Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние системы тягового электроснабжения на качество электропитания нетяговых потребителей 10
1.1. Влияние качества электроснабжения на функционирование электронной аппаратуры нетяговых потребителей 10
1.2. Влияние отклонения напряжения питающей сети на надежность функционирования устройств СЦБ 15
1.3. Экспериментальная оценка величины провала напряжения при подключении преобразовательных агрегатов на тяговых подстанциях 21
1.4. Объект исследования 26
1.5. Выводы 29
2. Анализ переходных процессов и способов снижения броска тока при включениях трансформатора 30
2.1. Процесс включения трансформатора 30
2.1.1. Схемы замещения для моделирования процессов в трансформаторе с насыщением стали 31
2.1.2. Влияние насыщения стали на процесс включения трансформатора 35
2.2. Остаточная индукция в стали стержня трансформатора 41
2.3. Электродинамические силы при броске тока включения 47
2.4. Способы снижения броска тока включения 50
2.4.1. Изменение конструктивных особенностей трансформатора 50
2.4.2. Применение дополнительного оборудования в цепи подключения трансформатора 52
2.4.3. Управление моментами отключения и включения трансформатора 56
2.5. Выводы 59
3. Разработка математической модели переходного процесса при включении тягового трансформатора 61
3.1. Анализ методов расчета переходных процессов в трансформаторах 61
3.1.1. Графические методы расчета переходных процессов в нелинейных цепях ;
3.1.2. Аналитические методы расчета переходных процессов в нелинейных цепях 63
3.1.3. Численные методы расчета переходных процессов в нелинейных цепях 68
3.2. Модель трансформатора на основе нелинейной магнитной характеристики стали 70
3.2.1. Включение однофазного трансформатора на холостой ход 70
3.2.2. Включение однофазного трансформатора на нагрузку 78
3.3. Модель трехфазного тягового трансформатора на основе нелинейной магнитной характеристики стали 80
3.4. Выводы 94
4. Требования к коммутационным аппаратам 96
4.1. Дуговые процессы при отключении преобразовательных агрегатов 97
4.1.1. Процесс гашения дуги в вакууме 98
4.1.2. Отключение преобразовательного агрегата вакуумным выключателем 101
4.2. Оценка динамических характеристик вакуумных выключателей.. 103
4.2.1. Стабильность временных характеристик вакуумного выключателя BB/TEL 104
4.2.2. Стабильность временных характеристик вакуумного выключателя ВВТЭ 108
4.2.3. Стабильность временных характеристик вакуумного выключателя ВБЭ 113
4.3. Выводы 119
5. Разработка и эффект от применения устройства снижения бросков тока при включении преобразовательного агрегата 121
5.1. Разработка алгоритма работы устройства 121
5.2. Принцип работы и схема подключения устройства 129
5.3. Эффективность применения УСВТ на тяговой подстанции 133
5.4. Оценка адекватности математической модели тягового трансформатора 140
5.5. Выводы 143
6. Оценка экономической эффективности от внедрения устройства снижения бросков тока при включении преобразовательных агрегатов 144
6.1. Показатели экономической эффективности 144
6.2. Расчет годового экономического эффекта, капитальных и эксплуатационных затрат 147
6.3. Оценка экономической эффективности 151
Заключение 154
Библиографический список
- Влияние отклонения напряжения питающей сети на надежность функционирования устройств СЦБ
- Схемы замещения для моделирования процессов в трансформаторе с насыщением стали
- Графические методы расчета переходных процессов в нелинейных цепях
- Отключение преобразовательного агрегата вакуумным выключателем
Введение к работе
Актуальность исследования. В последние годы на железнодорожном транспорте наблюдается повышение весовых норм поездов, это вызывает увеличение тяговых нагрузок и, как следствие, более частое автоматическое подключение на тяговых подстанциях резервных преобразовательных агрегатов параллельно работающим, что сопровождается провалами питающего напряжения преобразовательных агрегатов. В ряде случаев величина провала напряжения превышает 30 %, что не удовлетворяет требованиям ГОСТ 13109-97 и Правилам технической эксплуатации железных дорог РФ. Выход напряжения за установленные нормы может привести к серьезным сбоям в работе устройств нетяговых потребителей. Например, в работе устройств сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ) и связи наблюдались случаи излишних переходов с основного питания на резервное и обратно, ложного срабатывания модернизированных комплектов технических средств (КТСМ) и устройств контроля схода подвижного состава (УКСПС), перекрытия маневровых сигналов, сбоев в работе цифровой аппаратуры.
В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.», утвержденной распоряжением Правительства РФ Лг 877-3 от 17 июня 2008 г., одними из ключевых направлений развития железнодорожного транспорта являются повышение весовых норм поездов, увеличение грузооборота и масштабная информатизация и компьютеризация железнодорожного транспорта с внедрением высокоинтеллектуальных и высокочувствительных вычислительных и коммуникационных комплексов. Это делает рассматриваемую в диссертации проблему особо актуальной.
Причиной провалов напряжения в моменты подключения преобразовательных агрегатов является бросок тока в тяговом трансформаторе. Значительный вклад в изучение явления бросков тока при включении трехфазных силовых трансформаторов внес большой коллектив отечественных ученых и инженеров, среди которых можно отметить Б. Г. Марквардта, А. И. Лурье, Л. В. Лейтеса, А. И. Вольдека, А. Д. Дроздова, М. X. Зихермана, С. Б. Васю-тинского, Е. И. Левицкую, А. Н. Панибратеца, В. А. Кузьменко, А. С. Засып-кина, В. С. Чуприкова и др.
Применение известных способов снижения бросков тока включения на железнодорожном транспорте не является эффективным из-за специфики работы системы тягового электроснабжения.
Цель работы - повышение качества электрической энергии питания нетяговых потребителей путем минимизации бросков тока, снижающей провалы напряжения, в моменты подключения преобразовательных агрегатов на тяговых подстанциях за счет использования разработанного устройства синхронного включения трансформатора.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:
-
выполнить анализ сбоев и отказов устройств нетяговых потребителей .по причине нестабильного электропитания и провести экспериментальную оценку влияния системы тягового электроснабжения в моменты подключения преобразовательных агрегатов на функционирование устройств нетяговых потребителей;
-
проанализировать существующие способы и технические мероприятия, направленные на оптимизацию переходного процесса при коммутациях трансформатора;
-
разработать математическую модель тягового трансформатора и получить расчетные уравнения для определения параметров, входящих в алгоритм управления процессом включения трансформатора;
-
оценить стабильность динамических характеристик вакуумных выключателей и установить зависимость изменения собственного времени включения и отключения выключателя от изменения напряжения цепей управления и температуры окружающего воздуха;
-
разработать и внедрить устройство для снижения бросков тока при включении тягового трансформатора;
-
выполнить оценку технико-экономической эффективности предлагаемого решения.
Методы исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования, а также имитационное моделирование переходного процесса при включении тягового трансформатора. В работе использованы основные законы и методы расчета нелинейных электрических и магнитных цепей, методы численного интегрирования, а также положения математической статистики и теории вероятностей. Для повышения точности анализа и вычислений применялись современные методы вычислительной техники и прикладного математического обеспечения в средах Mathcad, Mat-lab и Simulink. Экспериментальные исследования проведены с использованием регистратора аварийных событий «ТрансАУРА», четырехканалыюго
осциллографа Tektronix TDS 2014 с последующим применением пакета прикладных программ для обработки полученных данных.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
разработаны математические модели однофазного и тягового трехфазного трансформаторов на основе нелинейной характеристики намагничивания стали;
-
установлена зависимость кратности броска тока включения от сочетания моментов отключения и включения трансформатора относительно опорного напряжения, позволяющая исключить броски тока при включении трансформатора.
Достоверность научных положений и результатов диссертации обоснована теоретически и подтверждается на основе критерия Смирнова совпадением результатов бросков тока и провалов напряжения, полученных на.математических моделях в разных системах моделирования, с результатами экспериментальных исследования на действующей тяговой подстанции Западно-Сибирской железной дороги.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1) разработанные математические модели однофазного и тягового
трехфазного трансформаторов позволяют анализировать переходный процесс
при включении трансформатора с учетом нелинейной характеристики намаг
ничивания стали;
-
установленная зависимость кратности броска тока включения от сочетания моментов отключения и включения дает возможность использовать их оптимальное сочетание для исключения бросков тока;
-
полученные зависимости изменения собственного времени отключения и включения вакуумного выключателя от изменения напряжения цепей управления и температуры окружающего воздуха позволяют получить максимальный эффект от предлагаемого способа снижения бросков тока включения.
Реализация результатов работы. Разработанное устройство снижения бросков тока при включении преобразовательного агрегата внедрено на действующем оборудовании тяговой подстанции (ТП) Любинская Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД). Акт внедрения приведен в диссертационной работе.
Апробация работы. Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на II международной научно-практической конференции «Современные направления научных исследований» (Екатеринбург, 2010); на X научно-практической конференции «Безопасность дви-
жения поездов» (Москва, 2009); на научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа в 2006 - 2011 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, и один патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка из 129 наименований и приложения на 10 страницах и содержит 165 страниц печатного текста, 70 рисунков, семь таблиц.
Влияние отклонения напряжения питающей сети на надежность функционирования устройств СЦБ
Устройства СЦБ представляют собой функционально сложные системы, которые состоят из определенного количества структурных узлов, работоспособность которых в различной степени напрямую зависит от напря- жения питания Un. Для анализа влияния провалов напряжения питания Un рассмотрим обобщенную структурную схему сигнальной точки СЦБ, приведенную на рисунке 1.5, где ПК и РК - аппаратура питающего и релейного концов рельсовой цепи (РЦ) соответственно; ПР - путевое реле, контролирующее свободность РЦ; z - сопротивление, осуществляющее регулирование путевого тока /Пк на входе рельсовой нити для достижения требуемой величины тока Трк на выходе рельсовой нити; ПИ - аппаратура сигнальной точки, предназначенная для преобразования информации, полученной от РК или других объектов, что необходимо для функционирования сигнальной точки СЦБ; Св - светофор сигнальной точки; ТУЛ - линейный трансформатор, преобразующий переменное напряжение В Л СЦБ 6 или 10 кВ в напряжение питания Un сигнальной точки, где Un = 220 В; TVn - путевой трансформатор сигнальной точки [17]. Направление движения поездов по рассматриваемому участку пути показано стрелкой.
Основными и наиболее значимыми функциональными узлами сигнальной точки, работоспособность которых зависит от напряжения питания, являются питающий конец рельсовой цепи (ПК), аппаратура преобразования информации (ПИ) и светофор (Св). Для определения влияния провалов напряжения Ї7П на функционирование сигнальных точек необходимо отдельно рассмотреть наиболее ответственные функциональные узлы сигнальных точек, для которых провалы напряжения могут привести к значительным негативным последствиям.
Представленные на рисунке 1.5 функциональные узлы являются типовыми для использования как в перегонных, так и в станционных устройствах, поэтому сделанные выводы могут распространяться практически на любые виды устройств СЦБ, находящихся в эксплуатации на железнодорожном транспорте.
Рассмотрим влияние провалов напряжения /п на работоспособность функциональных узлов сигнальной точки СЦБ, показанных на рисунке 1.5.
Одним из наиболее ответственных элементов, обеспечивающих безопасность движения поездов, являются рельсовые цепи, которые выполняют функции контроля свободности и занятости участков пути на станциях и перегонах.
Рельсовые цепи могут функционировать в трех режимах работы: нормальном, шунтовом и контрольном. Основными являются нормальный и шунтовой режимы, так как в основном они обеспечивают установленную пропускную способность участков пути и наиболее полно практически реализуют условия безопасности движения поездов. Для этих режимов работоспособность РЦ должна выполняться в полном объеме.
Критериями работоспособности РЦ является включенное состояние путевого реле при свободности участка пути (нормальный режим работы РЦ) и выключенное его состояние при занятости участка пути подвижным составом (шунтовой режим).
Работоспособность РЦ определяется значениями ряда параметров, например, полным сопротивлением рельсовой нити, в которую входят последовательно соединенные рельсы и рельсовые соединители. Полное сопротивление рельсовой нити обусловлено её активной и индуктивной составляющими. Наиболее значимым параметром рельсовых цепей является электрическое сопротивление верхнего строения пути, в которое входят сопротивления балласта и шпал. Для сети железных дорог принята минимально допустимая норма сопротивления балласта 1 Ом/км, которую должен обеспечивать эксплуатационный штат дистанции пути. В зависимости от атмосферных условий сопротивление балласта может изменяться в сотни раз и более.
Как показывают приведенные данные, зависимость напряжения Up на путевом реле от напряжения питания Un и параметров рельсовой цепи носит комплексную форму, имеет сложный многофакторный характер и определяется параметрами, точное прогнозирование которых чрезвычайно затруднительно, а иногда практически невозможно. Это обусловливает необходимость введения определенных, но достаточно корректных допущений. Для дальнейшего анализа примем, что зависимость между Un и Up имеет вид [15]: Up=W?n-Un, (1.1) где Грц - обобщенная функция РЦ, в которую входит все многообразие параметров рельсовой нити и аппаратуры питающего и релейного концов РЦ, определяющих характеристики передачи энергии сигнального тока от источника Un на путевое реле. Примем, что функция Жрц является линейной для измерения токов и напряжений, существующих в элементах РЦ. Условием работоспособности РЦ для нормального режима работы служит выполнение неравенств: Ц с/рпр; оПР / р —- рПР (1-2) где ир ПР и 7р пр - напряжение и ток надежного притяжения якоря ПР соответственно. Как видно из сравнения выражений (1.1) и (1.2), любое увеличение напряжения Un, в том числе и выше заданных норм, всегда будет удовлетворять неравенствам (1.2), поэтому в нормальном режиме работы рельсовая цепь будет нечувствительна к выходу за верхний предел напряжения С/п.
Снижение значения напряжения Un и выход его за пределы допустимых норм приведет к уменьшению тока 1Р и напряжения Up, что вызовет невыполнение неравенств системы (1.2). Кроме этого наихудший случай влияния снижения напряжения Un на работу РЦ имеет место при минимальном сопротивлении балласта, что приведет к протеканию максимального тока через балласт. Аналогичный вывод можно сделать для случая, когда сопротивление рельсовых нитей максимально.
Таким образом, уменьшение напряжения Un и выход его величины за пределы допустимой нижней нормы могут вызывать ложную занятость РЦ с соответствующими возможными задержками поездов.
Не менее важным функциональным узлом сигнальной точки СЦБ является аппаратура преобразования информации устройств СЦБ, которую можно разделить на две основные группы. К первой из них относятся электромагнитные реле и некоторые электронные приборы, которые допускают относительно большие изменения напряжения /п, а также не только традиционные устройства СЦБ, обеспечивающие контроль участков пути и выполняющие соответствующие взаимосвязи между стрелками и сигналами, но и такие, как ДИСК, КТСМ, УКСПС, АСК-ПС, САУТ и другие, выполняющие функции контроля состояния подвижного состава в пути следования, передачи информации и т. п. Вторая группа устройств содержит аппаратуру, для которой стабильность напряжения питания Un электронных элементов, например интегральных микросхем (ИМС), является одним из основных факторов ее надежного функционирования. Очевидно, что первая группа аппаратуры относится к традиционным и широко распространенным на сети дорог устройствам СЦБ, а вторая - к новым и перспективным, например, микроэлектронным системам, внедрение которых происходит на железнодорожном транспорте в настоящее время. Надежная работа аппаратуры СЦБ, относящейся к первой группе, возможна, когда напряжение питания сигнальных точек лежит в пределах допустимых норм. В ряде случаев стабильности напряжения питания можно добиться путем введения в аппаратуру сигнальных точек специальных стабилизаторов напряжения. Однако на практике такие стабилизаторы часто отсутствуют и поэтому качество питающих напряжений Un обеспечивается путем принятия нестандартных мер, которые во многих случаях противоречат правилам эксплуатации, вызывают задержки поездов и могут в некоторых случаях нарушить условия безопасности движении [15].
Схемы замещения для моделирования процессов в трансформаторе с насыщением стали
Графическими называют методы, в основе которых лежат графические построения на плоскости. Особенность его в том, что при нем используется действительная характеристика нелинейного элемента без замены ее какой-либо другой близкой к ней характеристикой и конкретные параметры цепи. При таком отношении метод является весьма точным.
Основными графическими методами являются [32, 33, 37] методы графического интегрирования, изоклин и фазовой плоскости.
Метод графического интегрирования заключается в последовательном нахождении площадей под соответствующей подынтегральной функции кривой. Данный метод применяется в цепях, где переходные процессы описываются дифференциальными уравнениями первого порядка с разделяющимися переменными.
Метод изоклин является одним из наиболее широко используемых графических методов приближенного интегрирования и применяется для решения уравнения первого порядка вида = f(x,t), (3.1) at для которого в плоскости х — t по уравнениям изоклина/(х, = к строятся изоклины для различных значений углового коэффициента к. Вдоль каждой изоклины наносятся черточки с наклоном, определяемым соответствующим значением к, а затем строится интегральная кривая так, чтобы она пересекала каждую изоклину параллельно нанесенным на ней черточкам. Полученная кривая и является графиком искомой зависимости x(t).
Метод фазовой плоскости осуществляет исследование процессов в нелинейных цепях, описываемых дифференциальными уравнениями первого и второго порядка. Без непосредственного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений этот метод дает возможность получить представление о процессе в целом. Исследования, проводимые методом фазовой плоскости, позволяют выявить зависимости характера переходного процесса от начальных условий, судить об устойчивости или неустойчивости работы цепи и т. д. Существенным недостатком графических методов применительно к изучению процесса включения тягового трансформатора на тяговой подстанции относится то, что этот метод не дает общих связей, позволяющих судить о том, как изменяется процесс при изменении того или иного параметра, например, тяговой нагрузки или сопротивления энергосистемы.
Аналитическими называют методы решения переходных процессов, базирующиеся на аналитическом интегрировании дифференциальных уравнений, описывающих состояние нелинейной цепи с использованием аналитических выражений характеристик нелинейных элементов.
К основным аналитическим методам относятся [58] методы условной линеаризации, аналитической и кусочно-линейной аппроксимации.
Рассмотрим указанные методы на основе классического уравнения при включении трансформатора на синусоидальное напряжение: Umsincot=r-i + W , (3.2) dt где Um - амплитудное значение напряжения сети; г — активное сопротивление обмотки; і — мгновенное значение тока; W - число витков обмотки; Ф — мгновенное значение магнитного потока. Метод условной линеаризации [33, 58] применяется в тех случаях, когда в нелинейном уравнении одно из слагаемых мало по сравнению с другими, вследствие чего без внесения существенной погрешности коэффициент при этом нелинейном члене приближенно может быть принят постоянным, равным некоторому среднему значению. Уравнение при этом становится линейным и может быть решено относительно искомой величины.
При включении мощных трансформаторов, например тяговых, на холо d0 стой ход член Н уравнения (3.2) по сравнению с членом W имеет второ dt степенное значение, так как сопротивление обмоток незначительно. Зависи 64 мость W-0 = L-i является нелинейной, где L - индуктивность обмотки. Выра Г зив ток / через Ф получим нелинейный член W -Ф-, который является вто ростепенным, и поэтому можно принять, что L = const. После этого уравнение становится линейным и имеет решение: Ф = ФУ+ФСВ, (3.3) где Фу и Фсв - установившаяся и свободная составляющие магнитного потока.
Периодический поток Фу, соответствующий установившемуся режиму, по закону электромагнитной индукции сдвинут относительно напряжения на угол к/2 и определяется по формуле: ( лЛ Фу=Фт-51П Q)t + pQ- V (3.4) где Фт - амплитудное значение магнитного потока; сро — начальная фаза, которая определяется моментом включения трансформатора относительно синусоиды напряжения сети. Свободная составляющая потока определяется решением уравнения г (3.1) для момента времени / = 0 с учетом подстановки W Ф— вместо тока / CB=C-eL, (3.5) где С - постоянная интегрирования, определяемая из условий t = 0. Зная поток Ф в каждый момент времени по кривым Ф(ї) и v/(/), определяем значение тока і в любой момент времени. Величина г = — характеризует длительность процесса затухания коле-г баний. Чем больше т, тем быстрее уменьшается свободная составляющая, а это приводит к более быстрому затуханию переходного процесса. Если рассматривать трансформатор меньшей мощности, в нем изменится соотношение r/L и, соответственно, процесс затухания при включении будет протекать быстрее. Кроме того, изменится соотношение между членами г-і и г W Ф—, что приведет к неточности расчета. Рассмотрим процесс включения однофазного трансформатора на холостой ход (рисунок 3.1), реализованный этим способом и выполненный в программе Matlab [71, 72].
Графические методы расчета переходных процессов в нелинейных цепях
Для исследования переходного процесса включения трансформатора необходимо совместное решение электрической и магнитной схем замещения.
К магнитной части расчета относится характеристика намагничивания стали, которая берется при известной марке стали из таблицы справочника. Для расчета необходимо по табличным данным построить основную кривую намагничивания стали с учетом отрицательного значения индукции В при отрицательной напряженности магнитного поля Н.
Известная зависимость В(Н) позволяет получить Ф и намагничивающую силу F: = B-S; F = H-l, где S - площадь поперечного сечения стержня магнитопровода; / - длина средней силовой линии. Расчет намагничивающей силы с учетом того, что ток во вторичной обмотке равен нулю, можно осуществить по формуле где Um sm(cot + р0) = щ - синусоидальное напряжение, которое в момент подключения трансформатора подается на первичную обмотку. Здесь важным параметром является cpQ - угол (фаза), определяющий момент подключения относительно перехода синусоиды через ноль при положительной производной (рисунок 3.4). Будем называть его в дальнейшем углом включения (ръкл, который может принимать значения от 0 до 360 (0 - 20 мс).
Полученных данных для качественного анализа переходного процесса при включении трансформатора недостаточно. Для увеличения точности дальнейших расчетов необходимо по известным точкам В и Н вычислить ко 73 эффициенты кубических сплайнов на отрезках неопределенных промежуточных значений. Так как функция h(B) (именно такая зависимость предпочтительнее, как описывалось в п. 3.1.2) задана на конкретном отрезке [-Дпш, Дпах], разбитом на части [Ви, В{] [73], -5min = В0 57 ... BN = Втак, то кубическим сплайном для неё будет функция Н(В), удовлетворяющая следующим условиям: на каждом отрезке [Bj.j, Bt] является многочленом степени не выше третьей; имеет непрерывные первую и вторую производные на всем отрезке L-"тіш "maxjj в точках В І выполняется равенство H(BJ= h(B{), т. е. сплайн Н(В) интерполирует функцию h в точках Д.
Дополнительным требованиям является то, чтобы кубический сплайн удовлетворял граничным условиям вида H"(-BmilJ = H"(Bmw ) = 0.
На основе теоремы, которая является следствием общей теоремы Шёнберга - Уитни об условиях существования интерполяционного сплайна, можно утверждать, что для любой функции / и любого разбиения отрезка [а, Ь] существует ровно один естественный сплайн S(x), удовлетворяющий перечисленным выше условиям. Поэтому применить сплайн-интерполяцию для построения зависимости Н(В) является возможным и корректным.
Для каждого отрезка [,.;, В,] функция Н(В) есть полином третьей степени ЩВ), который можно записать в виде: Учитывая условия непрерывности всех производных до второго порядка включительно, а также условие интерполяции, получим формулы для вычисления коэффициентов сплайна: at = KB,);
Получив коэффициенты кубических сплайнов, по кубическим уравнениям можно рассчитать любое значение индукции и, с учетом формулы (3.15), значения магнитного потока. Зависимость Н(В) посредством кубической интерполяции была построена в системе Mathcad (расчет представлен в приложении А) [74, 75], она приведена на рисунке 3.5.
Указанная на рисунке 3.5 зависимость приведена для марки стали 3413 (ЭЗЗО), которая широко применяется в тяговых трансформаторах и имеет индукцию насыщения Bs, равную 2,04 Тл [76]. Теперь с любым малым шагом интегрирования известны значения индукции и напряженности. Сама по себе индукция является функцией вида: В = -л/2 -Внш -cosH + ftJ, (3.23) где 5Н0М - номинальное значение индукции. di Если преобразовать выражение (3.19), переместив т в левую часть от знака равенства, а все остальное - в правую, то получим обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка, правая часть которого будет приведена к форме Коши. Для решения этого уравнения необходимо знать начальные условия, одно из которых можно определить, зная остаточную индукцию в стержне магнитопровода. Эта величина для одного и того же трансформатора зависит от момента (фазы) отключения, а точнее, от момента исчезновения тока в цепи относительно перехода синусоиды напряжения через ноль с положительной производной (рисунок 3.6, а).
При отключении трансформатора исчезновение тока происходит в некоторый момент 9 откл относительно синусоиды питающего напряжения. В тот же момент мгновенное значение индукции в стержне равно Вт (рисунок 3.6, б). По графику, приведенному на рисунке 2.6 (гл. 2 (2.2)), с учетом отрицательной области определяем значение остаточной индукции в стержне Вг [11, 20]. В аналитическом виде определение остаточной индукции будет иметь вид:
Остаточная индукция, зависящая от угла отключения трансформатора, известна, но для решения дифференциального уравнения (3.19) этого недостаточно, так как необходимо задать начальные условия по времени t и току /. Что касается времени, то t0 = 0, гораздо сложнее ситуация обстоит с определением /0. По известной остаточной индукции в соответствии с выражениями (3.12) и (3.15) определяем остаточное потокосцепление. щ
С точки зрения физики процесса в нормальном режиме работы ток, протекая по первичной обмотке, вызывает в стали магнитопровода поток, который, сцепляясь с витками обмотки, формирует потокосцепление. Таким образом получается нелинейная зависимость потокосцепления от тока (рисунок 3.7), которую можно построить аналогично построению зависимости Н(В).
Отключение преобразовательного агрегата вакуумным выключателем
Разрабатываемое устройство для снижения бросков тока при включении тягового трансформатора должно обеспечивать замыкание контактов выключателя при очередном включении в такой же момент синусоиды относительно перехода опорного напряжения через ноль с возрастанием, какой был при размыкании контактов при предшествующем отключении. Для этого необходимо с учетом собственного времени коммутации ВВ запомнить угол отключения (рткл и при очередном включении осуществить замыкание контактов с такой же задержкой по времени, т. е. рткл = (рвкл. Отключение должно осуществляться мгновенно, без задержки по времени.
Основной алгоритм работы представлен на рисунке 5.1. При подаче напряжения ПО В начинается инициализация микроконтроллера. В этот момент устанавливается значение указателя стека, инициализируются порты ввода-вывода, счетный и сторожевой таймеры, внешнее прерывание INTO и прерывание счетного таймера ТС1. Указатель стека представляет собой шестнадцатиразрядный счетчик, который сохраняет все промежуточные значения, необходимые для формирования сигналов прерывания. Порты ввода-вывода контроллера предназначены для ввода входных параметров и вывода команд управления. Счетный таймер формирует прерывание с шагом 0,1 мс, а сторожевой таймер защищает контроллер от зависания. Внешнее прерывание с наибольшим приоритетом INTO служит для определения начала перехода синусоиды опорного напряжения через ноль.
Следующий блок описывает установку значений переменных, которые будут использоваться в программном коде, и восстановление значений из энергонезависимой памяти EEPROM. Именно в этом модуле занесено собственное время включения и отключения выключателя. Преимущественно в этой памяти хранится значение угла отключения (рткл на случай вывода в ремонт преобразовательного агрегата со снятием предохранителей из цепей управления.
После этого дается разрешение на обработку сигналов прерывания. Сначала сбрасывается сторожевой таймер, а потом анализируется состояние ВВ. Если выключатель отключен, то в случае поступления команды «ВКЛ» можно выполнить его включение. Установка «Готовность ВКЛ» = 1 сигнализирует о том, что команда поступила и требуется ее выполнение. Аналогичным образом осуществляется обработка команды на отключение. Эта программа работает постоянно по замкнутому бесконечному циклу.
Алгоритм подпрограммы обработки внешнего прерывания INTO, изображенный на рисунке 5.2, осуществляет синхронизацию с напряжением опорной фазы в момент прохождения синусоиды через ноль, который выполняется в начале каждого периода. Сначала происходит сохранение в стеке значений счетчика команд и регистров контроллера.
Затем происходит обнуление переменной {TikjCounter = 0) и после этого восстанавливаются значения счетчика команд и регистров контроллера. Счетчик TikjCounter считает от 0 до 200 с шагом 0,1 мс и служит для определения момента синусоиды.
Ядром алгоритма работы программы является подпрограмма обработки прерывания от таймера ТС1, представленная на рисунке 5.3. В первых пяти модулях описана настройка таймера и формирование прерывания для следующего периода. Далее с реле повторителя положения отключено (ПМО) и включено (ПМВ) поступает необходимая информация о состоянии выключателя и команда «ВКЛ» или «ОТКЛ» от системы управления выключателем. Программно учтен дребезг контактов. После этого начинается реализация процесса отключения. Из основной части алгоритма (см. рисунок 5.1) поступает сигнал о готовности к отключению ВВ. При отключении организуется цикл, который определяет истинный момент размыкания контактов ( роткл) относительно перехода через ноль синусоиды опорного напряжения с учетом собственного времени отключения выключателя TIMEjOTKLVPV. Этот угол ( роткя = TikjCounterOTKL) запоминается в энергонезависимой памяти EEPROM. Сигнал на отключение подается до тех пор, пока не придет соответствующая информация с повторителей ПМО и ПМВ о том, что выключатель отключился, но не более 1 с. Такая длительность гарантирует отключе-ние исправного коммутационного аппарата и препятствует сгоранию катушки электромагнита в случае сбоя в работе ВВ. На этом процесс отключения заканчивается.
Алгоритм включения выключателя в целом идентичен отключению, но имеется существенное дополнение, обусловленное тем, что включение происходит не мгновенно, а с выдержкой времени и с учетом собственного времени срабатывания коммутационного аппарата TIMEVKLVPV. Момент замыкания контактов относительно синусоиды опорного напряжения при очередном включении подбирается равным моменту размыкания контактов при
Предшествующем ОТКЛЮЧеНИИ, Т. Є. (ръкл = откл Рассмотрим работу алгоритма на примере диаграммы на рисунке 5.4. Предположим, что собственное время отключения и включения ВВ равны соответственно 30 и 74,5 мс, что составляет на аппаратном уровне 300 и 745 tik. 1 tik - это дискретная величина шага отсчета времени в периоде, равная 0,1 мс (кривая 3). Один период равен 200 tik.
