ISSN 0013-5771. "Электросвязь", №8, 2007 (http://www.elsv.ru)

В.Б. Малинкин, профессор Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), д.т.н.
Л.Г. Рогулина, доцент СибГУТИ, к.т.н.

ВЛИЯНИЕ НАГРУЗКИ НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ В РЕЖИМЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ

Электроснабжение оборудования си­стем передачи информации и телекоммуникаций осуществляется от электрической сети общего назначения и резервных источников электроэнергии трехфазного или однофазного переменного тока с частотой 50 Гц и номинальным напряжением 220/380 В [1, 2]. Для удовлетворения основного требования к системе электропитания (СЭП) по надежности и бесперебойной (или гарантированной) подаче электропитания на оборудование цифровых систем передачи информации и телекоммуникаций, а также хозяйственного энергоснабжения, СЭП должна предус­матривать не менее двух вводов от независимых источников энергии и допол­нительной собственной электростанции (СЭ).

Функциональный анализ СЭП требует моделирования большого количества динамических процессов в установившихся и переходных режимах. Этот анализ необ­ходим для оценки эффективности ус­тройств и системы в целом, а также выполнения требований государственных стандартов и отраслевых норм по помехоустойчивости СЭП к различным видам воздействий со стороны нагрузки.

Введение. Системный подход к анализу и управлению процессами обработки информации о состоянии СЭП определяет надежное функционирование как самих СЭП, так и оборудования цифровых систем передачи информации, телекоммуникаций и т.д. Многообразие ар­хитектур СЭП, внедрение герметичных аккумуляторных батарей, их мониторинг и др. усложнили задачу электромагнитной совместимости и однова-риантности для оптимального их по­строения.

Актуальность проблемы создания сложных систем, к которым относится СЭП, в значительной мере определяется недостаточной проработанностью методов и способов их моделирования. Про­ведение анализа осложняется и множеством воздействий на СЭП со стороны как нагрузки, так и первичного источника энергии. Функциональный анализ СЭП требует моделирования большого количества процессов в установившихся и переходных режимах. Например, для оценки всплесков и провалов напряжения в СЭП необходимо рассмотреть переходные процессы при подключении и отключении нагрузок различных вели­чин и характера, а также при внезапном коротком замыкании, обрывах фаз и т. п. Для анализа требуемого множества физических процессов за разумно допустимое время необходима не одна мо­дель, а семейство моделей различной точности и быстродействия. Поэтому, наряду с точными, но "медленными" моделями появляется потребность и в менее точных, но более быстродействующих. Необходимость вариаций моделей появляется как при моделиро­вании многих элементов СЭП, так и системы в целом.

Структура математической модели системы может меняться в зависимости от выбора координат для физических переменных отдельных элементов. При этом не обязательно, чтобы точность моделей всех элементов находилась на одном уровне. Для глубокого и всестороннего анализа работы одного из устройств в СЭП, а также достаточно точного построения его модели, модели остальных элементов могут быть грубыми, упрощенными.

Таким образом, от моделей СЭП требуются высокая универсальность и гибкость, которые позволят сократить семейство используемых моделей и бы­стро осуществить их коренную перестройку. Поэтому взамен жестких традиционных моделей частного характера целесообразнее создать модели, которые обеспечат гибкую смену структуры и режимов работы СЭП. Такой подход можно реализовать с помощью пакета прикладных программ Matlab в подсистеме Simuiink. Одна из таких имитационных моделей синхронного генератора (СГ) с динамической нагрузкой в подсистеме Simuiink предлагается к рас­смотрению в данной статье.

За последние годы заметно изменилась пропорция между подключаемыми к СЭП статической и динамической, линейной и нелинейной нагрузками. К последней относится нагрузка, в которой ток и напряжение связаны между собой нелинейным законом: электронная техника со встроенными импульсными ис­точниками питания, механическая нагрузка с регуляторами скорости вращения приводов и др.

Увеличение доли динамической нагрузки привело к изменению характера воздействия нагрузки на СЭ в аварийном режиме. В результате возникла проблема обеспечения помехоустойчивости отдельных устройств и системы в целом к воздействию кондуктивных помех со стороны источника переменного тока при следующих предельных отклонениях показателей качества электро­энергии [3]: размах изменения напряжения не должен превышать 12% от его номи­нального значения; коэффициент временного перенапряжения - не более 1,47 (отн. ед.) при длительности перенапряжения до 1 с и 1,31 при длительности перенапряжения до 20 с; длительность провала напряже­ния - не более 30 с; глубина провала напряжения от 0,9 Uном ДО значения близкого к нулю; время нарастания импульсного напряже­ния от 0,1 до 0,9 амплитуды, не менее 1 мкс; время нарастания импульсного на­пряжения от 0,1 до 0,9 амплитуды - не менее 100 мкс. Для удовлетворения требований нор­мативных документов по уровням кон­дуктивных помех необходимо исследо-вать СЭП при динамических нагрузках. Имитационная модель СГ с комплекс­ной нагрузкой. Для гарантированного электропитания в качестве собственной электростанции, в основном, исполь­зуются СГ с возбудителями бесконтакт­ного типа. Напряжение СГ регулируется путем управления током в обмотке возбуждения. Для исследования СГ уд­обно из библиотеки Simulink Blocksets/ Sim Power Systems [4] использовать уп­рощенную модель синхронной машины - Simplified Synchronous Machine. Мо­дель каждой фазы машины состоит из источника напряжения и включенных последовательно с ним активного сопро­тивления и индуктивности фазной об­мотки. При этом активное сопротивле­ние фазы может быть задано равным нулю, а индуктивность всегда должна быть больше нуля. Окно задания пара­метров приведено на рис. 1. Параметрами блока являются: тип соединения обмотки статора (Connection type), где значение парамет­ра выбирается из списка (3-wire Y -звезда без нулевого провода, 4-wire Y -звезда с нулевым проводом); номинальная мощность Pn (ВА), действующее линейное напряжение Un (В) и номинальная частота fn (Гц), соответственно, Nom. power Pn, Vn, fn; момент инерции (Inertia, J (кг-м )), коэффициент трения (damping factor, J ) и число пар полюсов р (pairs of poles); активное сопротивление R (Ом), индуктивность обмотки статора L (Гн). ВСН 332-93. Ведомственные строитель­ные нормы. Инструкции по проектирова­нию электроустановок предприятий, проводного вещания, радиовещания и телевидения. - М.: Гипросвязь, 1993. Начальные условия задаются в виде вектора, каждый элемент которого име­ет следующие значения: dw(%) - отклонение скорости; th(deg) - угловое поло­жение ротора (град.); ia, ib, ic - началь­ные значения токов статора (A); phA, phB, phC - начальные фазы токов статора (град.). На основе упрощенной модели синхронной машины (Simplified Synchronous Machine) создана имитационная модель СГ с динамической нагрузкой (рис. 2). Для имитации динамической нагрузки используется последовательное соедине­ние трехфазного коммутатора перемен­ного тока (3-Phase Breaker) и комплексной нагрузки (3-Phase Parallel RLC Branch). Результаты исследований переходных процессов. Из множества переходных процессов СГ наибольший интерес для анализа представляют процессы пуска и остановки. При анализе пусковых про­цессов частоту напряжения питания можно считать постоянной (фиксированной), так как ее изменения являются медленными по отношению к времени протекания переходных процессов систем. На рис. 3 приведены временные зависимости напряжения в фазе А (а), токов в фазах А, В, С (б), угла фазового сдвига между током и напряжением в фазе А (в) и напряжения в фазах А, В, С (г) при коммутации нагрузки. Момент коммутации задается внеш­ним воздействием на коммутатор по­средством генератора ступенчатого сиг­нала Step, в котором время наступления перепада сигнала задается в секундах (Step time). Исследования были проведе­ны при следующих условиях: мощность активной нагрузки Р = 50 Вт; номинальная мощность СГ Рп = 500 ВА; номи­нальная частота f„ = 50 Гц. Результаты измерений представлены в таблице. По результатам таблицы видно, что значения импульсного тока при варьировании параметров нагрузки не превышают нормируемой величины 6 /ном длительностью более 1 с при работе на активно-индуктивную и смешанную на­грузки. При работе на емкостную нагрузку импульсный ток превышает допустимую норму 90 /вом при длительности до 0,3 мс. Исследования показали, что на переходные процессы в большей мере влияет характер нагрузки, а не параметры СГ. На рис. 4 приведены временные зависимости тока в фазах А, В, С (а, в) и угла фазового сдвига между током и напряжением в фазе А (б, г) при активно-индуктивной нагрузке для коэффициента мощности 0,67 (а, б) и 0,88 (в, г). Результаты показали, что увеличение активной мощности в 1,5 раза, реактив­ной (индуктивного характера) в 3 раза приводят к возрастанию "наброса" тока в 1,6 раз. Время установления переходного процесса при этом уменьшается в два раза. При работе на смешанную нагрузку время установления переходно­го процесса увеличивается до 12 с. На рис. 5 показаны временные зави­симости токов в фазах А, В, С при смешанной нагрузке: "огибающая" токов (а), время установления переходного процесса (б), несимметричный режим изменения токов фаз при коммутации нагрузки (в). Рассматривая переходные процессы, необходимо также учитывать длительность провала напряжения (не должна превышать 0,05 с) и глубину провала напряжения (не более 20% ) [3]. На рис. 6 приведена временная зависи­мость напряжения в фазах А, В, С в момент подключения нагрузки. Из ри­сунка видно, что длительность провала составляет 2 мкс, а мгновенные напря­жения достигают практически нуля, что не соответствует допустимой норме на провал напряжения.

Таким образом, имитационная модель синхронного генератора, нагруженного на статическую и динамическую нагрузки, позволяет проверять на соответствие нор­мам динамических характеристик СЭП при работе от СЭ и заданных параметрах синхронного генератора и нагрузки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е издание. 2000 г.
2. ВСН 332-93. Ведомственные строительные нормы. Инструкции по проектированию электроустановок предприятий, проводного вещания, радиовещания и телевидения. – М.: Гипросвязь, 1993.
3. ОСТ 45.183-2001. Установки электропи­тания аппаратуры электросвязи стацио­нарные. Общие технические требования.
4. Дьяконов В., Круглое В. MATLAB. Ана­лиз, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. - Спб.: Питер. 2001.

Свяжитесь с нами:

+7 (495) 120-24-28

Онлайн запрос

E-mail: com@oc.ru