автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование специализированного источника питания

На правах рукописи

РУДЬКО СТЕПАН ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Специальность 05,09.03 -«Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре 2009

003474438

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники Комсо-мольского-на-Амуре государственного технического университета.

Научные руководители:

кандидат технических наук.

доцент В.П. Кузнецов

кандидат технических наук, доцентЛановенко В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Ю.М. Кулинич;

кандидат технических наук, доцент В.П. Романюк.

Ведущая организация

ЗАО «ДВ Технология» (г. Комсомольск-на-Амуре).

Защита диссертации состоится «09» июля 2009 г. в 11-00 часов, в ауд.201/3 на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.04 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина д. 27. aureol@inbox.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КнАГТУ, www.knastu.ru.

Автореферат разослан «¿Р^1» ¿^/¿^¿¿^ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук,

доцент

В.И. Суздорф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время проблема энергосбережения становится особенно остром в связи с резким удорожанием энергии и энергоносителей. Не менее важной остается и проблема улучшения удельных массогабаритных показателей источников питания (ИП) с целью экономии электротехнических материалов и повышения мобильности источников.

Научные разработки в области МП проводились в Институте им. Е. О. Патона (г. Киев), Ржевском научно-производственном объединении «Электромеханика», Научно-исследовательском и конструкторском институте монтажной технологии (г. Москва), Техническом бюро в Верхней Австралии, компании «Фрониус» (Австралия), «Дженерал Электрик» (США).

Важный вклад в исследовании данного вопроса внесли такие отечественные и зарубежные ученые как Н. Н. Бснардос, Н. Г. Славянов, Н. А. Ольшанский, Е. О. Патон, Г. 3. Волошкевич, А. В.Казак, В. М. Исаев, Г. Мюлбек, О. Промбергср, П. Фнхтбауэр, О. Кьельберг, Дж. Вестингауз, Г. Ценерер, Ч.А. Коффин и др.

Следует отметить, что доля источников для питания маломощных потребителей сравнительно невелика в общем балансе энергопотребления предприятий, мастерских или иных электрохозяйств. Поэтому, казалось бы, проблема улучшения энергетических показателей маломощных преобразователей не должна привлекать особого внимания. Однако эта проблема имеет другую, более существенную сторону - улучшение энергетических показателей, в частности, повышение коэффициента мощности, приводит к уменьшению удельных массогабаритных показателей ИП и снижению их стоимости.

Появившиеся в последние годы преобразователи ннверторного типа позволили существенно улучшить практически (¡се основные показатели, за исключением стоимости, которая существенно выше, чем у классических преобразователей. Их отечественные сервисные сети также далеки от совершенства.

Актуальной является задача улучшения энергетических и снижения удельных массогабаритных показателей однофазных источников питания с целью повышения конкурентоспособности по отношению к преобразователям, как с однократным, так и с многократным преобразованием энергии.

Одним из путей решения данной задачи является применение емкостных компенсаторов.

Известно, что емкостный компенсатор на выходе преобразователя создает опережающий фазовый сдвиг потребляемого из сети тока относительно сетевого напряжения. Вместе с тем емкостный фильтр уменьшает угол проводимости вентилей и ухудшает использование обмоток транс-

форматора по мощности из-за ухудшения гармонического состава протекающих через них токов, что требует дополнительных исследований с целью поиска рекомендуемых параметров схем ИП.

На кафедре промышленной электроники ГОУВПО «Комсомоль-ский-на-Амуре государственный технический университет» ведется разработка источников питания с улучшенными энергетическими и массогаба-ритными показателями.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование источника питания на основе управляемых преобразователей с емкостной компенсацией на стороне постоянного тока.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоретические и прикладные задачи:

1) Анализ принципов построения ИП и выбор рациональных схемных решений;

2) Разработка математических моделей для исследования электромагнитных процессов ИП;

3) Экспериментальные исследования ИП с целью проверки достоверности математических моделей.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на математическом моделировании схем ИП с применением программных пакетов Ма&аЬ и МаЛСас). Экспериментальные исследования проводились в лабораториях с применением стандартной измерительной аппаратуры.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием методов математического моделирования, а также совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научная новизна:

- разработаны математические модели источников питания с емкостной компенсацией реактивной мощности и тирнсторными регуляторами для исследования электромагнитных процессов и влияния элементов схемы на энергетические показатели источников питания:

- получены зависимости энергетических показателей источников питания с емкостной компенсацией реактивной мощности на стороне постоянного тока и тиристорным регулятором как на стороне переменного, так и на стороне постоянного тока с улучшенными удельными массогабарит-ными и энергетическими показателями с целью выработки рекомендаций по выбору элементов схемы;

- выявлено влияние нелинейной обратной связи (ОС), позволяющей обеспечить требуемый алгоритм работы системы импудьсно-фазового регулирования для предотвращения недопустимого напряжения холостого хода и ограничения тока короткого замыкания, с целью реализации требуемой внешней характеристики источника питания.

Практическое значение работы:

- предложено оригинальное схемотехническое решение источника питания с емкостной компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока, защищенное патентом на изобретение;

- выработаны рекомендации по выбору элементов схем и областям применения источников питания с тирнсториыми регуляторами и емкостным компенсатором;

- созданы и испытаны опытные образцы источников питания.

Научные положения и результаты, пыпоснмыс на защиту:

- схемотехническое решение источника питания с компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока;

- результаты анализа режимов работы источника питания с компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока;

- результаты анализа динамических режимов источника питания с компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока с нелинейной обратной связью;

- результаты анализа режимов работы источников питания с компенсацией реактивной мощности на стороне постоянного тока и тиристорным регулятором на стороне переменного тока;

- рекомендации по выбору элементов схем и областям применения источников питания с тиристорными регуляторами и емкостным компенсатором.

Реализация результатов работы. Источник питания с емкостной компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока внедрен в технологический процесс на ФГУП ПО «Амурмаш»; внедрен и используется в строительно-монтажных работах на ООО «Работник»; внедрен в учебный процесс ГОУВПО «КнАГТУ» для инженеров специальности 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура».

Апробации работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научно-технических семинарах аспирантов и молодых ученых в КнАГТУ (2004г. - 2009г.), на научно-технических семинарах кафедры промышленной электроники КнАГТУ.

Макетный образец источника питания был представлен на V международном форуме «Высокие технологии XXI века» (г. Москва, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научных статьи (из них одна - в издании, рекомендуемом ВАК Минобрнауки России), получен 1 патент на изобретение (РОСПАТЕНТ) и 3 свидетельства о регистрации интеллектуального продукта (ВНТИЦ).

Структура и oöi.cM диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глад. включения, списка литературы и приложении. Общин объем - 136 страниц, в том чнс.тс 85 иллюстраций. 6 таблиц. 6 страниц списка литературы из 6S наименовании. 4 приложении.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ I'AI.OTI.)

lio введении обоснована аюуалыюеть работы, сформулированы се цели, дана аннотация полученных результат пи и положении, выносимых на защиту.

В нерпой главе приводится описание и шест пых 1111. Подробно характеризуются различные МП, показаны их схемотехнические решения н проанализированы достоинства н недостатки, рассматриваются и анализируются современные методы анализа рабочих режимов 1111.

Приводятся оспопные соотношения, характеризующие плиянне реактивной мощности и высших гармоник' входного тока 1111 и основные методы их компенсации. Приводится обзор программных пакетов для анализа режимов работы электротехнических комплексов, выявлен ряд недостатков, присущих специализированным н ун и нереальным пакетам.

Поставлены следующие задачи для улучшения параметров 1111 при введении тиристориых регуляторов как иа стороне переменного, так и па стороне постоянного тока:

- произвести исследования системы МП - нагрузка для различных схемотехнических решении МП;

- произвести анализ влияния параметров элементов схемы и режимов регулирования на энергетические показатели МП;

- выработат ь рекомендации по выбору элементов схем МП.

вторая глава посвящена математическому моделированию МП в

среде Mall.ab v.7 Power System Blocksel. IIa рис.1 и рис.2 представлены модели для исследовании ММ с тирнсторным регулятором на стороне переменного тока и для МП с гиристорпым регулятором на стороне постоянного тока, соответст венно.

При построении моделей приняты следующие допущения, сопротивление вентилей в закрытом состоянии равно бесконечности, ток восстановления (отрицательный) равен пулю, прямое напряжение включения, и критическое значение производной анодио-катодного напряжения моделью не учитываются; модель трансформатора не у читывает гистерезис.

Созданы блоки дополнительных подсистем на основе типовых блоков основной библиотеки Simulink: блок управления для тиристоров Control System I. блок для отображения энергетических показателей Subsystem 1.

Рис.¡.Модель источника питания с тиристорным регулятором на стороне переменного тока и системы управления тиристорами для исследования электромагнитных процессов

SA1 12

Fl

VS2 F2 1 I

VS1 F3 F4 U

VD4 F5 F6

VD3 F7 г-]

VD1 F8 F9 □

VD2 F10

Ml Fil F12 п

М2 F13 F14

Subsystcm2

Gate

Capacitance

Inductance

Рис.2. Модель источника питания с тиристорным регулятором на стороне постоянного тока и системы управления тиристорами для исследования электромагнитных процессов

В третьей главе производится исследование режимов работы ИП для определения рекомендуемых соотношений между параметрами реактивных элементов схем с целью получения наилучших энергетических показателей ИП, и обеспечения допустимых пульсаций тока нагрузки.

В ходе моделирования исследованы режим холостого хода и режим нагрузки при различных углах управления тиристорами для схем ИП, представленных на рис.3, математические модели, которых приведены в главе 2.

1) Произведен анализ зависимостей энергетических показателей от угла управления тиристорами для схемы ИП с тиристорным регулятором на стороне переменного тока рис.3,о.

а) б)

а - с тиристорным регулятором на стороне переменного тока б - с тиристорным регулятором на стороне постоянного тока

Рис.3. Принципиальные схемы источников питания

Из рис.4,а видно, что при угле управления тиристорами а < 5СР емкость конденсаторов желательно выбрать из диапазона от 2000 мкФ до 8000 мкФ, а индуктивность дросселя при этом необходимо выбрать из диапазона от 1 мГн до 3 мГн, что обеспечит изменение коэффициента мощности от 0,95 до 0,65. Из рис.4,б видно, что при а <30° емкость кон-

Рис.4. Зависимости коэффициента мощности (а) и коэффициента искажений (б) от угла управления тиристорами а

Рис.5. Зависимости коэффициента полезного действия (а) и коэффициента пульсаций (б) от угла управления тиристорами а

денсаторов желательно выбрать из диапазона от 2000 мкФ до 10000 мкФ, что обеспечит изменение коэффициента искажения тока от 0,95 до 0,8, а при а > 30" емкость конденсаторов необходимо выбрать из диапазона от 6000 мкФ до 8000 мкФ, что обеспечит изменение коэффициента искажения тока от 0,95 до 0,85. При а < 30" индуктивность дросселя желательно выбрать из диапазона от I мГн до 3 мГн, что обеспечит изменение коэффициента искажения тока от 0,93 до 0,89.

Из рнс.5.д видно, что при а < 3(/' емкость конденсаторов желательно выбрать из диапазона от 6000 мкФ до 10000 мкФ, а индуктивность дросселя при этом необходимо выбрать из диапазона от 0,2 мГн до I мГн, что обеспечит изменение коэффициента полезного действия от 0,68 до 0,55. Из рис.5,б видно, что при а < 50" емкость конденсаторов желательно выбрать из диапазона от 2000 мкФ до 10000 мкФ, что обеспечит изменение коэффициента пульсаций напряжения от 0,5 до 1,9, а при а < индуктивность дросселя необходимо выбрать больше 1 мГн, что обеспечит изменение коэффициента пульсации напряжения от 0,4 до 1,25.

Таким образом, рекомендуемым представляется использование индуктивности дросселя от 0,5 мГн до 1,5 мГн н емкости конденсаторов от 4000 мкФ до 10000 мкФ. Данный диапазон также рекомендуем с точки зрения ограничения зарядного тока конденсатора.

2) Произведен анализ зависимостей энергетических показателей от угла управления тиристорами для схемы ИП с тирнсторным регулятором на стороне постоянного тока рис.3,6.

Из рис.6,а видно, что коэффициент мощности ИП с тиристориым регулятором на стороне постоянного тока при а > о" имеет большее значение, по сравнению с ИП с тиристориым регулятором на стороне переменного тока, однако при регулировании у данной схемы ухудшение этого коэффициента идет быстрее (при о. = 30п-коэффициент мощности составит 0,72 против 0,9 при тех же углах управления тиристорами в ИП с использованием тнристорного регулятора на стороне переменного тока).

На рис.6,б представлены зависимости коэффициента искажения тока сети от угла управления тиристорами. Из сравнения рнс.4,6 и рис.6,6 можно сделать вывод, что ИП с тирнсторным регулятором на стороне постоянного тока при рекомендуемых значениях реактивных элементов имеет более высокий коэффициент искажения тока сети, чем ИП с использованием тнристорного регулятора на стороне переменного тока.

На рис.7,я приведены зависимости коэффициента полезного действия от угла управления тиристорами. ИП с тиристориым регулятором на стороне постоянного тока предпочтительней, т.к. в широком диапазоне углов управления коэффициент полезного действия больше. Из рис.7,б можно сделать следующий вывод: ИП с тиристориым регулятором на стороне постоянного тока при рекомендуемых значениях реактивных элементов имеет меньший коэффициент пульсаций выходного напряжения, по срав-

43 о

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности -

Коэффициент искажения тока

Коэффициент искажения тока

ООО .<= VI со

г\

о

О X 0,8

в ч о к с 2 0,6

¡я 5 о М ч 0,4

■в-п 0,2

и Л

40 60 80 Угол управления, град

у

Ь = 0,2мГн/; Ь= 1 мГн-^О Т - 1 »«Ги

\

20 40 60 80 Угол управления, град

100

5,14

120

С = 2000 мкФ С = 6000 мкФч -,С = 10000мкФ^ С = 14000 мкФ.

40 60 80 100 Угол управления, град

40 60 . 80 100 Угол управления, град

Рис.7. Зависимости коэффициента полезного действия (а) и коэффициента пульсаций (б) от угла управления тиристорами а

нению с ИП с использованием тиристорного регулятора на стороне переменного тока.

3) Произведено исследование влияния нелинейной ОС релейного типа, что позволяет сделать следующий вывод: такая ОС позволяет обеспечить требуемый алгоритм работы системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и подачу управляющих импульсов на тиристоры в определенные моменты времени.

4) Приведен гармонически/'! состав потребляемого тока для обоих схем и показано, что для рекомендуемых значений индуктивности дросселя и емкости конденсаторов максимально допустимые значения гармонических составляющих тока не выходят за пределы стандарта.

5) По полученным зависимостям проведена сравнительная оценка как энергетических, так и массогабаритных показателей исследуемых ИП с выпускаемыми источниками питания.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям источника питания с тиристорным регулятором на стороне постоянного тока.

Для подтверждения теоретических результатов были спроектированы и созданы макеты ИП, представленные на рис.8.

а- с регулированием по вторичной стороне трансформатора; б - с регулированием по первичной стороне трансформатора

Рис.8. Опытные образцы ИП

Испытания проводились в лаборатории кафедры «Промышленная электроника» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский - на - Амуре государственный технический университет».

В результате получены осциллограммы, которые подтверждают адекватность результатов математического моделирования (рис.9 и 10).

При экспериментальном исследовании выявлено, что ток потребляемый от сети в режиме номинальной нагрузки не превышает 11 А при коэффициенте мощности от 0,4 до 0,99.

а) напряжение на нагрузке

! Г •с г* V

5 1 1 :

0 0,15

О, 7

б) напряжение на конденсаторе С1

Г

■1

\

Рис.9. Осциллограммы я диаграммы напряжений ИП с тиристорным регулятором на стороне переменного тока

а) ток на нагрузке

¡ул ; ^ ! м

• ! 1 I ( 1 I I > '

б) напряжение на конденсаторе С/

40

20

к:

• . • I -

.... . . . •

. Г.

•'» I ?.

---г ? •

Рис.10. Осциллограммы и диаграммы напряжений ИП с тиристорным регулятором на стороне постоянного тока

Для проверки результатов моделирования ИП с регулированием на стороне постоянного тока, была создана экспериментальная установка.

В ходе исследования получены зависимости представленные на рис.11.

Оценка точности теоретических исследований определялась по формуле /-нормы, расхождение между результатами теоретических и экспериментальных исследований не превышало 10 %.

На основании теоретических и экспериментальных исследований выработаны рекомендации по использованию ИП.

1 - рекомендуемое значение емкости конденсаторов С = 6000 мкФ; 2 - экспериментальная зависимость

Рис.11. Теоретические и экспериментальные зависимости коэффициентов мощности, искажения сетевого тока и пульсаций напряжения на нагрузке от угла управления а (индуктивность дросселя Ь = 1 мГн)

Приложения к диссертационной работе. В приложении представлены документы о внедрении результатов работы и диплом о участии в выставке ВТ - XXI 2004.

Основные результаты работы

1. Введение тиристорного регулятора в схему ИП с емкостной компенсацией реактивной мощности на стороне постоянного тока позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики.

2. Произведен анализ режима холостого хода и режима нагрузки ИП с тиристорными регуляторами на стороне переменного и постоянного тока при различных углах управления тиристорами, при этом:

- исследовано влияние параметров схем и углов управления тиристорами на энергетические показатели схем;

- определено время переходного процесса, составляющее для исследуемых схем не более 20 мс и выявлены временные зависимости, выходного напряжения ИП при различных индуктивностях дросселя и углах управления тиристорами при переходе ИП от режима холостого хода к режиму нагрузки;

- выявлено, что в схеме ИП с тиристорным регулятором на стороне переменного тока наблюдается режим бестоковой паузы, который ведет к ухудшению коэффициента мощности вследствие изменения интервалов проводимостей вентилей при увеличении угла управления;

- предложены рекомендуемые параметры схем: индуктивность дросселя Ь = 1 мГн, емкость конденсаторов С = 6000 мкФ;

- проанализированы внешние и регулировочные характеристики ИП для различных углов управления тиристорами, индуктивностей дросселя и емкостей конденсаторов;

- произведен сравнительный анализ исследуемых схем.

3. Введение нелинейной обратной связи в схему ИП позволяет обеспечить требуемый алгоритм работы СИФУ для предотвращения недопустимого напряжения холостого хода и ограничения тока короткого замыкания.

4. Созданы опытные образцы ИП.

5. Произведено сравнение экспериментальных данных и теоретических результатов, показана адекватность результатов математического моделирования.

6. ИП с тиристорными регуляторами могут быть использованы в качестве ИП для стартерных устройств двигателей внутреннего сгорания, зарядных устройств, для дуговой сварки; ИП с тиристорным регулятором на стороне постоянного тока, может быть использован кроме этого, для механизированной сварки.

Публикации по теме диссертации

1. Кузнецов В.П., Рудько C.B., Р.В. Шибеко Технико-экономическая эффективность использования компенсаторов реактивной мощности// Вестник ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». Вып.4. Сб.2. Наука на службе технического прогресса: В 2 ч. 4.2: Сб. научн. тр. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО « КнАГТУ», 2004.

2. Рудько C.B., Р.В. Шибеко Характеристики однофазного мостового выпрямителя при работе на резистивно-емкостную нагрузку// Свидетельство регистрации интеллектуального продукта в ВНТИЦ ■ № 72200400065. Зарегистрировано 31,08.2004г.

3. Кузнецов В.П., Рудько C.B., Богомольный Е.В., Р.В. Шибеко Применение регулятора переменного тока в сварочных выпрямителях// Свидетельство регистрации интеллектуального продукта в ВНТИЦ № 7220050041. Зарегистрировано 02.09.2005 г.

4. Кузнецов В.П., Рудько C.B., Богомольный Е.В., Р.В. Шибеко Применение высокочастотных преобразователей для сварочных агрегатов постоянного тока// Свидетельство регистрации интеллектуального продукта в ВНТИЦ № 7220050040. Зарегистрировано 2.09.2005 г.

5. Кузнецов В.П., Рудько C.B. Энергетические характеристики сварочного выпрямителя с регулированием по первичной стороне // Научно -техническое творчество аспирантов и студентов: Материалы 36-й научно -технической конференции аспирантов и студентов (г. Комсомольск-на-Амуре, 3-17 апреля 2006 г.): В 3 ч. Ч. 1 / Редкол.: А.И. Евстигнеев и др. -Комсомольск-на-Амуре:ГОУВПО «КнАГТУ», 2006.

6. Пат. № 2288819. Регулируемый источник питания для ручной дуговой сварки / В.П. Кузнецов, C.B. Рудько - Заявл. 25.03.2005. Опубл. в бюлл., № 34 10.12.2006, В23К.

7. Кузнецов В.П., Рудько C.B. Сварочные выпрямители с улучшенными техническими показателями//Изв. вузов. Электромеханика. - 2007. №3.

Подписано в печать 29.05.2009. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Ризограф РЯ3950ер-сх. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ 22477.

Полиграфическая лаборатория Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

Введение

1 Источники питания и их особенности

1.1 Требования к источникам питания

1.2 Источники питания

1.3 Современные методы анализа рабочих режимов источников питания

1.4 Влияние реактивной мощности и высших гармоник входного тока источников питания на питающую сеть и методы их компенсации

1.5 Компьютерное моделирование режимов работы электротехнических комплексов

Выводы

2 Математическое моделирование источников питания

2.1 Описание элементов источников питания

2.2 Модели источника питания

2.3 Алгоритм расчета и выбор метода интегрирования 81тРошег8уз1ет-модели

Выводы

3 Режимы работы источников питания

3.1 Схема источника питания с тиристорным регулятором на стороне переменного тока

3.2 Схема источника питания с тиристорным регулятором на стороне постоянного тока

3.3 Исследование динамических режимов с нелинейной обратной связью используемой для создания благоприятной внешней характеристики

Выводы

4 Экспериментальное исследование источника питания с тиристорным регулятором на стороне постоянного тока

4.1 Разработка принципиальной схемы источника питания

4.2 Результаты экспериментальных исследований

4.3 Измерение коэффициентов Кт, Ки, Кп 119 Выводы 123 Заключение 124 Список использованных источников 126 Приложение

В настоящее время проблема энергосбережения становится особенно острой в связи с резким удорожанием энергии; и энергоносителей: Не: менее важной остается и проблема улучшения удельных массогабаритных показателей источников питания, (ИП) с целью экономии электротехнических материалов и повышения мобильности источников.

Научные разработки в области ИП проводились в Институте им: Е. О: Патона (г. Киев), Ржевском научно-производственном объединении «Электромеханика»; Научно-исследовательском: и конструкторском институте монтажной технологии (г. Москва), Техническом бюро в Верхней Австралии, компании «Фрониус» (Австралия), «Дженерал Электрик» (США).

Важный; вклад в исследовании; данного . вопроса внесли; такие: отечественные и зарубежные ученые как Н! Н. Бенардос,. Н: Е. Славянов, Н. А: Ольшанский, Е. О. Патон, Г. 3. Волошкевич,А. В.Казак, В. М: Исаеву Г. Мюлбек, О. Промбергер, П. Фихтбауэр, О. Кьельберг, Дж. Вестингауз, Г. Ценерер, Ч.А. Коффин и др.

Следует отметить, что доля источников для питания маломощных потребителей сравнительно невелика в. общем балансе энергопотребления предприятий; мастерских или иных электрохозяйств. Поэтому, казалось бы, проблема улучшения энергетических показателей маломощных: преобразователей не - должна привлекать особого внимания. Однако эта: проблема имеет другую, более существенную сторону — улучшение энергетических показателей, в частности, повышение коэффициента мощности, приводит к уменьшению удельных массогабаритных показателей ИП и снижению их стоимости.

Появившиеся; в последние годьг преобразователи инверторного типа позволили, существенно улучшить практически все основные показатели; за-исключением стоимости, которая существенно выше, чем у классических преобразователей. Их отечественные сервисные сети также далеки от совершенства.

Актуальной является задача улучшения энергетических и снижения удельных массогабаритных показателей однофазных источников питания с целью повышения конкурентоспособности по отношению к преобразователям, как с однократным, так и с многократным преобразованием энергии.

Одним из путей решения данной задачи является применение емкостных компенсаторов.

Известно, что емкостный компенсатор на выходе преобразователя создает опережающий фазовый сдвиг потребляемого из сети тока относительно сетевого напряжения. Вместе с тем емкостный фильтр уменьшает угол проводимости вентилей и ухудшает использование обмоток трансформатора по мощности из-за ухудшения гармонического состава протекающих через них токов, что требует дополнительных исследований с целью поиска рекомендуемых параметров схем ИП.

На кафедре промышленной электроники ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» ведется разработка источников питания с улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование источника питания на основе управляемых преобразователей с емкостной компенсацией па стороне постоянного тока.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоретические и прикладные задачи:

1) Анализ принципов построения ИП и выбор рациональных схемных решений;

2) Разработка математических моделей для исследования электромагнитных процессов ИП;

3) Экспериментальные исследования ИП с целью проверки достоверности математических моделей.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на математическом моделировании схем ИП с применением программных пакетов Ма&аЬ и МаШСаё. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях с применением стандартной измерительной аппаратуры.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается1 корректным использованием методов математического моделирования, а также совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научная новизна:

- разработаны математические модели источников питания с емкостной компенсацией реактивной мощности и тиристорными регуляторами для исследования электромагнитных процессов и влияния элементов схемы на энергетические показатели источников питания;

- получены зависимости энергетических показателей источников питания с емкостной компенсацией реактивной мощности на стороне постоянного тока и тиристорным регулятором как на стороне переменного, так и на стороне постоянного тока с улучшенными удельными массогабаритными и энергетическими' показателями с целью выработки рекомендаций по выбору элементов схемы;

- выявлено влияние нелинейной обратной связи (ОС), позволяющей обеспечить требуемый алгоритм работы системы импульсно-фазового регулирования для предотвращения недопустимого напряжения холостого хода и ограничения тока короткого замыкания, с целью реализации требуемой внешней характеристики источника питания.

Практическое значение работы:

- предложено оригинальное схемотехническое решение источника питания с емкостной компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока, защищенное патентом на изобретение;

- выработаны рекомендации по выбору элементов схем и областям применения источников питания с тиристорными регуляторами и емкостным компенсатором;

- созданы и испытаны опытные образцы источников питания.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- схемотехническое решение источника питания с компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока;

- результаты анализа режимов работы источника питания с компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока;

- результаты анализа динамических режимов источника питания с компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на стороне постоянного тока с нелинейной обратной связью; результаты анализа режимов работы источников питания с компенсацией реактивной мощности на стороне постоянного тока и тиристорным регулятором на стороне переменного тока;

- рекомендации по выбору элементов схем и областям применения источников питания с тиристорными регуляторами и емкостным компенсатором.

Реализация результатов работы. Источник питания с емкостной компенсацией реактивной мощности и тиристорным регулятором на- стороне постоянного тока1 внедрен в технологический процесс на ФГУП ПО «Амурмаш»; внедрен и используется в строительно-монтажных работах на ООО «Работник»; внедрен в учебный процесс ГОУВПО «КнАГТУ» для инженеров специальности 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура».

Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научно-технических семинарах аспирантов и молодых ученых в КнАГТУ (2004г. - 2009г.), на научно-технических семинарах кафедры промышленной электроники КнАГТУ.

Макетный образец источника питания был представлен на V международном форуме «Высокие технологии XXI века» (г. Москва, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научных статьи (из них одна - в издании, рекомендуемом ВАК Минобрнауки России), получен 1 патент на изобретение (РОСПАТЕНТ) и 3 свидетельства о регистрации интеллектуального продукта (ВНТИЦ).

Основные результаты и выводы, сделанные в ходе выполнения диссертационной работы:

1. Введение тиристорного регулятора в схему ИП с емкостной компенсацией реактивной мощности на стороне постоянного тока позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики.

2. Произведен анализ режима холостого хода и режима нагрузки ИП с тиристорными регуляторами на стороне переменного и постоянного тока при различных углах управления тиристорами, при этом:

- исследовано влияние параметров схем и углов управления тиристорами на энергетические показатели схем; определено время переходного процесса, составляющее для исследуемых схем не более 20 мс и выявлены временные зависимости, выходного напряжения ИП при различных индуктивностях дросселя и углах управления тиристорами при переходе ИП от режима холостого хода к режиму нагрузки;

- выявлено, что в схеме ИП с тиристорным регулятором на стороне переменного тока наблюдается режим бестоковой паузы, который ведет к ухудшению коэффициента мощности вследствие изменения интервалов проводимостей вентилей при увеличении угла управления;

- предложены рекомендуемые параметры схем: индуктивность дросселя Ь = 1 мГн, емкость конденсаторов С = 6000 мкФ;

- проанализированы внешние и регулировочные характеристики ИП для различных углов управления тиристорами, индуктивностей дросселя и емкостей конденсаторов;

- произведен сравнительный анализ исследуемых схем.

3. Введение нелинейной обратной связи в схему ИП позволяет обеспечить требуемый алгоритм работы СИФУ для предотвращения недопустимого напряжения холостого хода и ограничения тока короткого замыкания.

4. Созданы опытные образцы ИП.

5. Произведено сравнение экспериментальных данных и теоретических результатов, показана адекватность результатов математического моделирования.

6. ИП с тиристорными регуляторами могут быть использованы в качестве ИП для стартерных устройств двигателей внутреннего сгорания, зарядных устройств, для дуговой сварки; ИП с тиристорным регулятором на стороне постоянного тока, может быть использован кроме этого, для механизированной сварки.

Заключение

1. Болотов, A.B. Электротехнологические установки/ A.B. Болотов, Т.А. Шепель. — М.: Высшая школа, 1988.-366с.

2. Булатов, О.Г. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии /ОТ. Булатов. М.:Энергоатомиздат,1989.-200с.

3. Бельдорф, М.Г. Оборудование для дуговой и шлаковой сварки и наплавки/ М.Г. Бельдорф, В.Е. Патон М.: Высшая школа, 1974.

4. Пентегов, И.В. Моделирование сварочной дуги как элемента электрической цепи и построение схем замещения/ И.В. Пентегов, В.Н. Сидорец, И.А. Генис // «Автоматическая сварка», 1984. №12.

5. Трофимов, Н.М. Электрическая схема замещения сварочной дуги постоянного тока с неплавящимся электродом/Н.М. Трофимов, В.Н. Лукашов, В.В. Коряжкин, В.В. Попов, Г.М. Каспржак// «Электричество».- 1977. №8.

6. Ионов, Ю.Г. Схемы замещения электрической дуги постоянного тока/ Ю.Г. Ионов // «Электричество». 1986. №12.

7. Рыжнев, Ю.Л. Влияние дуговых электропечей на системы электроснабжения/ Ю.Л. Рыжнев, Р.В. Минеев, А.П. Михеев. М.: Энергия, 1975.

8. Оборудование для дуговой сварки: Справочное пособие /Под ред. В:В. Смирнова. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

9. Геворкян, В.Г. Основы сварочного дела/ В.Г. Геворкян. М.: Высшая школа, 1985.

10. Ю.Эсибян, Э.М. Плазменно-дуговая аппаратура/ Э.М. Эсибян.- К.: Техника, 1971.

11. П.Закс, М.И. Сварочные выпрямители/ М.И. Закс. Л.: Энергоатомиздат, 1983.

12. Никитин, В.П. Электрические машины и трансформаторы для дуговой сварки. Т. 1. Основы теории. 2-е изд/ Под ред. В.П. Никитина. — М. — Л.: ОНТИ, 1937.

13. Рабинович, И .Я. Оборудование для дуговой электрической сварки. Источники питания дуги/ И .Я. Рабинович. — М.: Машиностроение, 1958.

14. A.c. 249569, МКИ В 23 К9/06. Схема сварочного выпрямителя со вспомогательным выпрямителем. /Открытия. Изобретения, 1989. №38.

15. Шиллинг, В.Г. Схемы выпрямителей, инверторов и преобразователей частоты./В.Г. Шиллинг —М.: Госэнергоиздат, 1950.

16. Иваичук, Б.Н. Тиристорные и магнитные стабилизаторы напряжения/ Б.Н. Иванчук. М., «Энергия», 1968. — 112с.

17. Готтлиб, И.М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы/ Перев. с англ.; Под ред. A.JI. Ларина, С.А. Лужанского, Москва.: Постмаркет, 2000, - 552с.

18. Миронов, С. Инверторные источиики питания для дуговой сварки/ С. Миронов // Сварочное производство. 2003. № 4.

19. Рама, P.C. Основы силовой электроники/ Перев. с англ.; Под ред. В.В. Масалова — Москва: Техносфера, 2006. 288 с.

20. Иоффе, Ю.Е. Универсальный сварочный инверторный источник общего назначения Invertec У300-1/Ю.Е. Иоффе, В.А. Можайский // Сварочное производство. 1998. № 1.

21. Гецкин, О.Б. Инверторный аппарат ДС 250.33 для сварки покрытыми электродами/О.Б. Гецкин, И.В. Кудров, В.М. Яров// Сварочное производство. 2004. № 2.

22. Мустафа, Г.М. Математическое моделирование тиристорных преобразо-вателей/Г.М. Мустафа, И.М. Шаранов// Электричество. 1978. №1. С. 40— 45

23. Рорер, Р. Введение в теорию систем/ Р. Рорер, С. Директор. М.: Мир, 1974.

24. Гаврилов, Л.П. Анализ переходных процессов в электрических цепях итерационным методом при использовании персональных. ЭВМ //Создание и обслуживание персональной вычислительной, радио- и видеотехники/ Л.П. Гаврилов, H.A. Феоктистов. -М.: ГАСБУ, 1993.

25. Белерт, С. Анализ, и синтез электрических цепей методом структурных чисел/ С. Белерт, Г. Вознецки. — М.: Мир, 1972.

26. Токеути, Т. Теория и применение вентильных цепей для регулирования двигателей/ Т. Токеути. Л.: Энергия, 1973.

27. Руденко, B.C. Расчет устройств преобразовательной техники/ B.C. Руден-ко, В.Я. Жуйко, И.Е. Коротаев. Киев, Техника, 1980.

28. Феоктистов, H.A. Применение операторного и матричного преобразований для исследования динамики систем электропитания с тиристорами //Электропривод и автоматизация в машиностроении/ H.A. Феоктистов, Н.В. Донская. -М.: ВЗМИ, 1984.

29. Маевский, O.A. Энергетические показатели вентильных преобразовате-лей/О.А. Маевский. Энергия, 1978. - 320 с.

30. Супрунович, Г. Улучшение коэффициента мощности. преобразовательных установок/ Г. Супрунович. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

31. Глинтерник, С.Р. Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей/ С.Р. Глинтерник. — Л.: Наука, 1970, 308 с.

32. Методика технико-экономических расчетов в энергетике. М.: ГКНТ при СМ СССР, 1966.- 12 с.

33. Жежеленко, И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий/ И. В. Жежеленко. — М.: Энергия, 1974. 184 с.

34. Энергетическая электроника: Справочное пособие: Пер. с нем. /Под.ред. В.А. Лабунцова- М.: Энергоатомиздат, 1987.

35. Вольдек, А.И. Электрические машины/ А.И. Вольдек. Л.: Энергия, 1978.

36. Васильев, A.A. Электрическая часть станции и подстанций/ A.A. Васильев, И.П. Крючков, Е.Ф. Наяшкова. М.: Энергоатомиздат, 1980.

37. Розанов, Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты/Ю.К. Розанов. М.: Энергоатомиздат, 1987.39.3абродин, Ю. С. Промышленная электроника/ Ю. С. Забродин. М.: Высшая школа, 1982'.

38. Кобзев, A.B. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии/ A.B. Кобзев. -Новосибирск: Наука, 1979.

39. Розанов, Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники/Ю.К. Розанов,—М.: Энергия, 1979.

40. Tunia, Н. Podstawy energoelektroniki/H. Tunia, В. Winiarski. Warszawa, WNT, 1980.

41. Волков, И.В. Машинные методы расчета систем стабилизированного.тока/ И.В. Волков, В.А. Шлапак. Киев: Наукова думка, 1978. 162 с.

42. Мустафа, Г.М. Система программ для мод ел ированияустройств* преобразовательной техники/ Г.М. Мустафа, И.М. Шаранов, В.Н. Тингаев // Электротехника. 1978. №6.

43. Мустафа, Г.М. Расщепленная кусочно-линейная система как модель устройств преобразовательной техники //Электронные цепи, передача и обработка информации/ Г.М. Мустафа, И.М. Шаранов. — Киев: Наукова думка, 1979. С. 193-209.

44. Брон, Л.П. Расчет сложных схем непосредственных преобразователей частоты дня рудотермических печей на универсальной цифровой модели //Проблемы преобразовательной техники/ Л.П. Брон, В.Я. Денисов. — Киев: ИЭД АН УССР, 1979. С. 238-24, Ч. 4.

45. Zooh, Н. Method of global simulation og thyriator etatio converters (programme SACSO)/ H. Zooh, O.K. Rebonlet, J. A. Sohonek. IAS \2tb Annu. Meet., Los Angeles, Oalif, 1977, p. 1151-1154.

46. Конев, Ф.Б. Применение вычислительной техники-при анализе и проектировании вентильных преобразователей/ Ф.Б. Конев// Электротехн.пром-сть. Сер. Силовая преобразоват. Техника. 1979. Вып. 4(111). С. 2023.

47. Jentsch, W. NETASIM — a digital simulation system for power electronics systems. Simulât. Syst'79/ W. Jentsch, P. Uehrlne. Amsterdam e.a., 1980, p. 322-526.

48. Разевиг, В.Д. Системы схемотехнического моделирования Micro-Cap V/ В.Д. Разевиг. M.: «Солон», 1997.

49. Разевиг, В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.О./ В.Д. Разевиг. — М.: «Солон», 1999.

50. Разевиг, В. Д. Система проектирования5цифровых устройств OrCAD/В.Д. Разевиг. — М.: «Солон-Р», 2000.

51. Афанасьев, А. О. Проектирование в OrCAD/ А. О. Афанасьев, С. А. Кузнецова, А. В. Нестеренко. Киев. «Наука и техника», 2001.

52. MicroSim PSpice A/D&Basics+.Circuit Analysis Software. User's Guide. Ver.8.0. MicroSim Corp. Irvine, 1997.

53. Колпаков,. A. PSIM программа анализа силовых преобразовательных устройств, исистем/ А. Колпаков.// Электронные компоненты, №6 - 2003.

54. Потемкин, В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab 5.х/В.Г. Потемкин М.: Диалог МИФИ, 1999. Т. 1. 336 е.; Т.2. 304 с.

55. Mathcad 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95.- M.: Филинъ, 1996,- 712с.

56. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. 2007.

57. Дьяконов, В. Simulink 4. Специальный справочник. Питер. 2001.

58. Богомольный, Е.В. Разработка и исследование сварочных преобразователей с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями: автореф. дис. канд. тех. наук: 05.09.03 / Богомольный Евгений Валерьевич. К. комсомольск-на-Амуре, 2004. - 20 с.

59. Каганов, И.Л. Электронные и ионные преобразователи/ И.Л. Каганов. М.: Госэнергоиздат, 1956. ТЗ. 528 с.

60. Пат. № 2288819. Регулируемый источник питания для ручной дуговой сварки / Кузнецов В.П., Рудько C.B. Заявл. 25.03.2005. Опубл. в бюлл., № 34 10.12.2006, В23К.

61. Утевский, A.M. Теория и методы расчета m — фазных выпрямителей с емкостным фильтром/ A.M. Утевский. М. — Л.гГосэнергоиздат, 1949.

62. Мощные полупроводниковые приборы: Диоды: Справочник. /Б. А. Бородин, Б.В. Кондратьев, В.М. Ломакин и др. — М.: Радио и связь, 1985. 400 с.

63. Замятин, В.Я. Мощные полупроводниковые приборы: Тиристоры: Справочник. /В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. — М.: Радио и связь, 1987.-576 с.

64. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник /H.H. Акмов. Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко и др. — Мн.: Беларусь, 1994. 591 с.

65. В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып ЫО./сост. И.П. Алексеева. — М.: Патриот, 1991.-62 с.

66. Норенков, И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учебное пособие для втузов/И.П. Норенков. — М.: Высшая школа, 1980. 311 с.

67. Публикации автора по теме диссертации

68. Рудько C.B., Р.В. Шибеко Характеристики однофазного мостового выпрямителя при работе на резистивно-емкостную нагрузку// Св-во per. инт. продукта в ВНТИЦ № 72200400065. Зарегистрировано 31 августа 2004г.

69. Кузнецов В.П., Рудько C.B., Богомольный Е.В., Р.В. Шибеко Применение регулятора переменного тока в сварочных выпрямителях// Св-во per. инт. продукта в ВНТИЦ № 7220050041. Зарегистрировано 2 сентября 2005 г.

70. Кузнецов В.П., Рудько C.B., Богомольный Е.В., Р.В. Шибеко Применение высокочастотных преобразователей для сварочных агрегатов постоянного тока// Св-во per. инт. продукта в ВНТИЦ № 7220050040. Зарегистрировано 2 сентября 2005 г.

71. Пат. № 2288819. Регулируемый источник питания для ручной дуговой сварки / В.П. Кузнецов, C.B. Рудько Заявл. 25.03.2005. Опубл. в бюлл., №34 10.12.2006, B23IC.

72. Кузнецов В.П., Рудько C.B. Сварочные выпрямители с улучшенными техническими показателями//Изв. вузов. Электромеханика. — 2007. № 3.2009 г.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯрезультатов научно-исследовательских работ

73. Декан электротехнического факультета КнАГТУ1. Степанов А.Н

74. И.о. заведущего кафедрой Промышленной электроники t~Ar/wt"^1. Копыто в С.М.1. СОГЛАСОВАНО

75. УТВЕРЖДАЮ Директор ФГУП ПО «Амурмаш»

76. Проректор по научной работе Комсомольского-на-Амуре государственного техническогок.V "'о- П. Гранин/. <■ »А-ч/и' 2006 г.

77. АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы

78. Вид внедренных результатов: сварочный преобразователь с улучшенными технико-экономическими показателями.

79. Форма внедрения: выпуск установочной партии сварочных преобразователей в количестве 10 штук.

80. Результаты НИР: получен патент на изобретение № 2288819 «Регулируемый источник питания для ручной дуговой сварки».

81. Прошёл опытно-промышлепную проверку и испытания образец сварочного преобразователя.1. От предприятия От КнАГТУ:1. ФГУП ПО «Амурмаш»:

82. Главный технолог Заведующий кафедрой1. Промышленная электроника1. Зотов Р.И./1. СОГЛАСОВАНО1. УТВЕРЖДАЮ

83. Директор строительной компапнн ООО «Работник»

84. Проректор по научной работе Комсомольского-на-Амуреств е н н о го технического ^ицве'рсй^!. д.т.н. проф.

85. А.И. Евстигнеев/ ■к 2007 г.1. Пономарев/а1. Х.&2007 г.

86. АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы

87. Вид внедренных результатов: сварочный преобразователь с улучшенными технико-экономическими показателями.

88. Форма внедрения: выпуск и использование в строительно-монтажных работах установочной партии сварочных преобразователей в количестве 10 штук.

89. Результаты НИР: получен патент па изобретение № 2288819 «Регулируемый источник питания для ручной дуговой сварки».

90. Прошел опытно-промышленную проверку и испытания образец сварочного преобразо вателя.

91. От строительной компании От КиАГТУ1. ООО «Работник»:

92. Заведующий кафедрой Промышленная электроника1.ч? — ----I1.73' ■ / '■ -. и.- —■т-"ж- 2?25551: Й? " -

93. ОРГКОМИ твт V МЕЖДУНАРОДНОГО ФОРУМА ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ XXI БЕКА1. НАГРАЖДАЕТ1. :1» «с*53'л

94. Ком сом ол ьск и й-на-Амурегосударственный технический университет

95. ЗА УЧАСТИЕ В ВЫСТАВКЕ ВТ-ХХ! 2004 И ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ10.М.ЛУЖ ков19.23 АПРЕЛЯ МОСКВА» «ЭКСПОШНТТ*1. ЛЯ