CC BY
38
УДК 621.39: 621.311.6.0012 с. С. АБРАМОВ
Л. Г. РОГУЛИНА И. И. РЕЗВАН А. М. САЖНЕВ
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ
В среде $1ти1шк разработана имитационная модель нелинейной системы с учетом обратных воздействий, включающих несимметричную линейную и динамическую нагрузки. Это позволяет оценить степень искажения питающего напряжения и рассчитать сечение нулевого провода с учетом уравнительного тока, а также проверить на соответствие нормам динамических характеристик системы при работе от промышленной сети.
Постановка задачи
Одной на проблем, возникающих при функционировании нелинейных систем, содержащих элект-ропитающее оборудование, является искажение формы напряжения, вызванное гармоническими сос тавляющими потребляемого тока. Несимметрия нагрузки трехфазной сети обусловлена применением однофазных нагрузок, подключаемых к разным фазам. Большая часть компьютерного оборудования, предназначенного для мониторинга промышленного и офисного оборудования, представляет собой динамические нагрузки, что создает обратную помеху. Суммарный эффект этих нагрузок выражается в искажении напряжения, ко торое воздействует на другое оборудование, подключенное к этому же источнику. Это может вызывать сбои в других устройствах, повреждения аппаратуры и другие нежела тельные эффекты. Степень искажения напряжения определяется коэффициентом искажения синусоидальности К„ , коэффициентами несимметрии напряжения по обратной Кщ и пулевой последовательности К«,, |1|.
Высшие гармоники тока, кратные трем, определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В симметричной трехфазной системе гармонические токи во всех трех фазах сдвинуты па 120', а сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю. Следовательно, не возникает и напряжения смещения нейтрали. Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник. Однако некоторые из них имеют направление вращения вектора тока в ту же сторону, что и основная гармоника (первая, 50 Гц), т. е. имеют прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении и, таким образом, имеют обратную последовательность. Это не относится к гармоникам, кратным третьей: п = 3(2к + 1), где к = 0, 1,2......В трехфазных цепях они сдвинуты на 360', совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные трем, суммируются в нейтрали. В ре-I зультате в действующем значении фазных токов, об-
щий ток нейтрали может превышать фазные токи:
Так, например, при фазных токах равных 37 Л ток нейтрали составляет 55 А при частоте, равной 150 Гц [2|. Неправильно спроектированные четырех-проводные кабели трехфазных сетей могут перегреваться вплоть до воспламенения, подтверждая тем самым необходимость увеличения сечения проводников нейтрали трехфазных кабелей сети. Гармоники, кра тные третьей, приводят к потерям как в нейтрали, так и в фазных проводниках, вызывая искажения формы напряжения сети.
При наличии высших гармоник в электрических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами, какими могут считаться блоки, узлы и распределительные сети рассматриваемой нелинейной системы, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники на тех же участках цепи. Это отрицательным образом может отразиться на работоспособности отдельных элементов и узлов системы.
Таким образом, при проектировании четырехпро-водных линий (TN-C) трехфазных сетей для надежного функционирования системы в динамических режимах требуется их проверка, что целесообразно проводить путём моделировании. Наиболее удобной, полной и подходящей для этих целей является интерактивная среда Simulink |3|. В настоящей работе представлена модель нелинейной системы при воздействии со стороны нагрузки комплексного типа, позволяющая проводит!, проверку системы в динамических режимах при схеме заземления типа TN-C.
Модель нелинейной системы при воздействии со стороны нагрузки
Для проведения измерений в системе при несимметричной и динамической нагрузках разработана имитационная модель в среде Simulink (рис. 1). В ка-
"-OWW-
3-PhjM Souict ~ 0»eund (output)
_L v* VolK»»u VKpu)
IJbo(pu)
Рис. I. Модель нелинейной системы нри воздействии со стороны нагрузки комплексного типа
Таблица I
Исследования влияния асимметричной нагрузки
Входные параметры Измеряемые характеристики
Мощность линейной нагрузки Рл — 1 кВт; мощность динам, нагрузки: активная /' 200 Вт. реактивная - О, " 200ВАр; угол фаз сдвига <р - 29' Асимметрия нагрузки,% Асимметрия тока сети,% Асимметрия напряжения сети. %
9.09 9,0 0.45
24,24 14.4 1.11
28.57 26.4 1,76
37,50 35,8 2,30
44.44 40,9 2.44
50,00 46,5 2.63
Мощность линейной нагрузки 1\т 1 кВт; мощность динам нагрузки активная - Р- 1 кВт. реактивная — С\™ 1 кВЛр; угол фаз. сдвига ф - 27" 1,0 0.22 0,008
2.0 0.4 0.09
3,0 1,1 0.12
честно промышленной сети используется трехфазный источник напряжения. К задаваемым параметрам относятся: действующее значение линейного напряжения, В; начальная фаза напряжения в фазе А, град; частота источника, Гц; схема соединения фаз источника; полное сопротивление источника. Для измерения токов и напряжений в трехфазных цепях в модели используется трехфазный измеритель. Несимметричная нагрузка имитируется посредством соединения в звезду отдельных элементов с заземлением на общей шине. Задание параметров последовательной RLC-цеии обеспечивается блоком Series RLC Branch.
Исследование влияния несимметричной и динамической нагрузок на переходные процессы в системе
С помощью разработанной ими тационной модели нелинейной системы, рис. I, проведены расчёты
влияния асимметричной нагрузки в фазах на выходные ток и напряжение, результаты представлены в табл. I.
Результаты проведенных исследований показали, что на асимметрию напряжения влияет не только величина асимметрии нагрузки, но и соотношение мощностей линейной и динамической нагрузки и ее характер. Из табл. 1 следует, что при несимметричной нагрузке, равной 30 % и выше, асимметрия напряжения превышает нормируемое значение 2 % в соответствии с |1|. Следовательно, при распределении па-грузки по фазам необходимо учитывать это критическое значение для удовлетворения нормы но асимметрии напряжения.
При выборе сечения нулевого провода необходимо учитывать величину уравнительного тока, возникающего при асимметрии фаз. Напряжение смещения нейтрали при несимметричной нагрузке приведены в табл. 2.
Измерения были проведены при следующих исходных данных: активная мощность линейной на-
Измерения напряжения смещения нейтрали
Таблица 2
Асимметрия нагрузки, % 9.09 24,24 28,57 37,50 44,44 50,00
Напряжение смещения нейтрали, В 5,0 9,6 17,2 23,7 29,1 33,8
Динамические показатели при несимметричном режиме
Таблица 3
Входные параметры Измеряемые ха|мктсристики
Характер асимметрии нагрузки Асимметрия тока сети, % Асимметрия напряжения сети. % • Наброо нагрузки, М.% Время установления. 'т.С
Симметрия 0.0 0,0 19,1 4,7
Недогрузка 49.6 1,04 8,36 3,6
Перегрузка 33,3 0,29 22,7 9,6
U*c
25 X
13 10
) о
и«с(%)
И 30 1S 10
Рис. 2. Зависимость напряжения асимметрии при изменении активной нагрузки
грузки Рл = 4 кВт; номинальное напряжение t/n = 220 В; номинальная частота f„ = 50 Гц; составляющие мощности динамической нагрузки: активная Р = 200 Вт, реактивная Qt = 200 Вт. 11а основании подобных измерений можно рассчитать поперечное сечение нулевого провода, учитывая допустимые значения асимметрии нагрузки в фазах
Из множества переходных процессов, протекающих в системах, наибольший интерес для практики представляют динамические нагрузки в несимметричных режимах работы. При анализе переходных процессов частоту и уровень напряжения питания принимаем постоянными, т. к. их изменения являются медленными по отношению к времени протекания переходных процессов в сети. Момент коммутации нагрузки задается внешним воздействием на коммутатор посредством генератора ступенчатого сигнала Step, в котором время наступления перепада сигнала равняется 2 с. Расчёты выполнены при следующих данных: активная мощность исходной нагрузки Рл = 4 кВт; составляющие мощности динамической нагрузки: активная мощность Р=ЗкВт; реактивная мощность О, = 3 кВА. Результаты измерений предст авлены в табл. 3.
По данным табл. 3 видно, что к увеличению им-А пульсного значения тока и времени установления 5 переходного процесса приводи т только перегрузка 1 одной из фаз. Снижение нагрузки в ней не ухудшает
1 динамику процессов, а приводи т к появлению урав-| нительноготока. Последнее является причиной пере-* грузки нулевого провода, что может привести к его
2 разрушению. Значения имиульсноготока, табл. 3, не превышают нормируемой величины 6/|111М длнтель-ностыо более 1 с при работе на несимметричную и
Рис. 3. Зависимость напряжения асимметрии при изменении активно-инлуктинной нагрузки
Рис. 4. Зависимость напряжения смещения при изменении активной и актнвио-инлуктнвной нагрузок
динамическую нагрузки |4|. Исследования показали, что на переходные процессы в большей мере влияет величина перегрузки, а не ее асимметрия.
По результатам проведенных исследований полу-ченосемейство зависимостей асимметрии и напряжения смещения нейтрали при различных видах нагрузок для ряда мощностей, рис. 2.. 4.
Выводы
Таким образом, имитационная модель нелинейной системы при воздейст вии со стороны комплексной нагрузки (несимметричная статическая и динамическая) позволяет оцени ть степень асимметрии напряжения и рассчитать сечение нулевого провода по величине уравнительного тока, возникающего при асимметрии нагрузки, а также проверить удовлетворение нормам динамических параметров системы при работе от промышленной сети в штатном режиме. Результаты моделирования динамических режимов
нелинейной системы следует считать неотъемлемой частью синтеза любых сложных систем.
Ьиблнографический список
1. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжении общего назначения.
2. Капустин В.М.. Лопухин A.A. Компьютеры и трехфазная электрическая сеть // Современные технологии автоматизации. — 1997. - N«2. - С. 104-108.
3. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MalLab. Учебный курс. — СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BIIV, 2005. - 512с.
•1 OCT45.I83 - 2001. Установки электропитания аппаратуры электросвязи стационарные. Общие технические требования.
АБРАМОВ Сергей Степанович, кандидат технических наук, доцент кафедры радиопередающих устройств и электропитания.
РОГУЛИНА Лариса Геннадьевна, кандида т технических наук, доцент кафедры радиопередающих устройств и электропитания.
РЕЗВАН Иван Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических систем. САЖНЕВ Александр Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры радиопередающих устройств и электропитания.
Статья поступила в редакцию 24.11.08 г. © С. С. Абрамов, Л. Г. Рогулина, И. И. Решим, А. М. Сажнеи
Книжная полка
Радиоматериалы и радиокомпоненты [Текст): конспект лекций / ОмГТУ; авт.-сост. А. М. Хадыкин. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. -91 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 88-91.
В кра ткой конспективной форме изложен материал по радиоматериалам и радиокомпонентам в объеме, предусмотренном ныне действующей программой дисциплины и государственным образовательным стандартом по специальностям 210302 и 210402.
Данное пособие предусматривает изучение свойств радиотехнических материалов, которые проявляются в электромагнитных полях, но в то же время зависят от состава материалов, их структуры и внешних воздействий.
Алексеева, Н. И. Интегральные устройства радиоэлектроники [Текст]: учеб. пособие / Н. И. Алексеев ; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 48 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 48.
Интегральные устройства радиоэлек троники получили широкое распространение в современной аппаратуре. Интегральные устройства широко применяются в современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), в технике связи, в вычислительной технике, в аппаратуре промышленного и специального назначения, в испытательной и измерительной технике, в транспортной электронике и бытовой технике.
В учебном пособии изложены основные аспект ы построения полупроводниковых интегральных микросхем на биполярных и полевых транзисторах, приведены конструкции основных элементов микросхем, технологические процессы изготовления этих микросхем, рассмотрены основные перспективы развития направления.
Богачков, И. В. Измерение характеристик волоконно-оптических линий связи с помощью импульсно-рефлектометрических методов [Текст): монография / И. В. Богачков, Н. И. Горлов ; ОмГГУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 186 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 172-173. - ISBN 978-5-8149-0623-6.
В монографии излагаются принципы импульсно - рефлектометрических методов измерения передаточных параметров волоконно-оптических линий передачи. Особое внимание уделено описанию стандартного метод.! обратного рассеяния, а также мониторинга и ранней диагностики состояния линии. Рассмотрены параметры и методы измерений волоконно-оптических кабелей. В приложениях приведены метрологические характеристики оп тических рефлек тометров и перечень средств измерений, прошедших сертификационные испы тания в системе «Электросвязь».
