автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Многофункциональное устройство безразрывного переключения сетей

На правах рукописи

СЕРЕБРЯКОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО БЕЗРАЗРЫВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СЕТЕЙ

Специальность 05 09.01. «Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

□030В02Б^

МОСКВА 2007

003060262

Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) на кафедре Электрических и Электронных аппаратов

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Рябчицкий Максим Владимирович

Официальный оппонент - доктор технических наук,

профессор Гуров Алексей Алексеевич

кандидат технических наук,

нач сектора Мелешкин Валерий Николаевич

Ведущее предприятие - ФГУП ВНИИЭМ

Защита состоится «_22_»_июня_2007 г

на заседании диссертационного совета Д 212 157 15 при ГОУВПО МЭИ (ТУ) в аудитории Е-205 в 13 час 00 мин по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул , д 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиогеке ГОУВПО МЭИ (ТУ)

Огзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул , д 14, Ученый совет при МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан « 21 » мая_2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 15715 - "

ктн доц к'ЯУсОсиу Соколова К М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Электроснабжение потребителей, перерыв в электропитании которых может привести к серьезным аварийным ситуациям и повлечь за собой опасность для жизни людей или значительные финансово-материальные потери, именуемых объектами 1 категории, должно обеспечиваться от двух независимых взаимно резервирующих источников питания При больших значениях мощности нагрузки или длительности питании от резервного источника, в качестве второго источника электропитания целесообразно использовать резервную сеть Для осуществления переключений в таких системах энергоснабжения (СЭ) используются устройства автоматического включения резервного питания (АВР) Наиболее распространенные полупроводниковые переключатели, именуемые тиристорными контакторами с естественной (ТКЕ) и искуственной (ТКИ) коммутацией обладали большими массогабаритными параметрами и длительным временем переключения С развитием полупроводниковых элементов появились новые возможности для создания переключающих устройств с повышенным быстродействием и дополнительными функциями Например, фирма Mitsubishi Electric Corp удачно совместила в своем устройстве полупроводниковые и механические ключи с микропроцессорной системой управления

Однако алгоритм работы таких переключателей в основном зависит от того, находятся ли напряжения основной и резервной сетей в одинаковой фазе, равны ли их частоты и амплитуды, то есть синфазны ли напряжения Переключение электропитания потребителя с одного источника на другой, при условии их синфазности, осуществляется сразу В противном случае управление ключами осуществляется так, чтобы между моментом отключения одного источника и подключения другого была пауза в несколько десятков миллисекунд Иначе на нагрузке могут появиться подряд две полуволны напряжения одинаковой полярности и полуволна тока, длительность которой будет намного больше половины периода Если в состав нагрузки входят трансформаторы, то может произойти насыщение сопровождающееся значительным увеличением намагничивающего тока При переключении источников несинфазного напряжения находящихся в противофазе без временной паузы возможна резкая смена полярности напряжения, питающего нагрузку Если в состав нагрузки входит асинхронный двигатель возможен динамический удар Однако введение паузы при переключении источников питания тоже имеет свои отрицательные последствия Во время такой паузы двигатель переходит в режим торможения, а сразу после нее - в двигательный, что приводит к большим уравнительным токам статора Эти аварийные режимы могут привести к выходу электрооборудования из строя или значительному снижению его ресурса Так известны случаи, когда возникшая при АВР пауза порядка 0 3с вызвала нарушение в непрерывном технологическом процессе и привела к значительному материальному убытку и длитечьной повторной наладке оборудования

Разработкой и производством устройств АВР занимаются такие международные компании как ABB, Schneider, Merlin Geren, Mitsubishi, Analog Devices, а так же российские компании ОАО «Завод «Инвертор», ОЛО «Электровыпрямитель», ЗАО «ЭЛСИЭЛ», НПО «Меридиан»

В данной работе предлагается осуществить переключение несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки, в отсутствии бросков намагничивающих и уравнительных токов, за счет реализации нового принципа переключения, а именно подключая на время переключения нагрузку к третьему,

управчяемому, источнику электроэнергии, который будет изменять начальную фазу своего напряжения от значения начальной фазы напряжения отключаемой сети до значения начальной фазы подключаемой сети Этим, третьим управляемым источником, в многофункциональном устройстве безразрывного переключения сетей (МУБП) является автономный инвертор напряжения (АИН), который в остальное от переключений время может выполнять коррекцию коэффициента мощности и подавление высших гармоник нагрузки, повышая энергоэффективность потребителя

Актуальной является задача переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки и расширения функциональных возможностей активных фильтров, что и определило тему диссертационной работы Актуальность подтверждается использованием некоторых алгоритмов управления в текущих разработках ЗАО «ЭЛСИЭЛ» при участии автора о чем свидетельствует акт о внедрении

Цель диссертационной работы заключается в проведение теоретических исследований направленных на изучение процессов возникающих при АВР, разработке метода, алгоритмов управления, структуры и методик проектирования МУБП исходя из требований к качеству электроэнергии при переключении

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи

1 определена область применения МУБП

2 разработана модель СЭ с резервным источником электропитания и проведен анализ переходных процессов возникающих при АВР в СЭ с существующими переключающими устройствами с двигательной и трансформаторной нагрузками Для двигательной и трансформаторной нагрузок выявлены зависимости между амплитудой уравнительных токов и разницей начальных фаз напряжения основного и резервного источников питания, а так же между амплитудой уравнительных токов и длительностью паузы при переключении источников питания Рассмотрено влияние причины аварии основной сети

3 разработан способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагр>зки

4 разработала структура МУБП реализующая предложенный способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки

5 разработана модель СЭ с МУБП и проведен анализ переходных процессов возникающих при АВР в энергосистемах с МУБП при двигательной и трансформаторной нагрузках Выявлены зависимости между амплитудой уравнительных токов и дчигепьностыо переключения основного и резервного источников питания Рассмотрено вчияние причины аварии основной сети

6 разработана методика проектирования МУБП Проведено макетирование наиболее ответственных блоков МУБП

Методы исследований, Дпя решения поставленных задач были использованы методы математическою анализа, методы теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета электрическич пеней), численные метода решения уравнений на ЭВМ, методы математического моделирования (система сквозчсго проектирования МаЙаЬ 6 5)

Достоверность научные результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением апробированных методов анализа электромагнитных процессов в ситовых

электронных устройствах и подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования

Научную новизпу представляют

1 новый принцип переключения двух несинфазных сетей без перерыва в электроснабжении нагрузки и бросков намагничивающих и переходных токов

2 алгоритм управления и структура, позволяющая реализовать этот алгоритм, МУБП

3 математическая модель энергосистемы с МУБП, на которой можно проанализировать переходные процессы, возникающие при АВР

4 методика проектирования МУБП

Практическую ценность представляют

1 впервые предложенный способ быстродействующего АВР при условии несинфазности напряжений основной и резервной сетей электропитания без перерыва в питании нагрузки и бросков, намагничивающих и уравнительных токов, реализованный в МУБП

2 описание области применения МУБП, что позволяет наиболее рационально использовать его в СЭ

3 анализ переходных процессов возникающих при АВР и зависимости, позволяющие определять границы синфазности источников питания исходя из качества электроснабжения при ожидаемых переходных процессах

4 алгоритм управления и структура МУБП, позволяющие обеспечить высокое качество электроснабжения потребителей при АВР, реализовав безразрывное переключение несинфазных сетей, и повысить экергоэффективность СЭ с МУБП

5 методика проектирования МУБП, в основе которой лежит выбор типа и параметров источника энергии звена постоянного тока преобразователя, позволяющая проектируемому устройству обеспечить заданное качество электроэнергии для потребителя

Реализация работы. Основные научные и практические результаты использованы при подаче заявки на патент «Устройство резервного энергоснабжения» МЭИ (ТУ) и при разработке новых устройств АВР, как самостоятельных изделий, так в качестве составных частей других устройств, в ЗАО «ЭЛСИЭЛч

Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях ВНТКС «Электротехника, электроника и микропроцессорная техника - 2005» (Донецк, Украина), Юбилейной научной конференции 2006 (Пловдив Болгария) а также на ежегодных международных научно-инженерных конференциях студентов и аспирантов 2005-7 (каф ЭиЭА, МЭИ, Москва)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 1 - статья в издании по спискам ВАК («Электротехника»), 1 - положительное решение ФГУ ФИПС о выдаче патента на изобретение по заявке № 2005141347/09(046066) от 29 12 05 «Устройство резервного энергоснабжения», 1 - статья в международном иностранном сборнике, 4 -работы в материалах международных научно-инженерных конференций

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений Объем работы составляет 173 стр и содержит 119 рисунка, 7 таблиц, 77 наименований списка литературы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность проблемы, сформулированы цель работы и решаемые задачи, изложены основные научные результаты, методы исследований, сведения об апробации работы и практическом использовании результатов

В первой главе рассмотрены особенности обеспечения бесперебойности электроснабжения потребителей устройствами автоматического включения резервного питания Определены критерии исходя из которых, выбирается тип резервного источника электроснабжения в конкретной энергосистеме Представлена обобщенная структура устройств АВР и описаны факторы, втияющие на быстродействие этих устройств Определено, что главным из этих факторов является отклонение частоты и начальной фазы напряжения резервной сети от соответствующих параметров напряжения основной сети (1) (рис 1)

И,(0 = иш 8Ш(2 Я Л * + (1)

и^) = им2 $зп(2 7Г /2 1 + (рг)

11а1

4 иаг

Т 4

"7

ис1 *

^ иЬ2

Рис 1. Векторная диаграмма напряжений основной (1/а!, ЦЫ, 1/с1) и резервной (Ш2, 11Ь2,

11с2) сетей

При переключении несинфазных сетей на нагрузке могут появиться две полуволны напряжения одинаковой полярности и полуволна тока, длительность которой будет примерно равна одному периоду напряжения Если в состав нагрузки входят трансформаторы, то может произойти насыщение, сопровождающееся значительным увеличением намагничивающего тока Отрицательно такое переключение скажется и на двигательной нагрузке Для двигатетей опасен и такой вариант переключения источников питания находящихся в противофазе, при котором происходит резкая смена полярности питающего напряжения на противоположную, вследствие чего произойдет динамический >дар Для того чтобы избежать аварийных ситуаций, реализуется режим переключения, при котором между моментом отключения одной питающей сети и моментом включения второй существует временная пауза В кривой напряжения на нагрузке образуется пулевая пауза, за время которой ток тоже уменьшиться до нуля Однако такая пауза увеличивает время ввода резерва, что отрицатетьно сказывается на эффективности системы бесперебойного электроснабжения (СБЭ)

С развитием науки, техники, технологий, полупроводниковой электроники, с целью повышения быстродействия модернизировались и устройства АВР В главе анализируются различные существующие переключающие устройства, которые за счет применения полупроводниковых ключей, гибридных схем, совершенствования системы управ тения

снижали время ввода резерва Однако, на данный момент, для автономных СЭ с резервированием от несинфазных источников питания, не существует устройств АВР способных осуществить коммутацию сетей с разницей начальных фаз напряжения больше 90° и обеспечить непрерывность синусоидального напряжения на нагрузке Единственным выходом в сложившейся ситуации является использование агрегатов бесперебойного питания (АБЩ типа «оп-1те» с параллельной структурой, в которых переключение источников электропитания происходит на стороне постоянного тока Применение АБП при построении систем СБЭ имеет отрицательные стороны

а) наличие, как минимум, двойного преобразования электроэнергии и, как следствие, более низкое КПД по сравнению с устройствами АВР,

б) наличие аккумуляторных батарей (АБ) приводит к увеличению массогабаритных и экономических параметров АБП, в частности, и СБЭ в целом,

в) сами АБП обладают большей стоимостью и массогабаритными показателями, нежели устройства АВР

Для осуществления быстродействующего переключения несинфазных сегей устройствами АВР предлагается использовать активные фильтры, тем самым, расширяя их область применения Во этой главе приводится описание структур, принципов действия и управления, с применением прямого и обратного преобразования, устройств,

построенных на базе четырехквадрантного преобразователя активных и гибридных фитьтров, СТАТКОМов

В связи с отсутствием устройств АВР способных осуществить переключение несинфазных сетей, обеспечивая непрерывность синусоидального напряжения на нагрузке, определены задачи дальнейшего исследования

1 определить область применения МУБП

2 разработать модель энергосистемы с резервным источником электропитания и провести анализ переходных процессов возникающих при АВР в энергосистемах с обычными переключающими устройствами при двигательной и трансформаторной нагрузках Выявить зависимости между амплитудой уравнительных токов и разницей начальных фаз напряжения источников питания Выявить зависимости между амплитудой уравнительных токов и длительностью паузы при переключении источников питания На основе полученных данных определить наихудший вариант АВР несинфазных сетей

3 предложить способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки

4 разработать структура МУБП реализующая предложенный способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки

5 разработать модель энергосистемы с МУБП и провести анализ переходных процессов возникающих при АВР в энергосистемах с МУБП при двигательной и трансформаторной нагрузках Выявить зависимости между амплитудой уравнительных токов и длительностью переключения источников питания

6 разработать методику проектирования МУБП Провести физическое моделирование наиболее ответственных блоков МУБП

Во второй гладе описала область применения устройств безразрывного переключения сетей в СЬЭ для потребителей первой категории, которая имеет следующие ограничения

1 автономные СЭ, с резервированием от источников питания с различающимися параметрами напряжения

а) основная и резервная сети - трехфазные, номинальной частотой 50Гц и напряжением до 1 ООО В ,

б) напряжения сетей отличаются только по начальной фазе, то есть напряжения сетей синхронны или скорость изменения фаз мала и ею можно пренебречь Если скоростью изменения разности фаз пренебречь нельзя, применяются синхронизирующие устройства, которые отслеживают изменение фаз напряжений и осуществляют включение в момент их равенства,

2 разрабатываемое устройство может применяться в системах гарантированного электроснабжения (СГЭ), содержащих дизель-генераторы (ДГ) Питание потребителя от МУБП будет происходить во время выхода ДГ в номинальный режим,

3 в качестве потребителей первой категории рассматриваются асинхронный двигатель и силовой трансформатор с активной нагрузкой на вторичной стороне, так как эти типы потребителей критичны к несинфазным коммутациям

4 мощность нагрузки от единиц до десятков кВт

На модели показано, что фаза напряжения может изменяться, если длинные линии электропередач содержат в себе источники напряжения и некомпенсированные реактивные нагрузки

Для разработки нового принципа переключения, составления алгоритма переключения и структуры МУБП проанализированы переходные процессы и определено отрицательное влияние этих процессов, для чего смоделированы процессы, имеющих место в СБЭ при АВР существующими устройствами Разработана модель энергосистемы с основным и резервным источниками электропитания, ключами, потребителем (асинхронный двигатель), сисгемой управления Рассмотрены три случая переключения питания потребителя с основного питающего ввода на резервный

1 обрыв питающих проводов

2 отключение основного источника напряжения устройством АВР вследствие выхода его контролируемых параметров за заданные границы и осуществление АВР в ручном режиме обслуживающим персоналом

3 короткое замыкание со стороны источника электроснабжения До момента отключения поврежденного участка нагрузка будет отдавать запасенную энергию (кинетическая энергия вращающейся электрической машины) в сеть В этом случае торможение двигателя будет происходить быстрее, чем в случае свободного выбега, так как запасенная кинетическая энергия будет дополнительно расходоваться в электрических цепях Быстрее будет изменяться и начальная фаза напряжения на зажимах двигателя

С точки зрения нагрузки 1-й и 2-й случаи переключения одинаковы, так как связаны лишь с пропажей напряжения Поэтому, эти варианты АВР моделировался отключением основной сети собственным контактором переключающего устройства Результаты моделирования обрыва основной сети представлены в виде зависимостей между амплитудой уравнительных токов и разницей начальных фаз напряжения основного и резервного источников питания (рис 2), а так же между амплитудой уравнительных гокоз и длительностью паузы при переключении источников питание (рис 3)

14 00 13 00 12 СО "1 00 10 00 9 00

6 0S

7 СО 6 00 5 00 4 00 3 00 2 00 1 00 О 00

j,

—

% Ж"

! \ ж

/ \

\ /

/

1 л »-'.ar

J* .ЛЬ'-* ! i r j —S3— a) l/lnom j — — 6) l/lnom Pnom --1 — в) l/lnom, Pnom, Рист2=2Рпот ...... i

15 , 30 45 60 75 90 105 120 135 150 1S5 180град

Рис. 2. Зависимость амплитуды токов статора, возникающих при АВР, относительно амплитуды тока в установившемся режиме от угла сдвига фаз

14,00

—О—a) l/lnom -■•- 6) l/lnom 110% I - +- s) l/lnom 200%

0,3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0,9 1 длительность паузы при переключении с

1,1 1,2 1,3

Рис 3. Зависимость амплитуды токов статора, возникающих при АВР, относительно амплитуды тока в установившемся режиме от длительтности переключения при сдвиге фаз

180°

Выброс всех значении при угле разности фаз 45° (рис 2, а) объясняется тем, что при переключении соотношение активной и реактивной мощностей изменяется, так как изменяется характер нагрузки, растет индуктивная составляющая полного сопротивления этектрическол машины, что приводит к резонансным явлениям Увеличение длительности паузы при переключении двигательной нагрузки приводит к режиму «торможение двигателя - повторный пуск» напряжение статора стремится во время паузы при переключении спасть до нуля, а его токи при восстановлении питания на нагрузке нарастают, приближаясь к пусковым значениям Влияние разницы начальных фаз напряжений основной и резервной сетей заключается в том, что значения возникающих токов, первоначально превышающие п>сковые, снижаются до их уровня, а значения токов, которые первоначально были меньше пусковых, наоборот, увеличиваются до их уровня Мощность резервного источника питания оказывает влияние на амплитуду токов, возникающих при подключении к нему нагрузки, и

длительность повторного пуска С ростом мощности уравнительные токи увеличиваются, а длительность пуска - уменьшается

Для визуального сравнения с пусковыми и номинальными режимами, на представленной на рис 4 осциллограмме тока и напряжения статора, процесс АВР происходит сразу после прямого пуска двигателя и его непродолжительной работы в установившемся режиме На рис 4 представлены следующие режимы работы СГЭ 1 -прямой пуск асинхронного двигателя, 2 и 5 - установившийся режим, 3 - пауза при переключении источников, 4 - переходный процесс, возникающий при АВР

Рис. 4. Осциллограмма напряжений (вверху) и токов (внизу) статора, возникающих при АВР, от времени при угле сдвига начальных фаз 180°

Переходные процессы, возникающие при АВР, причиной которого стало короткое замыкание основного источника питания были проанализированы, а результаты были сведены в соответствующие графики (рис 5, 6) При моделировании короткое замыкание на линии основного источника питания начинается за 100 мс до прекращения подачи управляющего сигнала котакгора 1 и закапчивается с опслюченисм этого контактора (рис Т) Ток короткого замыкания превышает значения уравнительных токов (рис 5 - б) и зависит от мощности отключаемого источника и энергии, запасенной во вращающейся электрической машине Чем меныне эта энергия расходуется нагрузкой, находящейся на валу двигателя, тем больше она отдается в сеть и тем больше токи короткого замыкания, максимум которых наблюдаемся при ненагруженном двигателе Максимальное значение уравнительных токов не зависит от длительности паузы при переключении Оно зависит от нагрузги на валу электродвигателя - чем она больше, тем меньше амплитуда Длительность паузы влияет на значение, до которого уменьшается скорость вращения вала чем больше нагрузка на валу и бочьше пауза при переключении, тем быстрее к до меньшего значения упадет скорость вращения Так как резервная сеть обладает меньшей мощностью, чем основная, повторный выход электродвигателя в номинальный режим может принять нежелательный затяжной характер

1 700

Ь 6 00

e£ V

2 5 00

T

"=F

vT

4 00

3 00 2 CO 1 0Q ООО

-i-

-

+ •

3

--ЛЛ-¿ü__

— Cr- ~ »'---•е- гП^СпГ

-)-- — ■• — 6) Wnom 110%

j - -f- - в) flnom 2C0% j — г) !kz/lnom xx —I — -¿r — д) Ikz/lnom 110% e) Ikz/Inom 200%

15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

град I

Рпс 5 Зависимость амплитуды токов статора, возникающих при АВР, относительно амплитуды тока в установившемся режиме от угла сдвига фаз

^ - -

2 8,00 --[

? 6 СО

6 4,00

kuW-VA

Ii.

з-тг:

~С — a) i/lnom

— б) l?inom 110% • 4- - е) i/lnom 200% ■4— • г) Ikz/lnomxx Д- — д) Ikz/irom 110% е) 'Kz/lnom 20С%

01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 11 12 13 длительность паузы при переключении с

Рис 6. Зависимость амплитуды токов статора, возникающих при АВР, относительно амплитуды тока в установившемся режиме от времени переключения при сдвиге фаз 180°

i 1 ~г г ^'FPO^iif^

to г «iff^Jb 'I J , 1 И "i«>f 'j

p i! <■ МЛ" , •• '-,1 , С 16 - ' : I

-¡ЦггТЛП: 'i f,'', I

l1! 'ь i !' i' !'1'J !'

iLI 'i'

j i " ,,

f ^

I I > , ".»L »«iS^e Ш

; Д I If. 3 короткое ^

.i'1 ' У' ■:: I; J f I г* I j u замыкание

\ 1;"! >"i' 'i '< Я ri'ifCi''' ' ^Ь'у.,,^?!?!1::^!

! '»! ii'ii ш!ч

I f> I 1 vi1 » I > ' ! ' ljh ' « I ' t ,l> {,

1||, I, II "'i1,' I I1!!''!!,!,!!'1' Jul!

>1л !v;

»"nil'" "fti'H

»I. ' .1......iU., A , it I

......

( , iitilli»' wrthit» 1 i1

\ .U Ль^йЬ

Jmax

г

Рис, 7. Осциллограммы напряжений (вверху) и токов (внизу) статора при АВР от времени, угоп сдвига начальных фаз 180°, короткое замыкание началось в 2 9 с, отключено в 3 с, пауза при переключении началось в 3 0 с, законччлась в 3 1 с

Проанализированы переходные процессы, возникающие при АВР в СБЭ с трансформаторной нагрузкой при обрыве основного источника питания (рис 8), а результаты сведены в соответствующие графики (рис 9, 10)

Рис. 8 Осциллограмма тока (снизу) и напряжения (сверху) на первичной стороне трансформаторной нагрузки, возникающих при АВР, от времени при угле сдвига фаз 0°

0 15 30 45 60 75 90 <05 120 135 150 165 180град

Рис 9. Зависимости токов и напряжений, возникающих при АВР от угла сдвига фаз в

относительных величинах

0,005 0 015 С 025 0 035 0 С45 0,055 0,065 0,075 0,085

д1и-в1Ь1-оС"> пауы при '■врешлчвяик

Рис 10 Зависимости токов к напряжений от длительности паузы переключения в относительных величинах, угол между напряжениями источников 0°

Ударные токи, вызванные насыщением магнитопровода, имеют место лишь в случае следования подряд двух полуволн напряжения одинаковой полярности (рис 8-10) Максимум токов достигается при прохождении двух полных полуволн напряжения одинаковой полярности при отсутствии паузы переключения, когда ток намагничивания может превышать номинальное значение в 2 3 раза Увеличение паузы переключения, как и прохождение неполной полуволны напряжения, ведет к снижению эффекта намагничивания трансформатора

Анализ переходных процессов, возникающие при переключении источников питания трансформаторной нагрузки вследствие короткого замыкания основного источника показал (рис И), что если, в случае «обрыва» мапштопровод трансформатора насыщается, так как после пропадания напряжения мапштопровод оставался в определенной ненулевой точке частного цикла перемагничивания, то при коротком замыкании происходит колебательный затухающий процесс, который его размагничивает Время срабатывания защиты потребителя больше времени затухания этого процесса благодаря чему на нагрузке появляется нулевая пауза тока и напряжения, которая еще больше способствует размагничиванию магнитного материала трансформатора Следовательно, если причиной АВР стало короткое замыкание основного ввода, и сопутствующий колебательный процесс завершился, можно производить переключение на резервный ввод сразу При эюм необходимо избежать ситуации, когда оба контактора окажутся замкнутыми

н< /

Л

пауза

[1 / 7 \ /

\ I \ / \ /

V \/ V

/ \ / Г

/ \

" / \ / Vi

/

\ I

короткое замыкание

\ I \ /

V V/

-i \

г

L f\ -Г,

/ >

1 ' \ I \ ч

* \ i \ ! \ i ><■

I \

\ / ' / \ < ,/ \ / \ /

/ \/ \/

ЛЛ /\ /V

/ \ \ ' :

/ \ / / "

\ ! < / -

J v

Рис 11 Осциллограммы напряжения (вверху) и тока (внизу) на первичной стороне силового трансформатора, возникающих при АВР, от времени, угол сдвига начальных фаз 0°, короткое замыкание началось в 0 065 с, отключено в 0 09 с, науза при переключении началась в 0 09 с и закончилась в 0 1 с

Определено, что наихудшими вариантами АВР несинфазных сетей являются 1 - при обрыве основного источника напряжения

а) для двигательной нагрузки - переключение за минимально короткое время с

резким изменением полярности (180°) питающего напряжения, 6j для трансформаторной нагрузки - переключение за минимально короткое время источников, при котором на трансформаторе следуют две полуволны одинаковой потярности

2 - при коротком замыкании на стороне основного источника напряжения

а) для двигательной нагрузки - переключение за минимально короткое время с резким изменением полярности (180°) питающего напряжениями, а так же длительная (порядка десятых долей секунды) пауза при переключении, однако максимум тока возникает в момент короткого замыкания,

б) для трансформаторной нагрузки - переключение происходящие после колебательного затухающего процесса, вызванного аварией, не представляет проблем, если процесс успел завершиться до момента отключения поврежденной линии В противном случае наихудшим случаем является переключение за минимально короткое время источников, при котором на трансформаторе следуют две полуволны одинаковой полярности

Для двигательной нагрузки опасны длительные провалы напряжения при АВР, так как следующий за ним повторный пуск электрической машины от маломощного источника будет более длительный, чем пуск от основной сети, что опасно для внутренней изоляция

В третьей главе предлагается для осуществления несинфазных коммутаций без паузы в электроснабжении нагрузки с сопутствующими переходными токами и напряжениями при переключении уменьшить разность фаз до минимального значения и вместо одного несинфазного переключения осуществить два синфазных

Для этого необходимо на время переключения подключать нагрузку к третьему управляемому, источнику электроэнергии, который будет изменять начальную фазу своего напряжения от значения начальной фазы напряжения отключаемой сети до значения начальной фазы подключаемой сети Схема устройства автоматического включения резервного электропитания примет вид, показанный на рис 12, где в качестве преобразователя напряжения используется АИН на полностью управляемых ключевых элементах с емкостным накопителем С энергии на стороне постоянного тока, и сглаживающим на частоте коммутации пульсации L-C фильтром на стороне переменного тока Управление ключами осуществляется через оконечный каскад управления («драйвер») посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигнала задания который генерируется цифровой или аналоговой системой управления

Рис 12 Структурная схема МУБП, где 1 - основная сеть, 2 - датчик напряжения основной сети 3 и 4 - механический контактор, подключающий основную сеть, 5 -резервная сеть, б - датчик напряжения резервной сети, 7 и 8 - механический контактор, подключающий резервную сеть, 9 - потребитель, 10 - система управления, 11 - выходной датчик тока, 12 - датчик напряжения, подводимого к потребителю, 13 - преобразоватеть напряжения, 14 и 15 - входные датчики тока

Переключение источников электропитания осуществляется по следующему алгоритму (рис 13) При питании нагрузки от основной сети преобразователь напряжения работает в режиме холостого хода, обеспечивая подзаряд накопительного конденсатора на стороне постоянного тока преобразователя и при необходимости коррекцию коэффициента мощности нагрузки и/или подавление высших гармоник СУ постоянно отслеживает и запоминает контролируемые параметры напряжений основной и резервной сетей При возникновении аварийной ситуации, требующей переключения на резервное энергоснабжение, происходит отключение основной сети соответствующим контактором (3 и 4) Однако механические ключи имеют собственное время срабатывания, обусловленное конструктивными особенностями Это время накладывает ограничение на длительность переключения источников электроснабжения Одновременно с подачей сигнала на отключение механического ключа 3 на электропривод 4 преобразователь (ПН) создает напряжение, повторяющее по форме напряжение основной сети до момента возникновения аварийной ситуации В зависимости от причин аварии предложены 3 варианта работы

преобразователя в течение времени срабатывания контактора

--

ипнС^исетИД) |

1°:

отключить контактор 1 (

^?пн=у>сеть1»^Р сетьг!

перетгачения-Твк/,2, нет

Рис 13 Алгоритм переключения несинфазных сетей с основной (сеть 1) на резервную (сеть2) без перерыва в электроснабжении нагрузки, где ипн^) - напряжение, генерируемое АИН, чсеть1(1), - напрчжения основной и резервной сети

соответствечно, фпн- <?сеты, Ч>сеты ~ начальные фазы

Затем ПН плавно, с заданной скоростью, изменяет фазу своего напряжения до значения фазы напряжения резервной сети Когда напряжения преобразователя и резервной сети станут синфазными, потребитель соответствующим контактором (7 н 8) подключается к резервной сети СУ учитывает время включения контактора и подает сигнал на включение механического ключа 7 на электропривод 8 заблаговременно, чтобы контакты замкнулись сразу после того, как напряжения ПН и резервной сети окажутся в фазе

Для быстрого определения отсутствия напряжения на вводах устройства, предложен алгоритм проверки быстрого спада напряжения до нулевого значения за 5 программных тактов (рис 14) Рассмотрены алгоритмы переключения источников питания с двойным ранжированием качества электричества основного ввода Рассмотрены случаи отключения потребителя Описаны параметры контролируемых величин

Рис 14. Алгоритм проверки входного напряжения на его отсутствие, где ит% -оцифрованное значение мгновенного напряжения, и^т - сумматор-накопитель, I- счетчик,

- значение уставки

Разработана модель СБЭ с МУБП с двигательной и трансформаторной нагрузками Проанализированы два способа управления АИН при перектючении, на основе с! - q преобразования и линейного изменения фазы (2)

^(О-Я"-^^0-' (2)

1п

Более эффективным признано управление с линейным изменением фазы Проведен анализ наихудшего случая АВР в СБЭ с МУБП с двигательной нагрузкой (сдвиг начальных фаз источников на 180°), при обрыве (рис 15, а, рис 16) и коротком замыкании (рис 15 б, рис 17) основного источника питания, а результаты были сведены в соответствующие графики Применение МУБП позволяет в случае обрыва основного источника произвести переключение питания потребителя на резервный без провалов напряжения и значительных переходных токов (рис 16) за время порздка 0 2 1 3 с В случае короткого замыкания ток статора в момент отключения поврежденной сети зависит от параметров схемы и нагрузки и не зависит от длительности переключения Последующий процесс выхода электродвигателя на номинальный режим, зависит от мощности ПН и резервной сети Энергия, затраченная на повторного выхода двигателя в номинальный режим, всплеск тока короткого замыкания и провал напряжения статора при АВР зависят от быстродействия отключающего аварийную сеть механического ключа и нагрузки на валу

Рис. 15. Осциллограммы напряжений (вверху) и токов (внизу) статора двигателя, возникающих при АВР в СБЭ с МУБП, от времени: а) обрыв основной сети, б) короткое

замыкание основной сети.

И I

7—

Ы к * — 6) ИТОт НО* , -•-•) 1Лп<т 200% :

ТА

т. .

Чщё ■„—

- — - — г-- - ------- --—

1

I

0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 0.7 0,в 0.8 длительность первкякмения. с

и 1,2 1,3

Рис. 16. Зависимость амплитуды токов статора, возникающих при АВР, относительно амплитуды тока в установившемся режиме от длительности переключении.

5

к Ж

I

I

X

л

с;

ф

5

Шл^!» -

-X

3

' Т"Г

—{3— а) ипот — не — Д) [Лпот -*--(,) ипип 2С»

—1кгЛпогпях - тй- — д) ЯДОпт

0,1 0,2 0,3

а А 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 дпительнссть переключения, с

1 1,1 1.2 1.3

Рис. 17, Зависимость амплитуды токов статора, возникающих при АВР в СБЭ с МУБП, относительно амплитуды тока и уст ановившемся режиме от длительности переключения,

В СБЭ с трансформаторной нагрузкой основной задачей МУБП является создание напряжения, которое бы обеспечивало чередование полярности полуйолн напряжения при

отключении основного источника

В четвертой главе рассмотрены вопросы проектирования МУБП

1 Разработана методика проектирования силовой части МУБП (рис 18)

Один из вариантов источника энергии большой мощности может быть зарядный преобразователь (ЗП) (рис 19), проектируемый исходя из перегрузочной способности полупроводниковых и металлических (провода, шины и т п ) элементов, инерционности тепловых процессов и кратковременного режима, что позволяет значительно снизить массогабаритные параметры устройства

2 Сформулированы особенности при разработке системы управления МУБП

а) предложен способ уменьшения количества датчиков тока,

б) предложен вариант согласования сигналов датчиков и входов АЦП,

в) предложены критерии для выбора микроконтроллера и предложена конкретная серия микроконтроллеров, удовлетворяющая этим критериям

[УБГЬ---^

[ иет ойиха ( проектирования СТАТНОМ I

мчгрука содержащая силовой трансформатор

[методика проелтироеат в I параллельны* активных I_ фильтров

Рис. 18 Блок-схема методики проектирования силовой части МУБП сеть 1 сеть 2 сеть сеть 2

| I ОСЧОВЧСН ДЧГГПЯТСШ» С ( I I »рвобрдаэеатег» кат учкенан {

а) б)

Рис. 19. Схемы устройств, заряжающих накопитель энергии звена постоянного тока преобразователя напряжения

В пятой главе физическим моделированием проверена работоспособность наиболее ответ ствепных блоков и алгоритмов системы управления МУБП

блок согласования сигнала, получаемого с датчика, с входом АЦП

микроконтроллера

а) разработана электрическая принципиальная схема этого блока, рассчитаны номиналы входящих в неё пассивных электрических компонентов (рис 20),

б) на собранной модели блока согласования подтверждена его работоспособность с заданными параметрами

алгоритм быстрого определения отсутствия напряжения на входе датчика

а) разработана программа, реализующую алгоритм определения отсутствия напряжения за 5 программных тактов,

б) на собранной модели подтверждена правильность функционирования программы и алгоритма определения отсутствия напряжения за 5 программных тактов (рис 21)

СЕМ о

Рис 20 Электрическая принципиальная схема канала согласования датчика напряжения с входом АЦП микропроцессора

ИЬ«,

I

¡1

' Ч I

II

I_I I_I , и

Рис. 21 Осциллограммы сигналов поясняющих работу алгоритма быстрого определения спада напряжения до 0, масштабы и названия сигналов представлены в левом нижнем углу

осциллограммы

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе

1 Выявлено, что существует проблема несифазных переключений в АВР, вследствие чего такие АВР не могут быть быстродействующими Согласно полученным зависимостям бросков уравнительных токов от разности начальных фаз напряжений основной и резервной сети и от длительности паузы питающего потребителя напряжения на двигательной и трансформаторной нагрузках при различных типах аварии обычные схемы АВР малоэффективны

2 Определена область применения многофункционального устройства безразрывного переключения сетей (МУБП)

3 Синтезирован новый алгоритм переключения, позволяющий осуществлять коммутацию несинфазных источников питания, непрерывно обеспечивая электропитание нагрузки

4 Разработана структура МУБП, обеспечивающая безпаузное переключение несинфазных источников питания по предложенному алгоритму Разработаны принципы функционирования МУБП в различных режимах

5 На модели энергосистемы с МУБП проанализированы переходные процессы, возникающие при АВР в энергосистемах с МУБП при двигательной и трансформаторной нагрузках при различных типах аварии и подтверждено улучшение качества электроэнергии на нагрузке при АВР Выявлены зависимости между амплитудой уравнительных токов и длительностью переключения основного и резервного источников питания

6 Разработана методика проектирования МУБП при заданных показателях качества электроэнергии на нагрузке Рассмотрена связь длительности переключения и энергии автономного инвертора, необходимой для питания нагрузки во время переключения Предложена структурная схема ЗП для емкостного накопителя звена постоянного тока АИН Рассмотрены особенности выбора источника энергии АМН и проектирования ЗП для емкостного накопителя звена постоянного тока АИН Рассмотрены особенности проектирования системы управления МУБП

7 Проведено физическое моделирование наиболее ответственных блоков и алгоритмов МУБП

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

1 Рябчицкий М В, Серебряков Д С «Многофункциональные статические переключатели» И 11-я Международная научно-инженерная конференция студентов и аспирантов, направление «Радиотехника, злектротехнологии и силовая электроника» (Московский энергетический институт (ТУ) 1-2 Марта 2005) Тез докл - Москва 2005 - с

107-108

2 Рябчицкий М В, Серебряков Д С Статические переключатели на базе активного фильтра // Вестник кафедры «Электротехника» Донецкого Технического Университета Тез докл - Донецк 2005 - с 50-51

3 Розанов Ю К, Рябчицкий М В, Серебряков Д С Заявка на патент № 2005141347/09(046066) от 29 12 05 «Устройство резервного энергоснабжения»

4 Рябчицкий М В, Серебряков Д С «Многофункциональные статические переключатели» // 12-я Международная научно-инженерная конференция студентов и аспирантов направление «Радиотехника, электротехнологии и силовая электроника» (Московский энергетический институт (ТУ) 2-3 Марта 2006) Тез докл - Москва 2006 - с 109-110

5 Рябчицкий М В , Серебряков Д С «Многофункциональное устройство подключения резервного питания» // Журнал Технического университета в Пловдиве «Фундаментальные науки» № 13 2006 (на англ языке) Статья -Пловдив 2006-с 70-75

6 Серебряков Д С Разработка алгоритма и устройства автоматического включения несиифазной резервной сети без перерыва в питании нагрузки // Электротехника - 2007 -№5 - с 54-61

7 Рябчицкий М В, Серебрчков Д С «Многофункциональные статические переключатели» // 13-я Международная научно-инженерная конференция студентов и аспирантов направление «Радиотехника, электротехнологии и силовая электроника» (Московский энергетический институт (ТУ) 1-2 Марта 2007) Тез докл - Москва 2007-с

108-109

Подписано в печать // ОБ 0? зак /77 Тир (ОО п.л ш Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул , д 13

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ УСТРОЙСТВАМИ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ.

1.1. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ.

1.2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ.

1.3. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ, СПОСОБЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.

1.4. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2. АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ВКЛЮЧЕНИИ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИМИ СРЕДСТВАМИ.

2.1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ.

2.2. ДЛИННЫЕ ЛИНИИ С РАСПРЕДЕЛННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

2.3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ВКЛЮЧЕНИИ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ ПОСЛЕ ОБРЫВА ОСНОВНОЙ СЕТИ.

2.4. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ВКЛЮЧЕНИИ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ ПОСЛЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ОСНОВНОЙ СЕТИ.

2.5. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ВКЛЮЧЕНИИ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ НАГРУЗКИ ПОСЛЕ ОБРЫВА ОСНОВНОЙ СЕТИ.

2.6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ВКЛЮЧЕНИИ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ НАГРУЗКИ ПОСЛЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ОСНОВНОЙ СЕТИ.

2.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

3. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО БЕЗРАЗРЫВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СЕТЕЙ, АЛГОРИТМ РАБОТЫ, СТРУКТУРА УСТРОЙСТВА, АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ.

3.1. СПОСОБ И АЛГОРИТМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ НЕСИНФАЗНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ БЕЗ ПЕРЕРЫВА В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ НАГРУЗКИ.л.

3.2. СТРУКТУРА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА БЕЗРАЗРЫВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СЕТЕЙ.

3.3. МОДЕЛЬ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ БЕЗРАЗРЫВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СЕТЕЙ.

3.4. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ С МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ БЕЗРАЗРЫВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СЕТЕЙ.

3.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

4. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА БЕЗРАЗРЫВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СЕТЕЙ.

4.1. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВОЙ ЧАСТИ.

4.2. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

4.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

5. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАИБОЛЕЕ ОТВЕТСТВЕННЫХ УЗЛОВ И АЛГОРИТМОВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА БЕЗРАЗРЫВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СЕТЕЙ.

5.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ БЛОКА СОГЛАСОВАНИЯ.

5.2. ПРОВЕРКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АЛГОРИТМА БЫСТРОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПАДА НАПРЯЖЕНИЯ НА МАКЕТЕ.

5.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Электроснабжение потребителей, перерыв в электропитании которых может привести к серьезным аварийным ситуациям и повлечь за собой опасность для жизни людей или значительные финансово-материальные потери, именуемых объектами 1 категории, должно обеспечиваться от двух независимых взаимно резервирующих источников питания [1]. При больших значениях мощности нагрузки или длительности питании от резервного источника, в качестве второго источника электропитания целесообразно использовать резервную сеть. Для осуществления переключений в таких системах электроснабжения (СЭ) используются устройства автоматического включения резервного питания (АВР) (Рис. 1.). Наиболее распространенные полупроводниковые переключатели, именуемые тиристорными контакторами с естественной (ТКЕ) и искуственной (ТКИ) коммутацией обладали большими массогабаритными параметрами и длительным временем переключения [2,3]. С развитием полупроводниковых элементов появились новые возможности для создания переключающих устройств с повышенным быстродействием и дополнительными функциями. Например, фирма Mitsubishi Electric Corp. удачно совместила в своем устройстве полупроводниковые и механические ключи с микропроцессорной системой управления [4]. основная резервная сеть сеть

Рис. 1. Структурная схема устройства подключения резервного электропитания.

Однако алгоритм работы таких переключателей в основном зависит от того, находятся ли напряжения основной и резервной сетей в одинаковой фазе и равны ли их частоты, то есть синфазны ли напряжения. Переключение электропитания потребителя с одного источника на другой, при условии их синфазности, осуществляется сразу. В противном случае управление ключами осуществляется так, чтобы между моментом отключения одного источника и подключения другого была пауза в несколько десятков миллисекунд. Иначе на нагрузке могут появиться подряд две полуволны напряжения одинаковой полярности и полуволна тока, длительность которой будет намного больше половины периода. Если в состав нагрузки входят трансформаторы, то может произойти насыщение, сопровождающееся значительным увеличением намагничивающего тока. При переключении источников несинфазного напряжения находящихся в противофазе без временной паузы возможна резкая смена полярности напряжения, питающего нагрузку. Если в состав нагрузки входит асинхронный двигатель, возможен динамический удар. Однако введение паузы при переключении источников питания тоже имеет свои отрицательные последствия. Во время такой паузы двигатель переходит в режим торможения, а сразу после неё - в двигательный, что приводит к большим уравнительным токам статора. Эти аварийные режимы могут привести к выходу электрооборудования из строя или значительному снижению его ресурса. Так известны случаи, когда возникшая при АВР пауза порядка 0.3 с вызвала нарушение в непрерывном технологическом процессе и привела к значительному материальному убытку и длительной повторной наладке оборудования [5*6]. Единственным выходом в этой ситуации является установка on-line агрегатов бесперебойного питания (АБП), в котором переключение источников питания осуществляется на стороне постоянного тока. У этого решения есть свои минусы: значительно большие по сравнению с устройствами АВР стоимость, электрические потери в самой установке и массогабаритные параметры.

Разработкой и производством устройств АВР занимаются такие международные компании как ABB, Schneider, Merlin Geren, Mitsubishi, Analog Devices, а так же российские компании ОАО «Завод «Инвертор», ОАО «Электровыпрямитель», ЗАО «ЭЛСИЭЛ», НПО «Меридиан».

В данной работе предлагается осуществить переключение несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки и в отсутствие бросков намагничивающих и уравнительных токов, исходя из требований к качеству электроэнергии [7]. Такое переключении можно осуществить за счет реализации нового принципа переключения, а именно подключая на время переключения нагрузку к третьему, управляемому, источнику электроэнергии, который будет изменять начальную фазу своего напряжения от значения начальной фазы напряжения отключаемой сети до значения начальной фазы подключаемой сети. Этим, третьим управляемым источником, в многофункциональном устройстве безразрывного переключения сетей (МУБП) является автономный инвертор напряжения (АИН), который в остальное от переключений время может выполнять коррекцию коэффициента мощности и подавление высших гармоник нагрузки, повышая энергоэффективность потребителя.

Актуальной является задача переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки и расширения функциональных возможностей активных фильтров, что и определило тему диссертационной работы. Актуальность подтверждается использованием некоторых алгоритмов управления в текущих разработках ЗАО «ЭЛСИЭЛ» при участии автора, о чем свидетельствует акт о внедрении.

Цель диссертационной работы заключается в проведение теоретических исследований, направленных на изучение процессов, возникающих при АВР, разработке метода, алгоритмов управления, структуры и методик проектирования МУБП, исходя из требований к качеству электроэнергии при переключении.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Определена область применения МУБП.

2. Разработана модель СЭ с резервным источником электропитания и проведен анализ переходных процессов, возникающих при АВР в СЭ с существующими переключающими устройствами с двигательной и трансформаторной нагрузками. Для двигательной и трансформаторной нагрузок выявлены зависимости между амплитудой уравнительных токов и разницей начальных фаз напряжения основного и резервного источников питания, а так же между амплитудой уравнительных токов и длительностью паузы при переключении источников питания. Рассмотрено влияние причины аварии основной сети.

3. Разработан способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки.

4. Разработана структура МУБП (рис. 2.), реализующая предложенный способ и алгоритм переключения несинфазных источников питания без перерыва в электроснабжении нагрузки. основная резервная сеть сеть

Рис. 2. Упрощенная структурная схема МУБП.

5. Разработана модель СЭ с МУБП и проведен анализ переходных процессов, возникающих при АВР в энергосистемах с МУБП при двигательной и трансформаторной нагрузках. Выявлены зависимости между амплитудой уравнительных токов и длительностью переключения основного и резервного источников питания. Рассмотрено влияние причины аварии основной сети.

6. Разработана методика проектирования МУБП. Проведено физическое моделирование наиболее ответственных блоков МУБП.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета электрических цепей), численные методы решения уравнений на ЭВМ, методы математического моделирования (система сквозного проектирования Matlab 6.5 [8]).

Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования.

Научную новизну представляют:

1. Новый принцип переключения двух несинфазных сетей без перерыва в электроснабжении нагрузки и в отсутствие бросков намагничивающих и уравнительных токов.

2. Алгоритм управления и структура, позволяющая реализовать этот алгоритм, МУБП.

3. Математическая модель энергосистемы с МУБП, на которой можно проанализировать переходные процессы, возникающие при АВР.

4. Методика проектирования МУБП.

Практическую ценность представляют:

1. Впервые предложенный способ быстродействующего АВР при условии несинфазности напряжений основной и резервной сетей электропитания без перерыва в питании нагрузки и бросков, намагничивающих и уравнительных токов, реализованный в МУБП.

2. Описание области применения МУБП, что позволяет наиболее рационально использовать его в СЭ.

3. Анализ переходных процессов, возникающих при АВР, и зависимости, позволяющие определять границы синфазности источников питания исходя из качества электроснабжения при ожидаемых переходных процессах.

4. Алгоритм управления и структура МУБП, позволяющая позволяющие обеспечить высокое качество электроснабжения потребителей при АВР, реализовав безразрывное переключение несинфазных сетей, и повысить энергоэффективность СЭ с МУБП.

5. Методика проектирования МУБП, в основе которой лежит выбор типа и параметров источника Энергии звена постоянного тока преобразователя, позволяющая проектируемому устройству обеспечить заданное качество электроэнергии для потребителя.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты использованы при подаче заявки на патент «Устройство резервного энергоснабжения» МЭИ (ТУ) и при разработке новых устройств АВР, как самостоятельных изделий, так в качестве составных частей других устройств, в ЗАО «ЭЛСИЭЛ».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях ВНТКС «Электротехника; электроника и микропроцессорная техника - 2005» (Донецк, Украина), Юбилейной научной конференции 2006. (Пловдив, Болгария), а также на ежегодных международных научно-инженерных конференциях студентов и аспирантов 2005-7 (каф. ЭиЭА, МЭИ, Москва).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них: 1 - статья в издании по спискам ВАК («Электротехника»); 1 - положительное решение ФГУ ФИПС о выдаче патента на изобретение по заявке № 2005141347/09(046066) от 29.12.05 «Устройство резервного энергоснабжения».; 1 - Статья в международном иностранном сборнике; 4 -работы в материалах международных научно-инженерных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объем

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключается в следующем:

1. Выявлено, что существует проблема несинфазных переключений в АВР, вследствие чего такие АВР не могут быть быстродействующими. Согласно полученным зависимостям бросков уравнительных токов от разности начальных фаз напряжений основной и резервной сети и от длительности паузы питающего потребителя напряжения на двигательной и трансформаторной нагрузках при различных типах аварии обычные схемы АВР малоэффективны.

2. Определена область применения многофункционального устройства безразрывного переключения сетей (МУБП).

3. Синтезирован новый алгоритм переключения, позволяющий осуществлять коммутацию несинфазных источников питания, непрерывно обеспечивая электропитание нагрузки.

4. Разработана структура МУБП, обеспечивающая безпаузное переключение несинфазных источников питания по предложенному алгоритму. Разработаны принципы функционирования МУБП в различных режимах.

5. На модели СГЭ с МУБП проанализированы переходные процессы, возникающие при АВР в энергосистемах с МУБП при двигательной и трансформаторной нагрузках при различных типах аварии и подтверждено улучшение качества электроэнергии на нагрузке при АВР. Выявлены зависимости между амплитудой уравнительных токов и длительностью переключения основного и резервного источников питания.

6. Разработана методика проектирования МУБП при заданных показателях качества электроэнергии на нагрузке. Рассмотрена связь длительности переключения и энергии автономного инвертора, необходимой для питания нагрузки во время переключения. Предложена структурная схема зарядного преобразователя (ЗП) для емкостного накопителя звена постоянного тока АИН. Рассмотрены особенности выбора источника энергии АИН и проектирования

ЗП для емкостного накопителя звена постоянного тока АИН. Рассмотрены особенности проектирования системы управления МУБП.

7. Проведено физическое моделирование наиболее ответственных блоков и алгоритмов МУБП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Правила устройства электроустановок. Минэнерго СССР, Энергоатомиздат, Москва, 1985.

2. Под ред. Ф. И. Ковалева. Статические агрегаты бесперебойного питания, Энергоатомиздат, Москва, 1992.

3. Дикань С.В., Намитоков К.К. Аппараты систем бесперебойного электроснабжения. Техника. Киев. 1989.

4. PATENT 2001197680 A. APPARATUS AND METHOD FOR SWITCHING POWER SYSTEMS. H02J 9/06, H02J 3/04. Takeda Masatoshi, Kamiyami Isao. Mitsubishi Electric Corp.

5. Михайлов B.B., Петриченко B.H. О расчете целесообразного уровня надежности электроснабжения азотнотукового завода. Химическая промышленность. № 9, 1968.

6. Куириц Ю.А., Марзахметов М.М. О продолжительности отказов внешнего электроснабжения химических производств. Промышленная энергетика. № 8, 1979.

7. ГОСТ 13109-97 'Качество электрической энергии. Совместимость электрических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Издание официальное.8. Matlab.6.5. manual, 2002.

8. ГОСТ 27699-88. Системы бесперебойного питания приёмников переменного тока. Общие технические условия. Издание официальное.

9. Ю.Носов К.Б. Упрощенная схема быстродействующего АВР на химических предприятиях с ответственными электроприемниками. Промышленная энергетика. № 1, 1973.

10. П.Федоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. Энергия. Москва. 1979.

11. Чунихин А.А. Электрические аппараты (общий курс). Учебник для энергетических и электротехнических институтов и факультетов. Москва. Энергия. 1975.

12. П.Блихер А. Физика тиристоров. Пер. с англ. Москва. Энергоатомиздат. 1981.

13. М.Герлах В. Тиристоры. Пер. с нем. Москва. Энергоатомиздат. 1985.15.www.sbp-invertor.ru16.www.ixys.com17. www.advancedpower.com18.www.mitsubishi.com

14. Силовые IGBT модули. Материалы по применению. М.: Издательский дом « Додэка XXI», 1997.

15. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейство, характеристики, применение. М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2001.

16. Справочник по силовым электронным приборам. ABB Semiconductor. АБ: изд. АББ Индустрия и стройтехника, 1997.

17. PATENT US 6.744.151 В2. MULTI-CHENNEL POWER SUPPLY SELECTOR. H02J 1/00. Jane Patricia Jakson. Roger Charles Peppiette. Analog Devices.

18. M. В. Рябчицкий, Д. С. Серебряков. Статические переключатели на базе активного фильтра. Вестник кафедры «Электротехника» Донецкого Технического Университета, Донецк, 2005.

19. ПАТЕНТ 2004045 Устройство резервного электроснабжения. Левинзон С.В., Тимченко Н.М. Калужский научно-исследовательский институт телемеханических устройств.

20. ПАТЕНТ 2025024. Устройство для автоматического переключения нагрузки содного источника переменного тока на другой. Григорьев В.А., Игнатов А.А., Швыркунов И.Л. НПО «Меридиан».

21. ПАТЕНТ 2009598. Устройство для автоматического включения резервного питания потребителей с двигательной нагрузкой. Федоров Э.К.

22. Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения.

23. Кудрин Б.И., Прокопчик В.В. Электроснабжение промышленных предприятий. Минск. «Вышэйшая школа». 1988.

24. Строев В.А. Электрические системы и сети. В примерах и иллюстрациях. Москва. «Высшая школа». 1999.

25. Андреев В.А. Релейная защита и автоматики систем электроснабжения. Москва. «Высшая школа». 2006.30.www.abb.com31 .www.shnider-electric.com

26. ГОСТ 26416-85. Агрегаты бесперебойного питания па напряжение до 1 кВ. Общие технические условия. Издание официальное.

27. МЭК 62040-3. Системы бесперебойного питания (источники бесперебойного питания). Часть 3: Технические требования и методы испытаний. Международная Электротехническая комиссия 1999.

28. ПАТЕНТ 2215355. Установка бесперебойного электроснабжения железнодорожной автоматики. Бахарев B.C., Бершадская Т.Н., Гриновский О.В., Еремин М.А., Кротов Н.А., Михайлов А.В., Ряполов В.И., Сергеев С.П., Шабанов А.Н.

29. Лопухин А. А., Желбаков И. Н. Системы бесперебойного питания // Сети и системы связи. 1996. - №7.36.www.epcos.com

30. Электрические и электронные аппараты: Учебник для ВУЗов / под ред. Ю.К. Розанова-2-е изд., испр. и доп.-М.: Информэлектро, 2001.

31. Hirofumi Akagi. Trends in Active Power Line Conditioners. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol. 9, no. 3, may 1994.

32. Radu Iustin Bojoi, Giovanni Griva, Valeriu Bostan, Maurizio Guerriero, Francesco Farina, and Francesco Profumo. Current Control Strategy for Power Conditioners Using Sinusoidal Signal Integrators in Synchronous

33. Reference Frame. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 20, NO. 6, NOVEMBER 2005.

34. Гринберг Р.П. Разработка регулятора пассивных фильтров для систем электроснабжения. Дис. . докт. техн. наук.-М., МЭИ, 2002.

35. Hideaki Fujita, Takahiro Yamasaki, Hirofumi Akagi. A Hybrid Active Filter for Damping of Harmonic Resonance in Industrial Power Systems. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 2, MARCH 2000.

36. Рябчицкий M.B. Регулятор качества электроэнергии: дис.к.т.н. М., МЭИ, 1999.

37. Кваснюк А.А. Регулятор качества электроэнергии с расширенной областью функциональных возможностей. Дис. . докт. техн. наук М., МЭИ, 2002.

38. ShaiIendra Kumar Jain, Pramod Agarwal; H. O. Gupta. A Control

39. Algorithm for Compensation of Customer-Generated Harmonics and Reactive Power. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 19, NO. 1, JANUARY 2004.

40. Arindam Ghosh, Avinash Joshi. The use of instantaneous symmetrical components for balancing a delta connected load and power factor correction. Electric Power Systems Research. (2000).

41. Akagi H. New trends in active filters for power conditioning // IEEE Transactions on industry applications- 1996-vol.32.-№6-P. 1312-1322.

42. Hyosung K., Akagi H. The instantaneous power theory on the rotating p-q-r reference frames // Power Electronics and Drive Systems Conference: Тез. докл.-Т., 1999.-P. 422-427.

43. Пиковский А. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. Москва. Техносфера. 2003.

44. Капранов М.В. Элементы теории систем фазовой синхронизации. Москва. Издательство МЭИ. 2006.

45. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В двух томах. Учебник для ВУЗов. М.: Издательство МЭИ. 2004.

46. Смелков Г.И. Справочник по пожарной безопасности электропроводок и электронагревательных приборов. 1977.52.3акарюкин В.П. Техника высоких напряжений. Конспект лекций. -Иркутск: ИрГУПС, 2003.

47. Галицын А.А. Разработка и исследование быстродействующего АВР в системах промышленного электроснабжения. Специальность 05.09.03 -Электрооборудование. Дис. . докт. техн. наук -М., МЭИ, 1983.

48. Хрусталев В.А. Исследование структур устройств автоматики энергосистем ТАПВ и АВР. Дис. . докт. техн. наук М., МЭИ, 1967.5 7. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Москва. Издательство «Высшая школа». 1964.58.www.infineon.com

49. Николаев А.В. Разработка принципов управления статическим компенсатором (СТАТКОМ) и исследование его работы на подстанциях переменного и постоянного тока. Дис. . докт. техн. наук- Санкт-Петербург, ОАО НИИПТ, 2005.

50. Варламова Р.Г. Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. М., Энергия, 1992.

51. Основы силовой электроники. Под. ред. Ю.К. Розанова. М.: Энергоатом издат. 1992.

52. ГОСТ 10032-80. Дизель-генераторы стационарные, передвижные, судовые вспомогательные. Технические требования к автоматизации. Издание официальное.

53. Кирьянов Д.В. Самоучитель MathCAD 2001. СПб. БХВ-Петербург. 2001.

54. Волков Е.А. Численные методы. М., Наука. 1987.65.www.esma-cap.com

55. Чети П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. -М.: Энергоатомизадат, 1990.

56. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Учебное пособие. Изд.З-е, исправленное и дополненное. Новосибирск. Изд. НГТУ. 2004.

57. Пейтан А. Дж. Войш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. Практическое руководство. М. Бином. 1994.

58. Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. М. Изд. «Мир». 1998.71 .www.analog.coin72.http://dsp.ti.com73.www.semikron.com74.www.lem.com75.www.vishay.com

59. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 6. М. ЗАО «Издательство Бином». 2003.

60. Code Composer Studio. User's Guide. SPRU328B. Texas Instruments Inc. 2000.