã-Bretanha e nos EUA, 1930-1975 , Routledge, 2013, ISBN  1134699026 , páginas 35-40
  23. ^ Https://collections.museumvictoria.com.au/items/1763754 fotografia de uma parte de um analisador de rede Westinghouse, recuperados 03 de agosto de 2017

links externos

  • [1] Lee Allen Mayo, tese Simulação sem replicação , da Universidade de Notre Dame 2011, pp. 52-101 discute uso de analisadores de rede para cálculos teóricos