автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование и разработка индуктивно-емкостных источников питания

На правах рукописи

Дозоров Сергей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005535030

17 ОКТ 2013

Санкт-Петербург-2013 год

005535030

Работа выполнена на кафедре электротехнологической и преобразовательной техники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Опре Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Дмитриев Борис Федорович, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, кафедра «Электротехники и электрооборудования судов»

Кандидат технических наук Пшенкин Сергей Николаевич, заместитель генерального директора Закрытого акционерного общества научно-производственного объединения

«Тепломаш»

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Равенство» г. Санкт-Петербург

Защита состоится « а » ноября 2013 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

М.П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной электротехнике широкое практическое применение находят системы неизменного (стабилизированного) тока, то есть системы распределения и потребления электрической энергии, обеспечивающие независимость тока нагрузки от величины сопротивления нагрузки. Интерес к таким системам обусловлен их особенностью и возможностью применения во многих областях электротехники и инженерной электрофизики, которые условно можно подразделить на технические и экономические.

В электросварочной, электрометаллургической, плазменно-дуговой технологиях новый технический эффект при применении систем стабилизированного тока (ССТ) для питания дуговых разрядов заключается в радикальном повышении статической и динамической устойчивости дуги как рабочего технологического органа, так и в улучшении ее воспроизводимости, условий инициирования, регулирования, увеличении износостойкости электродов. Применение ССТ в электроприводах позволяет получить новый технический эффект: электроприводы обретают оригинальные свойства управляемого «источника момента», что с успехом используется в различных электромеханических устройствах. Именно этим объясняется интенсивное и все увеличивающееся проникновение этих систем в электротехнологическую практику.

Благодаря использованию индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) ССТ получили значительное распространение в электротехнологической практике. Основные преимущества ИЕП - простота, надежность, экономичность. Однако они имеют и недостатки: недостаточно хорошие массогабаритные показатели, сложность при осуществлении плавного регулирования тока в широких пределах и др. Данные недостатки были решены путем применения трансформаторно-емкостных преобразователей (ТЕП) и новых запатентованных схем регулирования выходного тока нагрузки. Применение ТЕП в качестве источников неизменного тока позволяет существенно снизить массогабаритные показатели ССТ.

В основе теории ИЕП лежат работы ученных П. Бушеро, Штейнметца, Виллиса, Бедфорда. Задачи проектирования и расчета ИЕП решились в работах, проведенных А.Н. Миляхом, А.Н. Волковым, Б.Е. Кубышином, И.В. Пентеговым, С.И. Закревским, Л.Р. Слободяном.

Однако существующие работы не охватывают все аспекты проблемы построения и проектирования ИЕП в виду отсутствия методики расчета преобразователей.

В настоящей работе рассмотрены теоретические и практические вопросы разработки, проектирования и исследования ИЕП, ТЕП и способов плавного регулирования выходного тока нагрузки. Решения данных вопросов представляют определенный научный и практический интерес, являются актуальной и своевременной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование источников неизменного тока на базе ТЕП, обеспечивающих заданную точность стабилизации выходного тока нагрузки для заданного диапазона изменения сопротивления нагрузки при снижении массогабаритных показателей. Создание методики расчета и проектирования ИБП и ТЕП, способов регулирования их выходного тока нагрузки.

Задачи исследования:

1. Критический анализ современного состояния и направлений развития источников неизменного тока на базе основных схем ИБП, исследование входных и выходных характеристик преобразователей и их массогабаритных показателей.

2. Определение входных и выходных характеристик источников неизменного тока, выполненных на база ТЕП.

3. Разработка методики расчета и проектирования однофазных и 3-х фазных ИЕП, и рекомендаций по выбору оптимальных схем для различных видов нагрузок.

4. Разработка методики расчета трансформатора с наперед заданным значением индуктивности намагничивания и рассеяния для ТЕП.

5. Разработка оригинальных способов плавного регулирования выходного тока нагрузки ИЕП и ТЕП.

6. Экспериментальное подтверждение численных расчетов характеристик ИЕП и ТЕП.

Методы исследования. Для получения достоверных и обоснованных научных результатов были применены современные аналитические и численные методы расчета. Численный расчет проводился путем моделирования в программе схемотехнического моделирования МкгоСар 9.0 и в среде БтиНпк пакета МАТЬАВ, и результаты были подтверждены экспериментальными исследованиями в лабораторных и производственных условиях.

Выносимые на защиту результаты:

1. Научно-обоснованный выбор оптимальных схем ИЕП для различных видов нагрузок с учетом массогабаритных показателей и энергетических характеристик преобразователей.

2. Методики расчета и проектирования индуктивно-емкостных источников питания на базе ИЕП и ТЕП.

3. Оригинальные схемы ТЕП, позволяющие существенно снизить массогабаритные показатели ИЕП.

4. Схемные решения и способы управления выходным током нагрузки источников неизменного тока.

5. Схемы управляемого заряда емкостных накопителей на базе ИЕП и ТЕП.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Даны рекомендации по выбору оптимальных схем ИЕП для различных видов нагрузок.

2. Разработана методика расчета и проектирования источников неизменного тока, выполненных на базе ИЕП и ТЕП.

3. Разработана методика расчета трансформатора для ТЕП с наперед заданным значением индуктивности намагничивания и рассеяния трансформатора с оптимальными конструктивными показателями.

4. Предложены схемные решения, обеспечивающие плавное регулирование выходного тока нагрузки ИЕП и ТЕП.

5. Разработаны новые схемы заряда емкостных накопителей

Обоснованность и достоверность полученных научных результатов и

выводов подтверждается корректностью поставленных задач и принятых решений и адекватностью используемых при исследовании численных моделей схем, выполненных в современной программе схемотехнического моделирования МюгоСар 9.0, проверкой результатов на экспериментальной установке, качественным и количественным сопоставлением результатов численного моделирования и экспериментальными данными.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Предлагаемые методики расчета и проектирования источников неизменного тока позволяют существенно упростить расчет ИЕП и снизить время, затрачиваемое на него.

2. ССТ на основе ТЕП позволяют существенно уменьшить массогабаритные показатели индуктивно-емкостных источников питания, и следовательно снизить их себестоимость.

3. Разработана методика и программа расчета трансформатора для ТЕП, позволяющая рассчитать трансформатор с наперед заданной индуктивностью намагничивания и рассеяния с оптимальными массогабаритными показателями.

4. Разработаны схемные решения и способы управления выходным током преобразователей, позволяющее плавно регулировать выходной ток как ИЕП так и ТЕП в широком диапазоне.

5. Разработаны новые схемы управляемого заряда емкостных накопителей энергии с применением ИЕП и ТЕП.

Реализация и внедрение результатов исследований. На основе результатов, полученных в ходе выполнения диссертационный работы, ССТ внедрены и более года успешно эксплуатируются на газокомпрессорной станции «Краснознаменская» Калининградского линейного

производственного управления магистральных газопроводов ОАО «Газпром». В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) основные положения работы внедрены в лекционные курсы и лабораторный практикум по дисциплине: «Силовая импульсная техника».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на четвертой научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии (ЭЭЭ-2009)», г. Новосибирск 23-24 октября 2009г), открытом научно-практическом

семинаре молодых работников ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», (г. Санкт-Петербург, 07-11 июня 2010г.), 7-ой международной научно-практической конференции, «Найновите постижения на европейската наука», (Болгария, София 2011г.) а также на 61 - 66 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (г. Санкт-Петербург, 2008-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, среди них 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 учебное пособие, 5 патентов РФ на полезную модель и 6 работ в других изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и изложена на 179 листах машинописного текста, содержит 148 рисунков, 22 таблицы, списка использованных источников из 104 наименований на 11 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, выделены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор технической литературы по принципу работы, истории развития, возможного применения и классификации ИБП.

Показано, что в определенных случаях возникает необходимость поддерживать неизменным заданное значение тока нагрузки независимо от изменения ее сопротивления. Исследованы электромагнитные процессы в схемах ИБП, получивших широкое применение на практике. Поскольку схемы Бушеро (рис. 1,а) не получили широкого применения на практике, основные показатели работы ИБП значительно улучшаются при введении магнитной связи между индуктивными катушками в Т-образной схеме ИБП (рис. 1,6). Введение такой связи позволяет уменьшить емкости конденсаторов и размеры индуктивных катушек, а, кроме того, магнитная взаимосвязь увеличивает точность стабилизации тока ИБП.

Наиболее простые, надежные и экономичные из них одно- и трехфазные ИБП, выполнены в виде симметричной Т-образной и мостовой схем Штейнметца (рис. 1,в).

м

и ¿2

а) б) в)

Рисунок 1 - Схема Бушеро (а), Т-образная схема (б), Схема Штейнметца (в) Основными особенностями и преимуществами ИБП, которые позволяют

их рекомендовать для использования во многих отраслях электротехники как основу для создания систем питания неизменного тока являются:

1) схемная и конструктивная простота, обеспечивающая высокую эксплуатационную надежность;

2) высокие энергетические показатели - к.п.д. и коэффициент мощности;

3) возможность выполнения ССТ практически на любые предельные токи, напряжения и частоты, встречающиеся в электротехнической практике;

4) некритичность к коротким замыканиям в цепи нагрузки, а при соответствующем расчете - и к режиму холостого хода;

5) возможность параллельной работы блоков ИЕП на различные номинальные токи и мощности, позволяет расширить их возможности как в регулировании, так и резервировании;

Вместе с тем ясно, что обеспечение всех этих преимуществ возможно лишь при тщательной проработке теории ИЕП как своеобразного класса электрических цепей.

Во второй главе произведен анализ электромагнитных процессов в ИЕП, в частности произведены исследования точности стабилизации тока нагрузки и значения коэффициента мощности от величины сопротивления нагрузки. В качестве исследуемых схем были выбраны Т-образная схема (рис. 1,6), Т-образная схема с емк. (рис. 2, а), Схема Штейнметца (рис. 1,в) и П-образная схема (рис. 2,6)

а) б)

Рисунок 2 - Т-образная схема с емк.(а), П-образная схема (б) С помощью программы схемотехнического моделирования МкгоСар 9 были получены зависимости действующего значения тока нагрузки от величины сопротивления нагрузки, которые позволили далее рассчитать коэффициент отклонения действующего значения тока нагрузки к,, определяемый по формуле:

к, = — -100%,

где - диапазон изменение действующего значение тока

нагрузки, /р - действующее значение тока нагрузки при значении

сопротивления нагрузки равном эквивалентному волновому сопротивлению схемы. Результаты расчетов занесены в табл.1

Исследования производились для трех диапазонов изменения

величины сопротивления нагрузки /?н:

а) от 0,1р до 1 р,

б) от 1р до 5р

в) от 0,1р до 5р.

На рис. 3 представлены действующие значения токов нагрузки в зависимости от величины сопротивления нагрузки для Т-образного ИБП при значении эквивалентного волнового сопротивления 10,6 Ом и изменении величины сопротивления нагрузки от 1 до 10 Ом с шагом Юм. Аналогичным образом определялся диапазон нестабильности выходного тока нагрузки для других диапазонов изменения величины сопротивления нагрузки и других исследуемых схем.

Кч

.... і

Рисунок 3 - Зависимость действующего значения тока нагрузки от величины сопротивления нагрузки

Таблица 1.

Результаты расчета коэффициента А:, при р= 10,6 Ом.

Параметр Исследуемая схема

Т- образный ИБП Т- образный ИБП с емк. Схема Штейнметца П- образный ИБП

7',А 20,567 20,536 20,546 20,945

Д„=1-Ю, Ом 0,377 0,350 0,355 0,147

к',% 1,823 1,704 1,728 0,702

Дн=10- 50, Ом 1,570 1,591 1,589 1,336

к',% 7,634 7,747 7,734 6,379

Д„=1-50, Ом ^А 1,945 1,941 1,944 1,483

9,457 9,452 9,462 7,080

С помощью программы схемотехнического моделирования МюгоСар9.0 были получены зависимости значения коэффициента мощности от величины сопротивления нагрузки ( рис. 4), доказывающие, что все

симметричные ИБП имеют коэффициент мощности близкий к едиице.

Ян-1 Ом............................ ........... ...Т-образный ИЕП.................... ::"...: ... .......... ........... ........ 998.993т......... ............... 1..............

..................——-:....... ' • • ЯН=1 ОМ ........ .... .' "Т-образный ИЕП семк. .............. Т.............. Є90.68бт ..... .................... 1......

' дн=) он.......... " Схема ШТвЙНМЄП4а ..... 996.989і» ..................... 1.........

">н=1 Ом ............ .................-П-образный ИЕП..... ................. ...........................996.321т....... ............................і ..............

Рисунок 4 - Зависимость коэффициента мощности от величины сопротивления нагрузки при р = 10,6 Ом и работе на мостовой выпрямитель Средства МісгоСар 9.0 позволили произвести исследования электромагнитных процессов в ИБП при заряде больших аккумуляторных батарей и емкостных накопителей.

Было установлено, что при нагрузке, представляющей собой противо-э.д.с., во всех однофазных схемах, кроме П-образной, форма тока, потребляемого от сети (рис.5) и гармонический состав входного тока (рис.6), существенно отличается от синусоидальной.

■ Т-образиын ИЩ:

\ , ' , ' N. ^ __„ ; У. Л. , \ ,_, \ . Л

Л - > - 1

^ ^ ..........Т-обра1ныи,ИЕПс.1вш.

.::!.....................V/....

/і......•• -і •••л-.....л • ••■ V-......-> •••■ ^ СхемаШтвЦнметца

>. , , \-- .. > \ , V , ^-\ ,■ ■ / ч , V

А-

I J

. ■ П-образн^ш ЙЁГ£

Рисунок 5 — Временные зависимости напряжений и токов на входе ИБП при нагрузке в виде противо-э.д.с.

"■'•••■ . .:: я :: ■■ ::. .. Т-образныИ ИЕП .:.....:::.::..:: : ::.:: с■ ■ ■ ■ ■ ::

! ■■ ■■ -Т-образны« ИЕП с вмк;

.. * •;.;•;;; ............• •. Схема Штеинметца.............................

Рисунок 6 — Гармонический состав сетевых токов ИЕП.

Так же показано, что при заряде больших емкостных накопителей все ИЕП обеспечивают линейный рост напряжения заряда (рис. 7).

Рисунок 7 - Временные зависимости напряжений заряда. При этом в процессе заряда форма токов сети у всех схем, кроме П-образной схемы, также существенно отличается от синусоидальной (рис.8).

" Т-обра»ный ИБП

Т-образный ИЕП.е

Схема Штецнметцв ■ /\

......Г1-ебразныи НЕП......

Рисунок 8 - Временные зависимости напряжений и токов на входе ИЕП при заряде емкостных накопителей. Все схемы, за исключением П-образной, кроме основной гармоники, имеют так же 3, 5 и 7 гармоники (рис. 9).

Т-обрвыын ИЕП

' Т-образный И ЕГГ с в

Схема Штеинметца

П-обрвзный ИЕП ::

Рисунок 9 — Гармонический состав сетевых токов ИЕП при заряде емкостных

накопителей.

На основе исследований схем в базисных величинах было установлено, что Т-образная схема с магнитной связью и схема Штейнметца обладают лучшими массогабаритными показателями, но требуют изготовления двух индуктивностей, причем в первом случае размещенных на общем магнитопроводе. Окончательный выбор схемы ИЕП может быть сделан в результате конструктивных расчетов дросселей.

Схемы трехфазных ИЕП образованы путем включения системы однофазных преобразователей в трехфазную сеть и нагруженных на трехфазный трансформатор с выпрямителем. Из всего разнообразия трехфазных ИЕП в работе анализируются две основных схемы: Т-образный ИЕП и П-образный ИЕП, как наиболее показательные. При этом выяснилось, что параметры трехфазных преобразователей существенно зависят от схем включения составляющих их однофазных преобразователей. Можно выделить две основных схемы включения - фазное включение и линейное, когда входы однофазных преобразователей подключены к линейным напряжениям сети.

На основе полученных результатов анализа схем трехфазных ИЕП был сделан вывод о том, что наиболее оптимальной трехфазной схемой при работе на активную нагрузку и заряд емкостных накопителей является П-образная схема с фазным включением конденсаторов, но она имеет в л/з раз меньше действующее значение выходного тока, чем П-образная схема с линейным подключением конденсаторов. П-образная схема с фазным подключением конденсаторов хорошо стабилизирует выходной ток нагрузки и имеет линейную характеристику заряда емкостного накопителя.

В третьей главе произведен анализ электромагнитных процессов в запатентованной схеме ТЕП (рис. 10) при работе на различные виды нагрузок. Так же представлены различные способы регулирования выходного тока нагрузки ТЕП и ИЕП, различные схемы управляемого заряда емкостных накопителей.

Рисунок 10 - Эквивалентная схема ТЕП На рис. 11 показано, как изменяется действующее значение выходного тока нагрузки при изменении сопротивления нагрузки от 1 Ом до 50 Ом с шагом в 5 Ом

Рисунок 11 - Действующие значения токов нагрузки Результаты расчета к, для ТЕП представлены в табл.2.

Таблица 2.

Результаты расчета коэффициента Л, при /7 = 10,6 Ом.

Параметр Исследуемая схема

Схема Штейнметца П- образный ИЕП ТЕП

Vа 20,552 20,946 20,998

Дн= 1-10, Ом 0,357 0,146 0,155

к,,% 1,737 0,697 0,740

/?„= 10-50, Ом аі^А 1,589 0,937 0,977

к,, % 7,732 4,473 4,663

Л„ = 1-50, Ом д/^А 1,946 1,083 1,132

9,469 5,170 5,402

На основе данных исследований можно сделать вывод о том, что ТЕП хорошо стабилизирует выходной ток нагрузки.

Анализ электромагнитных процессов в ТЕП при заряде больших емкостных накопителей показал, что по входным характеристикам ТЕП уступает П-образному ИЕП и полностью аналогичен Т-образному, у ТЕП как и у Т-образного ИЕП присутствуют 3-я, 5-я, 7-я и 9-я гармоники. ТЕП при заряде емкостных накопителей обеспечивает линейный заряд. В процессе заряда форма тока ТЕП существенно отличается от синусоидальной.

Схемы трехфазных ТЕП образованы путем включения трех однофазных ТЕП в трехфазную сеть и нагруженных на выпрямитель.

Разработана и запатентована схема регулирования выходного тока нагрузки с помощью ШИР, в которой к выходу источника неизменного тока подключается регулятор к выходу, которого в свою очередь подключается нагрузка (рис. 12). В качестве источника неизменного тока могут применяться как ИЕП так и ТЕП.

ИЕП или ТЕП + У і ¿2 = с т

Регулятор

Рисунок 12 - Источник неизменного тока с ШИР регулятором.

На рис. 13 представлены временные зависимости выходного тока нагрузки для различных значений коэффициента заполнения Б полностью управляемого ключа К при изменении величины сопротивления нагрузки К„ в 3 раза (с 3 Ом до 9 Ом), доказывающие работоспособность предлагаемого способа регулирования тока нагрузки. Из рис. 13 видно, что при увеличении времени включенного состояния ключа (увеличении коэффициента заполнения П) ток нагрузки снижается, стабилизирующие свойства при этом сохраняются.

а) временные зависимости тока б) временные зависимости тока

нагрузки при Э = 50%. нагрузки при £> = 75%.

Рисунок 13 - Регулирование выходного тока нагрузки Для повышения надежности работы и защиты высокочастотного транзистора (ключа К) была разработана и запатентована схема защиты [патент 90625], шунтирующая входную индуктивность включающая последовательно подключенные диод Дг и варистор I/ (рис. 14).

и £>2

Регулятор

Рисунок 14 - Защитная £>£/цепь.

Для решения задач по управляемому заряду емкостных накопителей с помощью ТЕП были разработаны и запатентованы две схемы заряда. В первой схеме в ТЕП вводится дополнительная низковольтная обмотка с управляемым ключом К (рис. 15).

С

ЕЫ

Я

'к

Рисунок 15 - Ограничение заряда емкостного накопителя При включении ключа К заряд емкостного накопителя прекращается. Во второй схеме параллельно конденсатору Сі подключен управляемый ключ К (рис. 16).

к-

Си

R

Е&

\УР,-УЩ

Л Л!

С2

Рисунок 16 - Управляемый заряда емкостного накопителя В момент окончания заряда емкостного накопителя Сг включается ключ К и резистор R шунтирует резонансный конденсатор Сi нарушая работу ТЕП, заряд емкостного накопителя прекращается. Величина сопротивления R должна быть примерна равна эквивалентному волновому сопротивлению р.

В четвертой главе представлены методики расчета и проектирования однофазных и трехфазных ИЕП, расчет согласующих трансформаторов и дросселей для ИЕП, расчет и проектирование трансформаторов для ТЕП, а так же экспериментальные исследования ИЕП и ТЕП.

Для расчета любой из схем однофазных ИЕП следует ввести ограничение, при котором максимальное напряжение на первичной обмотке согласующего трансформатора U\, соответствующее максимальному напряжению на переменной нагрузке f/max, не должно превышать стандартной величины 220 или 380 В. Для резистивных нагрузок С/тах=/„Лтах, для аккумуляторных батарей Umax=U3ap (напряжение заряда), для емкостных накопителей это максимальное напряжение заряда Umax . Величины этих напряжений должны быть приведены к первичной обмотке с учетом коэффициента трансформации Кф, то есть U\ —Umax /К-тр для повышающих трансформаторов. Это ограничение связано с тем, что в качестве согласующих трансформаторов обычно используются серийные силовые трансформаторы требуемой мощности с заданным коэффициентом трансформации и стандартными напряжениями первичных обмоток.

В конечном итоге можно рекомендовать следующий алгоритм расчета ИЕП.

1. Для резистивной нагрузки задаются величины действующего значения тока нагрузки /н, сопротивления нагрузки RH и диапазон изменения нагрузки AR = /?тах - Rm]n. Для нагрузки в виде емкостных накопителей и АКБ задается среднее значение тока нагрузки /ср.

2. Находится действующее значение напряжения на резистивной нагрузке Ua=IHRmdK, напряжение вторичной обмотки трансформатора принимается равным. U2= Uj/0,9.

3. Определяется коэффициент трансформации KTp=t/2/t/b где U\ -напряжение первичной обмотки трансформатора. При использовании стандартных серийных трансформаторов напряжение U\ принимается равным 220 В. Тогда К1р=(72/220.

4. Мощность трансформатора в предварительных оценках Ртр= 1/\1и где 1\ -ток первичной обмотки. Для резистивной нагрузки можно принять величину /,=/„/ Ктр.

5. Определяется максимальная величина сопротивления нагрузки ИБП, приведенная К первичной обмотке трансформатора /?1тах=Ятах/К2тр.

6. Для конкретной схемы ИБП находятся номиналы реактивных элементов, которые определяют величину тока короткого замыкания. Поскольку аЬ=М<йС=и\ /1\ =220//ь то величины реактивных элементов могут быть определены по эмпирическим зависимостям: Ь=0,7/1\ Гн и С=14,48 1\ мкФ .

7. Величина эквивалентного волнового сопротивления р=^Ь/С =219,86/1\.

8. Для резистивной нагрузки £/2=£/л при заряде емкостного накопителя максимальная величина действующего значения и2 шах =^стах /V2 , при заряде АКБ С/г= 0.9£/,*=соп51

9. При необходимости результаты расчета следует проверить с помощью программного средства М]'сгоСар 9.0.

Расчет трехфазных ИБП аналогичен расчету однофазных ИБП (см. параграф 4.1), в виду того, что трехфазные ИБП составляются из трех однофазных ИБП. Отличие для трехфазных ИБП заключается в следующем:

1. Согласованная нагрузка (после выпрямителя) в л/3 раз больше по сравнению с однофазными.

2. Ток нагрузки в лД^б раза больше тока обмоток трансформатора при

тр

3. При /?н = Тзр напряжение первичных обмоток трансформатора примерно равно 220В.

В результате экспериментальных исследований были получены зависимости выходного тока нагрузки от величины сопротивления нагрузки и формы входных токов при работе на активную нагрузку и заряд АКБ, которые потом были проверены в МкгоСар 9.0.

Схема экспериментальной установки ТЕП представлена на рис. 17.

Осциллограф

канал 1

г Л/и

канал 2

Рисунок 17 - Экспериментальная схема ТЕП

Результаты измерений, полученных экспериментальным путем и с применением численного моделирования, представлены в табл. 3

Таблица 3.

Зависимость выходного тока ТЕП от величины сопротивления нагрузки

и, выход ЛАТРа Сь мкФ Ян, Ом /ь А Эксперимент /ьА Мюго-Сар9.0 к, А Эксперимент 1ъ А Млсго-Сар9.0

40В 600 9 13,5 13,8 7 7,1

40В 600 4,7 9,5 9,9 7,15 7,4

40В 600 3 8,5 8,7 7,2 7,5

40В 600 0 7,5 7,2 7,4 7,6

Из табл.3 можно сделать вывод о том, что результаты, полученные экспериментальным путем и с помощью численного моделирования, мало отличаются друг от друга. Аналогичные зависимости были получены и для других исследуемых схем.

Для заряда АКБ была собранна схема (рис. 18) и были получены осциллограммы входного тока (рис. 19), которые были перепроверены в МюгоСар 9.0 (рис. 20).

Осциллограф

Рисунок 19 - Осциллограмма Рисунок 20 - Форма входного тока и входного тока и напряжения ТЕП напряжения ТЕП при заряде АКБ,

при заряде стартерной АКБ полученные с помощью МлсгоСар 9.0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным научным результатом диссертации является разработка источников неизменного тока на базе ТЕП, обеспечивающих заданную точность стабилизации выходного тока нагрузки для заданного изменения сопротивления нагрузки и создание методики расчета и проектирования ИЕП, разработка способов регулирования выходного тока нагрузки ИБП и ТЕП.

В соответствии с целью и задачами диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проведены исследования входных и выходных характеристик преобразователей. Предложены оптимальные схемы источников неизменного тока при работе на разные виды нагрузок с учетом оптимальных массогабаритных показателей.

2. Исследованы и проанализированы входные и выходные характеристики источника неизменного тока, выполненного на базе ТЕП.

3. Разработана методика расчета и проектирования однофазных и трехфазных ИЕП, позволяющая быстро и качественно произвести расчет преобразователя.

4. Разработана методика расчета и оптимизации конструкции трансформатора с наперед заданным значением индуктивности намагничивания и рассеяния трансформатора для ТЕП.

5. Разработаны схемные решения и способ управления выходным неизменном током нагрузки ИЕП и ТЕП, позволяющий плавно регулировать выходной ток.

6. Разработаны две схемы управляемого заряда больших емкостных накопителей.

7. Проведен ряд экспериментов, доказывающих работоспособность ТЕП на практике. Полученные результаты физического эксперимента проверены с помощью программы схемотехнического моделирования MicroCap 9.0.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Трансформаторно-емкостный стабилизатор тока / С.А Дозоров, П.А.Кошелев, В.М. Опре и др. // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2012. - №2 (66) - С. 59-65.

Патенты:

2. Патент - 77517 РФ, МПК Н02М 5/06. Индуктивно-емкостный преобразователь. / С.А. Дозоров, В.М. Опре, И.В. Саенко, A.A. Новик, П.А. Кошелев, C.B. Парамонов; СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - №2008118172/22; Заяв. 06.05.2008; Опубл. 20.10.2008., Бюл. № 29.

3. Патент - 90625 РФ, МПК Н02М 3/24. Устройство защиты высокочастотных преобразователей / С.А. Дозоров, В.М. Опре, П.А. Кошелев, А.И. Сомов; ООО «Газпром трансгаз Сантк-Петербург» -№2009121046/22; Заяв. 02.06.2009; Опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1.

4. Патент - 100687 РФ, МПК Н02М 3/155. Источник неизменного тока / С.А. Дозоров, В.М. Опре, П.А. Кошелев, C.B. Парамонов, В.Н. Терещенко; СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - №2010126898/07; Заяв. 30.06.2010; Опубл. 20.12.2010, Бюл. №35.

5. Патент - 114567 РФ, МПК Н02М 5/06. Высоковольтный источник неизменного тока / С.А. Дозоров, В.М. Опре, П.А. Кошелев, А.И. Сомов, В.Н. Терещенко; ООО «Газпром трансгаз Сантк-Петербург» - №2011113770/07: Заяв. 08.04.2011; Опубл. 27.03.2012, Бюл. №9.

6. Патент - 123266 РФ, МПК Н02М 3/155. Зарядное устройство / С.А. Дозоров, В.М. Опре, П.А. Кошелев, C.B. Парамонов, A.A. Тимахович; СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - №2012128058/07; Заяв. 03.07.2012; Опубл. 20.12.2012, Бюл. №35

Учебные пособия:

7. Силовая импульсная техника: метод, указания к лабораторным работам/ Дозоров С.А., Опре В.М. - СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. 32 с.

Публикации в других изданиях:

8. Источники тока на основе резонансной трансформаторно-конденсаторной электрической цепи /С.А. Дозоров, П.А. Кошелев, В.М. Опре и др. // Проблемы электроэнергетики. Сборник научных трудов Саратовского государственного технического университета. - Саратов, 2009. - С. 25-31.

9. Проектирование генераторов мощных импульсов тока с применением символьных и матричных вычислений/ С.А. Дозоров, П.А. Кошелев, В.М. Опре и др. // Проблемы электроэнергетики. Сборник научных трудов Саратовского государственного технического университета. -Саратов, 2009. - С. 38-45.

10. Источник тока на основе индуктивно-емкостного резонансного преобразователя / С.А. Дозоров, B.C. Богачев, C.B. Парамонов // Электротехника, электромеханика и электротехнологии ЭЭЭ-2009. Материалы четвертой научно-технической конференции с международным участием. - Новосибирск, 2009. - С. 135-138.

11. Дозоров С.А. Параметрические источники тока в системе заряда аккумуляторных батарей./С.А. Дозоров // Материалы открытого научно-практического семинара молодых работников ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург». - Санкт-Петербург, 2010. - С.204-208.

12. Дозоров С.А. Параметрические источники неизменного тока /С.А. Дозоров// Материали за 7-а международна научна практична конференция найновите постижения на европейската наука. - Болгария, София, 2011.С. 50-55.

13. Дозоров С.А. Сравнительный анализ электромагнитных процессов в однофазных индуктивно-емкостных преобразователях/ С.А. Дозоров, В.М. Опре // Силовая электроника. — 2013. - №3. - С. 59-62.

Подписано в печать 30.09.13. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 101.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

!

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

04201365514

Дозоров Сергей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ.

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор В.М. Опре

Санкт-Петербург - 2013 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИИЯ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА....................

1.1. Преобразователи источников напряжения в источники тока........................................

1.2. Развитие схем источников неизменного тока................................................................1

1.2.1. Схема Бушеро............................................................................................................1

1.2.2. Т-образные ИЕП........................................................................................................2

1.3. Области и перспективы применения систем неизменного тока..................................3

1.4. Классификация систем неизменного тока.....................................................................4

Выводы:....................................................................................................................................4

2. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ИСТОЧНИКАХ НЕИЗМЕННОГО ТОКА.............................................................................................................5

2.1. Анализ электромагнитных процессов в однофазных ИЕП при работе на активную нагрузку....................................................................................................................................5

2.1.1. Исследование зависимости точности стабилизации тока нагрузки от величины сопротивления нагрузки.....................................................................................................5

2.1.2. Исследование зависимости значения коэффициента мощности от величины сопротивления нагрузки.....................................................................................................5

2.2. Анализ электромагнитных процессов в однофазных источниках тока при работе на мостовой выпрямитель...........................................................................................................6

2.2.1 Исследование зависимости тока нагрузки от величины сопротивления нагрузки при работе источников тока на мостовой выпрямитель и активную нагрузку.............6

ИЕП И ТЕП.....................................................................................

4.1. Методика расчета и проектирования однофазного ИЕП

4.2. Методика расчета трехфазных ИБП.............................................................................121

4.3. Расчет согласующих трансформаторов для ИБП.......................................................122

4.4. Расчет дросселей для ИБП............................................................................................135

4.5. Расчет и проецирование трансформаторов для ТЕП................................................143

4.6. Экспериментальные исследования выходных характеристик источников при активной нагрузке.................................................................................................................156

4.6.1 Т-образный ИБП с магнитной связью....................................................................156

4.6.2. П-образный ИБП.....................................................................................................160

4.6.3. ТЕП...........................................................................................................................162

4.7. Исследование входных характеристик ИЕП при заряде АКБ...................................167

4.7.1. Входные характеристики Т-образного ИЕП при заряде АКБ............................167

4.7.1. Входные характеристики ТЕП при заряде АКБ...................................................170

4.8. Измерение реактивной мощности в схемах Бушеро, Бушеро с предустановленной

емкостью и Т-образном ИЕП...............................................................................................174

Выводы....................................................................................................................................176

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................178

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................180

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В современной электротехнике широкое практическое применение находят системы неизменного (стабилизированного) тока, то есть системы распределения и потребления электрической энергии, обеспечивающие независимость тока нагрузки от величины сопротивления нагрузки. [1]. Интерес к таким системам обусловлен возможностями их применения во многих областях электротехники и инженерной электрофизики [2-5], которые условно можно подразделить на технические и экономические.

Применение систем стабилизированного тока (ССТ) в электроприводах позволяет получить новый технический эффект: электроприводы обретают оригинальные свойства управляемого «источника момента», что с успехом используется в различных электромеханических устройствах [6-7]. В электросварочной, электрометаллургической, плазменно-дуговой технологии новый технический эффект при применении ССТ для питания дуговых разрядов заключается в радикальном повышении статической и динамической устойчивости дуги как рабочего технологического органа, так и в улучшении ее воспроизводимости, условий инициирования, регулирования, увеличении износостойкости электродов. Именно этим объясняется интенсивное и все увеличивающееся проникновение этих систем в электротехнологическую практику [8-14].

Благодаря использованию индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) ССТ получили значительное распространение в электротехнологической практике. Основные преимущества ИЕП - простота, надежность, экономичность [1,5]. Однако они имеют и недостатки: недостаточно хорошие массогабаритные показатели, сложность при осуществлении плавного регулирования тока в широких пределах и др. Данные недостатки были решены путем применения трансформаторно-емкостных преобразователей (ТЕП) и новых схем регулирования выходного

тока нагрузки. Применение ТЕП в качестве источников неизменного тока позволяет существенно снизить массогабаритные показатели ССТ.

В настоящее время теоретические и практические вопросы разработки и исследования ИБП, ТЕП и способов плавного регулирования выходного тока, представляют значительный научный и практический интерес, являются актуальной и своевременной задачей.

Цель диссертационной работы. Разработка и исследование источников неизменного тока на базе ТЕП, обеспечивающих заданную точность стабилизации выходного тока нагрузки для заданного диапазона изменения сопротивления нагрузки при снижении массогабаритных показателей. Создание методики расчета и проектирования ИЕП и ТЕП, способов регулирования их выходного тока нагрузки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Критический анализ современного состояния и направлений развития источников неизменного тока на базе основных схем ИЕП, исследование входных и выходных характеристик преобразователей и их массогабаритных показателей.

2. Определение входных и выходных характеристик источников неизменного тока, выполненных на база ТЕП.

3. Разработка методики расчета и проектирования однофазных и 3-х фазных ИЕП, и рекомендаций по выбору оптимальных схем для различных видов нагрузок.

4. Разработка методики расчета трансформатора с наперед заданным значением индуктивности намагничивания и рассеяния для ТЕП.

5. Разработка оригинальных способов плавного регулирования выходного тока нагрузки ИЕП и ТЕП.

6. Экспериментальное подтверждение численных расчетов характеристик ИЕП и ТЕП.

Объектом исследования являются схемы индуктивно - емкостных

преобразователей.

Предметом исследования являются ИБП, ТЕП, схемы плавного регулирования выходного тока нагрузки и заряда емкостных накопителей.

Методы исследования. Для получения достоверных и обоснованных научных результатов были применены современные аналитические и численные методы расчета. Численный расчет проводился путем моделирования в программе схемотехнического моделирования МкгоСар 9.0 и в среде ЗшшНпк пакета МАТЬАВ, и результаты были подтверждены экспериментальными исследованиями в лабораторных и производственных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Даны рекомендации по выбору оптимальных схем ИБП для различных видов нагрузок.

2. Разработана методика расчета и проектирования источников неизменного тока, выполненных на базе ИБП и ТЕП.

3. Разработана методика расчета трансформатора для ТЕП с наперед заданным значением индуктивности намагничивания и рассеяния трансформатора с оптимальными конструктивными показателями.

4. Предложены схемные решения, обеспечивающие плавное регулирование выходного тока нагрузки ИЕП и ТЕП.

5. Разработаны новые схемы заряда емкостных накопителей

Обоснованность и достоверность полученных научных результатов и

выводов подтверждается корректностью поставленных задач и принятых решений и адекватностью используемых при исследовании численных моделей схем, выполненных в современной программе схемотехнического моделирования МюгоСар 9.0, проверкой результатов на экспериментальной установке, качественным и количественным сопоставлением результатов численного моделирования и экспериментальными данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Научно - обоснованный выбор оптимальных схем ИЕП для

различных видов нагрузок с учетом массогабаритных показателей и энергетических характеристик преобразователей.

2. Методики расчета и проектирования индуктивно-емкостных источников питания на базе ИБП и ТЕП.

3. Оригинальные схемы ТЕП, позволяющие существенно снизить массогабаритные показатели ИБП.

4. Схемные решения и способы управления выходным током нагрузки источников неизменного тока.

5. Схемы управляемого заряда емкостных накопителей на базе ИЕП и ТЕП.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Предлагаемые методики расчета и проектирования источников неизменного тока позволяют существенно упростить расчет ИЕП и снизить время, затрачиваемое на него.

2. ССТ на основе ТЕП позволяют существенно уменьшить массогабаритные показатели индуктивно-емкостных источников питания, и следовательно снизить их себестоимость.

3. Разработана методика и программа расчета трансформатора для ТЕП, позволяющая рассчитать трансформатор с наперед заданной индуктивностью намагничивания и рассеяния с оптимальными массогабаритными показателями.

4. Разработаны схемные решения и способы управления выходным током преобразователей, позволяющее плавно регулировать выходной ток как ИЕП так и ТЕП в широком диапазоне.

5. Разработаны новые схемы управляемого заряда емкостных накопителей энергии с применением ИЕП и ТЕП.

Реализация и внедрение результатов диссертационной работы. На основе результатов, полученных в ходе выполнения диссертационный работы, ССТ внедрены и более года успешно эксплуатируются на

газокомпрессорной станции «Краснознаменная» Калининградского линейного производственного управления магистральных газопроводов ОАО «Газпром». В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) основные положения работы внедрены в лекционные курсы и лабораторный практикум по дисциплине: «Силовая импульсная техника».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на четвертой научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии (ЭЭЭ-2009», г. Новосибирск 23-24 октября 2009г), открытом научно-практическом семинаре молодых работников ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», (г. Санет-Петербург, 07-11 июня 2010г.), 7-ой международной научно-практической конференции, «Найновите постижения на европейската наука», (Болгария, София 2011г.) а также на 61 - 66 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (г. Санкт-Петербург, 2008-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, среди них 1 статья в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 учебное пособие, 5 патентов РФ и 6 работ в других изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и изложена на 179 листах машинописного текста, содержит 148 рисунков, 22 таблицы, списка использованных источников из 104 наименований на 11 страницах.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТНИЯ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ТОКА

1.1. Преобразователи источников напряжения в источники тока

Источниками электрической энергии преимущественно являются синхронные генераторы, в которых механическая энергия преобразуется в электромагнитную в следствии явления электромагнитной индукции. При движении магнитного поля ротора относительно обмотки статора генератора в ней шщуктируется э.д.с.,

ш

пропорциональная скорости изменения потокосцепления магнитного поля. Благодаря малому внутреннему сопротивлению обмотки статора, напряжение на зажимах генератора мало зависит от тока нагрузки. Поэтому индуктивные машины переменного и постоянного тока различных типов, обладающие малым внутренним сопротивлением принято называть источниками напряжения. Схема замещения источника напряжения обычно (рис. 1.1) изображается в виде двух элементов: активного элемента -источника э.д.с. е(1), напряжение на зажимах которого не зависит от протекающего по нему тока, и пассивного элемента - внутреннего сопротивления 15].

Гальванические элементы, аккумуляторы, некоторые термоэлементы также обладают малым внутренним сопротивлением и тоже относятся к источникам напряжения. На рис. 1.2 показана вольтамперная характеристика источника э.д.с. в виде прямой (1), тут же показана внешняя характеристика реального источника напряжения (2), учитывающая внутреннее сопротивление и падение напряжения в нем от тока нагрузки /н. При изменении в широком диапазоне тока нагрузки напряжение на зажимах

источника электрической энергии изменяется столь мало, что практически это изменение принимают нулевым.

-,

Рисунок 1.2. - Вольт амперные характеристика источников э.д.с В современной практике принята система преобразования, передачи, распределения и потребления электрической энергии при постоянном напряжении. Величина тока нагрузки /н зависит только от величины сопротивления приемника 2Н и при переменной нагрузке, то есть при изменении ее сопротивления, соответственно меняется ток /н.

В практике нередки случаи, когда возникает необходимость поддерживать неизменным заданное значение тока нагрузки независимо от изменения ее сопротивления.

Одним из первых таких источников является емкостная машина. В емкостной машине, как и в любой индуктивной электрической машине, различают статор и ротор, только выполненные из диэлектрика и проводящих пластин, образующих емкости. Один из этих элементов машин, например ротор. Между пластинами которого возбужденно электрическое поле Е (напряжение возбуждения), служит для создания заряда д на втором элементе - статоре. При относительном движении ротора и статора периодически изменяется емкость между ними и в следствии

3

Рисунок 1.1. - Схема замещения источника напряжения

1

\ \2

электростатической индукции изменяется заряд на статоре, и если пластины замкнуты на нагрузку, в ней появляется ток. Связь между током машины и скоростью изменения заряда д выражается в виде:

Поскольку заряд равен потоку вектора смещения

Я = <ЬУв (1-3)

то, по закону электростатической индукции, изменение потокосцепления вектора смещения создает ток емкостном электрическом генераторе

7 = (1.4)

<к

Согласно закону электростатической индукции, ток на зажимах емкостного генератора переменного или постоянного тока будет неизменным по величине независимо от нагрузки, а напряжение на зажимах нагрузки пропорционально сопротивления нагрузки.

Таким образом емкостные машины генерируют электрическую энергию с неизменным током и являются источниками тока, а напряжение не зажимах емкостных машин - явление вторичное, определяемое величиной сопротивления нагрузки.

Идеальный источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах, то есть опять-таки от сопротивления нагрузки. На рис 1.3 представлена вольт амперная характеристика идеального источника тока (1). В реальном источнике тока имеются потери энергии в диэлектрике или внутреннем сопротивлении (характеристика для такого источника представлена на рис. 1.3, кривая 2)

Схема замещения реального источника тока представлена на рис. 1.4. Здесь показан идеальный источник тока, характеризуемый величиной задающего тока источника энергии, и пассивный элемент - внутренняя проводимость У\ , вынесенная за пределы источника тока и включенная параллельно ему [15].

В настоящее время емкостные машины как источники тока не используются.

и

2"

"ЛИ

I

->|

Рисунок 1.3. - Вольтамперная характеристика источника тока.

Рисунок 1.4. - Схема замещения реального источника тока.

Поскольку источники тока не получили до�