用电设备电能质量敏感度测试系统研究

第25卷第22期中国电机工程学报Vol.25No.22Nov.20052005年11月ProceedingsoftheCSEE©2005Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013（2005）22-0032-06中图分类号：TM712文献标识码：A学科分类号：470⋅40用电设备电能质量敏感度测试系统研究赵剑锋，王浔，潘诗锋（东南大学电气工程系，江苏省南京市210096）STUDYONPOWERQUALITYSUSCEPTIVITYTESTINGSYSTEMOFACCONTACTORZHAOJian-feng,WANGXun,PANShi-feng（DepartmentofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,JiangsuProvince,China）ABSTRACT:Theconcept,configuration,usageandfunctionofthepowerqualitysusceptivitytestingsystemaredescribed.ThemathematicalmodelofACcontactorisbuilt,anditspowerqualitysusceptivityhavebeencarriedthroughsimulationresearch.BasedonACcontactor’spowerqualitysusceptivitytestingsystem,whichiscomposedofpowerqualitysignalgeneratorandACcontactor,manyexperimentshawebeendonethroughchangingtheinputvoltageofACcontractor,andtheITIcurveisgotten.SimulationandexperimentresultsshowthatthemathematicalmodelofACcontactoriscorrect;thetestingsystemnotonlycanfulfillitsfunctions,butalsocanprovidereferenceforACcontactor’sdesignormanufactureandpopularizetootherequipmentspowerqualitysusceptivitytest.KEYWORDS:Powerquality;Susceptivitytestingsystem;ACcontactor;Signalgenerator;VoltageSag;ITIcurve摘要：提出了电能质量敏感度测试系统的概念，对其组成、用途、功能进行了定义和描述；以交流接触器为例，建立了数学模型，并对其电能质量敏感度进行了仿真研究；用大功率电能质量信号发生装置与某型号的交流接触器构成电能质量敏感度测试系统，通过改变接触器线圈输入电压的跌落幅值和持续时间进行了大量的实验，得到了反映交流接触器对于电压跌落耐受能力的ITI曲线。仿真和试验所得结果可以为交流接触器在生产过程中的测试提供参考，并能推广到对其它用电设备进行电能质量敏感度测试。关键词：电能质量；敏感度测试系统；交流接触器；信号发生装置；电压跌落；ITI曲线1引言随着经济的发展，大量非线性、冲击负荷的使基金项目：国家自然科学基金项目（50207002）。ProjectSupportedbyNaturalScienceFoundationofChina(50207002).用，导致电网中的电能质量问题日益严重。但是，各种以计算机、可编程控制器、嵌入式处理器为核心的精密用电设备对电源电压的要求越来越高。当电源电压发生畸变，会给半导体制造、信息、计算机或电子通信等行业带来巨大的经济损失。据统计，美国因为电能质量问题所带来的损失一年超过500亿美元[1-2]。因此，对电能质量的研究引起了国内外学者的广泛关注。但是，目前的研究热点主要在电能质量的检测、分析、评估、控制与治理等方面[3-6]，对用电设备的电能质量敏感度研究还没有引起足够的重视。然而，解决电能质量问题对用电设备产生的不利影响，一方面可以通过治理电网的电能质量；另一方面也可以对电气设备在出厂之前进行电能质量敏感度测试，若有问题进行改进，使之能够很好地适应电网用电环境，减少电能质量问题带来的经济损失。因此，对电气设备的电能质量敏感度进行研究具有很强的实用价值。目前，未对用电设备的电能质量敏感度进行深入研究的主要原因是能够模拟产生各种电能质量信号的大功率发生装置还不完善，现有方法和设备存在结构笨重，功能单一，精度差，输出功率小，缺乏智能化，通用性不够的缺点[7-8]。本文根据所研制的、基于现代电力电子技术的大功率电能质量信号发生装置对电气设备的电能质量敏感度进行了初步的研究[9]。当前，国外对设备的电能质量敏感度测试取得了一定的成果，但是所测试的设备也很有限，主要局限于电机调速系统、可编程逻辑控制器等[10-11]；国内对该领域的研究正处于起步状态[12]。本文对交流接触器电能质量敏感度进行了研究，主要原因是目前电压跌落是发生概率最大的电能质量问题[13]，PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建期赵剑锋等：用电设备电能质量敏感度测试系统研究33交流接触器在各行各业中被大量使用，它对电压跌落比较敏感，有研究表明当电压低于50%、持续时间超过1个周期，甚至低于70%或者更高,交流接触器就会脱扣[14]，从而影响生产的正常进行，导致巨大的经济损失。本文的主要工作是提出了电能质量敏感度测试系统的概念，并对其组成、用途、功能进行了定义和描述；建立了交流接触器的数学模型，并对其电能质量敏感度进行了仿真和试验研究，首次得到了反映交流接触器对于电压跌落耐受能力的ITI曲线。本文的研究结果可以为交流接触器在生产过程中的测试提供参考，可以降低在实际使用中的由于电源电压的问题所造成的经济损失。另外，在改变测试方法后也能推广到其它用电设备的电能质量敏感度测试。2电能质量敏感度测试系统电能质量敏感度测试系统指由电能质量信号发生装置、数据采集系统、后台计算机及控制分析软件、被测设备组成，能够完成对电气设备的电能质量敏感度测试并获取实验数据的系统，其组成如图1所示。在该系统中，核心是后台计算机及控制分析软件，它通过通讯接口控制电能质量信号发生装置产生需要的信号提供给测试设备，测试设备是否正常工作的反馈信号由数据采集系统获得并送到后台计算机，控制分析软件根据反馈信息做出被测设备的电能质量敏感度曲线。数据采集系统后台计算机及控制分析软件电能质量信号发生装置测试信号被测设备模拟或数字反馈信号图1电能质量敏感度测试系统结构图Fig.1Configurationofpowerqualitysusceptivitytestingsystem电能质量敏感度测试系统应当具有如下基本功能：（1）能够产生各类电能质量信号，包括电压跌落、闪变、凹陷、谐波、尖峰、骤升、过压、欠压等信号，并有较高的精度和较大功率。（2）具有完善的数据采集、通讯功能；可以采集反映被测设备工作状态的模拟和数字信号送入后台计算机。（3）智能化的控制分析软件；能够完成对电能质量信号发生装置的控制、信号分析处理以及自动形成测试报表的功能。（4）完善的保护功能；在测试中发生故障时可以有效地保护信号发生装置和被测试设备。与单纯对某个电气设备进行敏感度测试有所不同，电能质量敏感度测试系统体现的是全自动和智能化的特点。在这个系统中，测试设备和被测设备之间紧密联系，后台计算机、信号发生装置以及被测设备之间都有数据交换，控制分析软件是整个测试系统的核心。3交流接触器数学模型及仿真3.1电磁铁运动方程交流接触器的厂家技术资料表明，接触器线圈电压在85%~110%额定电压时能够可靠吸合，在20%~70%额定电压时能可靠分断。如果接触器线圈发生15%~30%的跌落时，接触器的动作行为存在不确定的情况，既可能出现脱扣，也可能保持吸合，但是接触电阻发生变化。本文根据上述资料建立了交流接触器数学模型，用以进行仿真研究。图2中为交流接触器的基本结构，d为气隙宽度；x为衔铁行程；k为弹性系数；L(x)为电感线圈；m为衔铁质量；D为不加电时平衡位置长度。其中L(x)为变量是行程x的函数。Riu(t)L(x)xdmkD图2交流接触器基本结构Fig.2StructureofACcontactor根据拉格朗日方程法构造的电磁铁运动方程[15]。动能T、位能V、拉格朗日函数P、耗散函数F和假设磁路不饱和时电感L(x)分别为2222211()2221122()TLximxkVxPTVFRirxcLxdDx⎧=+⎪⎪⎪=⎪⎪=-⎨⎪⎪=+⎪⎪=⎪+-⎩(1)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建()dKKKKPPFQtzqz∂∂∂-=∂∂∂＋(2)将式(1)代入式(2)，化简得电磁铁运动方程222dd()()()dd1d()dd2dddiLxRiLxiutttLxxxirkxmxtt⎧++=⎪⎪⎨⎪--=⎪⎩(3)式中r为衔铁移动阻尼系数；c为常数；zK为广义速度；qK为广义坐标；QK为广义力。3.2触头接触电阻数学模型对于接触器的触点，假定触头发生弹性形变，接触电阻的计算模型如式(4)所示[16]1()()nRgftftbh⎧=⎪⎨⎪=⎩(4)其中，R为接触电阻；g为常系数；f(t)为压力；n为0.9或0.333常系数，本文中取0.333；b为常数；h为形变长度。式(3)和(4)为交流接触器的数学模型。由于上述二式是非线性方程组，难以得到解析解，文中将其转化为仿真模型，用仿真的方法对接触器线圈电压发生跌落时的动作行为和触点接触情况进行研究。3.3仿真研究在上述数学模型的基础上，考虑实际的边界约束条件就可以对发生电压跌落是交流接触器的动作行为进行仿真研究。主要边界约束条件如下：最大行程X=2cm；触头接触范围1.9~2.0cm，接触电阻单位为Ω；额定电压u=220V；额定电压下接触器吸合时间为160ms。图3~5是在上述参数条件下得到的仿真结果。图3~5分别是电压跌落18%、18%、28%，持续时间为100ms、200ms和40ms的仿真波形；在图3~5中，从上到下三个波形依次为接触器交流线圈输入电压、行程和触头接触电阻。从图3可以看到，当输入电压在3s时发生幅值为18%、持续5个周期的电压跌落时，在跌落过程中由于电磁力减小，行程X发生微小改变，触头仍然处于接触位置，但是，此时触头间的压力减小，导致接触电阻R上升。从图4可以看到，虽然跌落幅值也为18%，但是持续时间增加到10个周期后，接触器发生脱扣，主要原因在于电流衰减时间增加，导致电磁力下降幅度增大，无法维持吸合状态。图5是电压跌落28%、40ms时机构触头行程发生U/V32064-1922.912.963.023.083.14t/s(a)X/cm2.912.963.023.083.14t/s2.11.260.42(b)R/Ω2.912.963.023.083.14t/s1.00.2-0.6(c)图3电压跌落18%，持续100ms时仿真波形Fig.3Simulationresultsofsag18%andduration100msU/V2.923.003.083.163.24t/s32064-192(a)X/cm2.923.003.083.163.24t/s2.11.260.84(b)R/Ω2.923.003.083.163.24t/s2.5×1061.5×1065×105(c)图4电压跌落18%，持续200ms时仿真波形Fig.4Simulationresultsofsag18%andduration200msU/V2.983.013.0