автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Резонансный трансформаторно-полупроводниковый комплекс для электротехнологии

На правах рукописи

РАХМАНОВА Юлия Владиславовна

РЕЗОНАНСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЬШ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2006

Работа выполнена на кафедре электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Рогинская Любовь Эммануиловна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гизатуллин Фарит Абдулганеевич

кандидат технических наук, доцент Мухортова Елена Ивановна

Ведущая организация:

УНПП «Молния»

Защита диссертации состоится 27декабря 2006г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 в Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «__» ноября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Г. Н. Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из перспективных направлений в области элекгротехнологии является разработка устройств и установок, в которых используется преобразование параметров электрической энергии. Мощность импульсов потребляемой электрической энергии достигает весьма больших значений, превышающих во много раз установленную мощность автономных источников. К такому направлению можно отнести зарядные устройства и установки, которые потребляют энергию в виде кратковременных импульсов, а так же установки для индукционного нагрева, использующие токи высокой частоты. Важнейшей составной частью таких электротехнологических комплексов является высокочастотный, высоковольтный индуктивный модуль совместно с полупроводниковым преобразователем частоты.

Главной задачей проектирования и эксплуатации, резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов повышенной частоты с высоковольтным выходом, является правильный выбор параметров каждого элемента схемы и оптимальное согласование режимов работы преобразователя и нелинейной нагрузки.

Отмечено, что в научно-технической литературе уровень технической проработки вопросов исследования резонансных высоковольтных высокочастотных источников питания с индуктивными модулями не достаточно широк. Хотя вопросы, связанные с проектированием такого рода устройств, глубоко рассмотрены в трудах, монографиях и статьях таких ученых, как В. А. Кныш, Д. А. Бут, О. Г. Булатов, А. С. Васильев, Ю. М. Гусев, Л. Э. Рогинская, Ю. И. Болотовский, а в НПП «Вихрь» (г. Уфа) и ВНИИ ТВЧ им. Вологдина (г. Санкт-Петербург) разрабатываются аналогичные комплексы.

Существует ряд задач, которые являются актуальными, это например: определение рациональной структуры высокочастотного преобразователя с повышенным коэффициентом трансформации по напряжению, регулирование и стабилизация напряжения в тиристорных преобразователях, проектирование и расчет специальных высоковольтных высокочастотных трансформаторов.

Специфика решения этих вопросов такова, что требует применения современной компьютерной техники, специально разработанных программных продуктов, позволяющих наиболее точно, быстро и эффективно моделировать и изучать процессы в резонансных полупроводниковых преобразователях.

Таким образом, разработка и проектирование резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов повышенной частоты для электротехнологии являются актуальными, особенно с расширением областей их применения.

Целью диссертационной работы является пшщ1дпЛ9г&})фсстивнорти резонансных трансформаторно-полупроводниковь

С.-Петербург ОЭ 200(,акт/б.П-

ове

решения задач по их исследованию и моделирования их электромагнитных процессов.

Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование возможных схем построения, определение наиболее рациональных структур применительно к резонансным трансформаторно-полупроводниковым комплексам, требующим согласования выходных параметров с параметрами нагрузки.

2. Разработка математических моделей для исследования резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов с каскадным повышением напряжения и учетом реальных электрических и магнитных параметров индуктивных модулей.

3. Исследование и оптимизация параметров высокочастотных источников питания.

4. Уточнение методики расчета специальных трансформаторов на основе учета дополнительных факторов и экспериментальное исследование резонансного трансформаторно-полупроводникового комплекса.

Методы исследований. Перечисленные задачи решены с помощью численно-аналитических и численных методов решения сложных нелинейных дифференциальных уравнений электрических систем, с помощью программирования на языках Delphi 7 и PSpice, и имитационного моделирования в средах OrCad 9.2 и MatLab 6.5.

На защиту выносится:

1. Обоснование целесообразности применения различных структур электротехнологических комплексов повышенной частоты с коэффициентом усиления по напряжению до 104.

2. Модели полупроводниковых преобразователей частоты для электротехнологии с согласующим трансформатором и измерительным индуктивным модулем с учетом нелинейного характера нагрузки.

3. Результаты, полученные в ходе имитационного моделирования резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов.

4. Методика расчета и проектирования индуктивных модулей для полупроводниковых преобразователей частоты с учетом реальных электрических и магнитных параметров.

Научная новизна:

1. Доказано, что для получения коэффициента усиления по напряжению до 104, наиболее рационально произвести каскадное соединение резонансного инвертора и высоковольтного высокочастотного трансформатора.

2. Показана эффективность применения индуктивно-емкостных преобразователей в качестве реактивных блоков трансформаторных преобразователей частоты с высоковольтным выходом, обладающих, вследствие резонансных явлений, по сравнению с другими схемами максимального увеличения напряжения, минимальным значением

напряжения на транзисторах и возможностью уменьшения коэффициента трансформации трансформатора.

3. Создан оригинальный источник питания для индукционного нагрева со стабилизированным выходным напряжением, отличающийся от аналогичных устройств повышенными технико-экономическими показателями.

4. Разработана методика расчета и оптимизации индуктивных модулей резонансных источников питания, отличающаяся от других методик расчета уточненными значениями переменных, вследствие учета влияния реальных значений электрических и магнитных параметров.

Практическая ценность:

1. Рекомендации по применению наиболее рациональных схем источников питания для электротехнологических комплексов с коэффициентом усиления по напряжению до 104, что позволяет расширить граничные значения выходного напряжения, при оптимальных параметрах высоковольтных трансформаторов, с ЗОкВ до бОкВ.

2. Исследование электромагнитных процессов в резонансных высоковольтных высокочастотных источниках питания для электротехнологии с применением индуктивно-емкостных преобразователей, что позволяет получить коэффициент усиления по напряжению источника питания до 102, при этом напряжение на транзисторах остается равным напряжению источника питания.

3. Применение фильтрового дросселя в тиристорных преобразователях для стабилизации напряжения при изменении частоты в диапазоне ±5% от номинальной.

4. Уточненная методика расчета и проектирования высоковольтных высокочастотных индуктивных модулей, которая позволяет уменьшить погрешность расчета параметров в 2 раза.

Реализация результатов работы. В научном конструкторско-технологическом бюро «Вихрь» (г. Уфа), в учебном процессе на кафедре «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 7 и 8 международных молодежных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г.Уфа, 2001, 2002; на международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», г, Уфа, 2001, 2003; в межвузовском научном сборнике «Электротехнические комплексы и системы», г. Уфа, 2001, 2005; в межвузовском научном сборнике «Электромеханика, электротехнические комплексы и системы», г. Уфа, 2002, 2003, 2006; в известиях Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова, г.г. Москва-Н.Новгород, 2005; в журнале «Технична электродинамика», г. Киев, 2004; в журнале «Вестник УГАТУ», г. Уфа, 2006.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 статей, 3 тезиса, патент на изобретение РФ и программа для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 187 стр. В работе содержится 75 рисунков и б таблиц. Список литературы содержит 119 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, представлены сведения об апробации работы, описаны структура и объем работы, кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первой главе представлен анализ устройств и установок, потребляющих электрическую энергию в виде кратковременных импульсов (емкостные накопители энергии) и установок для индукционного нагрева. Рассмотрены возможные схемы построения источников питания емкостных накопителей энергии. Приведен принцип работы и особенности схемы с индуктивно-емкостным преобразователем. Определена наиболее рациональная структура источника питания для термообработки металла с помощью индукционного нагрева. Выявлены особенности выбора параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов. Рассмотрена модель трансформатора, существующая в среде проектирования ОгСас19.2, и выявлены ее основные недостатки.

Во второй главе разработаны математические модели для исследования работы резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов.

Наиболее значимыми элементами ряда современных установок для электротехнологии, являются высоковольтные высокочастотные индуктивные модули. Характер нагрузки электротехнологических комплексов является важным фактом при расчете и выборе параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов (ВВТ), входящих в эти схемы.

Если при выходном напряжении м8ых<ЗкВ конструкция и изоляционные расстояния не отличаются от таковых для трансформаторов с напряжением м,шх<1кВ, то при более высоких напряжениях необходимо учитывать следующие факторы: выбор сечения провода высоковольтной обмотки и сечения магнитопровода производится по технологическим соображениям, а не по условиям минимума целевой функции; увеличение собственной емкости высоковольтной обмотки, что ведет к возрастанию паразитного емкостного тока.

Рассмотрено шгаяние кагкдого го вышеприведенных факторов на параметры высоковольтного трансформатора. Если диаметр провода, выбранного по плотности тока, меньше предельно допустимого, то провод выбирается по технологическим соображениям (0=const). Обозначив предельное сечение провода через q^, определим предельную величину выходного напряжения, при котором сечение провода определяется рациональной плотностью тока

S2 = U2I2; U2=S2fI2 = S2 '^2гр ' где S2, í/2, /2 - соответственно выходные мощность, напряжение и ток; j2ф -плотность тока характерная для заданных условий и мощности.

Таким образом, граничное напряжение, при котором сечение провода выбирается по плотности тока, пропорционально мощности.

Определено влияние напряжения на геометрические параметры высоковольтного трансформатора. Как известно, линейные размеры и соотношения между ними для силовых трансформаторов выбираются в зависимости от мощности, заданных ограничений и оптимума целевой функции. В зарядных устройствах целевой функцией выбрана масса активных материалов трансформаторного модуля. При высоких напряжениях, ограниченной мощности и выборе сечения стержня в соответствии с вышеуказанными принципами, число витков высоковольтной обмотки получается настолько большим, что их выбирают так же по технологическим соображениям.

При обычных упрощающих предположениях электромагнитная мощность равна:

Pw»S^7rBmAKKS„Sm/^2, (1)

где Вт, /, кс, кт, Ser, S0K - соответственно индукция, частота, коэффициент заполнения магнитопровода и окна, сечения трансформатора Если N2= N2mv., то сечение стержня равно

S„=U2l7tJlfBmNlmm (2)

Из (2) определено граничное значение напряжения

II — N I

1(2 -t- / е)(2 + кс/ к,а) г— V (2k,+c/a)(c/e+a/e) w

(3)

Нетрудно заметить, что С/2ф - у]Ры /], в то время как первое условие соответствует прямой пропорциональности между этими величинами. Зависимости между и ?эм для 5я=0,4Тл,/=5-103Гц, с/е= 1, с/а= 1,

а/е=0,5 стали 3424, с толщиной листа 8=0,08мм приведены на рисунке 1 (кривые 1,2). Из сравнения этих кривых видно, что при малых мощностях более жестким является первое условие, а затем второе.

б

С увеличением выходного напряжения растет собственная емкость высоковольтного

трансформатора, приведенная к первичной обмотке, вследствие чего увеличивается емкостный ток.

Пренебрегая величинами емкости первичной обмотки и межобмоточной емкости, получено значение приведенной емкости

12 3 5

.Рэм.кВА

Рисунок 1. Зависимость гращиного значения напряжения от апектромагшпной мощности

С2т =

4 ерк 4уУ;0-1) \6sph Щ 10,8л-' ЛГ,2Дгтг ~ 10,8л- '^Д,«'

обмотки. Линейные

где р, к, т, А2 - средний полупериметр, высота, число слоев, толщина межслоевой изоляции размеры, судя по (3) пропорциональны

вторичнои (Дм/у)"4.

Емкостный ток и ток нагрузки соответственно равны

СО

10,8гг 1/1

А 2т

I =Р

/и,.

при этом граничное значение напряжения, при котором ток не превышает /с*ф равно

берка-Ю-" ' (4)

На рисунке 1 (кривая 3) приведена зависимость и^ф =/(Р,м) при тех же соотношениях, что и ранее. Отмечено, что если при выборе граничного значения напряжения по второму критерию, с ростом частоты величина и2Гр растет пропорционально у[/, то граничное значение напряжения по третьему критерию падает пропорционально /"4.

Приведенные зависимости могут служить для определения удельных показателей высоковольтных трансформаторов. На рисунке 2 построена зависимость (С?о5 = ДРМ) для напряжения «2=1 кВ. При напряжениях

(10...100)кВ удельные показатели определяются следующим образом: при активное сечение стержня выбирается в соответствии с оптимальными соотношениями; при >и2> и{22), выбирается в

соответствии с рекомендациями; при U2 >Ul" сечение проЕода вторичной обмотки выбирается по технологически?.! соображениям.

При U2 >U\" масса высоковольтного трансформатора не уменьшается, так как (70бм> G^const И (Собм+ОстУРэм - гипербола. На рисунке 2 (кривые 2,4) даны ЗаВИСИМОСТИ Мул=Л^д Для

£/2=10,20,50,ЮОкВ.

Расчет параметров

высоковольтных высокочастотных трансформаторов производился при помощи специально созданной программы на Delphi 7 -высоковольтных трансформаторов «Индуктивный модуль с учетом

реальных магнитных и

• электрических параметров». Программа обеспечивает выполнение

следующих функций: расчет трансформаторов с сердечниками из различных марок электротехнической стали (включая аморфную), ферритов; расчет обмоток выполненных из ленты, одножильного и многожильного провода, медных трубок; расчет основных потерь в трансформаторе, индуктивности рассеяния и эквивалентной емкости.

Для исследования выбрана эквивалентная схема ВВТ (рисунок 3), состоящая из: индуктивностей рассеяния Ljs, активных сопротивлений г,, первичной и вторичной обмоток; Ц индуктивности намагничивания; сопротивления, учитывающего потери в магнитопроводе Rc; емкостей С1Г, Спт, С2т, приближенно эквивалентных соответствующим распределенным емкостям и приведенных к напряжению первичной обмотки. На основе выбранной схемы замещения предложена математическая модель ВВТ, учитывающая паразитные параметры и потери в сердечнике. Для ее исследования проведено моделирование по схеме на рисунке 4. Питание трансформатора осуществляется от синусоидального источника с частотой 20кГц, амплитудой 200В. Внутреннее сопротивление источника Ri равно 10м. Трансформатор нагружен активным сопротивлением Яп = 2МОм.

Рисунок 2. Удельные показатели

С12т

Рисунок 3. Эквивалентная схема замещал и ВВТ

и

Г°2СК

\ZOFF = О |/АМР1.= 200 РРЕО= 20000

81« 035 П1"22

1Р - гин С1 «0.128

3

12 •50213 )2»ИИ0

№

2000000

2 4

Рисунок 4. Схема для исследования ВВТ

Выявлено, что предложенная модель высоковольтного высокочастотного трансформатора достаточно хорошо отвечает требованиям, предъявляемым к модели, отражающей электромагнитные процессы в реальном трансформаторе, по форме и амплитуде полученных основных характеристик.

Индуктивные модули являются составной частью комплекса для питания ряда нелинейных нагрузок. Рассмотрены источники питания емкостных накопителей энергии. Наибольший интерес в этой области представляют высокочастотные преобразователи с повышенным коэффициентом трансформации по напряжению. Мощность исследуемых трансформаторно-полупроводниковых комплексов повышенной частоты относительно невелика, поэтому для получения максимального выходного напряжения и минимального времени заряда рационально использовать систему с предварительным повышением напряжения в звене постоянного тока, т.е. каскадное соединение резонансного инвертора и высоковольтного высокочастотного трансформатора. Для исследования выбран ряд схем, две из которых - мостовой последовательный резонансный инвертор (МС) и инвертор с индуктивно-емкостным преобразователем (МСИЕП), представлены на рисунках 5 и 6.

т

Шс ьк

Ск

•У1>1ЛГО4

Рисунок 5. Схема последовательного мостового резонансного транзисторного инвертора

VI

i м

Lkl Gkl I

41-

U1

V2

-4'

■-У 'I -

Ck2

1

Lkl V4

T

Oil

tu

VD1-VD4

Рисунок 6. Схема мостового транзисторного инвертора с индуктивно-емкостным преобразователем

На рисунке 7 приведена модель мостового транзисторного инвертора с индуктивно-емкостным преобразователем, на рисунке 8 - кривая напряжения на емкостном накопителе этой модели, конденсатор полностью заряжается до значения 57,ЗкВ за 21,6 сек.

s1-s4 r5-rs

С1

Рисунок 7. Модель мостового транзисторного инвертора с индуктивно-емкостным преобразователем

5 oku

■40UXJ 20kU

0U

OS Js 12s i-l*

Рисунок 8. Напряжение на емкостном накопителе инвертора с ИБП

Из зависимостей, полученных при моделировании мостового транзисторного инвертора с хшдукгавно-емкостным преобразователем, видно, что максимальное напряжение на транзисторах не превышает 23В, в то время как амплитуда напряжения на диагонали, равна 4кВ - в 200 раз превышает напряжение питания. Это объясняется тем, что напряжение транзисторов близко к арифметической разности напряжений иц, ии, и иа, иа, а напряжение диагонали - к арифметической сумме. При этом форма напряжения на этих элементах близка к синусоидальной. Коммутирующий конденсатор СЗ заряжается до максимального значения за 4,02мс. Напряжение на ЕНЭ (С]) изменяется по закону близкому к экспоненциальному, а ток в конденсаторе С3 имеет импульсную форму, то есть чередуются состояния открытого положения ((7Ь и2 и £/3, Щ и полностью закрытого положения инверторного моста.

Данные, полученные в результате моделирования, сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Параметры схем при оптимизации по максимальному выходному __напряжению_

Схема Параметры из, кВ 13,мс ив, шах, В 1в, шах, А Е,Дж , с

МС Ьк=38мкГн Сг=1мкФ 48 2,3 1200 70 0,105 43

МСИЕП Ц=27мкГн Ск=0,25мкФ 57,3 4,02 23 185 0,08 21,6

ОПН (однотактная схема) Ьк=59мкГн Ск=0,38мкФ Ьвх=5мкГн 37,11 10 250 139 0,27 200

ДПН (двухтактная схема) Ьк=190мкГн Ск=0,22мкФ 53 9,4 1200 163 0,938 188

Согласно данным таблицы 1, можно сделать вывод, что схема преобразователя напряжения с ИБП является наиболее приемлемой при оптимизации по максимальному выходному напряжению и по времени заряда.

Время заряда ЕНЭ в схемах однотактного и двухтактного преобразователей на порядок выше аналогичного значения в мостовой схеме и схеме с ИЕП, хотя по величине напряжения на ЕНЭ двухтактная схема мало уступает мостовой схеме с ИЕП. При одинаковом источнике питания и транзисторах, напряжение на ЕНЭ в 1,2 раза больше напряжения на конденсаторе обычной мостовый схемы, а время, затраченное на заряд емкости, в 2 раз меньше. Напряжение на транзисторе в схеме с ИЕП почти в 50раз меньше, чем на аналогичном приборе в мостовой схеме. По времени заряда коммутирующего конденсатора и величине тока на транзисторе,

лучшей является схема мостового полупроводникового преобразователя. При исследовании схем коэффициент усиления по напряжению составил порядок до 104.

Третья глава посвящена исследованию и выбору параметров электротехнологических комплексов для индукционного нагрева и источников питания озонаторов.

Почти каждая современная электротехнологическая установка рассматриваемых классов, включает в свою схему преобразователь повышенной частоты и индуктивные модули. Причем схемное решение большинства преобразователей является хорошо известным. Однако, применение взаимоиндуктивных модулей позволяет улучшить технико-экономические показатели подобных устройств. К таким установкам можно отнести источники питания для индукционного нагрева, использующие классическую схему с удвоением частоты и установки для генерирования озона со специальным трансформатором.

На рисунке 9 приведена схема оригинального автономного инвертора со стабилизированным выходным напряжением, защищенная патентом РФ № 2216090, обладающая по сравнению с аналогичными устройствами, улучшенными технико-экономическими показателями за счет уменьшения числа элементов и устранения влияния индуктивности измерительного трансформатора на работу преобразователя.

1л>

1л

В+БУ

с*т теш

ЬЛ

С £

Кн I

Сн

VD22 ¿уЭ2

7332 $ ТОЗ

А

Ск Ьк

—II-ГКЛГУЧ-

Рисунок 9. Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением

Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением состоит из резонансного мостового тиристорного инвертора и нагрузки, включенной в цепь фильтрового конденсатора, и отличается от аналогичных схем преобразователей частоты тем, что во входной дроссель введена измерительная катушка, индуктивно связанная с дросселем, последовательно соединенным с резонансным мостовым тиристорным инвертором,

параллельно котороглу подключена цепь, состоящая из фильтрового конденсатора и нагрузки, при этом измерительная катушка соединена с выпрямителем, который в сбою очередь подключен к входу блока управления, выход которого подключен к управляющим электродам тиристоров.

Для исследования работы автономного инвертора со стабилизированным выходным напряжением разработана модель в прикладном пакете МсЛЬаЬ. В результате моделирования получено, что мгновенное значение напряжения на нагрузочном контуре равно примерно 420В. Вследствие большой индуктивности практически все напряжение нагрузочного контура прикладывается к входному дросселю, трансформируется на измерительную катушку и составляет 630В.

Рисунок 10. Зависимость напряжения на измерительной катушке от частоты управления

Для исследования возможности использования входного дросселя в качестве устройства регулирования и стабилизации напряжения, проведен ряд измерений зависимости напряжения на измерительной катушке от частоты нагрузочного контура. Данные отображены на рисунке 10, где показано, что экспериментальная зависимость имеет линейный характер в области регулирования частоты ±5% от расчетной (8кГц). Это доказывает возможность использования входного дросселя для регулирования и стабилизации напряжения.

Электромагнитные процессы в источниках питания озонаторов близки к электромагнитным процессам в емкостных накопителях энергии. Схема замещения источника питания емкостного накопителя представлена на рисунке 11а. Озонатор представляет собой, последовательно соединенные: емкость барьера, емкость газового промежутка, параллельно которой включен диодный выпрямитель, нагруженный на противо-ЭДС, равную приведенному напряжению пробоя (рисунок 116).

В прикладном пакете МаЛаЬ 6.5 создана модель источника питания с нелинейной нагрузкой в виде генератора озона и получены основные характеристики, необходимые для расчета трансформатора.

VI).1.

V!).!

м

Спф \D9-VD12

■Я -1-

Сб пр п ¿>

5)

Ч>4-1>н

Рисунок 11. Схема замещения силовой части: а) емкостного накопителя, б) озонатора

Для решения проблемы согласования источника питания и нелинейной нагрузки, предложена методика оптимизации параметров трансформатора по заданной индуктивности рассеяния, которая является одновременно коммутирующей индуктивностью. Так же предложенная методика позволяет определить электромагнитные и геометрические параметры трансформатора.

Особенности работы трансформатора - наличие нелинейной нагрузки, несинусоидальное питающее напряжение и токи, совмещенные в одном устройстве идеализированного трансформатора с £/, = Ех, Е2 = Е\пг\ > гДе > Е2 - ЭДС первичной и вторичной обмоток и линейного дросселя, индуктивность которого равная индуктивности рассеяния!^.

В техническом задании на расчет трансформатора должны быть указаны: производительность озонатора, связанная с активной потребляемой мощностью, напряжение питающей сети, напряжение пробоя.

В четвертой главе предложен алгоритм методики расчета электромагнитных параметров резонансного инвертора со стабилизированным выходным напряжением на основе оригинальной схемы, рассмотренной в третьей главе, включающий в себя расчет и оптимизацию параметров взаимоиндуктивного модуля.

По предложенной методике расчета было изготовлено несколько высоковольтных высокочастотных трансформаторов различных мощностей и исследованы их характеристики, позволившие рассчитать дополнительные электромагнитные параметры необходимые для работы математической модели.

На рисунке 12 приведено сравнение зависимостей выходного напряжения от частоты, полученных для: модели ВВТ с учетом потерь и паразитных параметров, стандартной модели и реального трансформатора.

Рисунок 12. Зависимость выходного напряжения от частоты для: 1 - реальный трансформатор; 2 - стандартная модель; 3 - модель с учетом потерь.

Погрешность расчета на основе уточненной модели меньше погрешности расчета обычной модели в 2 раза. Таким образом, модель высоковольтного высокочастотного трансформатора с учетом потерь в сердечнике, наиболее полно отражает процессы, протекающие в реальном трансформаторе.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Исследованы возможные схемы построения и определены наиболее рациональные структуры резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов для электротехнологии, требующих согласования выходных параметров с параметрами нагрузки.

2. Разработаны математические модели для исследования работы трансформаторно-полупроводниковых комплексов с каскадным повышением напряжения и учетом реальных электрических и магнитных параметров индуктивных модулей. Предложена математическая модель высоковольтного высокочастотного трансформатора, учитывающая паразитные параметры и потери в сердечнике и программа расчета высоковольтных индуктивных модулей №2005612797.

3. Проведено исследование и оптимизация по максимальному выходному напряжению ряда наиболее рациональных схем источников питания емкостных накопителей энергии. По результатам моделирования доказана эффективность использования схемы с индуктивно - емкостным

преобразователем в качестве реактивных блоков трансформаторных преобразователей частоты с высоковольтным выходом.

4. Разработан оригинальный источник питания для индукционного нагрева, на базе тиристорного преобразователя с удвоением частоты, защищенный патентом РФ №2216090. Доказана возможность использования входного индуктивного модуля для регулирования и стабилизации напряжения. Предложенная схема преобразователя с измерительной катушкой, обладает, по сравнению с аналогичными устройствами, улучшенными технико-экономическими показателями.

5. Предложена уточненная методика расчета специальных трансформаторов для электротехнологических комплексов с высоковольтным выходом, на основе учета эквивалентных нагрузочных емкостей и индуктивности рассеяния, при различном расположении обмоток на магнитопроводе, что позволяет сократить длительность этапа проектирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Имитационная модель источника питания для электротехнологии в среде МаЛаЬ / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Матер, международ, молодежи, науч,-техн. конф. - Уфа, 2001. - С. 228.

2. Особенности электромагнитных процессов в согласующем трансформаторе, включенном в диагональ мостового транзисторного инвертора / Ю.В. Шуткова (Рахманова), А.А. Чепайкин, М.С.Фетисова // Электротехнические комплексы и системы: Межвузов, научн. сб. - Уфа, 2001.-С. 252-256.

3. Диагностика маслонаполненного трансформаторного оборудования / Ю.В. Шуткова (Рахманова), М.С. Фетисова // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 7 международ, науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М., 2001. - С. 221-222.

4. Исследование с помощью компьютерной модели высокочастотного трансформагорно-индукторного комплекса для индукционного нагрева металла / Ю.В. Шуткова (Рахманова), М.С. Фетисова // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 8 международ, науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М., 2002. - С. 62-63.

5. Моделирование индуктивно связанных цепей в программе РБрюе / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвузов, научн. сб. - Уфа, 2002. - С. 100-104.

6. Имитационная модель устройства заряда емкостного накопителя энергии / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Электротехнические комплексы и системы: Межвузов, научн. сб. - Уфа, 2003. - С. 109-113.

7. Компьютерная модель зарядного устройства с высоковольтным высокочастотным трансформатором / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Матер, международ, молодежи, науч.-техн. конф. - Уфа, 2003. - С. 215.

S. Влияние выходных характеристик емкостных накопителей на параметры модулей, входящих в зарядное устройство / А.К. Белкин, Ю.М. Гусев, Ю.В.Рахманова, Л.Э.Рогинская, А.А.Шуляк // Технична электродинамика. - Киев, 2004. - Ч.2.- С. 30-34.

9. Особенности расчета высокочастотных трансформаторов для электротехнологии / Ю.В. Рахманова, Т.А. Гайнетдинов, E.H. Гуляев // Электротехнические комплексы и системы: Межвузов, научн. сб. - Уфа, 2005.-С. 252-256.

10. Исследование электромагнитных процессов в источниках питания для электротехнологических комплексов на основе компьютерных моделей / Ю.В. Рахманова, Н.В. Листова // Известия Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова. - М.-Н. Новгород, 2005. - Т. 15. - С. 121-124.

11. Модель согласующего высокочастотного трансформатора с учетом реальных магнитных и электрических параметров / Ю.В. Рахманова // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвузов, научн. сб. - Уфа, 2006. - С. 259-264.

12. Пат. 2216090 Рос. Федерация. Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением / Рогинская Л.Э., Шуткова (Рахманова) Ю.В., Фетисова М.С; опубл. 10.11.03, Бюл. № 31.

13. Индуктивный модуль с учетом реальных магнитных и электрических параметров: программы / Рогинская Л.Э., Рахманова-Ю.В. -№2005612797; опубл. 10.01.06.

14. Выбор параметров полупроводниковых источников питания с высоковольтным выходом / Л.Э.Рогинская, Ю.В.Рахманова // Вестник УГАТУ. - Уфа, 2006. - Т. 7. - № 4 (17). - С. 23-26.

РАХМАНОВА Юлия Владиславовна

РЕЗОНАНСНЫЙ TPАНСФОРМАТОРНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 08.11.2006. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр. -отт. 1,0. Уч. - изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 564

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа - центр, ул. К. Маркса, 12

КЗ t ñ 4 11

Введение.

1 Области применения и методы исследования полупроводниковых комплексов для электротехнологии.

1.1 Способы заряда и основные звенья системы емкостных накопителей энергии.

1.2 Возможные схемы построения источников питания емкостных накопителей энергии.

1.3 Определение наиболее рациональной структуры источника питания для термообработки металла с помощью индукционного нагрева.

1.4 Особенности выбора параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов.

1.5 Модель трансформатора в среде OrCad.

Выводы по первой главе.

2 Разработка математических моделей для исследования работы резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов.

2.1 Особенности высоковольтных трансформаторов для электротехнологических комплексов.

2.2 Математическая модель высокочастотного высоковольтного трансформатора.

2.3 Исследование зарядных устройств емкостных накопителей энергии.

Выводы и результаты по второй главе.

3 Исследование и выбор параметров электротехнологических комплексов с улучшенными выходными характеристиками.

3.1 Исследование автономного инвертора со стабилизированным выходным напряжением.

3.2 Система тиристорный регулятор напряжения - специальный высоковольтный трансформатор - озонатор.

3.3 Определение режима работы, электромагнитных и геометрических параметров специального трансформатора.

Выводы и результаты по третьей главе.

4 Выбор электромагнитных параметров электротехнологических комплексов и их экспериментальное исследование.

4.1 Алгоритм методики расчета электромагнитных параметров резонансного инвертора с двухобмоточным входным дросселем.

4.3 Экспериментальное исследование модели высоковольтного высокочастотного модуля.

Выводы и результаты по четвертой главе.

Актуальность. Одним из перспективных направлений в области электротехнологии является разработка устройств и установок, в которых используется преобразование параметров электрической энергии. Мощность импульсов потребляемой электрической энергии достигает весьма больших значений, превышающих во много раз установленную мощность автономных источников. К такому направлению можно отнести зарядные устройства и установки, которые потребляют энергию в виде кратковременных импульсов, а так же установки для индукционного нагрева, использующие токи высокой частоты. Важнейшей составной частью таких электротехнологических комплексов является высокочастотный, высоковольтный индуктивный модуль совместно с полупроводниковым преобразователем частоты.

Главной задачей проектирования и эксплуатации резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов повышенной частоты с высоковольтным выходом, является правильный выбор параметров каждого элемента схемы и оптимальное согласование режимов работы преобразователя и нелинейной нагрузки.

Отмечено, что в научно-технической литературе уровень технической проработки вопросов исследования резонансных высоковольтных высокочастотных источников питания с индуктивными модулями не достаточно широк. Хотя вопросы, связанные с проектированием такого рода устройств, глубоко рассмотрены в трудах, монографиях и статьях таких ученых, как В. А. Кныш, Д. А. Бут, О. Г. Булатов, А. С. Васильев, Ю. М. Гусев, Л. Э. Рогинская, Ю. И. Болотовский, а в НПП «Вихрь» (г. Уфа), ВНИИ ТВЧ им. Вологдина (г. Санкт-Петербург) разрабатываются аналогичные комплексы.

Существует ряд задач, которые являются актуальными, это например: определение рациональной структуры высокочастотного преобразователя с повышенным коэффициентом трансформации по напряжению, регулирование и стабилизация напряжения в тиристорных преобразователях, проектирование и расчет специальных высоковольтных высокочастотных трансформаторов.

Специфика решения этих вопросов такова, что требует применения современной компьютерной техники, специально разработанных программных продуктов, позволяющих наиболее точно, быстро и эффективно моделировать и изучать процессы в резонансных полупроводниковых преобразователях.

Таким образом, разработка и проектирование резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов повышенной частоты для электротехнологии являются актуальными, особенно с расширением областей их применения.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов на основе решения задач по их исследованию и моделирования их электромагнитных процессов.

Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование возможных схем построения, определение наиболее рациональных структур применительно к резонансным трансформаторно-полупроводниковым комплексам, требующим согласования выходных параметров с параметрами нагрузки.

2. Разработка математических моделей для исследования резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов с каскадным повышением напряжения и учетом реальных электрических и магнитных параметров индуктивных модулей.

3. Исследование и оптимизация параметров высокочастотных источников питания.

4. Уточнение методики расчета специальных трансформаторов на основе учета дополнительных факторов и экспериментальное исследование резонансного трансформаторно-полупроводникового комплекса.

Методы исследований. Перечисленные задачи решены с помощью численно-аналитических и численных методов решения сложных нелинейных дифференциальных уравнений электрических систем, с помощью программирования на языках Delphi 7 и PSpice, и имитационного моделирования в средах OrCad 9.2 и MatLab 6.5.

На защиту выносится:

1. Обоснование целесообразности применения различных структур электротехнологических комплексов повышенной частоты с коэффициентом усиления по напряжению до 104.

2. Модели полупроводниковых преобразователей частоты для электротехнологии с согласующим трансформатором и измерительным индуктивным модулем с учетом нелинейного характера нагрузки.

3. Результаты, полученные в ходе имитационного моделирования резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов.

4. Методика расчета и проектирования индуктивных модулей для полупроводниковых преобразователей частоты с учетом реальных электрических и магнитных параметров.

Научная новизна:

1. Доказано, что для получения коэффициента усиления по напряжению до 104, наиболее рационально произвести каскадное соединение резонансного инвертора и высоковольтного высокочастотного трансформатора.

2. Показана эффективность применения индуктивно-емкостных преобразователей в качестве реактивных блоков трансформаторных преобразователей частоты с высоковольтным выходом, обладающих, вследствие резонансных явлений, по сравнению с другими схемами максимального увеличения напряжения, минимальным значением напряжения на транзисторах и возможностью уменьшения коэффициента трансформации трансформатора.

3. Создан оригинальный источник питания для индукционного нагрева со стабилизированным выходным напряжением, отличающийся от аналогичных устройств повышенными технико-экономическими показателями.

4. Разработана методика расчета и оптимизации индуктивных модулей резонансных источников питания, отличающаяся от других методик расчета уточненными значениями переменных, вследствие учета влияния реальных значений электрических и магнитных параметров.

Практическая ценность:

1. Рекомендации по применению наиболее рациональных схем источников питания для электротехнологических комплексов с коэффициентом усиления по напряжению до 104, что позволяет расширить граничные значения выходного напряжения, при оптимальных параметрах высоковольтных трансформаторов, с ЗОкВ до бОкВ.

2. Исследование электромагнитных процессов в резонансных высоковольтных высокочастотных источниках питания для электротехнологии с применением индуктивно-емкостных преобразователей, что позволяет получить коэффициент усиления по напряжению источника питания до 10 , при этом напряжение на транзисторах остается равным напряжению источника питания.

3. Применение фильтрового дросселя в тиристорных преобразователях для стабилизации напряжения при изменении частоты в диапазоне ±5% от номинальной.

4. Уточненная методика расчета и проектирования высоковольтных высокочастотных индуктивных модулей, которая позволяет уменьшить погрешность расчета параметров в 2 раза.

Реализация результатов работы. В научном конструкторско-технологическом бюро «Вихрь» (г. Уфа), в учебном процессе на кафедре «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 7 и 8 международных молодежных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г.Уфа, 2001, 2002; на международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», г. Уфа, 2001, 2003; в межвузовском научном сборнике «Электротехнические комплексы и системы», г. Уфа, 2001, 2005; в межвузовском научном сборнике «Электромеханика, электротехнические комплексы и системы», г. Уфа, 2002, 2003, 2006; в известиях Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова, г.г. Москва-Н.Новгород, 2005; в журнале «Технична электродинамика», г. Киев, 2004; в журнале «Вестник УГАТУ», г. Уфа, 2006.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 статей, 3 тезиса, патент на изобретение РФ и программа для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 187 стр. В работе содержится 75 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 119 наименований.

Содержание. Во введении обоснована актуальность темы и выбранного направления исследований, дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе представлен анализ устройств и установок, потребляющих электрическую энергию в виде кратковременных импульсов (емкостные накопители энергии) и установок для индукционного нагрева. Рассмотрены возможные схемы построения источников питания емкостных накопителей энергии. Приведен принцип работы и особенности схемы с индуктивно-емкостным преобразователем. Определена наиболее рациональная структура источника питания для термообработки металла с помощью индукционного нагрева. Выявлены особенности выбора параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов. Рассмотрена модель трансформатора, существующая в среде проектирования OrCad, и выявлены ее основные недостатки.

Во второй главе разработаны математические модели для исследования работы резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов.

Проведен анализ ряда параметров нагрузки исследуемых источников питания емкостных накопителей энергии, влияющих на параметры высоковольтного высокочастотного трансформатора. Для оптимизации всех факторов построены зависимости, позволяющие наиболее полно учесть все критерии и рассчитать удельные показатели трансформатора. Учет дополнительных параметров позволил создать программу «Индуктивный модуль с учетом реальных магнитных и электрических параметров», предназначенную для уменьшения погрешностей при расчете и разработать математическую модель высоковольтного высокочастотного трансформатора.

Для определения наиболее рациональной структуры схемы построения применительно к источникам питания емкостных накопителей энергии, проведена оптимизация исследуемых схемных решений по максимальному выходному напряжению и времени заряда. Получено, что наиболее рациональной является структура с индуктивно-емкостным преобразователем, которая позволяет получить наиболее высокий коэффициент усиления по напряжению.

Третья глава посвящена исследованию и выбору параметров электротехнологических комплексов.

Разработан оригинальный источник питания для индукционного нагрева, на базе тиристорного преобразователя с удвоением частоты, защищенный патентом РФ № №2216090. Доказана возможность использования входного индуктивного модуля для регулирования и стабилизации напряжения. Зависимость напряжения на измерительной катушке от частоты управления имеет линейный характер в области регулирования частоты ±5% от расчетной.

На основе моделирования электротехнологического комплекса с нелинейной нагрузкой в виде генератора озона, получены основные характеристики, необходимые для исследования работы и согласования параметров преобразователя и нагрузки.

Предложен метод оптимизации параметров трансформатора по заданной индуктивности рассеяния, которая является одновременно коммутирующей индуктивностью. Так же предложенный метод позволяет определить электромагнитные и геометрические параметры трансформатора.

Четвертая глава посвящена выбору электромагнитных параметров электротехнологических комплексов и их экспериментальному исследованию. Работа всего устройства для электротехнологии целиком зависит от выбора параметров полупроводникового комплекса и индуктивных модулей, входящих в его систему. Предложен алгоритм методики расчета электромагнитных параметров резонансного инвертора с двухобмоточным входным дросселем, на основе оригинальной схемы.

По предложенной методике расчета было изготовлено несколько высоковольтных высокочастотных трансформаторов различных мощностей и исследованы их характеристики, позволившие рассчитать дополнительные электромагнитные параметры необходимые для работы математической модели. По снятой экспериментально характеристике U2= f{o) определены индуктивность рассеяния и динамическая емкость реальных трансформаторов. Показано, что погрешность уточненной модели, учитывающей реальные электрические и магнитные параметры, в 2 раза меньше погрешности стандартной модели. Т.е. модель высоковольтного высокочастотного трансформатора с учетом потерь в сердечнике, наиболее полно отражает процессы, протекающие в реальном трансформаторе.

Заключение содержит основные выводы и результаты исследований.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

1. Предложен алгоритм усовершенствованной методики расчета электромагнитных параметров резонансного инвертора с двухобмоточным входным дросселем

2. По определенным экспериментально характеристикам ряда высоковольтных высокочастотных трансформаторов определены индуктивность рассеяния и динамическая емкость.

3. Погрешность расчета предложенной уточненной модели ниже погрешности стандартной модели в 2 раза. Таким образом, модель высоковольтного высокочастотного трансформатора с учетом потерь в сердечнике, наиболее полно отражает процессы, протекающие в реальном трансформаторе.

135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационный работе исследован ряд резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов, требующих согласования выходных параметров с параметрами нагрузки.

Наиболее важными результатами диссертационной работы можно считать:

1. Исследованы возможные схемы построения и определены наиболее рациональные структуры резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов для электротехнологии, требующих согласования выходных параметров с параметрами нагрузки.

2. Разработаны математические модели для исследования работы трансформаторно-полупроводниковых комплексов с каскадным повышением напряжения и учетом реальных электрических и магнитных параметров индуктивных модулей. Предложена математическая модель высоковольтного высокочастотного трансформатора, учитывающая паразитные параметры и потери в сердечнике и программа расчета высоковольтных индуктивных модулей №2005612797.

3. Проведено исследование и оптимизация по максимальному выходному напряжению ряда наиболее рациональных схем источников питания емкостных накопителей энергии. По результатам моделирования доказана эффективность использования схемы с индуктивно - емкостным преобразователем в качестве реактивных блоков трансформаторных преобразователей частоты с высоковольтным выходом.

4. Разработан оригинальный источник питания для индукционного нагрева, на базе тиристорного преобразователя с удвоением частоты, защищенный патентом РФ №2216090. Доказана возможность использования входного индуктивного модуля для регулирования и стабилизации напряжения. Предложенная схема преобразователя с измерительной катушкой, обладает, по сравнению с аналогичными устройствами, улучшенными технико-экономическими показателями.

5. Предложена уточненная методика расчета специальных трансформаторов для электротехнологических комплексов с высоковольтным выходом, на основе учета эквивалентных нагрузочных емкостей и индуктивности рассеяния, при различном расположении обмоток на магнитопроводе, что позволяет сократить длительность этапа проектирования.

1. Источники питания технологических лазеров с накачкой разрядом переменного тока частотой -20 кГц /В.Б.Ганеев, Н.Н.Гришаев, В.Г.Казанцев, П.Г.Леонов //Электротехника. 1987. -№11.- С.54-57.

2. Вторичные источники питания: Учеб. пособие /В.М. Милешин, С.С. Букреев, Г.М. Малышко. М.: МАИ, 1981. - 46 с.

3. Источники вторичного электропитания / В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, Ю.И. Конев и др.; под ред. Ю.И. Конева. 2-е изд. перераб и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 280 с.

4. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов / В.А. Кныш. Л.: Энергоиздат, 1981, - 160 с.

5. Транзисторные источники питания с бестрансформаторным входом/ Ю.И. Драбович, К.С. Комаров, Н.Б. Марченко. Киев: Наукова думка, 1984. -160 с.

6. Dede I.E., Gonzalez J.V. High Frequency Generator fo Induction Heating // PCIM EUROPE May/ June 1991 с. 165 169

7. Физические основы высокочастотного нагрева / Н.П. Глуханов; под ред. А.Н.Шамова. 5-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989. -54 с.

8. Источники питания лазеров / В.М. Вакуленко. М.: Сов. радио, 1980. -102 с.

9. Сварочные работы. Сварка. Резка. Пайка. Наплавка: Учеб. пособие / Л. А. Колганов. 2-е изд. - М.: Дашков и К, 2006. - 408 с.

10. Ю.Источники вторичного электропитания: Учеб пособие / В.Г. Гусев. -Уфа: УГАТУ, 2000.-119 с.11 .Импульсные источники питания авиационных установок: Учеб. пособие / Д.Б. Кофман. М.: Изд-во МАИ, 1980. - 89 с.

11. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры / Э.М. Ромаш. М.: Радио и связь, 1981. - 224 с

12. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. / под ред. П. Чети. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 240 с.

13. Накопители энергии в электрических системах / Ю.Н. Астахов, В. А.Веников, А. Г. Тер-Газарян. М.: Высш. шк., 1989.-158 с.

14. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии / О.Г. Булатов, B.C. Иванов, Д.И. Панфилов. М.: Радио и связь, 1986. -160 с.

15. Ranchy Б., Petibon A., Gonzalez О. New Encapsulation Techniques fo 1 mW 1 to 4 kV High Power IGBT Inverter // EPE'97. P. 1.204 - 1.209.

16. Методические рекомендации по использованию накопителей энергии в системах электроснабжения / В.М. Аванесов // Машиностроитель. —2001. — Т.12.-С.20.

17. Индукционный нагрев: в авангарде технологического прогресса // Вентиляция. Отопление. Кондиционирование: АВОК. -2004. -№5. С. 56.

18. Индукционная плавка металлов: Учебное пособие / В.А. Охотников. — Уфа: УГАТУ, 1999.-42 с.

19. Применение индукционного нагрева в машиностроении /

20. B.Д. Сидоренко. JL: Машиностроение, 1980. - 231 с.

21. Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов / МВССО РСФСР. Уфа: УАИ, 1979. - 164 с.

22. Теория и практика индукционного нагрева / Под ред. В.Е. Жуковского. -М.: Энергоатомиздат, 1985.-81 с.

23. Моделирование сложных систем / Н.П. Бусленко. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1978. - 399 с.

24. Моделирование систем: Учебник для вузов / Б. Я. Советов,

25. C. А. Яковлев. 4-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2005. - 343 с.

26. Проектирование схем на компьютере / Е. В. Васильченко, К. С. Наседкин. М.: COJIOH-Пресс, 2004. - 528 с.

27. Математическое моделирование в технике: Учеб. пособие для студ. тех. вузов / В. С. Зарубин; под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 496 с.

28. Емкостные накопители энергии для электрофизических устройств различного назначения / Л.И. Онищенко и др. // Электротехника. М. -2001-№8.- с. 55-57.

29. Система заряда накопительных конденсаторов / Л.Э. Рогинская, Ю.М. Гусев, А.А. Шуляк, А.К. Белкин // Технична электродинамика. Киев. -1999.-с. 125-128.

30. Физические принципы и техническая реализация эффективной системы накачки газоразрядного лазера / Г.А.Абильсиитов, О.Г.Булатов, В.Г.Низьев и др. //Электротехника. 1988. -№11.- С.2-5.

31. Имитационная модель устройства заряда емкостного накопителя энергии / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Электротехнические комплексы и системы: Межвузов, научн. сб. — Уфа, 2003. С. 109-113.

32. Системы стабилизации на ИЕП / А.Н. Милях, И.В. Волков. Киев: Наукова думка, 1974. - 2 1 6 с.

33. Диагностика маслонаполненного трансформаторного оборудования / Т.П. Костюкова., Ю.В. Шуткова (Рахманова), М.С. Фетисова // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 7 международ, науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. — М., 2001. С. 221 -222.

34. Методы расчета переходных и установившихся процессов в тиристорных преобразователях частоты: Учеб. пособие / Г.И. Сабанеева. Уфа: УАИ, 1979.- 103 с.

35. Тиристорные источники питания современных электротехнологических установок повышенной частоты / МВССО РСФСР. -Уфа: УАИ, 1983.-164 с.

36. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е.И. Беркович, Г.В. Ивенский, Ю.С.Иоффе и др. 2-е изд., перераб. и доп. - JL: Энергоатомиздат, 1983. -208 с.

37. Тиристорные преобразователи частоты / А.К. Белкин, Т.П. Костюкова, Л.Э.Рогинская, А. А. Шуляк. — М.: Энергоатомиздат, 2000. —263 с.

38. Проектирование импульсных трансформаторов / С.С Вдовин. Л.: Энергия, 1971.- 148 с.

39. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности / И.И Белопольский., Е.И. Каретникова, Л.Г. Пикалова. -М.: Энергия, 1973. -400 с.

40. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания / А.Н. Горский, Ю.С. Русин и др. — М.: Радио и связь, 1988. — 176 с.

41. Расчет импульсных трансформаторов / П.Н. Матханов, JI.3. Голицын. -Л.: Энергия, 1980.- 109 с.

42. Система проектирования OrCAD 9.2 / В.Д.Разевиг. М.: Солон-Р, 2003.-528 с.

43. Система проектирования OrCAD 9.2 / В.Д.Разевиг. М.: Солон- Р, 2001.-515 с.

44. Antognetti P., Massabrio G. Semiconductor Device Modeling with Spice, Mc.Graw-Hill, Inc. Second Edition.-New York, 1993, p. 161.

45. К аппроксимации кривой намагничивания / Р.И. Мустафаев, М.А. Набиев, З.А. Гулиев, Н.М. Гаджибалаев // Электричество. — Б.м. — 2004. — №5. -с.47-49.

46. Модификация PSpice модели магнитного сердечника/ И. Недолужко, Д. Каюков // Силовая электроника. - 2005. - № 1. - с. 116-119.

47. Определение потерь мощности в импульсных источниках электропитания / Т. Айчхорн // Компоненты и технологии. — 2005. — №1. -с. 148-151.

48. Dr. Ray Ridley and Art Nace. Modeling Ferrite Core Losses. Switching Power Magazine/ Winter 2002. p. 8-9.

49. Scanlon, B. R., Andraski, B. J., and Bilskie, J. (2002). "Methods of soil analysis: Physical Methods: Miscellaneous methods for measuring matric or water potential" (PDF). Soil Science Society of America 4: pp. 643-670.

50. Lavers J.D. "On-and off state losses in foil windings" Power Conversion Conference, 2002. PCC-Osaka 2002. Proceedings of the , Volume: 3 , 2002 Page(s): 1096-1101 vol.3

51. Источники высокого напряжения РАЭ / В.Г Костюков, И.Е. Никитин.- М.: Радио и связь, 1986. 200 с.

52. Влияние выходных характеристик емкостных накопителей на параметры модулей, входящих в зарядное устройство / А.К. Белкин, Ю.М. Гусев, Ю.В. Рахманова, Л.Э. Рогинская, А.А. Шуляк // Технична электродинамика. Киев, 2004. - Ч.2.- С. 30-34.

53. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. / П.М. Тихомиров.- 5-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 с.

54. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для вузов / Л.А. Бессонов. 10-е изд. - М.: Гардарики, 2002. - 638 с.

55. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: учебник для вузов / Л.А. Бессонов. 10-е изд., стереотип. - М.: Гардарики, 2003.-317с.

56. Индуктивный модуль с учетом реальных магнитных и электрических параметров: программы / Рогинская Л.Э., Рахманова Ю.В. № 2005612797; опубл. 10.01.06.

57. Индуктивные элементы с ферромагнитными сердечниками / Е.Ф. Баев, .А. Фоменко, B.C. Цымбалюк. — М.: Советское радио, 1976. — 320 с.

58. Физические свойства металлов и сплавов: Учебник для металлург, тец. вузов / Б.Г.Лившиц, В.С.Крапошин, Я.Л.Линецкий; Под ред. .Г.Лившица.- 2-е изд., доп. и перераб. — М.: Металлургия, 1 980. — 320 с.

59. Магнитные материалы и элементы: Учебник для вузов / .А. Преображенский. 3-е изд., перераб.и доп. — М.: Высш.шк., 1 986. — 352 с.

60. Ферриты и их техническое применение / Г.А. Смоленский // АН СССР, из.-техн.ин-т им. А.Ф.Иоффе. — JL: Наука, 1975. — 219 с.

61. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические зименения/С. Тикадзуми; Пер.с яп. под ред. Р. В. Писарева. — ТУГ.: Мир, 1987. 419с.

62. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры: правочник / М.М.Михайлова, В.В.Филиппов, В.П.Мус лаков; Под ред. .Е.Оборонко. М.: Радио и связь, 1983. — 199 с.

63. Магнитные материалы: Учеб.пособие для физ. и физ.техн.спец.вузов / .Д. Мишин. 2-е изд.,перераб. и доп. — М.: Высш.школа, 1991. — 383 с.72.www.epcos.com73.http://ferrite.com.ua/kharakter.html74.www.amet.ru75. http://www.gammamet.ru

64. Язык Pascal и основы программирования в Delphi: учебное пособие ш студ. вузов / А. Я. Архангельский. — М.: Бином, 2004. — 496 с.

65. Delphi 7. Основы программирования. Решение типовых задач: 1моучитель / Л. М. Климова. Изд. 2-е, доп. - М.: КУДОТЦ-ОБРАЗ, 2005. 480 с.

66. Delphi 7: Справочное пособие / А.Я.Архангельский. — М.: БИНОМ, ЮЗ. 1212 с.

67. ГОСТ 21427.4-78. Лента стальная электротехническая холоднокатаная анизотропная. Технические условия. Введ. 1979—01—01. — М.: Изд-во стандартов, 1978. - 17 с.

68. Модель согласующего высокочастотного трансформатора с учетом реальных магнитных и электрических параметров / Ю.В. Рахманова // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвузов, научн. сб.-Уфа, 2006.-С. 259-264.

69. Nasegawa I., Betsui Т., Ohnishing S. а.о. Development of Large Capacity Static Var Generator Using Self-Commutated Inverters for Improving Power Transmission System Stability // Electrical Engineering in Japan. 1993. V. 114. P. 8097.

70. Создание аналоговых PSpice моделей радиоэлементов / O.M. Петраков. М.: ИП Радио Софт, 2004. - 208 с.

71. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCad 9.2. Часть 5. / Ю.И. Болотовский, Г.И. Таназлы // Силовая электроника. — М. — 2006. -№1. с. 88-92.

72. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов / Д. А. Бут, Б. JI. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич; Под ред. Д. А. Бута. — М.: Энергоатомиздат, 1991. 400 с.

73. Компьютерная модель зарядного устройства с высоковольтным высокочастотным трансформатором / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Матер, международ, молодежи, науч.-техн. конф. Уфа, 2003. - С. 215.

74. Выбор параметров полупроводниковых источников питания с высоковольтным выходом / Л.Э. Рогинская, Ю.В. Рахманова // Вестник УГАТУ. Уфа, 2006. -Т. 8. - № 1 (17). - С. 23-26.

75. Peter Jean-Marie Power Components: State of the Art, Evolution and Trend //Proceeding PCIN'97, Hong Kong, October 1997, p. 111.

76. МОСТОВОЙ инвертор с переключающими нелинейными дросселями / Э. А. Дизендорф // Электричество. Б.м. - 2005. - №3. - С. 44—5 1.

77. К вопросу оценки качества выходного напряжения непосредственных преобразователей частоты высокочастотных автономных источников электроэнергии / О.В.Григораш, Е.Н.Бобылев, Д.В.Мельников // Электротехника. -Б.м. 2003. — №6. — С.48-52.

78. Применение отечественных преобразователей частоты // Датчики и системы. Б.м. - 2005. - №3. - С. 56.

79. Системы электрооборудования летательных аппаратов (Транзисторные преобразователи): учебное пособие для вузов / В. М. Куляпин, Г. Н. Утляков. М.: Изд-во МАИ, 2004. - 115 с.

80. Ю1.Тиристорные преобразователи / Отв. ред. Г.В. Грабовецкий. — Новосибирск: НЭТИ, 1985. 158 с.

81. Пат. 2216090 Рос. Федерация. Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением / Л.Э. Рогинская, Ю.В Шуткова (Рахманова), М.С. Фетисова; опубл. 10.11.03, Бюл. №31.

82. Имитационная модель источника питания для электротехнологии в среде MatLab / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Матер, международ, молодежи, науч.-техн. конф. Уфа, 2001. - С. 228.

83. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0: Учеб. пособие /С.Г. Герман-Галкин. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

84. Matlab 5.3. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие / А.К. Гультяев. — СПб.: Корона Принт, 2001. 400 с.

85. Simulink 4: Спец. справочник / В. Дьяконов. СПб.: Питер, 2002. -528 с.

86. MATLAB 6/6.1/6.5+Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя / В. П. Дьяконов. — М.: COJIOH-Пресс, 2003. -576 с.

87. Kaplan Gadi. Indastrial Electronics 1997 Technology Analysis and Forecast//IEEE Spectrum. Januaru 1997. p. 79-83.

88. Силовая электроника: от простого к сложному / Б. Ю. Семенов. — М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 416 с.

89. Электросинтез озона / Ю.В. Филиппов, В.А. Вобликова, В.И. Пантелеев. -М.: Изд-во Московского университета, 1987. — 237 с.

90. Частотное регулирование производительности установок для синтеза озона / И.В. Блинов, К.Ю. Кузнецов, Махин Ю.И. // Электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник. — 2005. — С. 164-167.

91. Электромагнитные процессы в системе тиристорный детектор напряжения высоковольтный трансформатор-озонатор / Т.П. Костюкова, Л.Э. Рогинская // Электротехника. 2000. - №3. - С. 28-32.

92. Промышленные озонаторы серий ТМ и ТС с источниками питания повышенной частоты / В.П. Кириенко, К.Ю. Кузнецов, Ю.И. Махин, В.И. Семенов. Известия Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова. — М.-Н. Новгород, 2005. - Т. 15. - С. 93-98.

93. Теоретические основы электротехники / Л.Р. Нейман К.С. Демирчян. М.: Мир, 1981.-410 с.

94. Высоковольтные трансформаторы и дроссели с эпоксидной изоляцией / Л.Д. Гинзбург. Л.: Энергия, 1978. — 192 с.

95. Теория и расчет трансформаторов источников вторичного электропитания/А.В. Хныков. — М.: Солон-Пресс, 2004. 128 с.

96. Электрические аппараты с водяным охлаждением / О.Б. Брон. — Л.: Энергия, 1967.-264 с.

97. Hr:real=0; {коэрцитивная сила}

98. Br:real=0; {остаточная индукция}

99. Hm:real=0; {напряженность насыщения}

100. Bm:real=0; {индукция насыщения}m0:real=0; {начальная магнитная проницаемость}1. Р:геа1=0; {мощность}f:real=0; {частота}

101. Sm:real=0; {площадь поперечного сечения магнитопровода}

102. Sok:real=0; {площадь окна магнитопровода}

103. Sohl:real=0; {площадь поверхности охлаждения}

104. Sprl:real=0; {сечение провода ПО}

105. Spr2:real=0; {сечение провода ВО}lml:real=0; {длина магнитной линии}

106. Rcr:real=0; Rv:real=0; Re:real=0; bl2:real=0; nvc:real=0; dsek:real=0;r:real=0; l:real=0; h:real=0; ator:real=0;

107. Pud:real=0; {удельные потери}

108. Sohl:=4*ac*(ac+2*cc)+4*ac*(hc+2*ac)+2*bc*(hc+2*ac)+2*bc*(3*ac+2*cc); memo 1 .Lines.Add('SojaicMA2.='+ floattostr(Sohl)); lml:=2*hc+2*cc+pi/2*ac; memol.Lines.Add('lml[cM]='+ floattostr(lml));

109. E0:=8.85*power( 10,-14); 11 :=(dizl *0.1 )/2+0.012; t2:=(diz2*0.1)/2+0.012; tm:=(dizl+diz2)/2:|!0.1+0.024; rsr:=(dizl+diz2)*0.05; Nsr:=0.5 * (wc 1+wc2);

110. Cl:=(8*Er*E0*dizl*0.1*lsrvl*0.1*wcl)/(4*at-(pi*dizl *0.1)); memo 1 .Lines. Add('C 1 Ф. ='+ floattostr(C 1));

111. R1 :=( 1.7*power( 10,-6)* wl *lsrv 1 *power( 10,-2))/(spr 1 *power( 10,-6));

112. R2:=(1.7*power(10,-6)*w2*lsrv2*power(10,-2)V(spr2*power(10,-6));memol.Lines. Add('RlOM.='+ floattostr(Rl));memol .Lines.Add('R2OM.= *+ floattostr(R2));

113. Расчет специального трансформатора для озонаторной установки

114. Расчет ведется по методике предложенной в §3.3 и по 61, 76, 79, 115118.

115. Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

116. Установленная мощность трансформатора

117. STp=2,56P=2,56-17000=43,52кВА

118. Номинальные (линейные) токи на сторонах

119. ВН /2 = Sw/( 0,74 u'd ) = 43,52 • 103/ (о, 74 • 0,97 ■ 10 • 103 ) = 6,06А1. НН ^43,52.1031. U„„ 500

120. Испытательные напряжения обмоток (таблица 4.1) ВН иисп=35кВ;1. НН иисп=5кВ;

121. Выбор типа обмоток (таблица 5.8 76.)

122. Обмотка ВН при напряжении ЮкВ и токе 6,06А цилиндрическая многослойная из круглого медного провода.

123. Обмотка НН при напряжении 500В и токе 87А цилиндрическая одно и двухслойная из медного прямоугольного провода.

124. Приведенная ширина двух обмоток (3.28)а, +а2)/3 = 0,63-^М0"2 = 0,63-^43,52-10"2 =0,016ж.

125. Ширина приведенного каналаар=1,67(а,12+(а1+а2)/3)=1,67(0,009+0,016)=0,041 м.

126. Реактивная составляющая напряжения короткого замыканияир =35%

127. Согласно указаниям §2.3 61. выбираем стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях (см. рис. П.Б.1)

128. Рисунок П.Б.1 План шихтовки магнитной системы

129. Прессовка стержней расклиниванием и ярм - стальными балками. Материал магнитной системы - холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм.

130. По таблице 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение потерь в обмотках к потерям КЗ, кд=0,95 и постоянные коэффициенты для медных обмоток принемаем а=2,27 и Ь=0,5. Принимаем кр=0,95. Диапазон Р от 1,2 до 14 (таблица 12.1)

131. Расчет основных коэффициентов (3.30, 3.36, 3.43, 3.44 и 3.65)1. Л = 0,507-4

132. S -ap.Kp =0>507.4/43,52.0,041-0,95 =Q?Q44;f'b-Bc2-Kc21500-35-1,52 -0,882

133. А1С = 1,9-104ксЛ2а = 1,9 • 104 • 0,88 0,0443 - 2,27 = 3,23 ; А2С = 1,2-104М2/о = 1,2 • 104 • 0,88 -0,0442 • 0,02 = 0,41

134. В1 = 1,2 ЛЪ4кскяАъ{- + 0,46 + 2е. = v2 J2,274.0,46 + 2-0,411,2 • 104 • 0,88 • 1,05 • 0,0443ч ^ У-»4 11 л! I . \ , 1Л4 л оо 1 лг л Г\Л л22,28

135. В2=\,2Л0>4кскяА1(а12 + д22) = 1,2-104-0,88-1,05-0,0442(0,008 + 0,009) = 0,:1. С. =•165а16.43,52-2,271. JBcjcpA 500-1,5-4,5-0,04410,64

136. Минимальная стоимость активной части трансформатора (3.55)В2 Л2 + В2 2 0,41 + 0,361. Я,2,280,78;1. Коэффициент Кос=1

137. С=1 А.+коскиС} = 1 3,23 +10,64-Ю""6114 Уравнение оптимизации2,28х4+Вх3 -С = 0jc4 + 0,78JC3-0,47 = 0168 П.Б

138. Решение этого уравнения дает (3=0,685, соответствующее минимальному

139. Масса одного угла магнитной системы (3.45а)

140. Gy = 0,492 • Кс- К я- Аъ -х3 = = 0,492 • 104 • 0,88 • 1,05 • 0,0443х3 = 0,38х3

141. Активное сечение стержня (3.59)

142. Пс = 0,785 • кс • А2 • х2 = 0,785 • 0,88 • 0,0442 • х2 = 0,0013х2.

143. Площадь зазора на косом стыке

144. Щ = Ясл/2 = 0,001 Зх2 • Л = 0,0018х2.

145. Потери холостого хода (таблица 8.10, 8.13 и 8.14)

146. Рх = Кб • Рс(Gc + 0,5к^ -Gy) + КпдРя (ся 6Gy + 0,5*^) =1,12 • 1,1 • ((7С + 0,5 • 5,28 • G^) +1,12 • 0,981 • 6 • G^, + 0,5 • 5,28 • G^,) = = 1,232-Gc-0,71 •G>, +1,1-G^j.

147. Намагничивающая мощность (8.44, таблица 8.17 и 8.20)

148. Qx=kmd*kmd*qc*(Gc + 0,5*kmy*kmnjl*Gy) +

149. Ь'тд *к"тд *Чя *(°я -6Gy + 0,5kmykmnjlGy) + kmdlq3n3n3 = = 1,2* 1,06* 1,33* (Gc + 0,5* 14,2*1,5 *Gy) + +1,2*1,06*1,08*(G;J-6G>, + 0,5*14,2*1,5*Gy) +1,06*1000*4*0,0018x2 =1,69 * Gc +1,37 * G„ + 24,36 * Gy + l,9x2.

150. Результаты расчетов показаны в виде графиков (см. рисунки П.Б.2, П.Б.З, П.Б.4)1. Стоимость материалаь

151. Рисунок П.Б.2. Изменение относительной стоимости активной части с