Прибор для построения ваттметрграмм электрооборудования систем электроснабжения
Автор: А.Н. Цветков, О.В.Цветкова, А.А.Цветкова
Источник: В сборнике: Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве. материалы IV Национальной научно-практической конференции. Казанский государственный энергетический университет. 2019. С. 362-369.
Аннотация.
А.Н. Цветков, О.В.Цветкова, А.А.Цветкова - Прибор для построения ваттметрграмм электрооборудования систем электроснабжения
В статье рассмотрены вопросы объективной оценки технического состояния электрооборудования напряжением до 1000 В. Предложен прибор, позволяющий получать ваттметрграммы по всем трем фазам питания. Описан алгоритм вычисления среднеквадратичного значения напряжения и тока.
Ключевые слова: оценка технического состояния, ваттметрграмма, прибор, микроконтроллер, истинное среднеквадратичное значение.
В настоящее время существует проблема объективной оценки технического состояния различного электрооборудования без остановки и вывода в ремонт. Один из путей решения данной проблемы – это применение метода оценки состояния по ваттметрграмме.
Ваттметрграмма представляет собой набор измеренных значений мощности во времени и получается с помощью специальных приборов, подключаемых в силовой канал питания электрооборудования, формирующих набор значений потребляемой мощности.
Наибольшее применение приборы, получающие ваттметрграммы, получили в нефтедобывающей промышленности для оценки состояния станков-качалок с глубинными штанговыми насосами. Использование для балансировки станка-качалки графика изменения потребляемой мощности за цикл качания позволяет в несколько раз повысить эффективность процесса балансировки. В конечном итоге это уменьшает удельное потребление энергии на добычу нефти и снижает износ оборудования. При этом техническое обслуживание и ремонт оборудования производятся только в том случае, когда они необходимы, и объем ремонтного вмешательства соответствует степени развития дефектного состояния, т. е. ремонтируются только те узлы, которые показали максимальный износ.
На рис. 1 показаны графики ваттметрграмм для двух станков-качалок (СК) – с оптимальным значением груза и с избыточным значением груза. За один цикл качания у сбалансированного СК имеют место два примерно одинаковых колебания мощности, у несбалансированного эти колебания существенно отличаются по амплитуде. В приведенном примере при небалансе при подъеме противовеса (первая половина цикла работы СК), потребляемая мощность существенно выше, чем при опускании (вторая половина рабочего цикла), следовательно, используемый груз избыточен.
Целью данной работы является разработка прибора, формирующего ваттметрграммы электрооборудования в трехфазной системе электроснабжения.
К прибору предъявляются следующие требования: измерение напряжения в диапазоне 230…400 В, измерение тока в диапазоне 0…5 А, вычисление мощности, частота построения ваттметрграммы до 10 Гц (до 10 измерений в секунду).
В настоящее время наиболее распространенные приборы, близкие по функциональным возможностям, для оценки параметров сети осуществляют вычисление значений напряжения, тока, мощности с частотой до 1 Гц, то есть 1 раз в секунду. Результаты, полученные с помощью таких приборов, подходят лишь для оценки небыстродействующих процессов и не подходят для работы в составе комплексов оценки состояния СК. Примеры ваттметрграмм, полученных с помощью промышленно выпускаемого прибора МЭ110-220.3М, представлены на рис. 2.
Как видно из рисунка, из-за низкой частоты формирования значений ваттметрграмма имеет низкую точность и сложна в дальнейшей обработке.
Поэтому становится актуальной разработка прибора, формирующего ваттметрграммы с частотой измерения до 10 Гц. Основу прибора составляет микроконтроллер ATmega 2560 – это инструмент для проектирования электронных устройств (электронный конструктор), более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для физических вычислений с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения. Микроконтроллер применяется для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами. Проекты устройств могут работать самостоятельно или взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере. Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Среда разработки программ с открытым исходным текстом доступна для бесплатного скачивания.
В качестве измерительных органов применяются датчики напряжения со встроенными прецизионными микро-трансформаторами напряжения, преобразующие измеряемое переменное напряжение 0…250 В в напряжение постоянного тока 0…5 В и датчики тока, преобразующие измеряемый переменный ток 0…5 А в напряжение 0…5 В. Внешний вид прибора показан на рисунке 3.
Алгоритм работы прибора основан на вычислении действующего значения напряжения и тока по принципу определения среднеквадратичного значения. В зарубежной терминологии для определения среднеквадратичного значения применяется аббревиатура RMS – root mean square.
Действующее значение тока и напряжения при этом, можно определить по формуле:
Активная мощность вычисляется через интеграл по одному периоду от мощности мгновенной:
Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи. Полная мощность S = U I, где U – напряжение на зажимах, I – периодический электрический ток.
Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.
На практике измеряемый период делим на некоторое число частей и измеряем напряжение и ток на каждом участке. Таким образом, мы получаем таблицу значений функций U(t) и I(t), поэтому от интегрирования переходим к суммированию:
Здесь N – количество отсчётов, приходящееся на один период сетевого напряжения (рис. 4).
Для проверки правильности работы алгоритма были построены математические модели напряжения синусоидальной формы и вычислены среднеквадратические значения для различного количества точек измерения. Результаты работы моделей показаны на рис. 5 и 6.
Как видно из рис. 5, для получения стабильной величины среднеквадратичного значения напряжения достаточно оцифровать первую полуволну при частоте дискретизации каждые 0,3 мс, то есть достаточно первых 32 значений мнгновенных величин напряжения. При этом микроконтроллер получает 64 значения на период напряжения или 3200 значений в секунду. Производя расчет среднеквадратического значения по 32 значениям, можно получить до 100 значений в секунду.
При снижении частоты дискретизации напряжения до выборки каждые 1,5мс, в среднем на период напряжения приходится 14 значений напряжения, но стабильная величина среднеквадратического значения напряжения получается лишь при обработке 32 значений, то есть каждые 48 мс или 20 значений в секунду. Снижение частоты дискретизации может понадобиться при необходимости ввода в программу расчетов дополнительных величин, таких как частота сети, коэффициент мощности и других.
Источники
- Корнилов В.Ю., Цветков А.Н., Мухаметшин А.И. Система автоматизированного контроля энергетических характеристик асинхронного электропривода штанговых скважинных насосных установок // Нелинейный мир. 2017. № 6. С. 76–80.
- Кунцевич В.А. Измерение параметров напряжения различной формы: учеб. пособие. М.: Издательство МАИ, 1991. 48 с.