Испытания МПС в условиях реального качества электроэнергии

Изменения параметров качества электроэнергии, неизбежно происходящие в процессе эксплуатации электроустановок, могут иметь отрицательные последствия. Длительные отклонения, провалы и всплески напряжений могут приводить к срабатыванию аппаратуры защиты и обесточиванию потребителей. Искажения формы кривых напряжений приводят не только к перегреву и ускоренному старению изоляции, но также к сбоям в алгоритмах обработки данных, основанных на предположении о гладкости синусоид напряжений. Для исследования влияния отклонений параметров качества электроэнергии на готовую продукцию на предприятиях-изготовителях предлагается устанавливать специализированные испытательные стенды, способные обеспечивать необходимое для проведения испытаний качество электроэнергии.

Проверка на функционирование по прямому назначению для любой аппаратуры выполняется, как правило, на завершающей стадии ее разработки и изготовления. В зависимости от обеспечиваемых при испытаниях параметров качества электроэнергии различают следующие режимы проверки:

- в условиях нормального качества питающей электроэнергии (КПЭ);

- в условиях предельно допустимых значений параметров КПЭ;

- в условиях запредельно допустимых значений параметров качества КПЭ.

Фактически, после успешного выполнения первого режима проверки далеко не всегда выполняются испытания во втором и, тем более, третьем режимах. Это происходит либо из-за неочевидности в их необходимости, либо по причинам отсутствия соответствующих технических средств.

Можно положиться на технические характеристики и "запас прочности", декларируемые поставщиком комплектующих, однако остаются вопросы по работоспособности алгоритмов в указанных условиях. Например, особое внимание следует уделять проверке работоспособности алгоритмов, основанных на контроле прохождения кривых напряжений и токов через нуль, или возможным колебаниям параметров около контролируемых пороговых значений.

В отсутствие специальных средств обеспечения требуемых параметров ПКЭ эти режимы переносятся на стадию опытной и опытно-промышленной эксплуатации оборудования. Это далеко не всегда возможно и допустимо не только в организационном плане, но и по техническим причинам, а в ряде случаев может привести к аварийным ситуациям с последующим анализом, доработками и пересмотром технического задания.

Стенд, объединяющий технологии систем программно-физического моделирования и систем обеспечения электропитания на основе силовых инверторов, позволяет реализовать проверки на функционирование аппаратуры в условиях отклонений параметров КПЭ, выявлять недостатки разработок на более ранних стадиях, определить электротехническую и алгоритмическую устойчивость и тем самым значительно повысить надежность и готовность аппаратуры к промышленному применению по прямому назначению.

В составе стенда (рис. 61) предусмотрены следующие системы:

1. Система электропитания, содержащая силовые агрегаты заданной мощности и обеспечивающая номинальные значения и заданные отклонения ПКЭ в длительных, кратковременных и периодических режимах.

2. Система имитации импульсных помех, содержащая генератор импульсных сигналов, обеспечивающий параллельную работу на общую нагрузку с силовым генераторным агрегатом.

3. Система задания, контроля и мониторинга параметров ПКЭ, содержащая аппаратуру, обеспечивающую формирование заданий, измерения и контроль параметров, приборы индикации.

4. Система регистрации и осциллографирования, содержащая аппаратуру, позволяющую запоминать мгновенные значения режимных параметров электроэнергии и выводить их на экран монитора ПК и/или принтер. При последующей компьютерной обработке обеспечивает автоматизацию документирования процессов испытаний.

Статические преобразователи на полупроводниковых IGBT-структурах, в силу известных преимуществ, вытеснили вращающиеся преобразователи и получили широкое распространение в схемах управления электроприводом переменного тока, а также в схемах устройств бесперебойного электропитания ответственных потребителей.

Отечественными и зарубежными фирмами-производителями и поставщиками предлагается широкий перечень преобразователей, охватывающий диапазон мощностей от сотен ватт до десятков мегаватт. Разнообразие технических характеристик и применяемых законов управления охватывает огромный диапазон возможных применений – от простейших устройств "мягкого пуска" до систем векторного управления с оптимизированными алгоритмами управления ключами и глубоким регулированием.

Однако следует заметить, что выпускаемые промышленно (стандартные) преобразователи могут быть использованы для разрабатываемого стенда только при соответствующей доработке. В выходных каскадах могут потребоваться дополнительные фильтры. Программы управления силовыми ключами должны быть существенно пересмотрены, так как по своему прямому назначению они будут обеспечивать по возможности наилучшее качество электроэнергии со стабилизацией выходных режимных параметров.

Принципиальным отличием разрабатываемой системы электропитания является возможность задания и поддержания требуемых показателей качества электроэнергии, отличных от «наилучших». Для этого в систему должны быть введены специальные элементы: подсистема задания и варьирования параметров качества и режимов работы; подсистема контроля выходных параметров системы.

Большинство поставляемых на рынок статических преобразователей являются закрытыми для конечного пользователя, с точки зрения подобных доработок. Безусловный интерес представляет в основном силовое оборудование промышленного изготовления (входные каскады, выпрямитель, фильтры, корректоры, инвертор), в то время как система управления может быть заменена при условии соблюдения полной совместимости с силовой частью. Чаще всего бывает достаточно добиться совместимости на уровне управляющих (ТТЛ) сигналов между контроллером и драйверами силовых ключей.

Основу алгоритма управления силовыми ключами составляет вывод ШИМ-сигналов на входы драйверов силовых ключей в функции задания необходимых амплитудных и частотных характеристик сигналов. В данном случае эти характеристики можно рассчитать заранее и по мере необходимости извлекать их из таблиц памяти программ или памяти данных микроконтроллера.

Особенностью алгоритмов управления силовыми ключами инвертора является необходимость формирования пауз («мертвого времени») в моменты переключения полярности напряжения на нагрузке для исключения короткозамкнутых цепей между разнополярными шинами звена постоянного тока. В специализированных контроллерах это реализуется встроенными программно-аппаратными средствами, а в микроконтроллерах общего назначения для этого приходится расходовать ресурсы основного процессора, о чем не следует забывать.

Для стабилизации выходных параметров используются сигналы обратной связи по току или напряжению, снимаемые с выходных клемм преобразователя. Регулирование выходных параметров осуществляется изменением задающих параметров, с которыми сравниваются сигналы обратной связи в процессе стабилизации. А само изменение задающих параметров может выполняться автоматически, под управлением встроенной программы микроконтроллера, или по данным, поступающим от компьютера.

Подсистема регулирования параметров показателей качества электроэнергии должна обеспечивать варьирование:

- отклонений (длительных, кратковременных, периодических) амплитудных значений основной гармоники выходного напряжения;

- амплитуды и фазы гармонических составляющих спектра выходного напряжения;

- амплитуды и длительности выходных сигналов имитатора импульсных помех.

Система задания, контроля и мониторинга параметров реализуется на основе ПК и соответствующего программного обеспечения. Оператор с помощью манипулятора или клавиатуры задает на экране монитора, требуемые параметры, которые затем передаются по последовательному каналу в контроллер управления. Для получения сигналов о действительных параметрах на шинах объекта используются входные гальваноразвязывающие преобразователи.

Система регистрации и осциллографирования сигналов на шинах объекта сопровождает все эксперименты в ходе испытаний. Варианты реализации данных систем на основе ПК предлагаются такими широко известными фирмами, как «Нewlett-Рackard», «National Instruments», «Advantech» в виде аппаратуры и программного обеспечения. Например, модульная измерительная система PXI/CompactPCI («National Instruments») представляет собой специализированный компьютер в защищенном промышленном конструктиве, имеющий выход на экран стандартного дисплея и набор сменных приборных модулей: цифрового осциллографирования, мультиметров, анализаторов сигналов и интерфейсных модулей.

Список литературы

1. Козаченко В. Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. М.: ЭКОМ, 1997. 688 с.

2. Корнеев В. В., Киселев А. В. Современные микропроцессоры. М.: НОЛИДЖ, 1998. 240 с.

3. Астапкович А. М. Семинары ASK Lab 1997 /Под ред. М. Б. Сергеева СПб.: Политехника, 1998. 134 с.

4. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. © «Телесистемы»/ Под ред. И. В. Коршуна.; Сост., пер. с англ. и лит. обраб. Б. Б. Горбунова. М.: Аким, 1998. 272 с.

5. Ремизевич Т. В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов – к семействам HC05 и HC08 фирмы Motorola/ Под ред. И. С. Кирюхина. М.: ДОДЭКА, 200. 272 с.

6. В. Гарсия. Аппаратные средства. Advantech: с традиционным качеством в новой эпохе// Современные технологии автоматизации (СТА). 2000. №1. С.26.

7. Ш. Кобахидзе. Выбор микроконтроллера. По материалам фирмы MOTOROLA //Инженерная Электроника. Июль 1998 (№1).. С.2-15.

8. Барановский Д., Федосеева В. Оптоэлектронный аналог электромагнитного реле// Радио. 1995. №2. С.40, 41.

9. Гобчанский О. Унифицированные средства бортовых вычислительных комплексов КА// Современные технологии автоматизации (СТА). 1999. №1. С.72.

10. Бортовые системы управления: Система управления дизелями М533 для судна на воздушной каверне "Меркурий"/ А. Лебедев, С. Сафонов, А.Касаткин, В.Серегин// Современные технологии автоматизации (СТА). 1999. №1. С.20.

11. Жданкин В. Коррекция гармоник входного тока в маломощных сетевых источниках питания// Современные технологии автоматизации (СТА). 1998. №1. С.110.

12. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и ее применение к принятию приближенных решений.- М: Мир, 1997. – 167 с.

13. Леута А.А., Макаров А.А. Программное обеспечение автоматизированной системы оценки качества электроэнергии. Тез.докл. НТК «Прикладная информатика автоматизированных систем проектирования, управления, эксплуатации. Калиниград, 1987. С.68.

14. Tong R.M. A cjntrol engineering review of fuzzy systems. – Automatica, 1977, v.13,N16.

15. Гусев Л.А., Смирнова И.М. Развитие теории размытых множеств // Измерения, контроль, автоматизация №3(15), 1978