Устройство имитации источника электроэнергии с заданными показателями качества

Полезная модель относится к электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС) и может быть использована для испытаний РЭА на устойчивость функционирования в условиях варьируемых показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в пределах норм, установленных ГОСТами для соответствующих систем электроснабжения (СЭС).
Работа автономных СЭС сопровождается значительными изменениями качества электроэнергии. Например, в системах переменного тока изменяется форма, частота и величина напряжения, его симметрия, имеет место модуляция напряжения, частоты, происходят перерывы в электроснабжении и т.д. Нормы качества электрической энергии на выходе аппаратуры переменного тока устанавливаются соответствующими ГОСТами. Для проверки надежности бортовой РЭА ее подвергают испытаниям на воздействие изменений параметров качества электроэнергии с помощью специальных устройств имитирующих работу источников СЭС. Известно, что для испытаний РЭА традиционно применялась технология с использованием вращающихся машинных преобразователей с набором регулировочной и коммутационной аппаратуры.
У имитаторов с машинными преобразователями имеются существенные недостатки, связанные с ограниченными динамическими характеристиками, ограниченными метрологическими показателями, относительно высокой стоимостью комплектующих, относительно невысокой надежностью, наличием шума, вибраций и ДРВ качестве устройств электропитания РЭА, обладающих наибольшими возможностями моделирования показателей качества электроэнергии, характерных для стационарных и динамических режимов работы автономной СЭС, применяются имитаторы источников СЭС, выполненных на основе многофазных выпрямительных и инверторных статических преобразователей электрической энергии.
Имитаторы источников СЭС осуществляют моделирование отклонения следующих параметров электроэнергии:
величина напряжения,
провалы напряжения до О,
модуляция напряжения,
величина частоты,
модуляция частоты,
искажение синусоидальности напряжения,
небаланс выходного напряжения.
Статические преобразователи частоты позволяют создать стенд моделирования качества электроэнергии переменного тока (СМКЭ), удовлетворяющий требованиям научно-технической документации (НТД) и ГОСТ. В выпрямительноинверторных преобразователях органично применение микропроцессорных контроллеров и осуществление программируемых испытательных режимов. Ввиду относительно более вьюокого быстродействия преобразовательных устройств по сравнению с электромашинными при применении микропроцессорного управления возможна постановка задач на воспроизведение «реальных переходных процессов бортовых сетей. Микропроцессорные системы управления СМКЭ позволяют автоматизировать процесс испытания РЭА с выводом на печать всех контролируемых параметров  1 .
Наиболее близким по структуре к заявленному устройству является преобразователь частоты (иначе - частотно-регулируемый электропривод) представляющий собой статическое преобразовательное устройство, предназначенное для изменения скорости вращения асинхронных электродвигателей переменного тока  2 . В его состав входят:
входной неуправляемый выпрямитель,
звено постоянного тока с LC-фильтром,
автономный инвертор напряжения с ШИМ,
LC - фильтр тактовых частот ,
трансформатор,
нагрузка (асинхронный двигатель),
контроллер управления (КУ).
Преобразователи частоты используются для регулирования скорости вращения насосов, вентиляторов, компрессоров, буровых и других механизмов, использующих в качестве приводных асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Широко используются статические преобразователи частоты и для построения систем гарантированного электропитания; в этом случае задача сводиться к поддержанию вьюокого качества электроэнергии.
Однако указанные приложения не могут быть непосредственно использованы для воспроизводства электроэнергии с заданными НТД ПКЭ. Задачей заявляемой полезной модели является имитация источника электроэнергии с заданными показателями качества, т.е. установившихся и переходных режимов в СЭС переменного тока с регламентированными, в соответствии с НТД на конкретную РЭА, ПКЭ за счет формирования циклограмм режимов испытаний, оцифровки аналитической записи формы кривой испытательного напряжения, формирования пакета данных и их трансляции по каналу обмена в контроллер
управления (КУ), получения от КУ по каналу обмена оцифрованных текущих значений напряжения формы кривой в нагрузке и контроля соответствия заданных и отработанных значений напряжения формы кривой.
Для решения поставленной задачи в устройство - прототип, содержащее входной выпрямитель (В), выполненный как неуправляемый в виде трехфазного моста на диодах или как управляемый на тиристорах, фильтр нижних частот (ФНЧ), выполненный как звено постоянного тока на LC-элементах, автономный инвертор напряжения с ШИМ (И), выполненный, например, на транзисторах с IJBT структурой,
фильтртактовых частот (ФТЧ), выполненный на LC - элементах, трансформатор (Тр), нагрузка (Н)-испытуемое оборудование(ИО) и контроллер управления (КУ), выполненный на микроконтроллерах, например, PIC-16F8 с соответствующими соединениями, введен формирователь режимов испытаний (Ф), выход которого соединен со вторым входом контроллера.
Сущность полезной модели поясняется Фиг.1,2. На Фиг.1 показано заявляемое устройство, на Фиг.2 - формирователь режимов испытаний.
Устройство состоит из блоков В, ФНЧ, И, ФТИ, Тр, Н, КУ и Ф выполненных по классической схеме  2,3 . Контроллер выполнен на микропроцессоре первый вход которого соединен с нагрузкой, а второй подключен к формирователю режимов испытаний; на выходе контроллера оцифрованные циклограммы режимов испытаний с интервально-последовательно заданными ПКЭ в виде ШИМ сигналов в каждом канале.
Формирователь (Фиг.2), как пример выполнения, содержит:
программатор формы испытательного сигнала в соответствии с заданными ПКЭ;
транслятор оцифрованного сигнала в КУ;
приемник оцифрованных сигналов обратной связи;
устройство сравнения оцифрованного сигнала обратной связи с исходным и сопоставления разностного сигнала с допустимой ошибкой моделирования ПКЭ.
Алгоритм программы вычисления ПКЭ базируется на аналитической форме представления ПКЭ и ее дискретизации по времени.
Все циклограммы рассматриваются как обобщенный алгоритм дискретного изменения амплитуды, частоты или фазы напряжения сигнала.
Режимы испытаний задаются в виде последовательности циклограмм, каждая из которых моделирует ПКЭ. Циклограммы рассматриваются как обобщенный случай реализации алгоритма дискретного изменения амплитуды, частоты или фазы моделируемого сигнала.
Каждая циклограмма формируется из чередующихся цикпов соответствующих номинальным параметрам испытательного сигнала и параметрам сигналов с заданными значениями ПКЭ.
Исходно испытательный сигнал для i-ro ПКЭ задается в программаторе(9) функцией вида Fi(t), которая после дискретизации в формирователе циклограмм(10) для циклов с номинальными параметрами испытательного сигнала и с параметрами сигналов с заданными ПКЭ имеет вид: Fi(t) Fi(2pt/6yo+K/tiyt ); Fo(t)  Fo(2p-1). Здесь p - номер периода сигнала частоты f,,;
1/f, где f - частота коммутации инвертора на интервале периода частоты испытательного сигнала.
Циклограммы испытательных сигналов по всем ПКЭ после суммирования в формирователе (11) образуют обобщенную циклограмму
Fo6(t)   (Fo(t) + Fi (t)). Здесь i 1,2...., 1-число каналов с заданными ПКЭ.
Далее оцифрованные сигналы поступают через транслятор (12)- последовательный канал обмена данными, (например RS-232) в устройство сравнения сигнала обратнрй связи с исходным (14), где сопоставляется разностный сигнал обобщенной циклограммы режимов испытаний и сигнал обратной связи приемника оцифрованных сигналов обратной связи (13) с допустимой ошибкой моделирования ПКЭ, которая задается уставкой допустимой ошибки моделирования ПКЭ на один из входов устройства сравнения(14).
На каждом периоде основной частоты моделируемое напряжение оцифровывается и представляется вектором размера Jk, J - уровень k-ой выборки, например, к  1,2....400 для частоты сети 50Гц; ее длительность при тактовой частоте коммутации инверторов 20 кГц равна 50 мкс.
Для изменения частоты питающего нагрузку напряжения при неизменном числе коммутационных интервалов изменяется длительность интервала коммутации инвертороа путем изменения тактовой частоты генератора. Формирователь режимов испытаний реализуется в составе персонального компьютера и ее интерфейс строится с помощью стандартных средств Windows-GUI. Программа учитывает широкие возможности моделирования формы кривой испытательного сигнала и всю номенклатуру ПКЭ.
Состав ПКЭ и их аналитическая форма представления приводится в соответствующих НТД, например, ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
..тт}
Литература:
1.Кристиан Тавернье. Р1С-микроконтроллеры. Практика применения. Пер. с фр. М., ДМК, 2002г.,-272с.
2.Дмитриев В.Ф. и др. Теория и методы анализа преобразователей частоты и ключевых генераторов. Киев. Наукова думка, 1988г., - 312с.
3.Никитин К.К. и др. Эффективные вторичные источники квазисинусоидальных напряжений. Тезисы VI Всесоюзной межотраслевой научнотехнической конференции по системам вторичного электропитания РЭА. 1990г., с. 65-66.