Гибридный регулятор напряжения релейного типа в системе бесперебойного электроснабжения

УДК 681.511

ГИБРИДНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ РЕЛЕЙНОГО ТИПА В СИСТЕМЕ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

А.А. ВАРЕНОВ, Н.А.МАЛЕВ

Казанский государственный энергетический университет

В статье предложена структура, разработана динамическая модель и проведено исследование гибридного регулятора напряжения релейного типа, в ходе которого определены параметры автоколебательного режима и граничные условия, при которых переходной процесс носит апериодический характер. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что при определенных требованиях к точности регулирования напряжения целесообразно использовать гибридный регулятор, отличающийся более высокой надежностью.

Ключевые слова: система бесперебойного электроснабжения, гибридный регулятор напряжения, моделирование релейной системы.

Введение

Одной из задач, решаемых электрическими и электронными аппаратами, является регулирование параметров электрической энергии. Эту задачу выполняют регулирующие аппараты - стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности, частоты и других электрических величин. В системах бесперебойного электроснабжения (СБЭ) наряду с другими источниками применяются дизель-генераторы, напряжение которых должно поддерживаться на заданном уровне.

На рис. 1 изображена принципиальная электрическая схема генератора и регулятора напряжения, входящих в состав системы бесперебойного электроснабжения [1]. В этой схеме используется релейный способ регулирования напряжения генератора, а генератор вместе с реле-регулятором образуют замкнутую систему автоматического регулирования (САР) релейного типа, реализующую принцип регулирования по отклонению.

Пока напряжение генератора не достигло определенного значения и транзистор УТ находится в открытом состоянии, обмотка реле напряжения К2 питается про цепи: «+» генератора, замкнутый контакт К4.1, диод УО3, открытый транзистор УТ, диод У02, обмотка реле К2, резистор Я2, корпус машины, «-» генератора.

Пока напряжение генератора не достигло определенного уровня и транзистор находится в открытом состоянии, обмотка реле напряжения К2 запитывается про цепи: «+» генератора, замкнутый контакт К4.1, диод У03, открытый транзистор УТ, диод У02, обмотка реле К2, резистор Я2, корпус машины, «-» генератора. При напряжении генератора выше определенного уровня срабатывает реле напряжения К2 и замыкает свой контакт К2.1. При этом транзистор УТ начинает запираться, т.к. его база через контакт К2.1 соединяется с плюсом и потенциал эмиттера становится ниже потенциала базы на величину падения напряжения на диоде У03, что обеспечивает четкое запирание транзистора. При переходе транзистора из открытого состояния в закрытое ток в обмотке реле К2 определяется величиной ускоряющего резистора Ш, падение напряжения на котором снижает магнитодвижущую силу обмотки, контакты реле размыкаются, транзистор открывается и процесс повторяется.

Необходимое среднее значение напряжения генератора регулируется за счет изменения соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояния контактов К2.1

© А.А.Варенов, Н.А.Малев Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

реле напряжения К2, т.е. времени открытого и закрытого состояния транзистора. Таким образом, транзистор работает в ключевом режиме и управляется контактами

реле.

Рис.1. Схема генератора с реле-регулятором напряжения

Следует заметить, что применение транзистора в схеме регулятора напряжения позволяет разгрузить контакты реле К2 и КЗ и повысить надежность их работы.

Структурная схема, соответствующая принципиальной электрической, изображена на рис. 2. При этом из схемы (рис.1) выделены только те элементы, которые непосредственно относятся к автоматической системе регулирования напряжения генератора.

Рис.2. Структурная схема релейной САР

Объектом регулирования в системе является трехфазный генератор О переменного тока с кремниевым выпрямителем, а регулируемой величиной -постоянное напряжение иг .

Измерительным (реагирующим) органом является обмотка электромагнита (ОЭМ) реле К2, рассчитанного на срабатывание при напряжении иг > иго и на

отпускание при иг < С/го.

Регулирующий орган (контакты реле К2.1, обеспечивающие ключевой режим работы транзистора УТ) является нелинейным элементом релейного типа. Уравнение генератора представим в линеаризованном виде (в отклонениях) [2]:

где дг (5) - изменение сопротивления цепи возбуждения (регулирующее воздействие; Тг - постоянная времени генератора; кг - коэффициент передачи генератора.

Уравнение реагирующего органа (обмотки электромагнита) в отклонениях имеет вид

Ту 5 + 1)д/у

Ь у

где Т = —— - постоянная времени электромагнита;

у Яу

1

к у =- - коэффициент передачи электромагнита.

Я у

Регулирующий орган (контакты К2.1, скачком включающие и выключающие сопротивление 2гзт) является нелинейным элементом релейного типа. Его выходной величиной является сопротивление г цепи возбуждения, которое меняется скачкообразно при срабатывании и отпускании реле К2, т.е. в зависимости от величины тока 1у в цепи обмотки электромагнитного реле. Это показано на рис.3, где /ср и

1отп - токи полного срабатывания и отпускания реле (закрывания и открывания транзистора). Для составления уравнения релейного элемента удобно, как всегда,

ввести отклонения Д1 у и Дг от некоторых постоянных значений /у и Я о . Как указано на рис. 3, а, принимаем

о /отп +1 ср „о г, , л->\

/у =-2- = /отп + ч , Я = Яв + гзт .

С учетом этого характеристика нелинейного элемента в отклонениях (рис. 3,б) будет симметрична относительно начала координат, т.е. будет иметь вид релейной характеристики с петлей гистерезиса.

В связи с этим уравнение нелинейного элемента представляется зависимостями

дг = гзт51^п{д/у - ¡1) при -— > 0 ,

ё г

Дг = гзт51^п

ё г

Уравнения (1) и (2) линейной части системы для исследования ее переходного процесса при /(г) = 0 объединим в одно:

а)

О

10

%

лг

I)

б)

Дн+2/-.

Л,

ч>

л;

А В

Л

С

м

Рис. 3. Характеристики нелинейного элемента

Постоянные значения, от которых здесь производится отсчет отклонений переменных, определяют из алгебраических уравнений условно номинального установившегося режима:

иго =(в + ГзТ )1 во,

Ку + Кд

о_тто то _ 1 отп +1 ср

г=и

1у иг

г =-

2

с использованием реальных характеристик генератора.

Для проведения анализа динамических свойств этой системы разработаем структурную схему динамической модели, для чего запишем передаточные функции генератора, как объекта регулирования и реагирующего органа (обмотки электромагнита реле напряжения К2):

- передаточная функция генератора по управляющему воздействию

=

Ди г

Дг

к г

Тг 5 + 1

- передаточная функция генератора по возмущающему воздействию

ГГ1(5) =

ди г

/

1

Тг 5 + 1

- передаточная функция регулирующего органа

^эм(5) =

Д у

к у

Ту 5 + 1

С учётом изложенного структурная схема динамической модели системы примет вид, показанный на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема динамической модели релейной системы

Известно [3], что если в составе системы автоматического регулирования имеется хотя бы одно звено, описываемое нелинейными уравнениями, вся система становится нелинейной. Нелинейность, содержащаяся в составе системы, относится к типовым и обладает характеристикой двухпозиционного релейного элемента. Она

приводит к возникновению так называемых автоколебаний, происходящих с постоянной амплитудой и частотой.

Для анализа нелинейных САР применяют следующие методы [4]:

- фазовых траекторий (метод фазовой плоскости);

- припасовывания;

- гармонической линеаризации;

Для проектирования нелинейных САР в настоящее время разработан ряд проблемно-ориентированных пакетов прикладных программ. Покажем возможность использования для анализа релейной САР программного комплекса МВТУ (ПК МВТУ) [5]. Он позволяет производить подбор параметров релейного элемента, при которых в системе будут иметь место автоколебательные режимы, определить граничные зоны нечувствительности между автоколебательными режимами работы системы и режимы с затухающими переходными процессами и выполнить ряд других задач, связанных с анализом релейных систем.

На основании рис. 4 разработана схема модели релейной системы регулирования напряжения генератора в программной среде ПК МВТУ, представленная на рис. 5.

Рис. 5. Схема модели релейной системы регулирования напряжения генератора в программной

среде ПК МВТУ

Моделирование проводилось при следующих параметрах системы:

- требуемое значение напряжения генератора 30 В;

- коэффициент передачи воспринимающего органа К у = 5 Ом;

- постоянная времени воспринимающего органа Ту = 0,001 с;

- коэффициент передачи генератора управляемого по цепи возбуждения Кг = 5 А;

- постоянная времени генератора Тг = 0,1 с.

Характер переходного процесса зависит от параметров релейного элемента. Так, например, при параметрах -1 1 0 10 в системе существуют автоколебания (см. рис. 6).

В ходе моделирования установлено, что амплитуда этих колебаний существенно зависит от постоянной времени генератора (при уменьшении постоянной времени Тг на порядок амплитуда автоколебаний увеличивается в 10 раз, а частота уменьшается на 3 Гц). Значительно меньшее влияние на амплитуду оказывает параметр К у, при

увеличении которого на порядок амплитуда уменьшается в два раза. Коэффициент передачи генератора Кг оказывает влияние на параметры автоколебаний так же, как

и К у. Постоянная времени реагирующего органа Ту на параметры автоколебаний влияния практически не оказывает.

Переменная

Время

Рис. 6. Автоколебательный режим работы системы

При определенных параметрах релейного элемента, которые были определены в ходе моделирования, а именно -1 1 0 6 переходной процесс носит апериодический характер, показанный на рис. 7.

Переменная

25 -

20 -

15 -

ю

10

Время

Рис. 7. Апериодический характер переходного процесса в релейной системе

По графику, изображенному на рис. 7, определим время регулирования, характеризующее быстродействие системы, которое составляет примерно 0,5 с, величину перерегулирования, равную нулю, и установившуюся ошибку, которая также равна нулю. Если указанные показатели качества САР не удовлетворяют требованиям

© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

задания, то необходимо либо изменять параметры системы в физически реализуемых пределах, либо проводить синтез аналогового или цифрового регулятора.

Выводы

На основании изложенного можно заключить, что в ряде случаев применение релейного способа регулирования напряжения является целесообразным, поскольку он отличается простотой технической реализации, повышенной надежностью и малой потерей электроэнергии. При этом предварительный выбор параметров нелинейной системы может быть достаточно просто произведен в ходе моделирования в программной среде ПК МВТУ, что и показано в содержании статьи.

Summary

The paper proposed a structure, dynamic model and a study of hybrid voltage regulator relay type. The study determined the parameters of the self-oscillatory regime and the boundary conditions under which the transition process is aperiodic. Our studies suggest that under certain accuracy requirements of voltage regulation is advisable to use a hybrid regulator, featuring higher reliability.

Key words: uninterruptible power supply, hybrid voltage regulator, modeling relay system.

Литература

1. Электрические и электронные аппараты /Учебник для военных институтов / Под ред. А. А. Варенова. Изд. МО РФ, 2009. 446 с.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. Изд. 4-е, перераб. и доп. СПб.:Изд-во «Профессия», 2004.

3. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. 536 с.

4. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978. 736с.

5. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования / Под ред. Б.А.Карташева. М.:Изд. Колосс, 2006. 184 с.

Поступила в редакцию 28 мая 2013 г.

Варенов Александр Андреевич - канд. техн. наук, профессор кафедры «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(950)3273995.

Малёв Николай Анатольевич - ст. преподователь, магистр кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(919)6309129. E-mail: maleeev@mail.ru.