4.7. Устройство для автоматического определения критической длительности выбросов и провалов напряжения

К показателям качества электроэнергии, вызывающим нарушения нормального режима работы ЭП, относятся отклонения, колебания, выбросы и провалы напряжения, причем степень воздействия на ЭП различного типа определяется конкретными параметрами указанных изменений напряжения.

Оценка параметров изменений напряжения может быть выполнена теоретически. Определение критической площади выбросов (провалов) напряжения таким путем связано с решением сложных математических выражений, дающим лишь приближенный результат.

Также приближенный результат получается при решении задачи методом аналогового моделирования, при котором моделируется и процесс изменения питающего напряжения, и объект испытаний (электромеханическое реле, двигатель, ЭВМ и др.). Значительная неточность в получении результата при этом обуславливается рядом принимаемых допущений при моделировании испытуемого объекта.

Наиболее точное определение критических параметров изменений напряжения, приводящих к нарушению работоспособности ЭП, достигается при использовании достаточно мощных устройств для моделирования соответствующих возмущений питающего напряжения сети, к которым непосредственно подключается испытуемый объект [67].

Выше в 4.5 и 4.6 описаны имитаторы, реализующие метод [67] в неавтоматическом режиме, при котором в каждом цикле испытаний соответствующие параметры возмущений напряжения устанавливаются вручную.

Особенностью имитатора, описанного в настоящем параграфе, является реализация метода [67] в полностью автоматическом режиме.

Описанное далее устройство [86] моделирует на зажимах исследуемой нагрузки циклические выбросы и провалы напряжения прямоугольной формы с монотонно нарастающей длительностью и автоматически фиксирует те их параметры, которые приводят к нарушению нормального режима работы исследуемого ЭП.

На рис. 4.24 приведена схема устройства, которое разработано по обобщенной блок-схеме, приведенной на рис. 4.15. Его принцип работы основан на автоматическом изменении по заданной программе коэффициента трансформации двух последовательно включенных трансформаторов [136].

Рис. 4.24. Схема устройства для определения критической длительности

выбросов и провалов напряжения

Схема содержит ЭН 1 (испытуемый объект), трансформатор 2, включающий обмотки W_2-1, W_2-2, W_2-3, автотрансформатор 3 с обмотками W_3-1, W_3-2, W_3-3, симисторы 4 и 5, ведомый сетью ГПИ 6, ключи 7 и 8, задатчик периода повторения (ЗПП) 9, триггеры 10 – 12, датчик обратной связи (ДОС) 13, кнопку 14, переключатель режима работы 15, счётчики 16 и 17, цифровой индикатор 18, элементы И 19, И-НЕ 20 и НЕ 21 – 24, одновибратор 25.

Таблица 4.4

Технические характеристики устройства

Характеристика	Значение
Диапазон изменения: - амплитуды выбросов и провалов напряжения относительно Uном (%); - длительности выбросов и провалов (количество полупериодов напряжения сети)	0 – 100 1 – 512
Мощность исследуемой нагрузки, кВА	2
Общая масса, кг	42

При нажатии на кнопку 14 триггер 10 переходит в единичное состояние, элемент И 19 открывается и пропускает импульсы с прямого выхода ГПИ 6 на вход ЗПП 9, представляющего собой делитель частоты.

При появлении импульса на выходе задатчика 9 срабатывает одно-вибратор 25, его выходной импульс переводит триггер 11 в нулевое состояние, а также переписывает содержимое счётчика 16 00…00 в счётчик 17 в инверсном коде 11…11.

По заднему фронту выходного импульса ЗПП 9 содержимое счётчик 16 увеличивается на единицу и становится равным 00…01, на цифровом табло блока индикатора 18 появляется цифра «1».

По переднему фронту очередного импульса, вырабатываемого на ин-версном выходе ГПИ 6, D-триггер 12 переходит в нулевое состояние, ключи 7 и 8 синхронно переключаются, симистор 5 закрывается, а симистор 4 открывается, шунтируя управляющую обмотку W_2-3 трансформатора 2, что приводит к изменению общего коэффициента трансформации, который становится равным

(4.7)

При этом на нагрузке 1 возникает провал напряжения.

Напряжение U₂ на нагрузке 1 при провале напряжения задается путем выбора соответствующей отпайки автотрансформатора 3.

Глубина провала равна

V_п = U_н – U₂. (4.8)

Одновременно с переводом триггера 12 в нулевое состояние элемент И-НЕ 20 открывается и импульсы с прямого выхода ГПИ 6 через открытый элемент И 19 начинают поступать на тактовый вход счётчика 17 до его переполнения, после чего по заднему фронту импульса с выхода старшего разряда счетчика 17 триггер 11 вновь переходит в единичное состояние. По переднему фронту очередного синхронизирующего импульса с инверсного выхода ГПИ 6 триггер 12 возвращается в исходное единичное состояние, элемент И-НЕ 20 закрывается, ключи 7 и 8 синхронно переключаются в исходное состояние.

Автотрансформатор 3 шунтируется, к элементу нагрузки 1 прикладывается исходное напряжение U₁.

В первом цикле к нагрузке 1 прикладывается провал напряжения глубиной V_п и длительностью в 1 полупериод сетевого напряжения.

Во втором цикле, через промежуток времени T_ц, задаваемый ЗПП 9, срабатывает одновибратор 25, и содержимое 00…01 из счетчика 16 в инверсном коде 11…10 переписывается в счетчик 17. Теперь для его переполнения требуется уже два импульса и, соответственно, длительность моделируемого на ЭН 1 провала напряжения составляет 2 полупериода сетевого напряжения.

В следующих циклах работы устройства длительность моделируемых провалов напряжения увеличивается с шагом, равным длительности одного полупериода, т.е. 0,01 с.

Монотонное наращивание длительности провалов напряжения T_п глубиной V_п, следующих с интервалом T_ц, позволяет определить критическое значение T_п.кр, при котором происходит сбой в работе исследуемого ЭН 1.

При сбое ЭН 1 на выходе ДОС 13 появляется импульс, возвращающий триггер 10 в исходное нулевое состояние, процесс моделирования провалов напряжения прекращается. На индикаторе 18 непрерывно отображается критическая длительность провала напряжения.

В режиме моделирования выбросов напряжения переключатель 15 устанавливается в положение II, длительное напряжение на нагрузке 1 задается выбором отпайки автотрансформатора 3, а амплитуда выброса – выбором отпайки трансформатора 2.

Устройство позволяет определять критическую длительность выбросов и провалов напряжения, приводящих к нарушению нормального режима работы электроприемников. Полученные методом [67] данные могут быть использованы при нормировании параметров выбросов и провалов напряжения для электроприемников различных типов.

На рис. 4.25 показан общий вид моделирующего устройства.

Рис. 4.25. Общий вид устройства для автоматического определения

критической длительности выбросов и провалов напряжения

Осциллограммы моделируемых выбросов и провалов напряжения различных длительностей на зажимах активно-индуктивной нагрузки приведены на рис. 4.26.

Рис. 4.26. Осциллограммы моделируемых выбросов (а и б) и провалов (в и г)

напряжения на зажимах активно-индуктивной нагрузки

4.8. Устройство для моделирования циклических

выбросов, провалов и колебаний напряжения

с монотонным изменением параметров

Описанное далее устройство [88] моделирует на зажимах исследуемой нагрузки периодические выбросы, провалы и колебания напряжения треугольной и трапециевидной формы с монотонно изменяющимися параметрами: варьируемыми амплитудой, крутизной и длительностью.

Особенностью имитатора, описанного в настоящем параграфе, является реализация метода [67] в полностью автоматическом режиме.

Таблица 4.5

Технические характеристики устройства

Характеристика	Значение
Диапазон изменения: - уровня напряжения относительно Uном (%); - скорости напряжения, В/с; - длительности изменений (количество полупериодов напряжения сети)	± 15 0,6 – 10 1 – 512
Мощность исследуемой нагрузки, кВА	1
Общая масса, кг	32

Схема (рис. 4.27) содержит ЭН 1 (испытуемый объект), трансформатор 2 стержневого типа, двухполупериодный выпрямитель 3, резистор 4, усилитель мощности 5, масштабный усилитель 6, ЦАП 7, реверсивный счетчик (РС) 8, дешифратор 9 из двоичного кода в унитарный, ведомый сетью ГПИ 10, ДОС 11, делители частоты (ДЧ) 12 и 13, триггеры 14 – 17, кнопку 18, переключатели 19 – 21, элементы И 22 – 25, ИЛИ 26, одновибраторы 27 – 29, индикатор 30.

Принцип работы устройства основан на использовании падающей нагрузочной характеристики трансформатора 2. Желаемая характеристика достигается за счёт искусственного ослабления связи между силовыми обмотками трансформатора, в конструкцию которого введен управляемый магнитный шунт [137].

Устройство работает следующим образом.

Работой ЦАП 7 управляет РС 8, изменение содержимого которого на единицу вызывает приращение напряжения на выходе ЦАП на ширину младшего значащего разряда (МЗР) ∆U, причём знак этого приращения соответствует знаку изменения содержимого счётчика 8.

Напряжение с выхода ЦАП через масштабный усилитель 6 поступает на вход усилителя мощности 5, в зависимости от уровня выходного напря-жения которого изменяется магнитное сопротивление шунта трансформатора, что приводит к изменению его нагрузочной характеристики. На исследуемую нагрузку 1 воздействует колебание напряжения, максимальное значение размаха которого пропорционально ёмкости счётчика 8,

(δU_t)_max = K₁ n U, (4.9)

где K₁ – эквивалентный коэффициент передачи последовательной цепи элементов 6, 5, 4, 3, 2;

n – емкость РС 8;

∆U – изменение напряжения на выходе ЦАП 7 при изменении содер-жимого счётчика 8 на единицу.

Рис. 4.27. Схема устройства для моделирования выбросов, провалов и колебаний напряжения с монотонным изменением параметров

Сопротивление 4, напряжение смещения Е масштабного усилителя 6, а также параметры магнитного шунта трансформатора 2 определяют рабочий диапазон изменения напряжения на исследуемой нагрузке 1.

Значение размаха δU_t моделируемого колебания напряжения определяется выбором номера дешифратора 9, к выходу которого с помощью переключателя 20 подключается одновибратор 27,

δU_t = K₁ i U, (4.10)

где i = 1, 2, … n – номер выхода дешифратора 9.

Делитель частоты 13 предназначен для формирования длительности амплитуды выброса или провала напряжения, а ДЧ 12 служит для моделирования уровня средней производной изменения напряжения, значение которой определяется следующим соотношением:

(4.11)

где K₂ – коэффициент деления ДЧ 12;

F – частота ГПИ 10, равная 100 Гц.

Рассмотрим процесс моделирования изменений напряжения треугольной формы. Для этого переключатель 19 устанавливается в разомкнутое положение и после предварительной установки заданных параметров моделирования нажимается кнопка 18.

Все триггеры устройства переходят в нулевое состояние, элементы И 22 и 24 открывается, импульсы с выхода ГПИ 10 (имеющие частоту F = 100 Гц) поступают на вход ДЧ 12. С уменьшенной в K₂ раз частотой импульсы с выхода ДЧ 12 через открытый элемент И 24 поступают на прогрессивный вход РС 8. Заполнение РС 8 происходит до тех пор, пока на выбранном выходе дешифратора 9 не появится логический нуль.

При этом на выходе одновибратора 27 формируется импульс, переводящий триггер знака производной 17 в нулевое состояние. Элемент И 24 закрывается, а элемент И 25 открывается, и дальнейшее поступление импульсов осуществляется на регрессивный вход РС 8. Содержимое счётчика 8 уменьшается, что приводит к монотонному снижению напряжения на исследуемой нагрузке 1.

Вычитание содержимого счётчика 8 происходит до состояния 0000. При достижении этого состояния на первом выходе дешифратора 9 появляется логический нуль, срабатывает одновибратор 28, выходной импульс которого переводит триггер 15 в единичное состояние. Элемент И 22 закрывается, и процесс моделирования на этом заканчивается.

При моделировании изменений напряжения трапециевидной формы переключатель 19 устанавливается в замкнутое положение. В этом режиме для формирования вершины трапеции в работе участвуют элемент И 23, ДЧ 13, одновиборатор 29, триггер 16 и элемент ИЛИ 26.

Работа схемы устройства происходит аналогично описанному режиму моделирования треугольных изменений напряжения до момента появления на выходе одновибратора 27 переключающего импульса.

При появлении этого импульса триггеры 16 и 17 одновременно устанавливаются в единичное состояние, элементы И 22 и 24 закрываются, а элементы И 23 и 25 открываются, импульсы с выхода ГПИ 10 поступают на вход ДЧ 13.

Через промежуток времени, определяемый коэффициентом деления частоты ДЧ 13 и равный длительности вершины трапеции, на его выходе появляется импульс. Одновибратор 29 срабатывает и переводит триггер 16 в нулевое состояние. Элемент И 23 закрывается, а элемент И 22 открывается, и дальнейшее поступление импульсов происходит уже на регрессивный вход реверсивного счётчика 8.

Дальнейшая работа схемы происходит аналогично описанному выше режиму моделирования.

Сбой в работе исследуемой нагрузки 2 фиксирует ДОС 11, переводящий триггер 14 в единичное состояние. Индикатор 30, в качестве которого может использоваться, например, светодиод, сигнализирует о сбое в работе ЭН 1.

Осциллограммы изменений напряжения на исследуемой нагрузке изображены на рис. 4.28.

Описанные далее имитаторы предназначены для формирования тока нагрузки. Они могут быть применены для оценки влияния изменяющегося тока нагрузки на интегральные характеристики ЭО, например, в том случае, когда необходимо исследовать влияние тока нагрузки (и соответственно нагрева проводника) на срок службы изоляции проводника или потери электроэнергии в этом проводнике и т. п.

Рис. 4.28. Осциллограммы изменений напряжения треугольной формы на зажимах исследуемой нагрузки

Осциллограммы получены самопишущим прибором типа H-327-1

Далее описаны цифро-аналоговые электронные устройства [138], позволящие получать физические модели процессов изменения тока и мощности нагрузки упрощенной ступенчатой формы в электрических сетях постоянного и переменного тока частоты 50 Гц или любой другой (обычно повышенной) частоты в заданном масштабе или в натуральную величину.