Содержание к диссертации
Введение
1 Современнее состояние электрификации сельскохозяйственного производства и перспективы возобновляемых источников электроэнергии 10
1.1 Перспективы электрификации сельскохозяйственных потребителей. 10
1.2 Ущербы от перерывов в электроснабжении и снижении качества электроэнергии в сельскохозяйственном производстве 12
1.3 Перспективы возобновляемых источников электроэнергии 16
1.4 Основные задачи исследований 26
Выводы по разделу 1 27
2 Синтез структуры преобразовательного модуля
2.1 Анализ существующих силовых схем автономных инверторов 28
2.2 Выбор рациональной структуры автономною инвертора с проме жуточным звеном повышенной частоты 30
2.3 Исследование возможностей улучшения КПД и массогабаритных показателей силовой схемы преобразователя 40
2.4 Особенности работы силовой схемы инвертора 46
2.5 Разработка системы управления инвертором напряжения по заданному качеству кривой выходного напряжения 53
Выводы по разделу 2 67
3 Анализ качества выходного напряжения автономного инвертора и его математическая модель
3.1 Гармонический состав и расчет показателей качества выходного напряжения автономных инверторов 69
3.2 Разработка схемы замещения автономного инвертора с промежуточным высокочастотным преобразованием 75
3.3 Разработка математической модели 80
Выводы по разделу 3 89
4 Исследование электромагнитных процессов в автономном инверторе и экономическое обоснование применения солнечных электростанций
4.1 Особенности оптимизации параметров преобразователя для максимального КПД 90
4.2 Исследование электромагнитных процессов в инверторах при различном характере нагрузок на ЭВМ 103
4.3 Экспериментальные исследования 109
4.4 Экономическое обоснование применения солнечных электростанций для электроснабжения объектов АПК 115
Выводы по разделу 4 120
Общие выводы 122
Список использованных источников 124
Приложения 134
- Ущербы от перерывов в электроснабжении и снижении качества электроэнергии в сельскохозяйственном производстве
- Выбор рациональной структуры автономною инвертора с проме жуточным звеном повышенной частоты
- Разработка схемы замещения автономного инвертора с промежуточным высокочастотным преобразованием
- Исследование электромагнитных процессов в инверторах при различном характере нагрузок на ЭВМ
Введение к работе
Электрификация сельскохозяйственных потребителей имеет свои особенности, позволяющие выделить ее в относительно самостоятельную область науки и техники. На эти особенности оказывают в ияі.ие как специфика сельскохозяйственного производства, рассредоточенного по значительной территории, так и исторический процесс развития электрификации сельского хозяйства. Эти обстоятельства определяют специфические требования к построению электроэнергетических систем сельского хозяйства в целом.
В настоящее время динамика экономического развития отрасчи требует поиска и разработки новых методов улучшения качественной сто-роны электрификации сельскохозяйственных потребителей.
В сельском хозяйстве имеются удаленные потребители: фермы, стригальные пункты, фермерские хозяйства и т.п. Для таких потребителей иногда выгоднее использовать автономные источники электроэнергии (АИЭ), чем прокладывать линии электропередачи от централизованной системы. Многие хозяйства, особенно те, которые приобрели перерабатывающие пеха, столкнулись с проблемой, связанной с нехваткой мощностей источников и -и с малыми сечениями проводов линий передачи электроэнергии.
На основании исследований ведущих ученых в области электрификации сельского хозяйства Бородина И.Ф., Будзко И.Л., Ерошенко Г.П.. Оськина СВ. Левина М.С., Лещинской Т.Б., Хорольского В.Я. и др., направленных на улучшение эксплуатационно-технических характеристик (ЭТХ) функциональных узлов и элементов систем электроснабжения (СЭС), можно сделать вывод о предполагаемом повышении критериев эффективности (показателей надежности, качества электроэнергии, КПД, стоимости и массогабаритные показатели для транспортных систем) СЭС сельскохозяйственных потребителей. Однако для существенною улучше ния критериев эффективности необходимы новые принципы и методы конструирования сэс.
Одно из направлений, способствующих росту эффективности, в том числе повышению экономичности сельскохозяйственного производства, -внедрение новой техники, возобновляемых и нетрадиционных источников электроэнергии (ВИЭ и НИЭ).
Актуальность проблемы подчеркивает состоявшееся в феврале 2002 г. общее собрание Академии электротехнических наук РФ при участии членов Международной энергетической академии. На собрании отмечалось, что одной из крупнейших сфер применения малой энергетики является сельское хозяйство, очень чувствительное к перерывам в электро- и теплоснабжении. Россия обладает огромным потенциалом НИЭ, но их доля в энергетическом балансе страны в настоящее время чрезвычайно мала [100]. Кроме того, мировой опыт свидетельствует о высоких перспективах применения в сельском хозяйстве ВИЭ и НИЭ [20, 33,41,61,79,90,94,100].
Основные причины выявленной тенденции использования НИЭ за рубежом и России следующие: возросший тариф на электроэнергию от центральных энергосистем; ограниченность природных запасов топлива; остро возросшая проблема загрязнения окружающей среды, в том числе отрицательные экологические последствия традиционной энергетики.
Разработкой НИЭ для сельского хозяйства в настоящее время занимаются ведущие ученые ВИЭСХ, известны также работы ученых по разработке ВИЭ для сельскохозяйственных потребителей Саплина Л.А., Григораш О.В., Креймера А.С и др. Однако в этих работах недостаточно уделялось внимание особенностям разработки солнечных электростанций (СЭ), в частности статическим преобразователям напряжения постоянного тока в переменный.
Использование электростанций, преобразующих энергию солнца в электрическую энергию, является одним из перспективных направлений, поскольку в настоящее время уменьшилась стоимость фотоэлементов СЭ. Так с 1990 по 2000 г.г. удельная стоимость за \кВт-ч вырабатываемой энергии снизилась более чем в 4 раза [23, 47J. В настоящее время тенденция снижения стоимости сохранилась.
Как известно, одним из основных функциональных узлов СЭ являются автономные инверторы (АИ) предназначены для преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный ток. Основными недостатками эксплуатируемых АИ являются относительно низкое качество выходного напряжения, что требует применения массивных фильтров, а в свгзи р. этим, повышенная масса и низкий КПД. Таким образом, улучшение критериев эффективности автономных инверторов приведет к улучшению ЭТХ СЭ.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГОУ ВПО КубГАУ «Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания длэ. АПК» на 20014-2005 г.г. (ГР № 1200113477).
Целью диссертационной работы является улучшение экс ілуата-ционно-технических характеристик автономных инверторов солнечных электростанций сельскохозяйственных потребителей путем применения промежуточного преобразования электроэнергии.
Объекты исследований - автономные инверторы и системы управления ими.
Предмет исследования - математические и физические модели автономного инвертора, критерии эффективности, которыми являются показатели надежности, качества электроэнергии, стоимости и КПД.
Научную новизну работы составляют:
- математическая модель автономного инвертора с высокочастотным звеном, позволяющая исследовать электромагнитные процессы в преобразователе в основных режимах его функционирования;
- функциональные алгоритмы управления автономными инзерторами, позволяющие повысить их КПД и надежность до допустимых значений погрешности несинусоидальности выходного напряжения;
- функциональная схема автономного инвертора с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками.
Практическую значимость и ценность работы представляют:
- результаты математического моделирования и зксперименіальньїх исследований, позволяющие обосновывать выбор элементов силовой схемы преобразователя и устройств защиты от аварийных режимов работы; - инженерная методика анализа и оценки качества выходного напряжения автономных инверторов, позволяющая снизить погрешность расчетов энергетических характеристик;
- предложенные схемотехнические решения автономных инверторов позволяющие повысить их КПД и надежность работы.
На защиту выносятся:
- математическая модель преобразовательного модуля постоянною тока;
- методика оценки качества выходного напряжения автономных инверторов;
- результаты экспериментальных исследований электромагнитных процессов, протекающих в преобразователе в основных режимах егэ функционирования;
- новое техническое решение автономного инвертора с высокочастотным звеном в модульном исполнении с улучшенными эксплуатационно- техническими характеристиками.
Реализация и внедрение результатов работы.
Материалы по разработке математической модели преобразовательного модуля в основных режимах его функционирования переданы и используются в Куйбышевском Муниципальном Унитарном Предприятии «Водоканал».
Результаты научных исследований также используются в учебном процессе при изучении дисциплины «Электроника» на факультете энергетики и электрификации ФГОУ ВПО КубГАУ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Российской НПК по физико-техническим проблемам создания новых технологий АПК в СтГАУ в 2005 (г.Ставрополь); на Международной конференции по высоким технологиям энергосбережения в 2005 г. (г. Воронеж); на межвузовских НТС по проблемам электрификации сельскохозяйственного производства в КубГАУ в 2005 г. (г. Краснодар).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 1С научных трудов, включая 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВА К.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающих 106 наименований и приложения. Общий объем диссертации: 148 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков, 4 таблицы, 11 страниц приложения.
Ущербы от перерывов в электроснабжении и снижении качества электроэнергии в сельскохозяйственном производстве
Цена нарушений нормальных режимов работы ответственных потребителей (потребителей первой категории), связанных с отклонением показателей качества электроэнергии, с внезапными перерывами электроснабжения, из-за аварийных ситуаций чрезвычайно высока и неуклонно возрастает.
Уровень ущерба в сельском хозяйстве в значительной степени зависит от вида предприятия и его размеров. Например, на мс: очных фермах процесс доения коров повсеместно выполняется при помощи электромеханизированных доильных аппаратов. Перерыв в электроснабжении даже с незначительной задержкой, кроме недополучения молока, могут приводить к заболеванию коров и последующему снижению их продуктивности. Удои уменьшаются также из-за нарушения режима кормления и поения животных, ухудшения параметров микроклимата во время перерывов в электроснабжении.
Заметные ущербы наносит перерыв в электроснабжении процессов первичной обработки молока на фермах (охлаждение, сепарирование). Нарушение электроснабжения во время первичной обработки молока в основном приводит к порче продукции или получению молока пониженной сортности [22].
На предприятиях по откорму свиней и крупного рога і or о скота при перерывах в электроснабжении изменяются параметры микроклимата. При отклонении температуры воздуха от оптимальной снижаются среднесуточные привесы, а накопление вредных газов влияет на обменные процессы в организме и служит причиной заболеваний и даже гибели животных. Привесы снижаются также из-за нарушения процессов кормления и поения.
Значительное влияние перерывы в электроснабжении оказывают на работу птицеводческих предприятий, в частности на режимы микроклимата. При большой плотности посадки птицы концентрация вредных газов уже через несколько часов достигает такого уровня, что птица гибнет от удушья. При резком изменении температуры в птичниках у кур-несушек наблюдается срыв яйценоскости, при прекращении обогрева часть цыплят погибает, а в бройлерных птичниках цыплята сбиваются в "кучи и часть из них оказывается задавленной. Перерывы а электроснабжении нарушают нормальную работу инкубаториев, в результате чего выводится меньше здоровых цыплят или может возникнуть необходимость выбраковки цыплят.
Кроме того, ухудшение качества электроэнергии приводит также к нарушению нормальной работы сельскохозяйственных потребителей. Здесь важным показателем качества напряжения является его о клоне-ние. Особенно чувствительны к отклонениям напряжения осветительные установки. В сельскохозяйственном производстве нашло широкое применение ультрафиолетовое облучение животных и птиц, позволяющее увеличить яйценоскость кур-несушек, снизить заболеваемості и падеж животных, увеличить среднесуточные привесы. При понижении напряжения заметно уменьшается световой поток, а при его повышении возрастает доза облучения, резко снижается срок службы ламп, и происходит перерасход электроэнергии [21,54,89].
В АПК, по мере повышения уровня индустриализации производства сельскохозяйственной продукции, ущерб от перерывов в электроснабжении и от снижения качества напряжения неуклонно возрастает. Особенно это проявляется при электроснабжении потребителей первой категории, к которым относится комплексы по производству молока на 400 и более голов, комплексы по выращиванию и откорму в год 12 тыс. и более свиней, 5 тыс. и более голов крупного рогатого скота, птицефабрики по производству яиц с содержанием 100 тыс. и более кур-несушек, птицефабрики мясного направления с содержанием / м т. и более цыплят и т.д. [22]. Производственная и потребляемая электрическая мощность этих предприятий представлены в табл. 1.1.
Так, по сведениям, приведенным в [22], в 2000 г. ущерб от перерыва в электроснабжении на /ч на комплексах по производству молока составляет более 5 000 руб, на комплексах по выращиваете крупного рогатого скота-более чем на 20 000 руб, на свиноводческих комплексах - свыше 100 000 руб, на птицефабриках мясного направления-более 200 000 руб, на птицефабриках по производству яиц - более 500 000 руб. Кроме того ущерб от снижения качества напряжения на комплексах по производству молока в течение 1 ч при отклонениях напряжения на ± 5 % от номинального значения превышает 70 С00 руб, при отклонениях ±10 % - 120 000 руб (кроме снижения производственных показателей здесь же учитывается сокращение срока службы электрооборудования, перерасход энергии при повышении напряжения). Можно предположить, что с учетом инфляции в настоящее время уровень ущерба значительно возрос.
Кроме предполагаемого ущерба в сельскохозяйственном производстве, важным с экономической точки зрения является вопрос транспортировки (передачи) электроэнергии от электростанций до потребителей. Поскольку с одной стороны в линиях электропередачи, трансформаторах, распределительных устройствах происходят значительные потери электроэнергии, а с другой стороны необходимо отметить высокую стоимость элементов СЭС, обеспечивающих передачу электроэнергии. Так, стоимость (только капиталовложения) 1 кч воздушной лщ ии 35 кВ превышает 160 тыс. руб., а линии на ИОкВ-бопее 300 тыс. руб. Стоимость трансформаторных подстанций 35/0,38 кВ мощностью 1000 кВА превышает 800 тыс. руб., 110/35 кВ мощностью 6300 кВ А - более 2,6млн. руб., а стоимость распределительных устройств на 35 и ПОкВ превышает 1,5 млн. руб (показатели стоимости приведены на 2000 г).
Выбор рациональной структуры автономною инвертора с проме жуточным звеном повышенной частоты
Разработка силовых схем (СС) АИ связана со спецификой работы статического преобразователя и его силового трансформатора, обеспечивающего согласование напряжения источника питания с нагрузкой. В настоящее время известно несколько структур АИН. Целесообразно рассмотреть их особенности работы, достоинства и недостатки.
Структура 1. Напряжение входного источника Е преобразуется коммутатором К в модулированный по синусоидальному закону сигнал с установленной частотой выходного напряжения (рис.2.2). После трансформации и фильтрации на нагрузке получается синусоидальное напряжение требуемой амплитуды. Коммутатор может быть выполнен по мостовой схеме и по схеме с "выведенным нулем (рис.2.2) с использованием Л-образного LC-фчльтра. Структура 1 из всех рассматриваемых самая распространенная. В ней осуществляется только одно преобразование электрической энергии. Одно из главных преимуществ структуры заключается в том, что сравнительно легко осуществляется защита транзисторов от токовых переірузок. Недостаток схемы - наличие низкочастотного трансформатора, масса которого более 50% массы АИ.
Структура 2. В этой структуре производится предварительное инвертирование коммутатором К1 уровня Е на высокой частоте (рис.2.3). Трансформированный до требуемой величины сигнал в виде прямоугольных импульсов подается на реверсивный выпрямитель К2. Последний преобразует входной сигнал в моделированное по синусоидальному закону напряжение, которое после фильтрации поступает на нагрузку. Здесь ценою двукратного преобразования энергия значителыг (в несколько раз) уменьшается масса АИ.
Структура 3. Она отличается от структуры 2 тем, что вместо реверсивного выпрямителя используется узел «выпрямитель (В) - фильтр (ФІ) - коммутатор (К2)», преобразующий постоянный уровень на выходе модулированное по синусоидальному закону напряжение, которое после фильтрации поступает на нагрузку. На рис.2.4. представлена упрощенная схема такого инвертора, где высокочастотный коммутатор К1, выполненный на гранзи-сторах VT1 и VT2, и неуправляемый выпрямитель В выполнен по схеме с выведенным нулем, а низкочастотный коммутатор К2 (транзисторы VT3-VT6) -по мостовой схеме.
Если применить управляемый выпрямитель, то можно стабилизировать напряжение питания коммутатора К2 и тем самым осуществить регулирование выходного напряжения. Структура 3 из-за наличия выпрямителя позволяет передавать энергию только в одном направлении - в сторону нагрузки. Это вносит некоторую специфику в ее работу и в выполнение отдельных узлов. Во-первых, коммутатор KI реактивной мощности почти не потребляет (работает в облегченном режиме) и его можно сделать достаточно компактным. Во-вторых, для компенсации реактивной мощности нагрузки величину емкости конденсатора С1 нужно взять большой. Применение данной, структуры предпочтительно в том случае, если суммарные показатели блоков «В+ФІ+К2» лучше показателей реверсивного выпрямителя К2 (рис.2.3). При этом низковольтный источник может обеспечивать электропитание высоковольтного приемника. Известное техническое решение миниатюрного бортового преобразователя по структуре 3 мощностью 0,7 кВА. Удельная мощность преобразователей данной структуры составляет 300 Вт/кг.
Структура 4. Преобразователи по этой структуре работают по/іринци-пу суммирования выходных напряжений двух инверторных блоков с последующим реверсивным выпрямлением суммарного напряжения, причем выходная частота равна разности рабочих частот инверторов.
В наиболее простом случае суммируются два прямоугольных напряжения разных частот, в результате чего получается ШИМ по треугольному закону. При этом высокочастотное преобразование можно осуществить и од-ним мостовым коммутатором (рис.2.5), где транзисторы разных фіз переключаются с разными частотами, а переключение транзисторов реверсивного выпрямителя осуществляется в момент минимума огибающей ШИМ сигнала.
Регулирование напряжения осуществляется методом ШИР за счет управления силовых ключей коммутаторов К1 (транзисторы VT1-VT4).
В данном случае также производится двойное преобразование энергии, как и в структуре 3. Поэтому даже при формальном сравнении схема рис.2.5 явно невыгодна. Так как в реверсивных выпрямителях структуры 4 имеется в 2 раза больше силовых ключей, чем в структуре 2, то она обладает худшими массогабаритными показателями и энергетическими показателями. Структура 5. Синусоидальную форму выходного напряжения можно получить суммированием выходных прямоугольных напряжений нескольких инверторов с одинаковыми амплитудами и частотами, но с разными фазами, ьли же с разными амплитудами, частотами и фазами. В обоих случаях преследуется цель исключить максимальное количество низких гармоник в выходном напряжении. На рис.2.6 представлена такая структура на примере трех инверторов (коммутаторов). Инвертор состоит из шести взаимосвязанных полумостовых автогенераторов с общим емкостным делителем напряжения и с траьеформа-торной обратной связью, соединенных в кольцевую иересчетную схему.
Разработка схемы замещения автономного инвертора с промежуточным высокочастотным преобразованием
Сложность получения математической модели преобразователя обусловлена необходимостью учета нелинейных характеристик сердечника силового трансформатора и полупроводниковых вентилей, иарамегров обмо- ток силового трансформатора и их. взаимосвязей, параметров фильтрующих элементов, величины и характера нагрузки.
При составлении схемы ЛИН с промежуточным высокочастотным преобразованием целесообразно учесть: высокую скорость изменения магнитного потока, что вызывает появление значительных вихревых токов в магнитопроводе и связанных о ними потерь энергии; коммутация силовых полупроводниковых приборов происходит мгновенно и без потерь.
Учет этих факторов для схемы преобразователя (рис.2.3) осуществляется с помощью схемы замещения преобразователя с Т-образной эквивалентной схемой трансформатора (рис.3.5).
При этом принимается допущение: действие датчиков насыщения, контролирующих магнитное состояние сердечника трансформатора и отключающих транзисторные ключи при его насыщении, эквивалентно действию источников тока //, 12.
Использование R-модели вентиля ведет к существенному изменению жесткости системы дифференциальных уравнений. При этом для обеспечения требуемой точности решения необходимо значительно дробить расчетный шаг, что ведет к увеличению затрат машинного времени. Однако такая модель вентиля при исследовании электромагнитных процессов позволяет учитывать потери, не искажает топологию электрической схемы и обладает достаточной гибкостью и простотой.
Таким образом, модели полупроводниковых вентилей целесообразно представлять в виде R-моделей, параметры которых изменяются скачкообразно в моменты переключений. Каждый вентиль представляется неизменным активным сопротивлением ReKV соответствующим открытому его состоянию. Вентиль является закрытым при следующем условии где р - количество ветвей схемы, в которых содержатся вентили; I, - ток через /-й вентиль.
Неуправляемый вентиль открывается, если напряжение на закрытом вентиле, увеличиваясь, достигает нуля и затем продолжает изменяться в положительном направлении
Поскольку вентиль представляется активным сопротивлением, то условие (3.7) эквивалентно следующему условию, выраженному в терминах протекающего по нему тока
Управляемый вентиль будет открытым при условии где U\r напряжение импульса управления на управляющем электроде вентиля; UH - напряжение на нагрузке инвертора; Un(t) - верхнее пороговое значение, вырабатываемое генератором ведущего сигнала; IL0 - ток индукции намагничивания; 1д - ток, протекающий через включенный вентиль при полном перемагничивании сердечника, силового трансформатора инвертора. Учитывая изложенное выше, исходной для формирования уравнений математической модели преобразователя схемой замещения является электрическая схема, состоящая из источника питания в виде источника напряжения формирователей сигналов управления состоянием ключевых элементов инвертора в виде источников тока (I;, 12), силового трансформатора в виде Т-образной эквивалентной схемы трансформатора, Р-моделей ключевых полупроводниковых элементов (рис,3.5). Полупроводниковые - вентили на схеме изображены в виде активных сопротивлений. Кроме того, нагрузка инвертора представлена L-C-фильтром и активно-индуктивным характером приемников. Схема преобразователя (рис.3.5) содержит сравнительно большое количество ключевых полупроводниковых элементов, представленных в виде активных сопротивлений, состояние которых меняется скачкообразно по определенному закону. Исследование таких схем осуществляется двумя способами: первый - считают неизменными компоненты схемы, а переменной ее структуру; второй - считают неизменной структуру схемы, а переменными ее компоненты. Первый способ при анализе схемы (рис.3.5) недостаточно эффективен, так как в определенном состоянии схемы рассматриваются только те элементы, по которым протекает ток, а другие, хотя и находятся в реальной цепи, из анализа на этом интервале выпадают. Кроме того, появляются дополнительные трудности, связанные не только с анализом ранее выпавших элементов, но и с переводом схемы из одного состояния в другое. Поэтому в основу алгоритма моделирования предпочтительнее положить второй способ, который в дальнейшем в процессе интегрирования уравнений математической модели позволит контролировать все анализируемые параметры. Таким образом, имея схему замещения преобразователя и считая неизменной ее структуру, а переменными параметры ее компонентов, далее сформируем систему дифференциальных уравнений, составляющих его математическую модель. Общая процедура преобразования исходных данных к математической модели преобразователя может быть представлена в виде отдельных этапов (рис.3.6), содержание которых сводится к следующему. На основе схемы замещения преобразовательного устройства составляют ее граф, отражающий геометрию электрической цепи. В качестве системы координат для формирования уравнений математической модели будут выступать сечения и контуры графа или отдельные из них. В общем случае, когда переменные связаны как с сечениями, так и контурами, целесообразно использовать неоднородную систему координат. В результате целенаправленного преобразования топологических и компонентных уравнений получается система уравнений, которая представляется в матричной форме следующим образом [41] Квадратная матрица W и матрица Q, элементы которых выражаются через параметры компонентов и интегро-дифференциальные операторы, полностью определяют систему уравнений относительно вектора переменных X. Вектор F содержит в качестве своих компонент задающие функции, характеризующие независимые источники.
Исследование электромагнитных процессов в инверторах при различном характере нагрузок на ЭВМ
Результаты исследования электромагнитных процессов с помощью алгоритма (рис.4.1) и соответственно разработанной программы представляются в виде эпюр тока намагничивания ім напряжений на транзисторах смежных плеч инвертора ик, напряжения на выходе силового трансформатора инвертора ис, напряжения и тока нагрузки преобразователя ин, /„ (Прил.Г). Все расчеты на ЭВМ проводились в относительных единицах. За базовые принимаются следующие величины: мощность инвертора 1000 Вт; входное напряжение 24 В; выходное напряжение 220 В.
Из эпюр прил.Г видно, что переходный процесс при включении преобразователя отражается кратковременными бросками напряжения на выходе трансформатора инвертора, превышающими номинальное значение в 1,0-1,5 раза и ростом напряжения на нагрузке. Длительность переходного процесса составляет 0,5-1,5 длительности прямоугольного импульса напряжения инвертора и определяется параметрами обмоток трансформатора, его конструктивными особенностями, а также величиной нагрузки .
Результаты исследования влияния таких параметров трансформатора, к к с , I ,G0 (рис.3.5) на величину действующего выходного напряжения АИН (U), максимальную амплитуду прямоугольных импульсов (Л) в установившемся режиме и длительность переходных процессов (tnn) приведены на і рафиках (рис.4.6). Па горизонтальной оси графиков (рис. 4.3) приведены логарифмические значения изменяемых параметров. Параметры, соответствующие изменению с,, представлены без штрихов, изменению/5 с одним штрихом, изменению (70 С двумя штрихами.
Из графиков видно, что с увеличением Ls от Ls =3-10-6 до значений Ls =3-10" -7-8-10" длительность переходных процессов изменяется линейно и достигает значений tm 0.03 длительности прямоугольного импульса. Увеличение Ls по 1 =3-10 вызывает линейное изменение tm, которое достигает значений tnn =0.1 длительности прямоугольного импульса. Дальнейшее увеличение L, приводит к резкому росту /л// до значений, превышающих несколько раз длительность прямоугольного импульса. При этом значение действующего напряжения (U) и амплитуда прямоугольных импульсов (А) уменьшается на рассмотренных интервалах по тому же закону, чтои//;л. Изменения Cs и Gs на длительность переходных процессов практически не влияют. В то же время увеличение этих параметров вызывает уменьшение напряжения (U). Причем Амплитуда (А) с увеличением Cs растет по линейному закону, а с изменением GQ остается постоянной. Увеличение емкости фильтра и индуктивного характера нагрузки положительно сказывается на форме выходного напряжения и перегрузке вентилей преобразователя, что отвечает логике развития электромагнитных процессов в соответствие с математической моделью и подтверждает объективность алгоритма и программы моделирования. Фильтр обеспечивает компенсацию реактивной мощности через обратные диоды высокочастотного инвертора в источник. Возврат реактивной энергии, обусловленный характером нагрузки, частично происходит во время закрытого состояния силовых ключей инвертора (Прил.Г). Наибольшее искажение кривой выходного напряжения и перегрузка вентилей инвертора наблюдается при активном характере нагрузки, что объясняется дополнительной нагрузкой инвертора за счет нескомпенсированных емкостных токов фильтра. На графиках (рис.4.4) представлены результаты моделирования электромагнитных процессов для магнитных материалов с различными коэффициентами прямоугольности статической характеристики при неизменном габаритном коэффициенте силового трансформатора На графиках (рис.4.4) показаны зависимости площади поперечного сечения сердечника трансформатора (S), количества витков намагничивающей обмотки (w), значения магнитной проницаемости крутой ветви статической характеристики сердечника трансформатора (//Д скважности импульсов тока намагничивания (/і) от коэффициентов прямоугольности статической характеристики сердечника трансформатора (а). Из графиков видно, что для заданной мощности и величины выходного напряжения преобразователя существует интервал коэффициентов а, наиболее полно соответствующий цели уменьшения массогабаритных показателей. Этот интервал находится в окрестности точки пересечения графиков функции w = f(a) и S = f(a). Для рассматриваемого примера (рис.4.4) точка пересечения соответствует магнитному материалу с сх=0,75. Зависимости (рис.4.4) совместимо с эпюрами (прил. Г) позволяют осуществить выбор материала сердечника трансформатора и определить параметры его обмоток при заданном коэффициенте Q и ограничениях на параметры, входящих в его состав.
На графиках (рис.4.5) представлены результаты моделирования электромагнитных процессов для одного и того же магнитного материала (a = const.) сердечника трансформатора при различных его геометрических размерах (Q = Var), где обозначено: U, I- действующие значения напряжения и тока нагрузки соответственно; А - максимальная амплитуда прямоугольных импульсов напряжения на выходе трансформатора инвертора в установившемся режиме; [і - скважность импульсов тока намагничивания; 1 - индуктивность намагничивания. L, Как следует из графиков, при увеличении индуктивности намагничивания (LM) за счет изменения площади сечения сердечника трансформатора, скорость его намагничивания уменьшается. Уменьшение скорости перемаг-ничивания сердечника при неизменной частоте приводит к увеличению скважности импульсов тока намагничивания /?. Соответственно, с увеличением /?, при прочих равных условиях, растет напряжение (U) и ток (/). При достижении определенных значений индуктивности намагничивания (для исследуемого инвертора при LM=\9) пауза между разнополярными импульсами тока намагничивания становится близкой к нулю (/? 1). Поэтому дальнейшее увеличение 1 приводит к тому, что сердечник не будет успевать иере-магничиваться по полной петле гистерезиса, что вызовет снижение среднего значения напряжения на выходе преобразователя. Таким образом, для каждого магнитного материала при фиксированной частоте перемагничивания существует интервал значений индуктивностей намагничивания, соответствующий интервалу значений габаритов сердечников трансформатор, при которых КПД преобразователя будет максимальным. Этот интервал находится в окрестности значения индуктивности намагничивания (/,,,), при котором значение скважности импульсов тока намагничивания ((3) приближается к единице.
