CC BY
67
УДК 621.316
В. И. Чарыков, В. А. Новикова, Ф. Р. Фахргалеев
СПОСОБ СИММЕТРИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЁХФАЗНОЙ СЕТИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
V. I. Charykov, V. A. Novikova, F. R. Fahrgaleev METHOD OF VOLTAGE SYMMETRATION IN THE THREE-PHASE NETWORK FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T. S. MALTSEV», KURGAN, RUSSIA
Виктор Иванович Чарыков
Victor Ivanovich Charykov
доктор технических наук, профессор
Фаниль Раильевич Фахргалеев
Fanil' Rail'evich Fakhrgaleev [email protected]
Аннотация. В статье рассматривается принцип автоматизации симметрирования напряжений в трехфазных сетях 0,38 кВ. Несимметрию напряжений (токов) характеризуют симметричными составляющими основной частоты прямой, обратной и нулевой последовательности. Прямая последовательность является основной составляющей. Именно она определяет чередование фазных (междуфазных) напряжений и рабочее (номинальное) напряжение сети. Напряжение обратной и нулевой последовательности следует рассматривать как помеху, под влиянием которой в цепи трехфазной нагрузки протекают соответствующие токи. Эти токи не совершают полезной работы, приводя, например, к снижению вращающего момента на валу вращающихся машин и их дополнительному нагреву. Основу схемы по симметрированию напряжений составляет микроконтроллер Advanced Virtual Riss. Микроконтроллер получает информацию о протекающих в фазах токах в виде аналогового сигнала. Далее сигнал преобразовывается аналого-цифровым преобразователем для дальнейшей программной обработки и вывода показаний оператору. Для обеспечения связи между автоматизированным рабочим местом оператора и центральным модулем используется универсальный асинхронный приемопередатчик. Для переключения одно-
Введение. Проблема качества электроэнергии с электротехнической точки зрения проявляется в электромагнитной совместимости элементов системы электроснабжения. Под электромагнитной совместимостью понимают степень взаимного влияния электрооборудования, при котором отсутствуют нарушения нормальной работы и падение эффективности ниже некоторого экономически обоснованного предела [1]. Особенно неблагоприятно несимметрия напряжения сказывается на работе и сроке службы асинхронных двигателей. Сопротивление асинхронных двигателей токам обратной последовательности в 5-7 раз меньше сопротивления токам прямой последовательности, и при наличии даже небольшой составляющей напряжения обратной последовательности возникает значительный ток обратной
Валентина Александровна Новикова
Valentina Aleksandrovna Novikova кандидат технических наук, доцент [email protected]
фазной нагрузки между фазами трёхфазной сети используется коммутационный блок, состоящий из симисторного каскада и опторазвязки, обеспечивающей "сухой контакт" для защиты логической электроники и PLC-модема.
Ключевые слова: способ симметрирования; микроконтроллер; модем; симисторный блок; центральный модуль.
Abstract. The article deals with the principle of automating the balancing of voltages in three-phase networks of 0.38 kV. The asymmetry of voltages (currents) is characterized by symmetrical components of the fundamental frequency of the forward, reverse, and zero sequences. A direct sequence is the basic component. It determines the alternation of phase (phase-to-phase) voltages and the operating (nominal) voltage of the network. The voltage of the reverse and zero sequence should be considered as a hindrance, under the influence of which the corresponding currents flow in the three-phase load circuit. These currents do not perform useful work, resulting, for example, in reducing the torque on the shaft of rotating machines and their additional heating. The basis of the scheme for the balanced voltage is the AVR microcontroller. The microcontroller receives information about the currents flowing in the phases in the form of an analog signal. Further, the signal is converted by an analog-to-digital converter for further program processing and outputting indications to the operator. To ensure communication between the operator's workstation and the central unit, a USB-UART converter is used. To switch single-phase loads between phases of a three-phase network, a switching unit consisting of a triac stage and an opto-coupler providing a "dry contact" for protecting the logic electronics and the PLC modem is used.
Keywords: method of balancing; Microcontroller; modem; Triac unit; Central module.
последовательности. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вызывает дополнительный нагрев ротора и статора, что приводит к быстрому старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя.
Причин несимметрии напряжений много, но основная из них - это несимметрия токов в сети, что обусловлено неравенством нагрузки по фазам. Значительная часть бытовых и промышленных электроприемников имеют одно- или двухфазное исполнение и присоединяются к сетям 380 В. Именно для питания таких электроприемников сети напряжением 380 В имеют четырехпроводное исполнение. Обмотка 380 В трансформаторов, питающих такие сети, соединена в «звезду», а ее нейтраль выводится четвертым токоведу-шим проводом. Без «нулевого» провода эксплуатация сети
Вестник Курганской ГСХА № 3, 2017 ТЬтичеоше науки
79
невозможна. При его обрыве наступает аварийная ситуация, обусловленная существенной несимметрией напряжения. При этом на отдельных фазах напряжение приближается к междуфазному (380 В), а на других - к нулю [2, 3].
Несимметрию напряжений (токов) характеризуют симметричными составляющими основной частоты прямой, обратной и нулевой последовательности. Прямая последовательность является основной составляющей. Именно она определяет чередование фазных (междуфазных) напряжений и рабочее (номинальное) напряжение сети. Напряжение обратной и нулевой последовательности следует рассматривать как помеху, под влиянием которой в цепи трехфазной нагрузки протекают соответствующие токи. Эти токи не совершают полезной работы, приводя, например, к снижению вращающего момента на валу вращающихся машин и их дополнительному нагреву.
Целью работы является разработка электротехнического устройства для симметрирования напряжений в трехфазных системах.
Методы исследований. Методы снижения несимметрии токов и напряжений в электросети могут быть разделены на четыре группы:
- уменьшение сопротивления нулевой последовательности, что включает в себя подключение симметрирующих устройств на шинах трансформатора, изменение схемы соединения обмоток распределительного трансформатора и увеличение сечения нулевого и фазного провода;
- уменьшение коэффициента нулевой последовательности токов, что включает в себя перераспределение нагрузок по фазам, включение симметрирующих устройств в узле нагрузок, использование нейтралеров, использование замкнутых и полузамкнутых сетей и подключение однофазной нагрузки к ненагруженной фазе;
- уменьшение коэффициента обратной последовательности токов: использование электромашинных преобразователей, использование в трансформаторе встроенного симметрирующего устройства;
- комбинированная методика по уменьшению токов прямой и обратной последовательности, что включает в себя применение симметрирующих устройств компенсационного типа и применение симметрирующих устройств фильтрового типа.
Анализ существующих способов симметрирования
сельских электросетей приводит к следующим выводам:
- существующие на сегодняшний день методики трудоемки в исполнении;
- неэффективны с экономической точки зрения и не позволяют в нужной мере снизить дополнительные потери и повысить качество электроснабжения сельскохозяйственных объектов;
- технические средства, используемые для симметрирования режимов работы электросетей, эффективно могут быть использованы только для случая неизменяющейся токовой нагрузки, что не соответствует базовым требованиям к устройствам этого класса;
- использование методик снижения несимметрии токов изменяющейся во времени нагрузки связано с дополнительными потерями электроэнергии в самом устройстве.
Научная гипотеза заключается в том, что наибольшего эффекта повышения качества и снижения дополнительных потерь электрической энергии можно достичь путем использования автоматизированной системы симметрирования фазных токов.
В основу методов исследования положены теория электрических цепей, методы симметричных составляющих, методы математической статистики, программа EXCEL «Несимметрия».
Результаты исследования. На рисунке изображено устройство для реализации способа симметрирования фазных токов трёхфазной сети. Устройство 1 содержит датчики для определения фазных токов 9,10,11 соответствующих фаз трёхфазной сети F1, F2, F3. Блок 8 - PLC модем для связи устройств 1, 2 по ЛЭП. В виде блока 7 изображена центральная плата со встроенными часами реального времени 13, UART преобразователем 15, её работа основана на использовании AVR микроконтроллера 14 и его дополнительной обвязки. Блок 12 - автоматизированное рабочее место оператора, подключаемое через разъём 30. Выводы устройства 20-25 предназначены для подключения фаз трёхфазной сети к датчикам тока и PLC модему.
Зависимый модуль 2 предназначен для переключения однофазной нагрузки 3 между фазами F1, F2, F3 и включает в себя симисторный блок коммутации 6, каскад из трёх симисторов 17, управляемый через опторазвязку 16 контроллером 4. Для приёма и передачи информации используется PLC модем 5. К выводам 18, 19 подключа-
Рисунок - Схема симметрирующего устройства
ется однофазная нагрузка, выводы 26-29 используются для подключения устройства к трёхфазной четырёхпро-водной сети.
Работает устройство следующим образом. Центральный модуль управления 1 определяет ток, протекающий по каждой фазе трёхфазной линии с помощью трансформаторов тока 9-11. Принцип работы трансформаторов тока основан на эффекте Холла. Микроконтроллер 14 получает информацию о протекающих в фазах токах в виде аналогового сигнала. Далее сигнал преобразовывается аналого-цифровым преобразователем для дальнейшей программной обработки и вывода показаний оператору. Для обеспечения связи между АРМ оператора 12 и центральным модулем используется преобразователь USB-UART 15. Часы реального времени 13 необходимы для регистрации времени переключений нагрузок между фазами трёхфазной сети. PLC модем 8 используется для связи между центральным и зависимыми модулями по ЛЭП. Центральный модуль предполагает подключение от 1 до 125 зависимых модулей.
Зависимый модуль 2 предназначен для переключения однофазной нагрузки между фазами трёхфазной сети и включает в себя коммутационный блок 6. Коммутационный блок состоит из симисторного каскада 17 и опторазвязки обеспечивающей "сухой контакт" для защиты логической электроники и PLC модема. В виде блока 4 изображена зависимая плата, которая осуществляет управление коммутационным блоком 6. Так же зависимая плата используется для получения данных от центрального модуля через PLC модем 5. В виде блока 3 изображена однофазная нагрузка.
К одному центральному модулю 1 может подключаться до 125 зависимых модулей 2, это достигается тем, что каждому из устройств даётся уникальный адрес, который в дальнейшем используется для управления определённым зависимым модулем и устранения несимметрии фазных токов [4-6].
Вывод. Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение его оперативности для симметрирования фазных токов трёхфазной четырёхпро-водной сети, чем достигается высокая скорость переключения однофазной нагрузки между фазами трёхфазной сети при любых уровнях несимметрии, исключая перепады напряжения. Также достигается упрощение в реализации и монтаже устройства симметрирования однофазных нагрузок трёхфазной линии. Кроме того, в данном устройстве предусмотрено переключение однофазной нагрузки между фазами трёхфазной сети по команде оператора в режиме реального времени.
Список литературы
1 Татур Т. А. Основы теории электрических цепей. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1980. 221 с.
2 Лютаревич А. Г, Доненгер С. Ю., Горюнов В. А. Вопросы моделирования устройств обеспечения качества электрической энергии. Омский научный вестник. 2013. № 1. С.168-173.
3 Жорняк Л. Б., Ерж Т. А., Осинская В. И. Исследование методов моделирования для повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения потребителей электроэнергии. Електротехн/'ка i Електромехан/'ка. 2010. № 2. С.63-67.
4 Газиев А. Х., Чарыков В. И., Яковлев А. И. Методика анализа статических режимов сложных цепей при помощи аппарата параметрических структурных схем. Достижения науки - агропромышленному производству : материалы LIII междунар. науч.-техн. конф. Челябинск : Изд-во ЧГАА, 2014. С. 275-278.
6 Минц М.Я., Чинков В.И., Савицкий А.И., Нирзий А.В. Устройство для симметрирования трехфазных сетей: авторское свидетельство 1737621 СССР, МКИ Н 02 J 3/26. Открытия. Изобретения. 1992. № 20.
5 Буторин В. А. Эксплуатация и надежность электрооборудования : учебное пособие. Челябинск : Изд-во ЧГАУ, 2009. 168 с.
References
1 Tatur T. A. The fundamentals of the theory of electrical circuits. Tutorial. Moscow: Higher School, 1980. 221 p.
2 Lyutarevich A. G., Goryunov V. N., Dolinger S. Yu., Khatsevskiy K. V.
Modeling devices ensuring power quality. Omskiy nauchnyy vestnik (Omsk Scientific Bulletin) 2013. no.1, pp.168173. (in Russ).
3 Zhorniak L. B., Osinskaja V. I., lerzh T. A., Barannik S. O. Investigation of simulation methods for electrical energy quality improvement in power consumers supply systems. Elektrotehnika i Elektromehanika (Electrical Engineering and Electromechanics). 2010. no.2, pp. 63-67 (in Ukr).
4 Gaziev A. H., Charyikov V. I., Yakovlev A. I. The technique of analysis of static modes of complex circuits using the apparatus of parametric structural schemes. Achievements of science - for agroindustrial production: materials of LIII international. scientific and technical conf. Chelyabinsk. 2014. Pp. 275-278. (in Russ).
5 Mints M.Ia., Chinkov V.I., Savitskii A.I., Nirzii A.V. Device for balancing three-phase networks: copyright certificate 1737621 SSSR, MKIN 02 J 3/26. Otkryitiya. Izobreteniya (Discoveries. Inventions). 1992. no.20. (in Russ).
6 Butorin V. A. Operation and reliability of electrical equipment: a manual. Chelyabinsk: Publishing house ChGAU. 2009. 168 р. (in Russ).
