автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.05, диссертация на тему:Исследование однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока, анализ и оптимизация

РГ5 ОД

на правах рукописи

1 0 ФЕВ 199В

Литвин Роман Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА, АНАЛИЗ И

ОПТИМИЗАЦИЯ

Специальность: 05.09.05 - теоретическая электротехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

член-корреспондент АЭН РФ,

доктор технических наук, профессор Бычков Ю.А. „

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Басан С.Н. кандидат технических наук, доцент Балабух А.И.

Ведущая организация - НИИ ПТ, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится "£5" 1998 г в час на

заседании диссертационного совета К 063.36.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан"_"_1998 г.

Ученый секретарь дисертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Значительная часть электротехнического оборудования является весьма энергоемкой, что предъявляет жесткие требования к источникам питания в плане их эффективности и экономичности.

Радикально изменившиеся экономические условия, переориентация промышленного производства на мелкого и среднего производителя поставили вопрос о создании простого и надежного электротехнического оборудования малой и средней мощности. Разрабатываемое оборудование должно стать значительно более экономичным и, при этом, по своим выходным характеристикам не уступать мировым аналогам.

Источники питания электротехнических установок малой и средней мощности строятся на базе однофазных схем выпрямления.

Принципы построения таких схем, в течение длительного времени оставаясь неизменными, не отвечают современным требования. Традиционные схемы однофазного выпрямления (не содержащие промежуточного звена повышенной частоты) не позволяют получить хорошосглаженную форму выходного тока с малым коэффициентом пульсаций, крутопадающую внешнюю характеристику, в процессе регулирования силы выходного тока форма выходного тока значительно искажается, появляются участки нулевого выходного тока.

На сегодняшний день в мировой практике проблема построения однофазного источника постоянного тока, обладающего приемлемыми характеристиками, решается путем введения в однофазную схему выпрямления промежуточного звена повышенной частоты и/или значительных по массогабаритным показателям выходных реактивных фильтров.

Актуальной проблемой является поиск и разработка нового подхода к построению высокоэффективных однофазных источников постоянного тока (не содержащих промежуточного звена повышенной частоты), который бы обеспечивал хорошосглаженную форму выходного тока с минимальным уровнем коэффициента пульсаций, крутопадающую внешнюю характеристику, возможность регулирования силы выходного тока

без появления участков нулевого выходного тока, а также высокие энергетические показатели всего источника в целом.

Цель работы. Поиск и исследование нового подхода в построении однофазных источников постоянного тока - однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока, разработка основ методики расчета таких источников.

Основные методы исследования. Теоретические исследования. Исследуемая однофазная резонансная нелинейная цепь рассчитывается при помощи дискретных схем замещения; моделируется при помощи программных комплексов численного моделирования МАНАВ и Р5Р1СЕ. Оптимизация параметров исследуемых цепей ведется градиентным методом.

Экспериментальные исследования проводятся на физической модели источника питания постоянного тока (ИППТ), макете ИППТ, серийно производящемся ИППТ. Результаты теоретических исследований хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований ИППТ, разработанных при участии автора.

Научная новизна. Предложен и исследован новый подход в построении высокоэффективных однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока, не содержащих промежуточного звена повышенной частоты. Составлена и исследована расчетная модель однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока. Предложены и исследованы два новых способа регулирования силы выходного тока в исследуемых цепях. Предложена методика качественного расчета параметров однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока.

Практическая ценность. Предложен и исследован новый подход в построении высокоэффективных однофазных ИППТ, по своим характеристикам практически сравнимым с трехфазными. Предложена методика расчета однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока, даны соотношения для выбора оптимальных значений параметров элементов. Разработана расчетная схема однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока.

Реализация результатов. Теоретические и экспериментальные результаты исследований были использованы при создании на ЗАО НПФ "Тепломаш" (г. Санкт-Петербург) источников питания

постоянного тока для воздушно-плазменной резки, а также других ИППТ. Простота схемотехнического решения, высокая эффективность и надежность таких ИППТ подтверждается длительной эксплуатацией в различных условиях, а также опытом их серийного производства, что отмечено актом о внедрении и отзывами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры теоретических основ электротехники СПбГЭТУ (1996-1997 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 печатные работы, в том числе 1 свидетельство на полезную модель и 1 статья. Кроме того, принято к публикации 1 свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 40 наименований, и 2приложений. Основная часть работы изложена на 80 страницах машинописного текста. Работа содержит 44 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена научная проблематика работы, обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы практической реализации нелинейных источников постоянного тока.

При практической реализации источник постоянного тока должен иметь хорошосглаженную форму выходного тока (Кп -> min) и кругопадающую внешнюю характеристику (в идеале - штыковую). Получение постоянного тока обеспечивается применением схем выпрямления (одно- и многофазных).

Многофазные (как правило, трехфазные) схемы выпрямления обеспечивают хорошосглаженную форму выходного тока, получающуюся естественным путем за счет взаимоперекрытия

выпрямленных фазных токов. Коэффициент пульсации определяемый, как

и _ _/тсюс.т'ит.

в трехфазных системах не превосходит значения Кп = 0,057 (количество пульсаций за период №п = 6). Исключение составляет схема Миткевича с Кп = 0,250 (№п = 3).

В случае применения управляемых вентилей форма выходного тока не имеет разрывов вплоть до

Использование выходных фильтров позволяет получать еще большие углы отсечки и увеличивать глубину регулирования, не приводя к появлению участков нулевого выходного тока.

В основном трехфазные схемы обладают крутопадающими внешними характеристиками, пригодными для практической реализации источников постоянного тока.

Практическая реализация однофазных источников постоянного тока сопряжена со значительными трудностями. Во-первых, форма выходного тока традиционных однофазных схем выпрямления имеет не более двух пульсаций за период (Ып = 2), имеются участки нулевого выходного тока, коэффициент пульсаций при этом Кп > 0,667.

При использовании управляемых вентилей участки нулевого выходного тока становятся более длительными. Несколько улучшить форму выходного тока можно лишь введением выходных фильтров (при этом габариты фильтра прямо пропорциональны мощности нагрузки).

Во-вторых. Ни одна из однофазных схем выпрямления с неуправляемыми вентилями не обладает крутопадающей внешней характеристикой. В однофазных источниках питания постоянного тока крутопадающую характеристику получают иногда при помощи индуктивности рассеяния силового трансформатора и управляя ключами (обычно полууправляемыми) по специальному алгоритму.

Характеристики, соответствующие источнику постоянного тока (в случае однофазной питающей сети) можно получить при помощи промежуточного звена повышенной частоты. Применение

промежуточного звена повышенной частоты позволяет получить хорошосглаженную форму выходного тока, крутопадающую внешнюю характеристику, большую глубину регулирования; однако и в этом случае сама однофазная схема выпрямления и ее характеристики остаются неизменными, поскольку она выпрямляет искаженную синусоиду входного тока, частота которой увеличена в п раз. Сглаживание формы выходного тока достигается, как и в случае без применения промежуточного звена повышенной частоты, реактивными фильтрами (при этом габариты их значительно меньше, чем при выпрямлении тока промышленной частоты).

Сформулированы требования, которым должна удовлетворять дополнительно новая однофазная схема выпрямления, как источник питания электротехнологической установки малой и средней мощности.

Вторая глава посвящена поиску и исследованию нового принципа построения однофазных источников постоянного тока.

Наиважнейшим требованием к однофазной схеме выпрямления как к источнику постоянного тока является форма выходного тока, не умеющая не только "провалов", но и значительных пульсаций. Предложен новый принцип построения однофазных схем выпрямления, основанный на участии в выпрямлении двух ветвей, имеющих равные полные сопротивления противоположного характера. Форма выходного тока такой схемы выпрямления образована путем взаимоналожения выпрямляемых двух групп синусоид, равных по амплитуде, но сдвинутых по фазе на угол

о

Рис.1. Однофазная резонансная схема выпрямления

. Количество пульсаций за период Ып = 4, участки нулевого) выходного тока отсутствуют.

Получено "нулевое приближение" соотношений, параметров элементов предложенной схемы (рис. 1)

(1)

Допущения: вентили - идеальные ключи; ветви схемы выпрямления работают поочередно и амплитуды их токов

и

-Ь- '■Я

..............!............. /........

\

5»

Рис.2. Внешняя характеристика схемы выпрямления (рис.1) :

1- численный расчет;

2-аналитический расчет.

одинаковы, высшие гармонические составляющие токов не учитываются.

Показано, что при коротком замыкании нагрузки входной ток исследуемой однофазной нелинейной цепи равен нулю. Так как короткое замыкание нагрузки эквивалентно замыканию точек 2, 3, О,

то:

ХЬгтЫ = ; IЬгтЬъ? = %С ,

По условию (1) ¿Си^Яй ; ЛбетЬь/ —ЛЬ<2.тЬьй. ■ Токи ветвей находятся в противофазе, значит Х&сс — 0 ,

1&сс,~ЛетЬь-/ ~1~31ьег ъь& . а относительно

источника переменного напряжения и исследуемая нелинейная реактивная цепь с нагрузкой Р*н = 0 имеет нулевую реактивную мощность. Новая схема выпрямления классифицирована как однофазная резонансная.

Установлено, что в режиме номинальной нагрузки в однофазном резонансном нелинейном источнике постоянного тока существуют 8 интервалов проводимости вентилей. Составлены схемы замещения первых четырех интервалов проводимости; формулы описывающие каждый интервал и условия перехода от одного интервала к другому.

Первая схема замещения образуется при открытых вентилях N/01, \ЮЗ, \Я)6 и существует пока

и>0 ■ {2)

1и,пЧ = Ч- и, п.

Iс,п.+-/ = 9сис,пн - и,и. и я, = Ц>гч - и а

-для следующего шага вычислений ••

Вторая схема замещения образуется при включенных вентилях \Я>1, \Д36 и существует пока

и^-и^О (3)

" - (О-н+С-ц)

Uu,n.+i = lu.n-^4 /GH для следующего щага вычислений : LJ,HH—LL,h-4 -Ï-G-LUL^H

— -t-G-cUç, ш-f

Lc,h.H — 0 .

Третья схема замещения образуется при включенных вентилях VD1, VD4 (источник напряжения U от цепи отключен) и существует, пока

Uu-U 40 «>

(fîc

)/(&l+Gc+GUGCIGH)

Uq.HH —(+ /G-С. Uu,HH = LL,H+1 /&Ц .

Четвертая схема замещения образуется при открытых вентилях

VD1, VD4, VD5 и существует, пока

* <5)

Расчетные формулы:

~ (U.ib + GuUkA'l) /(Gu+Gc)

UliHH — GHUC.1H-H — iL,HH — GLUH+J + U, hL .

Ци —.

Расчетные формулы при отрицательной полуволне питающего напряжения аналогичны рассмотренным, условия перехода (2-5) изменяются на противоположные. .

Модель цепи расчитывалась на двух програмных комплексах численного моделирования (МАНАВ и РБРГСЕ), в широком диапазоне нагрузок - от холостого хода до короткого замыкания, на активную и активно-реактивные нагрузки, при включении в амплитуду питающего напряжения.

Применение целевой функции (6) и программы оптимизации

таэсЧ + гтос^ масс+пмю.

(6)

позволило уточнить соотношение (1):

ЗОс = /, <9/ У?и ном (7)

до оптимизации

Рис.3. Мгновенные значения токов в нагрузке схемы (рис.1)

а) расчет;

б) осциллограмма.

Показано, что при выполнении соотношения (7) однофазная резонансная схема выпрямления (рис.1) имеет четырехпульсационную форму выходного тока ,Кп=0,18 (рис.3), участки нулевого выходного тока отсутствуют. Входное реактивное сопротивление однофазной реактивной схемы выпрямления стремится к нулю, переходные процессы имеют «мягкий», быстрозатухающий характер. Введение индуктивного элемента в ветвь 2 (последовательно с емкостным элементом) позволило улучшить гармонический состав тока ветви 2, форма входного тока стала синусоидальной, схема классифицирована как однофазная резонансная бесфильтровая. Форма выходного тока однофазной резонансной бесфильтровой схемы выпрямления имеет шесть пульсаций за период, Кп=0,1 (рис.4). Входное реактивное сопротивление однофазного резонансного бесфильтрового источника постоянного тока стремится к нулю, переходные процессы имеют «мягкий», быстрозатухающий характер.

Даны рекомендации по построению сложного п-фазного выпрямителя на базе исследуемых схем.

В третьей главе исследуемые однофазные резонансные источники постоянного тока рассматриваются как объекты управления; управляемой (регулируемой) величиной является величина выходного тока.

Известные способы регулирования величины выходного тока в одно- и многофазных выпрямителях подразделяются на непрерывные и импульсные.

Глава содержит постановку задачи синтеза применительно к рассматриваемым нелинейным цепям; сформулированы ограничения на множество решений.

Проблема построения простого и эффективного способа регулирования величины выходного тока состоит в поиске такого способа, который, используя минимальное число дополнительных элементов, позволит регулировать величину выходного тока с глубиной ti > 2 и, при этом, не окажет значительного отрицательного воздействия на его форму , (необходимое требование - отсутствие участков нулевого выходного тока, Кп ~> > min).

5)

Г

ей«-«' I

I

уулг\/ Л

7"

О V I Б» 2 О* 2

™ ¡, Л У4 3

т

■ '■(

: л н ■.; ■)

Рис.4

Мгновенные значения токов в нагрузке (бесфильтровая схема выпрямления):

а) расчет;

б) осциллограмма.

В работе рассмотрено наиболее интересное, на взгляд автора, решение задачи регулирования - при помощи импульсных способов управления.

Автором предложены два новых способа построения регулирования величины силы выходного тока, применимых для исследуемых нелинейных реактивных цепей. Способы реализованы введением одного полууправляер/ого симметричного ключевого элемента в исходные схемы выпрямления. Упражнение ключом осуществляется фазовым методом.

Решение задачи регулирования величины силы выходного тока вытекает из повторного рассмотрения автором четырех схем замещения, соответствующих исходной схеме при положительной полуволне питающего напряжения, списанных в гл. 2.

Выведено аналитическое выражение для описания внешней характеристики четырехпульсационной однофазной резонансной схемы выпрямления (внешняя характеристика представлена на рис.2). При этом нагрузка была заменена источником постоянного тока, вентили - идеальными ключами, угол отсечки о( — 0

Для доказательства возможности осуществления предложенных автором способов регулирования было показано, что при Ти-сопе^

Проведены исследования различных режимов работы однофазных резонансных схем выпрямления при различных углах отсечки полууправляемых симметричных ключей.

Оба способа изменяют среднее значение 1н в значительных пределах (для первого способа глубина регулирования - не менее 6, для второго - не менее 2). Показано, что применение обоих способов в обеих однофазных резонансных схемах выпрямления не приводит к появлению участков нулевого выходного тока; переходные процессы имеют слабовыраженный характер.

Содержатся рекомендации по выбору способа регулирования применительно исследуемым нелинейным цепям.

В четвертой главе рассмотрены" вопросы, связанные с практической реализацией и использованием однофазных резонансных схем выпрямления, представлены результаты проведенных экспериментальных исследований.

Представленные экспериментальные данные, полученные при исследовании физической модели однофазного резонансного нелинейного источника питания постоянного тока, мощностью 250 Вт. Источник питания был реализован при помощи двухобмоточного трансформатора с коэффициентом связи между обмотками Ксв = 1, дросселя и конденсатора. Проведены испытания источника питания в широком диапазоне нагрузок - от холостого хода до короткого замыкания. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с теоретическими результатами, приведенными в гл. 2,3 (рис. 3), подтверждая тем самым основные научные положения диссертационной работы. Наибольшее расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышало 15 %. Незначительное

отклонение полученных экспериментально осциллограмм токов и" напряжений вызвано наличием активных сопротивлений у обмоток трансформатора и дросселя, индуктивности проводов и т.п.

Приведены соотношения для качественного расчета параметров однофазных резонансных нелинейных ИППТ.

Приведено доказательство возможности реализации однофазного резонансного нелинейного источника питания постоянного тока при помощи многообмоточного (в частности, трехобмоточного) трансформатора. Доказательство основано на применении ряда последовательных эквивалентных преобразований исходной схемы с переходом к Т-образной схеме замещения трехобмоточного трансформатора. За счет усложнения конструкции трансформатора й некоторого увеличения его массогабаритных показателей, стало возможным отказаться от применения дросселя, снизить массогабаритные показатели всего источника (в среднем на 20-25 %), упростить его конструкцию и монтаж.

Подобный трехобмоточный трансформатор при наличий дросселя и конденсатора позволил практически реализовать однофазный резонансный бесфильтровый ИППТ (осциллограмма выходного тока макета такого ИППТ мощностью 1 кВт представлена на рис. 4).

Высокие энергетические показатели, крутопадающая внешняя характеристика, хорошосглаженная форма выходного тока позволяют при помощи однофазных резонансных схем выпрямления реализовать однофазные ИППТ, удовлетворяющие повышенным требованиям к этим параметрам.

Даны рекомендации по реализации и применению равноплечного и неравноплечного вариантов построения однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока.

Исследованные автором принципы построения высокоэффективных ИППТ, их преимущества перед традиционными источниками ' (не содержащими промежуточного звена повышенной частоты), расчеты и рекомендации были использованы при разработке и конструировании электротехнологических установок средней мощности - аппаратов воздушно-плазменной резки, выпускаемых серийно научно-

производственной фирмой "Тепломаш" (г. Санкт-Петербург). Силовая часть установок (в зависимости от мощности) содержит от 1 до 6 однофазных резонансных схем выпрямления.

Представлены сравнительные характеристики одно- и трехфазных установок для воздушно-плазменной резки, выпускаемых НПФ "Тепломаш" и рядом зарубежных компаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведен сравнительный анализ традиционных схем выпрямления источников постоянного тока,- Показана необходимость поиска нового подхода в построении схем выпрямления однофазных источников постоянного тока.

Сформулированы дополнительные требования, которыми такая схема должна обладать при использовании в источниках питания постоянного тока электротехнологических установок малой и средней мощности.

Предложен новый подход в построении однофазных источников постоянного тока. Рассмотрены два варианта построения однофазных резонансных нелинейных источников постоянного тока. Оба варианта имеют хорошосглаженную формулу выходного тока (четырехпульсационную с Кп = 0,18 и шестипульсационную с Кп = 0,1), не имеющую участков нулевого тока; высокие коэффициент мощности и КПД. В режиме короткого замыкания ток потребления стремится к нулю.

Однофазные резонансные источники постоянного тока не содержат промежуточного звена повышенной частоты и состоят из минимального количества неуправляемых вентилей и линейных реактивных элементов.

Новизна схемотехнического решения подтверждена патентом Российской Федерации.

2. Проведены необходимые исследования режимов работы однофазных резонансных схем выпрямления на различную нагрузку, построена внешняя характеристика.

Рассчитаны наилучшие соотношения параметров элементов исследуемых схем.

3. Рассмотрены традиционные способы регулирования силы выходного тока применительно к однофазным резонансным нелинейным источникам постоянного тока. Сформулирована задача синтеза относительно однофазных резонансных схем выпрямления с возможностью регулирования величины выходного тока.

Найдены и исследованы два новых способа построения регулирования при помощи полууправляемых ключевых элементов, управляемых фазовым методом.

Оба способа имеют большую глубину регулирования > 2); увеличение угла отсечки (до 130°) не приводит к появлению участков нулевого выходного тока.

Каждый способ может быть реализован на одном полууправляемом симметричном ключевом элементе.

4. Доказана возможность практической реализации однофазного резонансного источника питания, постоянного тока на базе двух- и многообмоточного силового трансформатора , как с дросселем, так и без него.

Проведены экспериментальные исследования на физической модели однофазного резонансного ИППТ мощностью 250 Вт, макете ИППТ мощностью 1 кВт, серийном ИППТ мощностью 10 кВт.

На базе однофазных резонансных схем выпрямления разработаны и изготовлены принципиально новые одно- и трехфазные ИППТ для установок воздушно-плазменной резки. По своим техническим характеристикам установки не уступают мировым аналогам, а по некоторым параметрам - превосходят их. Установки производятся серийно и используются в промышленности.

Предложены соотношения для качественного расчета электрических параметров элементов, рекомендации по выбору и применению различных вариантов практической реализации эднофазиых резонансных нелинейных источников постоянного гока.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Свидетельство на полезную модель № 907 РФ, МКИ В23К 10/00. Плазмотрон/ Литвин Р.Г., Шлыков П И. - № 93057044; Заявл. 15.12.93; Опубл. 16.10.95. Бюл. № 10.

2. Литвин Р. Г. Схема компенсации реактивной мощности в однофазных силовых цепях // Известия ГЭТУ. - 1996. - № 497. -С. 76-81.