автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование способов эффективного управления режимами импульсного источника электропитания с двухступенчатым преобразованием энергии

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕВША И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ШСИН ИГОРЬ АНДРЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕИШШ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.12 - Полупроводниковые

преобразователи электроэнергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Истринском ВНИЦ ВЭИ им.В.И.Ленина и на кафедре Электроэнергетических систем Московского энергети-.ческого института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Скляревский Ю.И.

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор Розанов Ю.К.,

• *

кандидат технических наук Топильский В.А.

' Ведущее предприятие - • Троицкий институт инновационных

и термоядерных исследований

Защита диссертации состоится " -/3 " МРиУгуСЬ 1992г. в аудитории кжр ЗАЛ в 46 час. м^н. на заседали

специализированного Совета Д 053.16.13 Московского энергетического института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105853, г.Москва, Е-250 Красноказарменная ул. д.14 Ученый Совет МЭИ.

Автореферат разослан " » ^ефаид 1992г. Ученый секретарь Совета

Д 053.16.13 к.т.н., доцент

И.Г.Буре

ОЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

ff . . ■ •

- • . Актуальность теш. Решение проблемы термоядерного синтеза; исследование воздействия многих тел малой массы, синхронно ускоренных между собой; исследование нагрузок типа плазменный фокус при высоких плотностях энергии и напряжениях; системы электропитания устройств импульсной сварки, нагрева заготовок для ковки и проката, электрического спекания порошковых материалов; индукционно-динамические устройства ударного действия для технологических процессов и сейсморазведки являются важнейшими научно-техническими задачами. Для их решения необходимо создание импульсных источников энергии нового поколения и освоения импульсной мощности 10^-10 Вт при энергозапасе I08—Ю^^ЛЗк.

Выбор схемы источника питания зависит от особенностей нагрузки и возможностей получения электроэнергии из сети в пункте размещения установки. Особое внимание в настоящее время уделяется импульсным источникам электропитания с двухступенчатым преобразованием энергии (ИГО с ДПЭ). В состав таких ШТЭ с ДПЭ входят два накопителя - электромеханический, представляющий собой инерционную синхронную машину, и индуктивный. Зарядка электромеханического накопителя в ИГО с ДПЭ осуществляется либо от асинхронного привода, либо от тиристорного преобразователя частоты (ТОТ) со звеном постоянного тока. Зарядка индуктивного накопителя осуществляется'от электромеханического через установленный мевду ними выпрямитель. Мощность, потребляемая электромеханическим накопителем от сети при его зарядке, не велика и определяется, в основном, потерями на трение в режиме номинальной скорости. В мировой практике мощные импульсные источники питания, использующие накопители с уровнем запасаемой энергии выше нескольких десятков мегаджоулеи, являются уникальными и исчисляются единицами.

Решению задач, связанных с построением Ш1Э с ДПЭ и анализом их режимов, посвящены работы Глебова И.А., Глухих В.А., Кашарского Э.Г., Копылова И.П. и ряда других авторов. Эти задачи требуют рассмотрения широкого круга вопросов и разработки специальных методов теоретического и экспериментального исследования, а также поздания опытных инженерных установок, на которых должны быть опробованы и отработаны их основные режимы

п узлы. Постоянно растущие требования, предъявляемые к импульсным источникам питания как со стороны нагрузки, так и со стороны питающей сети, обусловливают необходимость поиска новых путей для их развития и совершенствования.

Настоящая работа выполнена в плане программы научных исследований и опытно-конструкторских работ предприятий ВНИЦ ВЭИ и ШИШ АН УССР по цроблеме импульсного питания электрофизических нагрузок с высоким энергопотреблением от различных импульсные источников электромагнитной энергии и создания новых высокоэффективных технологий на их основе.

Цель работы и задачи исследования.

1. Разработка методики расчета и анализа режимов энергетической системы Ж!Э с ДПЭ, состоящей из ТПЧ со звеном постоянного тока, инерционного синхронного агрегата и индуктивного накопителя энергии с многосекционированной переключаемой обмоткой (ИНЭПО).

2. Исследование особенностей работы энергетического оборудования и систем управления ШЭ с ДПЭ в рекимах накопления и расхода энергии.

3. Определение путей и способов повышения эффективности работы такого типа установок при их эксплуатации и на стадии проектирования.

4. Разработка и исследование методов и средств эффективного управления рекимами преобразования энергии в установках типа ИИЭ с ДПЭ.

5. Разработка вопросов, связанных с построением ПИЭ с ДПЭ на основе стенда Н-100.

Методы исследований. Математическое и физическое модели-ролание. Для анализа электрической системы, состоящей из инерционного синхронно-вентильного агрегата и индуктивного накопителя энергии, использовались: общая теория электрических машин; теория электромагнитных и электромеханических переходных процессов; теория нелинейных дифференциальных уравнений; теория нелинейных импульсных систем; теория автоматического управления При составлении программы расчета на ЭВ,"/1 электромагнитных и электромеханических переходных процессов работы электромеханического накопителя использовался метод макромоделирования.

Научную новизну представляют: разработанная методика расчета, состоящая из теоретической части, экспериментальной и расчетов на ЭВМ; результаты исследований режимов установок типа ИИЭ с ДПЭ; предложенный способ искусственной коммутации вентилей инвертора и его анализ; разработанные и исследованные устройства автоматики; результаты анализа вопросов, связанных с построением ИГО с ДПЭ на основе стенда Н-100.

Практическая ценность и реализация работы. Полученные в результате выполненных исследований выводы и рекомендации, разработанные методика расчета, новый способ искусственной коммутации-, принципы построения источника, а также метода и средства регулирования могут быть использованы в научно-исследовательской и проектно-конструкторской практике предприятий, занимающихся проблемами импульсного электропитания электрсфгтческих нагрузок с высоким энергопотреблением. Полезность полученных результатов состоит и в возможности их применения в ряде сцеяных областей, в том числе в вентильном приводе различного рода промышленных установок, в измерителыг 1 технике и т.д.

Результаты выполненной работы использованы при ввода в эксплуатацию электромеханического накопителя энергии стенда Н-100 в г.Истра и при проектировании -ИИЭ с ДПЭ на его основе, позволяющего формировать импульсы тога мегаамперного диапазона заданной конфигурации при энергозапасе до 30 ВДяс.

На защиту выносятся:

1. Разработанная методика расчета режимов ИИЭ с ДПЭ, основанная на комплексном использовании аналитического, экспериментального и машинного методов анализа.

2. Результаты выполненных исследований режимов работы '"О с .ДПЭ.

3. Новый способ искусственной коммутации вентилей инвертора и его анализ.

4. Разработанные устройства автоматики.

5. Результаты анализа вопросов, связанных с построением ИИЭ с ДПЭ на основе стенда Н-100.

Апробация работы. Основные результаты и отдельные вопросы диссертации докладывались и обсувдались на научных семинарах ВЭИ им.В.И.Ленина, ЭНИН им.Г.Г.'.Кржикановского; на УП и УШ Всесоюзных конференциях по проблеме электропривода переменного тока с полупроводниковыми преобразователями, Свердловск, 1586, 1989г.г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта", г.Днепропетровск, 1990г.

Публикации. Основные научные результаты, полученные в . диссертации, опубликованы в гчтц печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения объемом в 137 страниц машинописного текста, 47 рисунков, списка литературы 56 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, сформулированы ее цель и основные полонения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется состояние проблем,связанных с построением энергоемких импульсных источников электропитания на основе инерционных, машино-вентильных систем с индуктивными накопителями энергии, проводится постановка задачи исследования.

Зарядка электромеханического накопителя энергии в судест-вующих установках осуществляется цреиглущественно через асинхронный привод, однако, в последнее время большее вникание стало уделяться схемам, в которых этот процесс организуется через использование ТПЧ со звеном постоянного тока. Инвертор ТПЧ в таких установках монет работать в выпрямительном режиме. Это позволяет использовать его и для передачи энергии из электромеханического накопителя к индуктивному.

Задача, связанная с зарядкой электромеханического накошг-•теля энергии через ТПЧ со звеном постоянного тога, аналогична задаче частотного пуска крупных синхронных машин. Однако,

зарядка электромеханического накопителя осуществляется, как правило, от сети сравнительно небольшой мощности, предельное Значение которой соизмеримо с мощностью потерь в накопителе при номинальной частоте вращения его маховых масс. В связи с этим вопросы по обеспечению соответствующих условий зарядки, при которых воздействие накопителя на питающую сеть минимально, приобретают особое значение.

Трансформаторные индуктивные накопители, широко используемые в мировой практике при построении ШЭ с ДПЭ, тлеют сравнительно невысокий коэффициент преобразования магнитной энергии, что приводит к значительным трудностям в работе разрывного коммутатора. Поэтому в настоящее время представляется целесообразным развитие схем, в которых умножение тока осуществляется через использование индуктивных накопителей типа ШЭПО.

В Истринском ВНЩ ВОИ построен электромеханический накопитель с уровнем запасаемой энергии 100 ВДд (стенд H-I0G). В ближайшее время на его основе планируется создание импульсного источника электропитания с индуктивным накопителем типа ШЭПО. Энергоемкость такого накопителя составит 30 МДж, а амплитуда разрядного тока 500 кА.

Принципы построения электромеханического накопителя стенда Н-100 показаны на рис.1. В этой установке зарядка электромеханического накопителя осуществляется от сети с напряжением 6 кЗ через трансформаторы ТДП1 и ТДП2 и установленный между ними НН ПКТУС-8000-УХЛ4.

Мощность, необходимая для зарядки электромеханического накопителя, не превышает I I.I3A. Передача энергии их электромеханического накопителя к индуктивному осуществляется через трансформатор ТДП2, инвертор ТПЧ, переводимый с этой целью в выпрямительный режим, и через силовой вентиль Д1. Вентиль Д2 в этой схеме необходим для замыкания тока индуктивного накопителя при отключении электромеханического.ШЭПО, разрабатываемый для этой установки, состоит из 104-х секций. За основу при его построении принята схема, показанная на рис.2.

Для перекокмутации токов в секциях накопителя из зарядной цепи в цепь нагрузки необходимы быстродействующие выключатели, способные работать при токах свыше 5 кА и напряжениях свыше 5 кВ. Опытный образец такого выключателя был разработан в ВОН на основе вакуумной камеры типа КДВ-10-1С0С-20 с контуром при-щгдительной коммутации, использующим вакуумный разрядник

Рис.1

3?

Alk-'

к-1 ,_/=

гФ

РНС

1 Агк+í

Ç? ^fft^L Ср

\Аг к

4W

Рис.3

РВУ-3, На рис.3 показана упрощенная схема выключателя и способа его подключения к секциям индуктивного накопителя.

Основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, использованы на различных стадиях проектирования и ввода в эксплуатацию стенда Н-100, а такзе для решения вопросов, связанных с разработкой ШЭПО.

Во второй главе для решения задачи частотного синхронного пуска инерционного агрегата от ТПЧ со звеном постоянного тока предложен и подробно исследован новый способ искусственной коммутации вентилей инвертора, основанный на переводе выпрямителя в коммутационный режим "0-2". Исследования предложенного способа выполнены на основе специально разработанной для этой цели методики аналитического расчета при следующих допущениях: активные потери в системе "управляемый выпрямитель-звено постоянного тока - инвертор-синхронная машина" отсутствуют; вен: ши ТПЧ - идеальные ключи с заданным углом выключения -§в ; фазные индуктивные сопротивления на стороне сети -Х^ и на стороне машины - Хм для режима "0-2" условно перенесены в звено постоянного тока - У0 = Хс|.+ ¿У-х 2Х(*. (см.рис.1); инвертор и синхронная машина представлены в виде встречно включенной по отношению к выпрямителю э.д.с. - ^^ , величина которой пропорциональна частоте вращения ротора - СО и установленному току возбуждения.

Как известно, в системах такого типа, искусственная коммутация вентилей инвертора обеспечивается путем тактирования работы выпрямителя, то есть периодическим запиранием его вентилей с частотой нарастающей от 0 до десятков герц. Следствием такого тактирования работы выпрямителя являются низкочастотные пульсации, набросы мощности на входе преобразователя и, как правило, колебания напряжения сети в узле его подключения.

Предложенный способ искусственной коммутации вентилей инвертора лишен указанного недостатка. Кроме этого его использование позволяет уменьшить индуктивность звена постоянного тока, упростить принципы построения систем автоматики и алгоритмы перехода к режиму естественной коммутации. Для реализации предложенного способа искусственной коммутации необходимо лишь установить задание тока выпрямителя, при котором угол зажигания его вентилей расположится в диапазоне, указанном на рис.А,где :

оСгЫп атс51п[^/б-8&/2)/5(п(т-Ъ*/2)], ^/2;

о(.тах=г5Г/3-а1С51П^; Ем/т/ЗЕгт,'

Ег.т ~ амплитуда фазной э.д.с. сети.

3 первом приближении интенсивность разгона синхронно-вентильного агрегата пропорциональна среднему значению тока, устанавливаемому на выходе выпртштеля ТПЧ. Для коммутационного режима "0-2" эта величина ограничена на уровне, определяемом следующим соотношением:

Г - 6УЗ Егт /, [и/Л Т^Гст* - Я гогАЧ

где А - угол проводимости вентилей выпрямителя. Указанное обстоятельство приводит к тому , что предложенный способ искусственной коммутации приемлем лишь для установок , в которых начальные значения противомомента на валу машины после преодоления сухого трения не превышают 5+7 % от номинального значения. Однако, в большинстве практических случаев это условие выполняется.

По основным электроэнергетическим показателям предложенный способ близок к режиму естественной коммутации, то есть к режиму "2-3". Коэффициент мощности на входе преобразователя в режиме "0-2" достигает максимального значения цри максимальном угле проводимости, то есть при Д=ЗГ/3-5а . в этом случа его величина сопоставила с коэффициентом мощности режима "2-3"

~к.°'2 в ^-^5/6-56^' = Со,8*0,И*1-3.

С увеличением угла проводимости Д происходит уменьшение оть сительного состава высших гармоник входного тока преобразовать ля. В таблице I представлены расчетные значения относительных амплитуд высших гармоник входного тока режимов "2-3" и "0-2". Для режима "0-2" расчет выполнен при /\ -*-5Г/3 и *10—- О а для режима "2-3" при ХсС"—00 и • з построенной

Таблица I

а', О-г а*„ а'ч аъ

пр_ом 0.2 0.1'"- 0.091 0.077 0.059

"0-2" 0,48 0,16 0,037 0,053 0,035

таблицы видно, что при "X гармонический состав входног<

тока режима "0-2" идентичен, за исключением пятой гармоники,

гармоническому составу режгла "2-3". Характер изе;енепия; относительного состава высепгх гармоник входного тока рее-ее.-д "С-2" в зависимости от угла проводимости вентилей выпрямителя помазан

Рис.4 ?лс.5

на рис.5. Там :хе по:азан: зависимость, определенная отксмонием входного коэффициента мощности ре-лглз "С-2" к входному хоойп-циенту мощности рэ:гле".а "2-3": "Х* = "X2'^ • Представленные

кривые построены для малых значений , ограниченных на уровне 0,2 + С,3.

Основным критерием при выборе индуктивности звена постоеп-ного тока ТПЧ , в которое: искусственная коммутация вентиле.'": инвертора осуществляется предложите.! способом, является е:акси-мально допустимое время, зан:е:ае:.;ое частотнее.; синхронные: пускач электрической млмпны. 3 судсстзуггдпх установках времл,затрачиваемое на прохождение ре:-ме.:э искусственно;: составляет около 5 % от общей продолжительности частотного пуска. -> связи с этим, двух-трехнратяое уе:еяье:ол.:е тона на лыхэде выпрямителя, обусловленное переводов его з рекпе: "0-2", не оказывает принципиального влияния на общую цродолеекееленоеее частотного пуска. Однако, как показали исследования, существует вполне определенное значение величины ХсС > при которое! удается максимально приблизить по основные: электроэкергетическ1г.: показателям репгш "0-2" и "2-3". Услозие выбора ХсИ > ПР:! котором в рекш.:е •"0-2" коэффициент мощности на зходе преобразователя тлеет максимальное значение, а аехлнтуды пят;ос гармоник

входного тока в режимах "0-2" и "2-3" равны , имеет вид:

хГ = [|cos(f^f>in(f- f^

+ I Sin(f - 2&) + ^ Stп(зад]- 2 (x, + x м), (2)

где J^h"5 - номинальное значение выпрямленного тока, устанавливаемое для ремсла естественной коммутации. При Xd - Xd. среднее значение выпрямленного тока равно:

т УзЕгт_гдг

1сР ~ 45Г(ХГ+2Х, + 2Хн)[ 3 °6] (3)

или

Icp ¿»[f-&]* [!<*(?*

^-Sin (f - Ä) * 15in(3Se)]"', т

Так, например, частотный пуск синхронного агрегата стенда Н-100 в режиме естественной коммутации осуществляется при

= 500 А. В этих условиях амплитуда пятой гармоники входного тока составляет я? 100 А. Для того чтобы амплитуда пятой гармоники.входного тока при искусственной коммутации вентилей инвертора предложенным способом вмела такое же значение, необходимо установить XcL ^ 0,83 Ом и A=-JT/5-?f6~55 эл.град. . Среднее значение тока на выходе выпрямителя при таких значениях XcL и 'Я составит • 184 А. Из приведенного примера следует, что гармонические составы входного тока режимов "2-3" и "0-2" идентичны когда при максимальном угле проводимости Л = JT/3 — Sß среднее значение выпрямленного тока в режи-'ме "0-2" составляет ~ 40 % от .

Таким образом, предложенный способ искусственной коммутации в большинстве практических случаев имеет существенные преимущества перед традиционным и может быть рекомендован для широкого использования в различных установках с вентильным приводом.

В третьей главе для решения задач по э.Т>~}ектлзно:.:у управлению инерционной машино-вентильноп системой электромеханического накопителя энергии разработана и подробно исследован::' автоматические устройства. Эти устройства обеспочивгят: рогу-лирование тока -выпрямителя з коммутационно:.: рс;.гт.:е "0-2"; управление инвертором в per.ir.ax заряда п разряда электромеханического накопителя энергии; высокую точность регулирования и измерения частоты вращения маховых масс накопительного агрегата при ее изменении от долей до десятг.оз горд.

Выполненные исследования показах; целесообразность построения регулятора тока для ро;;::г.:а "0-2" по астатическое/ пркпзшу. Это позволяет обеспечить высокие динамические -:: точнсстпле характеристики регулировали. Характер переходного процесса при таком способе построения регулятора молот быть описан следующим соотнозенио:.;: Ак-[1-@]Ъо • 2 это:' соотнеле:-::::!: ¿\0 -начальное возмущение в регуляторе тока; Дк - рэзкос?:. :.:ег.ду уставкой и средним значением выпрлллзнного тока ка К - ом интервале коммутации вентилей злпрлмптоля; $ - :-:оз.Т::пиол?, определяемый параметрами преобразователя л регулятора тока. Очевидно, что такой регулятор имеет :.:а::с:г.:аль::оз бнетроделотзпе при ^ . В этом случае пергходклЗ процесс заглцчлзг.ется, практически ,на порвих двух лятврзглэх :-:о:.г.у?аг;п! вснт^тоЛ выпрямителя. Устойчпзая работа регулятора тога, построенного по астатическому прлкцлпу, достигается лишь при его использовании в коммутационном реяксо "С-2". Для сохранения работоспособности выпржштеля после перезола его з !:о:.:.у?аа::о:шыЛ рс-.::г.: "2-3" структура регулятора пс-рестраизг.стся по плтегралгне-про-порционально:.у принципу.

Система автоматического регуллроз?их«1, разработанная для управления инвертором тиристорного преобразователя частоты электромеханического накопителя энергии,построена по асинхрол-но-синхронно:.у принципу. В этой системе управление- вентилями инвертора осудестзлчется от кольцевого распределителя :г.:пулзсов (РЛ), синхронизируемого датчиком полоазшя ротора (ДПР), как это показано на рис.6. Сочетание аспнхронно-слнхронннх принципов, заложенных в разработанной системе,дает широкие функциональные возможности для управления инвертором тиристорпого преобразователя частоты в режимах заряда и разряда электромеханического накопителя энергии. Так , например, достаточно просто, по одно-канальному пути, характерному для асинхронно": системы, осущест-

злэстся его перевод из кнверторного режима в выпрямительный к обратно. Принципы, заложенные в разработанном для асинхрон-' ной части системы аналоговом звене импульсно-фазового управления, позволяют регулировать разрядный ток электромеханического накопителя в условиях глубокого изменения частоты вращения его маховых масс. Разработанная система сохраняет работоспособность и в автономном от ДПР режиме. Это позволяет решать задачи частотно-фазовой стабилизации скорости вращения маховых масс накопителя, осуществлять режим частотного синхронного пуста при отсутствии ДПР, выполнять необходимый контроль и проверку управляющих систем преобразователя и т.д. Универсальность предлагаемой системы, простота технической реализации и наладки позволяют рекомендовать разработанные для ее построения принципы к использованию в проектно-конструкторской практике управляющих систем подобного типа.

Разработанный аналоговый преобразователь "частота-напряжение" позволяет одновременно с изменением и регулированием частоты вращения маховых масс накопительного агрегата осуществлять формирование сигналов опорного напряжения для импульсно-фазового управления инвертором при его работе в выпрямительном режиме. Для управления работой преобразователя "частота-напряжение" удобно использовать импульсы ДПР. Существенной особенностью разработанного преобразователя является его высокая линеййость, которая достигается в диапазоне частот от долей до сотен герц. Принцип построения преобразователя основан на охвате интегратора обратной связью, в цепи которой установлен аналоговый преобразователь периода в напряжение (ППИ),как это показано на рис.7 . В состав такого ПЛН входят: формирователь импульсов (ФЛ), на вход которого "поступает сборка импульсов ДПР; устройство выборки-хранения (УВХ); интегратор со сбросом и звено запаздывания (б'^). Работа преобразователя может быть описана разностным уравнением второго порядка

где: - разность между напряжением уставки 1_/о

и напряжением на выходе УВХ в интервале можду -ым и [{-+ { -ым импульсами поступившими на вход ФИ; ^ = "

£ - частота следования импульсов на входе ФИ; Т^ и Т2 • постоянные времени интеграторов. Из решения (5) могут быть

(5)

(при A¿=0 и А(-& ) получены кривые, показывающие зависимости Щ) при Ак/Д,= 0,1 11 А«/А( -0,0 i .то есть . количество импульсов,необходимое для уменьшения рассогласования в 10 л ICO раз соответственно (см.рис.8). Из построенных кривых видно, что для O/tí-S-él количество импульсов, при котором величина S уменьшается в 10 и 100 раз, мишплаль-но и не превышает 6 и 12 соответственно. 3 установившемся режиме справедливо следующее соотношение: Ujti - § Uo7¡ . Принципы, разработанные для такого преобразователя, могут быть использованы также и в измерительной техника при построении аналоговых частотомеров,обладающих высокой линейностью при измерении частот в диапазоне ог долей до сотен герц.

Рис.6

ОоАк

РТг

Ujk-ÍUOT,

и*

УпХ

в/х

Mi

I

PTi

ФИ

~г

ÜM

СБРОС

-РГ

Улп-н

Рис.7

О ОА Q8 U Ifi 2

Рис.8

4

Анализ зопросов, связанных с построением высокоточных регуляторов частоты вращения маховых масс накопителя при использовании с этой целью датчика положения ротора, показал,что точность таких регуляторов на низшей частоте ограничивает ДПР, а на верхней - быстродействие регулятора тока выпрямителя(РТВ). Быстродействие РТЗ максимально в коммутационном режиме "0-2", когда его структура построена по астатическому принципу изло-иеиному вьше. Реяшл стабилизации частоты вращения маховых масс накопителя протекает в области малых токов, то есть практически во всех случаях при работе выпрямителя в рекиме "0-2". Указанные обстоятельства позволяют добиваться таких решений, при которых точность стабилизации частоты вращения в диапазоне от ~ 0,5 Он до СОн достигает десятых долей процента и выше. Характерной особенностью высокоточного регулятора частоты, использующего ДПР для ее измерения является его принципиальная нолинейность. Эта нелинейность связана с тем, что задание требуемого значения частоты и ее стабилизация, фактически, осуществляется через сравнение двух значений периода - эталонного и периода повторяемости импульсов ДПР. Такая особенность системы регулирования требует введения специальных нелинейных элементов коррекции.

В четпептой главе выполнены экспериментальные исследования разработанных методов и средств управления инерционной машино-вентильной системой с ИНЭПО; представлены результаты численного моделирования электромагнитных и электромеханических переходных процессов , протекающих при частотном синхронном' пуске агрегата в коммутационном режиме "0-2".

Экспериментальные исследования, выполненные на стенде Н-100, показали возможность и целесообразность замены традиционного решай искусственной коммутации коммутационным режимом "0-2". Эти исследования позволили подтвердить результаты и выводы, полученные аналитическими методами.

Наряду с аналитическими и экспериментальными исследованиями, в настоящей работе для определения динамических свойств и характеристик инерционной машино-вентильной системы при ее работе в коммутационном режиме "0-2" использовалась цифровая вычислительная техника. В силу специфики самой системы, а также режимов ее работы использовать известные промышленные программы расчета и анализа невозможно. Потребовалось разработать для этой цели специальные алгоритмы и программы. При их составлении

использовались полные дгуТзеренцпалънае уравнен:!! *!гл:-^-Гсрсг-а, Численный аяахй частотного слихроякого пус::1 .•пкот.'тл-. .-::ого агрегата в коммутационном рзч;з:о "0-2" поззоллл по.-хнср./Л-ь " основные результаты и выводы полученные экоиер:;л1йгал:~.-ш:с: г: аналитическим'методами. 3 качестве пр^ера на р::с.'Э лзлгз:.;::;

Л io*

1.04

Ток »iiu А

-1.04

0.00

В 10* Kanpni

0.43 г «аэи А

Г ']■

-1.03

0.00

HM 103 Элеа! 0.01

-0.40

0.43

расчетное сз-^зллзгра;.:.:-

толоз, на прл:.:о:::::: :: эл:-:-:грс::г.г-нлтнсго :.:с:.:элта лалэлкого агрегата стелла I'-ICO прл частотно:.: гтусло з рслллз Из прздстазлолнлх oc:~"trrrr: ю-« злдно.что электроглгя::г:-г-:Г: ' 0.55с г.:знт з >.г::г.:э "0-2" :г.:;зг

ризлстыГ; характер. РазрзЗзтзл-яая программа !.:эгет блтт. та:гэ лсполззозала л ар:: сн.зллзэ процессов длламлческого тзр:.:о:::знлл элс-лтрслзлаьллгзслзго нглоллтслл ::а ::кду:\-::ззно-рэз::ст::з:^ нагрузну.

О:;спор:г.;ентал:.но псслзюзсни осяозппэ пололйл:^!, зало::.з.ч:-:::з з технллосло:.; рс;:зн:::: :г:пул:.слсго ::сточ;г:л:з злэлгролптзп::::, ссло-заллого на ::сгIT.cílO (с:.:.р::с.2) .Поглззна рзбо?ослз-соЗнсстз схс:/::;::еслэдова::о зл:"-н::э ::о: п::о¡i iглрр.::етроз 1СГ' ИНЗПО на "ОэТ/ллдп-зпт у:л:з::он::л 2.:?с тона при различны:-: з:;д.зл нагрузок ¡исследовала зэз:.:о"лосзл отсечки тога в рззлстпзлол нагруз-1<е при обратном перекллченлл катулзг. !™ЮП0 ;цсслод;оззнп вон годность управления током з ияпуптпзио-рззлстлвкоЯ кагрузл-э прл последовательном пер-згллченлл кааузек ЗЗТЗИО л т.д.Полученное з результате выполнения эт:эс исследований выводи :: рекомендации использованы прл составлении технического проекта .Т-ТЗПО,разрабатываемого для стенда I?—ICO.

Для технической реализации процессов накопления л расхода энергия инерционной мааино-зентпльяои скстемы стзнда 11—100

-1.21

предложена и экспериментально исследована схема, показанная на рис Л. Предложенная схема не требует установки электромеханического коммутатора (вместо него используется неуправляемый вентиль ), что принципиально упрощает алгоритмы управления источником и повышает его надежность. Вентиль Jig , в этой схеме позволяет эффективно защитить инвертор преобразователя (в режиме зарядки-ШЭ ) от токовых перегрузок и от исчезновения импульсов управляющих его работой.

Как известно,'на начальном этапе частотного синхронного пуска трансформатор,согласующий инвертор тока ЮТ с электрической машиной,обычно шунтируется из-за возможного его насыщения. Экспериментальные исследования, выполненные на стенде Н-100,показали, что при сравнительно небольшой мощности, передаваемой согласующим трансформатором на начальном этапе частотного пуска накопительного агрегата,в сочетании с предложенными выше алгоритмами управления инвертором,устраняют возможность такого насыщения.

Исследования предложенных принципов построения цифрового регулятора частоты вращения ротора синхронного накопительного агрегата, выполненные на стенде H-I0Q, показали возможность получения точности стабилизации на уровне 0,15 + 0,3 % от задаваемого значения в диапазоне [0,25 + 1]Сл5н .

Экспериментальные исследования принципов, предложенных для построения аналогового преобразователя "частота-напряжение", подтверждают возможность его использования для построения высоколинейных измерителей и регуляторов частоты вращения ротора накопительного агрегата при изменении ее в диапазоне от долей до сотен герц. Кроме этого, экспериментально показана возможность его использования для построения регулятора тока выпрямителя, работающего в условиях глубокого изменения частоты питающего напряжения.

В заключении обобщены основные .результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчета л анализа режимов !Ш с Д1Э, отличающаяся комплексным использованием аналитического, экспериментального и машинного методов анализа.

2. На основе разработанной методики и на примере стенда Н-100 выполнены исследования режимов работы и способов построения установок типа ИИЭ с Д1Э. В результате выполненных исследований показано:

- традиционный метод искусственной коммутации инвертора ТПЧ при частотном синхронном пуске инерционного агрегата не цриемлем в случаях, когда питающая система располагает строго ограниченной мощностью и чувствительна к низкочастотна.: возмущениям;

- традиционные системы автоматики ТПЧ, выпускает/их промышленностью не могут быть использованы в ШЭ с Д1Э без принципиальных доработок и изменений.

3. Для повышения эффективности работы установок типа ЩЭ с ДЦЭ разработаны и предложены:

- новый способ искусственной коммутации вентилей инвертора, основанный на переводе выпрямителя ТПЧ в режим прерывистых токов(режим "0-2");

- новые алгоритмы и принципы построения системы автоматики ТПЧ (асинхронно-синхронная система управления инвертором, система управления ТПЧ в коммутационном режпме"0-2", цифро-аналоговый преобразователь время-импульсной информации ДПР, аналоговый преобразователь "частотз-папрямсынз");

- новые схемо-технические решения. ИИЭ с ДПЭ, показанные на примерз Н-100.

4. Результаты диссертационной работы попользованы на стадиях проектирования и ввода в эксплуатацию стенда Н-100,

а также при проектировании на его основе ИИЭ о ДПЭ, позволяющего формировать одиночные импульсы тока мегаамперного .диапазона при энергозапасе до 30 МДж.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ШУБШКОВАННЫЕ ПО TS.E ДИССЕРТАЦИИ

I. Ермолович Э.С., Кыспн И.А. Ре: Ким прсрнвпCT1IX токов в статическом преобразователе частоты вентильного дзигателя. // Восьмая научно-техническая конференция по электроприводам переменного тока с полупроводниковыми преобразователями. Свердловск, март 1989 г. Тез.дом. - Свердловск: Свердупрпо-

лиграфяздат, 1989. - С.54.

2. Скляровский Ю.И., Мысин И.А. Устранение низкочастотных пульсаций напряжения сети при частотных пусках крупных синхрон-, ных машин. // Всесоюзная научно-техническая конференция по разработке методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта. Днепропетровск, ноябрь 1990 г. Тез..докл. - Днепропетровск: Уч.-изд.л., 1990. - С.367.

3. Ермолович Э.С., Мысин И.А. Частотно-фазовый стабилизатор для системы точного регулирования скорости вращения вентильного трубодвигагеля. // Седьмая научно-техническая конференция по электроприводам переменного тока с полупроводниковыми преобразователями. Свердловск, февраль 1986.Г. Тез.докл. -Свердловск: Свердупрполиграфиздат, 1986. - С.60.

4. Мысин И.А. Исследования возможностей частотного пуска инерционного синхронно-вентильного агрегата в коммутационном режиме "0-2". - М., 1991. - 17 с. - Деп. в Информэлектро 09.11.91, й 82-ЭТ91.

5. Мысин И.А. Широкодиапазонный аналоговый преобразователь "частота-напряжение". -М., 1991. - 9 с. - Деп. в Информэлектро 09.11.91, & 83-ЭТ91.

Подписано к печати Псч. л.

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.