네트워크 분석기(AC 전원)

Network analyzer (AC power)
네트워크 분석기(전기)와 혼동하지 마십시오.

1929년부터 1960년대 후반까지[1] AC 네트워크 분석기(교류 네트워크 계산기 또는 AC 계산기라고도 함) 또는 과도 네트워크 분석기에서 대규모 교류 전력 시스템을 모델링하고 연구했습니다.이러한 특수 목적의 아날로그 컴퓨터는 가장 초기의 전력 시스템 분석에 사용된 DC 계산 보드의 산물이다.1950년대 중반에는 50개의 네트워크 분석기가 [2]가동되었습니다.AC 네트워크 분석기는 전력 흐름 연구, 단락 회로 계산 및 시스템 안정성 연구에 많이 사용되었지만 결국 디지털 컴퓨터에서 실행되는 수치 솔루션으로 대체되었습니다.분석기는 알고리즘의 숫자 안정성에 대한 우려 없이 사건의 실시간 시뮬레이션을 제공할 수 있었지만, 분석기는 비용이 많이 들고 유연성이 떨어졌으며 시뮬레이션할 [3]수 있는 버스와 라인의 수가 제한되었습니다.결국 실용적인 계산을 위해 강력한 디지털 컴퓨터가 아날로그 네트워크 분석기를 대체했지만, 전기 과도현상을 연구하기 위한 아날로그 물리적 모델은 여전히 사용되고 있다.

계산방법

20세기 초에 AC 전원 시스템이 더 커지면서 상호 연결된 장치가 많아짐에 따라, 시스템의 예상 동작을 계산하는 문제는 더욱 어려워졌습니다.수동 방법은 소스와 노드가 적은 시스템에 대해서만 실용적이었다.실제 문제의 복잡성으로 인해 수동 계산 기법이 너무 힘들거나 부정확하여 유용하지 못했습니다.네트워크 전력 시스템과 관련된 문제를 해결하기 위해 많은 기계적인 계산 보조 장치가 개발되었습니다.

DC 계산 보드는 AC 네트워크를 나타내기 위해 저항기와 DC 전원을 사용했습니다.회로의 실제 직렬 저항이 무시된 상태에서 회로의 유도 리액턴스를 모델링하기 위해 저항이 사용되었습니다.주된 단점은 복잡한 장애를 모델링할 수 없다는 것이었다.그러나 단락 고장 연구의 경우, 저항 구성요소의 영향은 대개 작았다.DC 보드는 약 20%의 오차까지 정확한 결과를 얻을 수 있었습니다.이것은, 목적에 따라서는 충분합니다.

전송로를 분석하기 위해 인공 선로가 사용되었습니다.이러한 정규 크기 라인의 분산 인덕턴스, 캐패시턴스 및 저항의 세심하게 구성된 복제품을 사용하여 라인 내 임펄스의 전파를 조사하고 전송 선로 속성의 이론적 계산을 검증했습니다.유리 실린더에 와이어 층을 감아 만든 인공 라인이 만들어졌으며, 은박지를 끼워 넣어 모델에게 실물 크기의 라인과 동일한 인덕턴스와 캐패시턴스를 비례적으로 제공했습니다.나중에, 전송 라인의 일괄 요소 근사치는 많은 계산에 적절한 정밀도를 제공하는 것으로 밝혀졌다.

다중 기계 시스템의 안정성에 대한 실험실 조사는 직접 작동식 표시 장치(전압계, 전류계 및 전력계)의 사용에 의해 제한되었다.계측기가 모델 시스템을 무시해도 될 정도로 로드되도록 하기 위해 사용된 기계 전력 수준이 상당했습니다.1920년대 일부 근로자들은 최대 600kVA와 2300V의 정격 3상 모델 발전기를 사용하여 전력 시스템을 표현했습니다.제너럴 일렉트릭은 정격 [4]3.75kVA의 발전기를 사용하여 모델 시스템을 개발했습니다.여러 발전기를 동기화 상태로 유지하는 것은 어려웠고 유닛의 크기와 비용이 제약이 되었습니다.전송 선로와 부하를 실험실 표현으로 정확하게 축소할 수 있었지만 회전 기계는 정확하게 소형화할 수 없었고 실물 크기의 프로토타입과 동일한 동적 특성을 유지할 수 없었습니다. 기계 마찰 손실에 대한 기계 관성의 비율은 [5]축소되지 않았습니다.

축척 모형

네트워크 분석 시스템은 본질적으로 특정 전력 시스템의 전기적 성질을 축척하는 모델이었다.발전기, 전송 선로 및 부하는 [6]모델링된 시스템에 비례하는 스케일 값을 가진 미니어처 전기 부품으로 표현되었습니다.모델 컴포넌트는 유연한 코드로 상호 연결되어 모델링된 시스템의 개략도를 나타냅니다.

소형 회전 기계를 사용하는 대신, 전기 기계를 시뮬레이션하기 위해 정확하게 보정된 위상 편이 변압기를 제작했습니다.이들 전원에는 모두 동일한 전원(로컬 전원 주파수 또는 모터 발전기 세트)에 의해 전원이 공급되어 본질적으로 동기화가 유지되었습니다.시뮬레이션된 각 발전기의 위상각 및 단자 전압은 각 위상 편이 변압기 장치의 회전 눈금을 사용하여 설정할 수 있습니다.단위별 시스템을 사용함으로써 추가 계산 없이 값을 편리하게 해석할 수 있었다.

모델 컴포넌트의 크기를 줄이기 위해 네트워크아나라이저에 50Hz 또는 60Hz의 유틸리티 주파수보다 높은 주파수로 전원이 공급되는 경우가 많았습니다.동작 주파수는 고품질 인덕터와 콘덴서를 만들 수 있을 만큼 높고 사용 가능한 지시계기와 호환되도록 선택되었지만, 부유 캐패시턴스가 결과에 영향을 미칠 정도로 높지 않았습니다.많은 시스템이 모델 구성 요소의 크기를 줄이기 위해 모터 발전기 세트에 의해 제공되는 440Hz 또는 480Hz를 사용했습니다.일부 시스템은 무선 전자 장치에 사용되는 것과 유사한 콘덴서와 인덕터를 사용하여 10 kHz를 사용했습니다.

모델 회로는 적절한 정밀도로 안전하게 측정할 수 있도록 비교적 낮은 전압으로 통전되었습니다.모델 기준 수량은 제조업체와 설계 날짜에 따라 달라졌다. 증폭 표시기가 보편화됨에 따라 더 낮은 기준 수량이 실현 가능해졌다.모델 전압 및 전류는 MIT 분석기에서 약 200V 및 0.5암페어부터 시작되었으며, 이를 통해 직접 구동식(특히 민감한) 계측기를 사용하여 모델 파라미터를 측정할 수 있었습니다.최신 기계는 50V와 50mA의 전압과 50mA의 전압만 사용했으며, 증폭된 표시기기와 함께 사용되었습니다.단위 시스템을 사용함으로써 모델 양은 전압, 전류, 전력 또는 임피던스의 실제 시스템 양으로 쉽게 변환할 수 있습니다.모델에서 측정된 와트는 모델링 시스템에서 수백 킬로와트 또는 메가와트에 해당할 수 있습니다.모델에서 측정된 100V는 유닛당 1개에 해당할 수 있으며, 이는 예를 들어 송전선 230,000V 또는 배전 시스템 11,000V를 나타낼 수 있습니다.일반적으로 약 2%의 정확한 측정 결과를 [7]얻을 수 있습니다.모델 구성요소는 단상 장치였지만 대칭 구성요소 방법을 사용하여 불균형 3상 시스템도 연구할 수 있었다.

완전한 네트워크 분석기는 넓은 방을 채우는 시스템입니다.한 모델은 지름 26피트(8m)의 U자형 배열에 걸쳐 4베이 장비로 설명되었습니다.General Electric 및 Westinghouse와 같은 기업은 자사의 분석기를 기반으로 컨설팅 서비스를 제공할 수 있었지만, 일부 대형 전기 회사는 자체 분석기를 운영했습니다.네트워크 분석기를 사용하면 어려운 계산 문제를 신속하게 해결할 수 있었고, 그렇지 않으면 수동 계산을 사용하여 계산하기에 비경제적인 문제를 분석할 수 있었습니다.네트워크 분석가는 구축 및 운영 비용이 많이 들었지만, 종종 계산 시간을 단축하고 프로젝트 일정을 [8]단축했습니다.예를 들어, 안정성 조사에서는 시스템 장애 시 안정성 마진을 유지하기 위해 전송선에 더 큰 도체를 배치해야 하는지 아니면 다른 간격을 두어야 하는지 알 수 있습니다.이러한 도체는 잠재적으로 수 마일의 케이블과 수천 개의 절연체를 절약할 수 있습니다.

네트워크 분석기는 기계 역학(토크 각도 등)에 대한 부하 적용의 동적 효과를 직접 시뮬레이션하지 않았습니다.대신 분석기를 사용하여 동적 문제를 단계적 방식으로 해결합니다. 먼저 부하 흐름을 계산한 다음 전력 흐름에 따라 기계의 위상각을 조정하고 전력 흐름을 다시 계산합니다.

사용 시 모델링할 시스템은 단일 라인 다이어그램으로 표현되며 라인과 기계의 모든 임피던스는 분석기의 모델 값에 맞게 조정됩니다.모델 요소 간에 이루어지는 상호 연결을 보여주기 위해 연결 다이어그램을 준비합니다.회로 소자는 패치 케이블로 상호 연결됩니다.모델 시스템에 전원이 공급되고 모델의 관심 지점에서 측정이 수행되며, 실제 시스템의 [9]값으로 스케일업할 수 있습니다.

MIT 네트워크아나라이저

MIT(Massachusetts Institute of Technology)에 설치된 네트워크 분석기는 Hugh H. Spencer와 Harold Locke Hazen의 1924년 논문 프로젝트에서 발전하여 Vannevar Bush가 제안한 전력 시스템 모델링 개념을 조사하였습니다.소형 회전 기계 대신, 각 발전기는 전압과 위상이 조정 가능한 변압기로 표시되었으며, 모두 공통 전원에서 공급되었습니다.이것은 미니어처 머신을 사용한 모델의 낮은 정확성을 없앴다.이 논문의 1925년 발행은 General Electric에서 주목을 끌었으며, General Electric에서는 Robert Doherty가 시스템 안정성의 모델링 문제에 관심이 있었다.그는 하젠에게 이 모델이 부하 변화 시 기계의 동작을 정확하게 재현할 수 있는지 검증해 달라고 요청했다.

설계와 시공은 제너럴 일렉트릭과 MIT가 공동으로 수행했다.1929년 6월에 처음 시연되었을 때, 이 시스템은 동기식 기계를 나타내는 8개의 위상 편이 변압기를 가지고 있었습니다.기타 요소에는 100개의 가변 라인 저항기, 100개의 가변 원자로, 32개의 고정 콘덴서 및 40개의 조정 가능한 부하 장치가 포함되었습니다.분석기는 1930년 H에 의해 기술되었다.L 하젠, 수술실 슈릭, 엠에프 가드너분석기의 기본 수량은 200볼트와 0.5암페어였습니다.측정에는 [10]민감한 휴대용 열전대형 계측기가 사용되었습니다.분석기는 U자 모양으로 배열된 4개의 대형 패널을 점유했으며, 각 섹션 앞에 측정기기를 고정하는 테이블이 있었다.분석기는 주로 교육 도구로 생각되었지만, 외부 기업에서 상당한 사용률을 보였으며, 외부 기업은 이 장치를 사용하기 위해 비용을 지불했습니다.American Gas and Electric Company, Tennessee Valley Authority 및 기타 많은 조직은 운영 첫 10년 동안 MIT 분석기의 문제를 연구했습니다.1940년에 시스템은 보다 복잡한 시스템을 처리하기 위해 이동 및 확장되었습니다.

1953년에 이르러 MIT 분석기는 최첨단 기술보다 뒤떨어지기 시작했다.디지털 컴퓨터는 1949년 "회오리바람"과 같은 이른 시기에 전력 시스템 문제에 처음 사용되었습니다.그 시점에서 가동되고 있는 다른 40개의 분석기기와는 달리, MIT 계측기는 440 또는 480Hz가 아닌 60Hz에서 전원이 공급되어 구성 요소가 커졌으며 새로운 유형의 문제로 확장하기가 어려웠습니다.많은 유틸리티 고객이 자체 네트워크 분석기를 구입했습니다.MIT 시스템은 1954년에 [11]해체되어 푸에르토리코 수자원청에 매각되었다.

상업용 메이커

1947년까지 14개의 네트워크 분석기가 총 약 200만 달러의 비용을 들여 건설되었습니다.General Electric은 자체 작업과 고객 서비스용으로 2개의 풀스케일 네트워크 분석기를 구축했습니다.Westinghouse는 사내용으로 시스템을 구축하고 유틸리티 및 대학 고객에게 20개 이상의 분석기를 제공했습니다.제2차 세계대전 이후 프랑스, 영국, 호주, 일본, 소련 등에서 사용되고 있는 것으로 알려져 있다.이후 모델에서는 스위칭, 중앙 측정 베이, 차트 레코더 등을 중앙 집중식으로 제어하여 영구적인 결과를 자동으로 기록하도록 개선되었습니다.

제너럴 일렉트릭의 모델 307은 소형화된 AC 네트워크 분석기로 4개의 발전기와 1개의 전자 증폭 계량기를 갖추고 있습니다.이는 수작업 계산에는 너무 큰 문제를 해결하기 위해 전력회사를 대상으로 했지만 풀사이즈 분석기에 시간을 빌릴 가치가 없었다.Iowa State College Analyzer와 마찬가지로 60Hz 또는 480Hz 대신 10kHz의 시스템 주파수를 사용하여 훨씬 더 작은 무선 스타일의 캐패시터와 인덕터를 전원 시스템 구성 요소 모델링에 사용할 수 있습니다.307은 1957년부터 카탈로그화되어 약 20개의 공공, 교육 및 정부 고객을 대상으로 하고 있습니다.1959년에 그것의 정가는 8,[12]590달러였다.

1953년, 메트로폴리탄 에디슨 회사와 6개의 다른 전기 회사 그룹은 필라델피아에 있는 프랭클린 연구소에 설치하기 위해 새로운 웨스팅 하우스 AC 네트워크 분석기를 구입했습니다.지금까지 만들어진 것 중 가장 큰 것으로 알려진 이 시스템의 가격은 40만 [13]달러였다.

일본에서는 1951년부터 네트워크 분석기가 설치되었다.요코가와 전기는 [14]1956년부터 3980Hz로 통전되는 모델을 도입했다.

AC 네트워크아나라이저[15]
주인 연도 빈도수. 발전기 장치 총회선 언급
MIT 1929 60 16 209 상업용 최초의 시스템
퍼듀 대학교 1942 440 16 383 1929년 최초 설치 후 재건
펜실베이니아 철도 1932 440 6 296
코먼웰스 에디슨 컴퍼니 1932 440 6 186
제너럴 일렉트릭 컴퍼니 1937 480 12 313
뉴저지 공공 서비스 전기 가스 회사 1938 480 8 163
테네시 밸리 관리국 1938 440 18 270
본빌 전력청 1939 480 18 326
상파울루 트램웨이, 라이트 앤드 파워 컴퍼니 1940 440 6 98 브라질
포토맥 전력 회사 1941 440 6 120
수력 발전 위원회 1941 440 15 259 온타리오, 캐나다
오클라호마 공공 서비스 회사 1941 60 7 185
웨스팅하우스 전기 1942 440 22 384
일리노이 공과대학 1945 440 12 236 비용 90,000달러 (17개의 전기요금[16] 지원)
아이오와 주립 대학교 1946 10,000 4 64 1970년대 초반까지 상업적으로 계속 사용되었습니다.
텍사스 A 및 M 칼리지 1947 440 18 344 1971년까지 가동되어 콜로라도 하부 전력국에 매각되었습니다.
로스앤젤레스 시 1947 440 18 266
캔자스 대학교 1947 60 8 133
연합 전기 공업 주식회사 1947 500 12 274 영국
조지아 공과대학 1948 440 14 322 조지아 전력회사가 기부한 30만 달러[17]
태평양 가스 전기 회사 1948 440 14 324
볼티모어 종합가스전등전력회사 1948 440 16 240
미국 매립국 1948 480 12 240
제너럴 일렉트릭 컴퍼니(2호) 1949 480 12 392
캘리포니아 대학교 1949 480 6 113
인도 과학 연구소 1949 480 16 338
빅토리아 주 전기 위원회 1950 450 12 -- Westinghouse는 1967년 유틸리티 서비스 중 10kW 모터 발전기 입력,[18]
프랭클린 연구소 1953 440 -- --- 웨스팅하우스 제조사는 1953년 40만 달러의 비용이 들었다.
코넬 대학교 1953 440 18 --- 1960년대[19] 중반 해체

기타 응용 프로그램

과도 분석기

"과도 네트워크 분석기"는 AC 전원 주파수 전류 대신 고주파 과도 서지(번개 또는 스위칭에 의한 서지 등)를 연구하도록 특별히 조정된 전송 시스템의 아날로그 모델이었다.AC 네트워크아나라이저와 마찬가지로 스케일 인덕턴스와 저항으로 디바이스와 라인을 나타냅니다.동기 구동 스위치는 모델 시스템에 반복적으로 과도 임펄스를 가하여 임의의 지점에서 응답을 오실로스코프에서 관찰하거나 오실로스코프에 기록할 수 있습니다.일부 과도 분석기는 여전히 연구 및 교육에 사용되고 있으며, 때로는 디지털 보호 릴레이 또는 기록 [20]기기와 결합되어 있습니다.

아나콤

웨스팅하우스 아나콤은 기계설계, 구조요소, 윤활유 흐름 및 전력전달 시스템의 낙뢰로 인한 다양한 일시적인 문제에 광범위하게 사용되는 AC 전원 아날로그 컴퓨터 시스템이었다.컴퓨터의 들뜸 주파수는 다양할 수 있습니다.1948년에 지어진 웨스팅하우스 아나콤은 1990년대 초반까지 엔지니어링 계산에 사용되었으며, 원래 비용은 50만 달러였습니다.시스템은 주기적으로 업데이트되고 확장되었습니다. 1980년대까지 Anacom은 초기 조건을 자동으로 설정하고 결과를 기록하는 디지털 컴퓨터의 제어 하에 많은 시뮬레이션 케이스를 무인 처리할 수 있었습니다.웨스팅하우스는 노스웨스턴 대학교를 위해 복제품 아나콤을 만들고, ABB에 아나콤을 팔았고,[9] 전 세계에서 20~30대의 비슷한 컴퓨터가 사용되었습니다.

물리 화학

AC 네트워크 분석기의 여러 요소가 강력한 아날로그 컴퓨터를 형성했기 때문에 범용 디지털 컴퓨터가 [21]출시되기 전인 1940년대 후반 General Electric의 Gabriel Kron과 같은 연구자에 의해 물리학과 화학의 문제가 모델링되기도 했습니다.또 다른 적용 분야는 물 분배 시스템의 물 흐름이었다.기계 시스템의 힘과 변위는 네트워크 분석기의 전압과 전류에 따라 쉽게 모델링할 수 있으며, 이를 통해 예를 들어 [22]콘덴서의 값을 변경하여 스프링의 강성과 같은 특성을 쉽게 조정할 수 있습니다.

구조물들

David Taylor Model Basin은 1950년대 후반부터 1960년대 중반까지 AC 네트워크 분석기를 운영했습니다.그 시스템은 선박 설계상의 문제에 사용되었다.제안된 선박, 갱도 또는 기타 구조물의 구조적 특성에 대한 전기적 아날로그를 만들고 진동 모드를 테스트할 수 있습니다.전력 시스템 작업에 사용되는 AC 분석기와 달리, 여자 주파수를 연속 가변으로 하여 기계적 공명 효과를 조사할 수 있었습니다.

쇠퇴와 진부화

대공황과 제2차 세계대전 중에도 송전 관련 계산을 푸는 데 큰 가치가 있어 많은 네트워크 분석기가 구축되었다.1950년대 중반까지 미국에서는 약 30개의 분석기를 사용할 수 있었으며, 이는 공급 과잉을 의미했다.MIT와 같은 기관은 더 이상 운영 분석기가 운영 비용을 거의 [22]충당하지 않는 고객에게 지불하는 것을 정당화할 수 없었습니다.

적절한 성능의 디지털 컴퓨터가 사용 가능하게 되자 아날로그 네트워크 분석기에서 개발된 솔루션 방법은 디지털 영역으로 이행되었고, 여기서 플러그보드, 스위치 및 미터 포인터는 펀치 카드와 인쇄물로 대체되었습니다.네트워크 스터디를 실행하는 것과 같은 범용 디지털 컴퓨터 하드웨어는 급여와 같은 비즈니스 기능과 함께 쉽게 이중 작업을 수행할 수 있습니다.아날로그 네트워크 분석기는 부하 흐름 및 결함 연구를 위한 일반적인 사용에서 희미해졌지만, 일부는 일시적인 연구를 더 오래 지속했습니다.아날로그 분석기는 해체되어 다른 유틸리티에 매각되거나, 공대에 기증되거나, 폐기되었다.

몇몇 분석가의 운명이 그 추세를 잘 보여준다.아메리칸 일렉트릭 파워가 구입한 분석기는 1961년 디지털 시스템으로 대체돼 버지니아 공대에 기증됐다.1950년 호주 빅토리아주(州) 전기위원회가 구입한 웨스팅하우스 네트워크 분석기는 1967년 유틸리티 서비스를 중단하고 모나시 대학 공학부에 기증되었습니다.그러나 1985년에는 분석기의 교육적인 사용조차 더 이상 실용적이지 않아 시스템이 마침내 [23]해체되었습니다.

아날로그 모델의 노후화에 기여하는 한 가지 요인은 상호 연결된 전력 시스템의 복잡성 증가였다.대형 분석기라도 몇 대의 기계와 아마 몇 개의 스코어 라인과 버스만을 나타낼 수 있습니다.디지털 컴퓨터는 일상적으로 수천 개의 버스와 전송로가 있는 시스템을 처리했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

  • [1] Lee Allen Mayo, 논문 복제 없는 시뮬레이션, 노트르담 대학 2011, 52–101페이지, 이론적 계산을 위한 네트워크 분석기 사용에 대해 설명합니다.