ОБЗОР СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРОВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается обзор стабилизатора напряжения на основе тиристоров в системах электроснабжения. На основе моделирования предложенного стабилизатора напряжения по программе MATLAB R2014a определено, что изменение формы кривой выходного напряжения близко к синусоиде и совпадает с результатами, полученными экспериментальным путем. При моделировании стабилизатора напряжения структура схемы не изменяется, а изменяются параметры резисторных элементов, соответствующих открытому или закрытому состоянию полупроводникового прибора в момент коммутации.

ABSTRACT

The article discusses an overview of the voltage regulator based on thyristors in power supply systems. Based on the simulation of the proposed voltage stabilizer using the MATLAB R2014a program, it was determined that the change in the shape of the output voltage curve is close to a sinusoid and coincides with the results obtained by the experimental path. When simulating a voltage regulator, the structure of the circuit does not change, but the parameters of the resistor elements corresponding to the open or closed state of the semiconductor device at the time of switching change.

Ключевые слова: показатели качества электроэнергии, стабилизатор напряжения, система управления, бесконтактное реле напряжения, тиристор, конденсатор.

Keywords: power quality indicators, Voltage regulator, control system, contactless voltage relay, thyristor, capacitor.

В Узбекистане показатели качества электрической энергии в системе электроснабжения характеризуются одиннадцатью показателями, утвержденными Государственным стандартом Узбекистана O’zDSt 1044:2003 и Межгосударственным стандартом ГОСТ 32144-2013 [4; 1].

Качество электроэнергии необходимо рассматривать как связанные между собой два взгляда: электроэнергия как товар, качество которого должно соответствовать вполне определенным требованиям рынка, и электроэнергия, способная совершать работу в процессе ее производства, передачи, распределения и потребления [1; 4; 6; 3].

По требованиям рыночной экономики при обеспечении потребителей качественной электроэнергией действуют юридические нормы и требования для всех участников, участвующих от производства электроэнергии до ее потребления. Каждый электроприемники для нормальной работы требует определенных показателей параметров сети, таких как: номинальная частота, напряжение и т.п., т.е. качественная электрическая энергия [1; 4; 12; 5].

Причиной ухудшения качества электроэнергии, вырабатываемой электростанциями, могут быть плохое техническое состояние линий и трансформаторных подстанций, а также удаленность потребителей от источника питания [1; 4; 2; 7]. Для всех выше указанных режимов работы электросистемы показатели качества электроэнергии или их допустимые по величине и длительности значения нормируются в отдельности.

В данной статье рассматриваются основные показатели качества электроэнергии – отклонение напряжения, и в целях обеспечения стабильности мы рассмотрим анализ и обзор работы стабилизирующих устройств [1; 4; 2].

В системах электроснабжения в качестве стабилизирующих устройств применяются специальные технические средства регулирования для улучшения качества напряжения у потребителей. Распространенными причинами, которые приводят к отказу или выводу из строя электрооборудования и сбою технологического процесса, являются скачки напряжения непосредственно у потребителя. Любой производитель электрооборудования проектирует исходя из того, что все электрическое оборудования и приборы должны быть рассчитаны на работу в сети, удовлетворяющей требованиям стандарта [4; 2; 7; 19].

Изменение величины или формы напряжения обычно называют искажениями напряжения. Эти искажения ухудшают работу электроприборов вплоть до вывода их из строя. Поэтому возникает вопрос защиты электроприборов от изменения напряжения. Чтобы избежать нежелательных влияний изменения напряжения, как правило, используют аппарат (стабилизатор напряжения), позволяющий автоматически регулировать в электрической сети заданное напряжение [1; 4; 2; 7; 15; 11; 10].

В некоторых случаях в системах электроснабжения качество электроэнергии не отвечает требованиям O’zDSt 1044:2003. Отклонение от номинального значения, резкопеременное изменение, колебание, высокочастотное заграждение, высоковольтные импульсы приводят к низкому показателю качества электроэнергии. Применяемые в повседневной жизни бытовые электропотребители очень чувствительны к качеству электроэнергии. Из них компьютер, аудиоаппаратура, телевизор, холодильник и стиральная машина остаются в опасности от низкого качества электроэнергии. В таких случаях, прежде чем покупать бытовые электроприборы, появляется необходимость в покупке стабилизаторов напряжения. Предлагаемые большинством предприятий стабилизаторы имеют свои достоинства и недостатки [1; 4; 11; 10; 8; 13].

В настоящее время на рынке в основном предлагаются четыре группы стабилизаторов напряжения, разделяющиеся по принципам работы: электромагнитные, электромеханические, ступенчатые релейные и ступенчатые электронные. Каждая из указанных групп имеет свои положительные и отрицательные свойства [7; 15; 11; 10; 8; 13; 16].

Одним из основных показателей, определяющих качество электрической энергии, является стабильность напряжения бытовых электропотребителей [1; 4; 2; 7; 19; 20].

Для улучшения качества напряжения бытовых электропотребителей необходимо регулирование напряжения вольтодобавочного трансформатора. Для управления обмоток вольтодобавочного трансформатора разработано бесконтактное реле напряжения [10; 8; 16; 20; 17].

Цепь управления оптоэлектронного бесконтактного устройства для включения и отключения обмоток вольтодобавочного трансформатора с выдержкой времени питается от электрической сети 18 В. В этой схеме для электрического разделения управления и силовой части применены оптоэлектронные оптотиристоры VU₁, VU₂. Предложенная схема работает таким образом: при достижении напряжения потребителя 220 В включается второе реле напряжения и отключает первое реле, которое отключает обмотку вольтодобавочного трансформатора, и потребитель прямо включается в сеть. При понижении напряжения до 210 В от разряда конденсатора С₂ на управление электрода VT₃ тиристора не поступает сигнал, в результате с выдержкой времени обмотка вольтодобавочного трансформатора отключается от сети. Таким образом, в предложенной схеме оптоэлектронное бесконтактное устройство для коммутации обмоток вольтодобавочного трансформатора обеспечивает номинальное напряжение в пределах 210–220 В, то есть от номинального напряжения до ±4,8% [19; 15; 8; 13; 16; 18; 14; 9].

Смоделирована схема оптоэлектронного бесконтактного устройства с выдержкой времени для коммутации обмоток вольтодобавочного трансформатора при помощи программы MATLAB R2014a, результаты показаны на рис. 1.

Применение рассмотренных схем замещения полупроводниковых приборов при моделировании стабилизатора напряжения приводит к тому, что структура стабилизаторов не изменяется, а изменяются параметры резисторов, соответствующие открытому или закрытому состоянию полупроводникового прибора в моменты коммутации вентилей согласно алгоритму для соответствующего типа преобразователя [13; 16].

Рисунок 1. Моделирование оптоэлектронного бесконтактного устройства с выдержкой времени для коммутации обмоток вольтодобавочного трансформатора

Принцип работы стабилизатора напряжения основан на коммутации обмоток автотрансформатора. Предложенная принципиальная схема стабилизатора напряжения рассчитана на мощность автотрансформатора 1000 ВА, которая включается через три моста VD₇–VD₁₀ в сеть (рис. 2).

Рисунок 2. Принципиальная схема автотрансформаторного стабилизатора напряжения

В диагональ моста VD₇–VD₁₀ подключен тиристор VT₃, процесс управления осуществляется с помощью бесконтактного оптоэлектронного реле напряжения с выдержкой времени [7; 19; 8; 13]. Цепь управления питается от дополнительной обмотоки автотрансформатора напряжением 18 В. Стабилизатор работает следующим образом: при номинальном напряжении 220 В включается II реле и включается часть обмоток автотрансформатора, обеспечивающие потребителя номинальным напряжением 220 В [19; 15; 8]. При этом оптореле типа МОП открывает свой нормальный закрытый контакт и отключает цепь I реле, при понижение напряжении до 210 В отключается II реле, при этом оптореле закрывает свой контакт и включает I реле. Для включения обмоток автотрансформатора I реле открывает тиристор VT₁, и при этом увеличивается напряжение на нагрузке. При достижении напряжения 230 В управление VT₃ дает импульс для уменьшения обмоток автотрансформатора, при этом I реле при помощи своей оптопары отключает цепь II реле [8; 13; 16; 20; 14; 9].

Таким образом, автотрансформаторный стабилизатор напряжения при изменении напряжения от 175 В до 235 В обеспечивает напряжение в допустимых пределах, предусмотренных государственным стандартом, ±5% от номинального его значения.

Заключение: 1. Исследование схем стабилизирующих устройств показали, что предлагаемые большинством предприятий стабилизаторы напряжения имеют сложную конструкцию с большим количеством элементов, и это приводит к ограничению их области применения.

2. Анализ процесса стабилизации показывает, что для регулирования работы стабилизатора необходимо использовать в схеме управления систему для открытия тиристоров в момент перехода тока нагрузки через ноль.

3. На основе анализа разработанного реле напряжения предложена в системе управления схема стабилизатора напряжения для бесконтактной коммутации обмоток вольтодобавочного трансформатора.

4. Разработанный в условиях лаборатории стабилизатор напряжения обеспечивает стабильность напряжения потребителей в допустимых пределах ±5% от номинального значения при изменении входного напряжения в пределах 175÷241 В.

Список литературы:

1. Государственный стандарт Узбекистана O’zDSt 1044: 2003.
2. Государственный стандарт Узбекистана O’zDSt 1050: 2004.
3. Жежеленко И.В., Короткевич М.А. Электромагнитная совместимость в энергетических сетях : учеб. пособие. – Минск : Высшая школа, 2012. – С. 197.
4. Межгосударственный стандарт ГОСТ 32144-2013.
5. Сапунов М. Вопросы качества электроэнергии // Информационно-справочное издание «Новости электротехники». – М., 2001. – № 4 (10). – С. 112–117.
6. Управление качеством электроэнергии : учеб. пособие / И.И. Карташев, В.Н. Тульский [и др.]. 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд. дом МЭИ, 2017. – С. 347.
7. Controlled switching circuits based on non-linear resistive elements / R.Ch. Karimov, M.K. Bobojanov, A.N. Rasulov, E.G. Usmanov // E3S Web of Conferences. – 2019 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201913901039.
8. Development and experimental study of circuits of contactless device for automation of compensation of reactive power of capacitor batteries / M.K. Bobojanov, R.Ch. Karimov, T.H. Qosimov, Sh.Dzh. Dzhuraev // E3S Web of Conferences. – 2021 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128907012
9. Ikromov M.M., Ibaidullaev M.Ya., Karimov R.Ch. Review of a voltage regulator based on transistors in power supply systems // Universum: Technical science: Electronics scientific journal. – 2021. – № 4 (85) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11595.
10. Karimov R. Study of the state of the issue of increasing the quality of electric energy in the power supply systems // E3S Web of Conferences. – 2020 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021601163.
11. Karimov R., Bobojanov M. Analysis of voltage stabilizers and non-contact relays in power supply systems // E3S Web of Conferences. – 2020 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021601162.
12. Karimov R.Ch. Improvement of capacitor battery power regulation circuit based on contactless switching devices // Problems of Energy and Soerces Saving. – Tashkent, 2021. – P. 145–154.
13. Karimov R.Ch. Using optoelectronic noncontact voltage relay in electrical supply systems // Technical science and innovation. – 2019 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: uzjournals.edu.uz/btstu/vol2019/iss2/8.
14. New solutions for controlled compensating devices / R.Ch. Karimov, A. Egamov, Sh.Dzh. Dzhuraev, B. Uzakov // E3S Web of Conferences. – 2021 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128907021
15. Non-contact controlled voltage stabilizer for power supply of household consumers / / R. Karimov [et al.] // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2020.
16. Non-contact voltage relay for switching windings of a boost transformer / E. Usmanov, A. Rasulov, M. Bobojanov, R.Ch. Karimov // E3S Web of Conferences. – 2019 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201913901079.
17. Rasulov A.N., Karimov R.Ch. The Contactless Relay of Tension in System of Power Supply // EESJ. – 2015. – № 4. – P. 174–178.
18. Rasulov A.N., Karimov R.Ch. The Contactless Thyristor Device for Inclusion and Shutdown of Condenser Instal-lations in System of Power Supply // EESJ. – 2015. – № 4. – P. 179–183.
19. Reliability indicators of stabilizing devices in the agriculture electrical supply system / R. Karimov [et al.] / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2020.
20. Sadullaev M., Bobojanov M.K., Karimov R.Ch. Creation and experimental study of a non-contact device for automatic power control of capacitor banks // Problems of Energy and Resource Saving. – Tashkent, 2021.