Теоретические и экспериментальные исследования вольтодобавочного каскада для системы электроснабжения

SOME FEATURES OF CONSTRUCTION TRANSFORMER CALIBRATOR «RESISTANCE-VOLTAGE» USED TO MEASURE TEMPERATURE DURING SHAVE-ROLLING OF CYLINDRICAL GEARS

A.A. Malikov, A. V. Sidorkin

The key points of the calibrator design converter "resistance-voltage " used as part of a multi-channel system continuously measure and record the temperature of the rotating parts of technological systems are considered. The considerable attention are paying to the choice of types of elements used in the construction of the calibrator.

Key words: measurement, transducer, resistance, resistor.

Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, andrei-malikovayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of technical sciences, docent, alan-a@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.314

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛЬТОДОБАВОЧНОГО КАСКАДА ДЛЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В.С. Климаш, А.С. Лавренов

Аналитическими соотношениями выявлены два способа регулирования инверторами многоуровневого напряжения вольтодобавочного каскада. Показана реализация этих способов на математической модели и экспериментальной установке.

Ключевые слова: вольтодобавочный каскад, многоуровневое регулирование напряжения, снижение потерь электроэнергии в сети, повышение качества напряжения у потребителей.

Вольтодобавочный каскад (ВДК) предназначен для быстрой и точной разгрузки систем энергоснабжения с одновременным поддержанием напряжения на заданном уровне у потребителей [1].

Структурная схема ВДК для трансформаторной подстанции (ТП) [2] представлена на рис. 1.

Эта схема содержит следующие элементы: СТ - силовой трансформатор подстанции; ВТ1 и ВТ2 - вольтодобавочные трансформаторы; ИН1 и ИН2 - блоки однофазных инверторов напряжения; ВДУ1 и ВДУ2 - два вольтодобавочных устройства, образующих ВДК; СУ - синхронизированная с сетью система управления инверторами напряжения; С и Н - трехфазная сеть и нагрузка.

Рис. 1. Структурная схема вольтодобавочного каскада Способы регулирования напряжения

Выходное напряжение трансформаторной подстанции с ВДК [3]

и

2

_ и _ ис + 4и^ • Ки • Квт • cosа • cosв

К

ст

К

ст

где и1, и2 - напряжения на входе и выходе СТ; ис, и - напряжения сети переменного тока и сети постоянного тока; КСт, КВт - коэффициенты трансформации силового и вольтодобавочных трансформаторов; а, в - углы управления инверторами и вольтодобавочными устройствами соответственно.

Из выражения (1) видно, что напряжение на высокой стороне СТ и соответственно на нагрузке можно регулировать двумя способами:

- изменение а при фиксированном значении в;

- изменение в при фиксированном значении а.

Для пропорционального регулирования напряжения с арккосинус-ным принципом построения систем управления углы управления а и в имеют следующий вид:

а _ агссо8- Ка • иуа;

в _ агссов- Кр • иур,

где Ка, Кв - коэффициенты пропорциональности; иуа, иув - напряжения управления.

На основании выражений (1) и (2) получим

_ ис + 4иа • Ки • Квт • КдЦуд • КвЦув К

и2 _

ст

Для улучшения формы напряжения ВДК для каждого однофазного инвертора напряжения применен 150-градусный алгоритм управления. Кроме этого, применен принцип совместного согласованного управления

для плеч однофазных мостов инверторов напряжения при первом способе и для блоков ВДУ при втором способе [4]. Это позволило сформировать многоуровневое напряжение и регулировать его в 12 поддиапазонах.

Представленная схема ВДК со специальным алгоритмом управления позволяет осуществлять непрерывное регулирование трехфазного напряжения с улучшенным гармоническим составом.

Разработка системы управления

Целью разработки СУ являлось:

- апробация алгоритма управления на математической модели ВДК;

- транспонирование программы математической модели на микропроцессорную СУ экспериментального макета ВДК в составе ТП.

Вышеописанные принципы регулирования напряжения реализованы в среде Matlab и преобразованы в программный код для микроконтроллера. Имитационная модель СУ в среде Matlab представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема в среде Matlab для программирования микроконтроллера

В модель СУ (рис.2) входят следующие математические модули: ПСВ - порты ввода синхронизирующих сигналов; СН - блок стабилизации напряжения; ФСУ1 и ФСУ2 - формирователи сигналов управления; Uya ,иур - сигналы управления углами а и ß; ПВ1 и ПВ2 - порты вывода управляющих импульсов.

В качестве вычислительного элемента выбран 32-битный микроконтроллер STM32F4. Основой для создания и отладки программы служат стандартные библиотеки Simulink и специальная библиотека элементов Waijung Blockset. Управляющие импульсы с портов вывода СУ поступают на драйверы инверторов напряжения, выполненные на четырех IGBT модулях Mitsubishi PS12018-A.

Экспериментальное исследование проводилось в два этапа.

348

На первом этапе исследовался процесс формирования и регулирования добавочного многоуровневого напряжения на модели и экспериментальной установке при отключенных от сети и закороченных входных зажимах ВДК.

На втором этапе проводились экспериментальные исследования всего устройства в целом (рис.1). В этом случае входные зажимы ВДК подключались к сети.

Покажем процессы формирования и регулирования напряжения вольтодобавки двумя предлагаемыми способами.

Результаты, полученные на математической модели [5,6], при регулировании угла а и в = 7.50 (первый способ) и регулировании в и а = 150 (второй способ) показаны на рис. 3, а, б соответственно.

а

б

Рис. 3. Осциллограммы многоуровневого напряжения вольтодобавки на математической модели устройства: а - первый способ; б - второй способ

349

Экспериментальные исследования

Целью экспериментальных исследований являлись апробация функционирования как отдельных элементов, так и всего устройства в целом, осциллографирование напряжений на входе СТ.

Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 4.

Рис. 4. Макет исследуемого устройства

На фотографии (рис. 4) цифрами показаны основные элементы устройства: 1 - система управления; 2 - шесть однофазных мостовых ИН; выполненные на четырех трехфазных мостовых ЮВТ модулях; 3 - выпрямитель; 4 и 5 - вольтодобавочные трансформаторы; 6 - силовой трансформатор; 7 - синхронизирующий трансформатор; 8 - нагрузка.

Экспериментальные осциллограммы напряжений вольтодобавки при изменении угла а и фиксированном угле в = 7,50, а также при изменении угла в и фиксированном угле а = 15 показаны на рис. 5, а, б соответственно.

Для наглядной иллюстрации процесса формирования многоуровневого регулирования напряжения ВДК на высокой стороне СТ эксперименты проводились при повышенном диапазоне регулирования (коэффициенте трансформации ВДК). Такое расширенное регулирование показано экспериментальными осциллограммами на рис. 6, а. При требуемом для трансформаторных подстанций регулировании напряжения ± 10 % (в = гаг а = 150) импульсные искажения, как показано осциллограммами на рис. 6, б, практически не различимы.

350

а

б

Рис. 5. Осциллограммы фазного напряжения ВДК при регулировании углов а и р: а - первый способ; б - второй

способ

Рис.6. Осциллограммы фазного напряжения на высокой стороне СТ: а - расширенный диапазон; б - требуемый диапазон

351

Коэффициент несинусоидальности напряжения при диапазоне регулирования ± 10 % для обоих способов не превышает 3 %.

Заключение

Осциллограммы, полученные на математической модели и экспериментальной установке, имеют близкое совпадение. Выявленные два способа обладают одинаковыми регулировочными свойствами и энергетическими показателями.

Показано, что при изменении а на интервале [15 ... 900] и ß = 7,5 напряжение на входе ТП плавно регулируется от UC + 10 % до 0, а на интервале [90 ... 1650] от 0 до UC - 10 % . При этом установлено, что при изменении а на интервалах от [0 ... 150] до [165 ... 1800] регулирование напряжения, которое изменяется пропорционально cosa, практически отсутствует, а несинусоидальность напряжения наибольшая.

Такой же результат достигается при регулировании угла ß в интервале [7,5 ... 172,50] и a = 150.

Список литературы

1. Иньков Ю.М., Климаш В.С. Компенсаторы реактивной энергии сети со стабилизацией напряжения нагрузки: статья. Электричество. 2003. № 12. С. 11 - 16.

2. Климаш В.С., Лавренов А.С. Многоуровневое регулирование напряжения на IGBT модулях в высоковольтных электротехнических системах // Материалы международной научно-практической конференции «Роль интеграции науки, инновации и технологии в экономическом развитии стран». Таджикистан 2016. С. 448 - 452.

3. Климаш В.С., Лавренов А.С. Многоуровневое регулирование напряжения трансформаторной подстанции // Электротехнические системы и комплексы. 2017. № 1 (34). С. 10 - 16.

4. Климаш В.С. Инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией: учеб. пособие. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. 106 с.

5. Климаш В.С., Лавренов А.С. Исследование и разработка способа и системы управления вольтодобавочным устройством // Теоретические и практические вопросы науки XXI века: сборник статей международной научно-практической конференции. 2015. С. 39 - 43.

6. Свид. 2016611781 РФ. Модель вольтодобавочного каскада с многоуровневым напряжением в среде Matlab В.С. Климаш, А.С. Лавренов; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. Заявл. 16.10.2015. Опубл. 20.03.2016. Бюл. №3.

Климаш Владимир Степанович, д-р техн. наук, проф., klimashayandex.ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет,

Лавренов Александр Сергеевич, асп., lavrenov22@gmail. com, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF BOOSTER CASCADE FOR POWER

SUPPLY SYSTEMS

V.S. Klimash, A.S. Lavrenov

Two methods of regulating inverters of a multilevel voltage of the booster cascade are revealed by means of analytic relationships. The realization of these methods on a mathematical model and experimental setup is shown.

Key words: booster cascade, multi-level voltage regulation, reduction of power losses in the grid, improvement of voltage quality in consumers.

Klimash Vladimir Stepanovich, doctor of technical sciences, professor, klimashayandex. ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-na-Amure State Technical University,

Lavrenov Alexander Sergeyevich, postgraduate, lavrenov22 agmail.com, Russia Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-na-Amure State Technical University

УДК 621.3.051

ПЕРЕВОД ТРЕХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Я.Э. Шклярский, С.В. Соловьев, А.И. Барданов

Проведен анализ возможности изменения рода тока в линиях электропередач среднего уровня напряжения для увеличения потока активной мощности. Произведено сравнение различных способов передачи электроэнергии на постоянном токе, исключая случаи, когда используется возврат тока по земле. Введено понятие коэффициента запаса мощности для оценки и сравнения возможности увеличения пропускной способности и передаваемой активной мощности в линиях электропередач (ЛЭП). Получены и представлены в виде трехмерных графиков зависимости коэффициента запаса мощности от параметров линии и характера нагрузки.

Ключевые слова: Пропускная способность ЛЭП, постоянный ток, активная мощность, средний уровень напряжения.

Энергосистемы России отличаются большой протяженностью линий электропередач как высокого напряжения, так и среднего. Протяженность магистральных линий электропередач (ЛЭП) в России, по некоторым данным, составляет более 3 млн км. Из них более трети - среднего уровня напряжения (1...35 кВ) [1]. Подобные линии питают широкий спектр потребителей - от небольших населенных пунктов до промышленных объектов, в том числе предприятий минерально-сырьевого комплекса.

353