Особенности работы симметрирующих и регулирующих устройств в автономных источниках питания

УДК 621.313.333.07

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СИММЕТРИРУЮЩИХ И РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

© О.В. Милашкина1

Ульяновское Высшее Авиационное училище Гражданской Авиации (Институт), 432071, Россия, г. Ульяновск, ул. Можайского, 8/8.

В статье рассматриваются элементы системы управления качественными характеристиками выходных параметров автономных источников питания. Приведены результаты исследований экспериментальных разработок симметрирующих устройств и устройства плавного регулирования индуктивности для работы в автономных источниках питания. При исследовании на математических моделях ДГУ были определены показатели эффективности повышения качества электроэнергии, а также массогабаритные показатели и КПД автономных источников электроэнергии. Полученные результаты исследования аварийных режимов в электроэнергетической системе показали пути дополнительного расширения возможности диагностики электроэнергетических систем. Ключевые слова: симметрия напряжений; точность регулирования; автономные энергоустановки; аварийный режим.

OPERATION FEATURES OF BALANCING AND REGULATING UNITS IN AUTONOMOUS POWER SUPPLIES O.V. Milashkina

Ulyanovsk Higher Aviation School of Civil Aviation (Institute), 8/8 Мozhaisky St., Ulyanovsk, 432071, Russia.

The article examines the elements of the control system of autonomous power supply output parameter quality descriptions. It provides the results of studying the experimental developments of baluns and devices of smooth inductance adjusting in autonomous power supplies. The researches conducted on the mathematical models of diesel-generator units allowed to determine the efficiency indexes of electric power quality improvement, as well as weight-size parameters and power efficiency of autonomous power supplies. The obtained results of studying malfunctions in the electrical power system have showed the ways of broadening the options for electrical power system diagnostics. Keywords: voltage balance; regulation accuracy; autonomous power plants; malfunction.

В последнее время особую актуальность приобрела разработка новых устройств, регулирующих симметрию электрических сетей. Это вызвано тем, что некоторые мощные промышленные установки в силу технологических или конструктивных особенностей могут быть лишь однофазными. Подключение таких установок вызывает существенное нарушение симметрии режима в сетях. Для устранения несимметрии применяются различные способы и средства, причем самым распространенным и общим является симметрирование с помощью специальных статических симметрирующих устройств (СУ). Решению широкого круга задач, связанных с использованием специальных СУ, посвящено значительное количество публикаций. В этих работах нашли отражение следующие позиции: общие вопросы теории процессов симметрирования; многочисленные варианты схемных решений симметрирующих устройств, касающихся в основном усовершенствования их силовой части; методы расчета, ставящие своей главной задачей обеспечение высоких КПД и коэффициента мощности, улучшение ве-согабаритных показателей устройств, получение хороших фильтрующих свойств по отношению к высшим гармоникам сети и т.д.

При эксплуатации промышленных электроэнергетических систем место подключения несимметричной

(главным образом однофазной) нагрузки является заранее известным. Это обстоятельство позволяет использовать для симметрирования устройства с минимальным количеством исполнительных элементов, в качестве которых нашли широкое применение дроссели и батареи конденсаторов.

Но симметрирующие устройства оказываются неработоспособными применительно к условиям эксплуатации автономных электроэнергетических систем (АвЭС), так как они могут выполнять свои функции лишь при определенном порядке чередования фаз относительно нагрузки и исполнительных элементов симметрирующего устройства. Для симметрирования же режимов работы автономных электроэнергетических систем необходимы так называемые универсальные симметрирующие устройства (УСУ). Известны различные варианты исполнения УСУ, наиболее надежными из которых являются устройства, выполненные на основе индуктивных или индуктивно-емкостных исполнительных элементов.

Анализируя некоторые особенности реализации универсальных симметрирующих устройств, предназначенных для эксплуатации в автономных электроэнергетических системах, видно, что важным моментом при решении этого вопроса является наличие у синхронных генераторов регулятора возбуждения,

1Милашкина Ольга Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры общепрофессиональных дисциплин, тел.: 89374580260, е-mail: milashkina.o@mail.ru

Milashkina Olga, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of General Professional Disciplines, tel.: 89374580260, е-mail: milashkina.o@mail.ru

который обычно стабилизирует на заданном уровне напряжение одной из фаз. При этом представляет интерес оценка возможности выполнения универсальных СУ с числом исполнительных элементов меньшим на единицу, чем число фаз источника, и каждый исполнительный элемент должен стабилизировать напряжение той фазы, к которой он подключен, а регулятор возбуждения - напряжение фазы, оставшейся без исполнительного элемента симметрирующего устройства.

Другой важнейшей задачей при разработке симметрирующих устройств применительно к генераторным агрегатам автономных систем является решение вопроса управления процессом симметрирования их выходных напряжений. Как уже говорилось, в процессе эксплуатации АвЭС имеет место случайный характер распределения нагрузок по фазам. Вследствие этого необходимо осуществлять перевод исполнительных элементов СУ из одного состояния в соответствующее другое. Указанная операция по условиям эксплуатации должна осуществляться без вмешательства человека (автоматически) при помощи регулирующих устройств (регуляторов симметрии). Симметрирование напряжений в автономных электроэнергетических системах с высокой точностью в условиях изменения величины нагрузки и места ее подключения может быть достигнуто лишь при реализации регуляторами симметрии замкнутого принципа управления.

Важным моментом при построении замкнутых систем регулирования имеется вопрос выбора сигналов обратной связи, характеризующих симметрию напряжений.

В качестве аварийных источников питания в электроснабжении различных транспортных средств, а также объектов промышленных комплексов широко применяются автономные энергоустановки, которые, в так называемых «полевых» условиях, когда нет возможности использовать стационарное электроснабжение от промышленной сети, должны обеспечивать нормальное (штатное) функционирование потребителей и устройств электрооборудования наиболее ответственного применения.

Наличие этих потребителей и соответствующих требований к качеству электроэнергии вызывают необходимость постоянного совершенствования конструкции автономных источников электроэнергии и функциональных параметров.

Особый интерес представляет исследование дизель-генераторных установок (ДГУ) в аварийных режимах. Аварийные ситуации приводят к сокращению срока службы электрооборудования, снижению его надежности, вызывают увеличение потерь мощности, перепад напряжения и являются одной из главных причин нарушений электроснабжения энергетических систем.

Улучшения показателей качества работы автономных источников питания в аварийной ситуации рассматриваются несколькими методами. При этом будем иметь в виду следующее обстоятельство: симметрия напряжений генератора, очевидно, может иметь место лишь при симметрии токов, его загружающих и складывающихся из токов несимметричной нагрузки и токов исполнительных элементов симметрирующего устройства. Таким образом, симметрирование напряжений, в сущности, сводится к обеспечению симметрии токов генератора. Разработка универсальных принципиальных схем симметрирующих устройств и моделей дизель-генераторных установок является актуальной задачей при решении вопроса управления процессом регулирования выходных напряжений генераторов при аварии.

При разработке управляющих устройств для повышения качества электроэнергии автономных мотор-генераторных источников питания симметрирование играет большую роль, так как используются вторичные источники питания (ВИП), для которых несимметрия приводит к модуляции выходного напряжения, с которой можно бороться (рис. 1, 2) [1, 2].

То есть датчики несимметрии нужны, в частности, и для управления ключом VT (рис. 2), а «силовое симметрирование», предложенное в экспериментальной схеме регулирования симметрии напряжения (рис. 3), выполнено на транзисторах ЮВТ, работающих в режиме ШИМ с силовым дросселем Ц подключенным в цепь тока нагрузки.

Рис. 1. Вторичный источник питания

Рис. 2. Схема управления силовым ключом

Одно из экспериментальных устройств - устройство плавного регулирования напряжения, которое может быть использовано в установках, где требуется применение индуктивности с плавным регулированием ее величины.

Многие аналоги имеют недостаток - в них индуктивность изменяется за счет механического перемещения подвижных частей магнитопровода, что является серьезным препятствием их применения в системах автоматического управления. Более эффективным способом изменения индуктивности следует считать электрический - путем изменения сигнала управления в виде напряжения или тока.

Недостатками дроссельных магнитных усилителей являются их повышенные массогабаритные показатели и искажения формы тока за счет использования насыщения магнитного потока. Кроме того, дроссельные магнитные усилители обладают низким быстродействием, что также является препятствием их эффективного применения в системах автоматики.

Регулируемые индуктивности обеспечивают симметрирование выходных напряжений многофазных источников питания при несимметричной нагрузке; обеспечивают равномерное распределение нагрузки у параллельно работающих электромашинных источни-

ков питания; обеспечивают компенсацию емкостных токов при включении линии электропередачи и т.п.

Устройство плавного регулирования индуктивности состоит из нерегулируемого дросселя и шунтирующего его транзисторного ключа в виде последовательно и встречно включенных транзисторов с шунтирующими диодами, системы управления ключом, состоящей из датчика тока, двух блоков определения его знака, генератора линейно изменяющего напряжения, блока формирования импульсов и двух логических элементов совпадения.

Особенностью является то, что выход датчика тока соединяется с входами блоков определения его знака, выходы которых соединены с первыми входами элементов совпадения, вторые входы последних соединены с входом блока формирования импульсов, а выходы элементов совпадения с входом транзисторного ключа.

Изменение индуктивности осуществляется путем широтно-импульсного управления ключом переменного тока на основе транзисторов и обратных диодов.

На рис. 6 приведены временные диаграммы напряжения, источника питания ес (О) и токов нагрузки ¡„1(0) при замкнутом положении ключа К, когда у = 1; и ¡н2 (О) - при разомкнутом положении К, когда у =0.

Рис. 3. Схема регулирования симметрии напряжения

Рис. 4. Схема устройства плавного регулирования индуктивности: 1 - дроссель с постоянным значением индуктивности; 2 - датчик тока, протекающего через индуктивность; 3,4 - транзисторы с шунтирующими диодами, включенные встречно-последовательно; 5, 6 - блоки определения знака тока, протекающего через индуктивность; 7 - блок формирования импульсов управления транзисторами; 8 - генератор линейно изменяющего напряжения с периодом переключения (Т„) транзисторов; 9,10 - логические элементы совпадения сигналов, выполняющие функции распределителей импульсов управления на транзисторы

Рис. 5. Расчетная схема замещения устройства плавного регулирования индуктивности

Рис. 6. Временные диаграммы напряжения источника питания ес (в) и токов нагрузки ¡Н1(в) при замкнутом положении ключа К

-г 1 |# i -

/ i¡ lt> ес

1*г

>1г

в

_

Г i i i

Рис. 7. Кривая тока ¡И для Y = 1/3; кривая тока ¡И для Y = 2/3

При промежуточных значениях 0< у < 1 происходят следующие процессы:

- в момент замыкания ключа К на интервале tв ток в нагрузке определяется выражением

<н1 '

R

Sin в,

H

где 1н1 - ток нагрузки при замкнутом положении ключа К (рис. 6), Rн - сопротивление нагрузки;

- ток в дросселе ^ остается постоянным, так как Lд•diLМ =0, а ток нагрузки протекает через ключ;

- при размыкании ключа К в конце интервала tв и в начале паузы t0 (рис. 6) характер тока нагрузки определяется решением уравнения

Um sin Q = i„R„ +L

Д'

dt

которое содержит вынужденную i ycmj и свободную icei составляющие у (A0¡) = iyCT.¡ +¡cb.¡, где iH - ток нагрузки; Ld - индуктивность дросселя; iycmj - вынужденный ток; icel - свободный ток.

На рис. 6 на двух начальных периодах работы ключа показаны свободные составляющие тока. Если свободные составляющие не учитывать, то кривая тока нагрузки iH будет представлять последовательность импульсов, максимальные и минимальные значения которых ограничиваются кривыми токов iHl - при замкнутом ключе К и iH2 - при разомкнутом ключе К. Следует отметить, что кривая тока iH2 совпадает с вынужденным решением уравнения

diH

Um Sin в = ÍhRh +Lд — .

dt

Если рассматривать среднее значение тока нагрузки при широтно-импульсном управлении ключом К, то нетрудно убедиться, что изменение iнср подчиняется условиям, когда значение Lд плавно изменяется от своего максимального значения до нуля, то есть имеет место эффект плавного регулирования индуктивности для внешней цепи.

В реальных случаях эффект усреднения обеспечивается естественным путем, так как в источник питания ес, да и в самой нагрузке всегда присутствуют индуктивности, которые будут эффективно сглаживать высокочастотные импульсы тока нагрузки. В случае малоиндуктивных элементов конкретных схем эффект сглаживания высокочастотных составляющих тока iн может быть обеспечен с помощью емкостных фильтров.

На рис. 7 приведена кривая тока 1н для у = 1/3 и для у = 2/3.

В исходном состоянии, когда иу =0 импульсов управления транзисторами нет, несмотря на то, что генератор линейно изменяющего напряжения 8 вырабатывает опорное пилообразное напряжение, изменяющееся с частотой ¡„ = 1/ Тп. Дело в том, что импульсы формируются в начале каждого периода переключения и имеют ширину, то есть tв, от начала периода до точки перечисления напряжения управления с опорным. Поэтому при иу =0 формируются импульсы управления исчезающе малой длительности, и как следствие, транзисторы 3 и 4 оказываются закрытыми. В то же время устройство по схеме рис. 4 готово к работе: по дросселю 1 и датчику тока 2 протекает ток ¡н, определяющийся источником питания и нагрузкой, выходной сигнал датчика тока подается на блоки 5 и 6 определения знака тока, протекающего через индуктивность; в свою очередь выходные сигналы блоков 5 и 6 поданы на логические элементы 9 и 10 совпаде-

ния, на выходе которых сигналов нет, так как нет импульсов управления на их вторых входах. При появлении сигнала управления иу >0 появляются и импульсы управления транзисторами 3 и 4 и имеет место описанное выше ШИМ регулирование ключом, шунтирующим дроссель 1, и появляется эффект регулирования индуктивности.

Регулируемые индуктивности нужны для решения многих важных прикладных задач электротехники и электроэнергетики.

Например, регулируемые индуктивности обеспечивают симметрирование выходных напряжений многофазных источников питания при несимметричной нагрузке; равномерное распределение нагрузки у параллельно работающих электромашинных источников питания; компенсацию емкостных токов при включении линии электропередачи и т.п. Оптимальными свойствами транзисторов с шунтирующими диодами, включенными встречно-последовательно, обладают МОП-транзисторы, как имеющие наименьшее падение напряжения в открытом состоянии.

Представленное устройство плавного регулирования индуктивности предлагается использовать в про-

мышленности, например, для использования в устройствах симметрирования напряжений многофазных источников питания при несимметричной нагрузке или при обеспечении правильного распределения нагрузок при параллельной работе электромашинных источников питания и т.п. [3].

Практическое применение вышеизложенных экспериментальных разработок согласовывается с особенностями объекта регулирования; условиями его работы; требованиями, предъявляемыми к точности регулирования, быстродействию, помехозащищенности в аварийных ситуациях.

При проведении исследований были использованы экспериментальные разработки симметрирующих устройств и устройство плавного регулирования индуктивности. Итоги эксперимента в области разработки устройств стабилизации симметрии напряжений и устройств плавного регулирования индуктивности позволяют расширить круг вопросов и получить ряд новых результатов, которые могут быть использованы при разработке автоматизированных транспортных энергетических систем в аварийных ситуациях.

Статья поступила 25.03.2015 г.

Библиографический список

1. Милашкина О.В. Повышение качества электроэнергии, вырабатываемой автономными дизель-генераторными установками: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03. Чебоксары, 2010. 143 с.

2. Милашкина О.В., Дмитриев В.Н., Борисов И.В. Применение симметрирующих устройств для повышения качества

электроэнергии автономных источников питания // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2009. № 3-4. С. 59-64. 3. Пат. № 2275673. Устройство плавного регулирования индуктивности / М.А. Боровиков, О.В. Милашкина, В.Е. Быстрицкий // Бюлл. № 12. 2006.