Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и элементы теории автоматического регулирования напряжения в тяговом электроснабжении. Учебное пособие
.pdf
Так, при разработке системы БАРН «передаточная функция»
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0
0,1
0,2
0,3
0,4
t, сек
t, сек
80
40
10
5
U
y
, δ
U
вых
, δ
Т
2
Т1+Т
2
сложного динамического звена определена после обработки переходной характеристики, полученной на физической модели системы с преобразовательным трансформатором мощностью 30 кВ·А
и с первичным напряжением 380 В.
На рис. 9.4 представлены графики полного ступенчатого воздействия и реакция на это воздействие «сложного звена» системы.
При этом трансформатор работал в режиме холостого хода, и полное ступенчатое воздействие соответствовало полному перемагничиванию реактора.
Рис. 9.4. Графики ступенчатого воздействия (а) и переходная
Кривая переходной характеристики имеет чистое запаздывание с
характеристика (б) сложного звена
временем τ и кривую функции y = y (t – τ), для которой за начало отсчета следует принимать время t = τ. Время запаздывания τ по кривой
определяют как время, в течение которого выходная величина у за период времени от t = 0 до t = τ не превышает 0,001у (∞). Передаточную
функцию объекта с запаздыванием определяют как произведение передаточных функций W
(p) и W2(p), где W1(p) — передаточная фун-
1
кция, соответствующая y = y (t – τ) при времени начала отсчета t = τ,
–pτ
— передаточная функция чистого запаздывания.
131
а W2(p) = e
В результате обработки экспериментальных кривых переходных про-
21
++
−
+
+++
+
)(2рW
2
)(3рW
1
++
123
() () () ()
=⋅⋅
цессов по «методу площадей» передаточная функция «сложного звена» при холостом ходе трансформатора может быть представлена в виде
p
−τ
Wp
() ,
где Т
и Т2 определяются из графика переходной характеристики
1
==
ke
22
T p Tp
(9.6)
1
(рис. 9.4) и при этом Т2 ≥ 2Т1, что соответствует статическому апериодическому звену.
Таким образом, «сложное динамическое звено» (трансформатор
с дроссельным мостом) представляет статическое апериодическое
звено второго порядка, обозначенное в структурной схеме замкнутой системы (рис. 9.5) звеном W2(p).
kf
U
d з
)(1рW
kf
1
Рис. 9.5. Структурная схема замкнутой системы автоматического
регулирования напряжения преобразовательного агрегата
В схеме передаточными функциями W1(p) и W3(p) обозначены усилитель и датчик напряжения.
Передаточная функция замкнутой САР, связывающая напряжение преобразовательного агрегата Ud с изменением нагрузки f1 :
() ,
Wp WpW pWp
где
Wp
f
з
1
W
U
d
= = ==
f Wp Wp
fU
1
d
1 () 1 ()
.
k
f
1
(9.7)
Передаточная функция замкнутой САР, связывающая напряже-
с изменением напряжения питающей сети f2:
ние U
d
U
d
132
()
k Wp
12
d
d
2
⋅
2
f
2
1 ()
+
(9.8)
Wp
з
U
() .
= =
f
2
f Wp
Передаточная функция замкнутой САР, связывающая напряжение U
с задающим воздействием Udз:
d
U
WpW p
⋅
() ()
Wp
() .
U
з
з
d
d
= =
U Wp
з
+
1 ()
(9.9)
Исключение аналитического расчета устойчивости и качества переходных процессов при разработке (синтезе) системы автоматического
регулирования ввиду сложности и неоднозначности создания системы
может быть достигнуто первоначально созданием опытного реального образца объекта регулирования (ОР) и исполнительного регулируемого устройства (ИУ), а затем регулирующего устройства — регулятора Р с большим передаточным коэффициентом (коэффициентом
усиления). Известно (глава 7), что переход системы из устойчивого
состояния в неустойчивое может произойти при большом значении
коэффициента усиления. С другой стороны, для получения высокой
точности регулирования выходной величины необходимо повышать
коэффициент усиления. В процессе экспериментальных эксплуатационных испытаний реальной системы САР изменением передаточного
коэффициента добиваются получения устойчивости системы при высокой точности регулирования выходной величины.
Имеется другой путь создания системы САР. На первом этапе создается разомкнутая САР с компенсацией возмущений, затем — отдельно замкнутая (с отклонением) САР и, если потребуется, — комбинированная САР.
Первые два этапа имели место при разработке и создании системы САР напряжения преобразовательного агрегата БАРН.
Разомкнутая САР с введением в систему возмущений по току
нагрузки и питающей сети, реализованная на базе регулятора Р —
шкафа автоматического управления напряжения ШАУН1, преобразовательного трансформатора с нулевой схемой выпрямления ТДРУ20000/35 и реактора РТДП-6300/35 (УР1 — УР2), позволила получить
в процессе эксплуатационных испытаний погрешность регулирования ± 1,5 % при обеспечении устойчивости системы.
133
На втором этапе созданная непрерывная замкнутая по выходному напряжению Ud на базе шкафов ШАУН2, ШАУН3 и ШАУН4,
преобразовательных трансформаторов с нулевой (ТДПУ-20000/10)
и трехфазной мостовой (ТДП-16000/10) шестипульсовыми схемами выпрямления реактором РТДП-6300/10 (НР1 — УР2) обеспечила
снижение погрешности регулирования до ±1 %. В шкафах ШАУН1,
ШАУН2 и ШАУН3 в качестве усилителей использованы магнитные
усилители, в шкафу ШАУН4 — тиристорный усилитель с непрерывной аналоговой логикой в элементе сравнения (см. рис. 9.1). Функциональная схема шкафа ШАУН4 представлена на рис. 9.6 и разработана
на базе логической непрерывной схемы шкафа ШАУН3 с выходным
усилительным тиристорным мостом. Блок импульсного управления
обеспечивает возможность работы в ручном и автоматическом режимах с формированием пачки положительных импульсов частотой
4 кГц с длительностью импульса 20—30 мкс. Угол импульсного регулирования лежит в пределах от 0 до 180 электрических градусов.
~А
~220
U
~В
В
Логическая
схема: блоки
управления,
контроля
и защит шкафа
d
ДН
ШАУН4-УХЛ4
Блок
импуль-
сного
управле-
ния
V01
VT1
V02
VT2
V03
I
УО2
РТДП
6300
10
2
y
Рис. 9.6. Функциональная схема шкафа ШАУН4 с тиристорным
выходным усилительным мостом
На рис. 9.7 представлены копии лент регист рирующих приборов
напряжения и тока полупроводникового преобра зователя в режиме
стабилизации напряжения на уровне 3500 В. Погрешность стабилизации напряжения при изменении тока нагрузки от 700 до 3000 А составляет не более ±1 %.
С целью дальнейшего повышения статической точности регулирования напряжения, снижения энерго- и металлоемкости регулятора осуществлен переход от непрерывных (на базе электромаг-
134
нитных и полупроводниковых элементов) к дискретным принципам
построения системы регулирования. Сведения о дискретных САР
рассмотрены в главе 8.
Ud, кВ
3,6
3,4
3,2
t
t
44
t
14
35
14
26
14
3,0
Id, A
3000
2250
1500
750
0
17
14
Рис. 9.7. Копии лент регистрирующих приборов напряжения Ud
и тока Id тяговой подстанции
Произведена замена логической схемы шкафа управления
ШАУН4 непрерывного действия на логический блок на ба зе цифровой полупроводниковой техники — интегральных микросхем. Шкаф
ШАУН5 с использованием цифровой логики и выходного тиристорного моста обеспечивает стабилизацию напряжения на задан ном уровне с минимальной погрешностью ± 0,6 % при изменении напряжения питающей сети от 10 до 11 кВ и тока нагрузки от 200 до 3100 А.
Общий вид шкафов ШАУН3 и ШАУН5 приведен в приложении П.6.
Применение цифровой техники определило высокую точность,
помехозащищенность и возможность реализации более сложного
закона управления сис темы.
Функциональная схема системы электроснабжения с использованием на тяговых подстанциях системы автоматической стабилизации напряжения БАРН представлена на рис. 9.8.
Стабилизация напряжения на выходных шинах тяговых подстанций с помощью системы БАРН компенсирует потери напряжения
на внутреннем сопротивлении подстанции, на сопротив лении питающей сети и повышает напряжение в контактной сети фидерных зон. Повышение на тяговых подстанциях уровня стабилиза ции
напряжения, применяемое для компенсации потерь напряжения
135
в контактной сети от тяговой подстанции до электровоза, работающего
КС
в режиме тяги, снижает эффективность применения на электровозах рекуперативно го торможения.
ТП 1 ТП 3
БАРН
U
тп1
ТП2
ВУ
УМ
РО
ОР
U
d з
+
БАРН
-
ДН
U
тп2
БАРН
U
тп3
Рис. 9.8. Функциональная схема системы электроснабжения
с устройствами стабилизации напряжения на тяговых подстанциях
От качества напряжения в контактной сети, как известно, зависит обеспечение надежной и экономичной эксплуатационной работы электроподвижного состава и в целом системы электроснабжения.
Напряжение на токопри емнике электровозов при условии обеспечения проектируемых раз меров движения при заданных скоростях
и массах поездов на прак тике значительно отличается от оптимального (номинального) зна чения за счет потерь напряжения в контактной
сети от шин тяго вой подстанции до токоприемника электровозов.
Поэтому для повышения напряжения в контактной сети в тя говом
режиме работы электровозов и для обеспечения эффективнос ти электрического торможения в режиме рекуперации необходимо изменение напряжения непосредственно в контактной се ти с помощью
136
устройств регулирования напряжения тяговых подстанций. Для этого
разработано «зонное» регулирование напряжения в контактной сети.
«Зонное» регулирование обеспечивает на одной или на нескольких фидерных зонах непрерывное и одновремен ное для всех фидерных зон регулирование напряжения в контакт ной сети. Разработанная на основе «зонного» регулирования система автоматического
регулирования напряжения в кон тактной сети «Сирена» (рис. 9.9)
включает систему БАРН, ап паратуру передачи и приема информации о напряжении на фидерных зонах (устройство те леизмерения
ТИ (приложение П7). Основной задачей системы «Сирена» является улучшение ка чества напряжения в контактной сети в тяговом режиме работы электровозов с обеспечением эффективного электрического тормо жения в режиме рекуперации.
ТИ ТИ
ТП 1
ТП 2
ТП 3
ТИ
ПС 1
ДН
U
тп1
КС
U
тп2
ТИ
ДН
ПС 2
U
тп3
Рис. 9.9. Функциональная схема системы электроснабжения
с использованием устройства регулирования напряжения «Сирена»
Учитывая, что на зоне питания может находиться не один электровоз и поддержание постоянного напряжения на токоприемниках всех электровозов практически и теоретически неосуществимо,
система «Сирена» обеспечивает регулирование напряжения в контактной сети в зоне наибольшего понижения напряжения, например
около поста секционирования, за счет изменения уровня напряжения на шинах тяговых подстанций.
От постов секционирования ПС на вход ШАУН поступают сигналы, сигнализирующие отклонение напряжения постов секционирования от заданного уровня и являющиеся дополнительным
137
задающим воздействием ∆U
для системы автоматической стабили-
d з
зации напряжения на ши нах тяговой подстанции БАРН. Система стабилизации напряжения с учетом задающего начального сигнала U
d з
изменяет уровень напряжения на шинах тяговой подстанции с целью
компенсации из менения напряжения на постах секционирования,
поддерживая его уровень неизменным. Такой режим работы системы «Сирена» назовем первым режимом стабилизации напряжения на
постах секционирования. Ре шая задачу по поддержанию напряжения
на постах секционирования на заданном уровне, имеем также, как и в
системе БАРН, динамически устойчивый характер изменения напряжения тяговых подстанций на взаимосвязанных межподстанционных
зонах. В результате регулирования появляется разность мгновенных
и средних значений регулируемых напряжений со седних тяговых
подстанций, а на межподстанционных зонах — «уравнительные токи»
и вызванные ими дополнительные потери электрической энергии.
ТИ
ДН
ПР
-
П
U
с
НР1 УР2
ДН
U
пс2
ПА
или
УБ
ПР
ТИ
U
∆
dз
+
U
dз
+
ШАУН
БАРН
U
d
КС
ПС
ТИ
ДН
П
U
пс1
Рис. 9.10. Функциональная схема системы «Сирена»
138
Второй режим, более экономичный по потерям электрической
энергии от «уравнительных токов», является режимом «ограниченной
стабилизации с ограничением по нижнему уровню», в данном случае
с ограничением по минимальному напряжению на постах секционирования. В алгоритм работы системы «Сирена» заложен следующий
принцип его построения: возможность автоматического повышения
напряжения в режиме тяги и понижения напряжения в режиме рекуперации; минимально-воз можное по времени и по величине отклонение напряжения на шинах соседних тяговых подстанций.
Алгоритм этого режима определяет следующую последовательность работы системы электроснабжения с сис темой «Сирена».
В исходном (нормальном) положении на шинах всех тяговых подстанций система БАРН поддерживает стабилизированные характеристики на минимальном уровне 3500 В. Изменение уровня стабилизации
3500 В в сторону увеличения напряжения происходит по сигналу датчика напряжения хотя бы одного из постов секционирования. Если
напряжение в точке контроля снизилось ниже уставки (наименьшего длительного для электровоза 2700 В или номинального 3000 В),
то система БАРН двух соседних тяго вых подстанций (рис. 9.10)
плавно повышает напряжение на шинах подстанций вплоть до максимального уровня 3800 В. При повышении напряжения на посту
секционирования до его уставки система БАРН возвращает исходный уровень напряжения на тяговых подстанциях 3500 В.
Если на фидерной зоне находится тяговая нагрузка, система «Сирена» с помощью БАРН повысит напряжение тяговых подстанций,
например до 3800 В, и, при появлении на этой зоне рекуперирующего
электровоза и повышении им напряжения свыше 3700 В, напряжение
на шинах соседних с зоной рекуперации тяговых подстан циях понижается до минимального уровня стабилизации 3500 В. Этим обеспечивается переток энергии рекуперации через шины под станции на
соседнюю фидерную зону.
Алгоритм работы системы электроснабжения с системой «Сирена» представлен на рис. 9.11. Этим алгоритмом предусматривается ста билизация напряжения на тяговой подстанции на заданном
уровне и контроль минимального напряжения на соседних постах
секциониро вания. При поступлении с поста (постов) информации
о снижении напряжения менее уставки, например 2700 В, на тяговой подстан ции напряжение повышается. При повышении напряжения на тяговой подстанции от рекуперирующего электровоза система понижает нап ряжение преобразовательного агрегата, приводящее
к сбросу его тока нагрузки.
139
U
ТП(UА
)
> 3500 В
нет
да
U
ТП
нет
нет
да
да
1
U
ТП
U
пс1
U
пс2
> 2700 В
> 2700 В
Рис. 9.11. Схема алгоритма системы управляемого электроснабжения
с использованием системы «Сирена»
В соответствии с определениями САР, приведенными в разделе
5.1.4, система «Сирена» с включенной в нее системой БАРН может
рассматриваться одномерной трехконтурной системой, схема которой приведена на рис. 9.12, а, а структурная схема — на рис. 9.12, б.
В схеме рис. 9.12, б передаточными функциями W5(р) и W6(р) обозначены датчики напряжений постов секционирования, а f3, f4 — сигналы возмущений — токов нагрузки электровозов, вызывающих падение напряжения в контактной сети от шин тяговой подстанции до
постов секционирования, учитываемое передаточными коэффициентами k
и k
.
f
f
3
Для получения передаточных функций системы «Сирена» по вход-
4
ным воздействиям могут быть произведены преобразования многоконтурной схемы в одноконтурную (раздел 5.1.4).
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]