Politechnika Lubelska

Wydział Elektrotechniki i Informatyki

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

Ćwiczenie nr 2

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

2

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

1 Ogólne uwagi dotyczące regulacji napięcia w

systemie elektroenergetycznymi.

Podstawowymi parametrami decydującymi o jakości energii elektrycznej dostarczonej

odbiorcom oraz o warunkach pracy systemu elektroenergetycznego są napięcie i

częstotliwość.

Działania zmierzające do utrzymania wartości napięcia na najkorzystniejszym poziomie

nazywa się regulacją napięcia, podobnie jak działania prowadzące do utrzymywania

właściwej częstotliwości – regulacją częstotliwości. W ramach niniejszego ćwiczenia

przedstawiono podstawowe problemy regulacji tego pierwszego parametru. Nadrzędnym

celem regulacji napięcia w systemie elektroenergetycznym jest utrzymanie takiej wartości

napięcia na zaciskach odbiorników energii elektrycznej, która zapewni ich prawidłowa pracę.

Z realizacją celu nadrzędnego jest związana realizacja celów dodatkowych:

- zredukowanie do minimum strat mocy i energii w sieci (co wiąże się ze

zoptymalizowaniem rozpływu mocy biernej),

- osiągnięcie maksymalnej pewności pracy i zdolności przesyłowej systemu.

Dążenie do osiągnięcia wymienionych celów jest oczywiście związane ze spełnieniem

szeregu warunków wynikających z ograniczeń technicznych, mających konkretny wymiar

ekonomiczny (np. przedwczesne zużycie podobciążeniowych przełączników zaczepów w

transformatorach przy zbyt częstym działaniu).

W sieciach systemu elektroenergetycznego można wyróżnić 3 charakterystyczne grupy sieci

zróżnicowane pod względem wysokości napięcia i rodzaju pracy, a także organizacji

prowadzenia ruchu. Grupy te bywają nazywane warstwami napięciowymi. Do warstwy

najwyższej zalicza się wielkie elektrownie oraz wiążące je sieci 220kV, 400kV i 750kV. Do

drugiej należą sieci 110kV wraz z zasilającymi je transformatorami.

Sposoby regulacji napięcia w poszczególnych grupach różnią się od siebie, zaś wpływ

regulacji w jednej grupie na warunki napięciowe w grupach pozostałych jest ograniczony.

Wzajemne powiązanie elementów systemu oraz ich możliwości regulacyjne przedstawiono

schematycznie na rys. 1.

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

3

Rys. 1. Elementy systemu elektroenergetycznego służące do regulacji napięcia i mocy biernej.

W różnych warstwach napięciowych niektóre z wymienionych powyżej celów regulacji mają

wyraźnie większe znaczenie od pozostałych. Tak wiec przy regulacji w sieciach średnich i

niskich napiec podstawowym celem jest zapewnienie najkorzystniejszych poziomów napiec u

odbiorców. W sieciach 110kV warunek zapewnienia najkorzystniejszych napięć odbiorcom

zatraca swą ostrość, gdyż wobec znacznego zakresu regulacji przekładni w transformatorach

110/śr.n. warunek ten sprowadza się do utrzymywania napięć 110 kV w dość szerokich

granicach. W zamian za to zyskują na znaczeniu inne cele t.j. ograniczenie strat mocy i

energii oraz utrzymanie maksymalnej pewności ruchu. W warstwie napięć najwyższych

najważniejsze cele regulacji napięcia to ograniczenie strat przy utrzymaniu maksymalnej

zdolności przesyłowej. Regulacja napięcia w tej warstwie posiada charakter kompleksowy i

obejmuje całą sieć krajową. Jest ona realizowana za pomocą regulatorów wzbudzenia

generatorów wielkich elektrowni, autotransformatorów sprzęgłowych, a rzadziej

kompensatorów synchronicznych i wieloczłonowych baterii kondensatorów. Węższy zakres

posiada regulacja napięcia w warstwie drugiej, ograniczona do obszaru równolegle

współpracującej sieci 110kV zasilanej z kilku sąsiednich stacji redukcyjnych.

Najmniejszy zasięg ma regulacja napięcia w sieci średniego napięcia ograniczona do obszaru

zasilanego z jednego tylko transformatora 110kV/SN. Jest to przypadek najliczniej

reprezentowany, a równocześnie najprostszy, bo sprowadzający się do regulacji pojedynczego

4

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

obiektu, tzn. transformatora z regulacją przekładni pod obciążeniem. Ten właśnie przypadek

jest przedmiotem badań przeprowadzonych w ramach niniejszego ćwiczenia.

2 Transformator jako urządzenie do regulacji

napięcia.

Transformator energetyczny o regulowanej przekładni jest elementem systemu

umożliwiającym regulację napięcia i rozpływu mocy biernej. Ogólne równania transformatora

wyposażonego w przełącznik zaczepów wynikają z jednofazowego schematu zastępczego

(rys. 2).

Rys. 2. Schemat transformatora jednofazowego o zmiennej przekładni.

E

1

= U

1

– I

1

Z

1

(2.1)

E

2

= U

2

+ I

2

Z

2

gdzie: Z

1

= R

1

+ jX

1

; Z

2

= R

2

+ jX

2

;

R

1

, R

2

– rezystancje uzwojeń,

X

1

, X

2

– reaktancje rozproszenia uzwojeń.

Uwzględniając, że R

1

<< X

1

, R

2

<< X

2

otrzymuje się:

E

1

= U

1

– I

1q

X

1

(2.2)

E

2

= U

2

+ I

2q

X

2

Równania (2.2) wraz z zależnościami

2

1

2

1

E

E

z

z =

=

ϑ

(2.3)

oraz

µ

ϑ

I

I

I

q

q

+

=

2

1

1

pozwalają na dokonanie analizy pracy transformatora w powiązaniu z różnymi układami

regulacji.

Regulację napięcia za pomocą transformatora przeprowadza się przez zmianę jego przekładni,

zwiększając bądź zmniejszając liczbę czynnych zwojów w uzwojeniu pierwotnym lub

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

5

wtórnym. O uzyskanych efektach napięciowych takiej regulacji decyduje nie tylko dokonana

zmiana przekładni transformatora, ale także warunki sieciowe w miejscu jego zainstalowania.

Spowodowane regulacją zmiany prowadzą do ustalenia się takich poziomów napięcia na

transformatorze przy których następuje równowaga poboru i wytwarzania mocy biernej.

Poniżej rozpatrzono 3 charakterystyczne przypadki usytuowania transformatora w sieci oraz

związane z nimi efekty zmiany przekładni:

a) transformator (a najczęściej autotransformator) jest usytuowany pomiędzy węzłami o

określonych w sposób „sztywny” wartościach napięć U

S1

, U

S2

; pomiędzy aktualną

wartością przekładni

ϑ a mocą bierną odbieraną po stronie (2) zachodzi następujący

związek:

1

2

2

2

2

2

1

2

2

1

2

X

X

U

X

I

U

U

U

Q

S

S

S

S

+

⋅

⋅

−

⋅

⋅

⋅

−

⋅

⋅

=

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

µ

(2.4)

Widzimy, że wartości przekładni określa żądany przepływ mocy biernej od jednego węzła do

drugiego.

b) transformator sprzęga węzeł wytwórczy (szyny elektrowni) z węzłem o określonej

wartości napięcia (szyny stacji przesyłowej); dzięki zmianom przekładni osiąga się

żądany poziom napięcia w węźle wytwórczym, nawet wtedy, gdy możliwości

wytwarzania mocy biernej w źródle są ograniczone.

Pomiędzy wielkościami zadanymi (U

S2

, Q

1

) a wielkością regulowaną (U

1

) oraz

przekładnią

ϑ zachodzi związek:

0

)

(

)

(

1

2

2

1

2

2

2

1

2

1

=

+

⋅

⋅

+

⋅

−

⋅

⋅

⋅

+

X

X

Q

U

X

I

U

U

S

ϑ

ϑ

ϑ

µ

(2.2)

c) transformator zasila sieć otwartą /w szczególnym przypadku promieniową/ ; zmiany

przekładni gwarantują odpowiedni poziom napięcia od strony tej sieci /U

2

/ przy

odpowiadającym mu poziomie mocy biernej Q

2

, tj.

0

)

(

)

(

2

1

2

2

1

1

2

2

2

=

+

+

−

⋅

⋅

+

ϑ

ϑ

ϑ

µ

X

X

Q

U

X

I

U

U

S

(2.3)

Na podstawie zależności /2.1/, /2.2/, /2.3/ stwierdzamy, że transformator wraz z odpowiednim

układem sterowania zmianami przekładni może pełnić różne funkcje regulacyjne w zakresie

poziomów napięcia, rozpływu i mocy biernej.

6

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

3 Regulacja przekładni transformatora zasilającego

sieć promieniową średniego napięcia

Na rys. 3 przedstawiono transformator wraz z układem regulacji zasilający sieć promieniową.

Transformator jest obciążony mocą P

S

, Q

S

w zależności od kształtu tzw. dobowych krzywych

obciążenia, odpowiednio dla mocy czynnej i biernej.

Sposób rozłożenia obciążenia wzdłuż linii możemy scharakteryzować wprowadzając

rezystancję R

Z

i reaktancję X

Z

zdefiniowane w następujący sposób:

S

n

i

i

i

Z

S

n

i

i

i

Z

Q

Q

X

X

P

P

R

R

∑

∑

=

=

⋅

=

⋅

=

1

1

;

(3.1)

przy czym:

P

i

– moc czynna odbierana w punkcie i,

R

i

– rezystancja pomiędzy transformatorem a i-tym punktem odbioru mocy czynnej,

Q

i

, X

i

– analogiczne wielkości dla mocy biernej i reaktancji

Z uwagi na fakt, że wszystkie moce występujące w (3.1) są funkcjami czasu (podlegają

zmianom dobowym) impedancja Z

Z

= R

Z

+ jX

Z

opisująca tzw. środek ciężkości obciążenia

również nie posiada ustalonej wartości.

Rys.3. Sieć promieniowa zasilana przez transformator z regulatorem napięcia.

Napięcie w środku ciężkości obciążenia Z w układzie bez regulacji napięcia wynosi:

3

)

(

110

⋅

⋅

−

⋅

−

⋅

=

b

S

Z

C

S

Z

Z

I

X

I

R

U

U

ϑ

(3.2)

a w układzie z regulacją:

3

)

(

)

(

⋅

⋅

−

⋅

−

=

b

S

Z

C

S

Z

T

Z

I

X

I

R

t

U

U

(3.3)

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

7

przy czym wartość U

T

(t) wynika z zaprogramowanych zmian przekładni transformatora.

Korzystne efekty regulacyjne uzyskuje się uzależniając wartość napięcia regulowanego od

prądu transformatora. Dokonuje się tego przez tzw. kompensację prądową regulatora

(szczegóły techniczne tego rozwiązania są w p.5) otrzymując:

[

]

3

)

(

)

(

)

(

⋅

⋅

−

+

⋅

−

+

=

b

S

Z

k

C

S

Z

k

T

Z

I

X

X

I

R

R

t

U

U

(3.4)

przy czym R

k

, X

k

są elementami układu kompensującego wbudowanego do regulatora.

Widzimy, że gdyby znana była zależność R

Z

(t), X

Z

(t), a elementy R

k

, X

k

mogłyby być

programowane tak, aby R

Z

(t) = R

k

i X

Z

(t) = X

k

, wtedy dobowy przebieg napięcia w środku

ciężkości obciążenia byłby zgodny z programem U

T

(t). W praktyce

U

Z

= U

T

(t)

+

F(t)

(3.5)

gdzie F(t) jest złożoną funkcją zależną od wielu czynników, której wartość powinna być w

procesie regulacji zminimalizowana. Optymalizacja nastawień R

k

, X

k

jest osiągana poprzez

eksperymentalne badania sieci terenowych zasilających charakterystyczne grupy odbiorców.

Możliwość programowania przebiegu U

T

(t) np. za pomocą telesterowania daje istotne

możliwości oddziaływania na odbiorców poprzez regulację napięcia. Jednakże w praktyce

krajowe wartości U

T

oprogramowane są w sposób „sztywny” (2 lub 3 wartości w ciągu doby

przełączane za pomocą układu zegarowego) co znacznie ogranicza możliwość uzyskiwania

tych efektów.

4 Zasada działania i budowa transformatorowych

regulatorów napięcia

Aczkolwiek szczegółowe rozwiązania techniczne poszczególnych typów regulatorów

mogą być znacznie zróżnicowane, to jednak w każdym z nich można wyróżnić

charakterystyczne elementy, które przedstawiono na rys.4.

Układ pomiarowy dokonuje porównania wartości zadanej napięcia (nastawionej na

regulatorze bądź wyprowadzonej przez urządzenie programujące) z wartością napięcia

transformatora. W regulatorze RNTT-32 wykorzystywanym w ćwiczeniu układ ten

zrealizowany jest w oparciu o wzmacniacze magnetyczne. Obecnie regulatory typu RNTT-32

są wypierane przez nową konstrukcję RNTH-3 opartą o technikę elektroniczną.

Przekaźniki opóźniające powodują, że sygnał na zadziałanie podobciążeniowego przekładnika

zaczepów podawany jest dopiero wtedy, gdy zmiana napięcia trwa istotnie długo. W badanym

regulatorze regulowana zwłoka

∆t = 20÷200sek. Powoduje ona, że średnia dobowa liczba

zadziałań przełącznika zaczepów nie przekroczy 30-60. Pozwala to na uniknięcie wysokiej

8

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

awaryjności przełącznika zaczepów, pracującego w szczególnie ciężkich warunkach

podobciążeniowych.

Przekaźnik blokujący stosuje się po to, aby po wykonaniu pierwszego przełączenia

zabezpieczyć się przed zrealizowaniem dalszych przełączeń, o ile nie będzie to konieczne.

Również dzięki temu podnosi się trwałość układu przełączającego.

Rys. 4. Schemat funkcjonalny regulatora napięcia transformatora RNTT 32.

Z punktu widzenia teorii regulacji automatycznej rozważany regulator jest elementem

trójpołożeniowym o charakterystyce statycznej zgodnej z rys. 5.

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

9

Rys. 5 Charakterystyka statyczna regulatora RNTT-32.

Widoczne na rys.5 symbole mają następujące znaczenie:

U

O

– napięcie zadane,

U

dz

– dolne napięcie zadziałania,

U

dp

– dolne napięcie powrotu

U

gz

– górne napięcie zadziałania,

U

gp

– górne napięcie powrotu,

h

d

= h

g

= h – histereza regulatora,

ε = U

gz

-U

dz

Ostatnie dwie wielkości podaje się najczęściej w procentach odnosząc je do napięcia

znamionowego regulatora U

on

= 100V

Ogólnie rzecz biorąc poprawna praca regulatora możliwa jest wtedy, gdy zachowane są dwa

warunki:

- nie może nastąpić jednoczesne wysłanie przez regulator sygnału na podwyższenie i

obniżenie napięcia,

- nie zachodzi przeregulowanie t.j. ciągłe przełączanie zaczepów transformatora w górę i w

dół.

Spełnienie warunku pierwszego wymaga aby:

h <

ε

który zapewnia najczęściej konstrukcja regulatora (dla RNTT-32

ε = 2 – 8% h = 0,4%).

Spełnienie warunku drugiego jest uzależnione od procentowej wartości napięcia zaczepu

transformatora przeliczonej na stronę wtórną i odniesionej do U

on

(

∆U

Z%

) i wyraża się w

postaci nierówności:

ε > ∆ U

z%

+ h

10

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

Ponieważ w przypadku laboratoryjnego modelu układu transformatora przełącznik zaczepów,

również ze spełnieniem drugiego warunku stabilnej regulacji napięcia nie ma problemu.

Szczegółowe informacje dotyczące modeli matematycznych regulatorów, szczegółów

rozwiązań technicznych zawiera praca [1] oraz fabryczne instrukcje producenta [2] (w kraju

transformatorowe regulatory napięcia produkuje Zakład Remontowy Energetyki w Gdańsku).

5 Dobór parametrów układu kompensacji prądowej

W praktyce do regulatora doprowadzane jest napięcie międzyfazowe z jednego z

przekładników pracujących w układzie V,

Międzyfazowe napięcie w środku ciężkości obciążenia wyznaczamy ze wzoru:

U

ST

Z

=

U

ST

-

∆U

ST

(5.1)

Techniczne rozwiązanie układu kompensacji. polega na doprowadzeniu do członu

pomiarowego i porównanie z wartością zadaną

(nastawnik członu pomiarowego jest wyskalowany w wartościach napięcia międzyfazowego)

wielkości proporcjonalnej do U

STz ,

zgodnie z rys.6a.

Ponieważ

U

0

= U

st

-

∆U

k

(5.2)

Zatem układ kompensujący powinien spełniać warunek:

∆U

k

⋅ ϑ = ∆U

ST

(5.3)

Uniezależnienie spełnienia warunku (5.3) od kąta fazowego obciążenia można osiągnąć jeśli

∆U

k

⋅ ϑ

U

=

∆U

ST

(5.4)

Z teorii sieci wynikają następujące zależności na straty napięcia

- strata fazowa

∆U

R

= (I

c

⋅R

Z

+ I

b

⋅X

Z

) + j(I

c

⋅X

Z

+ I

b

⋅R

Z

)

(5.5a)

- strata międzyfazowa

∆U

ST

= 3 [(I

c

⋅X

Z

+ I

b

⋅R

Z

) + j(-I

c

⋅R

Z

- I

b

⋅X

Z

)

(5.5b)

gdzie: I

c

, I

b

są składowymi prądu fazy R.

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

11

Rys.6.a) Schemat połączenia regulatora napięcia z siecią za pośrednictwem układu

przekładników, b) schemat układu kompensacji prądowej przekaźnika RNTT

W układzie przedstawionym na rys. 6b zachodzi zależność:

)

(

1

)

(

1

K

b

k

c

i

k

b

k

c

i

K

R

I

X

I

j

X

I

R

I

U

−

−

+

−

=

ϑ

ϑ

(5.6)

(dławik odwraca fazę napięcia)

Porównując (5.5b) i 5.6) stwierdzamy, że gdy parametry układu kompensacyjnego spełniają

zależności

12

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

k

i

U

Z

R

X

ϑ

ϑ

=

3

oraz

k

i

U

Z

X

R

ϑ

ϑ

=

3

(5.7)

3

2

X

u

R

i

K

ϑ

ϑ

=

3

2

R

u

X

i

K

ϑ

ϑ

=

wtedy spełniony jest warunek (5.4)

Widzimy zatem, że rezystancja układu kompensacyjnego odpowiada rezystancji sieci, a

reaktancja układu rezystancji sieci.

Rys.7.a) Schemat modelu laboratoryjnego: 1 – dwukolumnowy transformator regulacyjny, 2

– silnik napędowy, 3 – szczotki ruchome, b) zależności pomiędzy sygnałami regulatora oraz

impulsami sterującymi silnikiem poruszającym szczotki.

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

13

6 Zasada działania cyfrowego regulatora

Z pewnością regulator cyfrowy różni się rozwiązaniami technicznymi od regulatora RNTT to

jednak można w nim wyróżnić charakterystyczne elementy pełniące podobne lub ta same

funkcje. Schemat tego regulatora przedstawiono na rysunku 8.

Rys.8. Schemat funkcjonalny regulatora napięcia.

Układ pomiarowy dokonuje porównania wartości zadanej napięcia nastawionej

programowo z wartością napięcia na transformatorze. Realizowane w sposób programowy

zwłoki czasowe powodują, że sygnał na zadziałanie odpowiednich przekaźników podawany

jest dopiero wtedy, gdy zmiana napięcia trwa istotnie długo. Zwłoka ta nastawiana jest

programowo i może ona wynosić od 0 do 60 sekund.

Z punktu widzenia teorii regulacji automatycznej regulator jest elementem trójpołożeniowym

o charakterystyce przedstawionej na rys. 9.

U

dz

U

dz

U

gp

U

gz

h

d

h

g

U

wej

U

o

ε

X

1

0

Rys. 9. Charakterystyka statyczna cyfrowego regulatora autotransformatora

14

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

U

o

– napięcie zadane

U

dz

– dolne napięcie zadziałania

U

dp

– dolne napięcie powrotu

U

gz

– górne napięcie zadziałania

U

gp

– górne napięcie powrotu

h

d

= h

g

= h - histereza regulatora

ε= U

gz

– U

dz

– strefa nieczułości regulatora

Ostatnie dwie wielkości podaje się najczęściej w procentach odnosząc je do napięcia

znamionowego regulatora U

on

= 250V.

Ogólnie rzecz biorąc praca regulatora możliwa jest wtedy, gdy zachowane są dwa warunki:

• nie może nastąpić jednoczesne wysłanie przez regulator sygnału na podwyższenie i

obniżenie napięcia

• nie zachodzi przeregulowanie tj. ciągła zmiana pracy napędu w górę i w dół.

Spełnienie warunku pierwszego wymaga, aby h<

ε. Warunek ten sprawdzany jest programowo

w momencie startu pomiarów, w przypadku jego niespełnienia program wyrzuci ostrzeżenie.

Spełnienie warunku drugiego jest uzależnione od procentowej wartości napięcia zaczepu

transformatora przeliczonej na stronę wtórną i odniesionej do U

on

(∆U

z%

) i wyraża się w

postaci nierówności

ε > (∆U

z%

+ h)

Ponieważ w przypadku laboratoryjnego modelu transformatora ∆U

z%

= 1,6% również ze

spełnieniem drugiego warunku stabilnej regulacji napięcia nie ma problemu.

7 Opis laboratoryjnego modelu układu regulacji

napięcia.

7.1 Układ regulacji napięcia typu RNTT

Układ regulacji napięcia typu RNTT składa się z 3 elementów (rys.7)

- regulatora RNTT-32;

- 1-fazowego, kolumnowego transformatora regulacyjnego będącego modelem fizycznym

rzeczywistego transformatora sieciowego,

- układu impulsowego sterowania silnikiem napędowym szczotek, będącego rozwiązaniem

modelującym funkcjonalnie podobciążeniowy przełącznik zaczepów,

Do rzeczywistego transformatora z przełącznikiem zaczepów model ten upodabnia

impulsowe działanie silnika w momencie podania z regulatora napięcia sygnału „w górę" czy

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

15

„w dół". Jeśli nawet podczas posuwistego ruchu szczotki napięcie osiągnie zadaną wartość, to

ruch ten zostanie przerwany dopiero po zakończeniu skoku odpowiadającego zmianie

zaczepu rzeczywistego transformatora (rys.7b). Dzięki takiemu sposobowi sterowania, który

zrealizowano w oparciu o automatykę przekaźnikową, analogia pomiędzy układem

laboratoryjnym i układem rzeczywistym jest wystarczająca do realizacji celów dydaktycznych

ćwiczenia.

Widoczny na rys.7a transformator regulacyjny może być obciążony, zaś prąd obciążenia (do

5A bezpośrednio, powyżej przez przekładnik) może być doprowadzony do regulatora w celu

prowadzenia regulacji z kompensacją spadku napięcia. Napięcie

∆U

z%

(jeden skok szczotki)

odpowiada, rzeczywistemu procentowemu napięciu zaczepu transformatorów.

7.2 Układ regulacji napięcia z regulatorem cyfrowym

Układ regulacji napięcia, działający z regulatorem cyfrowym zawiera 3 elementy:

− cyfrowy regulator,
− 1 fazowy, kolumnowy transformator regulacyjny będący modelem fizycznym

rzeczywistego transformatora sieciowego,

− układ impulsowego sterowania silnikiem napędowym szczotek modelujący

podobciążeniowy przełącznik zaczepów.

Układ modelu laboratoryjnego jest więc bardzo podobny do układu z regulatorem typu

RNTT a jedyna istotna różnica jest w samym elemencie sterującym czyli w regulatorze.

Sposób połączeń oraz budowa regulatora jest pokazana na rys.10. Istotną rolę w nim

odgrywa program, którego dokładny opis umieszczono w następnym punkcie.

16

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

do karty
pomiarowej
komputera

z karty
pomiarowej
komputera

Rys. 10. Schemat modelu laboratoryjnego regulatora

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

17

7.2.1 Opis oprogramowania regulatora

Program ”CRA.exe” jest aplikacją pracującą w środowisku MICROSOFT

WINDOWS 9X, dlatego też jedynym wymogiem jest posiadanie komputera klasy PC z

zainstalowanym modułem LC-012-1612. Program umożliwia przeprowadzenie sesji

pomiarowej z graficznym przedstawieniem wyników pomiaru oraz zapis wykonanych

pomiarów w postaci elektronicznej. Wszystkie opcje dostępne poprzez wybranie

odpowiednich parametrów programu.

Po uruchomieniu program sprawdza biblioteki DLL serii LC, które są dostępne w

systemie i je wczytuje. W przypadku braku biblioteki sygnalizowany jest błąd i następuje

zakończenie pracy programu.

UWAGA! Odpowiednie biblioteki DLL dla modułów LC oraz plik konfiguracyjny

AMBEX.INI należy umieścić na standardowej ścieżce przeszukiwań WINDOWS, która

obejmuje: katalog WINDOWS, katalog WINDOWS\SYSTEM, katalog uruchomieniowy

programu CRA, katalogi z systemowej ścieżki PATH.

Przy tworzeniu oprogramowania modułu przyjęto zasadę, że cała komunikacja z

modułem prowadzona jest za pośrednictwem rezydentnego programu dostępnego dla

programów użytkowych poprzez przerwanie programowe. Takie rozwiązanie ma następujące

zalety:

• użytkownik jest zwolniony ze znajomości szczegółów technicznych tak modułu, jak i

używanego komputera,

• rozwiązanie to jest niezależne od używanej implementacji języka wyższego poziomu.

Program

obsługi został napisany w standardzie driver'ów systemu operacyjnego MS-

DOS (wersja 3.1. i wyższe). Główną przyczyną wyboru takiego rozwiązania jest

umożliwienie prostego badania obecności driver'a w systemie. Jedyną wykorzystywaną

standardową funkcją driver'a jest funkcja inicjalizacji wykonywana w trakcie ładowania

systemu. Po zainstalowaniu driver służy tylko jako obsługa danego przerwania

programowego.

Jeden driver jest w stanie obsłużyć do czterech modułów danego rodzaju

zainstalowanych w komputerze.

7.2.2 Interfejs użytkownika

Aplikacja

składa się z sześciu podstawowych obszarów są to: menu, opcje,

parametry, warunki, okno wykres oraz stan.

18

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

Rys.11. Ogólny wygląd interfejsu użytkownika.

•

Obszar

Opcje

.

Rys.12. Obszar Opcje.
Obszar ten składa się z dwóch przycisków typu „OptionButton” gdzie wybrana opcja

„Konfiguracja” odpowiada za przeprowadzenie konfiguracji programu i ustawienie

wszystkich wymaganych parametrów pomiarowych.

Opcja „ Start pomiarów” powoduje uruchomienie sesji pomiarowej.

• Obszar Parametry.

Rys.13. Obszar parametry.

Odpowiada za ustawienie wszystkich wymaganych parametrów niezbędnych do prawidłowej

pracy programu. Większość parametrów wybierana jest z listy typu „ComboBox”, jednakże

użytkownik ma możliwość wprowadzenia ręcznie z klawiatury komputera danych jeżeli

zachodzi taka konieczność.

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

19

• Obszar Warunki:

Rys.14. Obszar Warunki.

Użytkownik niema możliwości ingerencji w tej części, ponieważ wartości wyświetlane w tym

oknie są wyliczane automatycznie na podstawie parametrów wprowadzonych przy

konfiguracji programu.

• Obszar Menu

Rys.15. Obszar menu.
Posiada dwa przyciski: „Wyjście” odpowiadające za zakończenie pracy programu oraz

„Zapisz”, który umożliwia zapisanie wykonanej sesji pomiarowej.

• Obszar wykres

Rys.16. Obszar Wykres.

20

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

Jest to graficzny obszar interfejsu, odpowiada zarówno za wyświetlanie informacji o aktualnej

wartości napięcia mierzonego, jak również za wizualizacje tej wartości w postaci trendu.

Legenda umieszczona pod wykresem informuje o kolorze jaki może przyjmować linia trendu,

która zmienia się w zależności od wartości napięcia.

• Obszar Regulacja napięcia

Rys.17. Obszar Regulacja napięcia
Obszar ten składa się z dwóch kontrolek sygnalizujących pracę napędu. Informuje nas o

stanie wyjść cyfrowych, zapalenie się odpowiedniej lampki sygnalizuje wysłanie sygnału do

napędu w celu podwyższenia lub obniżenia napięcia.

7.2.3 Przykład zastosowania

Po uruchomieniu programu CRA.exe program domyślnie ustawiony jest w trybie

konfiguracji. Umożliwia on użytkownikowi dokonanie odpowiednich ustawień w menu

parametry zgodnych z celem ćwiczenia.

Zgodnie z zasadą działania cyfrowego regulatora opisaną w punkcie 6 do poprawnie

wykonanej sesji potrzebne są następujące parametry:

U

o

– napięcie zadane

90 V

h - histereza regulatora

20 V

ε

– strefa nieczułości regulatora

0,5 %

Dodatkowo w parametrach możemy ustawić jeszcze dwa warunki:

• zwłokę czasową, czyli czas po upływie jakiego regulator ma zareagować na stan

podwyższonego lub obniżonego napięcia.

• liczbę próbek, czyli informacja z ilu pomiarów napięcia ma być wyliczana średnia z

pomiarów. Opcja ta ustawiona na zbyt dużą wartość może spowodować spowolnienie

działania programu, możemy ją zmieniać w zakresie od 0-50 próbek.

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

21

Poniższy rysunek przedstawia odpowiednie obszary z uzupełnionymi danymi. Prawy obszar

„Warunki” zostanie uzupełniony danymi przez program po obliczeniu danych w chwili

wystartowania pomiaru.

Rys.18. Konfiguracja parametrów.
Po prawidłowym ustawieniu odpowiednich parametrów możemy przystąpić do wykonania

pomiarów.

Rys.19. Wygląd interfejsu podczas pracy programu.

Na rys 19 widoczny jest interfejs w trakcie dokonywania pomiarów. Program

obliczył odpowiednie warunki dla wprowadzonych danych zgodnie z którymi:

Górne napięcie zadziałania U

gz

= 100V

Górne napięcie powrotu U

gp

= 98,75V

Dolne napięcie zadziałania U

dz

= 100V

Dolne napięcie powrotu U

dp

= 81,25V

22

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

Na wykresie wartość górnego i dolnego napięcia zadziałania oznaczona jest przerywaną linią,

natomiast wartości U

gz

, U

gp

, U

dz

, U

dp

wpisane są w pola tekstowe znajdujące się po prawej

stronie wykresu.

Zgodne z charakterystyka przedstawioną na rys 9 i zasadą działania regulatora, który jest

elementem trójpołożeniowym wykres może zmieniać kolor w zależności od wartości napięcia

i przedziału w jakim się ono znajduje.

• kolor czerwony informuje, że napięcie mierzone U jest większe od górnego napięcia

zadziałania lub mniejsze od dolnego napięcia zadziałania U

gz

< U < U

dz

.

• kolor zielony świadczy o tym, iż napięcie znajduje się w zakresach określonych przez

histerezę regulatora czyli U

gz

> U

> U

gp

lub U

dp

> U > U

dz

• kolor czarny wykresu określa wartości napięcia, gdzie żadna z granic nie jest

przekroczona, napięcie znajduje się w stanie nieczułości regulatora.

Wszystkie możliwe stany i kolory jakie może przyjmować wykres widoczne są na poniższym

rysunku.

Rys.20. Przykład graficzny wykresu.

Aktualna wartość napięcia wskazywana w górnym polu odpowiada punktowi na wykresie

umieszczonemu przy osi y. Na wykresie widoczne jest ostatnie 100 próbek pomiarowych.

Czas w jakim one zostaną wykonane zależy od ustawionej zmiennej „Liczba próbek”, z

których wyliczana jest średnia.

Kolejny rysunek przedstawia przypadek, kiedy napięcie spadło poniżej dolnego napięcia

zadziałania.

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

23

Rys.21. Przykład działania programu.

Wykres przyjmuje barwę czerwoną, w obszarze „Stan” kontrolka „Góra” zapala się na

zielono co jest jednoznaczne z wysłaniem sygnału do przekaźnika służącego do uruchomienia

silnika w celu podwyższenia napięcia.

Sygnał ten zostanie oczywiście wysłany w momencie kiedy zmiana napięcia będzie trwała

dostatecznie długo (w naszym przypadku zwłoka czasowa = 2s).

Po wykonaniu pomiarów wynik możemy zapisać w postaci pliku tekstowego w formie

przedstawionej poniżej.

"Napięcie zadane = 90"
"Strefa nieczułości= 20"
"Górne napięcie zadziałania = 100"
"Górne napięcie powrotu = 98,75"
"Dolne napięcie zadziałania = 80"
"Dolne napięcie powrotu = 81,25"
"L.P Pomiar Góra Dół"," Czas próbki"
"1 82,88 0

0 13:49:10"

"2 82,82 0

0 13:49:10"

"3 82,88 0

0 13:49:11"

"4 82,92 0

0 13:49:11"

"5 82,86 0

0 13:49:11"

"6 82,90 0

0 13:49:12"

"7 82,80 0

0 13:49:12"

"8 83,02 0

0 13:49:12"

"9 82,76 0

0 13:49:12"

"10 82,98 0

0 13:49:13"

"11 82,86 0

0 13:49:13"

"12 81,93 0

0 13:49:13"

"13 80,35 0

0 13:49:14"

"14 80,43 0

0 13:49:14"

"15 80,41 0

0 13:49:14"

"16 80,45 0

0 13:49:14"

"17 80,41 0

0 13:49:15"

"18 80,49 0

0 13:49:15"

"19 80,41 0

0 13:49:15"

"20 80,45 0

0 13:49:15"

24

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

"21 80,35 0

0 13:49:16"

"22 80,39 0

0 13:49:16"

"23 80,28 0

0 13:49:16"

"24 80,33 0

0 13:49:17"

"25 80,28 0

0 13:49:17"

"26 80,35 0

0 13:49:17"

"27 80,45 0

0 13:49:17"

"28 77,92 0

0 13:49:18"

"29 77,85 0

0 13:49:18"

"30 77,75 0

0 13:49:18"

"31 77,82 0

0 13:49:19"

"32 77,86 0

0 13:49:19"

"33 77,81 0

0 13:49:19"

"34 77,80 0

0 13:49:19"

"35 77,90 0

0 13:49:20"

"36 77,88 1

0 13:49:20"

"37 77,90 1

0 13:49:20"

"38 77,88 1

0 13:49:21"

"39 77,85 1

0 13:49:21"

"40 77,81 1

0 13:49:21"

"41 77,90 1

0 13:49:22"

"42 77,88 1

0 13:49:22"

"43 77,90 1

0 13:49:22"

"44 77,75 1

0 13:49:22"

"45 77,86 1

0 13:49:23"

"46 77,90 1

0 13:49:23"

"47 77,92 1

0 13:49:23"

"48 77,88 1

0 13:49:24"

"49 77,92 1

0 13:49:24"

"50 77,86 1

0 13:49:24"

"51 77,65 1

0 13:49:25"

"52 77,85 1

0 13:49:25"

"53 77,92 1

0 13:49:25"

"54 77,92 1

0 13:49:26"

"55 79,14 1

0 13:49:26"

"56 80,33 1

0 13:49:26"

"57 80,20 1

0 13:49:27"

"58 80,33 1

0 13:49:27"

"59 80,45 1

0 13:49:27"

"60 80,49 1

0 13:49:28"

"61 80,51 1

0 13:49:28"

"62 80,35 1

0 13:49:28"

"63 80,35 1

0 13:49:29"

"64 80,35 1

0 13:49:29"

"65 80,28 1

0 13:49:29"

"66 80,30 1

0 13:49:30"

"67 81,34 0

0 13:49:30"

"68 82,90 0

0 13:49:30"

"69 82,84 0

0 13:49:31"

"70 82,98 0

0 13:49:31"

"71 82,86 0

0 13:49:31"

"72 82,96 0

0 13:49:32"

"73 82,90 0

0 13:49:32"

"74 83,08 0

0 13:49:32"

"75 82,88 0

0 13:49:33"

"76 82,84 0

0 13:49:33"

"77 82,90 0

0 13:49:33"

"78 82,90 0

0 13:49:34"

"79 82,72 0

0 13:49:34"

"80 82,85 0

0 13:49:34"

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

25

"81 82,90 0

0 13:49:35"

"82 82,92 0

0 13:49:35"

Na

początku pliku przestawione są parametry konfiguracyjne i warunki pracy

regulatora, następnie w kolumnach odpowiednio L.P – liczba porządkowa czyli numer próbki,

U – wartość próbki (napięcia), Góra i Dół – stan wyjść cyfrowych 1 lub 0 , Czas próbki – jest

to czas systemowy zapisany w momencie wykonania pomiaru.

W powyższym przykładzie program dokonał zapisu 82 próbek w ciągu 25 sekund. Zgodnie z

parametrami dolne napięcie zadziałania wynosi 80V. Wartości próbek od 1 do 28 są większe

od 80V regulator więc znajduje się w strefie nieczułości. Próbki od 28 do 35 mają wartość

mniejszą od 80V lecz system w tym momencie nie wysyła jeszcze sygnału do napędu w celu

podwyższenia napięcia ponieważ stan obniżonego napięcia musi trwać zgodnie z nastawioną

zwłoką czasową wynoszącą dwie sekundy. Dopiero po upływie tego czasu zostanie wysłany

sygnał, co jest widoczne w wynikach pomiarów na próbkach 36-67, w kolumnie góra wartość

zmienia się z 0 na 1 co odpowiada zmianie stanu wyjścia cyfrowego. Sygnał ten jest

podtrzymywany do czasu kiedy wartość napięcia nie wzrośnie powyżej dolnego napięcia

powrotu czyli 81,25V próbki 56-66 są przykładem tego stanu wartości są przedziału 81,25V >

U > 80V w kolumnie „Góra” wartość jest ustawiona na 1 i nie zmieni się dopóki napięcie nie

wzrośnie powyżej dolnego napięcia powrotu.

Analogicznie do przedstawionego przykładu będzie wyglądał przypadek wzrostu napięcia

powyżej górnego napięcia zadziałania. Regulator doprowadzi do obniżenia napięcia.

8 Program ćwiczenia.

W ćwiczeniu będą badane następujące zagadnienia dotyczące układów regulacji napięcia:

sprawdzanie kształtu charakterystyki statycznej regulatora, badanie warunków stabilnej

pracy regulatora, badanie efektywności regulacji napięcia. Jako pierwszy do badania zostaje

poddany regulator RNTT. W tym celu należy ustawić przełącznik dwupołożeniowy

trójbiegunowy P1 w położenie odpowiadające pracy regulatora RNTT, włączyć zasilanie

układu a następnie postępować zgodnie z opisem umieszczonym w poniższych punktach

ćwiczenia (8.1, 8.2, 8.3). Po zrealizowaniu poszczególnych punktów, należy poddać badaniu

cyfrowy regulator autotransformatora. W związku z tym należy przełączyć przełącznik

dwupołożeniowy trójbiegunowy P1 w położenie odpowiadające włączeniu do obwodu

regulatora cyfrowego, następnie włączyć zasilanie regulatora i przystąpić do badań, które

należy wykonać wg punktów 8.1, 8.2, opisanych poniżej.

26

Badanie modelu transformatorowego układu regulacji napięcia

Po skończeniu wykonywania ćwiczenia, należy odłączyć napięcie zasilania od układu i

przedstawić protokół z zapisanymi danymi pomiarowymi prowadzącemu laboratorium

8.1 Sprawdzanie kształtu charakterystyki statycznej regulatora.

Przy

wyłączonym napędzie szczotki transformatora regulacyjnego, zmieniając powoli

U

wej

za pomocą autotransformatora, należy obserwować stan sygnalizacji świetlnej i

wskazania woltomierza przyłączonego do zacisków przekładnika napięciowego.

Dla dwóch wartości napięcia zadanego nastawianego za pomocą zwór na przekładnikach A,

B regulatora i dwóch wartości strefy niedziałania

ε nastawionych za pomocą potencjometru

wyznaczyć wartości U

dz

, U

dp

, U

gz

, U

gp

i naszkicować charakterystykę regulatora.

8.2 Badanie warunków stabilnej pracy regulatora.

Załączyć napęd szczotki transformatora regulacyjnego. Zmieniając U

wej

obserwować

pracę układu sterowania napędem. Ustawić za pomocą przekaźników czasowych taką wartość

skoku szczotki transformatora, która miałaby wartość

∆U

z%

> 2%. Sprawdzić, że w

przypadku gdy

ε < ∆U

z%

+h następuje podawanie na przemian sygnałów „w górę” i „w dół”,

czyli stan pracy niestabilnej.

8.3 Badanie efektywności regulacji napięcia za pomocą regulatora

RNTT32.

Wykorzystując laboratoryjny układ regulacji napięcia należy zbadać efektywność

regulacji prowadzonej dla modelu pojedyńczej linii promieniowej zasilanej ze stacji

110/15kV. Schemat sieci rzeczywistej i modelu przedstawia rys.22.

Jest on zgodny z układem z ćwiczenia 1, w którym wyznaczono statystyczne wskaźniki

jakości napięcia w punkcie A. Jako mierniki efektywności procesu regulacji napięcia

przyjmujemy statystyczne wskaźniki jakości napięcia U

A

przy zmieniającym się obciążeniu

przyłożonym w punkcie C. W ćwiczeniu badamy siec, dla której R

z

= 8,7

Ω, X

z

= 5

Ω, zaś moc

P

c

(t) zmienia się wg dobowych krzywych obciążenia od 500 kW do 4000 kW. Krzywe do

modelowania przebiegu obciążenia dostarcza prowadzący ćwiczenia. Skale przeliczeniowe

dla modelu sieci są zgodne z przedstawionymi w ćwiczeniu 1. Ustawiając w stanie

bezobciążeniowym U

A

= 225V. Przyjmując 1h = 1min należy tak zmieniać obciążenie za

pomocą autotransformatora Atr, aby było ono w przybliżeniu zgodne z zadaną krzywą.

Laboratorium Sieci Elektroenergetycznych

27

Rys. 22. Schematy a) sieci rzeczywistej, b) modelu do badania efektywności regulacji

napięcia za pomocą regulatora RNTT32.

Przy zadziałaniu regulacji należy natychmiast korygować moc pobierana z modelu.

Otrzymamy z rejestratora wykres należy opracować statystycznie zgodnie z metodą opisaną w

ćwiczeniu 1. Wyniki należy porównać z wynikami otrzymanymi w ćwiczeniu zwracając

uwagę na wartości wskaźników jakości napięcia.

9 Literatura.

1. Praca zbiorowa „Instrukcja eksploatacji układów regulacji napięcia transformatorów” SEP,

Wrocław 1984.

2. Hellman W., Szczerba Z.:”Regulacja napięcia i częstotliwości w systemie

elektroenergetycznym” WNT 1978.