автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование тиристорных формирователей импульсов тока

б ОД МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

3 ЛПР 1393

На правах рукописи

ВОРОНИН АЛЕКСАНДР ГЛЕБОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРШ СОРКИРОВПТЕЛЕИ ИИПУЛЬСОВ ТОКА.

Специальность 05,09.12 Полупроводииковие преобразователи злектрознергик,

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических h.vjk

Уосква 1193г

Работа виполнена на иа^еаре проявленной электроники и электронной техники Запорожского индустриального института.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Лабунцов В.й.

Официальные оппоненты: д.т.н. проф. Розанов Ю.К.

к.т.и. с.н.с. Алферов II.Г.

Ведущее предприятие - НПО "Прожектор"

г.Москва

Завита состоится 14 мая 1393г. в аудитории кзоедри ЗПП р часов 00 кинут на заседании Специализированного Совета

Д.О53.16.13 Московского энергетического института.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью ) проси« направлять по адресу: 105635, ГСП, Коскво, Е-250, Красноказарменная уя.. 14, Совет ВЗИ.

С диссертацией косно ознакомиться в библиотеке КЗИ. автореферат разослан 1993г.

Учений секретарь

Специализированного Совета

Д. 053,15.13 ^У^^у И.Г.Буре

(ЩДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РйБОТЫ

Актуальность тоиы. Формирователи моцных импу-

•льсов электрический энергии находят применение в различных областях электротехники, а иирокое развитие электроники к средств автоматизации определяет научную и техническую значимость всех видов 'концентрированных преобразователей энергии, используемих в электронной и автоматической аппаратуре.

Все Солее широкое промышленное применение тиристорных формирователей импульсов тока в устройствах иипульсной электроники предъявляет особые требования к их мощности, надежности, простоте обелугивання и стоимости. Эти факторы в значительной степени является производными простоты и надежности источников питания, их КПД, масссгабаритных показателей и т.д.

В качестве источников питания импульсных электронных установок средней мощности сбично применяется рмкостные накопители энергии.

Развитие й усовериенствование установок и устройств, потребляющих энергии, накопленную в электрическом поле конденсатора, ставит задачу разработки формирователей импульсов тока с емкостными накопителями и исследпванир процессор н з'тих системах с целью повшения энергетических и массогабаритных показателей.

Поэтому вопросы разработки эффективных высоковольтных сории рователеП импульсов тока представляются актуальными в решении народно-хозяйственной проблемы - оенлвении науки и производства современной электронной базой,

Целью работы является разработка элективных высоковольтных -'^гтрлнеформлторных тиристорных формирователей импульсов тока, которые использувтсл в качестве импульсних источников света и для литания езонагорнах установок.

Основная идея, положенная в основу разрабатывавшие и исследованиях установок; использование эффекта подкачки напря1ения на накопительном конденсаторе для получения требуемого уровня напряжения без применения повывавшего трансформатора.

Задачи, реваеиые в диссертации:

- анализ электромагнитных процессов.

- поиск оптимальных соотношений параметров и разработка мьтодик расчета:

- экспериментальная проверка результатов теоретических .исследования;

-внедрение разработанных преобразователей

Направление научных исследований :

- изучение электромагнитных процессов ;

- определение на основе изученных закономерностей условий получения оптимальных энергетических и массогабаритных показателей для различных режимов работа:

- установление математических зависимостей для определения конкретных значений параметров при расчетах формирователей имлчль-сор тока.

Методы исследования

В работе использованы методы теоретического анализа-(операторный, кусочно-припасовочнкй), численные методы ре»ения уравнений на на ЭВМ. а такме экспериментальные методы исследования разработанных схем.

Да з а ц и т у выносятся:

-результаты теоретических исследований электромагнитных процессов и энергетических характеристик о формирователях импуль-

г

сов тока;

-схемы формирователей импульсов тока;

-алгоритмы работы преобразователей.

Научная новизна:

-разработаны математические модели формирователей импульсов тока;

-выявлены закономерности влияния параметров зарядного и разрядного контуров на условия передачи мощности в нагрузку;

-найдены оптимальные, с точки зрения энергетических характеристик, ревимы работы формирователя импульсов тока;

Практическая ценно, с г ь;

-показаны преимущества формирователей импульсов тока в системах питания импульсных установок средней мощности;

-представлены методы расчета схем формирователей импульсов тока, охватывавших кирокий диапазон частот следования разрядных импульсов (от долрй до единиц кГц);

-разработан сетевой бестрансформаторный формирователь импульсов тока средней мощности для питания импульсных потребителей ялектрознергии;

-разработаны сетевые бестрангфоркаторные формирователи импрьсов тока для питания импульсных газоразрядных ламп, которые мспользувгся как мощные источники с в 9 т а, позволявшие регистрировать пылегазовый поток в электрофильтрах;

в

-разработаны тиристорние формирователи для питания озона-торннх установок мощностью до нескольких сотен киловатт и с частотой следования импульсов до десятка кГц.

Реализация результатов работы: Результаты работы использованы :

-при разработке тирясторного }ср*ироватсля импульсов тска для полного стробоскопа, используемого для измерения параметров траектория пылевых частиц в электрофильтрах. Запороиский филиал НИИОГАЗ. г.Запоромье

-при разработке мощного стробоскопа для исследования пи-легазового потока в Институте технической механики Академии наук Украины, г.Днепропетровск.

-при разработке «очного стробоскопа для экспериментального исследования динамики формообразования гибких врацавцихся систем в Запоро1скоы индустриальном институте по договору с НПО "Энергия".

-при разработке 200 кВт озонаторной установки в УкрНИИСЭ "Преобразователь" г.3апоро»ье.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и сбсу*дались:

-на всесоюзном семинаре "Социальные аспекты преобразовательной техники" г.Запорожье, 16-20 ипля I990 г.

-на 0-й Всесовзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" г.Чернигов. 16-20 сентября 1991г.

Публикации

По тане диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заклвчения, списка литературы и прилохений, содержит 250 страниц печатного текста, 103 рисунка, 6 таблиц, перечень литературы из 63 наименований и 9 приловений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изловена цель работы, приведены положения на за киту,, показана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе диссертации рассмотрены области применения тиристорних формирователей импульсов тока и проведен обзор их схемных резений. Произведен выбор схем тиристорных формирователей для питания импульсных хсеноновнх ламп и озоматорннх установок. Схемы формирователей для литания стробоскопов и озонаторов приведены на рисунках 1+4, Наиечены задачи конкретных научных исследований, '

Вторая гллва диссрртации посвяаема анализу злектроиагнит-них процессов в ткристорных формирователях импульсов тока, выбор которых в качестве базовых представлен в предыдущей главе диссертации. Нетрудно видеть, что электромагнитные процессы в гхеы1 нл рис.! при включенном тиристоре 1/5 описываются диффврснциалькнм уравнение« третьего порядка, и в зависимости от частот« следования управлявших импульсов во:змо*нмдва рекимз работг* ^оркиг^рлпыя: режим прерывистпго токз (РЛТ) и р"*им н®лрррыриого тскл 1 ?Н7\ ".

J:1-.

/m

U

О

HS

к •

VSl

vs г

Е-

о

Рис.1 БестрансфсрматсртеЯ тиристсрнкй формирователь.

фь

vvs¿

.^•JK«

I

j

Рис.2 Формирователь с подзарядим^ тиристором.

Pj:c.3 Осрш-рователь для озонаторнсй установки с зардднуы и разркдти тиристорами.

Рис.4 С'ор/ироЕатель для озонаторной установки с о.пн;а« тиристором.

первом случае период следования управлявших импульсов достаточно велик, что позволяет заверять процесс заряда накопительной емкости. В этом режиме присутствует три этапа работы формирователя . а порядок характеристического уравнения изменяется в последовательности 2-3-2, При достаточна высокой частоте следования импульсов управления, что соответствует РИТ, ток в зарядном контуре не спадает до нуля. В этом случае интервал I отсутствует, а процессы в схекв сводятся к чередовании этапов II и III. Для двух рассматриваемых режимов характерна различнее начальный условия для II этапа. Так, в РПТ начальное значение напряжения на емкости ¿(-fa) совпадает с 3ДС источника питания Ео, а ток в зарядной индуктивности равен пуло, В РИТ обе эти величины имевт ненулевые значения, что требует аналитического описания процессов на II этапе в виде функции от Ucfi,) и Cj, ft,,) . Для реиааа РПТ электромагнитные процессы тока и напряжения на I этапе описываются следувцккк

внрагенняни;

¿,&/е —;---6 ' Ь/" и'*£

¿A

-f-i j г

■Л /

где: -частота разрядного контура: JS-, -кон*-такта;

¿/и» -амплитуда напряжения на накопительной емкости; у. -разовый сдвиг; ¿f* -противо-»дс нлгрчэка (Пампк. 5 Для ¡1 этапа электрсмагнитнье процрсчы о г и с к!: • i г: т с НИ5М-.1; • <г / ) 7

it

где: X* -константа; С?,^ Т'-коэрфициен™: •

Pl -корень характеристического уравнения; ^^ ^ (ц^-фззовне угли; (0-j -частота учитывавшая параметры зарядного и разрядного контуров.

Для Ш этапа электромагнитные процессы описывается уравне-

где: и>) -частота зарядного контура; Т,\^ -коэффициенты: -напрякение питания; С/в,т -максимальное отрицательное |'1пра1внив на накопителе: «Х* -фазовые углы.

• / г

Результаты расчета на модели хором согласуется с экспери-мТЛЯЪИННИ дпннныи.

Дифференциальные уравнения, описывавшие электронагиитныэ процессы в преобразователе по схеме рис.2. идентична для схемы на рис,1, за исклвчением того,' что суммарное активное сопротивление разрядного контура, а также величина противо-эдс нагрузки Ен, зависят от состояния тиристора подзаряда USI. При вклвчеиие разрядного тиристора DS2 и выклвченном US 1 величина сопротивления нагрузки определяется суммой активного сопротивления разрядной индуктивности RL2 и динамического сопротивления лампы Яд. Значение Ен в этом случае определяется параметрами"лампы. При включении тиристора подзаряда US 1 величина R2 уменьвается до значения активного сопротивления PL2. а противо-зде лампн Ен становится равной нули.

Анализ электромагнитных процессов в озонаторе, питаемом от источника тока синусоидальной формы, показывает, что сам озонатор с баръернык разрядом имеет по крайней мере две электрические емкости: емкость диэлектрического бартера и емкость разрядного промежутка,включенные последовательно. При протекании переменного тока напряжения на них обратно пропорциональны величинам бартерной и разрядной емкостей. С ростом входного тока напряжение на емкости разрядного промежутка растет быстрее, чем напряжение на емкости диэлектрического баръера. При достижении наг ряжения на емкости разрядного промежутка определенной величины происходит пробоя разрядного промежутка, при зтом можно считать, что разрядная емкость жунтируется сопротивлением столба разряда. Пренебрегая динамическим сопротивлением столба разряда, а также полагая, что напряжение разряда Ир не зависит от величины тока в нем, можно смоделировать процессы в озонаторе с помочьп схемы, показанной на рис.5. Развертки токов и напряжений в схеме представлены на рис.5. Развертки токов и напряжений в схеме на рис.4 показаны на рис.7.

ex ».m" озонатора. в ex? ¡-г на рис. 4.

Зависимость коэффициента мощности на за*иыах озонатора (по первой гармонике) от величина входного тока носит куполообразный характер и имеет явно вьраюнний максимум, особенно при соизмеримых величинах баръерной и разрядной емкостей, а с увеличением баръерной емкости по отноленив к емкости разрядного промежутка Р',ГТ,1Т П" величии« VI МЛКСИМ'Ж ДОСТИГаРТСЯ при больвих входных токах. Действующее значение первой гармоники напрямения растет с ростом входного тока, но крутизна этой зависимости умень-вается с ростом баръерной емкости. Очевидно, что для уменыения масса и габаритов источника питания целесообразно обеспечить ренины работы с максимальными величинами . Соответствуете зависимости для оптимальных ре«инов для озонаторов с разным соотношением ивиду барьерной емкостью и емкостьо разрядного промежутка показаны на рис.3 и рис.9. 3 реальных конструкциях озонаторов с барьерным разрядом.емкость диэлектрического Саръера определяется размерами электродов и диэлектрической постоянной барьера.

Третья глава диссертации посвящена разработке критериев оптимизации параметров тиристорного формирователя импульсов тока для ионного стробоскопа. Описана методика и приуер его расчета. Разработана программа оптимизации параметров на ПЭВМ. Приведена методика и пример расчета системы формирователь-озонатор.

Обычно критерием оптимизации при проектировании источников питания является установленная иохность электрооборудования, минимум которой косвенно определяет и минимум массы устройства и, как правило, рго стоимость. Масса и габариты формирователя импульсов п основном определяться массой емкостного накопителя, которая в свои очередь определяется требуемой энергией в импульсе и эффективностью использование энергии накопителя. В рассматриваемой схеме энергия накопителя f при фиксированной емкости ) опрецеляртгя

lm(vat J

9 &

7 6

5

s. z 1

/

/

.... . /

s

io

ts

20

Vp

Рис.8 Зависимость -Ir* {otfth _ /

one.9 3afi:ct-Moci ь Uf</tj и OVbtffi) от —■

es

коэффициентом подкачки Кппд, где: Клод - Кя/Ро. Кп^д растет с уменьвением затухания грядного и разрядного контуров. С другой стороны, очевидно, что увеличение степени подкачки сопровождается уменьшением энергии, отдаваемой в нагрузку, т.е снижением коэффициента использования энергии накопителя Кс =1Яо-Ност )/Но где: Но-зкергия накопителя; Ност -энергия накопителя после окончания импульса тока, Итак, при малых подкачках, соответствующих низкой добротности разрядного контура, энергия накопителя невелика, но практически полностью отдается в нагрузку.а при больших подкачках, когда добротность разрядного контура болыгая, энергия накопитрля тоже растет, но не попадает в нагрузку из-за снижения коэффициента Кс. Следовательно, сужествует оптимальная величина добротности разрядного контура, при которой при заданном напряжении источника питания и заданной емкости накопителя, в нагрузке реализуется максимальная энергия. Для отыскания этой оптимальной величиям рас-рассмотрены вопросы эффективноетк использования начальной энергии накопителя при колебательном характере процесса разрядки.

Разработана методика расчета формирователь-озонатор для схемы на рис.З. Активная мощность.выделявшаяся в озонаторе, определяется напряжением разряда и средним током разряда:

Р* Ор ■ Хр - ¿//> -Хр- Хз -- и) ■ Хр -¿/г ср

где: сО -круговая частота питания; г * -среднее значение

у-г

тока разряда в относительных единицах; -напряжение разряда;

Ср -емкость разрядного промежутка; - ¿/р ■ . -базисный ток. С учетом времени запирания тиристоров мощность, вы-

деляемая в озонаторе, запивется в следущем виде:

Из этого выражения следует, что заданная косность зависит от частот« питавшего тока.величины емкости разрядного промежутка, квадрата величины напряжения разряда и от времени запирания тиристоров. Если геометрические параметры озонатора и мощность, которая должна быть реализована, заданы, в этом случав оптимальный по коэффициенту моцности режим может достигаться только за счет соот-ветствувчего выбора рабочей частоты. При этом, однако, могут возникать затруднения связанные с дополнительными ограничениями как по рабочей частоте (она. мсяет оказаться слишком высокой для преобразователя), так и по рабочим напряжениям на зажимах озонатора.

Приведены примеры расчета формирователя для мощного стробоскопа и озонаторной установки.

Ъ четвертой главе диссертации описываются экспериментальные установки тиристорных Формирователей импульсов тока для полных стробрскопов и озонаторных установок. Описана методика измерений. Приведены результаты теоретических расчетов и вкспвримен-тальных исследований. Разработаны и смонтированы макеты тиристорных формирователей для озонаторов, на которых были смоделированы процессы в трубчатом генераторе озона в системе с преобразователем. Анализ экспериментальных результатов подтвердил правильность исходных предпосылок, характер процессов в схеме и их параметры хорово совпали с результатами расчета,

В приложении приведен алгоритм расчета электромагнитных процессов в формирователе для модного стробоскопа на ПЭВМ. по которому была составлена программа "STfiK", а также приведены ese Р»Я программ для расчет^ электромагнитных процесюв на ПЗЗК в формирователях дли стробоскопов и озонаторов. В приложении также приведена методика расчета и расчет параметров источника света.

17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведен« разработка и исследования высоковольтных бестрансформаторных тиристорных Формирователей импульсов тока дла питания моцннх стробоскопов и озонатор-ных установок. При этом выполнена следусчие теоретические и экспериментальные работы:

1. Произведен сравнительный анализ бестрансфорхаторных тиристорных формирователей импульсов тока. Обоснован выбор базовых схем для питания стробоскопов и озонаторкых установок.

2. Получены аналитические выражения, описываяиие процессы в моцных формирователях импульсов тока для питания стробосно-пой, нагрузкой которых являются импульсные ксеноновые лэмпы. Анализ электромагнитных процессов в тиристорных формирователях произведен как аналитическим,- так и численных методом, полученные результаты хорожо согласуются как мекду собой, так и с экспериментальными данными.

3. Произведен анализ электромагнитных процессов в озонаторе, питаемом от источника тока синусоидальной формы, а также проведен расчет тиристорных формирователей для озонаторов численным методом с помочью ПЗЗМ.

4. Результаты проведенного по пп. 2 и 3 анализа показывает. что за счет использования эффекта подкачки напряжения в процессе колебательного,перезаряда накопительного конденсатора можно формировать на импцльснлЯ нагрузке напряжение порядка 1 000+2000В. При г.ит-зкия от трех^зной се:.! 35С 5, £гз применения гроисздп.'.го поииващрго сетевого тракгф.оримгт;-^

5. Полученные в результате анализа результаты позволили предложить инженерн^г методику расчета формироеателрй импульсов тока, на г.счпве которой ра~-ра^птан сетевой бестрансфпрмлторннй ти-

ристорний источник импульсов тока для мощного стробоскопа.

6, Приведена методика и пример расчета тиристорного формирователя для озонаторной установки.

?. Произведены экспериментальные исследования электромагнитных процессов в разработанных схемах тиристорних формирователей для моцных стробоскопов. Экспериментальные исследования подтвердили правильность принятых допущений и достаточную точность предлагаемых методик расчета.

8. Проведены исследования электромагнитных процессов в макетных установках тиристорних формирователей для озонаторов. Сопоставительный анализ полученных результатов и теоретических расчетов подтвердил правильность нетодик расчета.

'9. Предложены различные программы для расчета как мощных стробоскопов, так и формирователей для озонаторов на'ПЗВЙ, совместимых с 1ВК РС, Проведенные выше теоретические и экспериментальные исследования и разработанные схемные ревения показывают возможность создания мощных генераторов импульсов для питания импульсных ламп и генераторов озона, в которых удается избегать применения трансформаторов с силовой цепи. Благодаря указанным достоинствам описанные схемы фор мирователей позволяют изготавливать сравнительно компактные устройства. Разработанные тиристорные формирователи ВН(?ДГ1'Н« ь ¡^йс ыреДприжиЛ и орГиш.¿сщий г.Запорожья и Днепропетровска.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях;

1. Воронин В,Г., Семенов В.В., Тиристорный формирователь импульсов тока дла гтро(>огкопии пнлегазовых потоков, // Приборы и тнхнича эксперимента, !39Пг. К 5. С 174 - 17?,

2. Воронин А.Г., Семенов В.В. Коцимй стробоскоп для исследования процессов в ?лектрофильтре,//Т>з. докл. Всес. научн.-техн. семинаре "Социальные аспекты преобразовательной техники".Запорожье 1930г. С 23 - 24.

3. Воронин Я.Г,, Палтли В.Л., Семенов В.В., Математическая модель для расчета электромапштннх процессов в тиристорном формирователе импульсов тока для ионного стробоскопа. // Тез, докл. на Ц-й Всесоюзной научно-технической конференции " Проблемы преобразовательной техники" г.Чернигов, 16-20 сентября 13Ч1г.

4. Я.С. N 1524137 ( СГ?Р ) Устройство для управления синовии кличем преобразователя./ Семенов В.В., Калиниченко А.П., Воронин Я.Г.. Турывев К.О. - Опубл. в БИ. Г{ 43 1389г.

5. Воронин Й.Г., 5/лхнев Й.Н.. Семенов Б.В.," Тиристорннй Формирователь импульгов тока для мощного стробоскопа " // Преобразовательная техника./ НЗТИ. - Новосибирск. 1392г.

ГТодпИГЛ1И1 Ь |1"<Я1 К Л - л

п? ■ цу т.!««' __ Л7/

Гипогрв^ни М.ЧИ, Кр»1НОИ1»рЧСНН,Я. 13