автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.06, диссертация на тему:Тиристорные контакторы постоянного тока

AI АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Основные виды и функции коммутационных аппаратов

1.2. Аналитический обзор современных статических аппаратов постоянного и 15 переменного токов средней мощности

1.3. Преимущество статических аппаратов

1.4. Постановка задачи 30 ;А II АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТИРИСТОРНЫХ 33 АРАТАХ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ ШЭЩЕЙ СЕТИ.

2.1. Индуктивная составляющая полного сопротивления сетей постоянного тока.

2.2. Основные принципы и схемы коммутации тиристоров. Принятые при анализе 41 допущения.

2.3. Анализ коммутационных процессов в схеме с коммутацией напряжением.

2.4. Анализ коммутационных процессов в схеме с коммутацией током

2.5. Анализ коммутационных процессов в схеме с двухэтапной коммутацией

2.6. Физическое моделирование

2.7. Выводы из анализа электромагнитных процессов 89 iA III МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТИРИСТОРНЫХ АППАРАТОВ 91 МЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ДО

L ТОКИ ДО 1000 А С УЧЕТОМ ИНДУКТИВНОСТИ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ

3.1. Принципы проектирования тиристорных аппаратов

3.2. Основные расчетные соотношения для схемы с отключением основного 96 тиристора напряжением

3.3. Основные расчетные соотношения для схемы с отключением основного 100 тиристора импульсом тока

3.4. Соотношения для схемы с двухэтапной коммутацией

3.5. Аналитический подход к проблеме оптимального выбора компонентов силовой 110 схемы контактора

3.6. Оптимизация силовой схемы тиристорного аппарата при помощи программного 118 перебора вариантов

А IV СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УПРАВЛЕНИЯ И 123 ЙГГЫ ПОСТРОЕННЫХ НА БАЗЕ РАЗЛИЧНЫХ ПОЛУПРВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

4.1. Анализ основных характеристик статических аппаратов на базе полностью 124 управляемых полупроводниковых приборов

4.2. Статические аппараты на основе мощных полевых МОП транзисторов (MOSFET)

4.3. Статические аппараты на основе биполярных транзисторов с изолированным 129 затвором (IGBT)

4.4. Статические аппараты на основе запираемых тиристоров (GTO)

4.5. Стоимость и объем силовых схем статических аппаратов, построенных на базе 132 тиристоров, GTO, MOSFET и IGBT

4.6.Оценка целесообразности применения тех или иных видов полупроводниковых 135 ключей в статических аппаратах при различных условиях ПОЧЕНИЕ

СОК ЛИТЕРАТУРЫ

Создание и освоение промышленностью высокоэффективных силовых электронных приборов типа ЮВТ, ОТО и др. позволило существенно расширить функции силовых электронных устройств, используемых в качестве коммутационных аппаратов в сетях переменного и постоянного тока. Однако в сетях постоянного тока сохранилось преимущество тиристорных аппаратов с принудительной коммутацией, в которых коммутационный контур является поглотителем электромагнитной энергии сети. Как показывает анализ, вывод энергии из индуктивности входной сети значительно влияет на процессы выключения. Поэтому проблема проектирования таких аппаратов с учетом влияния индуктивности сети остается достаточно актуальной.

Применение полностью управляемых приборов в случае больших входных индуктивностей требует применения мощных поглотителей (таких как варисторы), при этом возникающие перенапряжения значительно завышают стоимость и без того дорогих полностью управляемых полупроводниковых приборов, поэтому не смотря на громоздкий контур коммутации и дополнительные полупроводниковые приборы тиристорные контакторы часто оказываются экономически более эффективными. В ряде случаев применение полностью управляемых приборов вообще исключается в связи с их отсутствием на требуемые значения напряжений и токов коммутируемой сети.

В то же время необходимо отметить, что вопрос о целесообразности применения тех или иных методов статической коммутации цепей постоянного тока проработан не достаточно полно. Отсутствуют методики расчета элементов тиристорных контакторов, учитывающих величину входной индуктивности и перенапряжения связанные с ней. Не созданы методы оптимизации таких устройств.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ Разработка методики проектирования типовых схем тиристорных контакторов постоянного тока с учетом величины входной индуктивности и рекомендаций по применению тиристорных коммутационных аппаратов.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Достижение цели исследования предполагает решение следующих научно-исследовательских и инженерных задач:

1. Выявление общих принципов работы полупроводниковых аппаратов, определение наиболее целесообразных областей их применения;

2. Анализ электромагнитных процессов в тиристорных контакторах в присутствии входной индуктивности и разработка на их основе методик проектирования с учетом оптимизации массогабаритных и стоимостных параметров;

3. Разработка математических моделей различных схем тиристорных контакторов на ЭВМ и проведение компьютерного эксперимента, разработка лабораторной физической модели и проведение экспериментов;

4. Выяснение целесообразности построения полупроводниковых аппаратов, рассчитанных на коммутацию в сетях с входной индуктивностью, на базе тиристоров по сравнению с новыми полностью управляемыми полупроводниковыми приборами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Получены и выносятся на защиту следующие результаты: 1. Выявлено, что входная индуктивность значительно влияет на процессы коммутации в тиристорном контакторе.

2. Определены области рационального применения схем тиристорных контакторов по сравнению со схемами коммутационных аппаратов на основе полностью управляемых коммутационных приборов,

3. Получены аналитические зависимости для определения электромагнитных процессов в схемах;

4. Показано влияние энергии запасенной во входной индуктивности на электромагнитные процессы в контуре принудительной коммутации тиристорных контакторов и как следствие на режимы работы и функциональные возможности.

5. Для типовых схем разработаны методики оптимального проектирования с учетом величины Ьвх. Данные методики реализованы в нескольких программах автоматического проектирования тиристорных контакторов.

6. Разработаны математические модели адекватно с учетом принятых допущений отображающие процессы в регуляторе.

7. Разработаны методики с применением методов нечеткой логики, определяющие рациональные области применения статических аппаратов на различной элементной базе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В результате исследований предложены принципиально новые методики проектирования тиристорных контакторов, учитывающие величину входной индуктивности и оптимизирующие массогабаритные и стоимостные параметры.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Полученные результаты использованы в научно-исследовательских работах проводимых кафедрой по госбюджетной тематике.

АПРОБАЦИЯ. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции: "РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА" в 1999 г. а также на заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 1998-99 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и имеет объем 145 стр., 51 рисунок, и четыре приложения общим объемом 32 стр.

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1) Выполнен анализ принципов построения современных полупроводниковых аппаратов, областей применения, функциональных возможностей. Определены основные задачи, которые могут выполняться полупроводниковыми аппаратами, показаны преимущества полупроводниковых аппаратов по сравнению с электромеханическими. Показано, что при наличии значительной Ьвх в широкой области токов и напряжений применение тиристорных контакторов более целесообразно, чем аппаратов на полностью управляемых приборах.

2) Для трех схем тиристорных контакторов проведен анализ электромагнитных процессов по интервалам проводимости приборов с учетом влияния входной индуктивности. Показано на каких интервалах и каким образом входная индуктивность влияет на процессы в контакторе и выбор основных элементов схемы.

3) Созданы математические модели, которые подтвердили правильность проведенного анализа и позволяют анализировать процессы при различных значениях входной индуктивности на ЭВМ.

4) Созданы методики проектирования с учетом оптимизации по двум параметрам (объем и стоимость), которые позволяют проектировать тиристорные контакторы при высоких значениях индуктивности. Выявлены области рационального применения трех схем тиристорных контакторов. Данные методики реализованы в виде компьютерных программ, позволяющих проводить автоматическую комплектацию оптимальной схемы тиристорного контактора заданной топологии.

5) Проанализированы схемы контакторов на полностью управляемых полупроводниковых приборах. Выявлены области применения таких приборов как МОББЕТ, ЮВТ, СТО.

6) С применением методов нечеткой логики, созданы методики оценки рациональности применения схем на полностью управляемых ключах и тиристорах. Данные методики также реализованы в виде программ, при помощи которых получены области рационального применения схем на различной элементной базе.

Заключение

1. Таев И. С., Электрические аппараты управления, М.:Высшая школа, 1984, 446 с.

2. Акимов Е. Г., Чунихин А. А., Выбор электрических аппаратов защиты для силовыхполупроводниковых приборов. М.: МЭИ, 1993, 32 с.

3. McEwan Р. М., Tennakoon S. В., Two Stage Tiristor Cuircut Breaker, ШЕЕ transaction on Power Electronics, 1997, Vol 12, No 4, pp. 597-607.

4. Абрамович Ф. В. и др., Диоды и тиристоры в преобразовательных установках, М:, Энергоатомиздат, 1988, 208 с.

5. Намитоков К.К., Ильина H.A., Шкловский Н.Г., Аппараты для защиты полупроводниковых усторойств, М., Энергоатомиздат, 1988, 280 с.

6. Могилевский Г.В., Райнин В.Н., Гребенник В.И. Полупроводниковые аппараты защиты. М.: Энергия, 1980, 320 с.

7. Щуцкий В. И., Зайцев И. Б., Тиристорный выключатель-прерыватель для шахтных контактных сетей, в Электрические аппараты, межвузовский сборник научных трудов, Чебоксары, 1998, с. 109-112.

8. Сахаров П. В., Проектирование электрических аппаратов, М.: Энергия, 1971, 560 с. 12.] Fox D. A., Remote power controllers for the NASA Space Shuttle Orbiter, AIAA-Journal, 1977, Vol 14, № 77, 494 p.

9. Макарычев Ю. M., Рыжов С. Ю. и др., Микропроцессоры в электрических аппаратах,1. М.: МЭИ, 1997, 72 с.

10. Чучалов В. А., Новые микроконтроллеры фирмы Siemens в промышленных системах управления, Электротехника N3, 1998, с. 56-58.

11. Каталог фирмы STROMBERG. Реле защиты электродвигателя SPAM 110. FINLAND, 1985, 680 с.

12. Energy & Automation Product News, Standart Products, 1988, Nol, p 34-35.

13. Каталог фирмы TELEMECANIQUE, Аппараты управления и защиты, Франция, 1988,с. 206-208.

14. Westinghouse Solid State Motor Starters Catalog, New York, 1991, pp. 52-53.

15. Пускатели тиристорные типа ПТ, Каталог Информэлектро, Ж 07.14.14-96, М:,

16. Информэлектро, 1996, с 98-101.

17. Sunberg G.R., Advanced in solid state switchgear techology for large Space power system,19th Intersoc. Energy Convers. Eng. Conf. Records, 1984, vol 1, pp. 286-289.

18. Гош Д., Первый "разумный" выключатель фирмы Siemens, Электроника, № 18, 1985, с53.56.

19. Schutze im Verbund: mit der Elektronik im Tritt.AEG-Mitteilung Zeitschrift, Vol.6, № 17, 1994, pp. 112-118.

20. International Rectifier Short form catalog, 1998, 580 p.

21. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А., Расчет индуктивностей, Ленинград, Энергия,. 1970, 418 с.

22. Белоруссов Н.И. и др., Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1987, 536 с.

23. Электротехнический справочник, под общ. ред. Герасимова В. Г. и др., Москва, Энергоатомиздат, 1986, том 2, 712 с.

24. Справочник по электрическим машинам. Под общ. ред. Копылова И.П. и Клокова Б.К., Москва, Энергоатомиздат, 1988, том 1, 456 с.

25. Уильяме Б., Силовая электроника. Справочное пособие, М:, Энергоатомиздат, 1993, 240 с.

26. Кадалович С. В., Степанкин JI. В., Физика тиристоров, Москва, Наука, 1982, 448 с.

27. Tian X., Lentz G., The State of the Art for Solid State Interruption, EPE-Journal, Vol 12, No 4, 1992, pp. 88-98.

28. Eupec, Каталог на CD-ROM, 1998.

29. Справочник по элементам РЭА, под. ред. Зноско С. К., Москва, Радио и связь, 1989, 552 с.

30. Тиристоры. Каталог ABB Semiconductors AG, 1999, 150 с.

31. Запираемые тиристоры. Быстродействующие диоды. Каталог ABB Semiconductors AG, 1999, 166с.

32. Zadeh L. A., Outline of a new approach to analysis of complex systems and decision making process. ШЕЕ trans, on SMS, 1973, vol. 3, no. 1, pp. 28-44.

33. Industrial applications of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Ed. by Yen J., Langary R., Zadeh L., IEEE Press, 1995, 376 c.

34. Прикладные нечеткие системы. Под. ред. Т. Тэрано, М.: Мир, 1993, 370 с.

35. Представление и использование знаний. Под ред. X. Уэно, М. Исидзука. М.: Мир, 1989, 224 с.