автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование индуктивно-емкостного устройства для проверки токовой защиты

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МОРОЗОВ БОРИС АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИВДШШЮ-ШОСТНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРОВЕРЮ! ТОКОВОЙ ЗА1ЩЫ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой рфрттрни кандидата технических нау!

Владивосток - 15^4

Работа выполнена на кафедре "Электрооборудования и автоматики судов" Дальневосточного государственного технического университета

Научный руководитель - заслуженный энергетик В2, доктор технических наук, профессор Кувшинов Г.Е.

Официальные оппоненты: академик электротехнической Академии Рй, доктор технических наук, профессор ¡Синит Н.В.

кандидат технических наук, профессор Радченко 11. М.

Ведущая организация: 12 отделение ЦНИИСЭТ

Защита состоится " 16" июня_-1994 г. в 10.00 час.

на заседании специализированного совета К 064.01.08 Дальневосточного государственного технического университета по адресу: 690600, ГСП, г. Владивосток, Пушкинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в адрес специализированного совата университета К 064.01.08,ученому секретаро.

Автореферат разослан " ^ " ЛОСиЯ/_1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. техн. наук, доцент

Горбенко Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теки. Для предотвращения возникновения аварий и быстрого отключения поврежденного участка электрические сети снабжаются автоматически действующей токовой защитой (ТЗ). Для снижения вероятности отказов при коротких замыканиях (КЗ) и перегрузках все устройства защиты при установке на распределительных щитах, в процесса эксплуатации, а также после ремонта нуждаются в контроле работоспособности. Однако регламент проведения испытании аппаратов ТЗ, как правило, не соблюдается, что связано с отсутствием или недостатохшым количеством устройств для проверю» токовой защиты (УПТЗ), Особенно остро эта ситуация проявляется в судовой электроэнергетике, проверку аппаратов ТЗ которой необходимо проводить переносными, а не стационарными УПТЗ. Недостаточное распространение УПТЗ в значительной мере связано с тем, что они не обеспечивают нужную точность результатов испытаний.

В силовую часть применяемых в настоящее время УПТЗ входит понижающий однофазный трансформатор, ко вторичной обмотке которого подключается проверяемый аппарат, а также автотрансформатор, или переменный резистор, с помощью которых устанавливается требуемое значение испытательного тока.

При испытании с помощью таких УПТЗ аппаратов ТЗ в зоне перегрузки возникает погрешность определения тока срабатывания, связанная о нестабильностью испытательного тока, вызываемой увеличением из-за нагрева сопротивлений токоведущих частей УПТЗ, проверяемого аппарата и соединительных кабелей, а также изменения напряжения и частоты сети. Другой недостаток заключается в том, что для обеспечзния прохождзния через аппарат наперед заданного значения испытательного тока необходимо еще одно, предварительное, включение УПТЗ дая регулирования этого значения вручную. И'р большая погрешность а также значительный (в пределах от 1003 до 20СЮ разброс максимального значения испытательного тока имеют место прг1 испытании ТЗ в зоне токовой отсечки, что обусловлено наличием быстрозатухающей свободной составляющей испытательного тока, начальное значение которой имеет случайный характер, зависит от момента подключения цепи испытательного тока к источнику и коулт достигав амплитудного значения принужденной составляющей з'лугс тока.

Очевидно, что для поьыиения точности р'.зультатоз ис.т/.г::мя необходимо использовать автоматическое управление г.сячг&'.-огьж.

током. При этом в качестве исполнительного устройства системы автоматического управления целесообразна применить имевший широкое распространение б электропривода тиристорный регулятор напряжения (два встречно-параллельно включенных тиристора),тем более, что в состав современна УПТЗ уме входах тиристоры, выполняющие функции бесконтактного ключа.

Простейши;" вариант управляемого УПТЗ, в котором силовая часть традиционного неуправляемого УПТЗ дополнена тиристорнып регулятором напрдчения непригоден для проведения испытаний ТЗ, так как испытательный ток этого ЭТТГЗ сильно искажен, а в соответствии с техническими условиями некоторых аппаратов Т3,в частности, воздушных автоматических выключателей с электромагнитными расцепите-ляш, их испытания следует проводить практически синусоидальным током. Следовательно, силовая часть УПТЗ должна быть дополнена фильтром. Необходимо выбрать структуру и параметры фгчьтра, обеспечивающего приемлемую величину коэффициента гармоник испытательного тока и'пригодные для переносного исполнения массо-габаритные показатели УПТЗ

Не менее важным является определение параметров регулятора испытательного тока, который долкен обеспечить протекание переходного процесса испытательного тока при включении УПТЗ арактически без перерегулпрсьания и его завершение за время одного-двух полупериодов питающего напряжения, с тем, чтобы УПТЗ стал пригодным для испытания аппаратов ГГЗ в зоне отсечки.

Слоюк'сть решения этой задачи определяется тем, что УПТЗ предназначен для испытаний разнообразных аппаратов, нмеюиулх весьма широкий диапазон параметров их электрической цепи и тргбу.ощих изменения ¡^питательного тока в пределе« от десятков до нескольких т;;сяч ампер. Поотому регулятор испытательного тока должен адаптироваться г изменению параметров силовой части УПТЗ и компенсировать нелинейность ее характеристик.

Таким образом, исследовячие я технические разработки, которым посвящена диссертация, направлены на решение ва-шой прикладной задачи - создание УПТЗ, удовлетворяющего требованиям к проведению ист,"ани!'* разнообразных аппаратов ТЗ.

Эти исследования проводичись в соответствии с ачаками хоздоговорных и гоободжетньч' НИР Дальневосточного государственного технического университета.

Целью работы явл^отс.ч разработка и исследование автоматичес-

ки управляемого УПТЗ, обеспе^жзаюцего наперед заданное значение испытательного.тска с широким диапазоном регулирования Гфи практически синусоидальной фоте этого -тока, о высоким быстродействием, не превышающим син-два пол^иериода напряжения питания, и без заметного перерегулирования при отработке ступенчатого задающего сигнала.

Поставленная цель достигается в работе решением следующих научно-технических задач:

выбора структуры и определения параметров силовой и управляющих частей УПТЗ, .беспечивающих практически синусокдапь^ую форму испытательного тока в широком диапазоне ого изменения и требуемое качество переходного процесса;

разработки математикзских моделей силовой части УПТЗ.описы-вающих переходный и установившийся режимы в к^м и позволяющих определить параметры переходного процесса и форму испытательного тока;

экспериментального исследования автоматического управляемого УПТЗ во всем диапазоне изменения Заданных значений испьтательного тока и параметров электрической цепи испытываемых аппаратов ТЗ;

разработки методики ,для проектирования системы автоматического управления УПТЗ.

Мет^-чы исследования. Решение поставленных задач базируется на основньг методах тв1 ретг теской электротехники и теории управления. Решение диф£зренциальных уравнений иыполнено с помощью преобразования Лапласа. При разработке инженерной методики расчета и синтезе регулятора тока УПТЗ использованы методы гармонической линеаризации и метод графов. Для проверки адекватно с ту; математической модели использованы методы физического и цифрового моделирования, метрологии, элементы численного анализа и математической обработки результатов.

Научная новиана заботы заклгпгается в следующем: показано, что для обеспечения формы кспытатзлыюго тока и тробуемой -точности результатов испытания ТЗ УПТЗ должно бьггь выполнено в виде индуктивно-емкостного управляемого, трансформирующего устройства (ИЕУТУ);

разработаны алгоритму анализа цепи переменной структуры,которой является СИЯ02ЗД часть ИЕУТУ, ориентированные на применение

ПЭВМ; „п тг

изучены неизвестные ранее характеристики ИЩУ, найдены зависимости коэффициентов формы и гармоник испытательного тока от

параметров цепи нагрузки ИЕУТУ;

установлены характеристики звена, корректирующего нелинейность ЙОТУ;

предложено апроксимировать силовув часть ИЕУТУ как звено чистого запаздывания и синтезировать регулятор испытательного тока в виде пропорционально-интегрального регулятора переменной структуры.

Практическая ценность. В диссертации разработаны: предназначенное для работы в качестве УПТЗ ИЕУТУ, обеспечивающее на выходе практически синусоидальный ток;

блок управления тиристорами, исключающий аварийный однополу-периодный режим работы тиристорного коммутатора при индуктивном характере нагрузки;

регулятор тока и нелинейное корректирующее устройство, обеспечивающие высокое качество переходного процесса;

устройство защиты индуктивно-емкостного преобразователя от перенапряжений, возникащих при обрыве цепи нагрузки;

созданы методики проектирования всех перечисленных блоков и устройств и методика метрологической аттестации УПТЗ.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы при изготовлении УПТЗ, которое внедрено в АО "Дальавтоматика". За время эксплуатации УПТЗ проведено более 300 исштаний судовых аппаратов ТЗ.

На Владивостокском предприятии "&ра" началась подготовка к мелкосерийному производству УШ'З, разработанных на кафедре электрооборудования и автоматики судов ДВГТУ при участии автора. Такое УПТЗ под названием Исток-1 рассчитано на испытательный ток 1000 А, а под названием Исток-2 - на испытательный ток 10000 А.

На основе УПТЗ на кафедре электрооборудования и автоматики судов ДЗГТУ изготовлен лабораторный стенд, который используется для подготовки научных кадров и в учебном процессе для изучения как УПТЗ, так и аппаратов токовой защиты. Методики анализа ц проецирования УПТЗ использованы в 8 дипломных проекта выпускников ДВГТУ и ДОГМА им. Г.И. Невельского.

Степень достоверности результатов. При проведении экспериментальных исследований использованы общепринятые методы измерения основных электрических величин. Проведенные службой стандартизации. и метрологии ДВГТУ оценки погрешностей подтверждают достовер-

ность экспериментальных данных. Предельные относительные погрешности не превышают 4 %.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих семинарах и конференциях: XXXII Всесоюзная межвузовская научно-техническая конференция ТОВВМУ им. С.О. Макарова (Владивосток, 1989); конференция "Энергетическая электроника на транспорте" (Севастополь, 1990); Всесоюзная школа-семинар "Диагностирование, надежность, неразрушающий контроль электронных устройств и систем" (Владивосток, 1990); конференции профессорско-преподавательского состава ДВГТУ (Владивосток, 1991-93).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, выпущен один отчет по НИР, получено одно положительное решение на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы из 103 наименований и 8 приложений. Основная часть работы изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 47 рисунков, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложены основные положения диссертации, обоснована актуальность темы, цель и задачи исследований.

В первой главе рассмотрены разновидности судовых аппаратов токовой защиты и их характеристики. Сделан вывод о необходимости создания новых приборов для их проверки. Сформулированы требования к УПТЗ.

Анализ литературы показал, что в настоящее время для испытания аппаратов токовой защиты, в основном, применаются УПТЗ с автотрансформаторами. Этим приборам присущ ряд недостатков. Во-первых, регулирование выходного тока производится вручную, что приводит из-за нагрева кабелей и нестабильности напряжения и частоты сети к Изменению этого тока в процессе испытаний и, следовательно, к погрешности определения тока срабатывания. Во-вторых, во время переходного процесса, возникающего в момент включения, максимальное значение амплитуды испытательного тока может достигать двухкратной величины от заданного значения, что недопустимо при проверке аппаратов токозой защиты в зоне отсечки.

Устранение указанных недостатков достигается использованием в качестве коммутирующего регулирующего элемента тиристоров (или

симистора). Подача управляющих импульсов на тиристоры в определенный иомент, синхронизированный с ьапряженгл» сети, позволяет исключить переходный процесс, возникающий при включении устройства в сеть в произвольный момент времени. Однако анализ формы кривой выходного тока показывает,что по мере увеличения угла управления тиристоров очень быстро возрастает отклонение формы тока нагрузки от синусоидальной, и коэффициент гармоник достигает допустимых Ь% при уменьшении тока нагрузки всего на 3%, что совершенно недостаточно. Применение тиристоров в качестве регулирующих элементов в УПТЗ возможно только с дополнительными фильтрами, обеспечивающими практически синусоидальную форму выходного тока.

Выбор индуктивности и емкости такого фильтра для рассматриваемого случая регулирования выходного тока в литературе не описан. В связи с этим возникает задача выбора параметров элементов фильтра, от решения которой зависят установленная мс^-юсть, масса и стоимость фильтра, его способность к подавлению высших гармонических составляющих, ток, потребляемый из сети, его коэффициент мощности.

Анализ различных фильтров показал, что для УПТЗ наилучшими характеристиками обладают индуктивно емкостные фильтры,физическая картина процессов в которых основана на явлениях резонанса, при этом реактивные сопротивление реактора и батареи конденсаторов равны между собой на частоте питающего напряжения. В этом случае фильтр становится индуктийно-рмкостным преобразователем (ИЕП) источника напряжения в источник тока, у которого выходной ток не зависит от сопротивления и коэффициента мощности нагрузки, В результате максимальное значение выходного тока УПТЗ становится независимом ни от нагрева кабелей и их взаимного расположения, ни от влияния величины сопротивления контактов б выходной цепи трансформатора. УПТЗ с таким фильтром является ИЕУТУ.

Во второй главе рассмотрено влияние тиристорного регулятора на форму тока ИЕУТУ. Тиристорнмй регулятор, включаемый во входной цепи ИЕП, оказывает влияьие ны переходный процесс и создает ъ цепи нагрузки высшие гармоники тока, ухудшающие его форму. Так как к форме выгодного тока в устройствах для проверки токовой защиты - предъявляются довольно высокие требования, то необходим анализ работы устройства, собранного по системе тиристорный эегулятор-ИЕП-нагрузка при различных параметрах нагрузки и углах откр1 ания тиристоров. Электрическая цепь, содержащая тиристорный регулятор,

является цепью с переменной структурой, так как тиристорный регулятор может находиться в двух состояния : открыт один из тиристоров; оба тиристора закрыта. Каждому состоянию тиристорного регулятора соответствует сюл система линейных дифференциальных уравнений, связывающих токи и напряжения цепи. Если, кал в рассматриваемом случае, остальные элементы цепи (кроме! тиристор него регулятора) линейны, то такая цепь относится к кусочно-линейным системам.

Известно два точных метода определения формы переменных величин в установившемся режиме такиу систем: метод "припасовывания" или "сшивания" граничных условий; метод сопряженный комплексных амплитуд. Так как заранее неизвестна последовательность состояний тиристорного регулятора, а ее определение достаточно трудоемко, то решение вышеназванными методами представляет собой сложную задачу. Кроме того, эти методы не позроляют исследовать переходные процессы. С учетом указанных недостатков предлагается находить временные зависимости переменных величин цепи з установившемся ;*гжиме как окончание переходного процесса, возникающего при подключении цепи к источнику синусоидального напряжения неизменней аггллитуды и частоты. При таком подходе снимаются затруднения, связанные с нахождением последовательности состояний глриСторного регулятора, а начальные значения всех токов и напряжений до подключения к источнику принимаются нулевыми. Изменения племенных на к&здом интервале вполне конкретно определяют как время окончания этого интервала, так и состояние тиристорного регулятора на следующем интервале. Об окончании прреходногс процесса г.Зшо судить, сравнивая относящиеся к каждому полупериоду питающего напряжения средние и действующие за половину периода значения испытательного тона, его коэффициенты формы и гармоник.

Расчёт установившегося режима, с учетом переходного процесса, предлагается проводить в следующей последовательности:

1. Составление математической модели цепи.

2. Определение на каждом интервале состоянья тиристорного-регулятора, момента его окончания и конечных значений переменных величин (начальных значений на следующем интервале).

3. Отражение на экране дисплея гр'афиков переменных величин, что позволяет приближенно судить о переход? процесса в стадию установившегося режима.

4. Расчет интергапьных оценок выходного тока ИЕУТУ: среднего и действующего за половину периода значений испытательного тока,

коэффициентов формы и гармоник и их приращений. Переходный процесс можно считать законченным, если отклонения последовательных значений этих оценок не будут превышать заданной величины.

5. Завершение расчета переходного процесса. При этом последние значения интегральных оценок переменных величин принимаются как характеризующие установившийся процесс.

При составлении математической модели ИЕУТУ приняты следующие допущения: не учитывается намагничивающий ток трансформатора и потери мощности на намагничивание сердечника трансформатора; вентили тиристорного коммутатора полагаются идеальными, их проводимость в закрытом состоянии и сопротивление в открытом состоянии" равны нулю.

Операторная схема замещения ИЕУТУ имеет вид, представленный

При расчетах принято, что напряжение источника питания имеет идеальную синусоидальную форму, а действующее значение напряжения источника питания и его частота неизменны и равны номинальным значениям.

Применительно к рассматриваемой задаче математическая модель электрической цепи состоит из двух систем дифференциальных уравнений, соответствующих двум возможным состояниям тиристорного регулятора.

При замкнутом состоянии ключа К ИЕУТУ описывеатся следующей системой уравнений

на рис. I.

КГ б 1-р-З Со} о

Рис. I. Операторная схема замещения ИЕУТУ

- ■/ ($)• £м С*),

где 2f1Cs)~ Лр + S ¿p + - операторное сопротивление пер-

вого контура; íz2<2(¿) = А+ $L + -s*c™ ~ операторное сопротивление второго контура; Z/zCs) - = ■ операторное общее сопротивление первого и второго кслтуров;

Cs)= E1 (s) + lp'i,(o) - - суша ЭДС, входящих в

первый контур; £¿¿(s)~ , +. L ¿¿ Со) - сумма ЭДС,

входящих во второй контур.

Решая полученную систему уравнений, послй преобразования по Лапласу» получаем следующие выражения для токов и напряжения:

1<({) = Сю -s¿n (<jù0 t * &«>) f C„-exp S

* С/г- expC jAé)< sca(o)A (+ iz(t) = C^J • s¿aftôoé v &ео)+Сйгеяр(- +

Сля* exfC-faé)- S ¿Л (и)¡¡с + бая) ;

Üc(-t)^ Cso v sen C<Oo i -t- ¿jo) + C3i • esc/> С-Ю + ■h Cjg- expC-fa¿)' sin Ccôz ii- <9jl),

где Cüa- круговая частота питающей сети, а коэ'^фициенты CîJ,

определяются параметрами цепи и начальными условиями, L - I. 2, у. О, I, 2.

Второй режим работы имеет место при ii(ï)-Os что соответствует разомкнутому состоянии клоча К. В этом случае схема замещения описывается системой уравнений

Tifs) • ¿¡ял 60 - Eiz (s) ; UcCs) = Vfil - 2<z (s) . Jz es),

a выражения для токов и напряжений имеют вид: ¿¿Ci)—Cr' ejrp{-¿3 íj. s¿n(co3t+ 6>r); Uc Сt)-C& - expe-fa é) • s¿n(£ú3 è * Ou),

где Сг,Су , ¿f¿ fcü¿- коэффициенты, определяемые параметра-

ми цепи и начальными условиями.

Расчеты перегодных процессов, проведанные н ЭВМ для различных значений параметров нагрузки показали, что время пер€<одного процесса выходного тока ИЕУТУ не превыиает 0,025 с, а перерегулирование - 15/5, что удовлетворяет требованиям, изложенным в первой главе.

Так как пр требованиям ГОСТ форма испытательного тока должна быть практически синусоидальной, то для ее оценки проведен гармонический анализ, выполненный разложением в ряд йурье, который показал, что при сопротивлении нагрузки, равном сопротивлению ИЕН и угле нагрузки близком к -^74, что имеет место в рассматриваемом случае, нижнее допустимое значение выходного тока ИЕУТУ составляет 50$ и менее от максимального тока, соответствующего синусоидальному режиму работы.

Для расширения диапазона регулирования выходного тока в У1ГГЗ предусмотрено переключение обмоток выходного трансформатора, уменьшающее величину максимального выходного тока в два раза.

• В третьей главе рассматривается вопрос применения метода эквивалентной линеаризации к анализу работы ИЕУТУ.

Рассмотренный во второй главе метод анализа переходнь: процессов требует расчета корнай характеристических уравнений, нахождения начальных и конечных значений токов в индуктивностях и напряжений на конденсаторах с последующим определением коэффициентов рядов Фурье для токов и напряжений элементов цепи. Такой подход является достаточно сложным. Другой его недостаток заключается в том, что указанные характеристики могут быть найдены только численными методами.

Предлагается лишенный указанных недостатков способ, основанный на применении методов гармонического баланса и эквивалентной линеаризации. Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Сочетание тиристорного коммутатора с реактором рассматривается как единый нелинейный элемент (НЭ) - нелинейная индуктивность, регулируемая путем изменения угла открытия тиристоров. После выполнения операции эквивалентной линеаризации этот элемент полагается линейным, что позволяет определить зависимости первых гармонических составляющих токов и напряжений ИЕ/ТУ от угла управления. Его же можно считать источником токов высших гармонических составляющих и на этой основе найти искажение формы токов и напряжения элементов цепи.

Так как искажение формы входного тока понижающего трансформатора не превышает Ь%, то его входное напряжение можно считать практически синусоидальным. При этом напряжение на НЭ, равное разности напряжений питания и входного напряжения трансформатора будет также синусоидальным: ££ а уСГ^, • саз О , где

UH& - действующее значение напряжения НЭ, Q-O)0t а его ток в первой половине периода подчиняется выражению ¿r= 1/¿Г 1нэ- Cfto & - sirtc^p) , где - угол управления тиристорами, 1цэо = ^чзоУоСр , ^ ~ ¿4,• В зависим jth от угла управления тиристорами максимальная величина напряжения на реакторе определяется выражением -/¿Ч/из -eosolp . Учиты-

вая, что начальная фаза напряжения НЭ равна нулю, при разложении кривой тока ¿f в ряд £урье, отсутствуют не только четные гармоники и посточнная составляющая, но и косинусоидальные составляющие нечетных гармоник,и выражение для тока реактора имеет вид

¿1 = л/г-Гнэо --f-вПр- Scn(hc0o {), п. » 1,3,5..., где коэффициенты ряда определяются формулами Эйлера

<§пр ^^/сЪп &-SL/1 ¿¿-Sin СП G)> е/6>.

Из этого выражения получены коэффициенты первой - (у, и третьей 83р гармоник:

et = /- ф ; 6ip = - -—(zsi-n-Z^p+Si-n

Относительная величина действующего значения тока реактора

6др - i£j>L)(i + ZSin3<j>)

Искажения формы тока реактора характеризуются коэффициентом е^о гармоник / , а''

Расчеты показали, что в рабочем диапазоне изменения тока реактора коэффициент гармоник незначительно превышает величину /- 6gp /6ij> I • Это говорит о том, что третья гармоника является основной и позволяет упростить определение искажения формы вьосодного тока. Разделив действующее значение напряжения НЭ на действующее значение первой гармоники его тока 6fp • 1цэо , получаем эквивалентное линейное сопротивление НЗ, а затем его эквивалентную линейную индуктивность

^■рэ -* ¿-р /6ff> ,

Увеличение угла приводит как бы к увеличению индуктивности Lp3 и сопротивления реактора, что вызывает расстройку И ЕЛ и уменьшение выходного тока НЭПУ. Для анализа устансзивак-гося режима работы ИЕУТУ использован метод ненапраплекн'.и графов, с

помощью которого получены передаточная функция и формулы, связывающие между собой токи и напряжения элементов цепи и построена векторная диаграмма ИЕУТУ. По олученным выражениям произведен расчет основной характеристики ИЕУТУ,. устанавливающей зависимость выходного тока от угла управлет тиристоров.

Сравнение характеристик, рассчитанных с применением штода эквивалентной линеаризации с аналогичными, полученными во второй главе, показало, что в диапазоне изменения угла управления тиристоров от 0 до 120° отклонения .входного тока при соответствующих углах управления не превышают Ъ%, что доказывает возможность применения предлагаемого метода для расчета характеристик И£У1У.

Частотная характеристика /¿со) , определяющая установившийся режим работы, получена из передаточной функции заменой «Г

на ¡од . „ _

' и / * ✓ оз х . ей й.

где ¿4,- резонансная частота ИЕН, СО - круговая частота, /?,.£-активное и индуктивное сопротивление нагрузки, ^ - сопротивление преобразователя.

Модуль частотной характеристики

имеет сопрягающую круговую частоту С_)с = С0о 1/зГл/х: '.

При Со>-сос модуль частотной характеристики быстро уменьшается с увеличением частоты, .асимптотически приближаясь к кривой 1 . Тем самым происходит значительное ослабление высших гармонических составляющих и улучшение формы кривой выходного тока. по сравнению с кривой тока .

Из выражения для модуля частотной характеристики можно определить , как изменяется доля П. -ной гармоники ?ока ¿\ по сравнению с ее долей в токе О

К

60 = П-йОс

I/ IV \iUJJ I (О* СОо

п. быстро уменьшается с ростом п. • Поэтому коэффициент гармоник КГ1 тока (-1 , учитывающий все высшие гармоники, меньше произведения • , где К$ - коэффициент ослабления третьей гармоники. Так как из йсех высших гармоник тока ¿/ наибольшее значение имеет ■третья, а коэффициент гармоник этого тока лишь немногим больше отношения I <?зр| , то произведение

К5* принято в качестве оценки коэффициента гармоник токов

первичной и вторичной обмоток трансформатора Л^в = /с^ .

Расчет верхней граничной оценки коэффициента гармоник с использованием метода гармочической линеаризации пок^яал, что отклонение коэффициентов гармоник от полученных во второй главе не превышает 65?. Это подтверждает возможность использования предлагаемого метода для оценки искажений формы ву/одного токг- ИЕУТУ.

В четвертой главе дано описание системы автоматического управления (САУ) УПТЗ. Рассмотрены принципы построения САУ

При выборе принципа построения САУ учитьшались следующие особенности объекта управления.

1. Зависимость выходной координаты йт управлшощего воздействия нелинейная и неоднознавдая.

2. Сопротивление на рузки изменяется не только при Замене испытываемого аппарата из-за изменения его сЬЯротивлеШ'й, но и в процессе испытаний за счет нагрева токоведущих частей устройства нагрузки и кабелей.

3. Напряжение источника питания может ».'¿меняться в пределах ±10%, возможно также некоторое отклонение частоты.

4. Отклонение характеристик /л друг от друга при различи- х параметрах нагрузки отнс ителыю невелико.

5. Изменение управляющего воздействия осуществляется дискретно со средним временем запаздывал»' :, равным 0,25 периода.

Основными возмущызщимк воздействиями. приводящими к изменению величины выходного тока, являются отклонения напряжено и частоты питающей сети изменение сопротивления соединительных кабелей и испытываемого автоматического выключателя (АВ) вследствие нагрева. Устранение влияния вышеперечисленных во .чущающих воздействий возможно только при построении УПТЗ в виде САУ, замкнутой обратной связью по выходному току. С учетом особенностей объекта управления предлагается система регулирования по отклонению, но начальное значение уфаялшдего воздействия Ы$ устанавливается близким к необходимому , как в разомкнутых системах. Цепь обратной связи замыкается при появлении сигнал, обратной связи. Во время переходного процесса изменение угла и основном происходит 3 диапазоне от дэ , что обеспечивает малое перерегулирование и быстрое ^хождение регулируемой величины в допустимую зону. Позгому регулятор тока (РТ) должен подавать р> первый момент, когда сигнал обратной связи равен нулю, сигнал, соответствующий заданному выходному току, т.е. обладать пропорциональ-

ными свойствами. Для обеспечения нулевой установившейся ошибки РТ должен обладать интегрирующими свойствами Таким образом, в САУ используется пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор, в котором для уменьшения времени регулирования предусмотрено изменение • структуры РТ.

Передаточная функция замкнутой САУ УПТЗ имеет вид

= Г^ * е*/> Т„у О .Ко -ехр(- з С).р-$Тос)

1 ■) /у- ^ ТсС + (К? + (з Тн)-0 • Кс • & ' еосР С-я Г) ' где , коэффициенты передачи тиристорного коммутатора (ТК)

регулятора и обратной связи, Тн ¡"¡ос - постоянные времени регулятора и обратной связи, Т*&гс- среднестатистическое запаздывание ТК. При условии • Кос- 4 передаточная функция после преобразования

принимает вид: - к!0-ехр С-

Таким образом получается максимально возможное быстродействие, при котором выходной сигнал становится- равным заданному спустя всего одно а не (4-6) как у регулятора с постоянной структурой. Так как объект управления нелинейный и у него М0 меняется, то для выполнения условия• необходимо, чтобы ^ также был

переменным. Для этого.последовательно с регулятором включается нелинейное звено, характеристика вход-выход которого обратна нелинейной характеристики тиристорного регулятора.

Устройство для измерения выходного тока (УИТ) определяет такой важный показатель работы УПТЗ, как его тс мость. В состав У-ЧТ входят измерительный преобразователь тока (ИЛТ) и.устройство преобразования (УП) выходного сигнала ИПТ, представл; эщего переменное напряжение (ток) в виде имеющего малые пульсации напряжения постоянного тока. На основании анализа различных ИПТ предлагается использование трансформатора тока (ТТ), нагруженного на резистор, сигнал с которого подается на предварительный усилитель. Полученное на. выходе усилителя переменное напряжение преобразуется в постоянное. Так как использование обычных схем выпрямления в рассматриваемом случае неприемлемо из-за нелинейной характеристики вентилей и падения напряжения в них, соизмеримым с выходным напряжением предварительного усилителя, то вместо выпрямителя применен блок взятия модуля, называемый также прецизионным выпрямителем. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения блока взятия модуля его .выход подключен ко входу фильтра низкой частоты, выполненного в виде усредняющего операционного преобразователя, имеющего перчаточную функцию апериодического звена первого порядка.

Другими особенностями работы УГ1ТЗ с ИЕУТУ является возможность возникновения аномальных и аварийных режимов. Один из них связан о пропуском включения одного из тиристоров и возникновением несимметричного режима работы ИЕПУ. В результате, в токах и напряжениях элементов ИЕГГУ появляются постоянные составляющие, приводящие к подмагничиванию трансформатора, увеличению действующих значений токов этих элементов и их дополнительному перегреву. Защита от такого режима достигается применением специальной схемы имгульего-фазового управления (СИйУ) тиристоров, обеспечивающей включение тиристора во всем интервале от до .

Второй аномальной резким работы возникает при отключении испытываемого АВ, что эквивалентно резкому увеличению сопротивления нагрузки ИЕП. Последний переходит в режим последовательного резонанса с быстрым возрастанием потребляемого из сети тока и напряжения на батарее конденсаторов, которое может достигнуть почти двух-кратлого значения за половину периода и простым снятием импульсов управления с тиристоров нельзя предотвратить пробой конденсаторов. Поэтому для защиты от этого режима применяется быстродействующий тиристорный короткозямыкатель, последовательно с которым вводится дроссель, исключающий спадание тока тиристора до значения тока удержания и срабатывание его через каждые полпериода после достижения на конденсаторах заданной величина. Так как этот р?ким работы для УПТЗ является аномальным, то данное устройство дополнено вторым уровнем ?ащиты, который при срабатывании первого уровня через оптропнуя пару воздействует на С1ЙУ, прекращая подачу управляющих импульсов не тиристорный регулятор.

В пятой главе рассмотрены вопросы экспериментальных исследований устройства для проверки токовой защиты. Дэн о списание экспериментальной .-установки. Приводятся программа экспериментальных исследований УПТЗ и порядок их проведения.

По результатам экспериментальных исследований выполнены расчеты основных метрологических характеристик УПТЗ: коэффициента формы выходного тока, значения систематических составляющих абсолютной и относительной погрешностей установки и измерения в-гсод- . него тока и частные динамические характеристики: вре.'/я установления и перерегулирования выходного тока. В результате экспс-рн"ен-тальных исследований установлено, что з рабочей оолясти изуочсния выходиог тока и первичного напряжения силового трансформатор! коэ^й'-иент фермы лех5т з прецел&х 1,Ш0,022, т.о. форма гом

практически синусоидальна. Относительная погрешность уставок выгодного тока не выходит за пределы от -0,28 до+0,017. Относительная погрешность измерения выходного тока при доверительной вероятности Р 0,9 находится в интервале от -0,032 до +0,036. Ее,"И напряжение питающей сети находится в пределах +10$ от требуемого, и чаете а изменяется на величину, не превышающую +5л от 50 Гц, их.влия'ие на погрешность установки и измерения выходного тока являются несущественными. Время установления выходного .?ока не превосходит 0,13 с, а относительное перерегулирование -0,2,

В приложении и диссертации приведены такст программа расчета переходных процессов ИЕУТУ, таблицы результатов расчетов и измерений.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Установлено, что для УПТЗ наилучшими характеристиками обладают тирлсторнне регуляторы, дополненные индуктивно-емкостными фильтрами, обладающим;: свойствами ПЕЛ.

2. Разработаны математическая модель ИЕУТУ и соответствующая ей программа, позволяющая воспроизводить на экране ПЭВМ переходные процессы при включении УПТЗ с ИГ/ТУ л вычислять гармонический состав выходного тока.

3. Предложена инженернея методика расчета ИЕ/1У, основанная на применении метода эквивалентной линеаризации.

4. Разработана САУ ¿'ДТЗ. включающее в себя регулятор тока с переь^нной структурой и нелинейное корректирующее устройство, позволяющая получить максимальное быстродействие, не превышающее • чистое запаздывание тиристсрного регулятора.

5. Эк'-^'эримечтальнь'е исследозания УПТЗ подтвердили основные теоретические положения диссертации.

6. Разработэно и изготовлено устройство, обладающее уникгль-ными техническими характеристиками, превосходящими отечественные и зарубежные аналоги, которой внгдрено в АС "Дальавтоиатика" к успешно используется с 1^)92 г. для проверка автоматических выключателей непосредственно на судах.

7. Теоретические и практические результаты, полученные г диссертационное работе, использованы при гыполнении научно-иссле-доват^дьских работ и в учебном процессе кафедры "?лэктрооборудо-вания и автоматики судов" Дальневосточного государственного технического университета

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Т. Морозов В.А. Особенности построения устройств для провс-р-ки токовой защиты.//Тез. докл. Всесоюзной лколы-семшмра "Диагностирование, надежность, неразрушаюций контроль электронных устройств и систем". -Владивосток, 1990. -с. 120.

2. Кувшинов Т.Е., Морозов Б А. Устройство для испытания токовой защиты судойых электроэнергетических систем беременного тока./Дез. докл. ХХХП Всесоюзной Межвузовской науч.-техн.конф. -Владивосток, 1989. -ГЛ, ч. 2 -с. Г"0-162.

3. Кувшинов Г.Е., М-розов Б.А. Индуктивно-емкостное управляемое трансформаторное устройстго для испытания автоматических выключателе й.//Гез. докл. науч.-техн. конф. ДВШ. -Владивосток, 1992. -с. 59-60.

4. Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н., Морозов Б.А. Защита конденсаторов индуктивно-емкостных преобразователей от перенапряжений. //Тез. докл. XXXI науч.-техн. конф, ДВПИ. -Владик'сток, 1992.

-с. гб-53.

5. Морозов Б.А. Результаты экспериментальных исследований индуктивно-емкостного управляемого трансформаторного устройства для испытания автоматических выключателей.,'/Тез. докл. ХХХШ юбилейной науч.-техн. конф. ДВГТУ, -Владивосток, 199.1. -Кн. 2. -с. 67-68.

6. Кувшинов Г.Е., Коршунов В.Н., Морозов Б.А., Урываев К.П. Устройство для электроснабжения подводного аппарата с судна носителе . Заявка на изобретение 4929186 от 18.04.91. Положительное решение Ь.ДОИГПЭ о выдаче патента ог 24.11.93.'