автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Формирователи однофазного квазисинусоидального напряжения на основе резонансных инверторов

Введение.

Глава 1. Способы построения и схемы преобразователей постоянного напряжения в синусоидальное.

1.1. Типовые требования к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры

1.2. Основные способы формирования и критерии оценки синусоидального напряжения.

1.3. Модуляционные способы формирования выходного напряжения

1.4. Схемы резонансных тиристорных инверторов.

Глава 2. Анализ автономных резонансных инверторов.

2.1. Основные схемы и характеристики автономных резонансных инверторов.

2.2. Способы улучшения показателей тиристорного резонансного инвертора

2.3. Моделирование резонансного инвертора

Глава 3. Практические схемы преобразователей напряжения.

3.1. Преобразователь напряжения для питания радиоэлектронной аппаратуры.

3.2. Преобразователь напряжения для питания шлифмашинок.

Основная масса выпускаемой в настоящее время радиоэлектронной аппаратуры рассчитана на питание от сети переменного тока. В случаях, когда промышленная сеть недоступна, возникает необходимость в устройствах, которые могут преобразовать напряжение первичного источника питания в сетевое. Это связано с тем, что первичные источники электроэнергии (аккумулятор, дизель-генератор, солнечная батарея и т.п.) в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям потребителя по частоте, стабильности или величине напряжения. Чаще всего необходимо постоянное напряжение первичного источника преобразовать в переменное напряжение (127, 220 В, частота 50 (60) Гц, 400 Гц, 1000 Гц) [82, 83].

Устройства, осуществляющие преобразование постоянного напряжения в переменное, называются инверторами. Коммутирующие приборы силового контура инвертора, как правило, работают в ключевом режиме, поэтому естественной формой выходного напряжения является прямоугольная. Однако для того чтобы инвертор был универсальным по отношению к потребителям и удовлетворял всем требованиям нагрузок переменного тока, он должен формировать на выходе напряжение синусоидальной формы [34]. В связи с широким распространением альтернативных источников энергии (ветроэлектрические станции на Дальнем Востоке, солнечные батареи в Южных республиках СНГ и т.д.), а также с ростом объемов полевых работ, проводимых с привлечением современной специализированной РЭА, существует постоянная потребность в преобразователях нестабилизированного постоянного напряжения в синусоидальное. Следовательно, задача создания простых, надежных, с хорошими технико-экономическими показателями преобразователей напряжения первичного источника питания в синусоидальное напряжение с требуемыми для нагрузки параметрами остается актуальной.

В преобразователях данного типа наряду с инвертированием входного напряжения стоит задача выделения основной гармоники в выходном напряжении. Существует несколько основных способов получения синусоидального напряжения, такие как использование различных видов модуляторов напряжения (дискретный синтез) с последующей фильтрацией, либо непрерывное синтезирование формы кривой выходного напряжения. С помощью дискретных формирователей напряжения решаются задачи синтеза переменного напряжения для изменяемых, в том числе дискретно, частот, а также регулируемого в широком диапазоне напряжения [31, 32,44, 58].

При непрерывном синтезировании требуемое синусоидальное напряжение формируется непосредственно без промежуточного преобразования постоянного напряжения в импульсный сигнал. В простейшем случае синусоиду получают на выходе усилителя мощности, активные элементы которого работают в линейном режиме и управляются по входной цепи синусоидальным сигналом. Этот путь крайне неэффективен вследствие низкого КПД и в энергетической электронике не используется. Другой путь построение преобразователей напряжения на базе резонансных структур. Основой таких устройств является колебательный ¿С-контур, который обеспечивает синусоидальность тока в силовых цепях. Нагрузка может подключаться как последовательно с колебательным контуром, так и параллельно какому-либо из его элементов - чаще конденсатору [7, 10,21, 57, 59].

Синусоидальный характер тока обеспечивает резонансным инверторам ряд преимуществ по сравнению с другими классами преобразователей. Подобные схемы просты, надёжны, а их стоимость ниже, чем у модуляционных. Однако, вопросы оптимизации массогабаритных показателей при низкой частоте выходного напряжения, а также согласования с первичным источником питания ограниченной мощности ещё недостаточно исследованы.

Целью , работы является разработка и исследование формирователей однофазного квазисинусоидального напряжения на основе резонансных инверторов с улучшенными технико-экономическими показателями. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Анализ параллельного резонансного инвертора с ключом ввода энергии с целью получения расчетных соотношений, параметров и характеристик схемы.

2. Исследование с помощью физических и математических моделей предложенных схем автономных инверторов.

3. Разработка инженерной методики расчета схемы резонансного инвертора с ключом ввода энергии.

Диссертация содержит введение, три главы, заключение, список литературы (общий объем 175 е.), а также приложения.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Рассмотрены основные способы формирования переменного синусоидального напряжения, выявлены их достоинства и недостатки. Показано, что параллельный резонансный инвертор с ключом ввода энергии может быть использован в качестве формирователя квазисинусоидального напряжения, если добротность контура составляет не менее трёх, при этом коэффициент гармоник не превышает 5% для активной и активно-индуктивной нагрузки, и 12.5% - для нагрузок с выпрямителем и фильтром.

2. По таким технико-экономическим показателям, как КПД, коэффициент гармоник выходного напряжения резонансный инвертор сравним с модуляционным формирователем, а по параметрам надежности и стоимости резонансный инвертор выигрывает. Конкурентоспособность по массе и габаритам с модуляционными формирователями появляется при повышенной частоте выходного напряжения (400 Гц и выше).

3. Определена критическая добротность контура, равная «2.6, при которой ток дросселя в каждом цикле снижается до нуля.

4. Для исследования инверторов в различных режимах работы созданы их схемотехнические модели. Проведена их верификация и оценка адекватности путем сравнения результатов моделирования и физических экспериментов. Полученная при этом погрешность не превышает 2%.

5. Исследовано влияние формы потребляемого тока на энергетические характеристики элементов входного фильтра. Предложено для улучшения качества потребляемой энергии инвертор выполнять с многоканальным входом (2-3 канала). Доказано, что для двухканальной схемы суммарный запас энергии элементов фильтра снижается более чем на 10%, если циклограмма изменения нагрузки находится в диапазоне 0.1-Ю.9 от номинального значения.

6. Проанализированы вопросы включения резонансного инвертора. Для сокращения времени переходного процесса и ограничения перенапряжений при включении в режиме холостого хода предложено выполнить дроссель контура с обмоткой рекуперации.

7. Разработана инженерная методика расчета параллельного резонансного инвертора с тиристором ввода энергии.

8. Практически реализованы и внедрены два преобразователя на основе предложенных схем. Их параметры подтверждают достоверность основных теоретических положений работы.

Заключение

1. Агасьян М.В., Орлов Е.А. Электротехника и электрические измерения: Учеб. Пособие для техникумов. М.: Радио и связь, 1983. - 312 с.

2. Свид-во на полезную модель № 10300, МПК 6 Н 02 М 7/519 Автономный инвертор / Багинский Б.А., Макаревич В.Н., Огородников Д.Н., Ярославцев Е.В. Опубл. в Бюл. ПМПО, 1999, № 6. - С. 78.

3. Свид-во на полезную модель № 10299, МПК 6 Н 02 М 7/515 Параллельный инвертор / Багинский Б.А., Огородников Д.Н., Ярославцев Е.В. Опубл. в Бюл. ПМПО, 1999, № 6. - С. 78.

4. А.с. № 736304 (СССР), МКИ Н 02 М 7/515. Тиристорный параллельный инвертор / Сушков Е.Е. Опубл. в Б.И., 1980, № 19.

5. А.с. № 1705991 (СССР), МКИ Н 02 М 7/519. Автономный инвертор / Фёдоров А.Г. Опубл. в Б.И., 1992, № 2.

6. Бальян Р.Х., Сивере М.А. Тиристорные генераторы и инверторы. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. -223 с.

7. Бальян Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. М.: Советское радио, 1971,-720 с.

8. Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 119 е., ил.

9. Беркович Е.И., Ивенский Г.В., Иоффе Ю.С. и др. Тиристорные преобразователи высокой частоты. JL: Энергия, 1973.

10. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины: Учеб. Для электротехн. спец. вузов / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, B.C. Хвостов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1990. - 528 с.

11. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. - 207 е., ил.

12. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов ВУЗов. 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

13. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович, H.H. Юрченко, П.Н. Шевченко. М.: Радио и связь, 1988. - 288 е.: ил.

14. Гаушус Э.В. Исследование динамических систем методом точечных преобразований. М.: Изд. "Наука", 1976. 368 с.

15. Гельман М.В., Лохов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. М.: Энергия, 1975. 104 е., ил.

16. Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Л., "Энергия", 1969. 184 с.

17. Глебов Б.А. Магнитно-транзисторные преобразователи напряжения для питания РЭА. М.: Радио и связь, 1981.-96 е., ил.

18. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования. Пер. с немец., М., "Наука", 1971. 288 с.

19. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования. Пер. с англ., под ред. Цыпкина ЯЗ., М., "Физматтиз", 1963. 456 с.

20. Донской A.B., Кулик В.Д. Теория и схемы тиристорных инверторов повышенной частоты с широтным регулированием напряжения. -JI.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. 160 с.

21. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.0 PRO / M.: CK Пресс, 1997.-336 е., ил.

22. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1982.-496 е., ил.

23. Забродин Ю.С. Узлы принудительной конденсаторной коммутации тиристоров. М., "Энергия", 1974. 128 с.

24. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта.- М.: Радио и связь, 1986.- 576 е., ил.

25. Коэффициент мощности импульсных регулирующих устройств. С.Г. Обухов // Электричество. № 11. 1965. с. 36-39

26. Кремниевые управляемые вентили тиристоры (Технический справочник). Пер. с англ., под ред. В. А. Лабунцова и А.Ф. Свиридова, М., "Энергия", 1964. -360 с.

27. Кузин JI.T. Расчёт и проектирование дискретных систем управления. М., "Машгиз", 1962.-684 с.

28. Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 248 е.: ил.

29. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии. Кобзев A.B. -Новосибирск, "Наука", 1979. 304 с.

30. Модуляционные источники питания РЭА / A.B. Кобзев, Г.Я. Михальченко, Н.М. Музыченко. Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990. - 336 е.: ил.

31. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986.-376 е.: ил.

32. О коэффициенте мощности схем регулирования нагрузки переменного тока встречно-параллельно соединёнными тиристорами. И.П. Архиереев //

33. Электромеханика. № 12. 1969.

34. Огородников Д.Н., Ярославцев Е.В. Резонансный тиристорный преобразователь напряжения с тиристором ввода // Приборы и техника эксперимента, 1999. № 3. С. 105-107.

35. Петров Г.Н. Электрические машины. В 3-х ч. Ч. 3. Коллекторные машины постоянного и переменного тока. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Энергия", 1968.-224 е., ил.

36. Разевиг В. Д. Применение программы Р-САЕ) и Рэрке длясхемотехнического моделирования на ПЭВМ.- М.: Радио и связь, 1992.

37. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). М.: СК Пресс, 1996. - 272 е., ил.

38. Руденко B.C. и др. Расчёт устройств преобразовательной техники / B.C. Руденко, В .Я. Жуйков, И.Е. Коротеев. К.: Технша, 1980. 135 с.

39. Синтез автономных инверторов модуляционного типа. / Тонкаль В.Е. -Киев: Наук, думка, 1979. 207 с.

40. Стабилизированные автономные инверторы с синусоидальным выходным напряжением. Ковалёв Ф.И. и др. М., "Энергия", 1972. 152с.

41. Тиристоры (Технический справочник). Пер. с англ., под ред. В.А. Лабунцова, С.Г. Обухова, А.Ф. Свиридова, Изд. 2-е, доп., М., "Энергия", 1971.- 560 с.

42. Ту Юлиус Т. Цифровые и импульсные системы автоматического управления. Пер. с англ., под ред. В.В. Солодовникова, М., "Машиностроение", 1964. 704 с.

43. Управляемые полупроводниковые вентили / Ф. Джентри, Ф. Гутцвиллер, Н. Голоньяк, Э. фон Застров. Пер. с англ., под ред. В.М. Тучкевича, М., "Мир", 1967.-456 с.

44. Хасаев О.И. Транзисторные преобразователи напряжения и частоты. М.: Наука, 1966.-176 с.

45. Цыпкин Я.3. Теория линейных импульсных систем. М., "Физматгиз", 1963.- 968 с.

46. Четги П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 е., ил.

47. Шипилло В.П. Операторно-рекуррентный анализ электрических цепей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 312 с.

48. Багинский Б.А. Разработка и исследование систем стабилизации питания импульсных бетатронов: Дисс. на соискание учен, степени канд. техн. наук. -Томск, 1974.-213 с.

49. Буркин Е.Ю. Индуктивно-ключевые формирователи тока заряда ёмкостных накопителей: Дисс. на соискание, учен, степени канд. техн. наук. Томск, 1998.-125 с.

50. Очков В.Ф. Mathcad 7.0 Pro для студентов и инженеров. М.: КомпьютерПресс, 1998. - 384 е., ил.

51. Резисторы: Справочник / В.В. Дудровский, Д.М. Иванов, H .Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четвертакова и В.М. Терехова. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1991. - 528 е.: ил.

52. Тиристорные инверторы резонансного типа с широтным регулированием напряжения / Кулик В.Д., Юрченко H.H.; Отв. Ред. Губаревич В.Н.; АН УССР. Ин-т электродинамики. - Киев: Наук. Думка, 1990. - 200 с.

53. Цветков Г.И. Разработка и исследование однофазных стабилизированных инверторов с синусоидальным выходным напряжением: Дисс. на соискание учен, степени канд. техн. наук. Томск, 1975. - 213 с.

54. Булатов О.Г., Олещук В.И. Автономные тиристорные инверторы сулучшенной формой выходного напряжения. Отв. редактор к.т.н. В.В. Ермуратский. Кишинёв, "Штиинца", 1980. 113 е., ил.

55. Исследование автономных систем электроснабжения с первичным источником ограниченной мощности: Отчёт о НИР / Томский политехнический институт; Руководитель Б.А. Багинский. № гос. регистрации 0000 0000 001, инв. № 0001.0000001 - Томск, 1984. - 244 с.

56. Розанов Ю.К., Никифоров А.А. Высокочастотная коммутация электрических цепей с резонансными контурами перспективное направление преобразовательной техники // Электротехника. 1991. № 6. С. 20-28.

57. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М.И. Абрамович, В.М. Бабайлов, В.Е. Либер и др. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 432 е.: ил.

58. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем: Учебник для вузов 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1979 - 304 е., ил.

59. Бальян Р.Х., Обрусник В.П. Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств / ТИАСУР. Томск: Изд-во Томского университета, 1987. - 168 е., ил.

60. Соловьев И.Н., Гранков И.Е. Инвариантный к нагрузке инвертор. // Практическая силовая электроника. 2001. - №1. - С.24-28.

61. Багинский Б.А., Гребенников В.В., Нигоф Б.М., Огородников Д.Н., Ярославцев Е.В. Модуляционный формирователь квазисинусоидального асимметричного тока. // Приборы и техника эксперимента, 2001. № 2. С. 121

62. Казанцев Ю.М. Автоматизированное проектирование электронных устройств. Учебное пособие. Томск: Изд. ТПУ, 1999. - 88 с.

63. Казанцев Ю.М., Чертов А.С. Проектирование электронных устройств в среде пакетов программ "PSPICE", "POLUCE". Учебно-методическое пособие. Томск: Изд. ТПУ, 2000.- 104 с.

64. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2. М.: Солон-Р, 2001. -528 е., ил.

65. Ковалев Ф.И., Флоренцев С.Н. Силовая электроника на рубеже веков // Труды IV международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (АПЭП-98). Новосибирск: Изд. НГТУ, 1998, Т.7. С. 3-8.

66. Каталог Conrad Electronic 2002 (http://www.conrad.com).- 1260 с.

67. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Изд-во стандартов, 1997 18 с.

68. Суднова В.В. Качество электрической энергии, М.: Энергосервис, 200080 с.

69. ГОСТ 21128-83 Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Изд-во стандартов, 1984.-8 с.

70. ГОСТ 28596-90 Стандартные частоты. Изд-во стандартов, 1990 12 с.

71. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. 832 с.

72. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники,- М.: Высшая школа, 1980,- 340 с.

73. Преобразовательная техника. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М.- 2-е изд., перераб. и доп.- Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1983- 431 с.

74. Дмитриков В.Ф. и др. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний / В.Ф. Дмитриков, Н.Б. Петяшин, М.А. Сивере,- М.: Радио и связь, 1988.- 192 е., ил.

75. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры М.: Радио и связь, 1981.- 224 е., ил.

76. Источники вторичного электропитания / С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович и др.; Под ред. Ю.И. Конева М.: Радио и связь, 1983.- 280 е., ил.

77. Моин B.C. и Лаптев H.H. Стабилизированные транзисторные преобразователи. -М.: Энергия, 1972. 512 е.: ил.

78. Методология расчета инверторов с мягкой коммутацией Design methodologies for soft switched inverters / Divan Deepakaraj M., etc. // IEEE Trans.Ind.Appl.-l993-29, №1. C.126-135.

79. Надежность изделий электронной техники для устройств народнохозяйственного назначения. Справочник. 1988.- 190 с.

80. Ogorodnikov D.N., Yaioslavtsev E.V. A Resonance Thyristor Voltage Converter with an Input Thiristor // Instruments and Experimental Techniques, Vol. 42, No 3,1999, pp. 383-385.

81. Кузин Ф.А. Диссертация: Методика написания. Правила оформления. Порядок защиты. Практическое пособие для докторантов, аспирантов и магистрантов.-М.: «Ось-89», 2000.-320 с.

82. Пенин А. Л., Семенов А. Г. Высоконадежный, экономичный резонансный преобразователь с глубокой регулировкой выходного напряжения // Электротехника. 2002, № 7, с. 60-62.

83. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие. Изд. 2-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с. - (Серия «Учебники НГТУ»).97. http://www.good.vol.ru/agro/98. http://www.rzp.narod.ru/99. http://vetro-svet.spb.ru/