Способ минимизации несимметрии токов и напряжений в распределительных сетях 0,4 кВ и устройство для его реализации

Page 1
background image

305

УЧЕТ

 

И

 

КАЧЕСТВО

 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Способ

 

минимизации

 

несимметрии

 

токов

 

и

 

напряжений

 

в

 

распределительных

 

сетях

 0,4 

кВ

 

и

 

устройство

 

для

 

его

 

реализации

Савельев

 

А

.

А

.,

 

филиал

 

ПАО

 «

МРСК

 

Центра

 

и

 

Приволжья

» — «

Мариэнерго

»

к

.

т

.

н

Орлов

 

А

.

И

.,

 

ФГБОУ

 

ВО

 «

Марийский

 

государственный

 

университет

»

Аннотация

В

 

данной

 

работе

 

показана

 

актуальность

 

проблемы

 

несимметрии

 

токов

 

и

 

напряжения

 

в

 

трехфазных

 

электрических

 

сетях

а

 

также

 

предложено

 

решение

 

обозначенной

 

про

-

блемы

Рассмотрены

 

технические

 

особенности

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

реализующего

 

предлагаемое

 

решение

 

проблемы

 

несимметрии

Приведены

 

резуль

-

таты

 

расчета

 

стоимости

 

первого

 

образца

 

устройства

рассчитанного

 

на

 

нагрузку

 

130 

кВА

Рассмотрен

 

возможный

 

эффект

 

от

 

внедрения

 

в

 

распределительных

 

элек

-

трических

 

сетях

 

предлагаемого

 

в

 

статье

 

устройства

 

и

 

перспективы

 

его

 

дальнейшей

 

модернизации

.

Ключевые

 

слова

:

несимметрия

 

токов

 

и

 

напряжений

устройство

 

выравнивания

 

нагрузки

симметри

-

рование

силовой

 

ключ

модуль

 

коммутации

Введение

Распределительные

 

электрические

 

сети

 0,4 

кВ

 

работают

 

в

 

несимметричном

 

режиме

Техно

-

логические

 

потери

 

электроэнергии

 

в

 

сельских

 

распределительных

 

сетях

 0,4 

кВ

 

выросли

 

по

-

чти

 

в

 3 

раза

 

за

 

последнее

 

десятилетие

 

и

 

достигают

 30% 

от

 

общей

 

величины

 

потерь

 

в

 

сетях

 

0,4 

кВ

 [1]. 

Главной

 

причиной

 

этого

 

является

 

несимметрия

 

присоединенной

 

нагрузки

основная

 

доля

 

потребителей

 

в

 

этих

 

сетях

 — 

однофазные

 

электроприемники

их

 

количество

 

и

 

режимы

 

работы

 

постоянно

 

меняются

Также

 

несимметричные

 

режимы

 

работы

 

сетей

 0,4 

кВ

 

встречают

-

ся

 

и

 

в

 

городских

 

распределительных

 

сетях

 [2].

Такой

 

характер

 

потребления

 

электроэнергии

 

приводит

 

к

 

ухудшению

 

ее

 

качества

Напряже

-

ние

 

обратной

 

последовательности

появляющееся

 

в

 

несимметричной

 

трехфазной

 

сети

при

-

водит

 

к

 

потерям

 

электрической

 

энергии

 

и

 

крайне

 

негативно

 

влияет

 

на

 

работу

 

как

 

однофазных


Page 2
background image

306

СБОРНИК

 

НАУЧНО

-

ТЕХНИЧЕСКИХ

 

СТАТЕЙ

так

 

и

 

трехфазных

 

электроприемников

В

 

результате

 

падений

 

напряжения

 

на

 

полных

 

сопро

-

тивлениях

 

линии

 

электропередачи

 

снижается

 

напряжение

 

в

 

удаленных

 

от

 

источника

 

точках

 

присоединения

 

потребителей

Отклонения

 

напряжения

 

в

 

часы

 

максимума

 

нагрузок

 

часто

 

превышает

 

предельно

 

допустимое

 

значение

 +/- 10% [3]. 

Для

 

однофазных

 

потребителей

 

не

-

симметрия

 

приводит

 

к

 

существенному

 

сокращения

 

срока

 

службы

для

 

трехфазных

 

устройств

 

электропривода

помимо

 

этого

, — 

к

 

снижению

 

мощности

 

и

 

КПД

повышенному

 

тепловыделе

-

нию

Следовательно

увеличение

 

несимметрии

 

токов

 

и

 

напряжений

 

в

 

распределительных

 

се

-

тях

 0,4 

кВ

 

приводит

 

к

 

существенным

 

экономическим

 

потерям

Поэтому

 

проблема

 

несимметрии

 

напряжения

 

и

 

токов

 

является

 

актуальной

 

и

 

требует

 

решения

.

Методы

 

и

 

средства

 

симметрирования

 

нагрузки

 

электрических

 

сетей

Проблеме

 

несимметрии

 

напряжения

обоснованию

 

ее

 

актуальности

 

с

 

точки

 

зрения

 

дополни

-

тельных

 

потерь

 

в

 

элементах

 

системы

 

электроснабжения

 

посвящено

 

множество

 

работ

Так

в

 

работе

 [4] 

авторы

 

отмечают

 

актуальность

 

расчета

 

несимметричных

 

режимов

 

в

 

системах

 

электроснабжения

 

и

 

указывают

что

 

среди

 

суммарных

 

дополнительных

 

потерь

 

наибольшее

 

значение

 

имеют

 

потери

 

от

 

токов

 

нулевой

 

последовательности

Вохидов

 

А

.

Д

и

 

Немцев

 

Г

.

А

в

 

работе

 [5] 

предлагают

 

простое

 

уравнение

определяющее

 

дополнительные

 

потери

 

от

 

несим

-

метрии

 

в

 

распределительной

 

сети

 0,4 

кВ

 

в

 

зависимости

 

от

 

величины

 

коэффициента

 

несимме

-

трии

 

токов

 

по

 

нулевой

 

последовательности

а

 

также

 

методику

 

и

 

алгоритм

 

расчета

 

этих

 

потерь

Работа

 

Курилина

 

С

.

П

. [6] 

посвящена

 

энергетическим

 

режимам

 

отдельных

 

сельскохозяйствен

-

ных

 

установок

 

при

 

несимметрии

 

напряжения

В

 

качестве

 

основного

 

средства

 

обеспечения

 

нормативных

 

отклонений

 

напряжения

 

авторы

 

называют

 

использование

 

трансформаторов

35–110/10 

кВ

 

с

 

автоматическим

 

регулированием

 

напряжения

 

под

 

нагрузкой

в

 

качестве

 

допол

-

нительных

 — 

установку

 

конденсаторов

 

поперечного

 

включения

увеличение

 

сечений

 

прово

-

дов

 

ЛЭП

установку

 

регулировочных

 

автотрансформаторов

 

на

 

линиях

 10 

кВ

.

Симметрирование

 

электрической

 

сети

 

на

 

этапе

 

проектирования

 

не

 

позволяет

 

в

 

полной

 

мере

 

избавиться

 

от

 

обозначенной

 

проблемы

 

по

 

причине

 

развития

 

сети

 

с

 

течением

 

времени

 

и

 

вероятностного

 

характера

 

изменения

 

фазных

 

нагрузок

.

Современные

 

технические

 

решения

направленные

 

на

 

устранение

 

проблемы

 

несимметрии

 

электрических

 

сетей

по

 

принципу

 

работы

 

и

 

используемым

 

техническим

 

средствам

 

можно

 

разде

-

лить

 

на

 3 

группы

К

 

первой

 

группе

 

относятся

 

статические

 

устройства

бесступенчато

 

перераспреде

-

ляющие

 

мгновенную

 

мощность

 

между

 

фазами

 

электрической

 

сети

Принцип

 

работы

 

и

 

технические

 

возможности

 

такого

 

оборудования

включая

 

активные

 

фильтры

 

гармоник

статические

 

компенсато

-

ры

 

реактивной

 

мощности

 

и

 

другие

 

устройства

 

подробно

 

раскрыты

 

в

 

работах

 [7, 8, 9, 10]. 

Несмотря

 

на

 

огромный

 

потенциал

 

подобных

 

технических

 

средств

высокая

 

стоимость

 

сдерживает

 

их

 

широ

-

кое

 

распространение

Ко

 

второй

 

группе

 

относятся

 

симметрирующие

 

трансформаторы

К

 

общим

 

недостаткам

 

этих

 

устройств

 

можно

 

отнести

громоздкость

 

конструкции

высокую

 

стоимость

воз

-

можность

 

симметрирования

 

только

 

части

 

нагрузки

 

электрической

 

сети

непосредственно

 

подклю

-

ченной

 

к

 

устройству

Кроме

 

того

устройства

 

трансформаторного

 

типа

 

компенсируют

как

 

правило

только

 

составляющую

 

токов

 

и

 

напряжений

 

нулевой

 

последовательности

К

 

третьей

 — 

устройства

 

равномерного

 

распределения

 

электрической

 

нагрузки

 

по

 

фазам

 

электрической

 

сети

Пример

 

по

-

добного

 

устройства

позволяющего

 

подключать

 

однофазных

 

потребителей

 

к

 

определенным

 

фазам

 

электрической

 

сети

 

в

 

зависимости

 

от

 

ее

 

фазных

 

токов

приведен

 

в

 

описании

 

патента

 [11]. 

В

 

работе

 

[12] 

предложена

 

конструкция

 

коммутатора

 

фазной

 

нагрузки

алгоритм

 

работы

 

которого

 

заключа

-

ется

 

в

 

измерении

 

фазных

 

токов

 

и

 

выборе

 

на

 

их

 

основе

 

схемы

 

соединения

 

фаз

 

нагрузки

 

с

 

фазами

 


Page 3
background image

307

УЧЕТ

 

И

 

КАЧЕСТВО

 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

электрической

 

сети

 

с

 

целью

 

минимизации

 

тока

 

в

 

нейтральном

 

проводе

 

четырехпроводной

 

системы

 

электроснабжения

Однако

 

приведенные

 

схемы

 

не

 

оптимальны

 

в

 

отношении

 

количества

 

коммута

-

ционных

 

элементов

Кроме

 

того

авторы

 

работы

 [12] 

не

 

предлагают

 

решения

 

проблемы

 

цикличе

-

ских

 

коммутаций

возникающих

 

в

 

результате

 

работы

 

приведенного

 

устройства

В

 

работах

 [13, 14] 

даются

 

структурные

 

схемы

 

и

 

алгоритмы

 

работы

 

многофазного

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

.

Алгоритм

 

симметрирования

Для

 

устранения

 

проблемы

 

несимметрии

 

токов

 

и

 

напряжений

 

предлагается

 

устройство

сво

-

дящее

 

к

 

возможному

 

минимуму

 

основную

 

причину

 

обозначенной

 

проблемы

 — 

несимметрию

 

присоединенных

 

нагрузок

.

Устройство

 

представляет

 

собой

 

коммутационный

 

аппарат

 

с

 

микропроцессорным

 

управ

-

лением

 

и

 

позволяет

 

равномерно

 

распределять

 

нагрузку

 

между

 

фазами

 

трехфазной

 

системы

 

электропередачи

 

путем

 

переключения

 

однофазных

 

нагрузок

 

на

 

менее

 

нагруженные

 

фазы

кру

-

говой

 

перестановки

 

или

 

изменения

 

порядка

 

чередования

 

фаз

При

 

наличии

 

в

 

составе

 

нагрузки

 

трехфазных

 

электроприемников

для

 

правильной

 

работы

 

которых

 

необходимо

 

соблюдение

 

порядка

 

чередования

 

фаз

 (

например

асинхронных

 

электродвигателей

), 

это

 

указывается

 

по

-

средством

 

интерфейса

 

пользователя

В

 

этом

 

случае

 

устройство

 

выполняет

 

симметрирование

 

нагрузки

 

только

 

методом

 

круговой

 

перестановки

 

фаз

.

Однолинейная

 

блок

-

схема

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

 

представлена

 

на

 

рисунке

 1. 

Устройство

 

содержит

 

модуль

 

коммутации

 (

МК

), 

датчики

 

тока

 

отходящей

 

линии

 

симметрирую

-

щего

 

устройства

 (

ДТл

), 

датчики

 

тока

 

электрической

 

сети

 (

ДТэс

), 

датчики

 

напряжения

 

электри

-

ческой

 

сети

 (

ДН

), 

систему

 

управления

 — 

контроллер

 (

К

).

Алгоритм

 

симметрирования

 

нагрузки

подключенной

 

к

 

трехфазной

 

электрической

 

сети

за

-

ключается

 

в

 

следующем

Контроллер

 

на

 

основании

 

сигналов

 

от

 

датчиков

 

напряжения

датчиков

 

фазных

 

токов

 

электрической

 

сети

датчиков

 

фазных

 

токов

 

отходящей

 

линии

 

симметрирующего

 

устройства

 

вычисляет

 

действующие

 

значения

 

тока

 

в

 

каждой

 

фазе

 

электрической

 

сети

в

 

каждой

 

фазе

 

отходящей

 

линии

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

 

действующие

 

значения

 

фазных

 

на

-

пряжений

 

между

 

каждой

 

фазой

 

электрической

 

сети

 

и

 

нейтральным

 

проводом

Контроллер

 

вы

-

Рис

. 1. 

Однолинейная

 

блок

-

схема

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

 (

УВН

электрической

 

сети

МК

 — 

модуль

 

коммутации

К

 — 

контроллер

И

 — 

интерфейс

 

пользователя

ДТэс

 — 

датчик

 

тока

 

электрической

 

сети

ДТл

 — 

датчик

 

тока

 

отходящей

 

линии

 

симметрирующего

 

устройства

ДН

 — 

датчик

 

напряжения

Электрическая

сеть

УВН

ДТэс

ДТл

ДН МК

К

И

Другие

отходящие

линии

 

Отходящая

 

линия

устройства

 

выравнивания

нагрузки

 


Page 4
background image

308

СБОРНИК

 

НАУЧНО

-

ТЕХНИЧЕСКИХ

 

СТАТЕЙ

числяет

 

значения

 

проводимостей

 

каждой

 

фазы

 

электрической

 

сети

 

и

 

каждой

 

фазы

 

отходящей

 

линии

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

а

 

также

 

значения

 

проводимостей

 

каждой

 

фазы

 

других

 

отходящих

 

линий

 

как

 

разности

 

проводимостей

 

соответствующих

 

фаз

 

электрической

 

сети

 

и

 

фазы

 

отходящей

 

линии

Далее

 

контроллер

 

вычисляет

 

оптимальный

 

с

 

точки

 

зрения

 

симметрии

 

способ

 

распределения

 

отходящих

 

линий

 

нагрузки

 

по

 

фазам

 

внешней

 

сети

 

и

 

подает

 

управляющие

 

сигна

-

лы

 

в

 

модуль

 

коммутации

реализующий

 

выбранный

 

способ

 [13, 14].

Эффективность

 

алгоритма

 

симметрирования

Для

 

проверки

 

алгоритма

 

симметрирования

 

нагрузки

 

и

 

определения

 

влияния

 

устройства

 

на

 

характер

 

распределения

 

нагрузки

 

по

 

фазам

 

электрической

 

сети

 

в

 

программе

 MatlabSimulink 

была

 

создана

 

компьютерная

 

модель

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

Устройство

 

испыты

-

валось

 

на

 

модели

 

распределительной

 

сети

 0,4 

кВ

 

микрорайона

 «

Дубки

» 

города

 

Йошкар

-

Олы

в

 

которой

 

был

 

реализован

 

динамически

 

меняющийся

 

характер

 

нагрузки

реализующий

 

систе

-

матическую

 

и

 

вероятностную

 

составляющую

 

несимметрии

.

Результаты

 

моделирования

 

показаны

 

на

 

рисунке

 2 

в

 

виде

 

графиков

 

изменения

 

коэффи

-

циентов

 

несимметрии

 

напряжений

 

и

 

более

 

подробно

 

представлены

 

в

 

работе

 [15]. 

Результаты

 

моделирования

 

показывают

что

 

применение

 

устройства

 

способствует

 

снижению

 

дополни

-

тельных

 

потерь

 

электрической

 

энергии

свя

-

занных

 

с

 

несимметричным

 

режимом

 

работы

в

 

сетях

 0,4 

кВ

а

 

также

 

поддержанию

 

отклоне

-

ний

 

напряжения

 

и

 

коэффициентов

 

несимме

-

трии

 

в

 

пределах

установленных

 [3]. 

Для

 

достижения

 

наиболее

 

эффективной

 

работы

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

 

была

 

определена

 

зависимость

 

снижения

 

коэффициентов

 

несимметрии

 

напряжения

 

в

 

сети

 

в

 

зависимости

 

от

 

доли

 

подключен

-

ной

 

к

 

устройству

 

нагрузки

 

узла

 

сети

 [2]. 

На

 

рисунке

 3 

показан

 

график

построенный

 

по

 

усредненным

 

данным

 

компьютерного

 

моде

-

Рис

. 2. 

Результаты

 

снижения

 

величины

 

коэффи

-

циентов

 

несимметрии

 

по

 

обратной

 

и

 

нулевой

 

последовательностям

 

при

 

работе

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

Рис

. 3. 

Анализ

 

эффективности

 

работы

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

Электрическая

сеть

Нагрузка

 

без

управления

 

симметрией

P

ф

 = 0 ... 

P

ф

.

max

P

ф

.

СУ

 = 0 ... 

P

ф

.

max

СУ

Отношение

 

P

ф

.

max

 

СУ

 

P

ф

.

max

K

с

 

симметрированием

 

K

без

 

симметрирования

МК

10

10

без

 

УВН

без

 

УВН

К

0

, %

К

2

, %

с

 

УВН

с

 

УВН

Время

с

Время

с

0

0

1,0

0,0

2,0

1,0

0,0

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

9

9


Page 5
background image

309

УЧЕТ

 

И

 

КАЧЕСТВО

 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

лирования

где

 

видно

что

 

максимальный

 

эффект

 (

снижение

 

коэффициентов

 

несимметрии

 

по

 

обратной

 

последовательности

достигается

 

при

 

подключении

 

к

 

устройству

 

половины

 

на

-

грузки

 

узла

.

Максимально

 

возможное

 

снижение

 

коэффициента

 

несимметрии

 

по

 

обратной

 

или

 

нулевой

 

последовательности

 

в

 

результате

 

применения

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

 

составляет

 

68% 

от

 

значения

 

этого

 

коэффициента

 

без

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

.

В

 

реальной

 

электрической

 

сети

 

разброс

 

коэффициентов

 

несимметрии

 

существенно

 

мень

-

ше

но

 

качественный

 

характер

 

представленной

 

зависимости

 

сохраняется

.

Для

 

достижения

 

максимального

 

снижения

 

коэффициента

 

несимметрии

 

по

 

обратной

 

или

 

нулевой

 

последовательности

 

в

 

узле

 

электрической

 

сети

  (

распределительном

 

устройстве

доля

 

нагрузки

подключенной

 

к

 

устройству

должна

 

быть

 

равна

 

доле

 

нагрузки

 

без

 

управления

 

симметрией

.

Результаты

 

работы

 

компьютерной

 

модели

 

силового

 

трансформатора

 

в

 

совокупности

 

с

 

ком

-

пьютерной

 

моделью

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

 

свидетельствуют

 

о

 

снижении

 

допол

-

нительных

 

потерь

 

электроэнергии

 

в

 

трансформаторе

обусловленных

 

его

 

несимметричным

 

режимом

 

работы

 [16].

Техническая

 

реализация

 

модуля

 

коммутации

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

Для

 

реализации

 

предложенного

 

алгоритма

 

симметрирования

 

нагрузки

 

разработан

 

модуль

 

коммутации

рассчитанный

 

на

 

номинальный

 

ток

 25 

А

 — 

коммутационный

 

аппарат

обеспечива

-

ющий

 

возможность

 

перераспределения

 

фаз

 

подключенной

 

отходящей

 

линии

 

по

 

фазам

 

элек

-

трической

 

сети

 

под

 

нагрузкой

без

 

предварительного

 

отключения

 

потребителей

Модуль

 

коммутации

 

собран

 

на

 

девяти

 

быстродействующих

 

ключах

 

переменного

 

тока

по

-

зволяющих

 

подключить

 

любую

 

фазу

 

отходящих

 

линий

 

нагрузки

 

к

 

любой

 

фазе

 

электрической

 

сети

 

и

 

обеспечивающих

 

высокую

 

скорость

 

коммутации

.

Изначально

 

рассматривалось

 

три

 

варианта

 

исполнения

 

быстродействующих

 

ключей

встречно

 

включенные

 MOSFET 

транзисторы

встречно

 

включенные

 IGBT 

транзисторы

сими

-

сторы

 (

рисунок

 4).

MOSFET 

и

 IGBT 

транзисторы

 

обеспечивают

 

большую

 

скорость

 

коммутации

позволяя

 

как

 

включать

так

 

и

 

выключать

 

управляемую

 

цепь

 

по

 

сигналу

Управляясь

 

напряжением

они

 

пра

-

ктически

 

не

 

имеют

 

потерь

 

в

 

цепи

 

управления

.

Симистор

 

устроен

 

так

что

 

переходит

 

в

 

от

-

крытое

 

состояние

 

по

 

управляющему

 

сигналу

а

 

в

 

закрытое

 — 

в

 

момент

 

прохода

 

кривой

 

мгно

-

венного

 

значения

 

тока

 

в

 

управляемой

 

цепи

 

че

-

рез

 

ноль

 

при

 

отсутствии

 

управляющего

 

сигнала

Это

 

означает

что

 

скорость

 

коммутации

 

будет

 

ограничена

и

 

минимальное

 

значение

 

бестоко

-

вой

 

паузы

 

при

 

выполнении

 

перекоммутаций

 

бу

-

дет

 

составлять

 0,02 

с

.

Результаты

 

экспериментов

 

по

 

коммутациям

 

силовых

 

цепей

 

с

 

различными

 

подключенными

 

нагрузками

 

показали

что

 

бестоковая

 

пауза

 

в

 

один

 

период

 

промышленной

 

частоты

 (0,02 

с

при

 

пере

-

Рис

. 4. 

Рассмотренные

 

варианты

 

быс

-

тродействующих

 

силовых

 

ключей

 

пере

-

менного

 

тока

применяемых

 

в

 

конструк

-

ции

 

модуля

 

коммутации

а

на

 MOSFET 

транзисторах

б

на

 IGBT 

транзисторах

в

в

 

виде

 

симистора

в

)

б

)

а

)


Page 6
background image

310

СБОРНИК

 

НАУЧНО

-

ТЕХНИЧЕСКИХ

 

СТАТЕЙ

ключении

 

потребителя

 

с

 

одной

 

фазы

 

электрической

 

сети

 

на

 

другую

 

не

 

приводит

 

к

 

нарушению

 

его

 

нормальной

 

работы

За

 0,02 

с

 

все

 

три

 

фазы

 

нагрузки

 

гарантированно

 

отключаются

 

симисторами

Кроме

 

того

выполнения

 

ими

 

коммутаций

 

силовых

 

цепей

 

не

 

сопровождается

 

перенапряжениями

 

ввиду

 

особенностей

 

их

 

работы

Таким

 

образом

силовой

 

ключ

 

может

 

быть

 

представлен

 

одним

 

сими

-

стором

что

 

позволяет

 

значительно

 

уменьшить

 

габаритные

 

размеры

 

силовой

 

части

 

симметри

-

рующего

 

устройства

а

 

также

 

снизить

 

ее

 

стоимость

 

по

 

сравнению

 

с

 

применением

 MOSFET 

или

 

IGBT 

транзисторов

.

Принципиальная

 

схема

  «

обвязки

» 

микроконтроллера

управляющего

 

модулем

 

коммута

-

ции

представлена

 

на

 

рисунке

 5. 

Питание

 

микроконтроллера

 

осуществляется

 

от

 

источника

 

постоянного

 

тока

 

напряжением

 9 

В

Для

 

питания

 

отдельных

 

элементов

 

модуля

 

коммутации

 

предусмотрен

 

стабилизатор

 

напряжения

 5 

В

.

Управление

 

быстродействующими

 

силовыми

 

ключами

 

модуля

 

коммутации

  (

симисто

-

рами

 BTA25-800B) 

выполняется

 

по

 

схеме

приведенной

 

на

 

рисунке

 6. 

Одна

 

из

 

диагоналей

 

диодного

 

моста

 DB107C 

подключена

 

к

 

управляющему

 

электроду

 

и

 

силовому

 

электроду

 

симистора

а

 

в

 

другую

 

диагональ

 

подклю

-

чен

 MOSFET 

транзистор

 IRFI830G. 

Для

 

пе

-

ревода

 

симистора

 

в

 

проводящее

 

состояние

 

подается

 

управляющий

 

импульс

 

на

 

затвор

 

MOSFET 

транзистора

Транзистор

 

откры

-

вается

позволяя

 

току

 

нагрузки

 

протекать

 

через

 

симистор

 

по

 

пути

  «

управляющий

 

электрод

 — 

силовой

 

электрод

». 

Когда

 

ток

 

нагрузки

 

достигает

 

порогового

 

значения

 

(

значения

 

тока

 

отпирания

 

симистора

), 

сими

-

Рис

. 5. 

Принципиальная

 

схема

 «

обвязки

» 

микроконтроллера

 

модуля

 

коммутации

Рис

. 6. 

Принципиальная

 

схема

 

силового

 

ключа


Page 7
background image

311

УЧЕТ

 

И

 

КАЧЕСТВО

 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

стор

 

переходит

 

в

 

проводящее

 

состояние

и

 

ток

 

нагрузки

 

течет

 

через

 

симистор

 

по

 

пути

 

«

силовой

 

электрод

 — 

силовой

 

электрод

».

Также

 

следует

 

отметить

что

 

применение

 

полупроводниковых

 

силовых

 

ключей

 

в

 

устройст

-

ве

 

не

 

приводит

 

к

 

искажению

 

формы

 

синусоиды

 

токов

 

и

 

напряжений

 

нагрузки

 

и

 

не

 «

засоряет

» 

сеть

 

высшими

 

гармониками

поскольку

 

каждый

 

симистор

 

управляется

 

не

 

импульсным

а

 

не

-

прерывным

 

сигналом

поддерживающим

 

силовой

 

ключ

 

в

 

открытом

 

положении

 

на

 

протяжении

 

полного

 

периода

 

промышленной

 

частоты

.

Для

 

предотвращения

 

коротких

 

замыканий

 

силовой

 

цепи

 

по

 

цепям

 

управления

 

каждый

 

MOSFET 

транзистор

 

управляется

 

микроконтроллером

 

через

 

транзисторные

 

оптроны

 PC123 

от

 

индивидуального

 

источника

 

постоянного

 

напряжения

Все

 

девять

 

индивидуальных

 

источ

-

ников

 

постоянного

 

напряжения

 

гальванически

 

не

 

связаны

 

меж

-

ду

 

собой

 

и

 

с

 

цепями

 

питания

 

микроконтроллера

выполнены

 

на

 

трех

-, 

четырехобмоточных

 

импульсных

 

трансформаторах

работающих

 

на

 

частоте

 62 

кГц

 

(

рисунок

 7).

Для

 

отображения

 

текуще

-

го

 

положения

 

силовых

 

ключей

 

предусмотрен

 

дисплей

 LCD 

1602A. 

Команды

 

на

 

выполнение

 

коммутаций

 

передаются

 

на

 

ми

-

кроконтроллер

 

модуля

 

коммута

-

ции

 

от

 

блока

 

управления

 

через

 

интерфейс

 UART.

Управляющая

 

програм

-

ма

 

для

 

микроконтроллера

 

ATmega8A 

написана

 

на

 

языке

 

C++. 

Быстродействие

 

микрокон

-

троллера

 

удвоено

 

переключе

-

нием

 

его

 

на

 

внешний

 

генератор

 

тактовых

 

сигналов

 

частотой

 

16 

МГц

выполненный

 

в

 

виде

 

кварцевого

 

резонатора

.

Внешний

 

вид

 

модуля

 

комму

-

тации

 

приведен

 

на

 

рисунке

 8.

Рис

. 7. 

Схема

 

подключения

 

импульсных

 

трансформаторов

Рис

. 8. 

Внешний

 

вид

 

модуля

 

коммутации

 

устройства

 

вырав

-

нивания

 

нагрузки


Page 8
background image

312

СБОРНИК

 

НАУЧНО

-

ТЕХНИЧЕСКИХ

 

СТАТЕЙ

Техническая

 

реализация

 

модуля

 

управления

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

Модуль

 

управления

 

рассчитан

 

на

 

выполнение

 

измерений

 

в

 3-

фазных

 4-

проводных

 

электри

-

ческих

 

сетях

Измерение

 

фазных

 

токов

 

и

 

напряжений

 

производится

 

на

 

основании

 

сигналов

 

с

 

первичных

 

преобразователей

В

 

качестве

 

последних

 

для

 

измерения

 

напряжений

 

приняты

 

резистивные

 

делители

 

напряжения

 (

рисунок

 9

б

).

Для

 

измерения

 

тока

 

были

 

рассмотрены

 

три

 

варианта

 

первичных

 

преобразователей

изме

-

рительный

 

шунт

датчик

 

холла

измерительный

 

трансформатор

 

тока

Результаты

 

эксперимен

-

тов

 

показывают

что

 

наиболее

 

предпочтительным

 

является

 

трансформатор

 

тока

поскольку

 

он

 

не

 

создает

 

дополнительных

 

помех

 

и

 

обеспечивает

 

гальваническую

 

развязку

 

измерительной

 

цепи

 

от

 

силовой

Цепь

 

измерения

 

тока

 

показана

 

на

 

рисунке

 9

а

.

Все

 

необходимые

 

измерения

а

 

также

 

вычисление

 

предпочтительного

 

с

 

точки

 

зрения

 

сим

-

метрии

 

способа

 

перераспределения

 

отходящих

 

линий

 

нагрузки

 

по

 

фазам

 

электрической

 

сети

 

осуществляет

 

запрограммированный

 

для

 

этой

 

цели

 AVR 

микроконтроллер

 ATmega8A, 

принци

-

пиальная

 

схема

 «

обвязки

» 

которого

 

приведена

 

на

 

рисунке

 10. 

Схема

 

включает

 

сам

 

микроконтроллер

 ATmega8A, 

мультиплексор

 CD4053B, 

выводы

 

для

 

под

-

ключения

 LCD 1602A, 

последовательный

 

интерфейс

 UART, 

кнопки

 

перезагрузки

 

и

 

запуска

 

тестового

режима

внешний

 

тактовый

 

генератор

собранный

 

на

 

кварцевом

 

резонаторе

 

и

 

двух

 

конденсаторах

.

Мультиплексор

 CD4053B 

расширяет

 

число

 

каналов

подключенных

 

к

 

АЦП

 

микроконтрол

-

лера

 

до

 

девяти

делая

 

воз

-

можным

 

измерение

 

всех

 

необходимых

 

сигналов

трехфазных

 

токов

 

от

 

источ

-

ника

трехфазных

 

токов

 

от

-

ходящих

 

линий

трехфазных

 

напряжений

 

сети

.

Микроконтроллер

 

реа

-

лизует

 

предпочтительный

 

с

 

точки

 

зрения

 

симметрии

 

способ

 

перераспределения

 

Рис

. 9. 

Принципиальные

 

схемы

 

первичных

 

преобразователей

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

а

тока

б

напряжения

б

)

а

)

Рис

. 10. 

Принципиальная

 

схема

 «

обвязки

» 

микроконтроллера

 

модуля

 

управления


Page 9
background image

313

УЧЕТ

 

И

 

КАЧЕСТВО

 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

отходящих

 

линий

 

нагрузки

 

по

 

фазам

 

электрической

 

сети

выполняя

 

необходимые

 

для

 

этого

 

коммутации

 

посредством

 

силовых

 

ключей

Связь

 

микроконтроллера

 

с

 

блоком

 

силовых

 

ключей

 

осуществляется

 

через

 

последовательный

 

интерфейс

 UART.

Управляющая

 

программа

 

для

 

микроконтроллера

 ATmega8A 

написана

 

на

 

языке

 C++. 

Быс

-

тродействие

 

микроконтроллера

 

удвоено

 

переключением

 

его

 

на

 

внешний

 

генератор

 

тактовых

 

сигналов

 

частотой

 16 

МГц

выполненный

 

в

 

виде

 

кварцевого

 

резонатора

.

На

 

основе

 

предложенной

 

схемы

 

создан

 

экспериментальный

 

образец

 

системы

 

управления

Внешний

 

вид

 

модуля

 

управления

 

показан

 

на

 

рисунке

 11.

Технико

-

экономический

 

расчет

Рынок

 

симметрирующих

 

устройств

 

в

 

России

 

представлен

 

в

 

основном

 

симметрирующими

 

транс

-

форматорами

 

типа

 

ТСТ

ТМГСУ

 

и

 

др

Подобные

 

устройства

 

имеют

 

большие

 

габариты

 

и

 

стои

-

мость

Развитие

 

электрических

 

сетей

 

и

 

подключение

 

новых

 

мощных

 

потребителей

особенно

 

при

 

значительной

 

длине

 

линий

 

электропередачи

снижают

 

эффективность

 

устройств

 

трансформа

-

торного

 

типа

Появление

 

новых

 

чувствительных

 

электронных

 

устройств

 

и

 

электрооборудования

 

требует

 

соблюдения

 

показателей

 

качества

 

электрической

 

энергии

установленных

 

в

 

стандарте

Это

 

определяет

 

потребность

 

в

 

симметрирующих

 

устройствах

 

коммутационного

 

типа

Рынок

 

разрабатываемого

 

устройства

 

не

 

органичен

 

географически

Помимо

 

устройств

 

транс

-

форматорного

 

типа

 

на

 

рынке

 

представлены

 

технические

 

средства

позволяющие

 

решать

 

про

-

блему

 

несимметрии

например

сетевые

 

кондиционеры

 

или

 

параллельные

 

активные

 

фильтры

.

Расчет

 

себестоимости

 

устройства

 

выравнивания

 

нагрузки

 

выполнен

исходя

 

из

 

стоимости

 

комплектующих

Силовая

 

часть

 

симметрирующего

 

устройства

 

может

 

быть

 

выполнена

 

в

 

виде

 

специально

 

разработанных

 

силовых

 

ключей

либо

 

в

 

упрощенном

 

виде

 — 

из

 9 

симисторов

Последний

 

вариант

 

несколько

 

увеличивает

 

рабочие

 

потери

 

устройства

но

 

снижает

 

его

 

себе

-

стоимость

 

приблизительно

 

в

 7–10 

раз

.

Исходя

 

из

 

этого

первый

 

полнофункциональный

 

экспериментальный

 

образец

позволяю

-

щий

 

оценить

 

рабочие

 

характеристики

 

устройства

 

при

 

наименьших

 

затратах

планируется