ИСПЫТАТЕЛЬНО-НАГРУЗОЧНЫЙ СТЕНД

Предполагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к имитаторам нелинейной нагрузки источников питания, и может найти применение в качестве имитаторов нелинейной ступенчатой нагрузки компенсатора реактивной мощности (КРМ).
В настоящее время на практике широко используются КРМ, обеспечивающие полное или частичное компенсирование реактивной мощности в сети.
Для исследований возможностей КРМ, предназначенных для работы в линиях, а также для проведения пусконаладочных работ КРМ возникает необходимость в применении имитаторов ступенчатой нелинейной нагрузки различной мощности.
За основу простейшей реализации таких имитаторов можно использовать параллельно соединенные друг с другом конденсаторную батарею и нагрузочный резистор, а также последовательно соединенные индуктивность и нагрузочный резистор, подключаемые к линии, параллельно которой стоит КРМ (Конев Ю.И., «Компенсаторы мощности искажений», «Электропитание», 1993, №1, стр.61, рис.1, [1]).
В качестве основных требований, предъявляемых к имитаторам нелинейной нагрузки, необходимо отметить следующее:
- во-первых, должны быть предусмотрены меры по ограничению величины пускового тока, обусловленного током заряда конденсаторной батареи при ее подключении к выходам выпрямительного моста и способного при большой емкости конденсаторной батареи вывести из строя как минимум сам выпрямительный мост;
- во-вторых, должна обеспечиваться возможность ступенчатого изменения величины нагрузки, имитируя тем самым последовательное во времени подключение и отключение соответствующих потребителей электроэнергии;
- в-третьих, должны быть предусмотрены подключение и отключение нелинейной активно-индуктивной (RL) нагрузки, с целью создания имитации реальной нагрузки сети.
Известна схема имитатора переменной частоторегулируемой нагрузки (RU, U1 №73087, МПК: G01R 31/00, опубликован 10.05.2008 г., [2]), включающего в себя множество соединенных параллельно резисторов, расположенных с возможностью подключения параллельно испытываемой системе электроснабжения, и управляемые переключающие элементы, соединенные последовательно с указанными резисторами и через логические схемы с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ), при этом резисторы из указанного множества сгруппированы с образованием канала плавно регулируемой нагрузки, в котором резисторы образуют ряд, управляемый в двоичном коде посредством ключевых транзисторных элементов, и канала ступенчато- и частотно-регулируемой нагрузки, в котором резисторы сгруппированы в ряды с различными уровнями дискретности тока нагрузки, управляемые ключевыми транзисторными элементами. Ключевые транзисторные элементы обеих каналов посредством драйверов связаны с блоком управления, соединенным через контроллер с ПЭВМ, которая через этот же контроллер связана с сенсорным дисплеем, блок управления включает внутренний задающий генератор, по фронту которого задается ступенчатое формирование нарастающего или спадающего фронтов тока нагрузки, при этом время нарастания или спада, а также шаг дискретности указанных фронтов регулируются подключением различных групп резисторов в соответствии с программой.
Недостатком имитатора переменной частоторегулируемой нагрузки [2] является сложное управление, обусловленное необходимостью программирования с ПЭВМ, невозможность использования для оценки возможностей трехфазных КРМ, а также, отсутствие в схеме регулируемой индуктивно-емкостной составляющей.
Наиболее близким к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является устройство испытательно-нагрузочного стенда (RU, C1 №2277248, МПК: G01R 31/34; Н02М 9/04, опубликован 27.05.2006 г., [3]) содержащее двухполупериодный выпрямительный мост, состоящий из четырех диодов, и N параллельных друг другу нагрузочных контуров, подключенных к выходу выпрямительного моста, при этом в состав каждого нагрузочного контура входят контакты пускового ключа, диод, ограничительный резистор, обмотка реле с двумя группами нормально разомкнутых контактов, конденсаторная батарея и нагрузочный резистор. При этом контакты пускового ключа и диод в проводящем направлении включены между плюсом двухполупериодного выпрямительного моста и одним из выводов ограничительного резистора, другой вывод которого подключен к плюсу конденсаторной батареи, а ее минус соединен с одним из выводов нагрузочного резистора и с минусом двухполупериодного выпрямительного моста. Кроме того, параллельно к конденсаторной батарее подключена обмотка реле, первая группа нормально разомкнутых контактов которой подключена параллельно к ограничительному резистору, а вторая группа нормально разомкнутых контактов включена между плюсом конденсаторной батареи и вторым выводом нагрузочного резистора.
Недостатком испытательно-нагрузочного стенда [3] является отсутствие в схеме индуктивностей, необходимых для полной имитации нелинейной нагрузки, а также невозможность использования его для оценки возможностей трехфазных КРМ.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является создание модели нелинейной ступенчатой нагрузки, обеспечивающей полную (достоверную) имитацию нагрузки с возможностью плавного регулирования величины ее активной и реактивной составляющих, позволяющей использовать ее для оценки возможностей трехфазных компенсаторов реактивной мощности.
Техническим эффектом от реализации предлагаемого испытательно-нагрузочного стенда является повышение качества оценки возможностей и недостатков разрабатываемых (исследуемых) трехфазных компенсаторов реактивной мощности.
Решение поставленной задачи и получение соответствующего технического результата достигаются тем, что в испытательно-нагрузочном стенде, содержащем выпрямительный мост, соединенный с клеммами для присоединения источника питания, и N параллельных друг другу нагрузочных контуров, каждый из которых подключен к выходу выпрямительного моста и содержит контакты пускового ключа, диод, ограничительный резистор, обмотку реле с двумя группами нормально разомкнутых контактов, конденсаторную батарею и нагрузочный резистор, соединенные последовательно контакты пускового ключа и диод в проводящем направлении включены между плюсом выпрямительного моста и одним из выводов ограничительного резистора, другой вывод которого подключен к плюсу конденсаторной батареи, присоединенной минусом к одному из выводов нагрузочного резистора и к минусу выпрямительного моста, параллельно к конденсаторной батарее подключена обмотка реле, первая группа нормально разомкнутых контактов которой подключена параллельно к ограничительному резистору, а вторая группа нормально разомкнутых контактов включена между плюсом конденсаторной батареи и вторым выводом нагрузочного резистора, причем выпрямительный мост выполнен по трехфазной схеме в виде трех параллельных диодных полумостов, в каждом из которых между парой диодов подсоединена клемма для присоединения к соответствующей фазе источника питания, при этом устройство снабжено М включенными параллельно друг другу блоками активно-индуктивной нагрузки, каждый из которых имеет по числу фаз источника питания число нагрузочных контуров, а каждый нагрузочный контур блока активно-индуктивной нагрузки выполнен в виде последовательно включенных индуктивности и резистора, при этом резисторы другими выводами соединены в звезду, а индуктивности соединены посредством ключей с соответствующей клеммой для присоединения фазы источника питания, кроме того, устройство снабжено блоком управления, который подсоединен к контактам пусковых ключей в N нагрузочных контурах и ключей нагрузочных контуров в М блоках активно-индуктивной нагрузки.
Благодаря введению в схему испытательно-нагрузочного стенда дополнительных М ступенчато- и частотно-регулируемых блоков активно-индуктивной нагрузки, нагрузочные контуры которых выполнены в виде последовательно включенных индуктивности и резистора, появляется возможность с помощью блока управления и в совокупности с N нагрузочными контурами правильно и полно (достоверно) имитировать любые варианты нагрузки, с возможностью плавного регулирования величины ее активной и реактивной составляющих, что увеличивает качество оценки возможностей исследуемых КРМ.
При этом выполнение выпрямительного моста по трехфазной схеме в виде трех параллельных диодных полумостов, в каждом из которых между парой диодов подсоединена клемма для присоединения к соответствующей фазе источника питания (сети), а также выполнение в блоках активно-индуктивной нагрузки объединенных в звезду нагрузочных контуров по числу фаз источника питания позволяет использовать предлагаемый имитатор нагрузки для исследования возможностей и проведения пусконаладочных работ компенсаторов реактивной мощности, предназначенных для работы в линиях.
Сопоставительный анализ предлагаемого устройства с известными из уровня техники имитаторами нелинейной нагрузки и отсутствие описания аналогичного схемотехнического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию «новизна».
На фиг.1 схематически показан предлагаемый испытательно-нагрузочный стенд.
На фиг.2 показана блок-схема использования испытательно-нагрузочного стенда при испытаниях КРМ.
N
M
M
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
N
A
B
C
M
Показанный на фиг.1 испытательно-нагрузочный стенд, представляющий собой имитатор нелинейной ступенчатой нагрузки для исследования возможностей трехфазных компенсаторов реактивной мощности или их пусконаладочных работ, содержит: выпрямительный мост -1; N параллельных нагрузочных контуров - 2, каждый из которых подключен к выходу выпрямительного моста - 1 и содержит контакты пускового ключа - 3, диод - 4, ограничительный резистор - 5, обмотку реле -6 с двумя группами нормально разомкнутых контактов - 7 и 8, конденсаторную батарею - 9 и нагрузочный резистор - 10; М параллельных блоков активно-индуктивной нагрузки - 11; каждый блок - 11 имеет равное числу фаз источника питания (сети) число нагрузочных контуров, каждый из которых выполнен в виде последовательно включенной индуктивности - 12, 12 или 12 и соединенных другими выводами в звезду резистора - 13, 13 или 13, при этом индуктивности 12, 12 и 12 присоединены посредством ключей 14, 14 и 14 посредством клемм - К, К и К к соответствующим фазам сети; блок управления - 15, который соединен с контактами пусковых ключей 3 в нагрузочных контурах 2 и ключей 14, 14 и 14 в блоках 11 активно-индуктивной нагрузки.
N
A
B
C
При этом выпрямительный мост 1 выполнен по трехфазной схеме в виде трех параллельных диодных полумостов, первый из которых содержит пару диодов D1 и D2, второй - пару диодов D3 и D4, третий - пару диодов D5 и D6, причем к плюсам диодов D1, D3 и D5 и к минусам диодов D2, D4 и D6 на выходе выпрямительного моста 1 подключен каждый нагрузочный контур 2, а между диодами полумостов D1 и D2, D3 и D4, D5 и D6 подсоединена соответственно клемма К, К, К для присоединения к одной из фаз источника питания (сети), который не показан.
A
B
C
Показанная на фиг.2 блок-схема использования предлагаемой полезной модели при испытаниях КРМ состоит из испытательно-нагрузочного стенда - 16, соединенного посредством клемм К, К, К с компенсатором реактивной мощности - 17 и выходом измерительного блока - 18, входы которого соединены с фазами А, В и С трехфазной сети.
Работает испытательно-нагрузочный стенд следующим образом.
N
A
B
C
M
N
В исходном состоянии контакты пусковых ключей 3 всех нагрузочных контуров 2 и контакты ключей 14, 14, 14 во всех блоках 11 активно-индуктивной нагрузки разомкнуты. Вследствие этого все элементы устройства обесточены, все конденсаторные батареи 9 нагрузочных контуров 2 разряжены и все нормально разомкнутые контакты 7 и 8 всех реле 6 разомкнуты.
A
B
C
1
A
B
C
A
B
C
1
При замыкании контактов ключей 14, 14, 14 нагрузочных контуров, например в блоке 11 активно-индуктивной нагрузки, параллельно сети подключается активно-индуктивная нагрузка, при этом через индуктивности 12, 12, 12 и резисторы 13, 13, 13 его контуров начинает протекать ток. Следовательно, нагрузочные контуры блока 11 с этого момента начинает имитировать нелинейную активно-индуктивную нагрузку.
A
B
C
2
1
При замыкании контактов ключей 14, 14, 14 нагрузочных контуров в каком-либо другом из блоков активно-индуктивной нагрузки, например в 11, параллельно соединенного с ранее включенным блоком 11, подключается следующая часть активно-индуктивной нагрузки. Таким образом, характер нагрузки остается активно-индуктивным, а величина нагрузки меняется.
N
При замыкании контактов пускового ключа 3 в каком-либо из нагрузочных контуров 2 от диодов D1 и/или D3, и/или D5 выпрямительного моста 1 потечет ток заряда к соответствующей конденсаторной батареи 9. Вследствие того, что в цепи заряда конденсаторной батареи 9 находится соединенный с ней последовательно ограничительный резистор 5, величина тока заряда, ограничиваясь его сопротивлением, не будет иметь лавинообразный характер. Кроме того, благодаря нормально разомкнутым контактам 8 отсутствует протекание тока через нагрузочный резистор 10, что также снижает общее значение пускового тока.
1
По мере заряда конденсаторной батареи 9, время заряда которой определяется величинами ее емкости и сопротивления ограничительного резистора 5, появится ток в обмотке реле 6. При достижении определенного значения напряжения на конденсаторной батарее 9 обмотка реле 6 сработает, его нормально разомкнутые контакты 7 и 8 замкнутся. Контактами 7 шунтируется ограничительный резистор 5, а контактами 8 подключается к выпрямительному мосту 1 нагрузочный резистор 10. Соответствующий нагрузочный контур, например 2, с этого момента начинает имитировать подключенную к выпрямительному мосту 1 нелинейную нагрузку.
2
1
При необходимости увеличения испытательной нагрузки производится включение контактов пускового ключа 3 другого нагрузочного контура, например 2, все процессы подключения будут протекать аналогично для нагрузочного контура 2.
N
N
При необходимости уменьшить величину испытательной нагрузки производится отключение контактов пускового ключа 3 соответствующего нагрузочного контура 2. В отключенном от выпрямительного моста 1 нагрузочном контуре 2 конденсаторная батарея 9 разряжается через нагрузочный резистор 10 и обмотку реле 6. По мере разряда ток в обмотке реле 6 прекратится и его нормально разомкнутые контакты 7 и 8 разомкнуться, т.е. все элементы вернуться в исходное состояние.
N
Наличие в составе нагрузочных контуров 2 диодов 4 исключает взаимное влияние между контурами.
Из приведенного описания работы предложенного устройства видно, что в нем обеспечивается как существенное ограничение пускового тока в цепи активно-емкостной нагрузки, так и возможность ступенчатого изменения (увеличения или уменьшения) величины нагрузки, а также возможность ступенчатого изменения характера (активно-индуктивной, активно-емкостной или комбинированной активно-индуктивно-емкостной) нагрузки.
Использование предлагаемой полезной модели, показанное на фиг.2, происходит следующим образом.
При включении в работу, подключенного к сети, испытательно-нагрузочного стенда 16, через измерительный блок 18 начинает протекать ток, и измерительный блок 18 выдает данные о протекаемом токе и напряжении на зажимах сети, не внося при этом искажения в работу. При этом испытательно-нагрузочный стенд за счет характера (активно-индуктивной, активно-емкостной или комбинированной активно-индуктивно-емкостной) нагрузки вносит искажения в сеть. При включении компенсатора реактивной мощности 17, задачей которого, в том числе, является компенсирование реактивной мощности, искажения, создаваемые испытательно-нагрузочным стендом, компенсируются. При различных вариантах имитации нагрузки в испытательно-нагрузочном стенде 16 измерительный блок 18 непрерывно отображает информацию о происходящих в сети процессах и позволяет достоверно оценить возможности включенного в схему трехфазного КРМ 17.
Следовательно, можно сделать вывод, что поставленная цель - разработка устройства, используемого в качестве имитатора нелинейной нагрузки, обеспечивающего возможность ступенчатого изменения величины и характера нелинейной нагрузки и ограничение величины пускового тока при ее увеличении, достигнута.
Предложенное устройство может найти применение при проверке работоспособности компенсаторов реактивной мощности.
Технико-экономический эффект, обусловленный применением предложенного устройства, заключается в повышении надежности и достоверности получаемых результатов при проведении испытаний различных компенсаторов реактивной мощности. В результате проверки определяется предельная допустимая величина нагрузки, предельная величина активной и реактивной нагрузки, также определяется соответствуют ли характеристики испытуемого компенсатора реактивной мощности требуемым характеристикам.