автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование полупроводниковых преобразователей с трансформаторами с вращающимися магнитными полями в судовых электротехнических системах

На правах рукописи

МУЗЫКА

Михаил Михайлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ТРАНСФОРМАТОРАМИ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ В СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность 05 09 03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЭ16ББ4и

Санкт-Петербург 2008

003166640

Работа выполнена в филиале «СЕВМАШВТУЗ» - Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Черевко Александр Иванович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор кандидат технических наук, доцент

Корнев Александр Сергеевич Рудаков Виктор Викторович

Ведущая организация ОАО «СПО «АРКТИКА»

Защита состоится «2.&» 2008 г в 14 часов на заседании

Диссертационного Совета Д 212 228 03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу 190008, г Санкт-Петербург, ул Лоцманская, 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Автореферат разослан «2А» М&^УСс 2008 г

Ученый секретарь Диссертационного Совета д т н , профессор А П Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Автономные судовые электротехнические комплексы и системы (АСЭКиС) это, как правило, системы двойного рода тока, содержащие в своем составе потребители постоянного и переменного тока одной или нескольких частот, что требует наличия устройств, связывающих сети переменного и постоянного тока, а также переменного тока разных частот

На кораблях ВМФ и судах гражданского отечественного флота до середины 80-х годов ХХ-го века для этих целей применялись электромашинные преобразователи (ЭП), а в настоящее время для связи сетей переменного и постоянного тока применяются полупроводниковые (статические) преобразователи (ПП), причем их установочная единичная мощность достигает 15-20% от мощности корабельных синхронных генераторов

В настоящее время, несмотря на обширные и интенсивные исследования, выполнявшиеся ВЧ-27177, ФГУП «ЦНИИ имени академика АН Крылова», ФГУП «ЦНИИ «Аврора», ОАО «Электросила» и университетами СПбГЭУ (ЛЭТИ), МЭУ (МЭИ), СПбГМТУ (ЛКИ), СПбГУВК и рядом других организаций, проблема качества электрической энергии в автономных электроэнергетических установках по прежнему остается весьма актуальной

Это связанно с тем, что в последние годы интенсивно развиваются ПП, выполненные на новых полупроводниковых элементах (ЮВТ-транзисторах), применение которых значительно ухудшает качество электроэнергии в трехфазной сети за счет искажения форм кривых токов и напряжений Многоячейковые (сотовые) преобразователи, используемые для управления электроприводами, требуют для своей работы применения конденсаторов, что вызывает рост емкостей «фаза-фаза», «фаза-корпус» и, таким образом, повышает вероятность возникновения резонансных явлений на высших гармониках в АСЭКиС и повышает пожароопасность

Из сказанного следует, что разработка новых принципов построения ПП, не требующих для своей работы дополнительных емкостей и обеспечивающих высокое качество напряжения в трехфазной сети переменного тока и сетях постоянного тока, является актуальной задачей Цель работы и задачи исследований. Целью работы является разработка полупроводниковых преобразователей (ПП), исключающих применение конденсаторов и обеспечивающих высокое качество напряжения на входе и выходе ПП за счет построения силовых схем

ПП на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП) с обмотками, выполненными по схеме «Y/круговая обмотка (КО)» и «КО/У», что требует

1 Разработки теории электромагнитных процессов для управляемых выпрямителей (УВ) и автономных инверторов (АИ), построенных на базе ТВМП с различным числом пар силовых ключей (СКЛ) транзисторных коммутаторов (ТК), переключающих отводы КО ТВМП, и методики оценки качества выходного напряжения управляемых выпрямителей и автономных инверторов с ТВМП при различном числе пар CKJI ТК

2 Разработки алгоритмов, способов управления и структурных схем систем управления СКЛ ТК УВ и АИ, построенных на базе ТВМП, когда ТК содержит различное число пар СКЛ

3 Разработки схемотехнических моделей УВ и АИ, построенных на базе ТВМП с различным числом пар СКЛ ТК для исследования эффективности их работы в установившихся, переходных и аварийных режимах работы с целью ускорения создания нового типа УВ и АИ, построенных на базе ТВМП

Методы исследований: Исследования проводились с применением современного математического аппарата, соответствующего решаемым задачам методов теории электрических и магнитных цепей, методов теории гармонического анализа, операционного и матричного исчисления

Теоретические результаты подтверждаются схемотехническим моделированием в среде Micro-Cap 8 на ПЭВМ Достоверность теоретических положений подтверждена результатами исследований лабораторных макетов ПП с ТВМП, разработанных и изготовленных с участием автора

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на разработку и создание ПП на базе ТВМП, в частности

- представлены новые теоретические результаты по исследованию электромагнитных процессов в ПП, построенных на базе ТВМП, на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить математические выражения для расчета выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар СКЛ ТК, переключающих отводы КО ТВМП,

- разработаны схемотехнические модели ПП с ТВМП, адекватно отображающие реальные электромагнитные процессы в АИ и УВ, построенных

на базе ТВМП, которые позволяют исследовать симметричные, несимметричные и аварийные режимы работы ПП с ТВМП, при различных характерах нагрузки, различном числе пар СКЛ ТК и получать спектральные характеристики их выходных токов и напряжений Новизна моделей подтверждена их регистрацией во ВНТИЦ РФ,

- теоретически, на основании геометрической интерпретации КО ТВМП, получено обоснованование причин более высокого качества электроэнергии на входе и выходе УВ с ТВМП и на выходе АИ с ТВМП при нечетном числе пар СКЛ, что позволяет получать четкие рекомендации по снижению стоимостных и массогабаритных показателей ПП с ТВМП,

- теоретически обоснованы и разработаны новые способы управления коммутаторами отводов круговых обмоток ТВМП, пригодные для любого числа пар СКЛ и позволяющие обеспечить ЭМС ПП с питающей сетью

Практическая значимость работы и реализация

1) Разработано аналитическое описание электромагнитных процессов в УВ и АИ с ТВМП на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить математические выражения для расчета выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар СКЛ ТК, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных режимах работы ПП с ТВМП

2) Предложены новые схемотехнические модели УВ и АИ с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар СКЛ ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах

3) На основании геометрической интерпретации КО ТВМП получены рекомендации, позволяющие создавать УВ и АИ с ТВМП с высоким качеством выходных токов и напряжений, что открывает новые возможности в снижении стоимостных и массогабаритных показателей ПП с ТВМП

4) Разработаны системы управления УВ и АИ с ТВМП разомкнутого и замкнутого типа, их модели в программной среде MICRO-CAP 8 и проведено исследование эффективности работы СУ при различных нагрузках УВ и АИ с ТВМП

Представленная работа выполнялась в соответствии с госбюджетными НИР в филиале «Севмашвтуз» - Санкт Петербургского государственного морского технического университета по заказам предприятий Государственного

Российского центра атомного судостроения (ГРЦАС) в рамках федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» при непосредственном участии автора за период с 2002 по 2007 г

Результаты работы используются предприятиями ГРЦАС ФГУП «МП «ЗВЕЗДОЧКА», ОАО «СПО «АРКТИКА», в учебном процессе филиала «Севмашвтуз», в дисциплинах «Полупроводниковые преобразователи» и «Автоматизация проектирования систем и средств управления» На защиту выносятся:

1) Методика анализа работы ПП с ТВ МП, разработанная на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющая получать рекуррентные выражения для расчета выходных токов и напряжений при четном и нечетном числе пар СКЛ ТК, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных режимах работы,

2) схемотехнические модели и алгоритмы работы УВ и АИ с ТВМП в программной среде МюгоСАР-8 на различное число пар СКЛ ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах,

3) способы управления и алгоритмы построения систем управления АИ и УВ с ТВМП, пригодные для любого числа пар СКЛ ТК,

4) аналитические соотношения по расчету коэффициентов трансформации для ТВМП с трехфазной и круговой обмотками в случае, когда КО содержит разное число секций в своем составе

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:

Международных конференциях:

Динамика систем, механизмов и машин, Омск, 2004,

У-ой международной (16-ой ВНТК) конференции по автоматизированному электроприводу, С -Петербург, 2007г

Всероссийских конференциях:

ЭМС технических средств, С Петербург, 2000, (два доклада), ЭМС технических средств, С Петербург, 2004, ЭМС технических средств, С Петербург, 2006,

Всероссийской научно-практической конференции «100 лет подводному флоту России», Северодвинск, 2006 г

а также на - конференциях «Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях Государственного Российского Центра Атомного Судостроения (ГРЦАС)» - Северодвинск 2000 - 2007 гг Публикации.

Научные результаты отражены в 35-ти опубликованных соискателем работах, в том числе в патенте РФ и в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК, 25 зарегистрированных в ВНТИЦ РФ моделях и программах, 3 монографиях, а также в материалах всероссийских и международных научно-технических конференций Личный вклад.

Постановка задачи по развитию теории электромагнитных процессов в УВ и АИ с ТВМП, на основании операторно-рекуррентного метода, обсуждалась с научным руководителем, а решение теоретических вопросов принадлежат лично автору Разработка схемотехнических моделей УВ и АИ с ТВМП в программной среде М1сго-Сар-8 выполнена совместно с научным руководителем, а исследования установившихся и переходных режимов УВ и АИ с ТВМП на моделях реализованных в программной среде М1Сго-Сар-8, выполнены лично автором Методика по расчету соотношений для ТО и КО обсуждалась с руководителем, а аналитические соотношения по расчету коэффициентов трансформации для ТВМП с ТО и КО в случаях, когда КО содержит в своем составе четное и нечетное число секций, получены лично автором Разработка принципиальных схем разомкнутых и замкнутых систем управления УВ и АИ с ТВМП выполнена лично автором

Структура и объем работы. Диссертация содержит 246 страниц, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложения на 15 страницах Работа содержит 231 страниц основного текста, в том числе 121 иллюстрация (включая осциллограммы) на 100 страницах и 23 таблицы на 22 страницах

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и решаемые в диссертации задачи

В первой главе выполнен обзорный анализ полупроводниковых преобразователей (ПП) электрической энергии с трансформаторами пульсирующего и вращающегося магнитного поля (ТПМП и ТВМП), рассмотрены особенности схемотехнического моделирования силовых схем ПП

с ТПМП и ТВМП и электромагнитные процессы в УВ и АИ с ТВМП и предложено использовать схемотехническое моделирование в качестве инструмента для исследования ПП с ТВМП

Во второй главе описан принцип работы управляемого выпрямителя, построенного на базе ТВМП Приведено описание электромагнитных процессов в ТВМП при четном и нечетном числе секций в составе КО Разработана методика расчета напряжения между узлами КО, основанная на геометрической интерпретации конструкции ТВМП Выходная круговая обмотка ТВМП при трех секциях представляется в виде треугольника, при четырех секциях - в виде квадрата, при пяти секциях - в виде пятиугольника, при шести секциях - в виде шестиугольника и т д Тогда, в случае КО с тремя секциями (рисунок 1 ,а) напряжение, например, между узлами 1 и 2, оказывается численно равно длине хорды, соединяющей узлы 1 и 2

и,2= и,з= и23 = ига (1)

В случае КО с четырьмя секциями (рисунок 1,6), напряжение между узлами 1 и 3 КО может быть найдено, как величина численно равная диагонали квадрата, которая в свою очередь может быть выражена как сумма проекций двух секционных напряжений и'12 и и'23 на диагональ квадрата

и13 = и'12 + и'23 = и¡2 соб(0) + и23 соб(-0) = и,2 соз(45°) + и23 соз(-45°) = л/2 ит ^

При нечетном ИСкл = 5, коммутатор отводов секций КО при формировании выпрямленного напряжения (иа) будет поочередно подсоединять к нагрузке отводы 1-3 и 1-4, 2-4 и 2-5, 3-5 и 3-1, 4-1 и 4-2, 5-2 и 5-3 и тд (рисунок 1,в)

Рисунок 1 - Расчет напряжения между узлами 1,2 КО с тремя секциями (а), напряжения между узлами 1,3 КО с четырьмя секциями (б), напряжения между узлами 1,3 КО с пятью секциями (в) и напряжения между узлами 1,3 КО с шестью секциями (г)

Поэтому при пятисекционной обмотке мгновенное значение выпрямленного напряжения 1^(0 может быть найдено, например, как напряжение между узлами 1 и 3,

которое выражается как сумма проекций, отличающихся по величине от проекций четырехсекционной КО (рисунок 1,в)

и13 = U',2 + U'23 = Ui2 cos(0) + U23 cos(-0) = U,2 cos(36°) + ^

+ U23 cos(-36°) = 2 Um cos(36°) ~2 0,809 Um «1,618 Um При четном числе Ыскл = 6, коммутатор отводов секций КО будет поочередно подсоединять к нагрузке отводы 1-4, 2-5, 3-6, 4-1, 5-2, 6-3 и т д (рисунок 1,г) Здесь u^t) может быть найдено, например, как напряжение между диаметрально расположенными узлами 1 и 4, которое состоит из трех проекций

и,з = U',2 + U'23 + U'34 = и,2 COS(0) + U23 cos(0) + U34 cos(-0) =

= U12 cos(60°) + U23 cos(0°) + U34 cos(-60°) = (4)

= 2 Um cos(60°) + Um = (1+ 2 cos(60°)) Um =2 Ura

Аналогичным образом можно рассчитать максимальное напряжение между любыми двумя отводами КО, при любом числе Ыскл

Из рисунка 1 следует, что при четном числе Nco> КО имеет диагонали с максимальным напряжением, а при нечетном числе NCM таких диагоналей нет Здесь при каждой вершине (отводе КО) имеются две хорды с наибольшими по величине напряжениями, например хорда 1-3 и 1-4 из которых формируется Ud(t) Указанная геометрическая интерпретация отображает топологию КО и позволяет получить физическое объяснение причины удвоения числа пульсаций в кривой выпрямленного напряжения УВ с ТВМП с нечетным числом NCKJI

Описание электромагнитных процессов в УВ с ТВМП, выполнено на основании операторно-рекуррентного (ОР) метода, предложенного для электротехнических систем с изменяемыми параметрами и структурой В П Шипилло ОР-метод позволил получить выражения для токов и напряжений в УВ с ТВМП в различных режимах его работы В качестве примера математическое описание приведено для УВ с шестью парами CKJI (рисунок 2), в которой CKJ1 эквивалентируются с помощью резисторов, сопротивление которых зависит от сигналов управления и токов в резисторах (5)

_ \ГЗАМ > если Sn = 1 или (sn = 0 и |zk | > 1уд )

'kn ~ 1 All '

[ гРАЗ, если s„=0h |/k|</yd

где гЗАМ - сопротивление замкнутого ключа, гРАЗ - сопротивление разомкнутого ключа, sn - управляющий сигнал, ik - ток через СКЛ, 1Уд - ток удержания CKJI, при котором происходит его запирание

Модель УВ на 6 пар СКЛ описывается с помощью матричной системы неявных дифференциальных уравнений 1-го порядка

Рисунок 2 - Схема замещения управляемого выпрямителя с ТВМП на 6 секций круговой обмотки.

10

М ■—= А-Х + В-и

ш

где

и = [Еа

23

г.

вектор переменных состояния;

'34 '45 56 'Л

- вектор управляющих (внешних) воздействий;

М - матрица коэффициентов при производных фазовых переменных в левой части уравнения; А - матрица коэффициентов при фазовых переменных; В - матрица коэффициентов передачи управляющих воздействий.

Решение системы неявных дифференциальных уравнений (6) производится в соответствии с выражением

Х(к) =

'Г

1 + ~М'1л\х{к-1)

и позволяет получить токи и напряжения в КО, ТО, нагрузке и СКЛ УВ с ТВМП.

Для исследования эффективности УВ с ТВМП с помощью ОР-метода, основанного на решении системы дифференциальных уравнений, в среде МаНаЬ была разработана программа, позволяющая проводить анализ УВ с ТВМП при произвольном числе пар СКЛ. Токи и напряжения, полученные в фазах и секциях КО ТВМП с помощью ОР-метода, по своей форме и величине практически совпадают с токами в ТО и КО физической модели.

Для оценки влияния на работу УВ с ТВМП разброса параметров моделей реальных элементов и сбора статистической информации о работе УВ с ТВМП были разработаны модели УВ с ТВМП в среде М1сгоСАР-8 с различным числом пар СКЛ. Здесь для учета пространственного расположения обмоток в цилиндрическом магнитопроводе пришлось каждую обмотку заменить тремя (рисунок 3), две из которых включены встречно и имитируют согласное и встречное включение магнитосвязанных обмоток, а третья - имитирует собственную индуктивность реальной обмотки или секции КО.

ЕХЗ

Р?ЗЬ 2Гвг/3

ЕХ2

Р«2Ь ггег/З

ЕХ1

ть

ггег/З

1.1 гтй г/7ШП-

К;

ггег/З -1_1>а ♦

гтс!

вЦ

ггЁ/з]

[_1Ь 1г!пс1

Рисунок 3 - Часть КО ТВМП модели УВ в МюгоСАР

11

Так как модели тиристоров, используемые в системе моделирования М1сгоСАР-8, состоят из двух транзисторов различной полярности (рисунок 4,а), а каждый из них требует указать в меню модели 56 параметров, многие из которых в отечественной справочной литературе отсутствуют, в настоящей работе было предложено библиотечные модели тиристоров заменить упрощенными моделями тиристорных ключей (рисунок 46), которые требуют от пользователя указать всего 4 параметра, а именно напряжение включения по управляющему электроду, ток удержания, сопротивление в замкнутом и разомкнутом состояниях

ANODE

GATE

1

R1

n/W-"

Q1 QP/1

RGK> RGK<

ANODE

d1 dj 2

-± D2

DFOR

•D3 DJ1

1С

Q2 QN

УЗ-

GATE

CATHODE

CATHODE

a)

б)

Рисунок 4 - Модель тиристорного ключа а) стандартная, б) упрощенная

Как показано в [18] подобное упрощение практически не сказывается на качестве моделирования УВ с ТВМП, но может существенно увеличить его скорость, в особенности при большом числе пар СКЛ

Полное описание схемотехнических моделей УВ с ТВМП, и особенностей их функционирования приведено в [4-17]

С помощью разработанных моделей были получены внешние и регулировочные характеристики УВ с ТВМП с различным числом пар СКЛ В качестве примера, на рисунке 5 представлены внешняя и регулировочная характеристики УВ с ТВМП, когда коммутатор содержит 6 и 7 пар СКЛ

На основании гармонического анализа кривых выпрямленных напряжений и токов, полученных в схемотехнических моделях, были построены графические зависимости коэффициентов пульсаций выпрямленного напряжения и тока от числа пар СКЛ при различных соотношениях активного и индуктивного сопротивлений нагрузки, представленные на рисунке 6 (для УВ с ТВМП кривые 1 и 2, для УВ с ТПМП - 3)

0-045 0.04 0.033 0.03 0.025 О.И 0.015 0,01 0.005 О

а) Ь)

Рисунок 6 - Зависимости коэффициентов пульсации напряжения (а) и тока (б) для УВ с ТВМП при Я-Ь нагрузке (1 - для УВ с четным, 2 - для УВ с нечетным числом пар СКЛ и 3 - для трехфазного УВ с ТПМП)

Сравнительный анализ кпи и кш УВ с ТВМП и ТПМП показывает, что УВ с ТВМП при нечетном числе пар СКЛ имеет лучшее качество выпрямленного напряжения и тока, чем УВ с ТПМП. Так при семи парах СКЛ к^ не превышает уровень в 5%, установленный ГОСТ 13109-97.

Кроме выпрямленного напряжения схемотехнические модели позволили проанализировать влияние УВ на питающую сеть (рисунок 7).

а) б)

Рисунок 7 - Формы питающего напряжения УВ с ТВМП с 6-ю (а) и 7-ю (б) парами

СКЛ 13

200 I ■ ^ .

1 . ^ * 0В

150

0.4

100

0.2

50

0.0

О

0 5 10 15 20 25 а) б)

Рисунок 5 - Внешние характеристики УВ с 6-ю (1) и 7-ю парами (2)СКЛ (а) и регулировочная характеристика УВ с ТВМП при шести парах СКЛ

Как следует осциллограмм (рисунок 7), полученных для случая, когда мощность УВ с ТВМП составляет 25% от мощности источников трехфазного напряжения, в кривых фазных напряжений число коммутационных искажений на периоде питающего напряжения оказывается равно числу пар CKJI при четном числе секций КО или, что тоже самое, числу пар СКЛ (рисунок 7,а), а при нечетном числе пар СКЛ (рисунок 7,6) число искажений в фазном напряжении удваивается, но при этом глубина коммутационных провалов уменьшается, что снижает влияние УВ на питающую сеть На основании гармонического анализа кривых питающих напряжений и токов, полученных в схемотехнических моделях были построены графические зависимости коэффициентов гармоник тока кп и напряжения кш (рисунок 8), а затем в соответствии с выражениями

Ки, =у , Кии , Х = Кии -Ки, , cos ф,= cos (fa, - vt-n), Х=Х cos ф]

построены графики коэффициентов искажения форм кривых тока и напряжения (Ки| и Кии), коэффициента искажения мощности (X), коэффициента сдвига по фазе между первыми гармониками напряжения и тока (cos </>,) и коэффициента мощности (х) в функции относительного значении тока нагрузки 1/, при добротности нагрузки Q = 5, когда угол управления а = 0° и при различном числе пар силовых ключей NCK.4 в составе коммутаторов УВ с ТВМП, представленные на рисунке 8

Анализ обобщенных графических зависимостей, представленных на рисунке 8, подтверждает общую закономерность, установленную на основании геометрической интерпретации КО ТВМП, о более высоком качестве напряжения УВ с ТВМП при нечетном числе пар СКЛ

По данным, полученным в результате гармонического анализа моделей УВ с ТВМП, в соответствии с рекомендациями, приведенными в монографии М В Агунова, был произведен анализ энергетических процессов в УВ с ТВМП и построены графические зависимости отношения мощности искажений в трехфазной сети к мощности, переданной в нагрузку, в функции числа пар СКЛ в составе ТК (рисунок 9)

D = -«„Го)2 +М. -P.roYb jt ihrm-аяГйУ +

+ («А - РтУп )2 + («,А - (3nYm )2 + {рт8„ - рпдт )2 ]

0.15 -1

0.98 0.96 0.94 0.32 0.9

1

0.90 0.96 0.94 0.92 0.9

0.9 ■

0.8 ■

0.7

0 .6 ■

0.5 ■

0.85

0.75

0.65

0.55

0.45

О.ОЭ 0.1

а)

1

0.99 0.98 0.97 0.96

0.95

кЧ--/7 ._1

р 1............4

* л? ^——|

; —-—4

0.98

0.96

0.94 1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.95

Рисунок 8 - Коэффициенты, характеризующие влияние УВ с ТВМП на питающую сеть для четного (а) и нечетного (б) числа пар СКЛ

0.85 0.75 0.65

0.2 0.18 016 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0

3 4 5 6 7 8 345678

а) б)

Рисунок 9 - Графики зависимостей отношения мощности искажений одной фазы к числу пар CKJI в УВ при относительном выходном напряжении на нагрузке Ud* = 1 - (а) и и/ = 0,75 - (б) (1 - аппроксимация для четного числа CKJI, 2 - аппроксимация для нечетного

числа СКЛ)

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.1 S 0.1 0.05

Анализ зависимостей, представленных на рисунке 9, показывает, что с ростом числа пар СКЛ степень влияния на питающую сеть УВ с ТВМП снижается, причем при нечетном числе пар СКЛ она оказывается в 1,5-2 раза меньше, чем при четном числе пар СКЛ.

В третьей главе рассмотрены электромагнитные процессы в автономном инверторе с ТВМП. В качестве примера на рисунке 10 представлены принципиальные схемы АИ с ТВМП при шести и семи парах СКЛ.

Здесь силовые ключи по определенному алгоритму подключают постоянное напряжение источника питания на диаметрально расположенные отводы КО и тем самым формируют в магнитопроводе ТВМП дискретно вращающееся магнитное поле.

Рисунок 10 - Схемы АИ с ТВМП на 6 - (а) и 7 - (б) пар силовых ключей

Математическое описание АИ с ТВМП подобно УВ с ТВМП произведено с помощью ОР-метода, но в соответствии со схемой замещения, представленной на рисунке 11

Здесь силовые ключи заменены резисторами, сопротивление которых зависит от функции переключения вентилей и текущего значения тока, протекающего через ключ и аналогично (5)

В схеме замещения АИ принято, что от функции управления и тока, протекающего через сопротивление ключа, зависит знак эквивалентной ЭДС в каждом отводе КО

\+Е, если зп=1 или (зп =0и/п <-/г )

Еп = 1 Г 1 / Л \ ^

I-Е, если бп = —1 или (б,, = 0и/п >1Гр)

Основные уравнения, описывающие работу АИ с ТВМП, подобны уравнениям для УВ с ТВМП (2) Отличие состоит в том, что здесь в описании ТО отсутствует фазная ЭДС Для формирования модели АИ с ТВМП с любым числом секций КО, решения системы дифференциальных уравнений с помощью операторно-рекуррентного метода и построения кривых напряжения и тока написана программа в среде МаЙаЬ

С целью изучения влияния на работу АИ с ТВМП изменений характеристик моделей реальных элементов и сбора статистической информации о работе АИ с ТВМП в среде М1сгоСАР 8 были разработаны модели АИ с ТВМП с различным числом пар СКЛ

17

ТК, которые по структуре идентичны моделям УВ с ТВМП. При этом для повышения вычислительной эффективности анализа силовые транзисторные ключи (рисунок 12,а) были заменены упрощенной моделью ключей (рисунок 12,6).

EI4TER1

Л"

D54

ENTER1

ZZ ^

829

Л~

ЕХ1

D53

а)

б)

Рисунок 12 - Модель транзисторного ключа: а) стандартная; б) упрощенная

На базе упрощенной модели транзисторных ключей были разработаны макромодели АИ с ТВМП, которые использовались для анализа влияния числа пар СКЛ в АИ с ТВМП на коэффициент гармоник выходного напряжения и тока при активной и активно-индуктивной нагрузке = 4) и построены графики зависимости Кг = /(Мскл)

(рисунок 13).

Анализ зависимостей Кги и Кп показывает, что при нечетном числе пар СКЛ качество выходного напряжения и тока АИ с ТВМП в 2-3 раза лучше, чем при четном числе пар СКЛ.

0.5

0.4 0.3 0.2 0.1

Кги ; Ч : 1

Д :

1

Пекл

0.2

0.15

0.1 -■

0.05 -■

Kri

: \ : 1 : J L

: 2 :

Пекл

а)

б)

Рисунок 13 - Зависимости Кги = ДМскл) (а) и КГ1 = ^скл) (б) при ИТ-нагрузке; (1) - для АИ с четным и (2) - для АИ с нечетным числом пар СКЛ

По данным, полученным в АИ с ТВМП спектрального состава токов и напряжений, был произведен анализ энергетических процессов в АИ с ТВМП и построены графические зависимости отношения мощности искажений в трехфазной нагрузке АИ к активной мощности, переданной в нагрузку, в зависимости от числа пар СКЛ (рисунок 14).

О Т>! ! ;

; ; \ ; 1

: : 2 | ^ч

| --\

\ ! ! ! ! N001

3 4 5 6 7 8

Рисунок 14 - Зависимости мощности искажений в фазе ТО ТВМП, приведенной к активной мощности нагрузки, от числа пар СКЛ: 1 -для АИ с четным числом пар СКЛ; 2 -для АИ с нечетным числом пар СКЛ.

Анализ энергетических процессов на выходе АИ с ТВМП показывает, что при нечетном числе пар СКЛ искажение мощности на выходе АИ с ТВМП оказывается в 2-3 раза меньше, чем при четном числе пар СКЛ, что подтверждает общую закономерность, выявленную благодаря геометрической интерпретации КО ТВМП.

В четвертой главе рассмотрены общие принципы работы систем управления коммутаторами АИ и УВ, с ТПМП и ТВМП, и сделан вывод о том, что системы управления (СУ) ПП с ТПМП и ПП с ТВМП могут иметь сходную структуру (рисунок 15 и 16).

АБС

Рисунок 15 - Структура разомкнутой системы управления УВ с ТВМП

ЛВС

Рисунок 16 - Структурная схема замкнутой системы управления УВ с ТВМП

В случае разомкнутой системы генератор импульсов управления (ГИУ) вырабатывает сигналы управления тиристорным коммутатором (ТирК), который коммутирует напряжение с КО согласующего ТВМП на нагрузку (Н)

В замкнутой системе управления выпрямленное напряжение поступает на вход схемы усреднения (СУс), которая формирует среднее значение выпрямленного напряжения за один такт работы УВ и^ Ср Среднее значение напряжения поступает на отрицательный вход блока вычисления разности, на положительный вход которого подается напряжение задачи из Разностный сигнал ди поступает на вход формирователя импульсов (ФИ), импульсные сигналы которого управляют ключами ТК А ТК коммутирует напряжение с КО согласующего ТВМП на нагрузку (Н)

Как для разомкнутой, так и замкнутой структур СУ УВ с ТВМП разработаны и проверены схемотехнические модели Графики характерных напряжений и токов разомкнутой замкнутой системы приведены на рисунке 17 Здесь при набросе нагрузки в 50% через один такт, равный 5 мс, от начала наброса нагрузки происходит скачкообразное изменение напряжения на датчике обратной связи, которое прямо пропорционально среднему значению напряжения на нагрузке Разомкнутая СУ (рисунок 17,а) не отрабатывает снижение напряжения, а замкнутая (рисунок 17,6) отрабатывает сигнал обратной связи в течение 10 мс

Для АИ с ТВМП, по аналогии с УВ с ТВМП, разработаны и проверены в действии схемотехнические модели АИ без обратной связи и с контуром обратной связи Функциональная схема СУ с разомкнутой структурой приведена на рисунке 18 Она включает в себя источник постоянного напряжения, транзисторный коммутатор (ТК),

генератор импульсов управления ТК (ГИУ) и выходной согласующий трансформатор - ТВМП.

5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0

500 400 300 200 100 0

Т(Secs)

Dm

V(114) (V)

48m ""От 12m

V(114)(V)

f\l, \гГ yi.V 4 fDyf yi

Т (Secs)

D£vf

T(Secs)

От 12m

Vf50.581 (VI

0m 12m

УШЯШ

Рисунок 17 - График выходного напряжения УВ при ЯЬ-нагрузке на датчике обратной связи, а также выходного напряжения и тока УВ при набросе нагрузки в случае разомкнутой (а) и замкнутой (б) обратной связи

iA <а С

Рисунок 18 - Структура разомкнутой системы управления АИ с ТВМП

Функциональная схема СУ АИ с ТВМП с контуром обратной связи, реализующей слежение по току на входе ТВМП, представлена на рисунке 19.

Рисунок 19 - Функциональная схема системы управления АИ

Она включает задающее устройство (ЗУ), схемы вычисления разности, схемы сравнения (СС), ТК, датчики тока (ДТ) и выходной согласующий трансформатор - ТВМП с нагрузкой (Н). На основании этих схем в среде М)сгоСАР8 произведено построение схемотехнических моделей АИ с разомкнутой СУ и с СУ, реализующей слежение по току отводов КО ТВМП. На рисунке 20 приведены графики выходного напряжения АИ со слежением по

¡0-57) (А)

............-1.............

Т (Secs)

От 1гп 8т 12т 18т 20т

Рисунок 20 — График тока в нагрузке 22

В пятой главе проведены экспериментальные исследования УВ с ТВМП, которые подтвердили результаты схемотехнического моделирования, приведенные в главе 2, в части более высокого качества выходного напряжения УВ с ТВМП при нечетном числе пар СКЛ, что связано с удвоением числа пульсаций за один период питающего напряжения по сравнению со случаем четного числа пар СКЛ и в части более низкого качества выходного напряжения УВ с ТВМП при активно-индуктивной нагрузке вне зависимости от числа пар СКЛ по сравнению с активной нагрузкой

Экспериментальные исследования вибрационных характеристик УВ с ТВМП показали, что виброактивность УВ с ТВМП с нечетным числом пар СКЛ, по сравнению с УВ с ТВМП с четным числом пар ключей в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц, как правило, на 3-5 дБ оказывается ниже

Сравнительные исследования вибрационных характеристик трансформаторов со стержневым и цилиндрическим магнитопроводами показали меньшую на 4-5 дБ виброактивность цилиндрических магнитопроводов, на базе которых строятся ТВМП, что можно объяснить их электрической и магнитной симметрией

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований ПП с ТВМП'

1) Разработана методика анализа процессов в УВ и АИ с ТВМП на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющая рассчитывать изменения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар СКЛ ТК и ТирК, переключающих отводы КО в установившихся, переходных и в аварийных режимах работы ПП с ТВМП

2) Составлены алгоритмы и схемотехнические модели УВ и АИ с ТВМП в программной среде М1СГ0САР-8 с четным и нечетным числом пар СКЛ коммутаторов, позволяющие исследовать качество питающего и выходного напряжения ПП и их работу при различных нагрузках в симметричных, несимметричных и аварийных режимах

3) На основании геометрической интерпретации круговой обмотки ТВМП разработаны методики расчета параметров ТО и КО УВ и АИ с ТВМП, позволяющие определять оптимальное соотношение чисел витков фазных обмоток и секций КО ТВМП для заданного числа пар СКЛ

4) Предложены способы управления и алгоритмы построения разомкнутых и замкнутых систем управления УВ и АИ с ТВМП, пригодные для любого числа пар СКЛ в составе коммутаторов отводов КО,

5) Проведены экспериментальные исследования форм кривых выходных напряжений УВ с ТВМП, подтвердившие результаты схемотехнического моделирования

6) Выполнены сравнительные исследования вибрационных характеристик трансформаторов со стержневыми и цилиндрическими магнитопроводами а также экспериментальные исследования вибрационных характеристик УВ с ТВМП

Возможные направления дальнейших исследований:

1) Исследование работы УВ с ТВМП в режиме ведомого сетью инвертора

2) Разработка реверсивного и обратимого преобразователей с ТВМП

3) Исследование УВ, АИ, реверсивных и обратимых преобразователей с ТВМП в различных режимах работы

4) Разработка микропроцессорных СУ УВ, АИ реверсивного и обратимого преобразователей с ТВМП

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, включенных в перечень ВАК

1 Черевко А И, Музыка М М Упрощенная модель тиристорного ключа в программной среде МюгоСАР -7 // ж Технологии ЭМС Москва, 2007, №1 с 46-50

2 Патент на изобретение РФ №2305339 от 17 08 2007 Многофазный трансформатор Авторы Черевко А И , Базанов В А, Ивлев М Л , Музыка М М , Лимонникова Е В

В изданиях, не включенных в перечень ВАК

3 Музыка М М , Черевко А И , Сковпень С М Анализатор качества электроэнергии // ж ЭЛЕКТРО Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2005 , № 3, с 27 - 29

4 Музыка М М, Черевко А И Система управления компенсатором реактивной мощности дискретного типа на базе микроконтроллера АТ 89ЬБ8252 // Доклад на V МНТК «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2004 г

5 Черевко А И, Базанов В А, Музыка М М Системы управления полупроводниковыми преобразователями, выполненными на базе согласующих трансформаторов с вращающимися магнитными полями // Монография, Архангельск Изд-во АГТУ, 2005, 90 с

6 Черевко А И, Музыка М М, Лимонникова Е В Схемотехническое и математическое моделирование полупроводниковых преобразователей, содержащих согласующие трансформаторы с вращающимися магнитными полями // Монография, Архангельск Изд-во АГТУ, 2005 , 178 с

7 Черевко А И, Музыка М М Анализ качества электроэнергии и регистрация импульсных помех в электроэнергетических системах // Монография, Архангельск Изд-во АГТУ, 2005 , 80 с

8 Музыка М М , Черевко А И , Схемотехническая модель управляемого выпрямителя на базе ТВМП на 3 пары силовых ключей // № Гос регистр во ВНТИЦ РФ - 50200501593 от 24 11 05 , 9 с

9 Музыка М М , Черевко А И Модель УВ с ТПМП с обмотками «У/У» на 3 пары СКЛ// № Гос регистр во ВНТИЦ - 50200501596 от 24 11 05 , 8 с

10 Музыка М М, Черевко А И , Модель УВ с ТПМП с обмотками «У/А» на 3 пары СКЛ// № Гос регистр во ВНТИЦ - 50200501595 от 24 11 05 , 8 с

11 Черевко А И , Музыка М М Модель управляемого выпрямителя на базе ТВМП на 5 пар СКЛ//№ Гос регистр во ВНТИЦ-50200501594 от 16 11 05 ,12 с

12 Черевко А И , Музыка М М Схемотехническая модель управляемого выпрямителя на базе ТВМП на 4 пары силовых ключей // № Гос регистр во ВНТИЦ РФ - 50200501562 от 01 11 05,9 с

13 Черевко А,И , Музыка М М Схемотехническая модель управляемого выпрямителя на базе ТВМП на 6 пар силовых ключей // № Гос регистр во ВНТИЦ РФ - 50200501559 от 01 И 05 , И с

14 Музыка М М , Черевко А И , Схемотехническая модель управляемого выпрямителя на базе ТВМП на 8 пар силовых ключей // № Гос регистр во ВНТИЦ РФ - 50200501709 от 14 12 05 , 12 с

15 Черевко А И , Музыка М М Схемотехническая модель управляемого выпрямителя на базе ТВМП на 12 пар силовых ключей // № Гос регистр во ВНТИЦ РФ - 50200501530 от 25 10 05, 13 с

16 Черевко АИ, Музыка ММ, Казакевич АИ, Семенов ДН Схемотехническая модель АИ с ТВМП на 4 пары силовых ключей // № Гос регистр во ВНТИЦ РФ -50200501473 от 14 10 05,9с

17 Черевко А И , Музыка М М Схемотехническая модель АИ с ТВМП на 6 пар СКЛ //№ Гос регистр во ВНТИЦ РФ-50200501574 от 1 11 05 , 11 с

18 Черевко А И , Казакевич А И , Музыка М М , Семенов Д Н Схемотехническая модель АИ с ТВМП на 12 пар силовых ключей // № Гос регистрации во ВНТИЦ РФ -50200501528 от 25 10 05, 13 с

19 Музыка М М, Черевко А И Схемотехническое моделирование мостовых преобразователей на базе трансформаторов с цилиндрическими и классическими магнитопроводами // Доклад на IX РНТК «ЭМС-2006»,Санкт Петербург, 2006 г , с 533535

20 Лимонникова Е В, Черевко А И, Музыка М М Математическая модель управляемого выпрямителя с трансформатором с вращающимся магнитным полем с транзисторным коммутатором на 8 пар силовых ключей Сборник докладов XXXV Ломоносовских чтений «Ломоносов М В и развитие производительных сил Поморского Севера», типография ФГУП «ПО «Северное машиностроительное предприятие», Северодвинск, 2007 с 121-127

21 Музыка М М , Черевко А И Разработка и исследование преобразователей в среде МюгоСАР, содержащих согласующие трансформаторы со стержневыми и цилиндрическими магнитопроводами Сборник докладов XXXV Ломоносовских чтений «Ломоносов М В и развитие производительных сил Поморского Севера», типография

ФГУП «ПО «Северное машиностроительное предприятие», Северодвинск, 2007 с 132139

22 Музыка М М , Черевко А И Схемотехническая модель автономного инвертора на базе ТВМП на 7 пар CKJI Программа зарегистрированна во ВНТИЦ РФ 17 05 06, per № 5020060072

23 Музыка М М , Черевко А И Схемотехническая модель управляемого выпрямителя на базе ТВМП на 7 пар CKJ1 Программа зарегистрирована в ВНТИЦ РФ 17 05 06, per № 50200600725

24 Музыка М М , Черевко А И Математическая модель АИ с ТВМП на 6 пар CKJI в Matlab 6 0, разработанная на базе операторно-рекуррентного метода Программа зарегистрирована во ВНТИЦ РФ 09 04 2007, per №50200700768

25 Черевко А И , Музыка М М , Лимонникова Е В , Ивлев М Л Анализ влияния схемы выпрямителя с ТВМП, питающего мощный электропривод, на качество напряжения и энергетические характеристики Сб докладов V МНТК (XVI ВНТК) по автоматизированному электроприводу С-Пб 2007, с 429-431

/

о

Подписано в печать 18 02 2008 г Формат 60х84'/16 Уел печ л 1,6 Уч-изд л 1,0 Тираж 100 экз

Редакционно-издательский отдел Севмашвтуза 164500, г Северодвинск, ул Воронина, 6

Список условных обозначений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Общие сведения о полупроводниковых преобразователях и их силовой структуре

1.1 Обзорный анализ полупроводниковых преобразователей электрической энергии с трансформаторами пульсирующего магнитного поля

1.2 Особенности схемотехнического моделирования силовых схем полупроводниковых преобразователей

1.3 Схемотехнические модели полупроводниковых преобразователей с ТПМП

1.4 Полупроводниковые преобразователи электрической энергии на базе ТВМП

1.4.1 Принцип построения ТВМП

1.4.2 Электромагнитные процессы в ТВМП

1.4.3: Магнитное поле ТВМП 34

1.4.4 Реакция круговой обмотки

1.4.5 Размагничивающее действие поперечного поля КО

1.4.6 Реакция КО при смещении плоскости коммутирующих ключей относительно условной геометрической нейтрали;ТВМП

1.5 Влияние конструктивного исполнения трансформаторов вращающегося магнитного поля на качество электроэнергии.

1.6 Пульсации напряжения на отводах КО ■

Выводы по главе

ГЛАВА 2 Анализ электромагнитных процессов в управляемом выпрямителе с ТВМП

2.1 Электромагнитные процессы в управляемом выпрямителе с ТВМП при1 55различном числе пар CKJI.

2.2 Аналитическое описание управляемого выпрямителяс ТВМП на базе операторно-рекуррентного метода

2.3 Моделирование управляемых выпрямителей с трансформатором вращающегося магнитного поля в MICRO-CAP

2.3.1 Описание макромодели ТВМП

2.3.2 Описание макромодели силовой части УВ с ТВМП

2.3.3 Описание макромодели системы управления тиристорным коммутатором в составе УВ с ТВМП

2.3.4 Исследование УВ с ТВМП в схемотехнических моделях

2.3.5 Исследование качества выпрямленного напряженияУВ с ТВМП в схемотехнических моделях

2.3.6 Исследование качества п итающего напряжения У В с ТВМП в схемотехнических моделях

2.3.7 Анализ энергетических характеристик УВ с ТВМП:

Выводы по главе

ГЛАВАЗ Анализ электромагнитных процессов в автономном инверторе с ТВМП

3.1 Описание электромагнитных процессов в автономном инверторе с ТВМП

3.1.1 Автономные инверторы с ТПМП

3.1.2 Автономные инверторы с ТВМП

3.2 Аналитическое описание автономного инвертора с ТВМП на основе операторно-рекуррентного метода

3.3 Схемотехническая модель автономного инвертора с ТВМП в MICRO-CAP

3.3.1 Описание макромодели ТВ МП

3.3.2 Описание макромодели силовой части АИ с ТВ МП

3.3.3 Описание макромодели системы управления транзисторным коммутатором 144 в составе АИ с ТВМП

3.3.4 Результаты экспериментальных исследований схемотехнических моделей 145 инверторов на базе ТВМП в MICRO-CAP

3.3.5 Исследование энергетических характеристик на выходе АИ с ТВМП 151 Выводы по главе

ГЛАВА 4 Управление полупроводниковыми преобразователями, построенными на 154 базе ТВМП

4.1 Особенности управления выходным напряжением преобразователей 154 построенных на базе трансформаторов с пульсирующими и вращающимися магнитными полями

4.1.1 Управление выходным напряжением классических выпрямителей с ТПМП

4.1.2 Управление выходным напряжением классических инверторов тока и 158 напряжения

4.1.3 Микропроцессорные системы управления выпрямителями и инверторами

4.2 Системы управления УВ с ТВМП

4.2.1 Разомкнутая система управления У В с ТВМП

4.2.2 Замкнутая система управления УВ с ТВМП

4.3 Управление АИ с ТВМП

4.3.1 Разомкнутая система управления АИ с ТВМП

4.3.2 Следящая система управления автономным инвертором с ТВМП 186 Выводы по главе

ГЛАВА 5 Экспериментальные исследования форм кривых тока и напряжений и 195 вибрационных характеристик УВ и АИ с ТВМП при различном числе пар СКЛ

5.1 Общие сведения о конструкции и причинах искажений форм кривых токов и напряжений ПП с ТВМП

5.2 Схема эксперимента

5.3 Экспериментальные исследования форм кривых выходных напряжений УВ 201 и АИ с ТВМП

5.4 Исследование вибрационных характеристик УВ с ТВМП

5.5 Сравнительный анализ вибрационных характеристик трансформаторов со 219 стержневым и цилиндрическим магнитопроводами

Выводы по главе

Автономные судовые электротехнические комплексы и системы (АСЭКиС) это, как правила системы двойного рода тока, содержащие в своем составе потребители постоянного и переменного тока одной или нескольких частот, что требует наличия устройств, связывающих сети переменного и постоянного тока, а также переменного тока разных частот.

На кораблях ВМФ и судах гражданского отечественного флота до середины 80-х годов ХХ-го века для этих целей применялись электромашинные обратимые преобразователи (ЭОП), а в настоящее время для связи' сетей переменного и постоянного тока применяются полупроводниковые (статические) преобразователи (ГШ) - выпрямители и инверторы, при чем их установочная единичная мощность достигает 15-20% от мощности корабельных синхронных генераторов.

Как ЭОП, так и ПП имеют свои достоинства и недостатки. Недостатки ЭОП заключаются в значительной инерционности, шумности и высокой виброактивности, а 1111, выполненные на нелинейных полупроводниковых элементах (тиристорах, ЮВТ-транзисторах) значительно ухудшают качество напряжения в трехфазной сети за счет искажения форм кривых токов и напряжений. Кроме того, инверторы напряжения требуют для своей работы значительных емкостей, что вызывает рост корабельных емкостей «фаза-фаза», «фаза-корпус» и, таким образом, повышает вероятность возникновения резонансных явлений на высших гармониках и повышает пожароопасность в АСЭКиС.

Из, сказанного следует, что разработка новых принципов' построения 1111, не требующих для своей работы дополнительных емкостей и обеспечивающих высокое качество напряжения в 3-хфахной сети переменного тока и сетях постоянного тока, является актуальной задачей.

Цель настоящей работы — повышение показателей КЭ в автономных ЭК и С за счет построения силовых схем 1111 на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП) с обмотками, выполненными по схеме «Y/круговая обмотка (КО)» и «КО/Y», что требует:

1. Разработки теории электромагнитных процессов для управляемых выпрямителей (УВ) и автономных инверторов (АИ), построенных на базе ТВМП с различным числом пар силовых ключей (CKJI) транзисторных (ТК) и тиристорных коммутаторов (ТирК), переключающих отводы КО ТВМП, и методики оценки качества выходного напряжения УВ и АИ с ТВМП при различном числе пар CKJI коммутаторов.

2. Разработки алгоритмов, способов управления и структурных схем систем управления OKJI ТК УВ и АИ, построенных на базе ТВМП, когда коммутатор содержит различное число пар GKJI.

3. Разработки схемотехнических моделей УВ и АИ, построенных на базе ТВМП с различным числом пар CKJI для1 исследования эффективности их работы в установившихся и аварийных режимах работы с целью ускорения, создания нового класса УВ и АИ, построенных на базе ТВМП.

Методы исследований. Исследования проводились с применением современного математического аппарата, соответствующего решаемым задачам: методов теории электрических и магнитных цепей, методов теории гармонического анализа, операционного и матричного исчисления.

Теоретические результаты подтверждаются схемотехническим моделированием в среде Micro-Cap 8 на ПЭВМ. Достоверность теоретических положений подтверждена результатами исследований' лабораторных - макетов и промышленных образцов ПП с ТВМП, разработанных изготовленных с участием.автора.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на разработку и создание ПП с ТВМП в частности:

- представлены новые теоретические результаты по исследованию электромагнитных процессов в ПП, построенных на базе ТВМП, на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар CKJI, переключающих отводы КО ТВМГТ;

- разработаны схемотехнические модели ГШ с ТВМП, адекватно отображающие реальные электромагнитные процессы в АИ и УВ, построенных на базе ТВМП, которые позволяют исследовать симметричные, несимметричные и аварийные режимы работы ПП с ТВМП, при различных характерах нагрузки, различном числе пар CKJI ТК и получать спектральные характеристики их выходных токов и напряжений. Новизна моделей подтверждена их регистрацией во ВНТИЦ РФ;

- теоретически обоснованы, и разработаны новые способы управления'8 CKJI ТК отводов круговых обмоток ТВМП, пригодные для любого числа пар CKJI и позволяющие обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС) ПП с питающей сетью.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1) Разработано аналитическое описание электромагнитных процессов в УВ с ТВМП на основании операторно-рекуррентного метода; позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар CKJI, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных режимах работы ПП с ТВМП.

2) Разработано аналитическое описание электромагнитных процессов в АИ с ТВМП. на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар CKJI ТК, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных режимах работы ПП с ТВМП.

3) Разработаны новые схемотехнические модели УВ с ТВМП в программной, среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели качества электроэнергии (КЭ) и вибрационных характеристик (ВХ).

4) Разработаны новые схемотехнические модели АИ с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и ВХ.

5) Разработаны схемотехнические модели обратимого преобразователя с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI, ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках.

6) Произведено исследование энергетических характеристик работы 1111 на базе ТВМП с различным числом пар CKJI ТК.

Представленная работа выполнялась в. соответствии с госбюджетными НИР в филиале «Севмашвтуз» - Санкт Петербургского государственного морского технического университета по заказам предприятий Государственного Российского центра атомного судостроения (ГРЦАС) в рамках федеральной целевой программы «Национальная технологическая» база» при непосредственном участии автора за период с 2002 по 2006 г.

Результаты работы используются предприятиями ГРЦАС: ФГУП' «МП «ЗВЕЗДОЧКА», ФГУП «СПО «АРКТИКА», в учебном процессе филиала «Севмашвтуз» и СПбГМТУ, в дисциплинах «Полупроводниковые преобразователи» и «Автоматизация проектирования систем и средств управления».

На защиту выносятся:

1) Теория процессов- в УВ с ТВМП; разработанная- на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при'произвольном числе пар CKJI ТК, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных.режимах работы 1Ш с ТВМП.

2) алгоритмы и схемотехнические модели УВ и АИ с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и ВХ

3) схемотехнические модели обратимого преобразователя с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI ТК, позволяющие исследовать их работу в различных режимах.

4) способы управления и алгоритмы построения систем управления АИ и УВ с ТВМП; пригодные для любого числа пар CKJI ТК;

5) методики расчета параметров трехфазной обмотки (ТО)' и КО УВ и, АИ с ТВМП, позволяющих определять оптимальное соотношение чисел витков фазных обмоток и секций КО ТВМП при произвольном числе пар CKJI ТК;

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международных! конференциях:

Динамика систем, механизмов и машин, Омск, 2004; V-ой, международной (16-ой ВНТК) конференции по автоматизированному электроприводу, С.-Петербург, 2007г. Всероссийских- конференциях:

ЭМС технических средств, С.Петербург, 2000; (два доклада), ЭМС технических средств, С.Петербург, 2004; ЭМС технических средств, С.Петербург, 2006;

Всероссийской научно-практической конференции «100 лет подводному флоту России», Северодвинск, 2006 г. а также на - конференциях «Перспективные технологии строительства и. утилизации судов на предприятиях Государственного Российского Центра Атомного Судостроения (ГРЦАС)». - Северодвинск: 2000 - 2007 гг. Публикации.

Научные результаты отражены в 35-ти опубликованных соискателем работах, в том числе: в патенте РФ и в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК; 25 зарегистрированных в ВНТИЦ РФ моделях и программах; 3 монографиях, а также в материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

Личный вклад. Постановка и решение теоретических вопросов, основные научные результаты работы принадлежат лично автору. Разработка схемотехнических моделей АИ, УВ и ОП с ТВМП в программной среде Micro-Cap-8 выполнена совместно с Научным руководителем Черевко А.И. Исследования установившихся и аварийных режимов АИ и УВ с ТВМП на моделях реализованных в программной среде Micro-Cap-8, выполнены лично автором.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 246 страниц, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений на 15 страницах.

Выводы по главе 5.

1 Экспериментальные исследования УВ с ТВМП подтвердили результаты схемотехнического моделирования, приведенные в главе 2, в части более высокого качества выходного напряжения УВ с ТВМП при нечетном числе пар СКЛ, что связано с удвоением числа пульсаций за один период питающего напряжения по сравнению со случаем четного числа пар СКЛ.

2 Экспериментальные исследования УВ с ТВМП подтвердили результаты схемотехнического моделирования, приведенные в главе 2, в части более низкого качества выходного напряжения УВ с ТВМП при активно-индуктивной нагрузке вне зависимости от числа пар СКЛ по сравнению с активной нагрузкой.

3 Экспериментальные исследования вибрационных характеристик УВ с ТВМП показали, что виброактивность УВ с ТВМП с нечетным числом пар СКЛ, по сравнению с УВ с ТВМП с четным числом пар ключей в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц, как правило, на 3-5 дБ оказывается ниже.

4 Сравнительные исследования вибрационных характеристик трансформаторов со стержневым и цилиндрическим магнитопроводами показали меньшую виброактивность цилиндрических магнитопроводов, на базе которых строятся ТВМП на 4-5 дБ по сравнению со стержневыми магнитопроводами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования полупроводниковых преобразователей, построенных на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями:

1 Выполнено математическое описание электромагнитных процессов для управляемых выпрямителей и автономных инверторов с ТВМП с различным числом пар силовых ключей коммутаторов, переключающих отводы КО ТВМП, на базе операторно-рекуррентного метода.

2 Разработаны схемотехнические модели УВ и АИ, построенных на базе ТВМП с различным числом пар СКЛ ТК на основании упрощенных моделей ключевых элементов, для исследования эффективности их работы в установившихся и аварийных режимах работы с целью ускорения создания нового класса УВ и АИ, построенных на базе ТВМП. Новизна моделей подтверждена их регистрацией во ВНТИЦ РФ.

3 На основании геометрической интерпретации круговой обмотки ТВМП разработаны методики расчета параметров ТО и КО УВ и АИ с ТВМП, позволяющие определять оптимальное соотношение чисел витков фазных обмоток и секций КО ТВМП для заданного числа пар СКЛ.

4 С использованием разработанных схемотехнических моделей проведено исследование энергетических характеристик и показателей качества питающего и выходного напряжения УВ с ТВМП при различном числе пар СКЛ и различных характерах нагрузки, которое показало, что управляемые выпрямители при нечетном числе пар СКЛ имеют лучшие показатели качества напряжения, тока и энергетические характеристики, чем при четном числе пар СКЛ.

5 Исследования энергетических характеристик и показателей качества напряжения и тока АИ с ТВМП с использованием разработанных схемотехнических моделей подтвердили, что АИ с ТВМП при нечетном числе пар СКЛ, также как и УВ с ТВМП, имеют лучшие показатели качества напряжения, тока и энергетические характеристики, чем при четном числе пар СКЛ, что позволяет выработать рекомендации по выбору оптимальных

224 силовых структур ПП с ТВМП с точки зрения показателей качества, массогабаритных и стоимостных показателей.

6 Предложены алгоритмы, способы управления, структурные и принципиальные схемы разомкнутых и замкнутых систем управления CKJI ТК УВ и АИ, построенные на базе ТВМП, когда ТК содержит различное число пар CKJI, проведено их схемотехническое моделирование и проверена эффективность их работы при набросах и сбросах нагрузки.

7 Проведены экспериментальные исследования форм кривых выходных напряжений лабораторных макетов УВ с ТВМП с различным числом пар СКЛ, подтвердившие результаты схемотехнического моделирования.

8 Выполнены сравнительные исследования вибрационных характеристик трансформаторов со стержневыми и цилиндрическими магнитопроводами а также экспериментальные исследования вибрационных характеристик УВ с ТВМП, при различном числе пар СКЛ и различном характере нагрузки.

Возможные направления дальнейших исследований:

1 Исследование работы УВ с ТВМП в режиме ведомого сетью инвертора.

2 Разработка реверсивного и обратимого преобразователей с ТВМП.

3 Исследование УВ, АИ, реверсивных и обратимых преобразователей с ТВМП в различных режимах работы.

4 Разработка микропроцессорных СУ УВ, АИ реверсивного и обратимого преобразователей с ТВМП.

1. АваиесовВ.М. Инвариантное управление следящим инвертором напряжения.// «Электротехнка», №4,1999, с 34-40.

2. Агунов М.В. Энергетические процессы в электрических цепях с несинусоидальными режимами и ихэффективность.Кишинев-Тольятти: МолдНИИТЭИ, 1997 г.- 84с.

3. Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранскгш В.А. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. — Л.: Судостроение, 1986.

4. Амелина М., Амелин С. Основные правила моделирования электронных устройств с использованием программ схемотехнического анализа. http://microcap-model.narod.ru

5. АнисгшовЯ.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. — Л.: Судостроение, 1990. -264 с. ил.

6. Анисгшов Я. Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках. Л.: Судостроение, 1973, 232 с.

7. Анисгшов Я. Ф., Жук А. К., Черевко А.И. Искажение напряжения в судовой электроэнергетической системе СЭЭС, содержащей тиристорные преобразователи //Межреспубликанский сборник «Судостроение», вып. 24, «ВИЩА ШКОЛА» Киев-Одесса 1975, с.76-84.

8. Анхимюк В. Л., Ильин О. П., Шейна Г. П. и др.Одноканальная система управления выпрямителем с широким диапазоном регулирования угла зажигания.//Электротехника.1970, № 11,с.8-10.

9. А.С. №524234 Статический регулируемый трансформатор с вращающимся магнитным полем.// В.Ф. Шукалов, Н.А. Иванова // Б. И., 1976, №29.

10. Баранова Э. Г., Вчерашний В. П., Лукьянов Л. М. Применение интегральных схем для реализации цифровых систем управления вентилями преобразователей. —-«Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника», 1971, вып. 22, с. 36—28.

11. Брускин Д.Э., Зорохович.А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины,.// М., Высшая школа, 1979,4.1 288 с, ч.2, 304 с.

12. Булгаков А.А. Новая теория управляемых выпрямителей//М.,Наука, 1970,320 с.

13. Влияние статических преобразователей и мощных нагрузок на питающую сеть.//Свиридов Г.М., Кузнецов Л.Е., Малышев Н.Г., Хомяк В.А.//Л., Судостроение, № 5, 1976, с. 41-53.

14. Вольдек А.И. Электрические машины.// Л., Энергия, 1974, 840 с.

15. Вчерашний В. П., Баранова Э. Г., Лукьянов Л. М. Одноканальные системы управления многофазными вентильными преобразователями. — «Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника», 1970, вып. 7, с. 110—14

16. Гармонический анализ кривой МДС трансформатора с вращающимся магнитным полем.// Атрощенко В.А.и др.//Изв. Вузов Электромеханика, №1-2,1997, с.9-12.

17. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. MatLab 6.0 //С.Пб., КОРОНА принт, 2001, 320 с.

18. Голъдберг О.Д. Испытания электрических машин. Учебник для вузов. 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2000.

19. Деревянченко А.Е. и др. Подавление радиопомех, создаваемых мощными статическими преобразователями// Электротехника, 1973, № 6, с. 32-34.

20. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока.// Л., Энергия, 1974, 504 с.

21. Донской А.В., Кулик В.Д. Теория и схемы тиристорных инверторов повышенной частоты с широтным регулированием напряжения.//Л., Лизд. Энергия, 1980, 158 с.

22. ЕфгшовА.А., ШрейнерР.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с.

23. Зюбин В. Ф., Лабунцов В. А. Построение цифровых систем управления24.