автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Циклический каскадный источник высокого постоянного напряжения с резисторным выходом

Национальный технический университет Украины Р Г 5 0 [^иевскн^ политехнический институт

1 6 ОПТ 1335

На правах рукописи

Зыонг Ву Ван

( Вьетнам )

УДК М1.тИ7

Циклический каскадный источник высокого постоянного напряжения с резисторным выходом

Специальность 05.14.12. техника высоких напряжений Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев 1995

Диссертация является рунописьп

Работа выполнелна на кафедре .техника и электрофизина высоких

напряжений

Национального технического университета Унраины (КПП).

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Кондра Б.Н

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор II.П. Емец

- кандидат технических наук, доцент B.C. Собчун

Ведущая огранизация - Унраинский институт трансформаторостроения

(г. Запорожье ) Защита диссертации состоится 30 /10 / 1995г в 15час На заседании специализированного совета К 01.02.19 по присуждении ученой степени кандидата технических наун в Киевсном политехническом институте ( 252056, г Киев - 56, пр Победы,37)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского политехнического института

Автореферат разослан /$ 1995Г

Ученый секретарь

Специализированного совета ,_

кандидат техн.наук, профессоа^^Л. Б.Н. Кондра

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Работа выполнена по задании Украинского института трансфор-маторостроения. Источники высокого постоянного напряжения используется при определении электрической прочности изоляции высоковольтного электрооборудования линий передачи постоянного тока, для ускорения заряженных частиц, входят в блоки питания разнообразных радиотехнических устройств, промышленных Финт-ров, рентгенаппаратов, томографов, зарядных устройств нанопителей энергии.

Циклические каскадные схемы предложены в Японии сравнительно недавно - в начале 70-х годов. Теоретические обоснования достоинств циклических каскадов по сравнении с известными схемами Грейнахера, Гельперна, Уокера и Петера отсутствуют.

Цель диссертационной работы - исследование работоспособности, достоинств и недостатков новой, предложенной на кафедре ТВН КПИ, модернизации циклического каскадного соединения конденсаторов и выпрямителей, но не с диодным или индуктивным, кан это предусмотрено в Японском патенте N56 - 33943 , а с резисторным выходом.

Пставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Проведение математического моделирования предложенной схемы циклического каскада, не идеализированной, а полной, - с учетом внутренних параметров питавшего схему трансформатора, то-коограничивающих резисторов, включенных в диодные ветви, соп-тивления и емкости обьента испытания.

2. Выбора программы расчета сложной схемы с нелинейными элементами с помощью ЭВМ и проверки достоверности получаемых с ее помощью результатов.

3. Создания инженерной методики расчета циклического каскада с резисторным выходом.

Автор защищает: целесообразность замены выходных диодов или

индунтивностей в схеме циклического наснадного соединения резисторами и экономическую эффективность результатов, получаемых с помощью предлагаемой методики расчета реальной , а не идеализи-

рованнои схемы каскада.

Методы исследования: физическое и математическое моделиро-

вание сложной многоконт/рнои схемы циклического каскада с учетом емкости, индунтивности рассеяния и сопротивления обмоток питающего трансформатора, а также ограничивавших диодные токи резисторов и емности нагрузки.

Научная новизна:.

1. Доказано, что предлагаемая схема характеризуется минимальной, по сравнения с известными схемами амплитудой пульсации выходного напряжения, но тем не менее зависящей от числа ступеней каскада.

2. Предложена формула падения напряжения Ли применительно к

Р

идеализированной схеме и разработана методина учета внутренних параметров трансформатора на расчетнув величину Ли .

Р

3 Доказана недостаточность предложенного в патенте Фирмы Нисин хайборутатзи N56-33948 условия выбора выходной индуктивности в схеме циклического каскада с индуктивным выходом. Практическая ценность.

Разработана методика инженерного расчета каскада, позволяющая снизить емкость включенных в схему конденсаторов при сохранении и даже снижении внутреннего падения напряжения в нагрузочном режиме работы.

Реализация результатов работав промышленности.

Результаты работы переданы в институт трансформаторострое-ние (г.Запорожье) и будут учтены при модернизации испытательных установок большого высоковольтного зала. Результаты работы вулв-чени в учебный курс . Высоковольтные испытательные установни.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в трех статьях общим объемом 2 пл.

Структура и обьем работы: диссертация состоит из аннотации,

введения, четырех глав, и заключения, изложенных на 86 страницах текста, 55 иллюстрированного рисунками и 16 таблицами: списка литературы из 23 наименований и трех приложений. В введении обоснована актуальность темы, приведены история раз-

вития каскадных схем выпрямления и умножения.напряжения и кратное содержание последующих глав диссертации.

В первой главе приведен критический анализ достоинств и недостатков существующих однофазных схем каскадных источников высокого выпрямленного напряжения. Сопоставляя количественные и качественные характеристики каскадных выпрямителей, доказано, что если иаснад предназначен для определения электричесной прочности изоляции, то схемы наиболее ноннурентноспособных предложенной схеме каскадов (симметричная схема и схема циклического каскада с индуктивным выходом) должны быть дополнены резисторами между выходом каскада и нагрузкой. В противном случае пробой испытываемой изоляции будет сопровождаться сверхтонами и нарушением термической стойкости элементов каскада. В предлагаемой схеме циклического каскада с резисторным выходом тоноограничи-вающие резисторы являится его неотъемлемыми элементами.

Во второй главе доказана возможность расчета конденсаторно-

диодных выпрямительных схем с помощью цифровой вычислительной машин. Проведена апробация программы расчета на схеме удвоения напряжения Грейнахера-Латура, заряд выходных конденсаторов которой хорошо изучен. Достигнуто совпадение результатов расчета схемы с помощью вычислительной техники и по известным Формулам.

В третьей главе выполнено математическое моделширование

цинличесного наснадного высоковольтного выпрямителя с индуктивным выходом.

Доназана недостаточность предложенного авторами схемы условия, с помощью которого следует выбирать значения выходных индунтнв-ностей. Доказана необходимость шунтирования выходных индуктив-ностей защитными иснровыми промежутками и включения токоограни-чиаающего сопротивления. Доназана нецелесообразность питания схемы напряжением промышленной частоты.

Четвертая глава посвящена исследовании возможностей схемы

циклического каскада с резисторным выходом. Предложена методина расчета идеализированней схемы (рис.2). Для подавления перенапряжений и сверхтоксс, возникающих в переходном режиме заряда нонденсатороп схемы с учетом индуктивности рассеяния трансформатора, предложено Формула расчета (рис.5). Доказано, что внутренние пзрамитря I. и С трансформатора яппяглеп причиной не-

редачи в сеть высших гармоник тона.

Предложены графини, позволяющие учесть влияние этих параметров- на величин/ внутреннего падения напряжения, и методика расчета реальной схемы (рис.5).

Доназана возможность в отдельных случаях значительно снижать емкости конденсаторов схемы при сохранении выпрямленного напряжения.

В заключении сформулированы основные итоги, полученные в диссертационной работе. В приложения вынесены: письмо ВИТ, таблицы и графики, с помощью которых уточняется влияние внутренних параметров трансформаторов на падение напряжения в схеме наскада при его работе на нагрузку.

Основное содержание работы

Циклическое построение наскадных выпрямительных установок предложено в 1973г. (патентный бюллетень Фирмы Ниссин Хайбору-тадзи N56-33948). Схема циклического каскада показана на рис.1 с диодным (рис.1а) и индуктивным (рис.16) выходом.

Сравнительный анализ циклических (рис.1) и известных каскадных схем (Грейнахера, Уокера - Петера, симметричной, Гельперна) проведен применительно к использованию установок в высоковольтных лабораториях крупных энергосистем, трансформаторных, набель-ных конденсаторных и изоляторных заводов, где требуется напряжение порядка ИВ и нагрузочный ток порядка десятков мА. Как по количеству элементов в п ступенчатом каскаде, так и по основным параметрам: падению Ли и пульсации <5и выпрямленного напряжения, циклическая схема с индуктивным выходом выгодно отличается даже от симметричной схемы, например, каснада Фирмы Хейфели, установленного в ВИТ (г. Запорожье). При равенстве числа 4п диодов и меньшем ( 2п вместо Зп ) количестве конденсаторов внутреннее падение напряжения и пульсация выходного напряжения в циклической схеме (рис.16) почти в два раза меньше, чем в симметричной .

Расчет аварийного режима каскада (рис.16) показал, что перекрытие изоляции нагрузки сопровождается перенапряжением на выходных индуктивностях. Защитить индуктивности можно параллельным подсоединением искровых промежутков, после пробоя которых защитить элементы схемы от сверхтоков возможно только с помощью сопротивления .

В диссертационной работе исследуется модификация схемы

(рис .16), приведенная на рис.2, о которой резисторы Г) стали ие-

Д

отъемлемой частью наснада. Схемо присвоено название .Циклический

наснад с резисторным выходом".

Первые зксперементы проводились на физических моделях нас-надоа (рис.1, рис.2). Получены осциллограммы тоноэ в диодных ветвях, обмотне трансформатора и в ветвях с конденсаторами. Необходимость широкого изменения параметров схемы и исследования влияния на ее работу внутренних параметров трансформатора потребовала перехода к математическому моделировании, и е дальнейшем все расчеты выполнялись с помощью ЭВМ.

Апробация программы, прежде чем приступить с ее помощь» расчетам сложных каскадных схем, проводилась на схемо, удвоения напряжения Грейнахера - Латура (рис.3), заряд выходного конденсатора С^ которой в переходном режиме включения схемы на переменное напряжение изучен: при и^ = и^э^пиь = ~, где

п = 1,2,3..., при и, = -I) з1п(Л и = и 2- - I, где п=0,1,2,...

1 т 2 г»[ ,п ]

Достигнуто точное совпадение результатов расчета потенциала и^

по приведенным формулам и с помощью ЭВМ.

Испытательные трансформаторы, питающие высоковольтные выпрямители, характеризуются высокими значениями коэффициента трансформации и индуктивности рассеяния. Идуктиеность рассеяние, например, трансформатора ИОМ 100/100 определяется формулой: 31,8 и и*

I- = —^- и равна 31,8Гн.

т Р

Машине задана схема (рис.4). Емкости конденсаторов С »С^г-С-

=0,319миФ выбраны по условия резонанса напряжений в контуре 0-4-1 при отпертом диод V, во время первого полупериода (и =-и з1па)Ь).

Л 1 Г11

Сопротивление оСнотки трансформатора = 1к0м. Задача расчета,

кроме апробации прс-рдмны, состояла в определении тс<а в ветвях су!?мы при ускоренней я условиях резонанса заряде выходного конденсатора С .

Достигнуто хорошее совпадение результатов машинного и аналитических расчетов: во время первого полупериода, при отпертом то" в Резонансном контуре 0-4-1 не превышал 9А, во время

второго полупериода ток в нонтуре 1-4-5-0 достигал 14,4А; в момент й = 25мс ток в нонтуре 0-4-1 равен 13,5А. Заряд конденсатора С^ заканчивался при й = Збмс, запирались оба диода.

При выполнении аналитических расчетов от полупериода к полупериоду изменялись начальные условия.

Удовлетворительная сходимость результатов приведенных расчетов позволила распространить математическое моделирование на более сложные схемы. В схему (рис.4) между точками О и 3 включена емкость С^ = 500пФ. Доказано, что во время запертого

состояния обоих диодов емкость обмотки трансформатора, разряжаясь через низкоомнуи сеть, иснажает форму напряжения на выходе обмотки ВН.

Небольшие емкости С^ запертых диодов и сопротивление отпертых диодов при умазанных значениях С и не влияют на процесс заряда конденсаторов схемы.

Представляет интерес подробное изучение циклического каскада с индуктивным выходом для более обоснованного сравнения его схемы со схемой рис.2, предложенной на кафедре ТВН КПИ. По мнении авторов схемы рис. 16 индуктивности I. должны выбираться тан,

Д

чтобы соблюдалось равенство напряжений на входе и выходе каскада: и^ - и^.

Проведена серия расчетов и^ в режиме холостого хода при все

возрастающих значениях Ц от нуля до = 240ГН. При I- - О,

Д . Д Д

по мере удаления ступеней от трансформатора, на их входы поступало все меньшее напряжения, и если бы существовала ги-1 ступень,

то на ее вход поступило бы напряжения и .,= О. По этой причине на

Мм

выходе схемы напряжение и^ оназалось равным не 2пит> а пиго- По

мере роста и возрастало и И и . При I- = 240ГН достигнуто ред Мм н д

номендованное равенство и « и , однако выходное напряжение и

п5 МИ Н

оказалось равным не 2п1) , нак ожидалось, а 1,4пЧ .

га т

Причина неудответворительной работы схемы состоит в разной

нагрузке нижних и верхних ступеней каскада. По внешнему нонтуру

A-M-L .-L -N-B в режиме холостого хода протекает переменный ток. Д1 Д2

При С = ОЛмнФ; L = 240Гн; п = 5 потенциал U, отстает от тока, Д А

а потенциал U отпережает его и оказывается сдвинутым относим

о

тельно потенциала U на 180 . Нормальна^ работа циклического А

каскада с индуктивным выходом наступает, ногда нагрузка всех

ступеней каскада становится индуктивной, когда условие U „ = U.....

A£J rlN

дополняется неравенством wL > n/аС. При частоте 50Гц для норД

мальной работы исследуемого наскада индуктивность L должна воз-

Д

расти до неприемлемых значений ЗООО-бОООГн. Справедливость приведенных рассуждений подвердил расчет того же наскада при f » .= 250Гц; L = 240ГН, С = 0,1мнФ, на выходе которого напряжение

Я

U = 2nU . н m

Циклическая схема каснада с индуктивным выходом работоспо-собния при питании от источника повышенной частоты.

Основной обьем диссертации занимает исследование циклического каскада с резисторным выходом при постепенном усложнении

расчетной схемы. Доказано, что сопротивление R должно превы-

Д

вышать л/wC. По результатам расчетов неустановившегося и установившегося режимов работы идеализированной схемы (рис.2) обнаружена неодновременность отпирания диодов, расположенных в равно-наклонных ветвях, - первым отпирается наиболее удаленный от трансформатора диод. .После усложнения схемы включением индуктивностей рассеяния трансформаторов возрасли токи во время первых первых полупериодов работы при включении на полное напряжение и возникли перенапряжения на ближайших к трансформатору конденсаторах. Для утранения сверхтоноо и перенапряжений в ветви

V

отся выбрать по Формула Г!0 = ^в/а. /С .

Доказано, что учет емлссти С нагрузки при сохранении выход-

н

ного напряжения и^ приэодит к значительному снижению амплитуды

пульсации &и.

Для схемы (рис .2) расчетным путем получены ооцилограммы

установившегося тока а резисторах Я и узловых потенциалов.

Д

Предложены выражения, определяющие токи I и потери Г о резис-

нд

горах й . Д

.2 .2

-Н

По результатам нескольких расчетных серий при const и

разных значениях С и R построены графики U(R ) и P(R ) и прэд-Д н д д

ложена формула R = (0,11. . .0,12)R , соответствующая минимуму Д н

потерь.

Доказана несостоятельность мнения о независимости от числа п ступеней пульсации напряжения. Предложена Формула: 6U = (0.075-. .0,1 )I .n/fC. Для идеализированной схемы (рис.2)

дан вывод Формул падения напряжения на i-том (при отсчете сверху

вниз) нонденсаторе AU . ., на конденсаторной колонне Ли . и

min 1 min С

Формула полного внутреннего паления напряжения

AUp = l^(4"3+n2-n + 2)+ (1) ■

В процессе вывода формул Ли учитывалась особенность работы циклического каскада-" в момент запирания последнего ( ближайшего к

трансформатору) диода, ногда и = U , не соблюдается, нак это

н нтах

имеет место в симметричных наскадах ГелЬперна, равенство зарядов в конденсаторах одних и тех же ступеней, наступающее в конце полупериода .

Индуктивности рассеяния 1_т и емкости Ст обмотки ВН питающего каскад (рис.5) трансформатора, взаимодействуя с конденсаторами С, резисторами RQ и частотой f сети, влияют как на величину

выпрямленного напряжения U^,.так и на качество напряжения питаю-

щей сети. Напряжение и = 2пи - Ли зависит от внутреннего паде-н п>

ния Ли. Расчет реальной схемы (рис.5) показал зависимость Ли от

Формы напряжения II на входе наскада и потенциалов и , и на 5-о 5 6

нломмах трансформатора. На Форму и влияет падение напряжения ,. 5—6

СЦ Т ■

-и- ... — и Фаза тока 1 в полуобмотке трансформатора относительно

ас т

потенциала соответствующего этой полуобмотие ввода. На рис.6 показаны расчетные кривые тока I , напряжений и и I), и падения

т1 1 5 ^

напряжения на индуктивности рассеяния. Падение напряжения -I- ~~

ох.

искажает форму кривой потенциала и . В зависимости от фазового

5

сдвига между 1 и и, наибольшее напряжение и, может превышать т1 5 5тах

и. при опережающем токе (рис.6а), а при отставшем токе:

1гаах

II < и. (рис.66). Многократно умноженное диодно-конденса-

5шах 1тах

торной схемой повышенное или пониженное напряжение на входе каскада вносит существенную поправну в значение 1)^, полученное

при расчете идеализированной схемы (рис.2).

Емкости ,СТ2 °®моток трансформатора значительно меньше

емности С конденсаторов каскада и не оказывает существенного

влияния на и . Конденсаторы С . и С _ заряжены соответственно до н т1 т2

напряжений и и и,. Во время паузы диодных токов указанные кон-5 6

денсаторы разряжается через индуктивности рассеяния, и в низко-вольнуи питающув ■ наскад сеть поступают высшие гармоники тока. В диссертации приведены расчетные кривые, аналогичные кривым (рис.6), но полученные с учетом Ст>

Цель дальнейших исследований состояла в определении поправочного коэффициента К = Ди/Ди , позволяющего вычислить истинное,

Р

с учетом 1_т, С^ и , значение Ли по известной с помощьв ( 1) величине Ли' , полученной применительно к идеализированной схеме.. р

На рис.7 показан один из девяти построенных графиков зависимости

2<Л. - 1/ыС

К от безразмерного аргумента а = ~ —-- , зависящего от

п. +2К О Т

Фазового сдвига между I и и^. Для удобства по оси абсцисс отн-

ладывалось 100а. График построен по данным 45 расчетов каскада

при п=5; и = ЮОкВ> ^БОГц; С = БООп»; Я = 1,5к0м; и L = 25Гн ш т т

и разных значениях В и С. Сопротивления й и определялись по н _ д О

формулам Я = 0,12Я ; = 1 ,8У21- /С . Каждый расчет определял Д но т

и^; 6и; Ли; и По результатам наждого расчета вычислялись

Ли ; К; и а. Емкости каскада принимались равными 0,05; 0,1; Р

0,2; 0,3; 0;4 мкФ. Сопротивление нагрузки изменялось от 12 до 36 МОм. Для пятиступенчатого каскада построено еще два графика при 1-т = 40 и 1_т = ЮГн. Аналогичные графини построены при п = 4 и

п = 6.

Предложенная методика коррекции ¿11 с помощью графинов, один

Р

из которых дан на рис.7, позволяет объяснить результаты ряда парадоксальных, на первый взгляд, расчетов циклического каснад с резисторным выходом.

1. С помощью ЭВМ определены напряжение и на выходе двух

индентичных четырехступенчатых каскадов, питающихся от одинаковых трансформаторов ( I. = 50Гн;(?т = 1,5к0м; С^ =

= БООпО; и » ЮОнВ; Г « 50Гц). 19

В схемы включены равные резисторы К = 24МОм; К - 2,9М0м и раз-

н д

ные конденсаторы: в первой схеме С=0,05мкФ, во второй С=0,4мк». Результаты расчета. В первой схеме и^ ■ 681,3+ 3,1кВ; во второй,

несмотря на в 8 раз увеличенную емкость конденсаторов, не

возрасло, а снизилось до 674,6+0,4нВ. Объяснение, в первой схеме

тон в контуре 0-1-5-8-2-0 при отпертом диоде 5-8 опэрежчит напряжение и. (см рис.6а); а =-0,4; К = 0,71; Ли согласно (1) рав-1 Р

но 169нВ; ли = К.ли = 119кВ. Во второй схеме ток в том же нон-Р

туре отстает от U. (см.рис .60); а = 0,73; К = 2,2; Ли = 57кВ: 1 Р

Ди = 125кВ.

2. При частоте 50Гц питания каскада: п = 4; U » ЮОнВ; С =

п»

= о,4мкФ; R = 24М0м; R = 2,9кВ; R = 1,5к0м; R„ « 16н0м н д т 0

расчетным путем определено выходное напряжение U^ = 708 + 0,5кВ.

После удвоения частоты напряжение U снизилось до 692+0,25кВ.

н

Объяснение. Аргумент а в результате удвоения частоты возрос с

0.077.до 0,78, поправочный коэффициент К возрос от 1,55 до 2,16. По этой причине падение напряжения не снизилось а возрасло от 92 до 108нВ.

, Основные результаты работы

Доказана работоспособность циклического каскада с резис-торным выходом. Предложена расчетная формула, определявшая индуктивность на выходе каскада с индуктивным выходом, и доказана нецелесообразность его проектирования при питании от источника промышленной частоты.

Исследовано влияние внутренних параметров трансформатора, ограничивающих диодные токи резисторов и емности нагрузки на работу циклического каснада с резисторным выходом. Предложена ме-тодина инженерного расчета не идеализированной, а полной схемы каскада, позволяющая в отдельных случаях значительно снизить стоимость конденсаторов.

По теме диссертации опубликовано 3 работы:

1. Кондра Б.Н., Рохварг А.Д, Зыонг Ву Ван. Работа схемы Грейна-хера - Латура с учетом внутренних параметров трансформатора и диодов./ Институт электродинамики HAH Украины. Препринт 753. Киев. 1993. 20с.

2. Зыонг Ву Ван. Циклический каскадный высоновольтный выпрямитель с индуктивным выходом /Депонирован в ГНТБ Унраины, N1915--Уч.94 Киев 1994, - 17с.

3. Кондра &.Н., Зыонг Ву Ван. Циклический каскадный высоковольтный выпрямитель с резисторным выходом /Депонирован q ГНТБ Унраины, N2191-yK 94, Киев 1994 - 18с.

Аннотация

Зыонг Ву Ван. Циклический каскадный источник высоного постоянного напряжения, рукопись.

05.14.12. Технина высоних напряжений.

Национальный технический университет Украины, Киевский политехнический институт. Киев 1995

Защищаются обобщающая научная работа, содержащая результаты математического моделирования предложенной на кафедре ТВН новой модернизации циклического каснадного соединения выпрямителей и конденсаторов, .но не с индуктивным, а с резисторным выходом. Проведено всестороннее исследование каскада в переходном и уста-новиишемся режимах. Получены необходимые формулы для инженерного расчета каскада с учетом внутренних параметров питающем/ схему трансформатора и тоноограничивающих резисторов в диодних нетвях. Уточнено условие выбора индуктивностей в схеме каскада с индуктивным выходом.

Результаты работы переданы в ВИТ (г.Запорожье) и внедрены е учебный процесс _

Abstract

Zuong Vu Van. The circle cascade resource of constant high voltages, raapuscript.

05.14.12. Engineering of high voltages. ,

The national technical university of Ucraine. The Kiev polytechnical university . Kiev 1995.

Three scientific works have been defended. They are ths results of the mathematical simulation for circle cascade's new modernization connecting rectifiers and condensers not with the inductive, but the resistance exit.

The comprehenshive researchs of the cascade in transient and steady regimes Here carried out. The necessary formulas for cascade's engineering calculation were received, taking into account inside parameters of a transformer supplied scheme and circuit restriction's resistance in the branch. The choice's condition of inductance in cascade scht-m«- wit}, tht> inductivo exit was specified.

The results of this work wass pasted into VIT ( zaporoze city ) and applied in educational process©