УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

В условиях отсутствия возможности питания нагрузки от стационарных систем электроснабжения, возникает необходимость использования для этой цели автономных генераторов различного конструкционного исполнения.

Автономные генераторы, как и другие системы электроснабжения, должны обеспечивать штатное функционирование нагрузки путем соблюдения соответствующих требований к качеству электроэнергии, определяемых в ГОСТ Р 54149-2010 [1], поэтому повышение качества выходного напряжения автономных генераторов является актуальной задачей. Ввиду этого актуальной задачей также является разработка технических решений, способных обеспечить контроль напряжения и повышение его качества.

Из существующих вариантов конструкционного исполнения наиболее удобны бензиновые генераторы, главными преимуществами которых являются: приемлемый по долгосрочности ресурс работы, малый вес по сравнению с дизельными и газовыми генераторами, возможность запуска при низких температурах окружающей среды, а также простота их устройства, которая в свою очередь снижает их себестоимость и облегчает ремонт и обслуживание. Таким образом, бензогенератор является наиболее приемлемым вариантом для тех, кому необходима мобильность устройства, лёгкость транспортировки и сравнительно небольшая мощность (до 5кВт).

Следует отметить, что когда в качестве источника питающего напряжения выступает электромеханическое устройство, такое как, например, бензогенератор, влияние на цепь питания высших гармоник тока и напряжения и величины реактивного тока, создаваемых коммутируемой нагрузкой более ярко выражено, нежели в промышленных и бытовых сетях [4]. Объясняется это главным образом конструктивной особенностью генератора, наличием некоторой величины внутренней индуктивности и активного сопротивления обмоток. Кроме того, такие параметры, как: частота, форма и амплитуда выходного напряжения бензогенератора без устройств фильтрации, стабилизации и регулировки, зачастую может отличаться от параметров, требуемых для питания нагрузки. Выходное напряжение бензогенератора без корректирующих устройств, даже на холостом ходу имеет вид, представленный на рисунке 1.

В результате коммутации нагрузки происходит увеличение потребляемого тока, а внутренняя индуктивность генератора приводит к появлению противоЭДС, приводящей к увеличению имеющихся и появлению новых импульсов в кривой выходного напряжения. Потери на внутреннем активном сопротивлении обмоток генератора вызывают провалы напряжения. При этом, для восстановления требуемого уровня напряжения по амплитуде бензогенератору требуется время порядка нескольких секунд. Для моделирования указанных выше процессов, в среде инженерного моделирования MATLAB Simulink собрана схема, представленная на рисунке 2.

Осциллограммы работы схемы (рис. 2) представлены на рисунке 3, где верхняя осциллограмма - это суммарный ток нагрузки, а нижняя - это напряжение на нагрузке.

Рисунок 3 – Осциллограммы работы модели схемы (рис. 2).

 

 

В реальных условиях возникают ситуации, когда от бензогенераторов приходится запитывать чувствительных к качеству напряжения потребителей, соответственно для обеспечения их штатной работы, необходимо обеспечивать требуемое качество питающего напряжения. Для этого используют устройства, способные обеспечить бесперебойную, стабильную работу нагрузки, кроме того необходимо учитывать влияние на выходное напряжение генератора обратных токов и гармонических искажений, генерируемых устройством защиты нагрузки [2],[3],[5].

Для устранения проблем, возникающих при использовании для электропитания автономных генераторов, предлагается модель устройства в пакете MALAB Simulink. Модель представлена на рисунке 4.

Блок «Regulator» модели на (рис. 4) представляет собой схему, представленную на “рис. 5”.

Схема состоит из выпрямителя по схеме удвоения напряжения, дросселей, ограничивающих скорость изменния силы тока и плеча мостового инвертора. Управление плечем инвертора, состоящим из двух MOSFET транзисторов осуществляется с помощью широтноимпульсной модуляции. Целевым назначением данного блока является генерация синусоидального напряжения частотой 50Гц, без требований к амплитуде выходного напряжения.

Блок «Compensator» модели (рис. 4) представляет собой схему, представленную на рисунке 6.

В нее также входит выпрямитель по схеме удвоения напряжения, дроссели, ограничивающие скорость изменния силы тока и мостовой инвертор с вольтодобавочным трансформатором. Управление инвертором, состоящим из четырех MOSFET транзисторов осуществляется широтно-импульсной модуляцией, причем за опорный сигнал принимается выходное напряжение, генерируемого блоком «Regulator». Целевым назначением блока является компенсация отклонений входного сигнала блока по амплитуде.

Таким образом, на нагрузку подается напряжение, максимально приближенное по амплитуде, форме и частоте к идеальной синусоде с параметрами амплитуды и частоты соответственно: 

На (рис. 7) представлены осциллограммы работы модели. Нагрузка полностью идиентична используемой в модели схемы (рис. 2).

Сравнивая осцилограммы, представленные на (рис. 2) и (рис. 7) видно, что на последней, импульсов и провалов напряжения при коммутации параметрической нагрузки не наблюдается. Амплитуда, частота и форма выходного напряжения максимально приближена к идеальной синусоде с параметрами амплитуды и частоты соответственно
Список литературы

[1] ГОСТ Р 54149-2010. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». – Введ., 2013.

[2] А.А. Шевцов, И.И. Золотов «Совместимость устройств защиты чувствительной нагрузки с автономными генераторами». Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. Сборник научных статей. Труды Международной научной конференции «Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения» (Российская Федерация, г. Липецк, 14 сентября 2015г.). / Под ред. М. Ю. Левина. – Липецк: ООО «Максимал информационные технологии», 2015. – 76-79с.

[3] А.А. Шевцов, И.И. Золотов «Проблема совместимости фильтрокомпенсирующих устройств с системами автономного электроснабжения». Технологии XXI века: проблемы и перспективы развития. Сборник научных статей. Труды Международной научной конференции «Технологии XXI века: проблемы и перспективы развития» (10 октября 2015г. г.Челябинск). – 144-147с.

[4] А.А. Шевцов, И.И. Золотов «Влияние высших гармоник в кривой питающего напряжения на электротехнологических потребителей и методы борьбы с ними». Технические науки: тенденции, перспективы и технологии развития / Сборник научных трудов по итогам международной научно- практической конференции. № 2. г. Волгоград, 2015. – 173-175с.

[5] И.И. Золотов «Совместимость фильтрорегулирующих устройств с автономными генераторами». Молодёжный форум: технические и математические науки. Сборник научных статей. Труды Международной научной конференции «Молодёжный форум: технические и математические науки» (9-12 ноября 2015 года г. Воронеж). – 407-410с.