автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование энергетических показателей электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями

На правах рукописи БОРИСОВ Павел Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Специальность 05.09.03- Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель -кандидат технических наук

Ведущее предприятие - Федеральный научно-производственный центр ФГУП НИИ прецизионного приборостроения (г.Москва).

Защита диссертации состоится 29 июня 2005 г. в 16 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 27 мая 2005 г.

Валентин Сергеевич Томасов

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Борис Федорович Дмитриев,

кандидат технических наук

Алексей Александрович Костроминов

диссертационного совета д.т.н., профессор

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

,/т

lib с/к

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Широкое использование в современных электротехнических комплексах различного назначения регулируемых систем с полупроводниковыми преобразователями электрической энергии требует дальнейшего совершенствования их энергетических подсистем. Энергетическая подсистема (ЭП) включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового преобразователя (ПП), нагрузки и определяет массогабаритные и динамические показатели электротехнических комплексов и систем. Полупроводниковый преобразователь является неотъемлемой частью современных систем электропитания технологических объектов, а также систем автоматизированного электропривода, и обеспечивает их электрической энергией требуемого вида и качества. Постоянное совершенствование элементной базы полупроводниковых преобразователей за счет создания и освоения промышленностью высокоэффективных силовых приборов и вычислительных устройств на базе программируемых микроконтроллеров позволило существенно расширить функции силовых устройств и активно влиять на показатели качества потребляемой ЭП электроэнергии и их электромагнитную совместимость с питающей сетью средствами самой преобразовательной техники.

При построении ЭП остро встают вопросы выбора ее структуры и параметров элементов в зависимости от типа первичного источника питания, характера и режимов работы нагрузки. В данной работе рассматриваются различные структуры энергоподсистем, построенных на базе источников питания переменного тока с последующим преобразованием в постоянный с односторонним потреблением и двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой. Следует отметить, что исследованию таких ЭП посвящены работы Глазенко Т.А., Герман-Галкина С.Г., Глинтерника С.Р., Долбни В.Т., Дрехслера Р., Забродина Ю.С., Зиновьева Г.С., Исхакова A.C., Лабунцова В.А., Маевского O.A., Мыцыка Г.С., Грузова B.JL, Розанова Ю.К., Руденко B.C., Солодухо Я.Ю., Супроновича Г., Шрейне-ра Р.Т., других отечественных и зарубежных ученых. Требования, предъявляемые к современным ЭП, заставляют сочетать такие их

качества, как повышенная эффективность преобразования электрической энергии и надежность функционирования. Отвечать этим требованиям невозможно без учета переходных процессов в ЭП и определения электромагнитных нагрузок, воздействующих на элементы ЭП при включении ее в питающую сеть.

При построении энергоподсистем с двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой наиболее важными являются вопросы определения структуры и параметров ЭП, обеспечивающих эффективный способ использования энергии рекуперации. В работе рассмотрены ЭП замкнутых систем электропривода постоянного тока (ЗС ЭППТ) с транзисторными широтно-импульсными преобразователями (ШИП), которые находят широкое применение в промышленном и научном приборостроении и других отраслях. Реализация в замкнутых системах электропривода эффективных тормозных режимов накладывает жесткие требования к выбору состава оборудования энергоподсистемы и определению электромагнитных нагрузок на ее элементах.

Цель работы - совершенствование энергетических показателей электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями за счет выбора рациональных структур и параметров элементов их энергоподсистем.

Идея работы заключается в выборе рациональных структур и параметров элементов ЭП с односторонним потреблением и двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой на основе их структурно-параметрического анализа, в снижении электромагнитных нагрузок на их элементы в переходных и квазистатических режимах работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику расчета ЭП в переходных и квазиуста-новившихся режимах работы и получить зависимости показателей качества энергопотребления, электромагнитных нагрузок на элементы оборудования от параметров силовых цепей.

2. Разработать способы ограничения электромагнитных нагрузок, возникающих при включении ЭП в питающую сеть, и методику выбора ее структуры и параметров элементов.

3. Разработать методику выбора структуры ЭП ЗС ЭППТ с ШИП, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них.

4. Разработать математические модели ЗС ЭППТ с ШИП на базе неуправляемого выпрямителя (НУВ) и активного выпрямителя напряжения (АВН). Исследовать режимы работы ЭП ЗС ЭППТ с ШИП на базе АВН, обеспечивающих рекуперацию энергии в сеть и повышение показателей качества энергопотребления.

Методы исследований: для решения поставленных задач использовались операторный метод, метод гармонического анализа, а также численное моделирование. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде "Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением" и на опытном образце ЭП ЗС ЭППТ опорно-поворотного устройства системы наведения телескопа траекторных измерений (ТТИ) наземной оптико-лазерной системы (НОЛС) Алтайского оптико-лазерного центра (АОЛЦ) ФНПЦ ФГУП НИИ прецизионного приборостроения (ПП), разработанных на кафедре электротехники и прецизионных электромеханических систем (ЭТи-ПЭМС) Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПб ГУ ИТМО) по госбюджетным и хоздоговорным НИР.

Защищаемые научные положения:

1. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем при одностороннем потреблении электроэнергии, с учетом свойств первичных источников питания и начальной фазы включения ЭП в питающую сеть, позволяет уменьшить электромагнитные нагрузки на элементы ЭП и улучшить энергетические показатели: коэффициент мощности от 0,95 и выше, коэффициент искажения синусоидальности кривой тока ниже 0,32.

2. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем замкнутых систем электропривода постоянного тока при двухстороннем энергообмене между источником и нагрузкой позволяет выбрать состав оборудования ЭП: силового фильтра, тормозной цепи и АВН, и определить электромагнитные нагрузки на их элементы, в зависимости от величины рекуперируемой энергии вращающихся частей

электропривода, уровня токоограничения и циклограмм работы ЗС

эппт.

3. Математическая модель замкнутой системы электропривода постоянного тока с активным выпрямителем напряжения и транзисторным ШИП, построенная по блочному принципу с использованием отдельных моделей элементов энерго- и информационной подсистем в среде МАТХАВ/БшиПпк, позволяет адекватно определять полную мощность и ее составляющие, показатели качества энергопотребления, а также электромагнитные нагрузки на элементы ЭП.

Научная новизна работы:

1. Получены зависимости показателей качества энергопотребления и электромагнитных нагрузок на элементы ЭП от их параметров в переходных и квазистатических режимах работы. За счет выбора рациональных структур и параметров элементов ЭП улучшены коэффициенты: мощности и искажения синусоидальности кривой тока и уменьшены электромагнитные нагрузки на элементы ЭП электротехнических комплексов и систем в переходных и квазистатических режимах работы.

2. Получены расчетные соотношения и зависимости, связывающие величину рекуперируемой энергии вращающихся частей электропривода с его параметрами и режимами работы, которые позволяют сравнивать эффективность различных способов ее использования и производить выбор структуры и параметров элементов ЭП ЗС ЭППТ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов - базируется на использовании известных положений теории энергетических процессов в вентильных преобразователях и теории электропривода, подтверждается моделированием систем в современных интегрированных пакетах МаШСАО, МАТЬАВ/ЗтиНпк, ОгСАЭ/РЗрюе, сравнением ряда полученных зависимостей с данными из литературных источников, а также достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика расчета энергетических показателей и электромагнитных нагрузок на элементы ЭП и реализована в среде

МаИтСАО.

2. Создана инженерная методика выбора параметров термисто-ров, ограничивающих электромагнитные нагрузки, возникающие при включении энергонодсистем в питающую сеть.

3. Разработана методика выбора структуры ЭП ЗС ЭППТ с ШИП, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них.

4. Выработаны рекомендации по применению АВН в ЭП ЗС ЭППТ с ШИП в зависимости от параметров нагрузки и режимов работы электропривода.

5. Разработаны математические модели в пакете МАТЬАВ/ЯппиПпк, позволяющие определить составляющие полной мощности, показатели качества энергопотребления ЭП, структуру и параметры ЭП ЗС ЭППТ с ШИП на базе неуправляемого выпрямителя и АВН.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами. В ходе выполнения работ по грантам Министерства образования Российской Федерации: грант № 01.2.00.103623 «Исследование условий работы первичных источников питания транзисторных инверторов, работающих в замкнутых системах электропривода и разработка методики их расчета и проектирования», 2000 г., г рант № А03-3.14-171 «Методики расчета и проектирования энергоподсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями», 2003 г., диссертантом получены результаты, изложенные в диссертационной работе.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:

1. при разработке и изготовлении ЭП ЗС ЭППТ системы наведения ТТИ НОЛС АОЛЦ в рамках выполнения хоздоговорных НИР № 22510, 24580 по заказам ФГУП НИИ ПП (г. Москва).

2. при создании энергоподсистемы лабораторного стенда в рамках НИР № 2.1.1 .(00.0) 190.151 «Разработка учебного лабораторного комплекса: "Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением" и изготовление головного стенда», выполненной по программе Министерства образования Российской Федерации «Научное, научно-

методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» на кафедре ЭТиПЭМС, а также в учебном процессе в СПб ГУ ИТМО .

3. при создании и внедрении в опытную эксплуатацию импульсного источника в ООО "Спецстандарт" (г. Москва).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: межвузовская научная конференции "XXIX Неделя науки СПб ГТУ" (Санкт-Петербург, 2001); Международная конференция "Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение" (Крым, Алушта, 2003); межвузовская научная конференция "XXXII Неделя науки СПб ГПУ" (Санкт-Петербург, 2003); XXXIII научная и учебно-методическая конференция СПб ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2003); 1-я конференция молодых ученых и специалистов СПб ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2004); Политехнический Симпозиум «Молодые ученые - промышленности СевероЗападного региона» (Санкт-Петербург, 2004); И-я Всероссийская научная конференция "Проектирование инженерных и научных приложений в среде МАТЬ А В" (Москва, 2004); Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления" (Томск, 2004); IV Международная (XV Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития" (Магнитогорск, 2004); XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПб ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005); Научный семинар секции "Электромеханические системы и средства управления ими" Международной энергетической академии и Российского научно-технического общества электротехники и электроэнергетики, СПб ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005); Н-я конференция молодых ученых и специалистов СПб ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 111 наименований на 11 стр. и четырех приложений на 56 стр. Объем

работы составляет 155 машинописных страниц, в том числе 120 страниц основного текста, 62 рисунков и 5 таблиц.

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы ее цель и задачи исследований, отражены научные результаты и положения, выносимые на защиту, практическая значимость результатов диссертации.

В первой главе представлен анализ ЭП современных электротехнических комплексов и систем электропривода.

Во второй главе предложена методика расчета энергетических показателей и электромагнитных нагрузок на элементы ЭП. По результатам расчетов в пакетах Ма^САО и МАТЬАВ получены зависимости электромагнитных нагрузок на элементы оборудования, составляющих полной мощности и энергетических показателей от параметров ЭП в переходных и квазиустановившихся режимах работы. Исследованы способы ограничения электромагнитных нагрузок, возникающих при включении ЭП в питающую сеть, разработана методика выбора параметров термисторов, применяемых для ограничения токовых нагрузок в пусковых режимах работы ЭП малой мощности.

В третьей главе предложена методика выбора структуры ЭП ЗС ЭППТ с ШИП, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них при работе ЭППТ в режимах движения следящего вала по гармоническому закону, периодического реверса скорости с выходом в зону токоограничения.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию электромагнитных процессов в ЭП электротехнических комплексов и ЗС ЭППТ с ШИП, экспериментальным исследованиям, аспектам практической реализации, примерам опытно-промышленного внедрения.

Заключение содержит основные выводы и результаты диссертационной работы.

В приложении приведены: данные моделирования и экспериментальных исследований, диаграммы зависимостей энергетических показателей и электромагнитных нагрузок на элементы ЭП от параметров схем, акты о внедрении результатов диссертационной работы.

По результатам диссертационной работы сформулированы следующие защищаемые научные положения:

1. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем при одностороннем потреблении электроэнергии, с учетом свойств первичных источников питания и начальной фазы включении ЭП в питающую сеть, позволяет уменьшить электромагнитные нагрузки на элементы ЭП и улучшить энергетические показатели: коэффициент мощности от 0,95 и выше, коэффициент искажения синусоидальности кривой тока ниже 0,32.

Для структурно-параметрического анализа ЭП необходимо получить зависимости электромагнитных нагрузок на элементы оборудования, полной мощности и ее составляющих и показателей качества энергопотребления ЭП от параметров схем в широком диапазоне их изменения в переходных и квазиустановившихся режимах работы. Решение данной задачи осуществляется с помощью методики, основанной на операторном методе совместно с методом гармонического анализа. В соответствии с этой методикой рассматривается включение ЭП в питающую сеть с начальной фазой у/и э.д.с. источника, изменяющейся по гармоническому закону. На основании системы контурных, узловых и элементных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в энергоподсистеме, определяется изображение функции напряжения на конденсаторе силового фильтра (СФ) и далее осуществляется переход от изображения к функции времени. По закону изменения напряжения на конденсаторе СФ ис (/) устанавливаются токи в нагрузке iH (t) и через конденсатор ic{t), далее ток выпрямителя iB(t) и сетевой ток iH(I). Расчет производится по спектральному составу сетевого тока с использованием преобразований Фурье и Эйлера и позволяет определить полную мощность S и ее составляющие: активную Р, реактивную Q (сдвига), искажения Т, несимметрии Н, коэффициент полезного действия (к.п.д.) ЭП и энергетические коэффициенты:

К мощности -PIS, К сдвига = Р Ч Р2 +Q2 > искажения синусоидальности

кривой сетевого тока или кглпюшк = Т/^Р2 +Q7' и другие, а также мощность в нагрузке и все возможные значения токов и напряжений схемы. Численные расчеты производятся в пакете MathCAD, при

этом спектры ограничиваются гармониками согласно ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95). По результатам расчетов получены зависимости, ряд из которых приведен на рис. 1 и 2, где г-г!Кн, г - активное сопротивление источника, Я„ - активное сопротивление нагрузки, тек -соитск =а>иСфЯн и тик = юитил = = сои1ф /Ин- приведенные постоянные времени цепи Г-образного СФ и нагрузки, /и - частота питающей сети, ым = 2/г • /„ - угловая частота питающей сети, Сф - емкость конденсатора СФ, £ф - индуктивность продольной ветви СФ, р - пульсность схемы выпрямления, р/и - частота пульсаций напряжения в звене постоянного юка (ЗПТ), за базовые величины приняты максимальное напряжение и ток короткого замыкания цепи источника.

Рис. 1. Диаграммы зависимостей коэффициентов: мощности, сдвига, гармоник трехфазной ЭП с С-фильтром от ее параметров в квазиустановившемся режиме

работы.

Рис. 2. Диаграммы зависимостей коэффициентов: мощности, сдвига, гармоник трехфазной ЭП с ЬС-фильтром от ее параметров в квазиустановившемся режиме работы.

Для достижения удовлетворительных характеристик ЭП целесообразно определенным образом формировать переходные процессы, связанные с их включением в питающую сеть, и прибегать к различным способам ограничения электромагнитных нагрузок, воздействующих на их элементы. Целесообразно ограничить пусковой ток таким образом, чтобы его эффективное значение не превышало допустимого для выбранного типа вентилей выпрямительного устройства и конденсатора СФ. Наличие Г-образного ЬС-фильтра в схеме обуславливает необходимость ограничения помимо токовых нагрузок на элементы ЭП величину возможного перенапряжения на конденсаторе СФ, которое может возникать при включении в питающую сеть и привести к выходу конденсатора СФ из строя.

Эффективные способы ограничения электромагнитных нагрузок на элементы ЭП в режимах включения в питающую сеть основаны на введении в продольную ветвь СФ токоограничивающего резистора цепи запуска или термистора - терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Номинальное сопротивление токоограничивающего резистора цепи запуска или термистора выбирается исходя из ограничения электромагнитных нагрузок на элементы ЭП на заданном уровне, на основании диаграмм их зависимости от параметров схем.

Указанные способы являются простыми и надежными в применении, однако характеризуются значительными потерями при пуске и снижением к.п.д. установки. Реализация схем ЭП с управлением начальной фазой включения в питающую сеть ц/и позволяет избежать указанных недостатков, расширить функции устройства и возможности формирования требуемых напряжений и токов в нагрузке, однако при этом возрастает как сложность, так и стоимость электротехнического устройства.

2. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем замкнутых систем электропривода постоянного тока при двухстороннем энергообмене меяеду источником и нагрузкой позволяет выбрать состав оборудования ЭП: силового фильтра, тормозной цепи и АВН, и определить электромагнитные нагрузки на их элементы, в зависимости от величины рекуперируемой

энергии вращающихся частей электропривода, уровня токо-ограничения и циклограмм работы ЗС ЭППТ.

Величины рекуперируемой энергии в емкость СФ и электромагнитных нагрузок на элементы ЭП, а также их зависимости от параметров системы электропривода и режима ее работы определяются по методике, использующей диаграмму нагрузки электропривода. Наиболее тяжелым режимом работы ЗС ЭППТ с ШИП, при котором электромагнитные нагрузки максимальны, является режим периодического реверса скорости с выходом в зону ограничения тока якоря на заданном уровне 7 о. Для данного режима работы кинетическая энергия вращающихся частей электропривода на интервале рекуперации определяется согласно:

WPEK =(q2v -ТО), (1)

где базовые величины: Wtm%=JzUb=ctQxx, 1К}~иь1гя и Qу - величина скорости в установившемся режиме, Л - приведенный момент инерции двигателя с нагрузкой, гя - сопротивление обмотки якоря, с, - конструктивный коэффициент. С учетом того, что эта энергия за время рекуперации рассеивается в якорной цепи машины и заряжает емкость СФ, т.е. является суммой двух составляющих, получим формулу для определения величины энергии, запасаемой в емкости СФ:

Wc =7o(Qy-7o)2/(7o+7c/), (2)

где I(l - ток, обусловленный статическим моментом нагрузки. Энергия, потребляемая из звена постоянного тока за времена интервалов разгона /,,, движения с установившейся скоростью ty и торможения t, , т.е. за время Тп = t, +tP +tv :

То 7oQV(QV+27O) - Тп 2Qy7o - -

[ -+ _ -+2/cv(----rj—zj—XOv +/<T)J

- Io+Ict (la-Irr) Tu (Io-Ict)

W n =----,(J)

7e

где ;/., = цлт ■ т]и,ип, т]Д]!, - к.п.д. двигателя постоянного тока (ДПТ), т]шип - к.п.д. ШИП, Тм - электромеханическая постоянная времени. Полученные зависимости (2) и (3) позволяют соотнести энергию

IVс к потребляемой из сети электрической энергии № п за время Ти (рис. 3) при заданных параметрах нагрузки и режима работы и дают возможность сравнивать эффективность различных способов использования энергии рекуперации при заданных требованиях к энергетическим, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам системы электропривода в целом.

Рис. 3. Диаграммы зависимости соотношения энергий от параметров системы электропривода постоянного тока в режиме периодического реверса скорости с токоограничением.

Исходя из электромеханических (низкочастотных) процессов в ЭП ЗС ЭППТ, когда тормозная цепь (ТЦ) и АВН не используются, напряжение на конденсаторе СФ в конце интервала рекуперации определяется согласно:

йСт* = ■(Тм/гяСф) + и2с,у , (4)

где величина напряжения на конденсаторе СФ в начале интервала рекуперации и со>, т.е. на интервале движения с установившейся скоростью, определяется по формуле:

исоу = VI "(21п /гясфр/и ) . (5)

На основании выражений (4) и (5) можно установить соотношение для определения емкости конденсатора СФ из условия ограничения напряжения на нем на заданном уровне (Л та зад в режиме рекуперации:

Сф>=(УГсТм-(2!стГрГи))1гя(Ус^Мб-\). (6)

Из условия минимально допустимого снижения напряжения на конденсаторе СФ и с т,п на интервале разгона при заданном уровне юкоограничения 7о емкость СФ выбирается:

СФ2 = г7о !{гя (1 - йсшп )р/И ]. (7)

На основании найденных соотношений (2) - (7) формулируется методика выбора параметров дискретно функционирующей тормозной цепи ЗПТ в ЗС ЭППТ с ШИП. Применение ТЦ целесообразно при Сф] > Сф2, что позволяет снизить величину емкости конденсатора СФ до значения Сф2 и его установленную мощность. Выбор параметров ТЦ производится из условия ограничения напряжения на конденсаторе СФ на заданном уровне С/г та* та в режиме рекуперации. Время включения тормозной цепи (0 определяется из равенства:

фг< шах «О - йпу Уясф21Ти =Жс (/„), (8)

при величине емкости СФ равной Сф2, где

№с((0) = 1о(012(ПУ-1о)-(1о+1ст)«0/Тм)]/Гм. (9)

Выражение (9) определяет энергию, аккумулируемую в конденсаторе СФ, за время от начала рекуперации до момента достижения напряжения на емкости СФ заданного уровня и с ты м. Энергия и рассеиваемая мощность в ТЦ:

= ГяСф2(Успах -истжхт>)/тм , (10)

Рщ (11)

где _

Ьис = Тм&У -7о)/(7о + 1п ), (12)

Сопротивление тормозного резистора выбирается согласно:

Ящ = иСтлх мй / РТЦ. (13)

При этом действующее значение тока в ТЦ определяется как:

^ТЦ та ~ ^ТЦ • (

3. Математическая модель замкнутой системы электропривода постоянного тока с активным выпрямителем напряжения и транзисторным ШИП, построенная по блочному принципу с использованием отдельных моделей элементов энерго- и информационной подсистем в среде МАТЪАВ/втиНпк, позволяет адекватно определять полную мощность и ее составляющие, показатели качества энергопотребления, а также электромагнитные нагрузки на элементы ЭП.

В пакете МАТЬАВ/ЗтиНпк реализованы модели ЗС ЭППТ с ШИП (рис. 4), которые включают отдельные модели элементов энергоподсистемы: источника питания, сетевого трансформатора, вентильного блока НУВ или АВН, ШИП, ДПТ, и информационной подсистемы: системы управления ШИП, состоящей из блока регуляторов и формирователя сигналов управления ключами ШИП по соответствующему алгоритму, системы управления АВН и ТЦ, блока измерений полной мощности и ее составляющих и показателей качества энергопотребления ЭП, блока измерения мощности на вторичной стороне трансформатора. Система управления и регулирования АВН является двухконтурной с внешним контуром регулирования напряжения ЗПТ и ПИ - регулятором и внутренним подчиненным контуром регулирования сетевых токов. Результаты моделирования ЭП ЗС ЭППТ на базе трехфазного АВН иллюстрирует рис. 5. Экспериментальные исследования ЭП ЗС ЭПГГГ подтвердили справедливость полученных теоретических положений и адекватность моделей с точностью до 15 %.

Установлено, что применение АВН в ЗС ЭППТ с ШИП позволяет: снизить емкость конденсатора СФ ЗПТ и его установленную мощность; стабилизировать напряжение в ЗПТ и регулировать его с заданной динамикой; обеспечить рекуперацию энергии в сеть и тем самым повысить энергетическую эффективность системы электропривода; улучшить показатели качества энергопотребления ЭП. Однако таким системам присущи следующие особенности и недостатки: при использовании сетевого трансформатора его габаритную мощность потребуется выбирать завышенной относительно ЭП на базе НУВ или ограничивать на заданном уровне сетевой ток, что снизит динамические качества ЗС ЭППТ; должно быть гарантирова-

но, что энергия может быть возвращена в питающую сеть, т.е. необходимо дополнительно учитывать характер сети электроснабжения; к.п.д. системы снизится из-за потерь в коммутирующем оборудовании АВН.

Рис. 4. Модель ЗС ЭППТ с ШИП на базе трехфазного АВН.

Рис 5 Диаграммы напряжения на конденсаторе СФ исф, тока якоря /я,

скорости , фазных напряжений ил , и я , «с и токов /л, /л, т на первичной стороне трансформатора в ЭП ЗС ЭППТ на базе АВН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, содержится решение задачи совершенствования энергетических показателей электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями, в связи с предъявляемыми к ним требованиями повышенной эффективности преобразования электрической энергии, за счет выбора рациональных структур и параметров элементов их энергоподсистем, что имеет существенное значение в промышленном и научном приборостроении и других отраслях. Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана методика расчета ЭП и получены зависимости электромагнитных нагрузок на элементы оборудования, составляющих полной мощности и показателей качества энергопотребления ЭП от параметров схем в переходных и квазистатических режимах работы.

2. Для трехфазной ЭП с Г-образным ЬС-фильтром получено условие (г//л>0,1), при выполнении которого энергетические коэффициенты достигают следующих значений: мощности от 0,95 и выше, искажения синусоидальности кривой тока ниже 0,32 .

3. Установлено, что в электротехнических установках малой мощности (до одного кВт) уменьшение электромагнитных нагрузок на элементы ЭП в переходных режимах работы достигается за счет включения в продольную ветвь ЭП единичного термистора, для установок средней и большой мощности следует применять цепь запуска или схему ЭП с управлением фазой включения в питающую сеть. Создана инженерная методика выбора параметров термисторов и цепей запуска.

4. Разработана методика выбора структуры ЭП, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них в ЗС ЭППТ с ШИП. Установлены расчетные соотношения, позволяющие определить целесообразность использования АВН в ЭП ЗС ЭППТ в зависимости от уровня ограничения тока якоря, величины рекуперируемой энергии вращающихся частей электропривода и циклограммы его работы.

5. Разработаны математические модели в пакете

MATLAB/Simulink, позволяющие определить составляющие полной мощности, показатели качества энергопотребления ЭП, структуру и параметры ЭП ЗС ЭППТ на базе НУВ и АВН. Адекватность моделей подтверждена экспериментальными исследованиями и сравнением с данными из литературных источников с точностью до 15 %.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах:

1. Борисов П.А. Расчет и моделирование электромагнитных процессов в силовой цепи замкнутой системы электропривода постоянного тока с ШИП / П.А. Борисов, B.C. Томасов // XXIX Неделя науки СПб ГТУ. 4.V: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПб ГТУ, 2001.-с. 112-113.

2. Томасов B.C. Анализ частотных характеристик обратимых источников питания транзисторных инверторов / B.C. Томасов, С.А. Серебряков, П.А Борисов // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск 3. Физические процессы, системы и технологии точной механики. СПб.: Изд-во СПб ГИТМО (ТУ), 2001. - с. 113-119.

3. Томасов B.C. Электромагнитные процессы в силовой цепи источника питания транзисторного ШИП, работающего в замкнутой системе электропривода / B.C. Томасов, С.А. Серебряков, П.А. Борисов // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45, № 8. - с. 42-50.

4. Борисов П.А. Моделирование и анализ электромагнитных процессов в силовых цепях активных выпрямителей напряжения / П.А. Борисов, B.C. Томасов // Труды V Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение". МКЭЭЭ-2003, Часть I. Крым, Алушта. 2003. - с. 727-730.

5. Томасов B.C. Анализ электромагнитных процессов при включении активных выпрямителей напряжения в питающую сеть / B.C. Томасов, П.А. Борисов // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск 10. Информация и управление в технических системах. СПб.: Изд-во СПб ГИТМО (ТУ), 2003. - с. 218-222.

6. Борисов П.А. Определение составляющих полной мощности энергоподсистем электротехнических комплексов / П.А. Борисов, B.C. Томасов // Exponenta Pro. Математика в приложениях. № 1 (5), 2004. - с. 40 - 44.

7. Борисов П.А. Анализ переходных процессов в активных выпрямителях с емкостными фильтрами / П.А. Борисов, B.C. Томасов // XXXII Неделя науки СПб ГПУ. 4.V: Материалы межвузовской научно-технической конференции. СПб.: Изд-во СПб ГПУ, 2004. - с. 112-114.

8. Борисов П.А. Методика выбора наиболее эффективного способа использования энергии рекуперации в системах электропривода на базе ШИП - ДПТ в зависимости от режима работы / П.А. Борисов, B.C. Томасов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 15. СПб.: Изд-во СПбГУ ИТМО, 2004. - с. 335-339.

9. Борисов П.А. Методика расчета и проектирования энергоподсистем электротехнических комплексов с RC-нагрузкой. Сборник I конференции молодых ученых и специалистов СПб ГУ ИТМО. 2004. Т. 2.-с. 139- 148.

10. Борисов П.А. Несимметричные режимы работы полупроводниковых преобразователей. Труды Международной научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления". Томск. 2004. - с. 133 - 135.

11. Борисов П.А. Применение MATLAB/Simulink для измерения и оценки качества электроэнергии в трехфазных симметричных системах с активными преобразователями. Труды Н-й Всероссийской научной конференции. Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB. Москва. 2004. - с. 1372-1387.

12. Борисов П.А. Определение электромагнитных нагрузок на элементы энергоподсистемы автоматизированных электроприводов постоянного тока с ШИП. Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития". Магнитогорск. 2004. Ч. I. - с. 332-334.

13. Томасов B.C. Исследование электромагнитных процессов в энергетическом канале замкнутой системы электропривода Постоянного тока / B.C. Томасов, В.А. Синицын, П.А. Борисов // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 11. - с. 9-16.

14. Борисов П.А. Применение термисторов в схемах выпрямителей. Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 11. - с. 68-73.

РИЦСГИГИ 20 05 2005 3 237 Т 100 жз 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

6

<1

*13174

РНБ Русский фонд

2006-4 11139

ВВЕДЕНИЕ.

ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОДСИСТЕМ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.

1.1. Обзор теоретических исследований и разработок энергоподсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями.

1.2. Определение составляющих полной мощности и показателей качества энергопотребления энергетических подсистем.

1.3. Энергоподсистемы с односторонним потреблением электроэнергии.

1.4. Энергоподсистемы с двухсторонним энергообменом.

Выводы по главе 1.

Глава 2. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГОПОДСИСТЕМ С ОДНОСТОРОННИМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПЕРЕХОДНЫХ И

KBАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ РАБОТЫ.

2.1. Методика исследования электромагнитных и энергетических процессов в переходных и квазиустановившихся режимах работы энергетических подсистем.

2.2. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем с односторонним потреблением электроэнергии в переходных и квазиустановившихся режимах работы.

2.3. Способы ограничения электромагнитных нагрузок в режимах включения энергоподсистем в питающую сеть.

2.4. Методика выбора термисторов, применяемых для ограничения электромагнитных нагрузок в режимах включения энергоподсистем в питающую сеть.

Выводы по главе 2.

Глава 3. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГОПОДСИСТЕМ С ДВУХСТОРОННИМ ЭНЕРГООБМЕНОМ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА.

3.1. Условия работы и требования к энергоподсистемам замкнутых систем электропривода постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями.

3.2. Исследование электромагнитных и энергетических процессов в энергоподсистеме замкнутой системы электропривода постоянного тока при работе в режиме движения следящего вала по гармоническому закону.

3.3. Исследование электромагнитных и энергетических процессов в энергоподсистеме замкнутой системы электропривода постоянного тока при работе в режиме периодического реверса скорости с выходом в зону токоограничения.

3.4. Методика выбора структуры энергоподсистемы, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них в замкнутых системах электропривода постоянного тока.

Выводы по главе 3.

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОДСИСТЕМ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ С

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.

4.1. Моделирование энергетических подсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями.

4.1.1. Моделирование электротехнических устройств в современных интегрированных математических пакетах и программах.

4.1.2. Модели измерительных схем полной мощности и ее составляющих энергетических подсистем в пакете MATLAB/Simulink и их верификация.

4.1.3. Моделирование энергетических подсистем с термисторами.

4.1.4. Модели замкнутых систем электропривода постоянного тока с ШИП на базе НУВ и АВН.

4.1.5. Моделирование замкнутой системы электропривода постоянного тока на базе неуправляемого выпрямителя в пакете MATLAB/Simulink.

4.1.6. Моделирование замкнутой системы электропривода постоянного тока на базе активного выпрямителя напряжения в пакете MATLAB/Simulink.

4.2. Экспериментальные исследования энергетических подсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями.

4.2.1. Экспериментальные исследования энергоподсистем с односторонним потреблением электроэнергии.

4.2.2. Экспериментальные исследования энергоподсистем с двухсторонним энергообменом.

4.2.3. Разработка и внедрение опытного образца низкочастотного импульсного источника питания технологических установок.

Выводы по главе 4.

Широкое использование в современных электротехнических комплексах различного назначения регулируемых систем с полупроводниковыми преобразователями электрической энергии требует дальнейшего совершенствования их энергетических подсистем. Энергетическая подсистема (ЭП) включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового преобразователя (ПП), нагрузки и определяет массогабаритные и динамические показатели электротехнических комплексов и систем. Полупроводниковый преобразователь является неотъемлемой частью современных систем электропитания технологических объектов, а также систем автоматизированного электропривода, и обеспечивает их электрической энергией требуемого вида и качества. Постоянное совершенствование элементной базы полупроводниковых преобразователей за счет создания и освоения промышленностью высокоэффективных силовых приборов и вычислительных устройств на базе программируемых микроконтроллеров позволило существенно расширить функции силовых устройств и активно влиять на показатели качества потребляемой ЭП электроэнергии и их электромагнитную совместимость с питающей сетью средствами самой преобразовательной техники.

При построении ЭП остро встают вопросы выбора ее структуры и параметров элементов в зависимости от типа первичного источника питания, характера и режимов работы нагрузки. В данной работе рассматриваются различные структуры энергоподсистем, построенных на базе источников питания переменного тока с последующим преобразованием в постоянный с односторонним потреблением и двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой. Следует отметить, что исследованию таких ЭП посвящены работы Глазенко Т.А., Глинтерника С.Р., Герман-Галкина С.Г., Грузова B.JL, Долбни В.Т., Дрехслера Р., Жежеленко И.В., Забродина Ю.С.,

Зиновьева Г.С., Исхакова А.С., Лабунцова В.А., Маевского О.А., Мыцыка Г.С., Новосельцева А.В., Розанова Ю.К., Руденко B.C., Солодухо Я.Ю., Стрелкова М.Т., Супроновича Г., Тонкаля В.Е., Шрейнера Р.Т., других отечественных и зарубежных ученых. Требования, предъявляемые к современным ЭП, заставляют сочетать такие их качества, как повышенная эффективность преобразования электрической энергии и надежность функционирования. Отвечать этим требованиям невозможно без учета переходных процессов в ЭП и определения электромагнитных нагрузок, воздействующих на элементы ЭП при включении ее в питающую сеть.

При построении энергоподсистем с двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой наиболее важными являются вопросы определения структуры и параметров ЭП, обеспечивающих эффективный способ использования энергии рекуперации. В работе рассмотрены ЭП замкнутых систем электропривода постоянного тока (ЗС ЭППТ) с транзисторными широтно-импульсными преобразователями (ШИП), которые находят широкое применение в промышленном и научном приборостроении и других отраслях. Реализация в замкнутых системах электропривода эффективных тормозных режимов накладывает жесткие требования к выбору состава оборудования энергоподсистемы и определению электромагнитных нагрузок на ее элементах.

ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

Цель диссертационной работы - совершенствование энергетических показателей электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями за счет выбора рациональных структур и параметров элементов их энергоподсистем.

Идея работы заключается в выборе рациональных структур и параметров элементов ЭП с односторонним потреблением и двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой на основе их структурно-параметрического анализа, в снижении электромагнитных нагрузок на их элементы в переходных и квазистатических режимах работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику расчета ЭП в переходных и квазиустановившихся режимах работы и получить зависимости показателей качества энергопотребления, электромагнитных нагрузок на элементы оборудования от параметров силовых цепей.

2. Разработать способы ограничения электромагнитных нагрузок, возникающих при включении ЭП в питающую сеть, и методику выбора ее структуры и параметров элементов.

3. Разработать методику выбора структуры ЭП ЗС ЭППТ с ШИП, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них.

4. Разработать математические модели ЗС ЭППТ с ШИП на базе неуправляемого выпрямителя (НУВ) и активного выпрямителя напряжения (АВН). Исследовать режимы работы ЭП ЗС ЭППТ с ШИП на базе АВН, обеспечивающих рекуперацию энергии в сеть и повышение показателей качества энергопотребления.

Методы исследований: для решения поставленных задач использовались операторный метод, метод гармонического анализа, а также численное моделирование. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде "Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением" и на опытном образце ЭП ЗС ЭППТ опорно-поворотного устройства системы наведения телескопа траекторных измерений (ТТИ) наземной оптико-лазерной системы (HOJIC) Алтайского оптико-лазерного центра (АОЛЦ) ФНПЦ ФГУП НИИ прецизионного приборостроения (ПП), разработанных на кафедре электротехники и прецизионных электромеханических систем (ЭТиПЭМС)

Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПб ГУ ИТМО) по госбюджетным и хоздоговорным НИР.

Защищаемые научные положения:

1. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем при одностороннем потреблении электроэнергии, с учетом свойств первичных источников питания и начальной фазы включения ЭП в питающую сеть, позволяет уменьшить электромагнитные нагрузки на элементы ЭП и улучшить энергетические показатели: коэффициент мощности от 0,95 и выше, коэффициент искажения синусоидальности кривой тока ниже 0,32.

2. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем замкнутых систем электропривода постоянного тока при двухстороннем энергообмене между источником и нагрузкой позволяет выбрать состав оборудования ЭП: силового фильтра, тормозной цепи и АВН, и определить электромагнитные нагрузки на их элементы, в зависимости от величины рекуперируемой энергии вращающихся частей электропривода, уровня токоограничения и циклограмм работы ЗС ЭППТ.

3. Математическая модель замкнутой системы электропривода постоянного тока с активным выпрямителем напряжения и транзисторным ШИП, построенная по блочному принципу с использованием отдельных моделей элементов энерго- и информационной подсистем в среде MATLAB/Simulink, позволяет адекватно определять полную мощность и ее составляющие, показатели качества энергопотребления, а также электромагнитные нагрузки на элементы ЭП.

Научная новизна работы:

1. Получены зависимости показателей качества энергопотребления и электромагнитных нагрузок на элементы ЭП от их параметров в переходных и квазистатических режимах работы. За счет выбора рациональных структур и параметров элементов ЭП улучшены коэффициенты мощности и искажения синусоидальности кривой тока и уменьшены электромагнитные нагрузки на элементы ЭП электротехнических комплексов и систем в переходных и квазистатических режимах работы.

2. Получены расчетные соотношения и зависимости, связывающие величину рекуперируемой энергии вращающихся частей электропривода с его параметрами и режимами работы, которые позволяют сравнивать эффективность различных способов ее использования и производить выбор структуры и параметров элементов ЭП ЗС ЭППТ.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика расчета энергетических показателей и электромагнитных нагрузок на элементы ЭП и реализована в среде MathCAD.

2. Создана инженерная методика выбора параметров термисторов, ограничивающих электромагнитные нагрузки, возникающие при включении энергоподсистем в питающую сеть.

3. Разработана методика выбора структуры ЭП ЗС ЭППТ с ШИП, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них.

4. Выработаны рекомендации по применению АВН в ЭП ЗС ЭППТ с ШИП в зависимости от параметров нагрузки и режимов работы электропривода.

5. Разработаны математические модели в пакете MATLAB/Simulink, позволяющие определить составляющие полной мощности, показатели качества энергопотребления ЭП, структуру и параметры ЭП ЗС ЭППТ с ШИП на базе неуправляемого выпрямителя и АВН.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теории энергетических процессов в вентильных преобразователях и теории электропривода, подтверждается моделированием систем в современных интегрированных пакетах MathCAD, MATLAB/Simulink, OrCAD/PSpice, сравнением ряда полученных зависимостей с данными из литературных источников, а также достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами. В ходе выполнения работ по грантам Министерства образования Российской Федерации: грант № 01.2.00.103623 «Исследование условий работы первичных источников питания транзисторных инверторов, работающих в замкнутых системах электропривода и разработка методики их расчета и проектирования», 2000 г., грант № АОЗ-З.14-171 «Методики расчета и проектирования энергоподсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями», 2003 г., диссертантом получены результаты, изложенные в диссертационной работе.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации использованы:

1. при разработке и изготовлении ЭП ЗС ЭППТ системы наведения ТТИ HOJ1C АОЛЦ в рамках выполнения хоздоговорных НИР № 22510, 24580 по заказам ФГУП НИИ ПП (г. Москва).

2. при создании энергоподсистемы лабораторного стенда в рамках НИР № 2.1.1.(00.0) 190.151 «Разработка учебного лабораторного комплекса: "Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением" и изготовление головного стенда», выполненной по программе Министерства образования Российской Федерации «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» на кафедре ЭТиПЭМС, а также в учебном процессе в СПб ГУ ИТМО.

3. при создании и внедрении в опытную эксплуатацию импульсного источника в ООО "Спецстандарт" (г. Москва).

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана методика расчета ЭП и получены зависимости электромагнитных нагрузок на элементы оборудования, составляющих полной мощности и показателей качества энергопотребления ЭП от параметров схем в переходных и квазистатических режимах работы.

2. Для трехфазной ЭП с Г-образным LC-фильтром получено условие (2.62.1), при выполнении которого энергетические коэффициенты достигают следующих значений: мощности от 0,95 и выше, искажения синусоидальности кривой тока ниже 0,32 .

3. Установлено, что в электротехнических установках малой мощности (до одного кВт) уменьшение электромагнитных нагрузок на элементы ЭП в переходных режимах работы достигается за счет включения в продольную ветвь ЭП единичного термистора, для установок средней и большой мощности следует применять цепь запуска или схему ЭП с управлением фазой включения в питающую сеть. Создана инженерная методика выбора параметров термисторов и цепей запуска.

4. Разработана методика выбора структуры ЭП, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них в ЗС ЭППТ с ШИП. Установлены расчетные соотношения, позволяющие определить целесообразность использования АВН в ЭП ЗС ЭППТ в зависимости от уровня ограничения тока якоря, величины рекуперируемой энергии вращающихся частей электропривода и циклограммы его работы.

5. Разработаны математические модели в пакете MATLAB/Simulink, позволяющие определить составляющие полной мощности, показатели качества энергопотребления ЭП, структуру и параметры ЭП ЗС ЭППТ на базе НУВ и АВН. Адекватность моделей подтверждена экспериментальными исследованиями и сравнением с данными из литературных источников с точностью до 15 %.

156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, содержится решение задачи совершенствования энергетических показателей электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями, в связи с предъявляемыми к ним требованиями повышенной эффективности преобразования электрической энергии, за счет выбора рациональных структур и параметров элементов их энергоподсистем, что имеет существенное значение в промышленном и научном приборостроении и других отраслях.

1. Глазенко ТА. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах. М. - Л.: Энергия, 1965.

2. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973.

3. Глазенко Т.А. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении / Т.А. Глазенко, B.C. Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. - Т. 39. - № 3. - С. 5 - 12.

4. Козярук А.Е. История и перспективы развития полупроводниковой преобразовательной техники и систем электропривода на ее основе / А.Е. Козярук, B.C. Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1998. - Т. 41. - № 1 -2.-С. 85 -93.

5. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1982. - 496 е., ил.

6. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992.

7. Глазенко Т. А. Электротехника и основы электроники: учебное пособие для вузов / Т. А. Глазенко, В.А. Прянишников. // М.: Высшая школа, 1985.

8. Прянишников В.А. Электроника: курс лекций. СПб.: КОРОНА принт, 1998.-400 е., ил.

9. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. Под ред. С.Д. Додика и Е.И. Гальперина. — М.: Советское радио, 1969. 448 е., ил.

10. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта. -М.: Радио и связь, 1985. 576 е., ил.

11. П.Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС: учеб. для вузов по спец. "Радиотехника". 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991.-272 е., ил.

12. Глазенко Т.А. Методика анализа переходных процессов в выпрямителях с гС-фильтрами / Т.А. Глазенко, B.C. Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1994. - Т. 37. - № 11 - 12. - С. 45 -53.

13. Глазенко Т.А. Формирование и оптимизация переходных процессов при включении выпрямителей приборных систем с гС-фильтрами в питающую сеть / Т.А. Глазенко, B.C. Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1995. -Т.38.-№7-8.-С. 37-43.

14. Н.Исхаков А.С. Коэффициент мощности однофазного выпрямителя с емкостным фильтром / А.С. Исхаков // Электричество. 2000. - № 9. - С. 51 -53.

15. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. Новосиб.: 1990. - 220 с.

16. Глазенко Т.А. Особенности расчета силовых фильтров следящих систем электропривода "ШИП-ДПТ" / Т.А. Глазенко, B.C. Томасов // Межвузовский сб. 1976. - С. 17-25.

17. Глазенко Т.А. Принципы построения быстродействующих высокоэкономичных электроприводов "транзисторный ШИП-ДПТ" / Т.А. Глазенко, В.А. Синицын, B.C. Томасов // В кн.: Автоматизированный электропривод. М.: МДНТП, 1980. - С. 119 - 124.

18. Томасов B.C. Анализ силовых фильтров транзисторных широтно-импульсных преобразователей / B.C. Томасов // Информэлектро "Депонированные научные работы". -М.: 1984. № 1.

19. Томасов B.C. Электромагнитные процессы в силовой цепи источника питания транзисторного ШИП, работающего в замкнутой системеэлектропривода / B.C. Томасов, С.А. Серебряков, П.А. Борисов // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. - Т. 45. - № 8. - С. 42 - 50.

20. Томасов B.C. Исследование электромагнитных процессов в энергетическом канале замкнутой системы электропривода постоянного тока / B.C. Томасов, В.А. Синицын, П.А. Борисов // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. - Т. 47. -№ 11.-С. 9-16.

21. Кругъ К.А. Основы электротехники. -М.: 1916. 496 е., ил.

22. Френкель А. Теория переменных токов. JI. - М.: ОНТИ, Энергоиздат, 1933. - 476 е., ил.

23. Вагнер К.Ф., Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. JI. - М.: ОНТИ НКТП СССР, 1936. - 408 е., ил.

24. Лурье Л.С. Коэффициент мощности несимметричной трехфазной нагрузки / Л.С. Лурье // Электричество. 1952. - № 3.

25. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. В двух томах. Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1967.

26. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. — М.: Энергия, 1978. 320 е., ил.

27. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи: учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. 8-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1984. - 559 е., ил.

28. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке: пер. с чешек. А.А. Окина. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 112 е., ил.

29. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: пер. с польск. под ред. В.А. Лабунцова. — М.: Энергоатомиздат,1985.- 136 с., ил.

30. Новосельцев А.В, Определение составляющих полной мощности в однофазных электрических цепях на основе классического метода и метода гипотетических составляющих / А.В. Новосельцев, М.Т. Стрелков // Киев.:1986.-64 с.

31. Лабунцов В.А. Проблемы преобразовательной техники / В.А. Лабунцов, B.C. Руденко и др. //-Киев.: 1991, 52 с.

32. Розанов Ю.К. Современные методы улучшения качества электроэнергии (аналитический обзор) / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий // Электротехника. -1998.-№3.-С. Ю-17.

33. Розанов Ю.К. Современные методы регулирования качества электроэнергии средствами силовой электроники / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк // Электротехника. 1999. - № 4. - С. 28 - 32.

34. Лабунцов В.А. Трехфазный выпрямитель с емкостным фильтром и улучшенной кривой потребляемого из сети тока / В.А. Лабунцов, Ч. Дайжун // Электричество. 1993. - № 6. - С. 45 - 48.

35. Ефимов А.А., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Р.Т. Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. - 250 с.

36. Dixon J.W. Characteristics of a controlled-current PWM rectifier-inverter link / J.W. Dixon, A.B. Kulkarni, M. Nishimoto, B.T. Ooi // IEEE Conf., Denver. 1986.

37. Malesani L. Three-phase ac/dc PWM converter with sinusoidal ac currents and minimum filter requirements / L. Malesani, P. Tenti // IEEE Trans. Ind. Applicat., 1987.-vol. 23.-pp.71 -77.

38. Omar S. A single-phase controlled-current PWM rectifier / S. Omar, B.T. Ooi // IEEE Trans, on Power Electron., 1988. Vol. 3. - No. 4. - pp. 453 - 459.

39. Mao H. Review of high performance three-phase power-factor correction circuits / H. Mao, F.C. Lee, D. Boroyevich, S. Hiti // IEEE Trans. Ind. Electron., Aug. 1997.-vol. 44.-pp. 437-446.

40. Lee W.-C. A novel control method for three-phase PWM rectifiers using a single current sensor / W.-C. Lee, D.-S. Hyun, T.-K. Lee // IEEE Trans, on Power Electron., Sept. 2000. Vol. 15. - No. 5. - pp. 861 - 870.

41. Hui S.Y. A bi-directional AC-DC power converter with power factor correction / S. Y. Hui, H. Shu-Hung Chung, Y. Siu-Chung // IEEE Trans, on Power Electron., Sept. 2000. Vol. 15. - No. 5. - pp. 942 - 949.

42. Yoshida T. An improvement technique for the efficiency of high-frequency switch-mode rectifiers / T. Yoshida, O. Shiizuka, O. Miyashita, K. Ohniwa // IEEE Trans, on Power Electron., Nov. 2000. Vol. 15. - No. 6. - pp. 1118 - 1123.

43. Ahn S.C. New control scheme of three-phase PWM AC/DC converter without phase angle detection under the unbalanced input voltage conditions / S.C. Ahn, D.S.Hyun // IEEE Trans, on Power Electron., 2002.-Vol. 17. -No. 5. -pp. 616-622.

44. Lee D.C. AC voltage and current sensorless control of three-phase PWM rectifiers / D.C. Lee, D.S. Lim // IEEE Trans, on Power Electron., Nov. 2002. -Vol. 17. No. 6. - pp. 883 - 890.

45. Qiao C. A general three-phase PFC controller for rectifiers with a parallel-connected dual boost topology / C. Qiao, K.M. Smedley // IEEE Trans, on Power Electron., Nov. 2002. Vol. 17. - No. 6. - pp. 925 - 934.

46. Pomilio J.A. A low-inductance line-frequency commutated rectifier complying with EN 61000-3-2 standards / J.A. Pomilio, G. Spiazzi // IEEE Trans, on Power Electron., Nov. 2002. Vol. 17. - No. 6. - pp. 963 - 970.

47. Глинтерник С.Р. Тиристорные преобразователи со статическими компенсирующими устройствами. Д.: Энергоатомиздат., 1988. - 240 е., ил.

48. Gyugyi L. Active AC power filters / L. Gyugyi, E.C. Stricula // Conf. Rec. Meet IEEE Ind. Appl. Soc. 1976. pp. 529 - 535.

49. Rastogi M. A comparative evaluation of harmonic reduction techniques in three phase utility interface of power electronic loads / M. Rastogi, R. Naik, N. Mohan // Proc. IEEE—IAS Ann. Meeting, Toronto, Canada, Oct. 1993. pp. 971 - 978.

50. Carraso J.M. An analog neural network controller for an active power filter on the instantaneous reactive power theory / J.M. Carraso, J.M. Quero, R. Gomes, L.G. Franquelo // Epe'95. Sevilla. 1995. Vol. 1. - pp. 385 - 389.

51. Pouliquen H. Vector control of shunt active filters / H. Pouliquen, P. Rioual // Epe'95. Sevilla. 1995. Vol. 1. - pp. 880 - 885.

52. Ghazi R. A fuzzy-genetic pulse width modulation for active power filters / R. Ghazi, H.A. Toliyat, S.M.R. Rafiri // Stockholm (Sweden). 1995. pp. 267 - 272.

53. Bose B.K. Expert system, fuzzy logic, and neural network applications in power electronics and motion control // Proc. IEEE, 1994. Vol. 82. - pp. 1303 - 1323.

54. Dixon J.W. A fuzzy-controlled active front-end rectifier with current harmonic filtering characteristics and minimum sensing variables / J.W. Dixon, J.M. Contardo, L.A. Moran // IEEE Trans, on Power Electron., July 1999. Vol. 14. -No. 4.-pp. 724-729.

55. Томасов B.C. Анализ электромагнитных процессов при включении активных выпрямителей напряжения в питающую сеть / B.C. Томасов, П.А. Борисов // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск 10. -СПб.: Изд-во СПб ГИТМО (ТУ), 2003. С. 218 - 222.

56. Борисов П.А. Анализ переходных процессов в активных выпрямителях с емкостными фильтрами / П.А. Борисов, B.C. Томасов // XXXII Неделя науки СПб ГПУ. 4.V. СПб.: Изд-во СПб ГПУ, 2004. - С. 112 - 114.

57. SEW Eurodrive. Практика приводной техники. 1996. Т. 7.

58. Рабинович Л.В. Проектирование следящих систем / Л.В. Рабинович, Б.И. Петров, В.Г. Терсков и др. //- М.: Машиностроение, 1969. 500 е., ил.

59. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода: учебник для вузов. Изд. 5-е доп. и переработ. -М.: Энергия, 1971. 432 е., ил.

60. Динамика вентильного электропривода постоянного тока. Под ред. Поздеева А.Д. М.: Энергия, 1975. - 224 с.

61. Глазенко Т.А. Методы расчета электрических цепей с дискретно изменяющимися параметрами / Т.А. Глазенко, Б.В. Богданов, А.Н. Балясникова: учеб. пособие. Л.: ЛИТМО, 1989. - 53 с.

62. Поссе А.В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока. Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1973. - 304 с.

63. Полянин АД. Справочник по линейным уравнениям математической физики. -М.: Физматлит, 2001. 576 с.

64. Киреев В.И., Пантелеев А.В. Численные методы в примерах и задачах. М.: Высшая школа, 2004. - 480 с.

65. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования.-М.: Наука, 1972. 768 с.

66. Справочник по полупроводниковой электронике: под ред. П.Х. Ллойда, проф. Рочестерского университета. Сокр. перевод с англ. под ред. д.т.н. Шаца С .Я., к.т.н. Литвинова И. И. М.: Машиностроение, 1975.

67. Чиженко И.М., Руденко B.C., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники: учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника» -М., Высш. школа, 1974.

68. Будяну К.И. К вопросу об явлениях искажения в электрических машинах и аппаратах // Журнал электротехники и энергетики. — 1956. Т. I. - № 2. — С. 39-50.

69. Kelley A.W. Rectifier design for minimum line-current harmonics and maximum power factor / A.W. Kelley, W.F. Yadusky // IEEE Trans, on Power Electron., April 1992. Vol. 7. - No. 2. - pp. 332 - 341.

70. Wolfle W.H. Power factor correction for ac/dc converters with cost effective inductive filtering / W.H. Wolfle, W.G. Hurley, S. Arnoult // Power Electron. Spec. Conf. (PESC'00), Galway, Ireland, June 2000. Vol. 1. - pp. 332 - 337.

71. Wolfle W.H. Quasi-active power factor correction with a variable inductive filter: theory, design and practice / W. H. Wolfle, W.G. Hurley // IEEE Trans, on Power Electron., Jan. 2003. Vol. 18. - No. 1. - pp. 248 - 255.

72. Оптимизация устройств преобразовательной техники. Под ред. В.Е. Тонкаля. — Киев: Наук, думка, 1977. 171 с.

73. Тонкаль В.Е. Оптимизация силовых полупроводниковых преобразователей / В.Е. Тонкаль, А.В. Новосельцев, М.Т. Стрелков // Оптимизация схем и параметров устройств преобразовательной техники. — Киев: Наук, думка, 1983.-С. 3-13.

74. Банди Б. Методы оптимизации: Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988.

75. Башарин А.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ: учеб. пособие. / А.В. Башарин, Ю.В. Постников // 3-е изд. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 512 с.

76. Корячко В.П. и др. Теоретические основы САПР: учебник / В.П. Корячко, В.М. Курейчик, И.П. Норенков//-М.: Энергоатомиздат, 1987. 400 с.

77. Кошелев П.А. Проектирование источников питания технологических установок с промежуточным звеном повышенной частоты: учеб. пособие / П.А. Кошелев, А.Е. Овчаренко //-Л.: ЛЭТИ, 1990. 64 с.

78. Орлов Н.Н. Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств: учеб. пособие / Н.Н. Орлов, С.И. Маслов // — М.: Энергоатомиздат, 1989. 296 с.

79. Разработка САПР: в 10 кн. под ред. А.В. Петрова. -М.: Высшая школа, 1990.

80. Фролов Ю.М. Автоматизированное проектирование электроприводов: учеб. пособие / Ю.М. Фролов, А.В. Романов // Воронеж: Воронеж, гос. техн. унт, 2003. - 205 с.

81. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.

82. Бас А.А. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом / А.А. Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин // М.: Радио и связь, 1987.- 160 е., ил.

83. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры». М.: Высш. шк., 1984. - 247 е., ил.

84. Борисов П.А. Применение термисторов в схемах выпрямителей / П.А. Борисов // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. - Т. 47. - № 11. - С. 68 - 73.

85. Maxwell Technologies Systems Division. DC bus ride-through system brochure. Arlington, MA, May 1998.98. www.maxwell.com: Double layer electrochemical capacitors. User Manual & General Technical Information. 2004.

86. Lufrano F. Evaluation of nafion based double layer capacitors by electrochemical impedance spectroscopy / F. Lufrano, P. Staiti, M. Minutoli // Journal of Power Sources. 2003. № 124. - pp. 314 - 320.

87. Морозов А.Г. Расчет электрических машин постоянного тока: учеб. пособие для втузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1977. - 264 е., ил.

88. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА принт, 2002. - 304 е., ил.

89. Герман-Галкин С.Г. Электрические машины: лабораторные работы на ПК / С.Г. Герман-Галкин, Г.А. Кардонов // СПб.: КОРОНА принт, 2003. -256 е., ил.

90. Васильев А.О. Функциональное моделирование в MATLAB активного корректора коэффициента мощности / А.О. Васильев, А.А. Зобенко, В.А.

91. Хабузов, В.Ф. Худяков // Exponenta Pro. Математика в приложениях. 2003. -№2 (2).-С. 67-70.

92. Борисов П.А. Определение составляющих полной мощности энергоподсистем электротехнических комплексов / П.А. Борисов, B.C. Томасов // Exponenta Pro. Математика в приложениях. 2004. № 1 (5). С. 40 -44.

93. Борисов П.А. Несимметричные режимы работы полупроводниковых преобразователей / П.А. Борисов // Труды Международной научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления". Томск. 2004.-С. 132- 134.

94. Ильина А.Г. Исследование однофазных трансформаторов в пакете MATLAB / А.Г. Ильина, Г.А. Кардонов // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46. - № 6. - С. 36-41.

95. Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники: учеб. пособие для вузов; под ред. проф. П.А. Ионкина. М.: Энергоиздат, 1982.-768 е., ил.

96. Zigler J.C. Optimum settings for automatic controllers / J.C. Zigler, N.B. Nichols // ASME Transactions, 1942. Vol. 64, - No. 8. - p. 759.167