Лабораторный стенд для исследований режимов работы участка электрической сети с регулятором напряжения

Полезная модель относится к учебно-исследовательскому оборудованию и может быть использована для проведения как лабораторных работ с магистрантами, так и экспериментальных исследований аспирантами по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»; для демонстрации возможностей систем распределенной энергетики и изучения физических процессов, протекающих в системах с источниками распределенной генерации, а также использоваться для отработки алгоритмов регулирования напряжения и фазы в системах с распределенной генерацией.
Наиболее близким из известных аналогов является Лабораторный стенд для изучения режимов работы распределительной сети системы электроснабжения (патент РФ № 143384, МПК G09B 23/18). Лабораторный стенд для изучения работы распределительной сети системы электроснабжения предназначен для проведения лабораторных исследований взаимосвязанных процессов передачи, распределения и потребления электрическойэнергии. Лабораторный стенд содержит устройство стабилизации напряжения в виде источника бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии, снабженного выводами для подключения к электрической сети. К источнику последовательно подключены модели силового трансформатора, линии электропередачи и электрической нагрузки. Вольтметр подключен дляизмерения напряжения на нагрузке. Повышение достоверности получаемых данных об электрических параметрах стационарного режима моделируемой распределительной сети системы электроснабжения обеспечено за счет снабжения стенда устройством стабилизации напряжения для подключения через него к электрической сети.
Недостатками данного стенда является отсутствие регулирования напряжения в фазах участка сети, отсутствие программируемого контроллера, позволяющего получать и обрабатывать данные с последующим их представлением на панели оператора и управлять параметрами регулятора напряжения, отсутствие возможности связи стенда с автоматизированной системой управления (АСУ) верхнего уровня, отсутствие датчиков сдвига фаз.
Задачи, решаемые предлагаемой полезной моделью - изучение характеристик регуляторов напряжений участка сети, проверка выполнения ими требуемых функций и подтверждения результатов теоретических исследований. Лабораторный стенд должен обеспечить регулирование величину и фазу напряжения на участке трехфазной сети с целью управления потоками активной и реактивной мощности и определения закономерностей изменения величин и характеров токов (потоков мощности) линий распределенной сети.
Технический результат достигается тем, что в лабораторном стенде для исследований режимов работы участка электрической сети с регулятором напряжения, включающем силовой трехфазный трансформатор, модели линии электропередачи, электрическую нагрузку, источники питания, обеспечено наличие однофазных сериесных трансформаторов и автотрансформаторов с электроприводом в каждой фазе сети, обеспечивающих регулирование потоков энергии от источников в нагрузку, датчиков напряжения, тока, сдвига фаз; информационно-управляющей части в виде программируемого логического контроллера, имеющего в своём составе модули дискретного вывода, к которым подключены электромеханические реле, коммутирующие соответствующие цепи нагрузки и управляющие приводом автотрансформаторов, а также применены модули дискретного и аналогового ввода для сбора информации с датчиков напряжения, тока и датчиков сдвига фаз; и промышленного компьютера передающего информацию в автоматизированную систему управления верхнего уровня.
Сущность технического решения состоит во введении регулируемых автотрансформаторов со встроенным электроприводом и сериесных трансформаторов, позволяющих регулировать уровни и фазовые сдвиги напряжений в каждой фазе сети, используя внешний управляющий сигнал от системы управления.
На фиг. 1 изображена структурная схема полезной модели.
Лабораторный стенд для исследований режимов работы участка электрической сети с регулятором напряжения включает в себя силовую часть, состоящую из шунтового трёхфазного трансформатора (1), однофазных сериесных трансформаторов (2) и автотрансформаторов (3), вводных дросселей (4) и фильтровых конденсаторов (5), трёхфазной нагрузки (6), синхронных источников энергии (7), перечисленные элементы объединены электрически; и информационно-управляющую часть в виде программируемого логического контроллера (8), имеющего в своём составе модули дискретного вывода (9), к которым подключены электромеханические реле (10), коммутирующие соответствующие силовые цепи нагрузки и цепи управления электроприводом автотрансформаторов, модули дискретного и аналогового ввода (11) для сбора информации с датчиков напряжения и тока (12) и датчиков угла сдвига фаз (13), а также в виде промышленного компьютера (14) передающего информацию в автоматизированную систему управления верхнего уровня (15).
Автотрансформаторы (3), обеспечивают регулирование (выравнивание) потоков энергии от источников в нагрузку. Вводные дроссели (4) и фильтровые конденсаторы (5) использованы для имитации линий электропередач. Трёхфазная нагрузки (6) набрана из последовательно-соединенных дросселей и резисторов, комбинации которых составляют двоичный код с весами 8-4-2-1. Синхронные источники энергии (7) моделируют источники двух электрических сетей – «сеть №1» и «сеть №2» и представляют собой синфазные напряжения.
Управление стендом осуществляется с помощью программируемого логического контроллера (8), имеющего в своём составе модули дискретного вывода (9), к которым подключены электромеханические реле (10), коммутирующие цепи нагрузки, и управляющие электроприводами автотрансформаторов (3).
Для измерения тока и напряжения в цепях стенда использованы датчики напряжения и тока (12), включённых в каждую фазу «сеть №1», «сеть №2» и нагрузки. Для измерения угла сдвига фаз использованы три датчик сдвига фаз (13), включенные между сетью №1 и №2 в каждую фазу. Информация с датчиков поступает через модули дискретного и аналогового ввода (11) на программируемый логический контроллер (8).
На фиг. 2 приведена функциональная схема (в однолинейном изображении) лабораторного стенда для исследований режимов работы участка трехфазной электрической сети с регулятором напряжения. Сплошными линиями изображены электрические соединения элементов стенда. Пунктирными линиями изображены границы функциональных блоков стенда. Штрихпунктирными линиями показаны информационные связи между элементами стенда.
Силовая часть схемы состоит из четырех блоков (узлов) и моделей линий электропередачи (16). Два блока имитируют питающие сети («сеть №1» (17) и «сеть №2» (18)), третий блок – трансформаторный регулятор напряжения (19) и четвертый блок – имитирует нагрузку (20).
На входе первого силового блока – «сеть №1» (17) в каждую фазу включены: однофазный автотрансформатор ТV1 (3) для имитации разбаланса уровней питающего напряжения, а также сериесный трансформатор TV2 (2) (первичная обмотка которого подключена к автотрансформатору TV5 (3), на который в свою очередь с шунтового трансформатора TV8 (1) подается линейное напряжение двух других фаз), для имитации разбаланса фазовых углов.
Для имитация линий электропередач (16) в каждую фазу источников напряжений включены дроссели L1, L2 (4) (имитация омических и индуктивных сопротивлений) и фильтровые конденсаторы C1, С2 (5) (имитация емкостных сопротивлений).
Силовая часть трансформаторного регулятора напряжения (19) состоит из шунтового трехфазного трансформатора TV8 (1), общего для всех трех фаз, и группы сериесных трансформаторов TV3 и TV4 (2), подключенных к автотрансформаторам TV6 и TV7 (3) с электроприводами.
В каждую фазу трансформаторного регулятора напряжения (19) включены последовательно два сериесных трансформатора (2) для продольной и поперечной компенсации. Первичные обмотки сериесных трансформаторов подключены к автотрансформаторам (3), на которые подается соответствующее напряжение (фазное или линейное) с шунтового трансформатора (1).
Нагрузкой (20) каждой фазы являются четыре R-L цепочки, включенные последовательно-параллельно и обеспечивающие «типовое» значение угла нагрузки (cosϕ = 0,7). Мощности цепочек – разные и имеют веса 1, 2, 4, 8, что позволяет иметь 16 возможных комбинаций и изменять нагрузку с шагом не более 7%.
Силовая часть трансформаторного регулятора напряжения (19) включена между двумя синхронными источниками энергии «сеть №1» (17) и «сеть №2» (18). За счет продольной и поперечной компенсации, реализованной регулятором напряжения (19), обеспечивается регулирование (выравнивание) потоков энергии от источников в нагрузку, увеличивается пропускная способность участка электрической сети, может быть реализована стабилизация напряжения на нагрузке.
Управление силовой частью трансформаторного регулятора напряжения (19) и нагрузкой (20) выполняет программируемый логический контроллер (ПЛК) (8), который, анализируя сигналы датчиков (12, 13), через промежуточные реле (10) управляет электроприводами автотрансформаторов (3) и подключает ступени нагрузки (20), выполняя программу испытаний. Для отображения режима работы и формирования управляющих воздействий в каждую фазу физической модели установлены датчики напряжения и тока (12), соsϕ.
Сигналы, приходящие с датчиков (12, 13), обрабатываются в аналоговых модулях расширения контроллера и выводятся на сенсорный экран ПЛК. Также есть возможность отображения графиков изменения во времени управляемых величин (фиг. 3).
Датчик угла сдвига фаз (13) силовых напряжений - специальный, собственной разработки, микропроцессорный (сигналы обрабатываются в измерительном устройстве, передаются на ПЛК и выводятся на сенсорный экран).
Принцип измерения угла сдвига фаз напряжений построен на измерении времени между передними фронтами импульсов, поступающих на входы PCO и PC1 микроконтроллера. Значение разности фаз напряжений может быть как с положительным, так и с отрицательным знаком. На фиг. 4 показан случай положительного значения смещения напряжения фазы А. Измеренное смещение фазы напряжения программа преобразует в аналоговый сигнал посредством широтно-импульсной модуляции и RC-фильтра. Этот сигнал изменяется в диапазоне от 0 до 5 В и пропорционален измеренному значению смещения фаз, смещенному по амплитуде на 2,5 В. Т.е. нулевому смещению фаз напряжений соответствует значение выходного сигнала 2,5 В, смещению +180 эл. градусов соответствует значение 5 В, а значению -180 эл. градусов соответствует 0 В.
Кроме экрана ПЛК визуализацию режима работы лабораторного стенда для исследований режимов работы участка электрической сети с регулятором напряжения обеспечивают щитовые приборы (вольтметры, амперметры, ватт и варметры, измерители косинуса фи).
Благодаря наличию интеллектуальной системы управления лабораторный стенд позволяет произвести оценку несимметрии напряжений по уровню и фазе участка электрической сети, а также осуществить автоматическое или ручное выравнивание перетоков мощностей как в одной, так и в трех фазах одновременно с получением исчерпывающей выходной информации о ходе процесса компенсации в виде таблиц и графиков изменения регулируемых величин.
Разработанный лабораторный стенд для исследований режимов работы участка электрической сети с регулятором напряжения является рабочим инструментом для экспериментальных исследований и позволяет на практике проверять и верифицировать результаты теоретических исследований и имитационного моделирования сложных «электронных трансформаторов» (трансформаторно-транзисторно-тиристорных регуляторов напряжения).