Содержание к диссертации
Введение
1. Обеспечение бесперебойного электроснабжения потребителей устройствами автоматического включения резервного питания 12
1.1. Особенности автоматического включения резервного питания 12
1.2. Существующие способы реализации автоматического включения резервного питания 17
1.3. Активные фильтры, способы их применения 29
1.4. Выводы и постановка задачи 37
2. Анализ переходных процессов, возникающих в системе электроснабжения при автоматическом включении резервного питания существующими средствами 41
2.1. Область применения 41
2.2. Длинные линии с распределнными параметрами 42
2.3. Переходные процессы при автоматическом включении резервного питания двигательной нагрузки после обрыва основной сети 45
2.4. Переходные процессы при автоматическом включении резервного питания двигательной нагрузки после короткого замыкания основной сети 59
2.5. Переходные процессы при автоматическом включении резервного питания трансформаторной нагрузки после обрыва основной сети 63
2.6. Переходные процессы при автоматическом включении резервного питания трансформаторной нагрузки после короткого замыкания основной сети 69
2.7. Выводы по главе 71
3. Многофункциональное устройство безразрывного переключения сетей, алгоритм работы, структура устройства, анализ функционирования 74
3.1. Способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки74
3.2. Структура многофункционального устройства безразрывного переключения сетей 78
3.3. Модель энергосистемы с многофункциональным устройством безразрывного переключения сетей 90
3.4. Анализ процессов автоматического включения резервного питания в энергосистемах с многофункциональным устройством безразрывного переключения сетей 100
3.5. Выводы по главе 113
4. Методика проектирования многофункционального устройства безразрывного переключения сетей 114
4.1. Методика проектирования силовой части 114
4.2. Особенности проектирования системы управления 125
4.3. Выводы по главе 126
5. Физическое моделирование наиболее ответственных узлов и алгоритмов многофункционального устройства безразрывного переключения сетей 127
5.1. Моделирование блока согласования 128
5.2. Проверка функционирования алгоритма быстрого определения спада напряжения на макете 134
5.3. Выводы по главе 137
Заключение 139
Список литературы 141
Приложение а 147
- Существующие способы реализации автоматического включения резервного питания
- Переходные процессы при автоматическом включении резервного питания двигательной нагрузки после обрыва основной сети
- Структура многофункционального устройства безразрывного переключения сетей
- Особенности проектирования системы управления
Введение к работе
Электроснабжение потребителей, перерыв в электропитании которых может привести к серьезным аварийным ситуациям и повлечь за собой опасность для жизни людей или значительные финансово-материальные потери, именуемых объектами 1 категории, должно обеспечиваться от двух независимых взаимно резервирующих источников питания [1]. При больших значениях мощности нагрузки или длительности питании от резервного источника, в качестве второго источника электропитания целесообразно использовать резервную сеть. Для осуществления переключений в таких системах электроснабжения (СЭ) используются устройства автоматического включения резервного питания (АВР) (Рис. 1.). Наиболее распространенные полупроводниковые переключатели, именуемые тиристорными контакторами с естественной (ТКЕ) и искуственной (ТКИ) коммутацией обладали большими массогабаритными параметрами и длительным временем переключения [2,3]. С развитием полупроводниковых элементов появились новые возможности для создания переключающих устройств с повышенным быстродействием и дополнительными функциями. Например, фирма Mitsubishi Electric Corp. удачно совместила в своем устройстве полупроводниковые и механические ключи с микропроцессорной системой управления [4].
основная сеть
резервная сеть
Ключ2
блок
контроля
напряжения 1
система управления
блок
контроля
напряжения 2
КЛЮЧІ
ключ 2
потребитель
Рис. 1. Структурная схема устройства подключения резервного электропитания.
Однако алгоритм работы таких переключателей в основном зависит от того, находятся ли напряжения основной и резервной сетей в одинаковой фазе и равны ли их частоты, то есть синфазны ли напряжения. Переключение электропитания потребителя с одного источника на другой, при условии их синфазности, осуществляется сразу. В противном случае управление ключами осуществляется так, чтобы между моментом отключения одного источника и подключения другого была пауза в несколько десятков миллисекунд. Иначе на нагрузке могут появиться подряд две полуволны напряжения одинаковой полярности и полуволна тока, длительность которой будет намного больше половины периода. Если в состав нагрузки входят трансформаторы, то может произойти насыщение, сопровождающееся значительным увеличением намагничивающего тока. При переключении источников несинфазного напряжения находящихся в противофазе без временной паузы возможна резкая смена полярности напряжения, питающего нагрузку. Если в состав нагрузки входит асинхронный двигатель, возможен динамический удар. Однако введение паузы при переключении источников питания тоже имеет свои отрицательные последствия. Во время такой паузы двигатель переходит в режим торможения, а сразу после неё - в двигательный, что приводит к большим уравнительным токам статора. Эти аварийные режимы могут привести к выходу электрооборудования из строя или значительному снижению его ресурса. Так известны случаи, когда возникшая при АВР пауза порядка 0.3 с вызвала нарушение в непрерывном технологическом процессе и привела к значительному материальному убытку и длительной повторной наладке оборудования [5*6]. Единственным выходом в этой ситуации является установка on-line агрегатов бесперебойного питания (АБП), в котором переключение источников питания осуществляется на стороне постоянного тока. У этого решения есть свои минусы: значительно большие по сравнению с устройствами АВР стоимость, электрические потери в самой установке и массогабаритные параметры.
Разработкой и производством устройств АВР занимаются такие международные компании как ABB, Schneider, Merlin Geren, Mitsubishi, Analog Devices, а так же российские компании ОАО «Завод «Инвертор», ОАО «Электровыпрямитель», ЗАО «ЭЛСИЭЛ», НПО «Меридиан».
В данной работе предлагается осуществить переключение несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки и в отсутствие бросков намагничивающих и уравнительных токов, исходя из требований к качеству электроэнергии [7]. Такое переключении можно осуществить за счет реализации нового принципа переключения, а именно подключая на время переключения нагрузку к третьему, управляемому, источнику электроэнергии, который будет изменять начальную фазу своего напряжения от значения начальной фазы напряжения отключаемой сети до значения начальной фазы подключаемой сети. Этим, третьим управляемым источником, в многофункциональном устройстве безразрывного переключения сетей (МУБП) является автономный инвертор напряжения (АИН), который в остальное от переключений время может выполнять коррекцию коэффициента мощности и подавление высших гармоник нагрузки, повышая энергоэффективность потребителя.
Актуальной является задача переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки и расширения функциональных возможностей активных фильтров, что и определило тему диссертационной работы. Актуальность подтверждается использованием некоторых алгоритмов управления в текущих разработках ЗАО «ЭЛСИЭЛ» при участии автора, о чем свидетельствует акт о внедрении.
Цель диссертационной работы заключается в проведение теоретических исследований, направленных на изучение процессов, возникающих при АВР, разработке метода, алгоритмов управления, структуры и методик проектирования МУБП, исходя из требований к качеству электроэнергии при переключении.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Определена область применения МУБП.
Разработана модель СЭ с резервным источником электропитания и проведен анализ переходных процессов, возникающих при АВР в СЭ с существующими переключающими устройствами с двигательной и трансформаторной нагрузками. Для двигательной и трансформаторной нагрузок выявлены зависимости между амплитудой уравнительных токов и разницей начальных фаз напряжения основного и резервного источников питания, а так же между амплитудой уравнительных токов и длительностью паузы при переключении источников питания. Рассмотрено влияние причины аварии основной сети.
Разработан способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки.
Разработана структура МУБП (рис. 2.), реализующая предложенный способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки.
основная сеть
резервная сеть
блок
контроля
напряжения 1
система управления
блок
контроля
напряжения 2
КЛЮЧІ
ключ 2
/
преобразователь напряжения
потребитель
Рис. 2. Упрощенная структурная схема МУБП.
5. Разработана модель СЭ с МУБП и проведен анализ переходных процессов, возникающих при АВР в энергосистемах с МУБП при двигательной
9 и трансформаторной нагрузках. Выявлены зависимости между амплитудой уравнительных токов и длительностью переключения основного и резервного источников питания. Рассмотрено влияние причины аварии основной сети.
6. Разработана методика проектирования МУБП. Проведено физическое моделирование наиболее ответственных блоков МУБП.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета электрических цепей), численные методы решения уравнений на ЭВМ, методы математического моделирования (система сквозного проектирования Matlab 6.5 [8]).
Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования.
Научную новизну представляют:
Новый принцип переключения двух несинфазных сетей без перерыва в электроснабжении нагрузки и в отсутствие бросков намагничивающих и уравнительных токов.
Алгоритм управления и структура, позволяющая реализовать этот алгоритм, МУБП.
Математическая модель энергосистемы с МУБП, на которой можно проанализировать переходные процессы, возникающие при АВР.
4. Методика проектирования МУБП.
Практическую ценность представляют:
Впервые предложенный способ быстродействующего АВР при условии несинфазности напряжений основной и резервной сетей электропитания без перерыва в питании нагрузки и бросков, намагничивающих и уравнительных токов, реализованный в МУБП.
Описание области применения МУБП, что позволяет наиболее рационально использовать его в СЭ.
Анализ переходных процессов, возникающих при АВР, и зависимости, позволяющие определять границы синфазности источников питания исходя из качества электроснабжения при ожидаемых переходных процессах.
Алгоритм управления и структура МУБП, позволяющая позволяющие обеспечить высокое качество электроснабжения потребителей при АВР, реализовав безразрывное переключение несинфазных сетей, и повысить энергоэффективность СЭ с МУБП.
Методика проектирования МУБП, в основе которой лежит выбор типа и параметров источника энергии звена постоянного тока преобразователя, позволяющая проектируемому устройству обеспечить заданное качество электроэнергии для потребителя.
Реализация работы. Основные научные и практические результаты использованы при подаче заявки на патент «Устройство резервного энергоснабжения» МЭИ (ТУ) и при разработке новых устройств АВР, как самостоятельных изделий, так в качестве составных частей других устройств, в ЗАО «ЭЛСИЭЛ».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях ВНТКС «Электротехника; электроника и микропроцессорная техника - 2005» (Донецк, Украина), Юбилейной научной конференции 2006. (Пловдив, Болгария), а также на ежегодных международных научно-инженерных конференциях студентов и аспирантов 2005-7 (каф. ЭиЭА, МЭИ, Москва).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них: 1 - статья в издании по спискам ВАК («Электротехника»); 1 - положительное решение ФГУ ФИПС о выдаче патента на изобретение по заявке № 2005141347/09(046066) от 29.12.05 «Устройство резервного энергоснабжения».; 1 - Статья в международном иностранном сборнике; 4 -работы в материалах международных научно-инженерных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объем
работы составляет 173 стр. и содержит 119 рисунка, 7 таблиц, 77 наименований списка литературы.
Существующие способы реализации автоматического включения резервного питания
С развитием науки, техники, технологий, полупроводниковой электроники, модернизировались и устройства АВР.
Развитие силовых полупроводников и появление мощных тиристоров [І2Л.4] дзло возможность заменить ими электромеханические ключи, уменьшив тем самым время подключения и отключения сетей и, следовательно, суммарное время ввода резерва. В первых наиболее распространенных полупроводниковых переключателях коммутация потребителей с основной сети на резервную и обратно осуществлялась тиристорными контакторами с естественной (ТКЕП) или искусственной (ТКИП) коммутацией [2,3,15]. Однако эти устройства обладали большими массогабаритными параметрами, длительным временем переключения и меньшим коэффициентом полезного действия по сравнению с электромеханическими АВР. Для совмещения таких качеств как скорость коммутации и низкие потери в устройствах АВР стали использовать гибридные схемы. Такой принцип используется, например, в переключающих устройствах фирмы Mitsubishi Electric Corp. [4] (рис. 1.2.1).
Повышенное быстродействие системы, показанной на рис. 1.2.1, обеспечивается за счет её структуры и метода переключения. Первоначально, при питании от источника 1 ключ 10 замкнут, ключ 12 разомкнут, переключатель 18 в положении Ь, тиристоры 8 выключены (рис. 1.2.2, а). При переключении (рис. 1.2.2, б, в) ключ 10 начинает размыкаться, одновременно включаются тиристоры 8 и в системе начинают протекать уравнительный /Ши основной iBPSl токи. После отключения ключа 10 и до включения ключа 12 нагрузка питается через тиристорный модуль 8 (ток іТН) (рис. 1.2.2, г). После включения ключа 12 тиристоры выключаются и переключатель 18 переходит в положение а (рис. 1.2.2, д). Нагрузка питается через электромеханический ключ 12 (ток iBPS2) и устройство готово к обратному переключению. Появление MOSFET и IGBT транзисторов с улучшенными характеристиками (на токи порядка 640 А при обратном напряжении 600В) [16, 11,13., 19, 20] позволили на их базе создать полупроводниковые контакторы на мощности в несколько десятков кВт. Причем отключение таких полупроводниковых ключей происходит сразу после снятия управляющего сигнала, что повышает быстродействие АВР. На большие мощности для тех же целей применяются GTO (запираемые) тиристоры, которые в настоящее время достигли максимальных значений напряжения порядка 6 кВ и тока порядка 6 кА [21].
Полупроводниковые ключи на основе последовательно соединенных MOSFET транзисторов 16, \6\ 18, 18 со встречно-параллельными диодами 30, 30 , 32, 32", коммутируемые блоками управления, выбора и горячей замены 12, 14, применила фирма Analog Devices в своей разработке быстродействующего многоканального переключателя нескольких источников питания Channel А, Channel В [22] (рис. 1.2.3).
Большая скорость переключения (порядка нескольких сот наносекунд) 1GBT транзисторов позволила ЗАО «ЭЛСИЭЛ» реализовать в устройстве быстродействующем переключающем (УБП) [23] (рис. 1.2.4) новый алгоритм включения АВР, позволяющий избежать перенапряжений, возникающих при коммутациях.
Принцип работы УБП заключается в следующем: при переключении с основной сети на резервную, сначала выключаются ключи VT1 и VT2, отключая аварийную сеть, и коммутируются ключи VT5 и VT6, создавая замкнутый контур для токов нагрузки. Индуктивность Ы ограничивает скорость нарастания токов нагрузки через ключи VT5 и VT6, а также скорость возможных токов короткого замыкания в нагрузке, чтобы дать время системе управления на оценку ситуации, принятие решения и отключение потребителя. Затем, либо через время «мертвой паузы», в случае синфазного переключения, либо через 10 мс, в случае несинфазного переключения, ключи VT5 и VT6 выключаются, и происходит подключение резервной сети коммутацией ключей VT3 и VT4. Если напряжение основной сети приходит в норму, то система управления, после определенной задержки, осуществляет автоматическое переключение на основную сеть по обратному алгоритму. Заземление нагрузки при переключении позволяет рассеять запасенную в её реактивных элементах энергию и избежать уравнительных токов и перенапряжений при коммутациях.
Все представленные выше силовые схемы основаны на поиске компромисса для каждой конкретной технической задачи между полупроводниковыми ключами, обладающими с одной стороны малым временем включения и выключения, а с другой - значительными потерями в проводящем состоянии и отсутствием гальванической развязки, и электромеханическими ключами, которые имеют меньшее быстродействие, но потери в проводящем состоянии у них меньше и в разомкнутом состоянии они обеспечивают гальваническую развязку.
С целью повышения надежности и быстродействия устройств АВР параллельно с развитием и модернизацией силовой части совершенствовались системы управления этих устройств. В Калужском научно-исследовательском институте была разработана система управления (рис. 1.2.5) [24], основанная на сравнении синхронизированного опорного сигнала (блоки 5 и 6) с сигналом, пропорциональным напряжению основного источника питания (блок 7). При
Эта система управления проста в реализации и имеет повышенное быстродействие при пропадании напряжения основной сети, но эта схема имеет очень узкую область применения. Она не подходит для случаев, когда: ? причиной отсутствия напряжения основного источника является короткое замыкание; ? напряжение основного источника превышает допустимое значение; ? имеет слабую помехоустойчивость. В НПО «Меридиан» была предложена более сложная структура системы управления [25], позволяющая контролировать большее количество параметров (рис. 1.2.6). с одного источника переменного тока на другой.
Устройство переключения (рис. 1.2.6), в отличие от предыдущего устройства, контролирует напряжения обеих сетей идентичными блоками контроля качества электроэнергии 1 и 2. Напряжение проверяется не только на отклонение ниже допустимых границ (блоки 5 и 7), но и на превышение этих границ (блоки 6 и 8) и провал ниже 50% от номинального значения (блок 10). Так же осуществляется контроль частоты напряжений обоих источников. Для повышения надежности и помехозащищенности в каждом контролирующем канале установлены элементы задержки исчезновения и появления (блоки 11-18).
Переходные процессы при автоматическом включении резервного питания двигательной нагрузки после обрыва основной сети
Для разработки нового принципа переключения, составления алгоритма переключения и структуры МУБП необходимо проанализировать переходные процессы и определить отрицательное влияние этих процессов, для чего следует произвести моделирование процессов, имеющих место в СГЭ при АВР существующими устройствами. Для этого необходимо разработать модель энергосистемы с основным и резервным источниками электропитания, ключами, потребителем, системой управления, и провести анализ переходных процессов, возникающих при АВР в энергосистемах с обычными переключающими устройствами при двигательной нагрузке. Результаты необходимо представить в виде зависимостей между амплитудой уравнительных токов и разницей начальных фаз напряжения основного и резервного источников питания, а так же между амплитудой уравнительных токов и длительностью паузы при переключении основного и резервного источников питания.
Моделирование осуществляется в программной среде Matlab 6.5 [8] с использованием встроенных элементарных моделей.
Стандартная схема переключения электроснабжения потребителя на резервный источник питания [22-29], взятая за основу для моделирования, представлена на рис. 2.3.1. Рис. 2.3.1. Схема переключения на резервный источник питания, где 1 основной источник электроснабжения; 2 - резервный источник электроснабжения; 3,4- механические ключи; 5 - нагрузка.
Выбор в качестве нагрузки двигателя обуславливается тем, что именно такой тип потребителя наиболее уязвим при несинфазных переключениях сетей (п.1.1.). Так, если после полной полуволны напряжения основного источника проходит полная полуволна напряжения резервного источника той же полярности, то в нагрузке наблюдается эффект намагничивания и, как следствие, броски тока, а после резкой смены полярности питающего напряжения, возможен динамический удар. Максимальные значения переходных токов и перенапряжений ожидаются при углах между начальными фазами напряжений сетей близких к 180.
На рис. 2.3.2 представлена модель СГЭ с моделями асинхронного двигателя, источников питания ограниченной мощности, механических ключей и длинной линии с распределенными параметрами.
Мощность питающей сети ограничена, однако её значение значительно превышает номинальную мощность потребителя, чтобы избежать значительного снижения напряжения при пуске двигателей. Поэтому, в качестве модели источника электроснабжения (рис. 2.3.3), используется встроенная модель трехфазного генератора напряжения с нейтралью и незначительным, порядка 1% от значения потребителя) внутренним сопротивлением, подключенная к потребителю через модель трехфазного линейного трансформатора со схемой соединения А/А - 0. Мощность трансформатора основного источника электропитания превышает мощность нагрузки в 2 раз, а резервного - в 1.1 раза, что близко к реальным условиям эксплуатации СЭ. Резервное оборудование большую часть периода эксплуатации простаивает, а стоимость оборудования пропорциональна его мощности.
В качестве ключей, отключающих один источник электропитания и подключающих другой, в СЭ с АВР по целому ряду причин зачастую используются механические ключи, которые по сравнению с полупроводниковыми имеют: - гораздо меньшее сопротивление в проводящем состоянии и не требуют охладителя; - меньшую себестоимость;
Отключение источника переменного тока электромеханическим контактором, так же как и тиристорным с естественной коммутацией, имеет свои особенности: после подачи сигнала на отключение контактор ,отключает каждую фазу источника напряжения только после перехода тока в соответствующей фазе через ноль. Таким образом, момент отключения фазы может отстоять во времени от момента подачи сигнала на отключение на время от 0 до 10 мс и зависит от того, в какой фазе находится напряжение в момент подачи сигнала. Чтобы учесть эту особенность, была создана модель контактора, представленная на рис. 2.3.4. Отметим также, что время собственное включения и выключения контактора может составлять от 15 до 150 мс. При моделировании это время не учитывалось, так как при реализации реальной схемы включения механического ключа легко осуществить предварительную заблаговременную подачу сигнала управления.
Для большей достоверности, в модели учитывается активно-индуктивное сопротивление линии и активно-емкостное сопротивление изоляции линии на землю, равное 5% от полного сопротивления нагрузки. При моделировании подводящей линии используется П-схема замещения длинных линий [57]. В основе модели асинхронного двигателя лежит классическая Т-образная электрическая схема замещения с сосредоточенными параметрами [8, 50] и следующими допущениями: ? насыщение магнитного материала не учитывается, ? учитываются активные сопротивления обмоток,
Структура многофункционального устройства безразрывного переключения сетей
Для осуществления несинфазных переключений источников электроснабжения потребителя предлагается использовать многофункциональное устройство безразрывного переключения (МУБП), которое имеет структурную схему, представленную на рис.3.2.1. Рис. 3.2.1. Структурная схема МУБП, где: 1 - основная сеть; 2 - датчик напряжения основной сети; 3 и 4 - механический контактор, подключающий основную сеть; 5 - резервная сеть; 6 - датчик напряжения резервной сети; 7 и 8 - механический контактор, подключающий резервную сеть; 9 - потребитель; 10 - система управления; 11 - выходной датчик тока; 12 - датчик напряжения, подводимого к потребителю; 13 -преобразователь напряжения; 14 и 15 входные датчики тока. На рис. 3.2.1 показаны связи функциональных блоков МУБП и направления передачи сигналов. Данная структура является минимальной и достаточной для выполнения поставленных задач. При питании потребителя от основной сети механический ключ 3 замкнут, а механический ключ 7 -разомкнут. Посредством датчика напряжения (ДН) 2 система управления (СУ) 10 отслеживает параметры напряжения основной сети 1. Посредством датчика тока (ДТ) 11 СУ контролирует ток нагрузки 9. Одновременно через ДН 6 СУ контролирует параметры напряжения резервной сети 5. Для вышеперечисленных напряжений осуществляется контроль следующих параметров: - амплитуда, UMAX! - действующее значение, URMS; - частота, f; - наличие постоянной составляющей; - переход напряжения через 0 от отрицательных значений к положительным. Напряжение основной сети имеет две категории качества: - напряжение «в норме»; - напряжение «допустимо». Напряжение резервной сети имеет одну категорию качества - напряжение «в норме». Напряжение основной сети считается «в норме», если оно соответствует требованиям ГОСТ 13109-97. Напряжение резервной сети считается «в норме», если оно соответствует требованиям ГОСТ 13109-97, однако, мощность резервного источника электроснабжения составляет приблизительно 110% - 125% от номинальной мощности потребителя, в то время как мощность основного источника должна быть не менее 150% от номинальной мощности потребителя. Возможен и такой вариант ранжирования качества напряжения источников электропитания, когда напряжение основной сети можно считать «в норме», только если его показатели не отклоняются больше нормально допустимых значений ГОСТ 13109-97. Напряжение
резервной считается «в норме», если его показатели не отклоняются больше предельно допустимых значений. Таким образом, к источнику основного электропитания применяются более жесткие требования. Напряжение основной сети считается «допустимым» для переключения на него, если один из его контролируемых показателей отклонился от границ, указанных ГОСТ, но не более чем в 2 раза. Двойное ранжирование качества напряжения основной сети необходимо для того, чтобы была возможность осуществлять электроснабжение нагрузки в следующих случаях: - напряжение основной и резервной сети не «в норме», но напряжение основной сети является «допустимым»; - при включении потребителя параметры основной сети выходят за «нормальные» границы, но не выходят за «допустимые» границы, а напряжение резервной сети «в нор е», и, следовательно, происходит переключение на резервный источник питания. После коммутации параметры основной сети снова приходят «в норму», и осуществляется обратное переключение. Если такая ситуация повторяется более чем 3 раза за 10 минут, то СУ принимает решение питать потребителя от основного ввода. На рис. 3.2.2. представлен вышеописанный алгоритм переключения питающих вводов в зависимости от их напряжений.
Переключение с основного источника электропитания на резервный осуществляется следующим образом. При питании нагрузки от основной сети преобразователь напряжения работает в режиме холостого хода, обеспечивая подзаряд накопительного конденсатора на стороне постоянного тока преобразователя и по необходимости коррекцию коэффициента мощности нагрузки и/или подавление высших гармоник. СУ постоянно отслеживает и запоминает контролируемые параметры напряжений основной и резервной сетей. При возникновении аварийной ситуации, требующей переключения на резервное энергоснабжение, происходит отключение основной сети соответствующим контактором (3 и 4). Однако механические ключи имеют собственное время срабатывания, обусловленное конструктивными особенностями. Для контакторов на напряжение 380/600 В и мощность порядка нескольких кВт время включения составляет порядка 30-100 мс. Это время накладывает своё ограничение на длительность переключения источников электроснабжения - время переключения не может быть меньше суммы времени включения и отключения контактора. Одновременно с подачей сигнала на отключение механического ключа 3 на электропривод 4 преобразователь (ПН) создаёт напряжение, повторяющее по форме напряжение основной сети до момента возникновения аварийной ситуации. В зависимости от причин аварии возможны несколько вариантов работы преобразователя в течение времени срабатывания контактора: 1. Авария вследствие «обрыва» питающей сети. Преобразователь работает в режиме стабилизации напряжения и может начать изменять начальную фазу своего напряжения с первого момента работы; 2. Авария вследствие «короткого замыкания» питающей сети. Преобразователь работает в режиме стабилизации тока до размыкания контактора аварийного ввода и может начать изменять начальную фазу своего напряжения с первого момента работы. После отключения поврежденного источника преобразователь напряжения переходит в режим стабилизации напряжения. Можно отметить следующие варианты питания нагрузки: а) удаленное от входного контактора короткое замыкание преобразователь работает в режиме стабилизации тока до размыкания контактора аварийного ввода и может начать изменять начальную фазу своего напряжения с первого момента работы. С точки зрения потребителя, такая авария будет выглядеть как питание от пониженного напряжения (например, до места короткого замыкания сопротивление линии составляет 1,5 Ом, тогда, если АИН обеспечит токоограничение на уровне 150 А, напряжение на входе МУБП составит 225 В); б) короткое замыкание на входе МУБП - преобразователь напряжения не целесообразно включать до момента отключения поврежденной линии, так как напряжение на входе устройства будет практически равно нулю. Для определения удаленное или нет короткое замыкание, необходимо сразу после выявления аварии на питающем вводе перевести ПН в режим генерации напряжения, и если он перейдет в режим токоограничения, измерить напряжение на входных датчиках напряжения аварийной сети. Наличие
Особенности проектирования системы управления
При проектировании системы управления МУБП следует учесть ряд особенностей. 1. При проектировании параллельных активных фильтров и СТАТКОМов на выходе этих устройств необходимо устанавливать датчики тока. Однако, согласно первого правила Кирхгофа [57], можно использовать имеющиеся датчики (рис. 3.2.1), а недостающие значения получать вычитая из токов нагрузки токи сети. 2. Сигналы, поступающие с датчиков тока и напряжения необходимо согласовывать с входом АЦП микропроцессора, для чего их амплитуду необходимо уменьшить до значения 0.5 от максимально входного напряжения АЦП (ІІВХАЦП) и осуществить смещение сигнала с нулевого до 0.5 11ВХ_АЦП [69, 20]. 3. Микропроцессор, на базе которого строится система управления, должен обладать: а) большой разрядностью (16 или 32 бита) для лучшей точности управления; б) большой тактовой, частотой, а значит и скоростью вычисления (десятки или сотни МГц); в) обладать большим числом быстродействующих АЦП (для оцифровывания 9 каналов с датчиков напряжения и 9 каналов с датчиков тока.). В некоторых случаях можно уменьшить количество оцифровываемых каналов. Например в трехфазных сетях без нейтрали можно отказаться от одного датчика тока, и получать значение этого тока путем вычислений, отталкиваясь от двух известных значений. При нехватке каналов АЦП в самом микроконтроллере возможна установка внешних микросхем АЦП [\6, Г7,7TJ. В качестве микропроцессора предлагается использовать микроконтроллеры фирмы Texas [72] серии TMS320F28xx. Их сравнительные данные приводятся в таблице 1 приложения Б. На рис. 2 приложения Б приводится функциональная блок-схема микроконтроллера TMS320F2810. В четвертой главе рассмотрены вопросы проектирования МУБП. 1. Разработана методика проектирования силовой части МУБП: а) предложены критерии выбора основной методики проектирования; б) предложены три варианта определения длительности переключения; в) предложены три варианта накопителей энергии для звена постоянного тока АИН. 2. Сформулированы особенности при разработке системы управления МУБП: а) предложен способ уменьшения количества датчиков тока; б) предложен вариант согласования сигналов датчиков и входов АЦП; в) предложены критерии для выбора микроконтроллера и предложена конкретная серия микроконтроллеров, удовлетворяющая этим критериям. Макетирование и физическое моделирование - этап разработки изделия, который позволяет подтвердить основные принципы, заложенные в изделии, сделать корректировку параметров, сказать, на сколько были правомерны сделанные на первых этапах разработки допущения. Всё это позволяет выделить физическое моделирование как отдельный важный этап разработки и проектирования МУБП. Однако, не всегда присутствует необходимость в полном макетировании всего устройства.
Большая часть применяемых в МУБП силовых блоков и частей, таких как, например, АИН, широко известна и часто применяема, поэтому их проверка физическим моделированием не целесообразна. Некоторые фирмы выпускают готовые блоки АИН с оконечными каскадами управления или «драйверами». Например, фирма Semikron [73] предлагает свои продукты серии Semicube: АИН определенной мощности, смонтированный на охладителе. Радиатор, способ его обдува, расположение силовых полупроводниковых ключей в модульном исполнении, рассчитаны и подобраны инженерами Semikron оптимальным способом для интенсификации охлаждения. Эти блоки, так называемые «кубики», комплектуются стандартными драйверами и электролитическими конденсаторными батареями в качестве накопителя энергии. Технологически «кубики» можно объединять как параллельно, так и последовательно, что обеспечивает гибкость при проектировании мощных преобразователей. Собранную по технологии Semicube силовую часть преобразователя остается лишь соединить с системой управления, что позволяет значительно ускорить изготовление устройства.
Физическим моделированием целесообразно проверить работоспособность наиболее ответственных блоков и алгоритмов системы управления МУБП. Так как в п.3.2. предлагается использовать микроконтроллеры фирмы Texas [72] 128 серии TMS320F28xx, то за основу была взята плата системы управления «СУ_ТКЕП» на основе микроконтроллера TMS320F2810. Электрическая принципиальная схема этой системы управления и её фотография приведены на рис. 1-4. приложения В.
В качестве источника питания для платы системы управления «СУ_ТКЕП» применялся источник постоянного напряжения Matrix MPS-3002L-3 (таблица 1. приложения В).
При осуществлении моделирования особо следует отметить применяемые измерительные средства, от которых зависит точность, а значит и достоверность проводимых исследований. При моделировании использовались следующие средства измерения: 1. Осциллограф цифровой Tektronix TDS 3014В (таблица 2. приложения В). 2. Цифровой мультиметр Fluke 777(таблица 3. приложения В).
