СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОМЕХ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H02H3/20 H02J1/06 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к способам, обеспечивающим повышение качества электрической энергии в системах электропитания предприятий связи, подверженных влиянию кондуктивных помех. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и помехозащищенности систем электропитания на этапе их проектирования.

Известен способ снижения уровня помех посредством введения интеллектуального активного фильтра с целью защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от воздействия импульсных коммутационных перенапряжений, возникающих в питающей сети при коммутации нагрузок [1].

Устройство, реализующее известный способ, содержит (фиг.1) подключенный к сети электропитания 1 интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений, в состав которого входит защитный диод 13, силовой ключ 14, датчик тока 15, разрядный диод 16, дроссель 17, конденсатор 18, источник бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей 2, датчик входного напряжения 12, датчик контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке 19, микроконтроллер 6, энергонезависимое запоминающее устройство 3, оперативное запоминающее устройство 4, часы реального времени 5, драйвер управления силовым ключом 10, аналого-цифровой преобразователь 11, адаптер информационной шины 7, шину информационного обмена 8, внешнюю систему управления 9 и нагрузку 20.

Недостаток прототипа заключается в том, что применение интеллектуального фильтра импульсных коммутационных перенапряжений учитывает только помехи, распространяемые по сети 1, а в системах электропитания аппаратуры связи с цифровыми методами обработки сигналов и компьютерными технологиями параметры качества электрической энергии должны сохраняться при различных воздействиях, согласно стандартам по электромагнитной совместимости технических средств [2…10].

Целью изобретения является снижение кондуктивных помех систем электропитания оценкой их уровня имитационным моделированием систем в нестационарных режимах еше на этапе проектирования и своевременным принятием мер по их устранению, что также позволит повысить точность выбора защитных устройств и снизить габаритные размеры помехоподавляющих фильтров.

Поставленная цель достигается тем, что производят расчеты переходных характеристик с учетом активных потерь и нелинейностей устройств, входящих в состав проектируемой системы электропитания в различных режимах работы, определяют параметры качества электрической энергии и проверяют их соответствие нормируемым величинам.

В системах электропитания предприятий связи существует множество механизмов возниконовения кондуктивных помех в цепях питания аппаратуры. Это связано с тем, что электрическая сеть системы электропитания имеет большую протяженность и объединяет самых разных потребителей постоянного и переменного тока с нелинейным и импульсным характером нагрузок. Кроме того, работа аппаратуры связи вносит искажения в форму напряжения питающей сети. При этом полоса частот, занимаемая помехами, лежит в пределах от десятков и сотен герц (гармоники, провалы и выбросы напряжения) до сотен килогерц (работа импульсных выпрямителей).

На фиг.2 представлена функциональная схема описываемой системы электропитания предприятия связи. Система содержит сеть общего электроснабжения 1, собственную электростанцию 2, распределительное устройство 3, источник бесперебойного питания в цепи постоянного тока 7 и переменного тока 10, систему мониторинга и управления 4. В состав блоков 7, 10 входят устройства преобразования электрической энергии: выпрямительные устройства 5, 6; инверторы напряжения 11, 13; конвертор напряжения 12; устройства резервирования электрической энергии - аккумуляторные батареи 8, 9. Электрические сети связывают эти блоки между собой. Нагрузка 14 может иметь различный характер (импульсный, нелинейный), определяемый типом аппаратуры связи.

Блоки, входящие в состав системы электропитания, могут являться как источником кондуктивных помех для питаемой аппаратуры, так и рецептором по отношению к другим помехам. На фиг.2 обозначены возможные виды помех: "●" - источник; "○" - рецептор кондуктивных помех.

Проверка способа снижения кондуктивных помех проведена оценкой их уровней путем расчета переходных процессов в нестационарных режимах, при воздействиях со стороны нагрузки 14, сети 1 (нормальный режим) или собственной электростанции 2 (аварийный режим). Расчет проведен на имитационных моделях в среде Simulink пакета прикладных программ Matlab. Динамика физических процессов системы электропитания описывается уравнением

где X - вектор переменных состояния (напряжение на емкости U_C и ток в индуктивнсоти I_L), V - вектор постоянных и времязависимых источников, W - вектор переменных токов и напряжений в других ветвях исследуемой системы электропитания. Расчет переходных режимов системы электропитания выполнен по алгоритму фиг.3, где можно выделить три основных этапа. На первом этапе формируется математическая модель системы электропитания заданной конфигурации в аварийном (питание от электростанции 2) и нормальном (питание от сети 1) режимах работы; на втором этапе выполняется моделирование динамических процессов в соответствии с выражениями (1) и (2) при воздействиях со стороны нагрузки 14 и сети 1; на третьем этапе осуществляется вывод и анализ результатов моделирования. На каждом этапе производится тестирование и выдаются диагностические сообщения.

В основу модели аварийного режима работы системы электропитания положена упрощенная модель синхронной машины - Simplified Synchronous Machine из библиотеки Simulink Blocksets\Sim Power Systems [11, 12]. Имитационная модель системы электропитания в аварийном режиме работы с линейной и динамической нагрузкой приведена на фиг.4. Для имитации блока 14 используется последовательное соединение трехфазного коммутатора переменного тока (3-Phase Breaker) и трехфазная параллельная RLC-цепь (3-Phase Parallel RLC Branch). Результаты расчета переходных характеристик при запуске и останове синхронного генератора 2 представлены на фиг.5 в виде временных зависимостей 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 при коммутации нагрузки (г).

В нормальном режиме работы расчет переходных характеристик проведен на модели, представленной на фиг.6, при внешних воздействиях со стороны несимметричной и динамической нагрузок. Для имитации сетевого напряжения промышленной частоты используется трехфазный источник напряжения (3-Phase Source). Несимметричная нагрузка имитирована посредством соединения в звезду последовательных RLC - цепей (Series RLC Branch) с заземлением на общей шине. Для измерения токов и напряжений используется трехфазный измеритель (Three - Phase V - I Measurement). Результаты расчета переходных характеристик в нормальном режиме работы представлены на фиг.7 в виде временных зависимостей напряжения (а) и потребляемого от сети тока (б).

Проверка способа оценки помех в системах электропитания выполнялась посредством моделирования конкретной системы электропитания радиорелейной линии связи. Мощность потребления основной группы промышленного оборудования по цепи постоянного тока составляет P₀₁=1 кВт с напряжением U_H1=48 B; мощность потребления дополнительной группы нагрузок, отличающейся от основной уровнем напряжения питания U_H2=24 В составляет Р₀₂=1 кВт и мощность для хозяйственных нагрузок S=2 кВА. Показатели качества электрической энергии соответствуют нормам, а именно установившееся отклонение напряжения на выходе 11 и 13 блоков δU₁≤9,2%, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K_U1≤11%, коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности K_0U1≤3,1%, коэффициент временного перенапряжения К_ПЕРU1≤1,4, величина импульсного тока при коротком замыкании в нагрузки 14I_ИМП≤18%. Для цепи постоянного тока установившееся отклонение напряжения от номинального значения U_H1 составляет δU_у=+6,2/-5,4 В, глубина провала напряжения δU_П≤11%, импульсное напряжение U_И≤1,34 [2…10].

Результаты исследований показали, что предлагаемый способ позволяет снизить уровень кондуктивной помехи на этапе проектирования системы электропитания, что не только улучшает показатели качества электрической энергии, но и приведет к снижению габаритных размеров помехоподавляющих фильтров и повысит точность выбора защитных устройств посредством расчета времени срабатывния через переходные характристики.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.В.Анисимов, К.С.Ляпидов и др. Интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений. Ав.св., №2375802, кл. Н02Н 3/20, 2009.

2. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Госстандарт, 1998.

3. ГОСТ Р 50745-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Системы бесперебойного питания. Устройства подавления сетевых помех. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

4. ГОСТ Р 51317.3.2-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

5. ГОСТ Р 51317.3.3-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Колебания напряжений и фликер, вызываемые техническими средствами с потреблением тока не более 16 А (в одной фазе), подключаемыми к низковольтным системам электроснабжения. Нормы и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

6. ГОСТ Р 51317.4.2-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

7. ГОСТ Р 51317.4.3-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

8. ГОСТ Р 51317.4.4-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

9. ГОСТ Р 51317.4.5-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2000.

10. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств: учеб. пособие / Н.А.Малков, А.П.Пудовкин. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - 88 с.

11. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Изд-во "Высшая школа", 2006 г.

12. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. Питер. 2001.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и помехозащищенности систем электропитания. Способ основан на определении показателей качества электрической энергии в нестационарных режимах на этапе проектирования через имитационное моделирование, при этом производят расчет переходных характеристик на выходе и входе системы электропитания с учетом активных потерь и нелинейностей устройств, входящих в состав системы электропитания, подключений и соединений электрической сети, определяют уровни перенапряжений и провалов, интервалы их действия, параметры асимметрии, несинусоидальности напряжения и тока, проверяют их соответсвие допустимым значениям, задают временные интервалы срабатывания защитных устройств при перегрузках. 7 ил.

Способ оценки помех в системах электропитания в аварийном режиме работы от собственной электростанции и нормальном - от внешней сети с учетом нелинейного и импульсного характера нагрузки, основанный на определении показателей качества электрической энергии в нестационарных режимах на этапе проектирования через имитационное моделирование, отличающийся тем, что производят расчет переходных характеристик на выходе и входе системы электропитания с учетом активных потерь и нелинейностей устройств, входящих в состав системы электропитания, подключений и соединений электрической сети, определяют уровни перенапряжений и провалов, интервалы их действия, параметры асимметрии, несинусоидальности напряжения и тока, проверяют их соответсвие допустимым значениям, задают временные интервалы срабатывания защитных устройств при перегрузках.