автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обеспечение электроэнергетической и электромагнитной совместимости вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока

На правах рукописи

005006383

ГУРЕНКОВ НИКОЛАИ ВИКТОРОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ С АВТОНОМНЫМИ СИСТЕМАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА.

Специальность: 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

1 5 ЛЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2011 г.

005006383

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая электротехника» Московской: авиационного института (Национального Исследовательского Университета «МАИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессо)

Резников Станислав Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, генеральный директо)

ООО "Трансконвертер" Вольский Сергей Иосифович

кандидат технических наук, главны! конструктор

Савенков Александр Иванович

Ведущая организация: открытое акционерное общество АКБ «Якорь»

(г. Москва)

Защита состоится 27 декабря 2011г. в 11 часов 00 мин., на заседани диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском Авиационном Институт (Национальном Исследовательском Университете) «МАИ» по адресу: 125993, А-8( Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый совет МАИ.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просил направить по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Авиационного Института (Национального Исследовательского Университета).

Автореферат разослан « 25» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.125.07

к.т.н., доцент _ г .....А.Б.Кондратьев-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Вторичные источники импульсного питания (ВИИП) с емкостным накопителем, обладающие большой разрядно-импульсной мощностью (десятки МВт), находят широкое распространение в системах питания твердотельных лазеров, средств радиоэлектронной борьбы, конденсаторных сварочных аппаратов, антиобледенительных и других вибраторов, источников питания ионных и плазменных двигателей и проблесковых вспышек, имитаторов источников мощных и сверхмощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) и других.

К основным проблемам, возникающим при разработке ВИИП с первичным питанием от автономных систем электроснабжения (АСЭС) переменного трехфазного тока, в частности авиационных, авиационно-космических и судовых, относятся обеспечение электроэнергетической и электромагнитной совместимости (ЭЭС и ЭМС) с первичной сетью (обычно 115/200 В, 400 ГЦ или 220/380 В, 50 Гц), снижение массы и габаритов, повышение среднециклического КПД, надежности и точности регулирования выходных параметров.

Главной задачей обеспечения электроэнергетической и электромагнитной совместимости ВИИП с первичной сетью является выбор способа и схемотехнического решения для периодической зарядки емкостного накопителя от нулевого (режим к.з.) до высокого (1 ... 5) кВ предразрядного напряжения (режим, близкий к х.х.) при сохранении качества электроэнергии питающей сети, регламентируемое требованиями ГОСТ и другими нормативными документами (обеспечение постоянства амплитуды, частоты и формы кривой напряжения, допустимого уровня помех, а также минимальной загрузки реактивной мощностью).

Проблема сохранения качества электроэнергии питающей сети при работе ВИИП еще более усложняется при наличии предразрядной и послеразрядной пауз в зарядном токе накопительного конденсатора для стабилизации предразрядного напряжения на нем и восстановления электрической прочности (деионозации) импульсной нагрузки.

Неучет вышеуказанной проблемы на всех стадиях проектирования и разработки ВИИП практически всегда приводит к большим неоправданным затратам времени и средств на их доработку и испытания в составе АСЭС.

Построению и анализу ВИИП с первичным питанием от систем электроснабжения переменного и постоянного тока посвящены работы таких отечественных ученых как Алексеев И.И., Алиевский Б.Л., Булатов О.Г., Вольский С.И., Ечеистов Б.А., Зечихин Б.С., Конев Ю.И., Коняхин С.Ф., Лаптев H.H., Лившиц Э.Я., Лукин A.B., Малышков Г.М., Машуков Е.В., Мизюрин С.Р., Милях А.Н., Моин

B.C., Молочников Ш.Р., Мустафа Г.М., Мыцык Г.С., Овчинников Д.А., Резников

C.Б., Розанов Ю.К., Цишевский В.А., Юхнин М.М..

Однако в опубликованных отечественных и зарубежных работах не уделено достаточного внимания исследованию воздействий ВИИП на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения переменного тока и разработке универсальных и высокоэффективных схемотехнических средств для его

сохранения. В последнее десятилетие получили широкое распространение новые эффективные сильноточные, высоковольтные и относительно высокочастотные ключевые полупроводниковые приборы (ЮВТ и МОСФЕТ-транзисторы, а также запираемые тиристоры). Они позволяют пересмотреть известные схемотехнические решения при построении ВИИП с целью повышения их эффективности при сохранении качества питающей электроэнергии, что представляется актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение и способствующей созданию перспективных автономных электротехнических комплексов, в частности - авиационных, авиационно-космических и судовых.

Цель диссертационной работы - исследование воздействий вторичных источников импульсного питания на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения переменного трехфазного тока, модернизация существующих и разработка эффективных схемотехнических средств для повышения качества электроэнергии.

Исходя из указанной цели были выполнены следующие задачи:

- проведен обзор, систематизация и анализ схемотехнических средств (по выбранным критериям их эффективности), выбор наиболее эффективных средств и перспективных направлений их модернизации;

выполнена модернизация известных и разработка новых схемотехнических. средств с повышенной эффективностью;

произведены математическое (аналитическое) и компьютерное (программно-вычислительное и «квазифизическое») моделирования ВИИП в составе АСЭС, адекватные решаемым задачам;

- осуществлен выбор рациональных структур и схем ВИИП, их комплексное исследование и экспериментальное подтверждение достоверности теоретических положений, расчетов и результатов моделирования;

- предложены рекомендации к проектированию и опытно-промышленному освоению.

Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы: общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая метод переменных состояний, классический и операторный методы расчета переходных процессов, метод гармонических составляющих и спектрального анализа, а также методы компьютерного моделирования (программно-вычислительного и «квазифизического»). Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов моделирования подтверждена согласованностью с физическими законами, экспериментальными исследованиями на макетах и опытных образцах, а также путем анализа работы промышленных образцов в условиях испытаний и эксплуатации.

Научная новизна.

1. Разработаны методики аналитического моделирования индуктивно-

емкостных преобразователей (ИЕП) с выпрямительно-емкостной нагрузкой: а)

по уравнению статической внешней характеристики (для относительно медленных процессов) в режимах стабилизации входного или выходного токов, а также при произвольных параметрах; б) в режиме фильтрокомпенсирующего стабилизатора тока (в частности - на базе сформулированного и доказанного свойства).

2. Сформулированно и доказано свойство инвариантности входного коэффициента мощности Т-образного Ь-С-Ь фильтра относительно активной нагрузки.

3. Разработана методика аналитического исследования совместной работы ВИИП с промежуточным накопителем и сети соизмеримой мощности на базе метода «припасовывания», позволяющая определять зависимость коэффициента модуляции от основных параметров системы . Погрешность расчетов не более 2% и не более 5% по упрощенным уравнениям.

4. Предложена методика аналитического расчета рабочих процессов в регулируемом зарядном преобразователе на базе трансформаторного инвертора напряжения с предвключенным конвертором и выходным резонансным фильтрокомпенсирующим ИЕП .

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты сопоставительного анализа известных схемотехнических средств снижения воздействий статических преобразователей на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения (АСЭС) и выбор перспективных направлений повышения их эффективности.

2. Модернизированные и вновь разработанные структуры и рациональные варианты схем вторичных источников импульсного питания. (ВИИП), обеспечивающих сохранение качества питающей электроэнергии при удовлетворительных массо-энергетических характеристиках.

3. Методики расчетно-аналитического и компьютерного моделирования основных узлов ВИИП и их воздействий на качество электроэнергии АСЭС, призванные дополнить теорию и практику вторичных преобразователей с импульсно-циклической нагрузкой и их взаимодействия с первичной энергосистемой соизмеримой мощности.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований макетных и опытно-промышленных образцов ВИИП .

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием исходных теоретических и экспериментальных данных, вычислительными экспериментами и поэтапной верификацией теоретических выкладок и гипотез с экспериментальными данными, полученными в ходе лабораторно-стендовых и всесторонних типовых испытаний макетов и опытных образцов.

Практическая значимость

1. Разработана таблица причинно-следственных связей основных показателей качества электроэнергии АСЭС и на входе потребителей с источниками возмущений и характеристиками бортового оборудования (в дополнение к существующей таблице основных методов обеспечения ЭМС импульсных источников питания).

2. Выявлены и предложены приближенные среднециклические критерии оценки массо-энергетических, надежностных и помеховносимых (генерирующих) характеристик полупроводниковых ключей и преобразовательных узлов ВИИП (результирующие коэффициенты загрузки однотипных ключей, коэффициент мощности на входе, приведенные коэффициенты: модуляции напряжения, нелинейных искажений напряжения, модуляции потребляемой активной мощности (акт. тока).

3. Произведено исследование взаимозависимости между остаточным напряжением емкостного накопителя (11о), массо-габаритными и помеховносимыми характеристиками ВИИП, а также новые схемы обеспечения и0.

4. Применено последовательно-ступенчатое («многофазное») расщепление модулирующей коммутации для снижения генерируемых помех и обеспечения высоковольтности (нагрузки или питания) , а также применены новые схемы Виенна-выпрямителей с ККМ на базе составных обратимых модуляторов и секционированного (комбинированного) емкостного накопителя .

5. Разработаны схемы трансреакторных и трансформаторных ККМ и зарядных преобразователей на базе инверторов тока с цепью рекуперации коммутационной энергии рассеивания.

6. Предложена схема зарядного ИЕП с высоковольтным шунтирующим модулятором.

7. Предложены схемы бестрансформаторных зарядных высоковольтных конверторов.

8. Разработаны схемы комбинированных коммутационно-демпфирующих

с/и Ш

цепей снижения — и — в диодно-транзисторных узлах .

а а

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы: а) при разработке на каф. 309 и 310 МАИ ряда макетных и серийных образцов ВИИП в рамках НИР и НИОКР для предприятий ОАО «АКБ «Якорь»» и ФГУП ПО «УОМЗ»; б) в рамках НИОКР каф. 310 МАИ для ЗАО «Спецремонт» при разработке, изготовлении и всесторонних испытаниях вариантов макетов и опытных образцов трансформаторных конверторных модулей, входящих в состав преобразователей СТП-12-У 1(3); в) в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ в рамках курса «Электромагнитная совместимость комплексов ЛА»; г) в инициативном проекте «Фундаментальное исследование: Новые принципы и методы имитации источников мощных электромагнитных импульсов с поражающим воздействием на информационные линии систем управления» РФФИ, 2006-2007г. (основной

исполнитель - каф. 309 МАИ). Соответствующие акты о внедрении приведены в Приложении.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: на XIV и XV Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г. Алушта, 2005 и 2006г.); на 4й и 5х Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (г.Москва, 2005 и 2006г.); на VI и VII Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (г. Санкт - Петербург, 2006 и 2007г.); на семинарах, совещаниях и научно-технических советах предприятий ОАО «АКБ «Якорь»», ФГУП ПО «УОМЗ» и кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в их числе 10 статей, 5 патентов на изобретения (полезные модели).

Струюура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 195 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 74 наименования, в том числе 4 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 203 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении определены решаемые научно-технические задачи, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и этапы исследований, показаны научная новизна, пункты, выносимые на защиту, практическая ценность результатов, дана информация о структуре, апробации, публикациях и практическому использованию материалов диссертационной работы.

В первой главе проведены обзор и анализ известных структур ВИИП и схемотехнических средств для сохранения качества питающей электроэнергии автономных систем электроснабжения переменного тока.

Сформулированы критерии эффективности схемотехнических средств, применяемых в статических преобразователях для сохранения качества питающей электроэнергии АСЭС переменного трехфазного тока постоянной частоты, в частности с учетом требований к приемникам электроэнергии самолетов вертолетов. Предложены специфические критерии для входных цепей ВИИП -среднециклические значения КПД и коэффициента мощности:

AIV Рср

w > ' п -S '

"И Чср °ср

а также среднециклический энергетический КПД ВИИП:

Р„

и

Пэ ср ^ Пер ' Хер >

*=н7* С 112 /7? л т

где Alf = £}<;(')-М', и'„ = N =

| (I ^ " *=i '<>•»»

Г^ A7™ 1 j "!1Г

- J",/,(')dt, I- J'v,C)<A - действующие значения фазных

| <д- -117;.____^ ^п»« Iл -i ir___

напряжения и тока, вычисленные на «К»-м периоде сети, начиная от начала зарядного цикла Г„.

Приведены объединенные показатели качества электроэнергии на входе ВИИП с учетом серии стандартов MIL STD -460 и ГОСТов по ЭМС. Систематизированы и сведены в таблицу причинно-следственные связи показателей качества с источниками возмущений и характеристиками бортового оборудования (Табл. 1.1.5 в работе).

Проведены обзор и систематизация известных структур и схем основных узлов ВИИП с постоянным входным током: с индуктивно-емкостным преобразователем (ИЕП), с емкостным или индуктивным дозатором энергии и комбинированных (Рис. 1.2.4 в работе).

Предложены приближенные критерии косвенной оценки массо-энергетических и надежностных характеристик однотипных п/п ключей ВИИП - результирующие среднециклические коэффициенты загрузки (для VT, VS, VD):

Крепыш = ^Кырср-Рпр„Ар mJV „ ,

L' V

с и2

где Рс= " - среднециклическая мощность ВИИП,

К = - приближенные значения коэффициента загрузки каждого

^преобр шах

из N однотипных ключей

Выбраны перспективные направления модернизации известных схемотехнических средств, применяемых в ВИИП для сохранения качества питающей электроэнергии АСЭС применительно к следующим основным узлам:

- стабилизаторам входной мощности (тока) и промежуточным (буферным) накопителям;

- активным корректорам коэффициента мощности (ККМ), в частности с Виенна-выпрямителем и обратимыми модуляторами (рис. 1.4.4 в работе);

- схемам расщепления зарядных и коммутируемых цепей с временными сдвигами («многотактным»), в частности - ступенчато - коммутационным;

, dU dl

- коммутационно - демпфирующим цепям снижения — и — в диодно-

dt di

транзистроных узлах и схемам с исключением «сквозных и инверсных сверхтоков» (рис. 1.4.7, 1.4.8 в работе).

Вторая глава посвящена модернизации известных и разработке новых схемотехнических средств для сохранения качества питающей электроэнергии АСЭС.

Обоснована важность и высокая эффективность предложенных цепей формирования разрядного тока с обеспечением остаточного напряжения (и„) емкостного накопителя ВИИГТ (рис. 2.1.1 в работе). Оно имеет важнейшее значение не только для величины среднециклического КПД ВИИП, но и для параметров воздействий на питающую сеть АСЭС соизмеримой мощности. Указанно на необходимость тщательного и компромиссного выбора величины (/« для минимизации массы накопителя при обеспечении заданного качества электроэнергии.

Предложены оригинальные эффективные схемы непосредственных зарядных трехфазных преобразователей для однокаскадных ВИИП:

- Виенна-выпрямитель с бестрансформаторным высоковольтным ККМ на базе составных обратимых модуляторов и секционированного емкостного накопителя (рис. 2.2.1 в работе);

- сдвоенный выпрямитель с бестрансформаторным высоковольтным «5ЕР1С» - ККМ на базе составных обратимых модуляторов и комбинированного емкостного накопителя с последовательно-буферными секциями (рис. 2.2.2 в работе);

- преобразователь с тремя однофазными выпрямителями и трансреакторными ККМ, подключенными к общему секционированному накопителю (рис.2.2.3 в работе);

- трансформаторные варианты ККМ (рис. 2.2.4 в работе);

- трансформаторно-выпрямительный ИЕП с высоковольтным шунтирующим модулятором (рис. 2.2.5 в работе).

Основным достоинством однокаскадных ВИИП является высокий КПД благодаря прямому преобразованию энергии и хорошие массо-энергетические показатели.

Модернизированы схемы зарядных высоковольтных конверторов для комбинированных двухкаскадных ВИИП с промежуточным емкостным накопителем, в частности трансформаторные, трансреакторные и бестрансформаторные (рис. 2.3.1 и 2.3.2 в работе). Схемы, базирующиеся на спаренных однотактных трансреакторных конверторах с прямоходовыми цепями (рис. 2.3.1 г,д) обладают следующими достоинствами перед двухтактными трансформаторными:

- однозвенное регулируемое преобразование с более высокими КПД и надежностью;

- отсутствие цепей для «сквозных сверхтоков»;

- временное и токовое расщепление коммутаций, снижающее величину генерируемых помех (— и —).

Бестрансформаторные схемы выигрывают по массе, КПД и габаритам, однако не обеспечивают гальванической развязки и теряют свои преимущества при значительной кратности повышения напряжения.

Предложенные универсальные по своим функциям безрезистивные

коммутационно - демпфирующие цепи снижения — и — в ДИОДНОМУ/ Л

транзисторных узлах (рис. 2.4.1 в работе) эффективно выполняют следующие основные задачи:

- ограничение «сверхтоков» в транзисторах и диодах из-за инерционности восстановления запертого состояния диода при отпирании транзистора;

- ограничение перенапряжений на транзисторах из-за паразитной индуктивности монтажных соединений;

- формирование коммутационных траекторий (и(1'), 1(1')) для снижения

тепловых потерь и повышения надежности полупроводниковых приборов за

'к

счет снижения |г/(/>(0<Л;

о

„ сШ , ¿и „ ,

- снижение уровня генерируемых помех типа С„— и 1и—, где -

<Л Ж

паразитные параметры элементов, монтажа и проводов. Третья глава посвящена расчетно-аналитическому и компьютерному моделированию основных узлов ВИИП и их воздействий на качество электроэнергии АСЭС.

Схемы всех рассматриваемых ВИИП содержат трехфазные выпрямительно-емкостные узлы, представляющие определенную сложность для математического моделирования. В этой связи предложена методика расчета «по огибающим», которая эквивалентирует выпрямительно - емкостную схему с приведенной активной нагрузкой путем введения осредненных коэффициентов преобразования по току и напряжению

1*т

[('«.И „V'

Предложены две методики аналитического моделирования индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) с выпрямительно - емкостной нагрузкой. Для относительно медленных процессов для трехфазного Т-образного ИЕП с межфазными взаимоиндуктивностями моделью является уравнение

эллипсоидальной внешней характеристики в комплексной форме

£ х

[ЛХЛ - *С (*| + *2 ) - * и (*с + ХМ )] = М - ХС ~ \г^ХМ - (*С - .

дополненное уравнением выпрямительно - емкостной нагрузки

к,

Оптимальное с точки зрения постоянства потребляемой мощности при максимуме (соэ <р)ш.ср соотношение параметров ИЕП и эквивалентного сопротивления выпрямительно - емкостной нагрузки, в частности - с промежуточным емкостным накопителем (С„„)

п = Ч = и1Ц1_ I /.„,„ Кс

будет таким, при котором Я-уаг колеблется вблизи среднего значения Я', удовлетворяющего системе

и 8\г\

\г I = —!- = со/и/, т.е. -= = 0; 1ш(г„) = 0 /, а/г

Отсюда получаем условие для режима стабилизации входного тока при {со5(р)вх Ср шах:

хс=х1+х2±у[х1+х22 ¡X ~ X

Соответствующие этому режиму формулы для выбора параметров схемы приведены в работе (ф.(9), (14), (15) р.3.1.2).

Выражения для всех временных функций процесса зарядки накопительного конденсатора с постоянной потребляемой мощностью (// -сот!): и2(0, ¡¡О), (со.ч(р)„у(1), ис(1), ¡„(1) приведены в работе (ф.(15) р.3.1.3).

В случае использования ИЕП в качестве стабилизатора выходного тока (¡2=сот(), например, в качестве бестрансформаторного умножителя напряжения получаем известное резонансное соотношение его входных параметров (х/=хс) и соответствующие временные функции процесса зарядки (ф.(13) р.3.1.3).

Очобый интерес представляет использование ИЕП в качестве фильтрокомпенсирующего стабилизатора выходного тока с умножением напряжения (ФКСТун) и с максимальным коэффициентом мощности В работе сформулировано и доказано следующее свойство, относящееся к электротехническим фильтрам: для обеспечения инвариантности коэффициента мощности (со$(р)ш на входе Т-образного ЬрС-Ьг-фильтра относительно величины активной нагрузки Н„ при постоянной амплитуде входного

синусоидального напряжения необходимо и достаточно выполнение условия:

= о)1г - —. соС

Доказательство базируется на требовании выполнения тождественного равенства (р.3.1.3)

^к.о для Яяе[0;оо); при этом (со$<р)ех=1.

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало, что аналитический метод (при определении (со$<р)ср , ц1р ,огибающих и модуляции активного и реактивного тока) имеет погрешность 8-12%, а метод моделирования на ЭВМ 3-5%. Аналитические методики применимы к системам с зарядкой накопителя не менее, чем за 5-10 периодов питающей ЭДС (см. рис. 3.1.6 в работе).

Для инженерного исследования совместной работы комбинированных двухкаскадных ВИИП (в частности с зарядным дросселем - рис.3.2.1) с сетью переменного тока соизмеримой мощности предложена упрощенная методика аналитического или ускоренного компьютерного расчета зависимости коэффициента вызываемой в сети модуляции напряжения от параметров ВИИП. Методика базируется на замене магистрального синхронного генератора и входного выпрямителя ВИИП эквивалентным генератором постоянного тока. Для получения рекуррентных выражений коэффициента модуляции на любом из интервалов зарядно-разрядного цикла исходная система трех дифференциальных и группы алгебраических уравнений (ф.(11-15) в р.3.2) решена методом «припасовывания» (ф.(19-20), (23-29), (33-35), (36-37)р.3.2). Сравнение расчетов с экспериментальными данными показали следующее: а) модель дает погрешность не более 5% для определения коэффициента модуляции; б) время подготовки программы и расчета на ЭВМ в 15-20 раз меньше, чем по полным исходным уравнениям;, в) при си ь

соотношениях —щц2 -^>6 и мощности магистрального генератора > 6Рср

СИ иН Л/7

величина коэффициента модуляции не превышает 1% при любых параметрах стационарной нагрузки. При этом цср ~ 0,9.

Предлагается также методика аналитического расчета рабочих процессов в зарядном преобразователе на базе трансформаторного регулируемого инвертора напряжения с предвключенным понижающим конвертором (рис.3.3.1 и 3.3.2). Проведенный анализ подтверждается моделированием на ЭВМ и сравнением с экспериментальными данными (рис. 3.1.2).

Разработаны компьютерные «квазифизические» модели зарядных конверторов на базе трансформаторных регулируемых инверторов напряжения (рис. 3.4.2 и 3.4.3), а также схемы управления и стабилизации (рис. 3.4.4 и 3.4.6). Приведена методика выбора параметров моделей в соответствии с техническим заданием на устройство.

Четвертая глава посвящена выбору рациональных структур и схем ВИИП, результатам моделирования и экспериментальных исследований, а также

рекомендациям к проектированию и опытно-промышленному внедрению. Результаты проведенных исследований позволили вычленить три варианта рациональных структур ВИИП, показанные на рис.1.

В В/В ШН СЕН Ц»РТ%,

а)

б)

'■ 1 1

А <

' "! т 1 ' *

т

РИН Т,-ФКСТ„

Ен цФРГ,„,

Ж

В/Д *ГЗ' КЕН Ц<РРТ„,

Рис.1 Варианты рациональных структур ВИИП:

а) I вар.: однокаскадный -стабилизатора тока

на базе фильтрокомпенсирующего с умножением напряжения (ФКСТун) и высоковольтного шунтирующего модулятора (В/В ШМ);

б) II - вар.: двухкаскадный - на базе ИЕП, ПН, регулируемого инвертора

напряжения (РИН) и трансформаторного ФКСТун;

в) III - вар.: бестрансформаторный — на базе Виенна - выпрямительного ККМ

(В-В-ККМ), комбинированного емкостного накопителя (КЕН) и вольтдобавочного «транспортера заряда» (В/Д «ТЗ»),

Рис. 2 Схема I вар. ВИИП

Рис.3 схема II - вар. ВИИП

В/Д ТЭ «ЕН

2i ¿i Ii

Л 2i Ii

лл„

■ 'кто1

ЛЛо,

АЛо^

2i

4С-

Т

" л

5

Н,

Рис.4 схема III - вар. ВИИП

и | I И-.

dl_ dt

Рис.5 Схема включения коммутационно-демпфирующих цепей снижения в диодно-транзисторных узлах для III варианта ВИИП в однофазном исполнении

В соответствии с ними разработаны рациональные схемотехнические варианты

их реализации, показанные на рис. 2, 3, 4. Схема включения коммутационно -

, _ ¿им

демпфирующих цепей снижения — и — для третьего варианта вынесена отдельно

на рис. 5.

Результаты компьютерного расчета статических и динамических характеристик зарядных конверторов на базе трансформаторных регулируемых инверторов напряжения и экспериментальное подтверждение адекватности моделирования приведены в разделе 4.2.1 (рис. 4.2.1 - 4.2.8, 4.2.9 - 4.2.13, 4.2.14 - 4.2.15, 4.2.16 -4.2.17, 4.2.18 - 4.2.25). Приведен сравнительный анализ статических и динамичаеских характеристик (табл. 4.2.7) и рекомендации по применению схем и моделей (конец р.4.2.1).

Результаты компьютерного моделирования корректора коэффициента мощности с выпрямителем и повышающим циклоконвертором с демпфирующими

цепями для уменьшения — и — приведены в разделе 4.2.2 (рис. 4.2.26, 4.2.27), а Л Л

моделирования понижающего конвертора и зарядного мостового инвертора напряжения с ИЕП -ФКСТун- в разделе 4.2.3 (рис. 4.2.29-4.2.31).

Результаты комплексных (аналитических, компьютерных и экспериментальных) исследований предложенных схемотехнических вариантов ВИИП и испытаний макетных образцов на специальных стендах кафедры 309 и 310 МАИ, УОМЗ и ОАО АКБ «Якорь», сведенные в таблицу 1, позволяют

Таблица 1

Тип стр\кг\ры 1 вариант II вариант 111 вариант

ВИИП Основные Одноклекадный (Тр)-ФКСТ„-ВЛ!ШМ-С'1-:Н-Ц«П\и„| Лв^каскалный ИНММШ-РИН-Тр ФКСТун-В-ЕМ-ЦФРТ(Ц,) Ф-В-В-ККМ-В ;:.n»-k-i:;i- ¡:оп<:ц

характеристики "-«■^сеть f« = const (>4<>ОГц) f, = const (>400Гц) ("„ - var или ft = const

Массоэнергетические показатели при иЛЛи=0.2 к«<1%для Рф/Б. =0,05 Пер 0.8 0.7 0.85

G кг/кВт 5 ...7 6 ... 8 3 ... 4

Среднециклический коэффициент мощности X" 0.85 0,9 0,95

Приведенный коэффициент модуляции напряжения к„ % 0,9 0,7 1,2

Приведенный коэффициент нелинейных искажений напряжения к,.« % 5 6 7,8

Приведенный коэффициент модуляции потребляемой активной мощности (акт тока) • к„„,% 80 30 80

Рекоменд%емые диапазоны РФ и Гр Ptp.KBr (1,5 ... 10) <1,5 ...5) <0,3 ... 20)

Гр.Гц (0,1 ... 25) <0.1 ... 1000) (0,1 ... 100)

Примечания Критичен к отклонениям 1, ! {(..рационален для Г, = 5<J Гц Нсобчодима защита отреж. XX ! Ьиболее прост н надежен Наименьшая генерация н ееп. Критичен к отклонениям f. Наиболее сложен и менее надежен Некритичен к велич и стаб Г, Наибольшая генерация помех в сеть

практически однозначно осуществлять их выбор в каждом конкретном случае в зависимости от рассмотренных параметров технических требований.

Данные по внедрению отражены в разделе 4.4, в Заключении и в актах, прилагаемых к диссертации.

Заключение

Конечным результатом работы является исследование воздействий вторичных источников импульсного питания (ВИИП) на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения (АСЭС) переменного трехфазного тока, модернизация существующих и разработка новых, более эффективных схемотехнических средств для его сохранения.

Полученные в работе теоретические и практические результаты призваны дополнить теорию и практику вторичных преобразователей с импульсно-циклической нагрузкой и их взаимодействия с первичной энергосистемой соизмеримой мощности.

К промежуточным и дополнительным результатам, имеющим и самостоятельное значение, относятся следующие (в соответствии с перечисленными во введении задачами):

1. Проведенный обзор, систематизация и анализ существующих средств (по выбранным критериям их эффективности) позволили выбрать следующие наиболее эффективные схемотехнические средства для сохранения качества электроэнергии на АСЭС: пассивные (параметрические) и активные (транзисторно-ключевые) стабилизаторы входной (потребляемой из сети) мощности; промежуточные (буферные) емкостные накопители; секционированные рабочие емкостные накопители; активные корректоры коэффициента мощности; стуепнчато-

с!и йI

коммутационные цепи; коммутационно-демпфирующие цепи снижения —и —.

Выбраны перспективные направления их модернизации.

2. Проведенные модернизация известных и разработка новых схематических средств для сохранения качества питающей электроэнергии АСЭС позволили разработать основные унифицированные узлы ВИИП с повышенной эффективностью: цепи формирования разрядного тока с обеспечением остаточного напряжения накопителя; непосредственные пассивные (резонансные), активные и комбинированные зарядные трехфазные преобразователи с высоким коэффициентом мощности для однокаскадных ВИИП; зарядные высоковольтные конверторы для комбинированных двухкаскадных ВИИП с промежуточным накопителем и многофункциональные коммутационно-демпфирующие цепи

аи а

снижения — и — в диодно-транзисторных узлах.

А Л

3. Приведенное расчетно - аналитическое и компьютерное (программно-вычислительное и «квазифизическое») моделирование основных узлов ВИИП и их воздействий на качество электроэнергии АСЭС позволило разработать следующие специализированные методики, адекватные конкретным решаемым задачам: а) моделирования индуктивно-емкостных преобразователей (ИБП) с выпрямительно-

емкостной нагрузкой в составе одно- и двухкаскадных ВИИП; б) аналитического исследования совместной работы ВИИП с сетью соизмеримой мощности; в) аналитического расчета и компьютерного моделирования рабочих процессов в составных зарядных конверторах.

4. Выбраны следующие три варианта рациональных структур и принципиальных схем ВИИП: I - однокаскадный - на базе фильтрокомпенсирующего стабилизатора тока с умножением напряжения (ФКСТун) и высоковольтного шунтирующего модулятора (В/В ШМ); II - 2х-каскадный - с ИЕП, промежуточным накопителем и регулируемым инвертором напряжения с трансформаторным ФКСТун; III - бестрансформаторный с Виенна -выпрямительным корректором коэффициента мощности, комбинированным накопителем и вольтдобавочным «транспортером заряда». Результаты их комплексных исследований позволили выявить рациональные сферы их применения с высокой эффективностью и подтвердили достоверность теоретических положений, а также предложенных методик расчета и моделирования.

5. Предложенные рекомендации к проектированию ВИИП сведены к их рациональным структурам, принципиальным схемам с описание работы узлов, к методикам моделирования и к объединенной таблице основных массо-энергетических и помеховозбуждающих параметров.

Результаты исследований использованы:

• При разработке на кафедрах 310 МАИ ряда мектных образцов ВИИП в рамках НИР для предприятий ОАО «АКБ «Якорь» и ФГУП ПО «УОМЗ» (со среднециклическими мощностями от 1,5 до 8 кВт);

• В рамках НИОКР и серийного выпуска образцов ВИИП типов «Клен-П», «Клен-ПО», БЭП-2, ПВИ-2 на предприятиях ФГУП ПО «УОМЗ» (г. Екатеринберг) и ОАО «АКБ»Якорь» (г. Москва);

• В рамках НИОКР кафедры 310 МАИ для ЗАО «Спецремонт» при разработке, изготовлении и всесторонних испытаниях вариантов макетов и опытных образцов трансформаторных конверторных модулей (мощностью 2 кВт), входящих в состав преобразователя СТП-12-У1 (3);

• В учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ в рамках курса «Электромагнитная совместимость комплексов ЛА»;

• В инициативном проекте «Фундаментальное исследование: Новые принципы и методы имитации источников мощных электромагнитных импульсов с поражающим воздействием на информационные линии систем управления» РФФИ, 2006-2007г. (основной исполнитель - каф309 МАИ). Соответствующие акты о внедрении приведены в Приложении.

Опубликованные работы по теме диссертации:

1. С. Резников, И. Соловьев, Н. Гуренков. Импульсные регуляторы амплитуды с коррекцией формы переменного напряжения для транспортных и стационарных электроэнергосистем. Силовая электроника, №4, 2007 г. с. 60-62.

2. С.Резников, И.Соловьев, Н. Гуренков. Комбинированные автономные системы электроснабжения переменного и постоянного тока с повышенным качеством электроэнергии и ЭМС. Компоненты и технологии №9, 2008 г. с. 60-67.

3. Резников С.Б., Бочаров В.В., Гуренков Н.В., Корнилов А.Б.

Схемотехнические средства снижения электромагнитных помехоизлучений, от ,электронных сварочных и пускорегулируюших аппаратов. Технологии ЭМС, №2 (29) 2009г. с. 76-84. Включен в список ВАК.

4. С. Резников, В. Бочаров, Е. Парфенов, Н. Гуренков.

Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть 1. Критерии эффективности схемотехнических средств. Силовая электроника №3 ,2009 г., с.50-53.

5. С. Резников, В. Бочаров, Е. Парфенов, Н. Гуренков. Часть 2. Обзор и систематизация известных структур и схем основных узлов. Приближенные критерии оценки. Силовая электроника № 4,2009 г., с. 74-80.

6. С. Резников , В. Бочаров, Е. Парфенов, Н. Гуренков, А. Корнилов. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть 3. Обзор и анализ схемотехнических средств, выбор перспективных направлений модернизации. Силовая электроника №5 2009 г. с. 86-89.

7. С. Резников , В. Бочаров, Е. Парфенов, Н. Гуренков, А. Корнилов. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть 3. Окончание. Силовая электроника № 1 2010 г. с.26-28.

8. С. Резников, В. Бочаров, Е. Парфенов, Н. Гуренков, А. Корнилов. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть 4. Модернизация известных и разработка новых схемотехнических средств. Силовая электроника №2 2010 г. с. 52-58.

9. С. Резников, В. Бочаров, Е. Парфенов, Н. Гуренков, С. Коняхин. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть 5. Моделирование индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП с выпрямительно-емкостной нагрузкой в составе

однокаскадного и 2-ух каскадного ВИИП) Силовая электроника № 3 2010г. с. 48-53.

Ю.Резников С.Б., Корнилов А.Б., Гуренков Н.В., Парфенов Е.В. Сохранение качества электроэнергии на входе вторичных источников импульсного питания с емкостным накопителем. Технологии ЭМС , №2(33) 2010 г. Включен в список ВАК.

11 .Резников С.Б., Бочаров В.В., Гуренков Н.В., Парфенов Е.В. Заявка № 2009104208 от 09.02.2009 г. Регулируемый преобразователь переменного напряжения. Патент на полезную модель № 83882 Б.Н. № 17 от 20.06.2009г.

12.Резников С.Б., Бочаров В.В., Гуренков Н.В., Парфенов Е.В. Заявка№ 2009104210 от 09.02.09 Устройство комбинированного электропитания постоянного и переменного тока. Патент на полезную модель № 83878 Б.И. № Пот 20.06.2009г.

13.Резников С.Б., Бочаров В.В., Гуренков Н.В., Парфенов Е.В., Корнилов А.Б. Бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока и его варианты. Патент РФ на полезную модель № 89911 БИ № 35 от 20.12.2009г.

14. Резников С.Б., Бочаров В.В., Гуренков Н.В., Парфенов Е.В., Корнилов А.Б. Регулятор выпрямленного тока и его варианты. Патент РФ на полезную модель № 88876 БИ № 32 от 20.12.2009г.

15.Резников С.Б., Бочаров В.В., Гуренков Н.В., Парфенов Е.В., Корнилов А.Б., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В. Электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп. Патент РФ на полезную модель № 89909 БИ № 35 от 20.12.2009г.

Подписано в печать: 23.11.2011 Объем: 1 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ №732 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Ленинградский пр-к, д.74, корп.1 (495) 790-47-77; www.reglet.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор и анализ известных структур ВИИП и схемотехнических средств для сохранения качества питающей электроэнергии автономных систем электроснабжения переменного тока

1.1. Критерии эффективности схемотехнических средств, применяемых в статических преобразователях для сохранения качества питающей электроэнергии автономных систем электроснабжения (АСЭС) переменного трехфазного тока постоянной частоты.

1.2. Обзор и систематизация известных структур и схем основных узлов ВИИП.

1.3. Приближенные критерии косвенной оценки массо энергетических и надежностных характеристик полупроводниковых ключей ВИИП.

1.4. Обзор и анализ известных схемотехнических средств, применяемых в ВИИП для сохранения качества питающей электроэнергии АСЭС, выбор перспективных направлений модернизации.

1.4.1. Стабилизаторы входной (потребляемой из сети) мощности (тока) и промежуточные (буферные) накопители.

1.4.2. Корректоры коэффициента мощности.

1.4.3. Схемы с расщеплением зарядных и коммутируемых цепей с временными сдвигами («многофазные»).

1.4.4. Коммутационно-демпфирующие цепи снижения —и — в диодно-транзисторных узлах и схемы с исключением «сквозных и инверсных сверхтоков».

ГЛАВА 2. Модернизация известных и разработка новых схемотехнических средств для сохранения качества питающей электроэнергии АСЭС

2.1. Цепи формирования разрядного тока с обеспечением остаточного напряжения накопителя.

2.2. Непосредственные зарядные трехфазные преобразователи для однокаскадных ВИИП.

2.3. Зарядные высоковольтные конверторы для комбинированных двухкаскадных ВИИП с промежуточным емкостным накопителем

2.4. Коммутационно-демпфирующие цепи снижения ^-и — в диодно-транзисторных узлах.

ГЛАВА 3. Расчетно-аналитическое и компьютерное моделирование основных узлов ВИИП и их воздействий на качество электроэнергии АСЭС

3.1. Моделирование индуктивно-емкостных преобразователей (ИБП) с выпрямительно-емкостной нагрузкой в составе однокаскадных и двухкаскадных ВИИП.

3.1.1. Моделирование по уравнению статической внешней характеристики ИБП для симметричной активной нагрузки

3.1.2. ВИИП с Спн и предвключенным ИБП переменного тока

3.1.3. Аналитическое исследование статических и «макропереходных» режимов в фильтрокомпенсирующих стабилизаторах тока (ФКСТ) с выпрямительно-емкостной переменной нагрузкой.

3.2. Упрощенное аналитическое исследование совместной работы комбинированных двухкаскадных ВИИП с сетью переменного тока соизмеримой мощности.

3.3. Аналитический расчет рабочих процессов в зарядном преобразователе на базе трансформаторного регулируемого инвертора напряжения с предвключенным понижающим конвертором.

3.3.1. Расчет рабочих процессов и параметров элементов понижающего конвертора.

3.3.2. Расчет рабочих процессов и параметров зарядного трансформаторного инвертора напряжения с выходным резонансным фильтрокомпенсирующим ИЕП.

3.4. Компьютерное моделирование зарядных конверторов на базе трансформаторных регулируемых инверторов напряжения (РИН)

3.4.1. Модель силовой части.

3.4.2 Разработка модели схемы управления и стабилизации.

ГЛАВА 4. Выбор рациональных структур и схем ВИИП, результаты моделирования и экспериментальных исследований, рекомендации к проектированию и опытно-промышленное внедрение

4.1. Рациональные структуры и схемы ВИИП с эффективными средствами снижения воздействий на качество электроэнергии АСЭС и сферы их применения.

4.2. Результаты компьютерного моделирования узлов ВИИП и их воздействий на питающую сеть АСЭС, экспериментальное подтверждение адекватности моделирования.

4.2.1. Результаты компьютерного расчета статических и динамических характеристик зарядных конверторов на базе трансформаторных РИН, экспериментальное подтверждение адекватности моделирования.

4.2.2. Результаты компьютерного моделирования однофазного выпрямителя и повышающего циклоконвертора (ККМ) с демпфирующими цепями для уменьшения —- и —

4.2.3. Результаты компьютерного моделирования понижающего конвертора и зарядного мостового инвертора напряжения с ИЕП-ФКСТун.

4.3. Результаты комплексных исследований предложенных вариантов ВИИП, рекомендации к проектированию.

4.4. Опытно-промышленное и другие внедрения.

Актуальность темы. Вторичные источники импульсного питания (ВИИП) с емкостным накопителем, обладающие большой разрядно-импульсной мощностью (десятки МВт), находят широкое распространение в системах питания твердотельных лазеров, средств радиоэлектронной борьбы, конденсаторных сварочных аппаратов, антиобледенительных и других вибраторов, источников питания ионных и плазменных двигателей и проблесковых вспышек, имитаторов источников мощных и сверхмощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) и других.

К основным проблемам, возникающим при разработке ВИИП с первичным питанием от автономных систем электроснабжения (АСЭС) переменного трехфазного тока, в частности авиационных, авиационно-космических и судовых, относятся обеспечение электроэнергетической и электромагнитной совместимости (ЭЭС и ЭМС) с первичной сетью (обычно 115/200 В, 400 ГЦ или 220/380 В, 50 Гц), снижение массы и габаритов, повышение среднециклического КПД, надежности и точности регулирования выходных параметров.

Главной задачей обеспечения электроэнергетической и электромагнитной совместимости ВИИП с первичной сетью является выбор способа и схемотехнического решения для периодической зарядки емкостного накопителя от нулевого (режим к.з.) до высокого (1 . 5) кВ предразрядного напряжения (режим, близкий к х.х.) при сохранении качества электроэнергии питающей сети, регламентируемого требованиями ГОСТ и другими нормативными документами (обеспечение постоянства амплитуды, частоты и формы кривой напряжения, допустимого уровня помех, а также минимальной загрузки реактивной мощностью).

Проблема сохранения качества электроэнергии питающей сети при работе ВИИП еще более усложняется при наличии предразрядной и послеразрядной пауз в зарядном токе накопительного конденсатора для стабилизации предразрядного напряжения на нем и восстановления электрической прочности (деионозации) импульсной нагрузки.

Неучет вышеуказанной проблемы на всех стадиях проектирования и разработки ВИИП практически всегда приводит к большим неоправданным затратам времени и средств на их доработку и испытания в составе АСЭС.

Построению и анализу ВИИП с первичным питанием от систем электроснабжения переменного и постоянного тока посвящены работы таких отечественных ученых как Алексеев И.И., Алиевский Б.Л., Булатов О.Г., Вольский С.И., Ечеистов Б.А., Зечихин Б.С., Конев Ю.И., Коняхин С.Ф., Лаптев H.H., Лившиц ЭЛ., Лукин A.B., Малышков Г.М., Машуков Е.В., Мизюрин С.Р., Милях А.Н., Моин B.C., Молочников Ш.Р., Мустафа Г.М., Мыцык Г.С., Овчинников Д.А., Резников С.Б., Розанов Ю.К., Цишевский В.А., Юхнин М.М.

Однако в опубликованных отечественных и зарубежных работах не уделено достаточного внимания исследованию воздействий ВИИП на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения переменного тока и разработке универсальных и высокоэффективных схемотехнических средств для его сохранения. В последнее десятилетие получили широкое распространение новые эффективные сильноточные, высоковольтные и относительно высокочастотные ключевые полупроводниковые приборы (IGBT и МОСФЕТ-транзисторы, а также запираемые тиристоры). Они позволяют пересмотреть известные схемотехнические решения при построении ВИИП с целью повышения их эффективности при сохранении качества питающей электроэнергии, что представляется актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение и способствующей созданию перспективных автономных электротехнических комплексов, в частности - авиационных, авиационно-космических и судовых.

Цель диссертационной работы - исследование воздействий вторичных источников импульсного питания на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения переменного трехфазного тока, модернизация существующих и разработка новых, более эффективных схемотехнических средств для его сохранения.

Исходя из указанной цели понадобилось решить следующие задачи:

- обзор, систематизация и анализ схемотехнических средств (по выбранным критериям их эффективности), выбор наиболее эффективных средств и перспективных направлений их модернизации;

- модернизация известных и разработка новых схемотехнических средств с повышенной эффективностью;

- математическое (аналитическое) и компьютерное (программно-вычислительное и схемного т.е. «квазифизическое») моделирования ВИИП в составе АСЭС, адекватные решаемым задачам;

- выбор рациональных структур и схем ВИИП, их комплексное исследование и экспериментальное подтверждение достоверности теоретических положений, расчетов и результатов моделирования;

- предложение рекомендаций к проектированию и опытно-промышленное освоение.

Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы: общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая метод переменных состояний, классический и операторный методы расчета переходных процессов, метод гармонических составляющих и спектрального анализа, а также методы компьютерного моделирования (программно-вычислительного и «квазифизического»). Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов моделирования подтверждена согласованностью с физическими законами, экспериментальными исследованиями на макетах и опытных образцах, а также путем анализа работы промышленных образцов в условиях испытаний и эксплуатации.

Научная новизна.

1. Методики аналитического моделирования индуктивно-емкостных преобразователей (ИБП) с выпрямительно-емкостной нагрузкой: а) по уравнению статической внешней характеристики (для относительно медленных процессов) в режимах стабилизации входного или выходного токов, а также при произвольных параметрах; б) в режиме фильтрокомпенсирующего стабилизатора тока (в частности - на базе сформулированной и доказанной теоремы); (р.3.1.1 - 3.1.3)

2. Сформулирована и доказана теорема об инвариантности входного коэффициента мощности Т-образного Ь-С-Ь-фильтра относительно активной нагрузки (р.3.1.3)

3. Методика аналитического исследования совместной работы ВИИП с промежуточным накопителем и сети соизмеримой мощности на базе метода «припасовывания», позволяющая определять зависимость коэффициента модуляции от основных параметров системы (р.3.2). Погрешность расчетов не более 2% для описания по ур.(1)-(10) и не более 5% по упрощенным ур.(11)-(15)

4. Методика аналитического расчета рабочих процессов в регулируемом зарядном преобразователе на базе трансформаторного инвертора напряжения с предвключенным конвертором и выходным резонансным фильтрокомпенсирующим ИБП (р.3.3)

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты сопоставительного анализа известных схемотехнических средств снижения воздействий статических преобразователей на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения (АСЭС) и выбор перспективных направлений повышения их эффективности.

2. Модернизированные и вновь разработанные структуры и три рациональных варианта схем вторичных источников импульсного питания

ВИИП), обеспечивающих сохранение качества питающей электроэнергии при удовлетворительных массо-энергетических характеристиках.

3. Новые методики расчетно-аналитического и компьютерного моделирования основных узлов ВИИП и их воздействий на качество электроэнергии АСЭС, призванные дополнить теорию и практику вторичных преобразователей с импульсно-циклической нагрузкой и их взаимодействия с первичной энергосистемой соизмеримой мощности.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований макетных и опытно-промышленных образцов ВИИП - как расчетно-информационный и рекомендательно-проектировочный базис для дальнейших подобных разработок.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием исходных теоретических и экспериментальных данных, вычислительными экспериментами и поэтапной верификацией теоретических выкладок и гипотез с экспериментальными данными, полученными в ходе лабораторно-стендовых и всесторонних типовых испытаний макетов и опытных образцов.

Научная и практическая значимость

1. Таблица причинно-следственных связей основных показателей качества электроэнергии АСЭС и на входе потребителей с источниками возмущений и характеристиками бортового оборудования (в дополнение к существующей таблице основных методов обеспечения ЭМС импульсных источников питания) (табл. 1.1.5)

2. Приближенные среднециклические критерии оценки массо-энергетических, надежностных и помеховносимых (генерирующих) характеристик полупроводниковых ключей и преобразовательных узлов ВИИП (результирующие коэффициенты загрузки однотипных ключей - в р. 1.3, коэффициент мощности на входе, приведенные коэффициенты: модуляции напряжения, нелинейных искажений напряжения, модуляции потребляемой активной мощности (акт. тока) - в табл. 4.3.1)

3. Исследование взаимозависимости между остаточным напряжением емкостного накопителя (11о), массо-габаритными и помеховносимыми характеристиками ВИИП, а также новые схемы обеспечения и0 (рис.2.1.1)

4. Применение последовательно-ступенчатого («многофазного») расщепления модулирующей коммутации для снижения генерируемых помех и обеспечения высоковольтности (нагрузки или питания) (р. 1.4.3), а также новые схемы Виенна-выпрямителей с ККМ на базе составных обратимых модуляторов и секционированного (комбинированного) емкостного накопителя (рис. 2.2.1 и 2.2.2)

5. Схемы трансреакторных и трансформаторных ККМ и зарядных преобразователей на базе инверторов тока с цепью рекуперации коммутационной энергии рассеивания (рис.2.2.3, 2.2.4 и 2.3.1)

6. Схема зарядного ИЕП с высоковольтным шунтирующим модулятором (рис.2.2.5)

7. Схемы бестрансформаторных зарядных высоковольтных конверторов (рис.2.3.2)

8. Схемы комбинированных коммутационно-демпфирующих цепей снижения — и — в диодно-транзисторных узлах (рис.2.4.1) Ж <И

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы: а) при разработке на каф. 309 и 310 МАИ ряда макетных и серийных образцов ВИИП в рамках НИР и НИОКР для предприятий ОАО «АКБ «Якорь»» и ФГУП ПО «УОМЗ»; б) в рамках НИОКР каф. 310 МАИ для ЗАО «Спецремонт» при разработке, изготовлении и всесторонних испытаниях вариантов макетов и опытных образцов трансформаторных конверторных модулей, входящих в состав преобразователей СТП-12-У 1(3); в) в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ в рамках курса «Электротехническая совместимость комплексов ЛА»; г) в инициативном проекте «Фундаментальное исследование: Новые принципы и методы имитации источников мощных электромагнитных импульсов с поражающим воздействием на информационные линии систем управления» РФФИ, 2006-2007г. (основной исполнитель - каф. 309 МАИ). Соответствующие акты о внедрении приведены в Приложении.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: на XIV и XV Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г. Алушта, 2007 и 2008г.); на 4й и 5х Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (г.Москва, 2007 и 2008г.); на VII Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (г. Санкт - Петербург, 2007г.); на семинарах, совещаниях и научно-технических советах предприятий ОАО «АКБ «Якорь»», ФГУП ПО «УОМЗ» и кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в их числе 10 статей, 5 патентов на изобретения (полезные модели).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 195 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 74 наименования, в том числе 4 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 203 страницы.

Результаты работы использованы в инициативном проекте «Фундаментальное исследование: Новые принципы и методы имитации источников мощных электромагнитных импульсов с поражающим воздействием на информационные линии систем управления» РФФИ, 2006 -2007г. (основной исполнитель - каф. 309 МАИ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Конечным результатом работы является исследование воздействий вторичных источников импульсного питания (ВИИП) на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения (АСЭС) переменного трехфазного тока, модернизация существующих и разработка новых, более эффективных схемотехнических средств для его сохранения.

Полученные в работе теоретические и практические результаты призваны дополнить теорию и практику вторичных преобразователей с импульсно-циклической нагрузкой и их взаимодействия с первичной энергосистемой соизмеримой мощности.

К промежуточным и дополнительным результатам, имеющим и самостоятельное значение, относятся следующие (в соответствии с перечисленными во введении задачами):

1. Проведенный обзор, систематизация и анализ существующих средств (по выбранным критериям их эффективности) позволили выбрать следующие наиболее эффективные схемотехнические средства для сохранения качества электроэнергии на АСЭС: пассивные (параметрические) и активные (транзисторно-ключевые) стабилизаторы входной (потребляемой из сети) мощности; промежуточные (буферные) емкостные накопители; секционированные рабочие емкостные накопители; активные корректоры коэффициента мощности; ступенчато-коммутационные цепи; коммутационно, сШ (11 ^ г демпфирующие цепи снижения — и —. Выбраны перспективные направления

Л Л их модернизации.

2. Проведенные модернизация известных и разработка новых схематических средств для сохранения качества питающей электроэнергии АСЭС позволили разработать основные унифицированные узлы ВИИП с повышенной эффективностью: цепи формирования разрядного тока с обеспечением остаточного напряжения накопителя; непосредственные пассивные (резонансные), активные и комбинированные зарядные трехфазные преобразователи с высоким коэффициентом мощности для однокаскадных ВИИП; зарядные высоковольтные конверторы для комбинированных двухкаскадных ВИИП с промежуточным накопителем и многофункциональные

Ш с11 коммутационно-демпфирующие цепи снижения — и — в диодно

Ж ск транзисторных узлах.

3. Приведенное расчетно - аналитическое и компьютерное (программно-вычислительное и «квазифизическое») моделирование основных узлов ВИИП и их воздействий на качество электроэнергии АСЭС позволило разработать следующие специализированные методики, адекватные конкретным решаемым задачам: а) моделирования индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) с выпрямительно-емкостной нагрузкой в составе одно-и двухкаскадных ВИИП; б) аналитического исследования совместной работы ВИИП с сетью соизмеримой мощности; в) аналитического расчета и компьютерного моделирования рабочих процессов в составных зарядных конверторах.

4. Выбраны следующие три варианта рациональных структур и принципиальных схем ВИИП: I - однокаскадный - базе фильтрокомпенсирующего стабилизатора тока с умножением напряжения (ФКСТун) и высоковольтного шунтирующего модулятора (В/В ШМ); II - 2х-каскадный - с ИЕП, промежуточным накопителем и регулируемым инвертором напряжения с трансформаторным ФКСТун; III - бестрансформаторный с Виенна - выпрямительным корректором коэффициента мощности, комбинированным накопителем и вольтдобавочным «транспортером заряда». Результаты их комплексных исследований позволили выявить рациональные сферы их применения с высокой эффективностью и подтвердили достоверность теоретических положений, также предложенных методик расчета и моделирования.

5. Предложенные рекомендации к проектированию ВИИП сведены к их рациональным структурам, принципиальным схемам с описание работы

1. Булеков В.П., Резников С.Б., Болдырев В.Г. и др. Электротехническая совместимость оборудования ЛА.-М.: Изд-во МАИ, 1992. 216с.

2. Болдырев В.Г., Бочаров В.В., Булеков В.П., Резников С.Б., Электротехническая совместимость электрооборудования автономных систем. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 352с.

3. Болдырев В.Г., Бочаров В.В., Булеков В.П., Резников С.Б. Электротехническая совместимость электрооборудования Ла (Электротехническая совместимость): Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1992-60с.

4. Болдырев В.Г., Бочаров В.В., Булеков В.П., Резников С.Б. Основы теории электроэнергетической совместимости электрооборудования автономных систем: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1997 - 120с.

5. Балюк Н.В., Болдырев В.Г., Булеков В.П., Кечиев Л.Н., Кириллов В.Ю., Литвак И.И., Постников В.А., Резников С.Б. Электромагнитная совместимость технических средств подвижных объектов. Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 2004 - 648с.

6. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

7. ГОСТ 19705-89. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии.

8. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Часть I. Линейные электрические цепи: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1978 - 592с.

9. Кириллов В.Ю. Стандарты и методы испытаний электромагнитной совместимости технических средств: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 2006г. -68с.

10. Стандарты MIL STD 460: MIL STD - 461. Характеристики ЭМП. Требования к аппаратуре. Метод испытаний на кондуктивную помехоэмиссию в проводах сети электропитания CEO 1.

11. Резников С.Б., Соколов А.И. Спаренные однотактные импульсные конверторы и их применение в силовых электроприводах постоянного и переменного тока. Силовая электроника, №2, 2007 г., с. .

12. Е. Чалыгин, Во Минь Тьинь, Нгуен Хоаннг Ан. Виенна выпрямитель -трехфазный корректор коэффициента мощности. Силовая электроника, №1,2006 г., с. 20-33.

13. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учебное пособие. Изд. 3-е. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.

14. Овчинников Д.А., Костров М.Ю., Лукин А.В, Малышков Г.М. Трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности. // Практическая силовая электроника. 2002 г., вып. 6.

15. С. Резников, В. Булеков, В. Болдырев, В. Бочаров. Новый принцип обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя с ШИМ -коррекцией мощности. Силовая электроника, №1, 2055 г., с. 84-86.

16. Важнов А.И. Основы теории переходных процессов синхронной машины. -М.: Госэнергоиздат, 1960.

17. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. М.: Энергия, 1964.

18. Бочаров В.В., Мизюрин С.Р., Резников С.Б., Сериков В.А. Расчет синхронный генераторов и трансформаторов при импульсной нагрузке на емкостной накопитель энергии: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1974.

19. Бочаров В.В., Князев А.П., Мизюрин С.Р., Резников С.Б., Сериков В.А., Чорба В.Р. Автономные и вторичные импульсные источникик электроэнергии: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1977.

20. Бертинов А.И., Мизюрин С.Р., Резников С.Б., Чорба В.Р. Уравнения импульсного электромашинного источника с емкостным накопителем в ортогональных осях // Электротехника. 1971. №4. с. 20-23.

21. Лейкин B.c. Методы расчета измерения напряжения судовых синхронных генераторов. М.: Судпромгиз, 1958.

22. Веретенников Л.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы. Л.: Судостроение, 1975.

23. Урусов И.Д., Поляшов Л.И. Установившееся процессы в синхронном генераторе, работающем на импульсную нагрузку. «Электротехника», №5, 1966.

24. Павлов В.В. Инвариантность и автономность нелинейных систем управления. Киев.: Наукова Думка, 1971.

25. Бочаров В.В., Мизюрин С.Р., Резников С.Б., Смирнов C.B., Инвариантность регулирование в автономных электро энергетических системах постоянного тока. Электричество. №5, 1985, с. 23-27.

26. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. / Справочник по математике для инженеров. -М.: Наука, 1965.

27. Казаковский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. -М, Л.: изд. АН СССР, 1962.

28. Бочаров В.В., Резников С.Б., Смирнов C.B., снижение колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах с помощью комбинированного коммутатора. Электричество, № 10, 1983, с. 43-45.

29. Милях А.Н., Кубышкин Б.Е., Волков Н.В. Индуктивно-емкостные преобразователи источников напряжения в источники тока. Киев, «Нукова думка», 1964.

30. Мизюрин С.Р., Резников С.Б., Сериков В.А., Бочаров В.В. Расчет синхронных генераторов и трансформаторов при импульсной нагрузке на емкостной накопитель. Энергия. Под ред. А.Н. Бертинова. М., изд. МАИ, 1974.

31. Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. Твердотельной ОКГ. Под ред. A.M. Прохорова. М., «Советское радио», 1972.

32. Полищук Ю.А. Об одном способе стабилизации потребляемой мощности при зарядке конденсаторов от источника постоянной ЭДС в режименеизменного потребления энергии за период заряда. Проблемы технической электродинамики. Киев, «Нукова думка», 1970, вып. 24.

33. Коршунов А. Динамический расчет стабилизированного понижающего преобразователя напряжения постоянного тока. Силовая электроника, №3,2005, с. 88-91.

34. Болотовский Ю., Таназлы Г. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде ORCAD 9.2. Часть VI. Силовая электроника, №2,2006.

35. Ланцов В., Эраносян С. Электронная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути их решения. Часть 1. Силовая электроника, №4, 2006, с.5 8-64.

36. Уильяме Т. ЭМС для разработчиков продукции. М.: Технологии. 2003.

37. Гурвич И. Защита ЭВМ от внешних помех. Энергоиздат. 1984.

38. Мкртчян Ж. Основы построения устройств элетропитания ЭВМ. М.: Радио и связь. 1990.

39. Векслер Г., Недочетов В., Пилинский В. И др. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Киев: Техника. 1990.

40. Барнс Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. М.: Мир. 1990

41. Электромагнитная совместимость технических средств. Справочник/Под ред. Карамашева B.C. М.: 2001

42. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Герасимов A.A. Однофазные выпрямители с корректором коэффициента мощности. Практическая силовая электроника, 37, 2002, С. 2-11.

43. Худяков В. Школа MATLAB Урок 3. Построение SPS моделей с полупроводниковыми элементами. Силовая электроника, №3, 2005, с. 102112.

44. Глебов Б., Лебедев А., Недолужко И. Расчет с помощью SPICE демпфирующих цепочек для транзисторных ключей преобразователей напряжения. Силовая электроника, №4, 2005, с.78-81.

45. Е. Чалыгин, Нгуен Хоаннг Ан. Спектральное моделирование корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника, Вып. 15, 2004г.