Методические указания к лабораторной работе №5 (теоретический
материал в Лекции №5 – «Моделирование разрядных устройств тяговой
подстанции постоянного тока»):
«Моделирование диодного разрядного устройства УР-2».
Цель работы – разработка модели диодного разрядного устройства УР-2 тяговой
подстанции постоянного тока 3,3кВ.
Задача – исследовать влияние уставки УР-2 на характеристики срабатывания
фидерного быстродействующего выключателя при близком коротком замыкании в
тяговой сети.
Краткие теоретические сведения.
На рисунке 1 приведена схема включения диодного разрядного устройства
параллельно сглаживающему устройству тяговой подстанции постоянного тока.
Рисунок 1. Схема включения диодного разрядного устройства УР-2 на тяговой подстанции
постоянного тока. УР-2 «разбивает» контур короткого замыкания на два относительно независимых
контура: контур тяговая подстанция – быстродействующий выключатель – тяговая сеть – реактор и
контур реактор – УР-2. Схема взята из учебника «Тяговые подстанции».
Краткое описание УР-2.
1.
2.
3.
4.
5.
Основная часть – управляемый высоковольтный тиристор.
Устройство управления – состоит из стабилитрона и варистора.
Наступает момент, когда на реакторе меняется полярность напряжения, которое
прикладывается к тиристору в прямом направлении.
Тиристор может быть открыт при напряжении, равном пороговому значению
напряжения варистора.
Сопротивление варистора резко уменьшается (варистор открывается), в
результате чего резко увеличивается ток управления, протекающий через
управляющий электрод тиристора на его катод, и тиристор открывается.
6.
7.
Образуются два относительно слабо связанных контура.
Общей для этих контуров является ветвь с резистором и тиристором.
Пояснения к работе УУ – стабилитрона и варистора.
Стабилитрон работает в обратной полярности.
Полупроводниковый стабилитрон — полупроводниковый диод, работающий при
обратном смещении в режиме пробоя.
В режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной
точностью в широком диапазоне обратных токов.
Варистор обладает свойством резко уменьшать своё сопротивление с единиц ГОм до
десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой
величины.
𝑢~ =
6 √3
𝜋√2
𝑈2 𝑠𝑖𝑛
𝜋 (𝑐𝑜𝑠𝛾 + 1)
∙
− 0,75√2 ∙ 𝑈2 𝑐𝑜𝑠𝛾
6
2
При угле коммутации 30-40° это напряжение составляет 800I1200 В, поэтому для
предотвращения ложных открытий следует выбирать тиристор на прямое напряжение
1200-1400 В. Такое же значение порогового напряжения должен, по-видимому, иметь
и варистор.
Описание математической модели диодного разрядного устройства – УР-2.
Рисунок 2. SPS-S-Stateflow модель устройства разрядного – УР-2.
Описание модели УР-2.
Основные блоки модели:
1.
Датчик напряжения – Voltage Measurement;
2.
Диаграмма Stateflow – Chart;
3.
Диод – Diode;
4.
Резистор – Series RLC Branch;
5.
Выключатель, управляемый внешним сигналом – Breaker;
6.
Ручной переключатель – Manual Switch;
7.
Блок константы – Constant.
Логика работы модели:
1.
2.
3.
На вход датчика напряжения (контакты +U, -U) подаётся мгновенное
напряжение, измеряемое на реакторе сглаживающего устройства (рис. 3).
Одновременно подаётся напряжение на последовательную цепь, составленную
из диода, резистора и выключателя.
Полярность включения диода такова, что в нормальном режиме работы он
находится в запертом состоянии.
4.
Более того, выключатель находится в разомкнутом состоянии.
5.
Срабатывание УР-2, в отличие от ДРУ, не происходит автоматически, а лишь при
превышении напряжения на реакторе уставки УР-2 по напряжению.
6.
Для определения момента срабатывания УР-2 в модель включён блок Chart
диаграммы Stateflow (рис. 4). В теле блока Chart записан всего один оператор
MatLab,
[𝑈 < 0 && 𝑎𝑏𝑠(𝑈) > 𝑈𝑢𝑠𝑡] {output =1;}
который при выполнении условия, записанного в квадратных скобках, подаёт на
выход сигнал, равный единице. Условие, записанное в квадратных скобках,
позволяет обеспечить нормальную работу реактора при отсутствии короткого
замыкания и включить устройство при коротком замыкании.
7.
Сигнал, равный единице, подаётся на управляющий вход выключателя (External
control of switching times) и включает разрядное устройство.
8.
В модель введён ручной переключатель для возможности исследования
процесса отключения тока короткого замыкания при отсутствии и наличии УР-2
в схеме.
Рисунок 3. Напряжение на реакторе сглаживающего устройства при шестипульсовой
мостовой схеме выпрямления на тяговой подстанции в момент возникновения
короткого замыкания.
Рисунок 4. Диаграмма Stateflow. Switch_off – первое состояние УР-2, в котором находится устройство при нормальной работе
системы тягового электроснабжения. Switch_on – второе состояние, начало работы УР-2, в которое переходит устройство при
выполнении условия, записанного в квадратных скобках. Условие становится истинным, если напряжение становится
отрицательным и его абсолютная величина превышает уставку по напряжению.
Порядок выполнения работы.
1.
Скопировать математическую модель тяговой подстанции постоянного тока с
сглаживающим устройством и фидерным быстродействующим выключателем
(лабораторная работа №3) в папку с названием «УР-2».
2.
Включить в модель блок УР-2 (Рис.5). Сопротивление УР-2 принять равным 0,3
Ом.
3.
Продумать схему измерений так, чтобы на одной осциллограмме отобразить
одновременно токи тяговой подстанции, тяговой сети и УР-2, а также
напряжение дуги.
4.
Произвести эксперименты отключения тока короткого замыкания
быстродействующим выключателем совместно с УР-2 для различных значений
уставок выключателя и УР-2.
5.
Дополнить таблицу 1 «Зависимость параметров процесса отключения тока
короткого замыкания от значения тока уставки» результатами, полученными в
данной лабораторной работе.
6.
Сделать выводы об эффективности применения УР-2.
№№ Ток уставки, А
Время
Ток
Максимальное Полное
достижения ограничения, напряжение время
тока уставки, с А
дуги, В
отключения
1.
2.
3.
…
Таблица 2. Зависимость параметров процесса отключения тока короткого замыкания
от значения тока уставки.
Рисунок 5. Модель для исследования работы быстродействующего фидерного
выключателя тяговой подстанции постоянного тока при наличии диодного разрядного
устройства УР-2 и коротком замыкании в тяговой сети.
Примечание. Примеры осциллограмм отключения тока близкого короткого
замыкания и напряжения дуги приведены на рис.6 и рис.7.
Рисунок 6. Осциллограммы процесса отключения тока короткого замыкания и напряжения на дуге при отсутствии диодного
разрядного устройства УР-2.
Рисунок 7. Осциллограммы процесса отключения тока короткого замыкания и напряжения на дуге при наличии диодного
разрядного устройства УР-2. На осциллограммах можно отметить следующие моменты процесса: возникновение короткого
замыкания; появление дуги между силовыми контактами БВ; момент срабатывания УР-2; отключение цепи тока короткого
замыкания и погасание дуги. Далее наблюдается процесс затухания тока в контуре «реактор сглаживающего устройства –
резистор УР-2». Этот процесс соответствует преобразованию электрической энергии, накопленной в индуктивности реактора, в
тепловую, выделяемую в резистор.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
Контрольные вопросы по ДРУ.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
1.
2.
3.
4.
5.
Из каких элементов состоит ДРУ.
Как включается в схему.
Как изменяется величина тока ограничения БВ при наличии ДРУ.
В какой момент времени начинает работать.
Изменяется ли полное время отключения БВ при наличии ДРУ.
Нарисовать график изменения тока через ДРУ.
Нарисовать графики изменения тока через БВ, ДРУ и в тяговой сети.
Как выглядит график тока через ДРУ после отключения БВ.
Нарисовать напряжение на контактах БВ.
Может ли быть напряжение на контактах БВ больше напряжения источника
питания?
Может ли энергия, выделяемая в процессе отключения короткого замыкания,
превысить энергию источника питания?
Изменится ли максимальная величина напряжения на контактах БВ при наличии
ДРУ.
Куда исчезает энергия, запасённая в индуктивностях тяговой подстанции,
реактора и тяговой сети.
По какому критерию можно оценить техническую эффективность ДРУ.
Какие можно отметить достоинства и недостатки применения ДРУ.
Какие функции выполняет реактор сглаживающего устройства тяговой
подстанции постоянного тока. Этот вопрос рассматривался в прошлом семестре
в дисциплине: «Основы компьютерного проектирования и моделирования
устройств электроснабжения».
Как элемент фильтр устройства – сглаживание выпрямленного тока.
Выпрямленный ток содержит постоянную и переменную составляющие.
Индуктивность создаёт большое сопротивление для переменного тока и не
проявляет себя на постоянном токе.
При возникновении короткого замыкания индуктивность препятствует
мгновенному возрастанию тока до опасных величин и представляет
возможность своевременного отключения тока короткого замыкания
защитными устройствами.
Однако, после достижения тока ограничения, препятствует быстрому
отключению, создавая большие перенапряжения в тяговой сети и на
подвижном составе.
Как соотносится порядок величин индуктивностей тяговой сети, реактора и
тяговой сети при близком коротком замыкании.
Почему облегчается работа БВ при наличии ДРУ.
Контрольные вопросы по УР-2.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Чем принципиально отличается УР-2 от ДРУ.
Почему требуется специальное устройство управления (УУ) включением УР-2 в
работу (а ДРУ включается в работу автоматически – уставка не нужна).
Что собой представляет уставка УР-2 и как она определяется.
Какую помощь может оказать математическая модель работы СТЭ с УР-2 для
выбора уставки.
Что физически представляет собой УУ УР-2.
Как моделируется работа УУ УР-2.
Почему у блока модели УР-2 две пары контактов. Назначение каждой пары.
Какие контуры образуются при срабатывании УР-2. Какая ветвь у них является
общей. А у ДРУ.
Какие показатели работы изменяются (или не изменяются) при работе УР-2 (ток
ограничения и его время, полное время работы, напряжение на контактах БВ).
Критерии для сравнения:
1.
2.
3.
4.
5.
Способ срабатывания – автоматически в зависимости от потенциального
состояния на зажимах разрядного устройства или при достижении значения
уставки срабатывания устройства.
Момент срабатывания – раньше или позже – эффективность устройства.
Количество устройств на одну тяговую подстанцию.
Техническая сложность устройства.
Сложность (уровень) математической модели для исследования процесса
работы устройства.
ПРИЛОЖЕНИЕ.
Дополнительный материал к теме: «Моделирование
быстродействующего выключателя и разрядных устройств тяговой
подстанции постоянного тока».
Вопрос. В блоке Chart модели используется переменная, содержащая значение тока
уставки выключателя – Iust (или уставки УР-2 –Uust). В тоже время входа в Chart для
передачи значения уставки нет. Возникает ошибка при моделировании.
Ответ. Используется альтернативный способ передачи данных в Chart посредством
установления связи с рабочей областью MatLab.
Ниже приводится пример передачи параметра из рабочей области в Chart.
Data From WorkSpace – извлечение данных из Рабочей области MatLab в Stateflow.
Позволяет уменьшить количество входов в Stateflow.
Например, требуется произвести расчёт по формуле
𝑘 ∙ 𝑥, если 𝑥 > 0
𝑦 = { √2
𝑘 ∙ 𝑥 , если 𝑥 ≤ 0
где,
x – вход в Chart;
y – выход в Simulink;
k – параметр, используемый в формуле, который может быть введён через
дополнительный вход в Chart, как аргумент x. Данный пример иллюстрирует другой
подход – ввод параметра к из рабочей области MatLab.
Рисунок 8. Модель Simulink, реализующая вычисление по заданной формуле при
помощи блока Chart пакета Stateflow.
Рисунок 9. Диаграмма Stateflow.
Последовательность действий (иллюстрируется рисунками №№3-7):
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Написать скрипт. Для этого пройти путь – File\Model Properties\ Model Properties;
Выбрать Callbacks\InitFcn;
Ввести текст, например, k=100;
Из контекстного меню вызвать Model Explorer.
Выбрать закладку Chart – увидим уже существующие локальные переменные x и
y, соответствующие входу в Chart из Simulink и выходу из него в Simulink;
Используя пункт главного меню обозревателя – ADD\Data добавить новую
переменную;
Дать новой переменной имя к и свойству Initial value присвоить значение
Parameter;
Нажать кнопку Apply и выйти из обозревателя.
Рисунок 10. Выбор элемента меню – свойства модели.
Рисунок 11. Выбор процедуры обратных вызовов для написания скрипта.
Рисунок 12. Вызов обозревателя модели Simulink (Explore) из контекстного меню.
Рисунок 13. Добавление данных в модель Simulink.
Рисунок 14. Новой локальной переменной присвоено имя «к» в правом окне
обозревателя «Data k». Внимание, свойству Initial value присвоено значение
Parameter.