УВЕДЕННЯ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут електродинаміки
МИРФАЙЗИЄВ Олег Миракбарович
УДК 621.317
ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ ПРЕЦИЗІЙНИХ ДЖЕРЕЛ
ВЕЛИЧИН ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ
Спеціальність 05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2004
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано у відділі контролю параметрів електромагнітних процесів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.
Науковий керівник - кандидат технічних наук, с. н. с. Тесик Юрій Федорович, старший науковий співробітник відділу контролю параметрів електромагнітних процесів Інституту електродинаміки НАН України.
Офіційні опоненти:
- доктор технічних наук, професор Камінський Віктор Юлійович, голова технічного комітету з питань акредитації Національної агенції з акредитації України, м. Київ;
- кандидат технічних наук, с.н.с. Величко Олег Миколайович, директор НВІ метрологічного забезпечення вимірювання електромагнітних величин ДП „Всеукраїнський державний НВЦ стандартизації, метрології, сертифікації та захисту прав споживачів” (Укрметртестстандарт) Держспоживстандарту України,
м. Київ
Провідна установа - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут” (кафедра автоматизації експериментальних досліджень) Міністерства освіти і науки України, м. Київ.
Захист дисертації відбудеться “_01_” _червня__ 2004 р. о _14:00_ год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.02 при Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, пр. Перемоги, 56.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, пр. Перемоги, 56.
Автореферат розіслано “_30_” _квітня___ 2004 р.
Т.в.о. вченого секретаря
спеціалізованої вченої ради О.І.Титко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасний етап розвитку технічного прогресу характеризується високою енергоємністю й енергооснащеністю праці. З кожним роком збільшується споживання електричної енергії, перевагами якої є простота реалізації дистанційної передачі, зручність експлуатації й універсальність. Зростання питомої ваги електроенергії в загальному обсязі енергії, що споживається в народному господарстві, призвело до її дефіциту, що сягає 10 %. Крім того, знизилися її показники якості, що нормуються ДСТ 13109-97.
У цих умовах одночасно із введенням нових потужностей величезного значення набуває системний облік електроенергії, що дозволяє організувати енергозберігаючі технології у сфері споживання. У свою чергу для організації обліку електроенергії і керування показниками якості необхідно мати вимірювальну апаратуру, що формує керуючі сигнали, які містять інформацію про величину і напрямок регулювання. Тому рішення цієї проблеми варто починати з оснащення електроенергетики серійними спеціалізованими засобами вимірювання. Розв’язання цієї задачі не може бути успішним без створення засобів їхнього метрологічного забезпечення, основою якого є прецизійні джерела величин показників якості електроенергії (ПЯЕ). Актуальність розробки останніх не тільки не знижується а, навпаки, набуває глобальних масштабів. В останні роки в розвинутих країнах світу активно впроваджуються стандарти, що регламентують норми на якість електроенергії. Міжнародний стандарт на норми якості електроенергії IEC 1000 уже введений у дію.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відділі контролю параметрів електромагнітних процесів ІЕД НАН України в рамках планів науково-дослідних робіт: тема “Створення й освоєння виробництва інформаційно-вимірювальних пристроїв для контролю і статистичної оцінки якості електричної енергії” (№ ДР: 81072565), тема “Досліджувати і розробити методи вимірювання параметрів і характеристик швидкозмінних і сталих електромагнітних процесів” (№ ДР: 01840047281), відповідно до Всесоюзної цільової програми О.Ц. 003 “Подальший розвиток єдиної електроенергетичної системи (ЄЕЕС) СРСР з метою підвищення її ефективності, надійності роботи і зниження втрат енергії в електричних мережах” у рамках постанови Ради Міністрів СРСР № 706 від 15.06.83., всесоюзними цільовими комплексними програмами, наказам № 227 від 12.08.1983 по Міненерго СРСР і № 278 від 14.08.1983 по Минприладу СРСР. У ході виконання вищезгаданих робіт здобувач брав активну участь у розробці планів і методик дослідження, технічній підготовці і проведенні експериментів, обробці й узагальненні їхніх результатів, оформленні звітної документації.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка нових принципів і засобів відтворення таких ПЯЕ як: відхилення напруги трифазної мережі U, коефіцієнта несиметрії напрузі по зворотній послідовності k2U, коефіцієнта несиметрії напруги по нульовій послідовності k0U, коливання напруги, коефіцієнта спотворення синусоїдальності напруги з точністю, що забезпечує метрологічну атестацію і перевірку вимірювачів ПЯЕ.
Основними задачами дослідження є:
1. Аналіз існуючих методів побудови автономних джерел величин ПЯЭ.
2. Розробка принципів побудови та науково-технічних засобів створення автономних високостабільних регульованих джерел трифазної напруги з малими нелінійними перекручуваннями. Такі джерела повинні відповідати вимогам міжнародних стандартів і виконувати наступні функції:—
формувати строго симетричні трифазні системи номінальних лінійних і фазних напруг 100 В и В; 380 В и В;—
відтворювати основні ПЯЄ з найменшою на даний момент абсолютною похибкою 0,05%;—
мати перспективу розширення функціональних можливостей і автоматизації процесу повірки.
Об'єкт дослідження — процеси відтворення нормованих значень трифазної напруги промислової частоти 50 2 Гц й амплітудою до 1000 В.
Предмет дослідження — засоби метрологічного забезпечення приладів для вимірювання ПЯЕ.
Методи дослідження. Загальною методичною основою роботи послужили методи теоретичних основ електротехніки та інформаційно-вимірювальної техніки. У роботі використовувався математичний апарат теорії рядів Фур'є і матричного обчислювання. Основні положення теоретичних досліджень перевірені автором на розробленому ним блоці завдання динамічних показників якості електроенергії, перевірочній установці У4330/1 і генераторі спеціальному регульованому У43250.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Вперше запропоновано універсальний принцип побудови прецизійних джерел відтворення ПЯЕ шляхом додавання двох систем напруг - строго симетричної за основною гармонікою трифазної системи номінальних напруг і додаткової системи регульованих напруг, яка додається до основної. Це дозволило розробити нові схемні рішення пристроїв для відтворення широкого спектру ПЯЕ з високою точністю.
2. Вперше запропоновано метод нормування ПЯЕ за значенням компенсуючого сигналу, що дозволило атестувати вимірники ПЯЕ з похибкою засобів вимірювання.
3. Розвинуті теоретичні аспекти аналізу похибок прецизійних джерел ПЯЕ, науково обґрунтована можливість використання одного загального стабілізатора напруги основної гармоніки для всіх каналів відтворення симетричної трифазної системи напруг.
4. В результаті проведеного аналізу фазової похибки відтворення симетричної трифазної системи номінальних напруг запропоновані способи автоматичної корекції цієї похибки, які дозволили суттєво підвищити технологічність процесу повірки.
Практичне значення одержаних результатів. У результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблені та досліджені нові структурні схеми прецизійних джерел ПЯЕ і їхні основні вузли. Більшість розроблених пристроїв захищені авторськими свідоцтвами.
На підставі розроблених схем були створені: перевірочна установка У4330; блок завдання динамічних показників якості електроенергії; перевірочний комплекс У4330/1; автоматизоване робоче місце “Промислова мережа” (на ВО “Електровимірювач” м. Житомир); стабілізоване джерело живлення (Азенерго, м. Баку); стабілізоване трифазне джерело (ЗАТ “Елвін”, м. Київ). Пристрої пройшли метрологічну атестацію в органах Держстандарту, а перевірочний комплекс У4330/1 був визнаний робочим засобом перевірки вимірників ПЯЕ.
Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати роботи, що винесені на захист, отримані здобувачем самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належить: в [1] - запропоновано принцип додавання основної і додаткової систем напруг на виході пристрою; в [3] - запропоновано принцип додавання основної і додаткової систем напруг на вході стабілізатора основної гармоніки; в [4] - запропоновано принцип нормування кута зрушення фази вищої гармоніки стосовно основної гармоніки; в [7] - запропоновано метод регулювання фазової симетрії шляхом порівняння двох пар векторів; в [8] - запропоновано екстремальний принцип регулювання фазової симетрії.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Всесоюзній конференції з вимірювальних інформаційних систем ІІС-79 (Ленінград, 1979); Республіканській науково-технічній конференції “Питання покращення технічних параметрів універсальних електровимірювальних приладів” (Житомир, 1979); Республіканській науково-технічній конференції “Структурні методи підвищення точності, швидкодії і чутливості вимірювальних пристроїв і систем” (Київ, 1980); Республіканській науково-технічній конференції “Структурні методи підвищення точності, швидкодії і чутливості вимірювальних пристроїв і систем” (Київ, 1981); Республіканській науково-технічній конференції “Структурні методи підвищення точності, засобів і систем автоматизації експериментальних досліджень” (Київ, 1983); Республіканській науково-технічній конференції “Структурні методи підвищення точності, чутливості і швидкодії вимірювальних пристроїв і систем” (Житомир, 1985).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 28 наукових праць, у тому числі 3 статті у фахових наукових виданнях, 13 авторських свідоцтв СРСР, 4 патенти (Франції, ФРН, НДР, ЧССР), 8 публікацій у вигляді тез доповідей на науково-технічних конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, із 162 найменувань та додатку. Загальний обсяг роботи становить 184 сторінок, у тому числі 174 сторінок основного тексту, 37 рисунків та один додаток.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, викладено новизну і практичне значення одержаних результатів і їхнього впровадження. Сформульовано мету і задачі наукового дослідження, наведено дані про апробацію та публікації результатів роботи.
У першому розділі досліджено вплив втрат від зміни рівня ПЯЕ на роботу широкого класу електроприймачів і показано способи вирішення цієї проблеми, що у свою чергу цілком визначаються ступенем розвитку засобів метрологічного забезпечення ДСТ 13109-97.
ПЯЕ, як об'єкти вимірювання, мають свої особливості: вимірюванню підлягають математичні абстракції — симетричні складові трифазної напруги (ССН), що визначаються шляхом безпосереднього вимірювання лінійних і фазних напруг за основною гармонікою частоти мережі; сигнали, що визначають рівень ПЯЕ, як правило, на 2 порядки менше, ніж неінформативний параметр — симетричний режим роботи мережі — на “фоні” якого вони існують; зміни ПЯЕ здійснюються при різких коливаннях напруги і частоти за нестаціонарного характеру роботи мережі. З цих причин сама трифазна мережа не може бути джерелом міри ПЯЕ. Єдиний раціональний шлях розвитку метрологічної бази полягає в галузі створення автономних прецизійних джерел ПЯЕ.
Аналіз характеристик прецизійних джерел з урахуванням припустимих значень похибок вимірювання ПЯЕ, що випливають з ДСТ 13109-97, показав, що навіть кращі з них — НР6843В “Hewlett Packard”, FREJA RTS21, Programma Electric, З-233, Calmet, Польща — маючи широкі функції, все-таки не призначені для безпосереднього відтворення більшості ПЯЕ і лише з залученням додаткових вимірів і розрахункових методів можуть бути використані для одержання деяких ПЯЕ.
Методологічною основою нормування ПЯЕ є те, що всі ПЯЕ варто оцінювати або за основною гармонікою напруги мережі, або стосовно основної гармоніки (kнс, рівень вищих гармонік). Отже, інформативними параметрами джерел ПЯЕ треба вважати напруги основної частоти і її гармоніки. У роботі проведено аналіз аналогових і цифрових методів побудови первинних генераторів. Показано, що для відтворення з їхньою допомогою трифазної напруги номінального рівня основної гармоніки з високою точністю необхідно використовувати додаткові засоби стабілізації амплітуди вихідної напруги. Найбільш перспективним шляхом у цьому напрямку варто вважати використання стабілізаторів основної гармоніки. Однак створена на основі таких стабілізаторів перевірочна установка У4330 не може бути використана для перевірки широкого класу вимірників ПЯЕ через обмежені функціональні можливості, відсутність корекції тимчасової і температурної нестабільностей елементів схеми і ручне керування процесом перевірки. Разом з тим закладені в ній принципи побудови можуть стати основою для розробки прецизійних багатофункціональних джерел параметрів якості електроенергії.
Другий розділ присвячений розробці принципів побудови прецизійних джерел ПЯЕ.
У роботі запропоновано універсальний принцип відтворення ПЯЕ шляхом формування строго симетричної за основною гармонікою трифазної системи напруг, амплітуди і фазові кути яких стабілізуються на номінальному рівні з похибкою 0,01%. Відтворення ПЯЕ здійснюється завдяки зміні на нормовану величину однієї або декількох фазних напруг за амплітудою, фазовим кутом, частотою або формою за допомогою додаткової системи регульованих напруг, яка додається до основної.
На підставі цього принципу автором запропоновані дві схеми прецизійного джерела величин ПЯЕ. Перший спосіб заснований на додаванні основної і додаткової систем напруг на виході (рис.1). Як джерело основної системи напруг використовується пристрій, що працює в режимі відтворення нульових значень ПЯЕ. Вихідні сигнали такого пристрою будуть визначатися виразами:
(1)
де UAH = UBH = UCH = UH — номінальне значення амплітуди фазних напруг; 1 — частота основної гармоніки.
Формування додаткової системи напруг здійснюється в такий спосіб. На вихідних трансформаторах Tp , Tp 2, Tp 3 у кожній фазі пристрою додається по одній додатковій обмотці W3. Виходи цих обмоток підключені до функціональних перетворювачів ФП 1, ФП 2, ФП З, коефіцієнт передачі k(t) яких може змінюватися в широких межах від 0 до k. При цьому система напруг на виходах ФП 1, ФП 2, ФП З буде синфазна з основною системою (1) і дорівнюватиме
, (2)
де , , — напруги основної гармоніки на виходах додаткових обмоток W3 відповідних трансформаторів
Рис. . Блок-схема джерела ПЯЭ, яке реалізує метод підсумовування по виходу: ТГ — трифазний генератор; СОГ1–СОГ3 — стабілізатори основної гармоніки в кожній фазі з вихідними трансформаторами Тр1–Тр3 на виході; ФП1–ФП3 — функціональні перетворювачі; ІН — індикатор нуля
Додавання основної (1) і додаткової (2) систем напруги здійснюється способом послідовного включення основної обмотки W2 трансформатора і відповідного ФП. При цьому результуюча система напруг дорівнюватиме
.
Роздільне відтворення двох систем напруг дозволяє з високою точністю (за допомогою індикатора нуля ІН) пронормувати симетрію основної системи напруг, а показник якості електроенергії, обумовлений додатковою системою, виміряти безпосередньо за допомогою зразкового вольтметра. Відносна похибка нормування ПЯЕ при цьому дорівнює
,
де цим — відносна похибка симетрування основної трифазної системи напруг; ОП — відносна похибка виміру зразкового приладу. Такий метод нормування дозволяє знизити похибку відтворення ПЯЕ в порівнянні з методами прямого виміру в раз.
Недоліком пристрою (рис. 1) є його обмежені функціональні можливості і, головним чином, низька точність відтворення величин ПЯЕ, що обумовлена необхідністю узгодження вихідних опорів формувачів основної і додаткової систем, це дає можливість використовувати таку схему для відтворення невеликих значень ПЯЕ, зокрема динамічних ПЯЕ.
У другій схемі додавання двох систем напруги здійснюється на вході стабілізаторів основної гармоніки (рис. 2).
Компенсація сигналів додаткової системи напруг у спектрі вихідних сигналів на дільниках напруги (R0, R1, Rk) сигналами з виходу БМП дозволяє, з одного боку, виключити вплив напруг на роботу стабілізаторів основної гармоніки (СОГ) БП, що фіксується індикатором симетрії ІС, а з іншого, робити безпосередні вимірювання рівня ПЯЕ на виходах БУМ.
У зв’язку з тим, що додаткова система напруг, яка сформована ФГ, не залежить від основної, а в БУ виборчі властивості має лише ланцюг зворотного зв'язку, то в даному пристрої немає принципових обмежень на частотний діапазон сигналів, сформованих ФГ. Тому, використовуючи високочастотний генератор як ФГ, частота якого пов'язана з частотою основного трифазного генератора і кратна їй, на виході пристрою одержуємо сигнал, рівний
, (3)
де n — номер, формований ФГ гармоніки.
Вираз (3) цілком відповідає моделі сигналу, що може бути використаний для дослідження ПЯЕ на техніко-економічні показники широкого класу електроприймачів.
Рис. 2. Блок-схема джерела ПЯЕ, що реалізує метод підсумовування по входу:
ТГ — трифазний генератор; ФГ — функціональний генератор; БП — блок підсилювачів;
БМП — блок масштабних підсилювачів; ІС — індикатор симетрії
У роботі досліджено вплив ступеня компенсації на резистивних дільниках (R0,R1,RK) сигналу, що визначає рівень ПЯЕ, на похибку відтворення основної трифазної системи напруг і запропоновано спосіб, який дозволяє контролювати ступінь компенсації додаткової трифазної системи напруг сигналами БУМ (рис.2.). Суть способу зводиться до того, що в пристрій (рис. 2) додатково вводиться прецизійний суматор (рис.3), входи якого підключені до виходів БП і БМП (рис.2)
Очевидно, що напруга на виході суматора буде дорівнювати нулеві, коли основна система напруг буде симетрична, а напруги додаткової системи рівні за амплітудою і протилежні за фазою напругам компенсуючої системи на виході БМУ. Введення перемикача дозволяє оперативно контролювати умову рівності номіналів резисторів прецизійного суматора, а також виключити періодичну перевірку і розробку методики атестації номіналів резисторів на змінному струмі.
У зв'язку з необхідністю відтворення широкого спектра вищих гармонік, високої точності установки необхідних параметрів сигналу при низьковольтному виході найбільш прийнятним є цифровий метод побудови ФГ. З участю автора розроблена схема ФГ із можливістю регулювання параметрів сигналу в широкому діапазоні (рис. 4).
Рис. 4. Блок-схема функціонального генератора ПЯЕ: ДШ1, ДШ2 — дешифратори, Ф — формувач; ПЧ — помножувач частоти; ЗГН1–ЗГНn — задатчики номера гармонік; ЗФ1–ЗФn — задатчики фази; ЗА1–ЗАn — задатчики амплітуди; НС — накопичуючий суматор; НСР — накопичуючий суматор із блоком регістрів; ПЗП sin — постійний запам'ятовуючий пристрій значень синуса; ЦАП1–ЦАПn — цифро-аналогові перетворювачі; ЦАП А1–ЦАП Аn — цифро-аналогові перетворювачі амплітуди
Пристрій працює за сигналами помножувача частоти ПЧ, що запускається сигналом Ux основного генератора (рис. 2). Вихідні імпульси помножувача частоти ПЧ, рівні , де T1 — період основної гармоніки, N — коефіцієнт множення помножувача частоти ПЧ, надходять на дешифратори ДШ1, ДШ2 і керуючий вхід накопуючого суматора НС. Вихідні коди НС перетворюються в миттєві значення кодів синуса і записуються у вхідні регістри відповідного АЦП1–АЦПn. На виході АЦП1–АЦПn формуються сигнали, рівні добуткові кодів миттєвих значень синуса на значення амплітуди, формовані на ЦАП А1–ЦАП Аn. Вихідні напруги є квазісинусоїдними сигналами з кусочно-східчатою апроксимацією, при цьому регулювання параметрів сигналів здійснюється шляхом зміни кодів: для номера гармоніки k — ЗНГ 1... ЗНГ n; для початкової фази — ЗФ 1... ЗФ n; для амплітуди гармоніки A — 3A 1... ЗА n.
Кратність гармонік основній частоті синхронізуючого сигналу Ux забезпечується ПЧ, абсолютна похибка якого не перевершує , де T0 — період опорного генератора ПЧ.
У роботі запропонована методика нормування значення кута зрушення фази вищої гармоніки стосовно початкового кута зрушення фази основної гармоніки. Методика заснована на тому, що в пристрій додатково введені накопичуючий суматор з блоком регістрів НСР, що формує прямокутний сигнал вищої гармоніки з нульовим кутом зрушення фази стосовно основної гармоніки синхронізуючого сигналу Ux. Методика дозволяє нормувати початкові кути зрушення фаз не гірше .
Автором досліджені способи відтворення законів динамічних показників якості електроенергії (ДПЯЕ), показано, що найбільш прийнятним способом відтворення ДПЯЕ, з точки зору мінімуму нелінійних спотворень, є заміна її кусочно-лінійною апроксимацією способом дискретного квантування за часом, кратним періоду основної частоти відтвореної напруги. У роботі досліджені різні види законів зміни вихідних напруг, визначені їхні похибки, докладно представлена тестова крива зміни вихідних напруг, котра використовувалася для атестації вимірників динамічних показників якості електроенергії.
У третьому розділі досліджені похибки відтворення ПЯЕ і запропоновані методи їхньої корекції.
Основним вузлом, що визначає точність відтворення основної трифазної системи напруг, є стабілізатор основної гармоніки (СОГ). У дисертації проведений теоретичний аналіз похибки СОГ, показано, що основними джерелами похибки СОГ є несинусоїдальність вихідної напруги, в результаті якої нуль-перехід опорного прямокутного сигналу СОГ зміщується щодо основної гармоніки на кут
де — кут зрушення фаз між основною і вищою гармоніками несинусоїдального сигналу, — відношення амплітуд вищої й основної гармонік цього сигналу. При цьому відносна похибка, спричинена цією зміною кута зрушення фази, дорівнює
де — відношення мультиплікативної й адитивної похибок основного тракту СОГ, — коефіцієнт передачі тракту корекції СОГ.
З урахуванням кореляційних і ентропійних коефіцієнтів результуюча похибка СОГ з мультиплікативною корекцією буде така:
(4)
де — ентропійні коефіцієнти, — коефіцієнт стабілізації СОГ, — відносна похибка відтворення вихідної напруги основної гармоніки основним каналом СОГ, — відносна похибка коефіцієнта передачі основного тракту СОГ. — відносна похибка коефіцієнта передачі тракту корекції СОГ.
Похибки і входять у виразу (4) у чистому виді. Тому для досягнення мінімальної похибки відтворення симетричної трифазної системи номінального рівня необхідно розробити методи корекції похибки цих складових.
При відтворенні трифазної системи напруг, похибки коефіцієнтів передачі за модулем і кутом зрушення фази кожного каналу призводять до похибки відтворення симетричних складових основної системи напруг, що визначається комплексними коефіцієнтами передачі каналів відтворення за симетричними складовими і визначаються виразами
, (5)
де — коефіцієнти передачі по неінформативних параметрах;
— коефіцієнти передачі інформативному параметрові;
— похибки коефіцієнтів передачі за модулем і кутом зрушення фаз відповідних каналів відтворення основної трифазної системи напруг.
Аналіз системи рівнянь (5) дозволяє зробити важливий висновок. Істотне зниження похибки відтворення симетричної трифазної системи можливе не тільки способом зменшення значень ?k1, ?k2 і ?k3, але і шляхом їхнього вирівнювання. Дійсно, при ?k1 = ?k2 = ?k3 = ?k система рівнянь (5), з урахуванням того, що фазова похибка між вхідними і вихідними напругами не має змісту, набуває вигляду
. (6)
У роботі показано, що зміна номінальних рівнів вихідних напруг трифазної системи відбувається під дією інерційних процесів. За цих умов виникає можливість відмовитися від статичних схем стабілізаторів основної гармоніки і використовувати схеми астатичної стабілізації.
Автором запропонована схема прецизійного джерела симетричної трифазної системи напруг номінального рівня з одним стабілізатором основної гармоніки для всіх каналів стабілізації (рис.5). Схема містить трифазний генератор ТГ і підсилювачі потужності ПП, між якими включені керовані дільники напруги КДН, зібрані на основі перетворювачів код-напруга з реверсивними лічильниками на вході. -Дозвіл на керування КДН надходить із програмного модуля ПМ, що одночасно з цим дозволом подає керуючий сигнал на комутатор каналів К, до якого підключені вихідні напруги джерела. Таким чином, програмний модуль одночасно підключає через комутатор К напругу однієї з фаз до вибіркового тракту корекції ВТК і подає дозвіл на керування КДН відповідної фази. Вибірковий тракт корекції ВТК відслідковує рівень амплітуди основної гармоніки, і при її рівності номінальному значенню переключається на наступну фазу.
Рис. 5. Блок-схема прецизійного джерела симетричної трифазної системи напруг: ТГ — трифазний генератор; КДН — керовані дільники напруги; ПП — підсилювачі потужності; ПМ — програмний модуль; К — комутатор каналів; ВТК — вибірковий тракт корекції; ПЕ — граничний елемент; ДОН — джерело опорної напруги
Очевидно, що похибка відтворення амплітуди основної гармоніки усіх вихідних напруг у запропонованому способі буде цілком визначатися похибкою роботи каналу стабілізації, що є загальним для всіх трьох фаз і визначатися виразом (6). У результаті експериментальних досліджень абсолютна похибка була знижена до значення k = 0,00015 %.
У роботі проаналізовано похибка відтворення ПЯЕ для повної схеми прецизійного джерела ПЯЕ. (рис. 6).
Рис. 6. Повна блок-схема прецизійного джерела ПЯЕ: ТГ — трифазний генератор; КФО — керовані фазообертачі; БП із СОГ — блок підсилювачів зі стабілізаторами основної гармоніки; ФГ — функціональний генератор; БМП — блок масштабних підсилювачів; ІС — індикатор симетрії; ПС — прецизійний суматор
На відміну від схеми (рис. 2) в неї додатково введено керовані фазообертачі (КФО). Введення останніх пояснюється алгоритмом роботи джерела, суть якого полягає в тому, що рівні й стабільні за амплітудою напруги будуть утворювати симетричну систему, якщо їхня сума дорівнюватиме нулю. Досягнення нуля суми напруг на виході БП із СОГ (рис.6) здійснюється за допомогою зміни кута зрушення фаз між напругами і , і фазообертачами і контролюється індикатором симетрії ІС, підключеним до виходів резистивних суматорів. У результаті нерівні за амплітудою напруги призведуть до похибки симетрування основної системи напруг на ІС, що у свою чергу спричинює похибку відтворення ПЯЕ, що буде визначатися виразом:
де — похибки відтворення симетричних складових трифазного напруги, — похибки відтворення амплітуд основної системи напруг.
У четвертому розділі досліджено питання корекції фазової похибки прецизійного джерела ПЯЕ і розглянуто його повну схему.
З метою виключення похибки симетрування основної трифазної системи напруг автором запропоновано дві схеми корекції цієї похибки. Суть першої (рис. 7) полягає в тому, що вектори симетричної трифазної системи напруг утворюють правильний трикутник зі сторонами, рівними . У випадку, коли один з кутів трифазної системи напруг не відповідає 120°, сума векторів, що утворює цей кут, не буде дорівнювати , причому ця різниця однозначно вказує на величину і знак регулювання кута.
Для виключення впливу неідентичності амплітуд відтворених напруг на суматори СМ1 і СМ2 (рис. 7) подаються не вихідні напруги СОГ, а прямокутні сигнали формувачів Ф, що збігаються по фазі з вихідними, а за амплітудою рівні UОП. Вихідні напруг СМ1 і СМ2 порівнюються на компараторах напруги КН1 і КН2 з UОП, що у залежності від знака різниці впливають на УФВ до одержання нульового сигналу неузгодженості.
Друга схема компенсації фазової похибки заснована на почерговому регулюванні кута зрушення фаз двох векторів трифазної системи напруг номінального рівня до одержання локального мінімуму функції, рівної сумі усіх векторів цієї системи. Блок-схема пристрою наведена на рис. 8.
Визначення локального мінімуму здійснюється способом порівняння отриманого значення суми векторів на i-му кроці регулювання з попереднім значенням, яке запам’ятав АЗП. У дисертації докладно описано алгоритм роботи пристрою і показано, що такий алгоритм збігається, причому збігається він в одному випадку — якщо система знаходиться в симетрії. З огляду на високу чутливість граничного елемента ГЕ, час збігу, реалізованого в програмному модулі, складає в гір-шому випадку 7 тактів роботи пристрою, а похибки регулювання фазової симетрії складає . Запропонована схема корекції фазової похибки дуже добре вписується в схему стабілізатора основної гармоніки (рис. 5), що дозволило об'єднати ці вузли і на їхній основі розробити повну схему прецизійного джерела ПЯЕ.
Рис. 7. Блок-схема пристрою автоматичної компенсації фазової похибки способом попарного підсумовування фазних напруг: ТГ — трифазний суматор; КФО — керовані фазообертачі; СОГ — стабілізатори основної гармоніки; Ф — формувач прямокутного сигналу; СМ1, СМ2 — суматори; КН1, КН1 — компаратори напруги; ІС — індикатор симетрії; UОП — джерело опорної напруги
Рис 8. Блок-схема пристрою екстремального регулювання фазової симетрії: ТГ — трифазний суматор; КФО — керовані фазообертачі; БП — блок підсилювачів; Ф — формувачі прямокутного сигналу; СМ — суматор; АЗП — аналоговий запам'ятовуючий пристрій; ГЕ — граничний елемент; ДОН — джерело опорної напруги; ПМ — програмний модуль
Використання компенсаційної схеми нормування вихідних параметрів дозволило розробити й атестувати повнофункціональну перевірочну установку у складі: генератор спеціальний регульований (У43250) і установка У4350 з наступними характеристиками:
Абсолютна похибка відтворення ПЯЕ не перевищує, % 0,05
При відтворенні відхилення напруги, коефіцієнтів несиметрії і неврівноваженості —
діапазон зміни вихідних параметрів, % 0–20 —
дискретність установки параметрів, % —
фазовий кут, ел.град 0–360
При відтворенні гармонік —
номери гармонік 1–40 —
амплітуда гармонік, % від UH 1–50 —
дискретність установки амплітуди, % 0,05 —
фазовий кут, ел.град 0–360
При відтворенні коливань напруги —
швидкість зміни, % у сек. 0,25; 0,5; 1; 2; 4 —
розмах зміни напруги, % 1;2;4;8 —
середня частота, 1/хв. 40 —
крок дискретизації за часом, сек. 0,02
При відтворенні коливання частоти: —
швидкість зміни, Гц/сек. 0,1; 0,2; 0,4; 0,8—
розмах, Гц 0,02; 0,05; 0,1;
0,2; 0,5; 1,0 —
крок дискретизації за часом, сек. 0,02
Значення вихідних номінальних напруг, В 380/220; 100/57,7
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі розроблені принципи побудови та науково-технічні засоби створення автономних високоста-біль-них джерел трифазної напруги, які дозволяють відтворювати величини ПЯЄ з абсолютною похибкою 0,05% в широкому діапазоні їх регулювання з можливістю використовувати такі джерела як засоби метрологічного забезпечення приладів для вимірювання ПЯЕ.
Основні результати досліджень є такими:
1. Теоретично обґрунтовано універсальний принцип побудови прецизійних джерел ПЯЕ, суть якого полягає у формуванні строго симетричної за основною гармонікою трифазної системи напруг, амплітуди і фазові кути яких стабілізуються на номінальному рівні з похибкою 0,01%. Відтворення ПЯЕ здійснюється за рахунок зміни на нормовану величину одного або декількох фазних напруг за амплітудою, фазовим кутом, частотою або формою за допомогою додаткової системи регульованих напруг, яка додається до основної. На основі цього принципу розроблені раціональні структурні схеми, що дозволяють відтворювати широкий спектр ПЯЕ з високою точністю.
2. Теоретично обґрунтований метод нормування ПЯЕ за значенням компенсуючого сигналу дозволяє атестувати вимірники ПЯЕ з похибкою засобів вимірювання.
3. Запропоновано методику, яка дозволяє нормувати і компенсувати похибки зсуву у часі нуль-переходу вищої гармоніки відносно нуль-переходу синхронізуючого сигналу джерела ПЯЕ. Теоретично обґрунтовано метод кусочно-лінійної апроксимації відтворення динамічних ПЯЕ для різних видів зміни вихідного сигналу.
4. Висновки теоретичного аналізу похибки відтворення ПЯЕ дозволили запропонувати новий принцип побудови високостабільної системи напруги номінального рівня з довгостроковою нестабільністю на рівні сотих частин відсотка і короткочасної — на рівні тисячних частин відсотка, суть якого полягає у використанні одного загального для всіх каналів стабілізатора основної гармоніки.
5. Розглянуті методи автоматичної компенсації амплітудної і фазової похибок відтворення ПЯЕ цілком формалізовані. Використання запропонованих принципів дозволяє значно зменшити трудомісткість процесу і виключити з нього суб'єктивний фактор.
6. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень запропонована функціональна схема, що покладена в основу практичної реалізації прецизійних джерел ПЯЕ. На підставі цієї схеми були створені: перевірочна установка У4330, блок завдання динамічних ПЯЕ, перевірочний комплекс У4330/1, автоматизоване робоче місце “Промислова мережа” (м. Житомир), стабілізоване джерело живлення (Азенерго), стабілізоване трифазне джерело (ЗАТ “Елвін”, м.Київ). Більшість пристроїв атестована в органах Держстандарту, а перевірочний комплекс У4330/1 був визнаний робочим засобом перевірки вимірників ПЯЕ.
ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Брайко В.В., Мирфайзиев О.М., Таранов С.Г., Тесик Ю.Ф. Принципы построения преци-зионных источников статических показателей качества электроэнергии// Технічна електродинаміка.-2003.- № 5.- С.73-76.
2. Мирфайзиев О.М. Моделирование динамических показателей качества электроэнергии// Электронное моделирование. - 2003. – Т.25. - № 4. - С.107-114.
3. Брайко В.В., Мирфайзиев О.М., Таранов С.Г., Тесик Ю.Ф. Структурные методы построения прецизионных источников нормированных значений высших гармоник// Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. - 2003.- №2. - С.3-7.
4. Трехфазный генератор полигармонического сигнала. А.с. № 1343540 СССР, МКИ H 03 B 27/00/ В.В.Брайко, О.Л.Карасинский, О.М.Мир-фай-зиев, С.Г.Таранов, В.М.Щас-ли-вый (СССР). - № 3982999/24-09; Заявлено 02.12.85; Опубл. 07.10.87, Бюл. № 37. - 4 с.
5. Мирфайзиев О.М. Многофазный генератор квазисинусоидального нап-ряжения для измерения параметров качества электроэнергии ИВК// Республиканская научно-техническая конференция “Вопросы улучшения технических параметров универсальных электро-из-ме-ри-тель-ных приборов”. – Житомир: 1979. - С. 198–200.
6. Мирфайзиев О.М. Прецизионный источник динамических показателей качества электро-энергии// Республиканская научно-техническая конференция “Структурные методы повышения точности средств и систем автоматизации экспериментальных”. – К.:1983.- С. 102–103.
7. Брайко В.В., Мирфайзиев О.М., В.Н.Черныш. Структурные методы повышения точности воспроизведения симметричной трехфазной системы напряжений// Республиканская научно-техническая кон-фе-рен-ция “Структурные методы повышения точности, чувствительности и быстродействия измерительных устройств и систем”. Тезисы докладов. – Житомир: 1985.- С. 58.
8. Брайко В.В., Мирфайзиев О.М., Таранов С.Г. Способ получения фазовой симметрии трехфазной системы напряжений// Республиканская научно-техническая конференция “Структурные методы повышения точности, средств и систем автоматизации экспериментальных исследований”. – К.: 1983. - С. 99–101.
АНОТАЦІЇ
Мирфайзиєв О.М. Принципи побудови прецизійних джерел величин показників якості електроенергії. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2004.
Дисертація присвячена питанням побудови повнофункціональних прецизійних джерел ПЯЕ. Розроблено й обґрунтовано універсальний принцип побудови прецизійних джерел ПЯЕ шляхом формування строго симетричної по основній гармоніці трифазної системи напруг, амплітуди і фазові кути яких стабілізуються на номінальному рівні з похибкою 0,01%. Відтворення ПЯЕ здійснюється за рахунок зміни на нормовану величину одного або декількох фазних напруг за амплітудою, фазовим кутом, частотою або формою за допомогою додаткової системи регульованих напруг, яка додається до основної. Розглянуто нові принципи побудови вторинних джерел показників якості електроенергії. Розроблено методику нормування початкового кута зрушення фази вищої гармоніки щодо початкового кута зрушення фази першої гармоніки. Обґрунтовано метод кусочно-лінійної апроксимації відтворення динамічних ПЯЕ для різних видів зміни вихідного сигналу.
На основі аналізу похибки відтворення амплітуди основної гармоніки запропоновано метод підвищення точності їхнього відтворення. Розглянуто структурні методи компенсації фазової погрішності. Запропоновано функціональну схему, що покладена в основу практичної реалізації повнофункціональних прецизійних джерел ПЯЕ.
Ключові слова: показники якості електроенергії (ПЯЕ), прецизійні джерела величин ПЯЕ, трифазна система напруг.
Mirfayziev O.M. The Construction Principles of the Precision Sources of the Values Power Quality Indexes. — The manuscript.
Thesis for candidate degree of technical sciences of specialty 05.11.15 - Metrology and metrological maintenance. - Institute of Electrodynamics NАS of Ukraine, Kyiv, 2004.
The dissertation is devoted to questions of construction of full-function Power Quality Index (PQI) precision sources. The universal principle of construction of PQI precision sources is developed and proved by formation of three-phase system of voltage strictly symmetric on the basic harmonic, amplitude and which phase corners are stabilized at a nominal level with a margin error 0,01 %. Reproduction PQI is carried out due to change on the normalized size of one or several phase voltage on amplitude, a phase corner, frequency or the form with the help of additional system of adjustable voltage assumable with the basic. The method of normalization PQI on value of a compensating signal that has allowed to raise accuracy of reproduction PQI essentially is developed. New principles of construction of secondary sources of parameters of quality of the electric power are considered. The technique of normalization of an initial corner of shift of a phase of the supreme harmonic concerning an initial corner of shift of a phase of the first harmonic is developed. The method of piecewise linear approximation of reproduction dynamic PPQ for various kinds of change bending around is proved. On the basis of the analysis of an error of reproduction of amplitude of the basic harmonic, the method increase of accuracy of their reproduction is offered. Structural methods of indemnification of a phase error are considered. The function chart which is based practical realization of full-function precision sources PQI is considered.
Key words: Power Quality Index (PQI), precision sources PQI, three-phase system of voltage.
Мирфайзиев О.М. Принципы построения прецизионных источников величин показателей качества электроэнергии. — Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 — метрология и метрологическое обеспечение. — Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2004.
Диссертация посвящена вопросам построения полнофункциональных прецизионных источников показателей качества электроэнергии. Разработан и обоснован универсальный принцип построения прецизионных источников ПКЭ путем формирования строго симметричной по основной гармонике трехфазной системы напряжений, амплитуды и фазовые углы которых стабилизируются на номинальном уровне с погрешностью 0,01%. Воспроизведение ПКЭ осуществляется за счет изменения на нормируемую величину одного или нескольких фазных напряжений по амплитуде, фазовому углу, частоте или форме с помощью дополнительной системы регулируемых напряжений суммируемой с основной. На базе этого принципа разработаны две структурные схемы построения прецизионного источника ПКЭ. Первая предусматривает суммирование основной и дополнительной систем напряжений на выходе источника, вторая — суммирование на входе стабилизатора основной гармоники.
Вторая схема построения источников ПКЭ выгодно отличается от первой поскольку, во-первых, позволяет использовать новый метод аттестации измерителей ПКЭ путем непосредственного измерения величины воспроизводимого ПКЭ с погрешностью, определяемой образцовыми средствами измерения и, во-вторых, создавать полнофункциональные источники величин ПКЭ.
Рассмотрены новые принципы построения вторичных источников показателей качества электроэнергии. Предложена рациональная схема построения функционального генератора позволяющая воспроизводить многофазную систему напряжений с возможностью регулирования амплитуд и углов сдвига фаз в широком диапазоне их регулирования в диапазоне частот 1-40 гармоники по отношению к синхронизирующему сигналу основной гармоники, изменяющемуся в диапазоне 2 Гц. Разработана методика нормирования начального угла сдвига фазы высшей гармоники относительно начального угла сдвига фазы первой гармоники. Одним из основных узлов такого генератора является умножитель частоты. Проведен анализ погрешности работы такого умножителя. Показано, что погрешность умножителя частоты не превышает 0,5 периода внутреннего тактового генератора. Подробно рассмотрена методика измерения и компенсации погрешности временного сдвига между ноль-переходом формируемой гармоники и синхронизирующего сигнала.
Среди нормируемых ПКЭ ГОСТ 13109-97 большой удельный вес принадлежит так называемым динамическим ПКЭ, которые характеризуются не только величиной, но и характером изменения этой величины. Обоснован метод кусочно-линейной ап-про-к-си-ма-ции воспроизведения динамических ПКЭ для различных видов изменения выходного напряжения путем дискретного квантования по времени, кратным частоте основной гармоники выходного напряжения. Исследованы различные виды изменения выходного напряжения, определены их погрешности, предложена тестовая кривая изменения выходного напряжения, позволяющая нормировать колебания и динамические отклонения напряжения, паузы между следующими друг за другом изменениями напряжения. Предложенная кривая вошла в утвержденную методику аттестации измерителей ДПКЭ.
Проведен теоретический анализ погрешности воспроизведения амплитуды основной гармоники, который показал, что повышение точности воспроизведения
