автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.05, диссертация на тему:Исследование трехфазных электроферромагнитных колебательных контуров, отличающихся свойствами стабилизации тока

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ

Р Г Б ОД

На правах рукописи *

2 6 ИЮН 1936

АБДУЛ К А ЮМ ДАУД ШАХ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОФЕРРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ СВОЙСТВАМИ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА

Специальность 05.09.05 — Теоретическая электротехника

АВТОРЕФ ЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент — 1995

Работа выполнена на кафедре «Теоретические основы электротехники» Ташкентского государственного технического университета им. А. Р. Беруни.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор 3. И. ИСМАИЛОВ

Официальные оппоненты — доктор технических наук

М. И. Ибадуллаев-

кандидат технических наук, доцент И. К. Колесников

Ведущая организация — Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства

Защита состоится «. 0,1 » МЮЛА 1995 г. в час. на заседании специализированного совета К. 067.07.23 в Ташкентском государственном техническом университете им. А. Р. Беруни по адресу: г. Ташкент—95, Вузгородок, ул. Университетская, 2, корпус энергетического центра, ауд. 341.

С диссертацией, можно ознакомиться в библиотеке университета (г. Ташкент, Вузгородок, ул. Университетская, 2, главный корпус ТашГТУ).

Автореферат разослан М ДА_ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета К. 067.07.23, к. т. н, доцент

Б. АБДУЛЛАЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЕЛБОТИ

Актуальность теш. Диссертационная работа Шсьяцена исследованию электроферромагшшшх цопай о последующий созданием на основа этих цепей надежних трехфазных, двухфазных стабилизаторов тока.

Известно, что в современной автоматике, телемеханике, вычислительной и информационно-измерительной технике и схемах питания различных устройств елзктрснапштше цепи пошли широкое применение в качестве стабилизаторов тока и гганряаошш, преобразователей числа фаз и частоты, низкочастотных генераторов и других элементов.

. Анализ опубликованных работ по исслвдолашш свойств элэктро-ферронагшшшх колебательных коитуров показал, что они были посвя-Щ01Ш исследовании одно- и двухноитурных цепей о целью создания, п основном, однофазных стайшшзаторов тока напряжения на основе возбуждения в них автопараш тричееких колебаний, В то же время, исследователями обращалось недостаточное внимание на возмошшеть использования " ^ "-образной вольт-пштрной характеристики цепи для создания двух- и трехфазных стабилизаторов тока.

Выполненная диссертационная работа посвящена теоретическому • и экспериментальному исследовашш двух- и трехфазных электроферро-магнитшх (ЭШ) цепей, состоящих из параллельных феррореэонансных контуров, последовательно включенных с линоПншли индуктивностшп. Такая цепь при определенны* соотношениях параметров имеет " 5"-об-разнуи вольт-амиернуо характеристику с широкой зоной устойчивого падающего отрицательного участка. Применяя для компенсации отрицательного участка этой характеристики ту или иную линейную характеристику, можно создать двух- и трехфазный феррорвзонансные стабилизатора тока.

Работа выполнена по плану НИР 1и>федри' "Теоретические ооновы электротехники" Ташкентского государственного технического университета.

Палью работы являются развитие теории двух- и ^эхфьаних Э-Ш цепей, создание оригинальных схем стабилизаторов тока, уг о ила творящих нузды народного хозяйства, и разработка элементов [»лчотб таких устройств. В процесое выполнения данного исследования иогие-бовалось решить следующио задачи:

I - исследовать режимы работы двух- и трехфазной ЗШ цепей при вариации параметров цепи и изменении напряжения источника па-

тания;

2 - исследование вопроса устойчивости полученных решений;

3 - получить соотношения, позволяющие определить онтималышй режим работы двух- и трехфазных стабилизаторов тока при изменениях входного напряжения и сопротивления нагрузки;

4 - исследовать режимы работа предложенных схем феррорезо-нансных стабилизаторов тока при различных характерах нагрузок;

5 - разработать методику расчета элементов феррорезонансног'о стабилизатора тока.

Метолн поолодоваиля. В теоретическом анализе для определения £шшштуд!го-<}авовнх зависимостей и энергетических соотношений применен метод гармонического баланса.

Научная новизна. Рыявлеш возможности использования явления феррорезолпнса токов двух- и трехфазной Эй,1 цепей для создания устройств, позволяющих стабилизировать действующие значения тока двух- и трехфазной нагрузки при изменении ее величины и колебания питающего напряжения. Эффект стабилизации тока достигается "благодаря предложенной структуре феррорезонансной цепи, состоящей из параллельных (ЗЕеррорезонаисних контуров, включенных в две фазы питающей сети через линейную индуктивность, имеет "^ "-образную характеристику на всех трех фазах с зада ниш наклоном падающего уча-отка. На основе исследования схемы замещения ТФСТ получены аналитические выражения, позволяющие определять необходимые параметры' элементов предложенных схем стабилизаторов тока.

Практическая ценность выполненной работы заключается в том, что при использовании "^ "-образной вольт-амперной характеристики параллелышх феррорззонансных контуров, включению: в две фазы питающей сети чореэ линейные индуктивности или линейную индуктивность, включенную в нулевой провод для получения двухфазного варианта ФСТ, получается стабилизация трехфазного тока при широком пределе изменения входного напряжения и сопротивления трехфазной нагрузки. Созданные двух- и трехфазные стабилизатор:» топа оригинальны по схемному исполнению и имеют улучшенные технико-экономические показатели. Результаты исследований могут быть использованы при анализе г][<эррорезошнсннх цепей с одним и двумя нелинейными элементами и разработке новых схем многофазных стабилизирует, устройств.

РешизшШ* результатов робот». Получешше н диссертации результаты и рекомендации могут бить испольаованн при разработке источников питания душ сварки, питания гальванически ванн, электротермии и в системе электроснабжения ддя стабилизации тока потребителей и т.д.

Аппобаштя работ». Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Ташкентского государственного технического университета (Ташкент, 1991-199-1 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано две статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит яз вввда-ния, трех глав, заключат«!, соцернание которых изложено на 100 страницах машинописного текста, иллюстрированного 5к рисунками и 3 таблицами. Работа имеет перечень цитируемой литературы, содержащей ?0 наименований, и приложения.

ССЩЕРШШ РАБОТУ

Во введетги рассматриваются выдвигаемые задачи, обосновьвпе-тся их актуальность и формулируются основные положения, надставляемые к защите.

В первой главе - "Принципы построения электроферромагнитчых стабилизаторов тока" - приведен краткий обзор существующих п вновь разработанных схем феррорезонансных стабилизаторов тока. Схема за-мещешш ТММ цепи показана на рис.1, где в два фазы трехфазной питающей сетн подключены идентичные параллельные феррореаонансние контуры, включенные через линейные индуктивности Ь„, а их общая точка вклдчела в третью фазу. Такая цепь имеет " $"-образную вольт-ампер1гую характеристику. Ширина падающего участка " ^ "-образной вольт-амперной характеристики сильно зависит от шличшщ линейной индуктивности. Эффект стабилизации трехфазного тока получается при компенсации отрицательного участка "-образной характеристики цепи.

Для анализа амплитудно-фазовых соотношений Д3й,1 и ТЭ31 цепа аппроксимируем кривую намагничивания ферурромапгатного элемента степенной функцией вида II =1ш , где 3,5; 7,9; ПДЗ\... . Точность решонш! дифференциальных уравнений цопи зависит от пршш-ч

Рис.1.

моемой точности аппроксимации.

С долью внпвлония особенностей цепи при вариации параметров и изменении входного напряжения подробно исследуется ТЭ1М цепь (рис.1). Принята следующие допущения:

1 - активное соиротивлонио и интуитивность рассеяния обмоток ферромагнитного элемента рпвнн нулю, так как их воздействие на элоктромагшшше процессы цоии незначительно;

2 - ферромагнитшй элемент представляется схемой замещения, состоящей пз нелинейно!! индуктивности и параллельно подключенной к ней постоянной активной проводимости $ ;

3 - потери в емкости, сердечнике и обмотке линейного дросселя не учитываются.

Уравнение электрического равновесия ваписггеается в виде:

и« \м

а*

сЛ1г

с1(Ь,

ёк ж

сАФ«

(1)

(2) (3)

м ж а*

Ж сК 5

Принимая ф = (Ьт5т.г при и1г = ит§к ^Ц^иЦмН + 4^4-120°}, Ц 31 ~ 'Зт Ч-Чч^" П0ПЛ9 необходимых математических преобразований и приведения к безразмерному виду получены выражения У,г. , , Ц м для определения амплитудно-фазовых соотношений магнитного потока.

У«* « [ § Хм (х1 - I ■+ Г

аЛс^ £ X,

где ^ = ; Х^-.ИЬ^

(6) (?) (8) О)

г г

(10) (II)

Для амплитудно-фазовых соотношений тока получены следующие зависимости:

Ф - а чс'Ы $

О X ^У6 -1ч 1

гДе " -г > Гд = 1и*С««Ь<Т-

15

Аналогично, ток второй фазы определяется по (10) и (II), а ток третьей фазы А»! = А-га

Вид вольт-амперных характеристик, построенных на основе зависимостей (4).-(10), строго зависит от параметров цепи и частоты приложенного напряжения.

Влияние параметров ^ , Ь0 , С на вид вольт-амперной характеристики показано на рис.2 и 3.

ч

а

£=02 1,2

У. и

1,2 0,1 Ок

I

О

N

/

02 0/1 0.6 £}* ю Ал, Рис.2.

02 О.Ч 0.6 О,? 1,0 А г Рис.3,

Из эти* кривых мсжно заметить, что при определенных соотношениях параметров параллельные феррорезонайсиае контуры, включенше на две Фазы питающей сети через линейную индуктивность Ь , имеют " ^ "-обраапую Еольт-ампернув характеристику о широкой зоаоП отрицательного участка. Ширина отрицательного участка характеристики строго зависит от параметров цепи.

Далее анализируется двухфазная Эй,5 цепь (рпо.4).

¿ /-<-

Гя

и

-ПГП-

Бис.4.

Амплитудно-фазовые соотношения дая двухфазноЛ 05,1 цапи, свя-внвйЫдае ток и напряяениэ с магнитным штоком ферромагнитного эле -мвкта, определяется из следующих выражений:

У«о* = У2оп, = (хт(Р-1-Х» П + , 112)

На рис.5 и 6 показаны теоретические Еольт-аглперпне характеристики, лостровчшэ на основе (12) и (13).

X са

I

оь

01 о

\ г 1

Ч| V

/

! - 6 = I

Ь-о* о!

02 0,4 0,6 08 1,0 А„ Рис.5.

02 ОН 0,6 08 1,0 Дп Рис.6.

Во iiyoupt), глауза - "Стабилизаторы тока на базе трехфазных Э1ШК о падающими амшттудшши характеристиками" - исследуется нагрузочный режим стабилизатора тока, построенного iïa основе ТЭ-Ш.'я ДЭ4М цепей, с целью:

- получения аналитических соотношений манду входным напрет жэнием н стабилизированным током для различных характеров ц рэди-чин нагрузок;

- получения аналитических соотношений для двухфазного стабилизатора тока и для различных характеров и величин нагрузок;

- определения оптимального режима работы стабилизатора тока и установленной мощности элементов ФСТ;

■ - оценки энергетических и эксплуатационных показателей.

U Г00^'' h J^ h

r-rrôMV:

il ^

L Km U

i^U—u-vw l (Juj L«i

bj^i m-norv

L, •

Lu u

t-mru-

s L

Л

\/ v\f ; il- 41

Ci.

i Lui

L

0 ff-t-

l»

i;

t', L.

,.,, fYYV

s,

a) Трехфазный стабилизатор тока.

б) Двухфазный вариант ита-бшшзатора тока. •

Рис.7.

Нагрузочный режим трехфазного стабилизатора тока описывается следующей уравнениям^: • 1 ,';■

t V

К», „ - .■!• (15)

. (№ АХ «« • ■ . J 1

IU

(Л

àS

■ • • ^ ' } . L, a 1Ц ùi i Ij^i-i.j+l'i ;lj =■ iь + ¿'. ;

г

. (ад

Из этих уравнений,, учитывая выражений аппроксимирующей функции кривой намагничивания ферромагнитного/элемента, посла необходимых преобразований и приведения к безразмерному виду получены выражения для амплитудно-фазовых соотношений;

2 г г I

У™ = М + N ч / (19)

где

м , .I

! .(20)

2

Г"

Здесь приняты следующие обозначения: Выражения для амшштудно-фазовпх соотношений имеют следующий вид:

-гг., • г

г

3 (22)

(21)

_ Для ашш тудно-фазовнх соотшганий двухфазного ФСТ получены подобные выражения, Далее анализируются регулировочные характеристики, построенные на основе зависимостей, полученных для ТФСТ п ДФСТ. Принимая относительное значение сопротивления И*=йн 1И&,

= Мб/ц* , построены серии характеристик для активной нагрузки (рис.8). Здесь кривая I построена для £ = 0,1; 2,0-0,2; 3,00,3. Отсюда можно заметить, что с увеличением сопротивления нагрузки зона стабилизации уменьшается. С увеличением входного иапргеЮг ния повышается нагрузочная способность ТФСТ.

02 I

О

-—— — -г 1 г >1

..

Рис.9.

05

Г

ф 0,8 А™

рис.в.

Экспериментальная внешняя характеристика ТФСТ, приведенная •на рис.9 для одной' фазы при различных значениях приложенного напряжения, отличается достаточной жесткостью.

В работе оценивались установление мощности реактивных элементов стабилизаторов. Данные теоретических исследований показывают, что при оптимальном соотношении параметров супила мощностей ре-ОКТИВ1ЕЫХ элементов Д5СГ превышает мощность нагрузки в 3,8-4,0 раза, погда относительное сопротивление нагрузки изменяется от нуля до 1,0. Для трехфазного ФСТ это соотношение .изменяется в пределах 2,5-2,7 раза.

На рис.10 приведены изменения характеристик КПД, сс^- И К) Здесь кривые I, 2 - К11Д =/(£*) ; I', = {(£') соответ-

ственно для ТФСТ и ДФСТ. Из анализа эксплуатационных показателей" можно заметить, что мощность стабилизации по току для ТФСТ и ДФСТ находится в пределах от 1% до 2%, а коэффициент стабилизации - в пределах от 20 до 50.

- тг -

КПД ^cobf

48 <{б

0,2 О

- г. ^ Г

ytsr.

02 0,4 06 ' 0& R*

Рис.10.

В третьей главе - "Элементы расчета феррорезонашпшх стабилизаторов тока" - рассмотрены вопросы расчета элементов TSCT и Д2СТ. Исходными данными для расчета являются: максимальная мощность на выходе стабилизатора тока, номинальное значение стабилизированного тока, желаемая точность стабилизации, номинальное значение и пределы изменения питающего напряжения, частота источника питания, пределы изменения нагрузки стабилизатора voKa и сортамент магнитных материалов, который могут шть использованы в проектируемом отабилизаторе тока.

Для определения установленной мощности ферромагнитного элемента исследована схема ТФСТ и построены серии характеристик: 12. Qpeaiil _ с, й», XI Рн _{,р».

; : -Th--и*' '

Здесь 2ц Ri - суммарная выходная мощность нагрузки-' суммарная мощность ферромагнитного элемента; \"2г0р6йк| - суммарная реактивная мощность элементов стабилизатора тока.

К/'.к показали результаты теоретических и экспериментальных цс-сладо»оаай, при изменении сопротивления нагрузки от 0 до R „пи_ ртуоиеяиз ; находятся в .'продолах 0,55-0,60. Мощность па

раходе имеет, максимальное значение, когда пересекутся характеристика рц f ' „» 1 S QptuM

И (

-ÇiRV

й*Г ' ' "" ' 21 Рч

Значения отношения в этой точке находятся в пределах 1,8-

2,5, Дальнейшее увеличс.ниэ сопротнвлслтя нагрузки приводит к нару-вешш режима стабилизации. Здесь нижний предел отношений ^ = « 0,55 приводит, к ро*1слу короткого вамшшшя, а верхний предел

Рч

(5фЭ = ~ к когДа сопротивление нагрузп! ( Киа.г =

= Ricj«vr ) имеет максимальное значение. Регшя короткого замыкания для ф.еррорезонэпашх стабилизаторов тока не является рабочим р?кл-мсм. Исходя из этого положения, определяется мощность ферромагнитного элемента в зависимости от мощности погрузки и отчисляется объем стали сердечника ферромагнитного атгемента по формуле:

Vct .«ai!í— ; (23)

Для расчета параметров L>-> и определяется амплитудное значение магнитного потока в точке пересечения характеристик ферромагнитного элемента фазы (А) и конденсатора (Gj). Учитывая режим ра-боты стабилизатора тока, определяется явдуятияиое сопротивление линейного дросселя:

Хс.0 = (Р,8-1,0) "Хс

Счисляется значение номпепспрущей емкости С^: С2 (0,65-0,75)'Cj

В диссертации приводятся порядок и пример расчета для трехфазной схемы стабилизатора тока мошностьп 600 Вт.

; ШВСШ И РЕЗУЛЬТАТ»

1. При исследования процессов в трехфазной трехконтурной пле-птроферрочагшгпюй цепи выявлена возможность использования яело-нпя ферророзонзпсз токов для создания устройств, позволяющих стабилизировать действующие значения трехфазного тока нагрузки при изменении ее велirímw п колебания питающего j. ;pmce¡um. Обнаруженный эффект стабилизации тока достигается благодаря предложенной структуре электроферромагнитноП цепи, которая имеет устойчивый падающий участок яа амплитудной характеристике.

2. Показано, что основные амплитудно-фазогаге соотношения,описывающие характеристики трехфазных ЭФЧ цепи, можно получить путем аппроксимации кривой намагничивания ферромагнитных элементов степенной функцией высокого порядка п последующа! решением нелинейных диффоренщтальпых уравнений цепи методом гармонического баланса.

3. Лпалпз устойчивости полученных решений дифференциальных уравнений системы для стационарного режима показал, что растение устойчиво при соблюдший условия xt > 1- f , которое

выполнено при определенных соотношениях параметров,

■ 4. Компенсируя падающий участок амплитудных характеристик двух- и трвхфахннх Эй«1 цепей различными схемными методами, предложены ■ схемы новых трехфазного и двухфазного феррорезонансных стабилизаторов тока.

, 5. Форма кривой стабилизированного тока у рассмотренных ФйГ близка к синусоиде и увеличение сопротивления нагрузки почти не элпявт. на форму тока. , ■

. 6. В результате анализа работы ТФСТ и ДФСТ определены пределы изменения соотношений мощности нагрузки к установленной мощности реактивных элементов. Предложена методика инженерного расчета ^стабилизаторов с учетом насыщения ферромагнитного элемента и условия резонанса в электроферромагнитном колебательном контуре.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: ' .

1. Абдул Каюм Д.Ш., Расулов 'А.II., Кадыров Т.М. Трехфазная влектроферромагнитная цепь с падающей амплитудной характеристикой. - Сб.науч.тр. ТаиГТУ. - Т., 1991. - Вып. й 621.'- С.102-105.

2. Абдул Каюм Д.Ш.'', Расулов А.Н., Кадаров Т.М. Установленные мощности элементов схемы феррорезонансного стабилизатора тока. -Вестник ТашГТУ. - Т., 1993. - Вып. & I. - С.72-76,

15

X У Л О С Л

AG дуя Каем Доуд Шохин "Токни стабилляя хусусияхигэ эга оy/t-лаг, уч (Ja оо л г. электроферромагних тебраниш контурларипи текширнш1 ыавзусидагн диссертяпияси икки па уч фа та л и электроферромагпит контурларини икни па уч фаза ли юклампма.тарни стабил ток билпн тпгминлашдп ишлаткга иумкинлигига баг^тланган.

Икки ге уч фаза ли элекхрфзрромагпит контурларини текширш шуни курсахдики, контур "S ' - куриншллл вольт-ампер характеристикам эгадлр. j;ap хил усулларяп шила гиб "s " гсуршшшли теракте-* рисгикани кайхиш цисмипк компеисациялари йилаи халк хужвлигкга керакли схвбилизаторларни ишлаб чикаригсдан иборатдир.

Контурии хекшириш гармоник баланс ро амплитуда ни секич узга-риши усулларида олиб борилиб, керакли харамеристикалар олннган. Тог. стабилизатор« элемея хларнш хисоблагоки ииженерлик усули кел-ткрилган.

'ABSTRACT

In the dissertation work of Mr.Abdol Qaura Davud Ghah on thet "Analysis of 3-phase elecftroferrsMgriebic oscillation.circuits differing from.the properties of Stabilizing current".

Por the batter utilization of 2-phase and J-phase Load. Analysis of 2-phase and ¿-phase electroferramagnetic ancillation circuits shows that they have "5" shaped "Volt-Ampere characteristics which io useti for the different methods of compensation of the negative part of the "S" shaped characteristics for the formation of Stabilizing current which is needed for the domestic purposes. N .

For the study of circuits we use the method of "Harmonic Balance" and slowly we" change amplitude and'we get the desired characteristics. The given method is a practical engineer method gor the formation of stabilizing current.