CC BY
25
УДК 621.313.333
ПРИМЕНЕНИЕ СИММЕТРИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ АВТОНОМНЫХ
ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
В.Н. ДМИТРИЕВ, О.В. МИЛАШКИНА, И.А. БОРИСОВ
Ульяновский государственный технический университет
В работе рассматриваются вопросы повышения качества электроэнергии на основе новой системы симметрирования. В приложении БтыНик среды инженерного программирования ЫМЬаЬ разработана модель дизель-генератора с симметрирующим устройством, где генератор-синхронный, а дизель - с автономным газотурбинным наддувом.
Ключевые слова: модель дизель-генератора с симметрирующим устройством, дизель с автономным газотурбинным наддувом, повышения качества электроэнергии, несимметрия выходного напряжения трехфазного источника питания, статические симметрирующие устройства, устройство симметрирования напряжений.
Среди главных проблем электроэнергетики, требующих решения в ближайшие годы, видное место занимает проблема повышения качества электроэнергии, вырабатываемой автономными электроэнергетическими системами. К основным показателям качества электроэнергии относятся: колебания напряжения и отклонения его от номинального значения, несинусоидальность и несимметрия выходного напряжения трехфазного источника питания. Ухудшение качества электроэнергии приводит к сокращению срока службы электрооборудования, снижению его надежности, вызывает увеличение потерь мощности, является одной из главных причин нарушений технологического процесса и снижения производительности труда.
Следует отметить, что до сих пор для автономных систем не нашла приемлемого решения важная задача, связанная с определением рационального алгоритма управления процессом стабилизации и симметрирования напряжений многофазных генераторов, усложняемая случайным характером распределения несимметричных нагрузок по фазам.
Существуют несколько методов повышения этого показателя качества электроэнергии автономных источников питания, один из которых предполагает использование статических симметрирующих устройств (СУ) или, иначе говоря, регуляторов качества электроэнергии [1]. При этом будем иметь в виду следующее обстоятельство: симметрия напряжений генератора, очевидно, может иметь место лишь при симметрии токов, его загружающих и складывающихся из токов несимметричной нагрузки и токов исполнительных элементов симметрирующего устройства. Таким образом, симметрирование напряжений, в сущности, сводится к обеспечению симметрии токов нагрузки генератора. Разработка универсальных принципиальных схем симметрирующих устройств является основной при решении вопроса управления процессом симметрирования выходных напряжений трехфазного генератора.
Основным недостатком структурного построения автономных (СУ) является увеличенная загрузка источника питания токами исполнительных элементов симметрирующих устройств. Для устранения отмеченного недостатка было предложено построение симметрирующих устройств осуществлять на основе разработанного алгоритма взаимосвязанного управления процессом симметрирования выходного напряжения многофазного источника питания, в котором осуществляется попарное сравнение контролируемых напряжений.
Авторами разработана модель автономной электроэнергетической установки, которая представляет собой трехфазный синхронный генератор и дизель с
автономным газотурбинным наддувом (рис. 1). Дизель как приводной двигатель синхронного генератора в технической литературе достаточно исследован, поэтому математическая модель дизеля с автономным газотурбинным наддувом авторами была составлена на основе его функциональной схемы [2, 3].
Рис. 1. Схема набора модели дизель - генератора с симметрирующим устройством
Устройство симметрирования напряжений трехфазного источника переменного тока, которое используется в данной модели автономной электроэнергетической системы, позволяет обеспечить симметричность выходных напряжений трехфазного источника путем формирования соответствующих сигналов управления исполнительными элементами устройств симметрирования напряжений. В данном устройстве сигналы управления получены на основе информации лишь о линейных напряжениях, что сокращает количество используемых трансформаторов, формирующих напряжения для фазочувствительных элементов с шести до трех.
Известны различные варианты симметрирующих устройств, наиболее надежными из которых являются устройства, выполненные на регулируемых индуктивных элементах. Авторами разработано устройство [4], новый технический результат в котором достигается тем, что устройство плавного регулирования индуктивности выполняется как параллельное соединение нерегулируемого дросселя и транзисторного ключа в виде последовательно и встречно соединенных транзисторов с шунтирующими диодами и системы управления ключом, состоящей из датчика тока, двух блоков определения его знака, генератора линейно изменяющегося напряжения, блока формирования импульсов и двух логических элементов совпадения (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема устройства симметрирования трехфазного источника переменного тока
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что плавное изменение индуктивности осуществляется путем широтно-импульсного управления ключом переменного тока на основе транзисторов и диодов. Блок-схема устройства симметрирования трехфазного источника переменного тока, выполненная на основе использования регулируемой индуктивности, показана на рис. 2.
На рис. 3 представлена блок-схема другого устройства симметрирования напряжений трехфазного источника переменного тока. К трехфазному источнику переменного тока 1 подключена нагрузка 5. Устройство симметрирования включает в себя исполнительные элементы подгрузочного типа 6-8, усилительные устройства 911, элементы сравнения 12-14 и фазочувствительные выпрямители 15-17.
Рис. 3. Блок-схема устройства симметрирования напряжений трехфазного источника переменного
тока
При симметричной нагрузке трехфазного источника переменного тока фазовый сдвиг между линейными напряжениями составляет 60о. Выходные сигналы фазочувствительных выпрямителей при этом равны между собой, а выходные сигналы элементов сравнения равны нулю. Устройство симметрирования в таком режиме не нарушает симметричности выходных напряжений трехфазного источника переменного тока.
Подключение несимметричной нагрузки вызывает нарушения равенства фазовых сдвигов между линейными напряжениями. В результате на выходе фазочувствительных выпрямителей появляются сигналы, величина и полярность которых несет информацию о несимметрии напряжения трехфазного источника переменного тока. Указанные сигналы усиливаются устройствами 9-11 и осуществляют воздействие на исполнительные элементы подгрузочного типа. Исполнительные элементы подгрузочного типа создают несимметричную систему токов, компенсирующую влияние несимметричной системы токов, созданной нагрузкой. Трехфазный источник переменного тока при этом нагружается результирующей симметричной системой токов и симметричность его выходных напряжений восстанавливается.
При исследовании режимов работы на асимметричную нагрузку в случае
применения разработанного симметрирующего устройства были получены осциллограммы переходных процессов.
До переходного процесса нагрузкой дизель-генераторной установки являются асинхронный двигатель и освещение цеха (активная нагрузка), в момент времени t=5 с по одной из фаз подключается дополнительная нагрузка, что приводит к несимметрии в сети, через 5,5 секунд включается симметрирующее устройство. Как видно из осциллограммы (рис. 4), напряжение на всех фазах восстанавливается до значения напряжения питания потребителя.
Рис. 4. Осциллограммы напряжений сети дизель-генератора
Из осциллограмм (рис. 5) видно, что время разгона дизель-генератора составляет 3 секунды, то есть на промежутке времени 1,8ч3 секунды стабилизация напряжения происходит за счёт падения напряжения возбуждения. Перерегулирование напряжениея удалось получить за счёт использования разработанной математической модели дизеля с автономным газотурбинным наддувом. Далее дизель-генератор входит в установившийся режим. В момент времени t=5 секунд включается асимметричная нагрузка, напряжение в фазе С падает, а в фазах А и В возрастает. Полученная асимметрия превышает допустимую и поэтому включается симметрирующее устройство. После его включения напряжение по всем фазам выравнивается.
Рис. 5. Осциллограммы основных характеристик дизель-генератора
Это говорит о том, что данное симметрирующее устройство значительно повышает качество электроэнергии автономного источника питания, в момент времени включения асимметричной нагрузки происходит падение скорости вращения дизель-генератора, но при наличии обратной связи по скорости её значение выравнивается, а при включении симметрирующего устройства происходит перерегулирование скорости. Судя по осциллограмме механического момента на валу дизеля, симметрирующее устройство уменьшает нагрузку на дизель в таком режиме его работы, что позволяет избежать лишних перегрузок. Результаты исследования показали, что применение СУ и полученной математической модели дизеля-генератора позволяют значительно улучшить качество электроэнергии автономного источника питания.
Выводы
При проведении исследований были использованы экспериментальные разработки симметрирующих устройств и устройства плавного регулирования индуктивности. Указанный подход позволяет расширить круг исследуемых вопросов и получить ряд новых результатов, которые могут быть использованы при разработке аппаратуры автоматики и проектировании автономных систем электроснабжения. Проведенные экспериментальные исследования систем регулирования напряжения и индуктивности генераторных агрегатов полностью подтверждают результаты, полученные при анализе линейными методами.
Summary
In the work questions of increase of quality of electric power on basis of new system of balancing are considered. In appendix Simulink of environment of engineering programming Matlab, model of diesel engine-generator with symmetrizing device is developed, where generator- synchronous, and diesel engine with independent turbo-charging.
Key words: the model of diesel engine-generator with symmetrizing device, the diesel engine with independent turbo-charging, electric energy quality increasings, asymmetry of day offpressure of three-phase power supply, static symmetrizing devices the device of balancing of pressures.
Литература
1. Дунаевский С. Я. Моделирование элементов электротехнических систем / С. Я. Дунаевский, О. А. Крылов, Л. В. Мазия. М.: Энергия, 1966. 304 с.
2. Крутов В. И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания: учеб. пособие для вузов / В. И. Крутов. - 4-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1979. 615 с.
3. Повышение эффективности преобразования, стабилизации и передачи энергии: сб. науч. тр./Московский гос. техн. ун-т; под ред. В. А. Барабанова. М., 1988. 157 с.
4. А.с. 21119. Устройство симметрирования напряжений трехфазного источника переменного тока / М.А. Боровиков, В.Е. Быстрицкий, О.В. Милашкина // открытия, изобретения, полезные модели 2001 г, бюл. № 35.
Поступила в редакцию 11 ноября 2008 г
Дмитриев Владимир Николаевич - д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Электропривод и АПУ» Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ). Тел. 8 (8422) 77-81-04. Е-mail: DVN@YlsTY.
Милашкина Ольга Владимировна - соискатель кафедры «Электропривод и АПУ Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ). E-mail: milacheca@mail.ru. Тел.77-81-04; 8 (8422) 94-85-75.
Борисов Иван Алексеевич - аспирант кафедры «Электропривод и АПУ» Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ). E-mail: BIAB@donet.ru.
