автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Преобразователи с дозированной передачей энергии в нагрузку

Введение 4

Глава 1. Общие вопр проения преобразователейдозированной передачей энергии в нагрузку. 1.1.бенниглвания преобразователяэлектротехнологичой нагрузкой 9

1.2.ППН с жесткой естественной внешней характеристикой.

1.2.1.Схемы регуляторов напряжения и выбор реактивных элементов. 13

1.2.2.Динамические режимы. 18

1.3.Принцип дозированной передачи энергии в нагрузку. Классификация 1111Н с дозированной передачей энергии в нагрузку. 25

1.4.Простейший 111Щ с дозированной передачей энергии и емкостным накопителем. 33

1.5.ППНрекуперацией энергии и емкостным накопителем. 38

1.6.Регуляторы постоянного напряжения типов 1, 2, 3 в режиме прерывистого магнитного потока и их внешняя характеристика. 50

Выводы по главе 1. 58

Глава 2. Регулятор напряжения - 3 в режиме дозированной передачи энергии.

2.1.Схемные варианты. 60

2.2.Электромагнитные процессы при идеальном фильтре. 65-69 2.3.Электромагнитные процессы при идеализированной нагрузке. 70

2.4.Оценка аппаратных затрат в однотактном и многотактном ПИН. 75

2.5.Модель для анализа электромагнитных процессов при неидеальном фильтре. Результаты моделирования

2.5.1.Структура модели. 79

2.5.2.Результаты моделирования. 86

2.6.Выбор фильтрующих элементов 1111Н и динамические процессы в преобразователе. 94

2.7.Параметрическое управление ППН с дозированной передачей энергии. 104

Выводы по главе

Глава 3. ППН со звеном фазового управления.

3.1.Электромагнитные процессы при идеализированной нагрузке.

3.1.1 .Принцип девия преобразователя 109

3.1.2.Возможные вариантыемы

3.1.3.Режимы работыемы. Внешние характеристики. 115

3.2.Естественные внешние характеристики ППН со звеном фазового управления 119

3.3.Многотактные ii11h 123

3.4.Оценка аппаратных затрат в одно- и многотактных схемах ППН 126

3.5.Моделирование ППН при реальной нагрузке.

3.5.1. Структура модели 128

3.5.2. Моделирование LR-нагрузки 129

3.5.3. Моделирование LE-нагрузки 133

3.5.4. Получение результатов 135

3.6.Динамичие процы в ППН 147

Выводы по главе

Глава 4. Оптимизация режимов работы ППН со звеном фазового управления.

4.1.Влияние параметра остаточного тока на свойства и параметры преобразователя. Полирежимное управление.

4.1.1. Пановка задачи 152

4.1.2. Режим ДП-2 154

4.1.3. Режим ДП-3 155

4.2.Целевая функция и алгоритм оптимизации 157

4.3.Оптимизация режимов преобразователя

4.3.1.0 днотактный ППН 161

4.3.2.Двухтактный ППН 167

4.4.Оценка аппаратных затрат ППН с полирежимным управлением 176

4.5.Особенности управления ППН с полирежимным управлением. Карты управления 178

4.6. Двухквадрантный ППН со звеном фазового управления 182

Выводы по главе

Актуальность проблемы. Развитие энергетической электроники в конце XX века характеризуется тремя тенденциями: 1)развитие технологии силовых полупроводниковых приборов, приведшее к создание полностью управляемых ключевых приборов на большие токи и напряжения (двухоперационные тиристоры, ЮВТ и МО БД7 ЕТ-транзисторы и т.п.), повышение динамических характеристик полупроводниковых приборов, обеспечивающее возможность значительного увеличения частоты коммутации; 2) развитие техники ИМС высокого уровня интеграции, в первую очередь микропроцессорной техники, позволившее создавать весьма сложные системы управления преобразовательными установками при высокой надежности систем управления и малых затратах на их разработку и изготовление; 3)разработка новых технологий на базе совершенствования устройств преобразовательной техники и в связи с этим ужесточение существующих и появление новых требований к полупроводниковым преобразовательным устройствам.

Последнее относится в большой мере к развитию электротехнологии, где появилась и интенсивно развивалась технология обработки материалов концентрированными потоками энергии в том числе лазерной технологии [35, 40]. Эти технологии значительно повысили качество и увеличили производительность сварки, резки, термообработки, напыления и других технологических процессов. Совершенствование электротехнологии стимулирует развитие технологических лазеров с непрерывным и импульсным излучением, а также других электротехнологических установок, а также источников питания к ним, причем к источникам питания предъявляются специфические требования. Особенно это относится к установкам, основанных на процессах газового разряда. Источники для питания таких установок должны обладать свойствами источника тока, устойчиво работать в режиме технологических коротких замыканий, выдерживать обрывы цепи, обеспечивать требуемое качество и стабильность выходного тока в установившихся режимах. При этом вольтамперная характеристика газоразрядной нагрузки нестабильна, а переходные процессы в газовом разряде имеют стохастический характер, происходят за малые интервалы времени (порядка мкс) и нередко характеризуются резкими скачкообразными изменениями параметров нагрузки.

К современным источникам питания газоразрядных установок предъявляются требования не только по стабилизации выходного тока, в том числе при резких изменениях параметров нагрузки, но и по управляемости процессов в области малых времен. Интенсивно развиваются технологии, требующие питания установок импульсами тока стабильной амплитуды. Требования к источникам питания являются жесткими и во многом противоречивыми, однако последовательное совершенствование источников питания позволяет повысить качество технологического процесса и получить недостижимые прежде результаты, имеющие значительный экономический эффект. Мощность источников питания простирается от нескольких киловатт до сотен киловатт, выходные напряжения достигают сотен вольт.

Развитие источников питания для газоразрядной электротехнологии вначале базировалось на сетевых источниках питания [3, 18] , однако высокие динамические требования привели к разработке источников с коммутацией на повышенных частотах, в том числе преобразователей постоянного напряжения (ППН). Специфика изложенных выше требований, предъявляемых электротехнологическими установками, вызвала интенсивные разработки ППН, работа которых основана на дозированной передаче энергии в нагрузку и естественная внешняя характеристика которых имеет гиперболический характер [14, 18, 19.]. Преимущества таких преобразователей заключаются в том, что при возникновении режимов технологических коротких замыканий энергия, отдаваемая в нагрузку , ограничена и не превышает энергии, накопленной в дозаторе ППН. Близость хода естественной (гиперболической) и искусственной (токовой) внешних характеристик обуславливает малые отклонения параметров процесса в переходных режимах. Работа в режиме прерывистого тока повышает динамические показатели преобразователей. Преобразователи с дозированной передачей энергии в нагрузку и емкостным накопителем (дозатором), выполненные на однооперационных тиристорах нашли значительное применение в отечественной промышленности.

Однако простейшие тиристорные ППН с дозированой передачей энергии в нагрузку управляются частотным способом и неработоспособны на нагрузку, изменяющуюся в широких пределах. Устранение этих недостатков в схемах с широтным управлением [19] приводит к значительному усложнению схемы и повышению аппаратных затрат.

Появление мощных полностью управляемых полупроводниковых вентилей позволило создать ППН с индуктивным накопителем. В [52] показаны преимущества и особенности работы ППН с индуктивным накопителем в режиме дозированной передачи энергии.

Цель работы и задачи исследований. Целью работы является анализ и разработка ППН с дозированной передачей энергии с индуктивным накопителем для питания электротехнологических установок.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1 .Разработана методика и созданы модели для анализа электромагнитных процессов для определения характеристик и параметров различных типов ППН с дозированной передачей энергии в нагрузку и выбора силового оборудования схемы, определены законы управления и основные алгоритмы работы систем управления.

2.Произведено исследование влияния выбора фильтрующих элементов на качество выходного сигнала в установившемся режиме и на неустановившиеся процессы в преобразователе, в том числе при внезапном технологическом коротком замыкании, предложены схемотехнические способы улучшения работы ППН в указанном режиме.

3. Сопоставлены однотактные и многотактные ППН без рекуперации энергии в нагрузку и при рекуперации, отмечены преимущества ППН с рекуперацией энергии и звеном фазового управления.

4.Произведена оптимизация режимов ППН со звеном фазового управления, позволившая значительно снизить аппаратные затраты на силовые вентили преобразователя, разработан принцип управления, основанный на работе по картам оптимального управления.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались различные методы анализа электрических схем ( в том числе метод фазовой плоскости, метод основной гармоники, построение цифровых моделей на базе резистивных схем замещения, положения теории оптимизации), сочетание которых позволило обеспечить выполнение всего круга поставленных задач. При цифровом моделировании для ускорения решения задачи выхода на установившийся режим использовался метод Бокса-Уилсона. Анализ и моделирование произведено на ПЭВМ в среде МаШСАО. Результаты математического моделирования сопоставлены с результатами, полученными на физической модели ППН мощностью 1 кВт с частотой коммутации 10 кГц.

Достоверность научных результатов обеспечена сочетанием различных математических методов моделирования схем, воспроизведением основных зависимостей на физической модели (макете) устройства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 .Впервые осуществлен анализ электромагнитных процессов ППН различных типов с дозированной передачей энергии в нагрузку с индуктивным накопителем, разработаны математические модели с различной степенью производительности и наглядности, проведена оценка аппаратных затрат и оценка влияния фильтрующих элементов на качество выходных сигналов и динамические показатели ППН, в том числе при работе в режимах, близких к короткому замыканию, и при внезапном технологическом коротком замыкании.

2.На основании анализа сопоставлены преимущества и недостатки ППН с жесткой естественной внешней характеристикой и ППН с дозированной передачей энергии различных модификаций. Предложены схемные решения, улучшающие качество переходных процессов при возникновении короткого замыкания.

3.Установлено различие между преобразователями без звена фазового управления и со звеном фазового управления в воздействии на параметры ППН при увеличения числа фаз преобразователя.

4.Выявлены и сопоставлены режимы мягкого и жесткого управления в ППН со звеном фазового управления, выявлены преимущества ППН с жестким управлением по форме естественной внешней характеристики.

5.Впервые выявлены четыре режима работы ППН со звеном фазового управления, определены границы их использования при работе ППН. Проведена оптимизация режимов управления ППН, составлены карты оптмимального управления. Впервые выявлен ППН с принципиально неограниченной областью дозированной передачи энергии на внешних характеристиках.

Основные практические результаты заключаются в следующем:

1 .Разработка методов математического моделирования, позволяющих решать задачи параметрического синтеза ППН с дозированной передачей энергии в нагрузку, включающие оптимизацию режимов, расчет характеристик ППН и выбор основных параметров силового оборудования, включая фильтры.

2.Проведено количественное и качественное сопоставление различных схемных вариантов ППН, позволяющее производить 8 выбор схемных решений на основании анализа требований, предъявляемых потребителем.

3.Проведенная оптимизация режимов ППН со звеном фазового управления позволяет минимизировать затраты на силовые вентили, разработаны базовые принципы управления по картам оптимального управления, рассчитаны карты.

Полученные результаты могут быть непосредственно использованы при разработке ППН с дозированной передачей энергии для работы на газоразрядные технологические установки мощностью до нескольких десятков кВт. Результаты могут быть использованы при разработке установок большей мощности, а также при разработке источников питания для электроприводов постоянного тока с экскаваторными характеристиками.

Апробация работы. По результатам работы опубликовано 4 научные работы: 3 статьи и тезисы доклада. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на Научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ (март 1999 года).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 177 страниц основного текста, 86 рисунков, 31 таблицу, 12 фотографий, 14 страниц приложений. Список литературы содержит 64 наименования на 5 страницах.

Выводы по главе 3.

1. Разработаны методы анализа ППН со звеном фазового управления основанные на методе фазовой плоскости и на численном методе с резистивными схемами замещения.

2. Рассмотрены два режима управления: «жесткое» управление, основанный на контроле за максимальным током накопительного элемента; «мягкое» управление - поддержание интервала проводимости вентиля VI. Показаны преимущества «жесткого» управления по сравнению с «мягким» управлением и по сравнению с работой РН-3 в режиме прерывистого тока, заключающиеся в уменьшении мощности в нагрузке при увеличении тока нагрузки.

3. Показано, что ППН со звеном фазового управления может реализовать внешнюю характеристику со свойствами источника напряжения при работе на высокоомную эквивалентную нагрузку и дозированной передачей энергии в нагрузку в остальном диапазоне.

4. Проведена оценка аппаратных затрат на управляемые вентили, выявлены противоречия между указанными затратами и стремлением к расширению области дозированной передачи.

5. Выявлена дуальность РН-3 в РПТ и ППН со звеном фазового управления по ряду параметров (выбор вентилей по току и напряжению, характер воздействия увеличения фазности схемы на выбор вентилей).

6. Показано, что ППН с фазовым управлением обеспечивает меньший выброс энергии в нагрузку при возникновении внезапного короткого замыкания по сравнению с РН-3 в РПТ.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПИН СО ЗВЕНОМ ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Влияние параметра остаточного тока на свойства и параметры преобразователя. Полирежимное управление.

4.1.1. Постановка задачи.

В третьей главе были рассмотрены схемы ППН с дозированной передачей энергии и со звеном фазового управления (рис.3.1.1; 3.3.1) [21, 22]. В работе схем были выделены два режима: первый - ДП-1, в котором угол управления а менялся таким образом, чтобы ток накопительного элемента ¡ь к началу этапа получения энергии от источника питания был равен нулю; второй - ИН, в котором угол управления а = 0, и к началу этапа зарядки накопительного элемента от источника питания ток был меньше нуля (т.е. часть энергии возвращалась в источник питания

Е).

При использовании двух указанных режимов ППН имеет преимущества при возникновении внезапного технологического короткого замыкания (см. п.3.6). Недостатком преобразователя является высокое значение напряжений на полупроводниковых приборах по сравнению с напряжением нагрузки, что может быть весьма нежелательным при создании установок с выходными напряжениями порядка 600-1000 В. Для уменьшения этого недостатка можно снизить при проектировании преобразователя расчетное значение коэффициента А (см. п.3.4), но при этом на внешней характеристике ППН уменьшается область, в которой осуществляется дозированная передача энергии в нагрузку, тем самым уменьшаются преимущества, отмеченные в п.п. 3.2 и 3.6. Можно отметить и ухудшение гармонического состава выходного напряжения в области малых значений углов (3 (см. п.3.6), которое вызывает необходимость увеличения индуктивности Ь-фильтра в нагрузочной цепи, что в свою очередь приводит к ухудшению динамических показателей ППН, в частности управляемости в режимах , близких к короткому замыканию.

Однако данные схемы обладают значительно большими алгоритмическими возможностями управления и существуют ранее неисследованные режимы, в которых отмеченные выше недостатки в значительной мере устраняются.

Как указано в п.3.2 , ППН со звеном фазового управления с жестким управлением имеет крутопадающую естественную внешнюю характеристику, гиперболическая внешняя характеристика в режиме ДП-1 является искусственной. С другой стороны при работе на электротехнологические нагрузки, как правило, внешняя характеристика преобразователя должна иметь токовый характер. Возникает вопрос: является ли поддержание режима ДП-1 с нулевым значением остаточного тока в накопительном элементе обязательным? Ведь задачей регулирования в установившемся режиме, как правило, является поддержание выходного тока, а не мощности. Поэтому необходимо проанализировать следующее:

1)Какие возможности в изменении параметров процесса дает развитие электромагнитных процессов в ППН по версиям 1 и 2 (см. п.3.1.1) и какой режим можно считать оптимальным?

2)Как задание режима влияет на выбор силового оборудования?

3)Как с помощью системы управления добиться работы ППН в оптимальном режиме?

Режим дозированной передачи энергии может осуществляться и при 1к ^ 1н. Если обозначить

1к = Ын, то можно выделить режимы:

- дозированной передачи энергии с непрерывным магнитным потоком (режим ДП-2, версия 1), где Ь < 1, остаточный ток в накопительном элементе (1-Ь)1н > 0 (см. временные диаграммы рис.3.1.2,а);

- дозированной передачи со знакопеременным магнитным "потоком (режим ДП-3~ версия 2), где Ь > Г,"остаточный ток в накопительном элементе (1-Ь)1н < 0 (см . временные диаграммы рис.3.1.2,б).

Все режимы дозированной передачи энергии ДП-1, ДП-2 и ДП-3 можно описать общей математической моделью, введя по аналогии с выражением и„ = /Лн параметр q, характеризующий передачу энергии от источника Е в нагрузку:

Я2 = ин1н. (4.1.1)

Тогда максимальный ток в накопительном элементе

Ъфч) < (Ь-1)2-(1н)2 (4-1.2)

Для осуществления дозированной передачи энергии в соответствии с (а=агссо8(у/1н)) угол управления необходимо поддерживать равным а=агссоз тогда р = агсзт

ЬпА

1Т -соз(а)-1 I

Ьгп 4 ' ну

4.1.3)

Ь-1

71 2

4.1.4)

Длительность открытого состояния вентиля VI будем по прежнему обозначать у, тогда

2-Я)Ч(Ь- 1)2-(1нх2

1н(Ь-1)

4.1.5)

4.1.2. Режим ДП-2.

В режиме ДП-2 (временные диаграммы приведены на рис.3.1.2,а) энергия, передаваемая от источника питания в накопитель, не полностью отдается в нагрузку и через накопитель Ь в конце такта протекает остаточный ток 1осх, загружающий основные вентили. Как следует из анализа выражения (4.1.3), а при уменьшении параметра Ь уменьшается, что в соответствии с (п. 3.1.3) означает снижение рабочих напряжений на вентилях схемы, а увеличение угла Р свидетельствует об улучшении гармонического состава выходного напряжения. В режиме ДП-2 снижаются пульсации входного тока ППН и он имеет непрерывный и знакопостоянный характер. Однако при реализации режима ДП-2 отношение у1<\ растет, т.е. для передачи той же энергии в нагрузку при уменьшении параметра Ь вентиль VI должен быть замкнут в течение большего интервала у/1', но поскольку утах ограничено, то при уменьшении Ь уменьшается Чтах, а значит и напряжение Ин тах- Кроме того, режим ИН на внешних характеристиках рис.1, смещается вправо. Наиболее существенное ограничение на работу в режиме ДП-2 наблюдается при больших мощностях, отдаваемых в нагрузку, поскольку интервал проводимости вентиля VI при этом велик. Поэтому преимущества режима ДП-2 по аппаратным затратам в сравнении с режимом ДП-1 могут проявиться только при сравнительно небольших максимальных токах нагрузки, когда область ДП на выходных характеристиках мала.

4.1.3. Режим ДП-3.

В области больших мощностей нагрузки можно применить режим ДП-3. В этом режиме накопитель не только отдает энергию в нагрузку, но и забирает от нее дозу энергии, которую затем возвращает в источник питания. Снижение отношения у/<\ при росте параметра Ь > 1 позволяет повысить энергию, передаваемую источником Е в нагрузку, увеличить ин тах и снизить отношение напряжений на вентилях к ин шах- Поскольку повышение Ь приводит к росту абсолютных значений напряжений на вентилях и некоторому ухудшению гармонического состава выходного напряжения, параметр Ь должен быть минимизирован.

Покажем возможность повышения ин тах в широком диапазоне токов. В режиме ДП-1 величина иНтах = Утах2/1н (с ростом 1н величина Ц, тах снижается), где Ушах определяется режимом ИН. В режиме ДП-3 это ограничение можно преодолеть.

Рассмотрим режим, в котором ин шах поддерживается равным Питах в режиме ИН: в однотактном преобразователе это интах = 0,5, в двухтактном ин тах = 1 • Тогда I н

Чщах-^

Подставим это выражение в (4.1.5), приравняв у = утах = 0,5, получим

2-1 +(Ь - 1)2-(1 ;2- I -(Ь- 1)=1 (4.1.6) н 4 V ну н 4 ' х '

Решение этого уравнения дает

Ь=2 - — (4.1.7) н

Пример внешних характеристик преобразователя рис.3.1.1 при полирежимном управлении (т.е. при использовании режимов ИН, ДП-1, ДП-2 и ДП-3) приведен на рис.4.1.1, в качестве параметра использована величина q. При их построении полагается, что система является инвариантной, т.е. при уменьшении q все напряжения и токи уменьшаются в qmax/q раз.

4.2. Целевая функция и алгоритм оптимизации.

Многообразие режимов работы преобразователя (рис.3.1.1) позволяет оптимизировать его показатели, причем результаты этой оптимизации неоднозначны и зависят от схемы (одно- или двухтактная), условий применения преобразователя (используемая область внешних характеристик и т.п.) и важности тех или иных технико-экономических показателей (гармонический состав выходньк сигналов, стоимость, массогабаритные показатели). Результатом такой оптимизации в каждом отдельном случае является карта управления, представляющая собой таблицы а = £(г1 ,г2) и 1т = Дг1 ,г2), где г1 и г2- обобщенная запись координат, характеризующих положение рабочей точки на внешней характеристике (например, г1 - ток и г2 - напряжение).

Наличие двух контуров управления позволяет получить те же средние значения напряжения и тока нагрузки при различных значениях параметра остаточного тока Ь. В таблице 4.2.1, рассчитанной на основе выражений (4.1.1 - 4.1.5), приведены данные о влиянии параметра остаточного тока Ь на основные показатели ППН в одном из режимов (в качестве примера выбран режим нагрузки ивых = 0.25,1Вых = 1).