CC BY
82
УДК 621.317.757
Е. А. СТЕПАНОВА
Омский государственный университет путей сообщения
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ КАК СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ КОМПЛЕКСА ИЗМЕРЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ_
В данной статье представлен комплекс для измерения качества электрической энергии на тяговых подстанциях железной дороги переменного и постоянного тока, спроектированный в Омском государственном университете путей сообщения. Отдельно рассмотрен вычислительный модуль комплекса, рассмотрены его достоинства и функциональные особенности. Проведен анализ и обзор существующей измерительной аппаратуры в области качества электрической энергии. Ключевые слова: электрическая энергия, тяговая подстанция, измерительный комплекс, гармоники тока и напряжения, вычислитель, частота, производительность.
Проблема повышения энергетической эффективности на тяговых подстанциях железных дорог является одной из наиболее важных. Система тягового электроснабжения переменного тока имеет постоянно изменяющуюся тяговую нагрузку. Однофазная нагрузка электроподвижного состава вызывает существенное искажение синусоиды тока и напряжения, а также вносит несимметрию тока и напряжения в питающих трехфазных сетях [1].
ОАО «Российские железные дороги» реализует требования Федерального закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. Составлены и выполняются программы повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава на период 2013 — 2017 годы.
Согласно введенному в силу с 1 января 2013 года ГОСТ Р 54149-2010, основными показателями качества электроэнергии являются:
— отклонение частоты;
— медленные изменения напряжения;
— колебания напряжения и фликер;
— несинусоидальность напряжения;
— несимметрия трехфазной системы напряжений;
— напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям;
— случайные события (прерывания напряжения, провалы напряжения, перенапряжения, импульсные напряжения);
Гармонические составляющие напряжения обусловлены, как правило, нелинейными нагрузками пользователей электрических сетей, подключаемыми к электрическим сетям различного напряжения. Гармонические токи, протекающие в электрических сетях, создают падения напряжений на полных сопротивлениях электрических сетей. Гар-
монические токи, полные сопротивления электрических сетей и, следовательно, напряжения гармонических составляющих в точках передачи электрической энергии изменяются во времени [2].
Гармонические искажения могут вызывать:
— неполадки в батареях компенсирующих конденсаторов;
— перегрузки в линиях, трансформаторах и распределительных устройствах;
— сбои в работе электронного оборудования;
— увеличение износа двигателей и прочего оборудования;
— проблемы у соседних потребителей;
— неполадки в осветительной аппаратуре;
— искажение напряжения;
— избыточный ток в нейтрали;
— перегрев электродвигателей;
— снижение коэффициента мощности;
— перегрузку генерирующих мощностей.
Контроль электротехнической информации выполняется с помощью сертифицированных модулей (вычислителей или измерителей), которые работают в составе электротехнических комплексов и обеспечивают измерение и расчёт всех необходимых параметров для определения и анализа качества электрической энергии.
В настоящее время наибольшее распространение получили модули, выполненные в виде цифровых вычислителей, которые измеряют гармонические составляющие напряжения и тока с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ).
В настоящее время в области качества электрической энергии ведется исследовательская работа, существуют научно-исследовательские лаборатории, такие как лаборатория по качеству электрической энергии Омского государственного технического университета, где разработали 16-канальный измерительно-вычислительный комплекс ИВК ОМСК-М, предназначенный для глубокого и всесторонне-
Таблица 1
Измерители качества электроэнергии
Производитель (страна)/ модель Число каналов Гц Питание Число гармоник Цена, руб Конструкция
SATEC (Израиль)/ PM130 PLUS 4 25/50/60/400 ~ 220 В До 40 ~ 190000 Щитовой
Metrel (Словения)/ MI 2792 4 10-70 батарея До 50 ~ 180000 Переносной + СРЯ^-модем
Metrel (Словения)/ MI 2592 4 10-70 батарея До 50 ~ 150000 Переносной
CIRCUTOR (Испания)/ AR.5 4 50-60 батарея До 49 ~ 180000 Переносной
Fluke (США)/ Fluke 434 4 50-60 батарея До 49 ~ 220000 Переносной
Fluke (США)/ Fluke 437 2/4 50-400 батарея До 50 ~ 400000 Переносной
АКИП (Россия)/ ПКК-57 4 50-60 батарея До 49 ~ 160000 Переносной
АКИП (Россия)/ МЭТ-5080 2 50 батарея До 49 ~ 75000 Переносной
Л Кард (Россия)/LPW-305 4 50 ~ 220 В До 50 От 29000 Щитовой
го исследования режимов работы систем электроснабжения промышленных предприятий. Авторы разработки В. А. Ощепков, Д. С.Осипов, А. В. Дед. По всей России существует ряд частных испытательных лабораторий: «НИЦ Тест-Электро», г. Москва; ООО «Юнитекс», г. Екатеринбург; ООО «Энергосоюз», г. Ростов-на-Дону; АНО «Научный и инженерно-испытательный центр электротехники и электроэнергетики», г. Санкт-Петербург и другие.
К настоящему моменту мировыми и отечественными производителями цифровых электротехнических измерительных комплексов, такими как SATEC, Fluke, АКИП, Metrel, CIRCUTOR и другими выпускается различное оборудование для измерения и мониторинга электротехнической информа-
ции. В табл. 1 представлена выборка измерителей отечественного и зарубежного производства.
Как видно из табл. 1, стоимость измерителей достаточно высока и не всегда оправданна. Из всех представленных моделей лишь SATEC PM130 PLUS и Fluke 437 способны работать на частоте 400 Гц. Рассмотренные устройства измеряют ток и напряжение до 49 или 50 гармоник, однако современные научные разработки показали, что требуется оборудование, способное проводить измерения 128 и выше гармоник. Количество каналов измерения не отвечает требованиям тяговой подстанции железной дороги, имеющей в трехфазной сети как фидеры контактной сети, так и фидеры районных нагрузок, требующие контроля. Конструктивное испол-
Рис. 1. Измерение качества электроэнергии на тяговой подстанции переменного тока
177
Рис. 2. Модуль вычислителя комплекса для измерения качества электрической энергии
нение не всегда позволяет использовать это оборудование на железной дороге.
В результате вышесказанного можно сделать вывод, что оборудования, способного работать с сигналами различной частоты (в том числе и для частоты бортовой сети 400 Гц), имеющего широкий диапазон рабочих температур, а также переносного крайне мало. Поэтому проблема создания высокопроизводительного модуля обработки информации, поступающей от силовых сетей энергоснабжения, предназначенного для работы в составе электротехнического комплекса, является актуальной [3].
На железной дороге комплекс измерения качества электроэнергии устанавливается на тяговых подстанциях. Специалистами Омского государственного университета путей сообщения разработан комплекс позволяющий контролировать гармоники тока и напряжения на тяговых подстанциях переменного и постоянного тока (Патент на изобретение № 2422986, патент на полезную модель № 97829, № 97881, № 88157, № 84315) (рис. 1). Комплекс состоит из интеллектуальных датчиков с АЦП, принимающих измеряемый ток и напряжение концентратора, в состав которого входит вычислительный блок, а также выходного интерфейса для передачи управляющего сигнала на филь-трокомпенсирующее устройство (ФКУ) подстанции или поста секционирования [4].
Комплекс обеспечивает измерение по 32-м каналам, что позволяет проводить измерения не только с фидеров контактной сети, но и с фидеров районных нагрузок. Комплекс способен проводить измерения для частот 25/50/60/400 Гц и выше до 256 гармоники. Питание оборудования осуществляется напрямую с фидеров [5].
Вычислительный модуль концентратора является сердцем измерительного комплекса и определяет его производительность. Он выполнен как ОЕМ-модуль в виде встраиваемой печатной платы. Структурная схема вычислителя представлена на рис. 2.
Модуль состоит из четырех сигнальных процессоров отечественного производства ЫУСош-01, имеющих каждый по три ядра. В качестве связующего звена между процессорами используется
ПЛИС архитектуры БРСЛ ХШпх ХС3Б 1000. К каждому процессору подключены свои ОЗУ и ПЗУ.
Данные от концентратора через порты ЬУЭБ поступают в ПЛИС, где передаются на соответствующее вычислительное ядро процессора. Гибкость представленной архитектуры, а также минимальное время передачи сигналов позволяет вести параллельные вычисления сразу по 32-м каналам. Пиковая производительность одного вычислительного ядра процессора ЫУСош-01 составляет 3.6 СБЬОР8 на тактовой частоте 300 МГц.
Благодаря выбранной элементной базе, модуль способен работать в широком диапазоне внешних воздействий, а его конструкция позволяет применять устройство в других подобных измерительных комплексах.
Таким образом, можно сделать вывод, что представленный комплекс измерения качества электроэнергии на тяговых подстанциях железной дороги отвечает всем требованиям по функциональности, удобству, производительности, условиям эксплуатации.
Библиографический список
1. Герман, Л. А. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог : учеб. пособие / Л. А. Герман, А. С. Серебряков. — М. : ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. — 315 с.
2. ГОСТ Р 54149-2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М. : Стандартинформ, 2012. — 20 с.
3. Грицутенко, С. С. Входные цепи приборов, измеряющих показатели качества электроэнергии в тяговых сетях электрофицированных железных дорог. Совершенствование технологии ремонта и эксплуатации подвижного состава : сб. науч. ст. аспирантов и студентов ун-та / С. С. Грицутенко. — Омск : ОмГУПС, 2007. — Вып. 7. — С. 21-25.
4. Грицутенко, С. С. Принципы построения операционных систем для измерительных комплексов, работающих в режиме реального времени. Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты : тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. /
С. С. Грицутенко. — СПб. : Петербургский государственный университет путей сообщения, 2007. — С. 182 — 183.
5. Грицутенко, С. С. Метод повышения динамического диапазона аналого-цифрового преобразования при использовании многоканальных АЦП в измерителях тока тяговых подстанций электрифицированных железных дорог / С. С. Грицутенко, К. А. Фирсанов, А. А. Хряков // Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. — Омск : СибАДИ, 2009. — Вып. 6. — С. 14-19.
УДК 621.318.8
СТЕПАНОВА Елизавета Андреевна, аспирантка кафедры «Инфокоммуникационные системы и информационная безопасность». Адрес для переписки: lizadumnova@mail.ru
Статья поступила в редакцию 03.09.2014 г. © Е. А. Степанова
А. А. ТАТЕВОСЯН Б. И. ОГОРЕЛКОВ А. С. ТАТЕВОСЯН
Омский государственный технический университет
РАСЧЕТ ИНДУКТИРОВАННОЙ ЭДС В ВИТКЕ ПРИ ОТНОСИТЕЛЬНОМ ДВИЖЕНИИ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА С РАЗЛИЧНОЙ ФОРМОЙ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
В статье рассматривается решение одной из основных задач теоретических основ электротехники, сформулированной таким образом, чтобы отразить в решении особенности конструирования новых типов синхронных генераторов на постоянных магнитах. Потребность в таких генераторах определяется, прежде всего, развитием сферы малой энергетики благодаря появлению на потребительском рынке недорогих и доступных для использования сильных магнитов из неодимо-вого сплава NdFeB. Целью данной работы является получение аналитического решения для определения индуктированной ЭДС в витке, находящемся в магнитном поле постоянного магнита с прямоугольной и круглой формой поперечного сечения при его относительном движении. Дано обобщение полученных результатов исследования на произвольную форму поперечного сечения постоянного магнита.
Ключевые слова: неодимовый сплав NdFeB, индуктированная ЭДС в витке, относительное движение, различная форма поперечного сечения постоянного магнита.
Вопросы повышения выходного напряжения и электрической мощности синхронных генераторов на постоянных магнитах в развитии сферы малой энергетики имеют ключевое значение [ 1 — 3]. Их решение во многом связано с низкой скоростью используемых приводных двигателей, например ветродвигателей, и идет по пути конструирования многополюсных синхронных генераторов, в которых применяются более совершенные материалы из редкоземельных металлов. В большинстве новых разработок синхронных генераторов на постоянных магнитах предпочтение отдается магнитным сплавам NdFeB (Неодим-Железо-Бор), которые обладают наибольшей магнитной силой постоянных магнитов, известных в настоящее время. На предварительной стадии проектирования таких генераторов, как правило, руководствуются аналитическими инженерными методиками расчета их магнитных систем, основанными на теории магнитных цепей. Вы-
бор структурной схемы магнитной системы генератора при этом определяется накопленным опытом и имеет творческий характер. Определение геометрических размеров магнитной системы генератора и обмоточных данных обмотки якоря производится на основании требуемых выходных параметров генератора с учетом справочных данных об электрических и магнитных свойствах активных материалов, применяемых для его изготовления. На стадии поверочных расчетов решаются задачи оптимального проектирования, в которых центральное место занимает исследование численных моделей магнитных полей синхронных генераторов с применением метода конечных элементов [4]. Результатом исследований магнитного поля является уточнение геометрии магнитной системы синхронного генератора и его обмоточных данных. Указанная последовательность стадий проектирования синхронных генераторов на постоянных магнитах представляет
