Введение к работе
Актуальность проблемы. Замена на судах электромашинных преобразователей полупроводниковыми (ПП) в конце 60-х годов 20 века обусловила возникновение проблемы качества электроэнергии, что нашло отражение в ГОСТ 13109-67 и Морском Регистре СССР
Автоматизация управления судном, погрузочно-разгрузочными работами и других технологических операций вызвала дальнейший рост мощности полупроводниковых преобразователей В результате проблема качества электроэнергии переросла в проблему электромагнитной совместимости, что нашло отражение в ГОСТ 13109-87 и новой редакции Морского Регистра СССР
Практика показала, что мощные ПП искажали формы кривых токов и напряжений, загружали сеть дополнительной реактивной мощностью и мощностью искажения Высшие гармоники в составе кривых токов и напряжений приводили к дополнительному нагреву статорных и роторных обмоток генераторов, потребителей переменного тока и кабельных трасс, вызывали сбои в работе устройств автоматики, вычислительной техники и систем управления самих ПП
Исследования, выполненные в середине 80-х годов XX века, показали, что при увеличении коэффициента гармоник по напряжению (Кги) до 10% происходит резкий рост виброакустических характеристик (ВАХ) трансформаторно-реакторного оборудования ПП, повышается виброактивность асинхронных двигателей (АД) в 3-5 раз Было установлено, что при длительном воздействии шума и вибрации на персонал, производительность труда падает примерно на 60%
В конце 90-х годов ГОСТ на качество электроэнергии (КЭ) был пересмотрен и приведен в соответствие с международными стандартами МЭК Морской Регистр Судоходства РФ разделил судовые электротехнические комплексы и системы на три региона по электромагнитной совместимости (ЭМС), утвердив для 1-го коэффициент несинусоидальных искажений на уровне 5%, для 2-го на уровне 10% и для 3-го более 10% - по согласованию с Регистром
До принятия федерального закона РФ от 27 декабря 2002 №184-ФЗ «О техническом регулировании» правовые нормы в области обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) в законодательстве Российской Федерации отсутствовали Главный акцент в техническом регулировании (ТехР) в области ЭМС в настоящее время заключается в государственном регулировании, которое должны осуществлять федеральные органы исполнительной власти в сферах своих полномочий С 1 июля 2003 года
вступил в силу закон «О техническом регулировании», которым предусмотрено принятие технического регламента ЭМС Таким образом, на повестку дня поставлено создание в Российской Федерации единой системы технического регулирования в области ЭМС аналогичной европейской системе ТехР В этом случае новые технические средства (ТС) должны отвечать требованиям ЭМС, а электрическая энергия - требованиям к ее качеству Эти соответствия возлагаются на разработчиков и производителей ТС и подлежат обязательному подтверждению в виде декларации о соответствии с обязательной последующей сертификацией ТС
В настоящее время благодаря работам Глинтерника С Р , Глебова И А , Глазенко Т А , Демирчяна К С , Исаева И М , Инькова Ю М Каганова И Л , Ковалева Ф И , Крайчика Ю С , Крогериса А Ф , Поссе А В , Размадзе Ш М , Лутидзе Ш И , Тимофеева Д В , Толстова Ю Г, Чалого Г В , Чиженко И М , Шехтмана М Г , Шипилло В П , Эттингера Е Л , Анисимова Я Ф , Мыцыка Г С в основном сформирована теория работы ПП в симметричных и несимметричных режимах Жежеленко И В , Розанов Ю К , Козярук А Е , Рябенький В М , Яценко Г С , Агунов А В предложили практически важные решения по компенсации высших гармоник Значительный вклад в развитие теории энергетических процессов в ПП внесли Маевский О А , Зиновьев Г С , Агунов М В , а в развитие динамики ПП - Булгаков А А, Поздеев А Д , Донской Н В , Исхаков А С , Джюджи Л , Пелли Б , Шрейнер Р Т, Дмитриев Б Ф , Скачков Ю В внесли существенный вклад в развитие теории построения многоячейковых преобразователей Благодаря работам С Г Германа-Галкина, И В Черных, М В Пронина получило существенное развитие математическое моделирование ПП для целей проектирования различных преобразователей в составе электротехнических комплексов и систем
Розанов Ю К , Агунов А В и др отмечают, что создание и освоение промышленностью новых силовых приборов позволит расширить функции силовых электронных устройств, используемых для регулирования КЭ
Исследования, выполненные в «СЕВМАШВТУЗе» - филиале СПбГМТУ при участии автора, показали, что для повышения качества электроэнергии (КЭ) в автономных электротехнических комплексах и системах (ЭК и С), с мощными ПП требуется совершенствование силовых схем самих ПП Первые работы в этом направлении были выполнены Свиридовым Г М , Шукаловым В Ф , Гайтовым Б X, Сингаевским НА и др и были направлены на применение трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП) в составе выпрямительных агрегатов
Цель работы и задачи исследований.
Целью работы является математическое и физическое моделирование полупроводниковых выпрямителей на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП) с обмотками, выполненными по схеме «звезда/круговая обмотка (КО)»
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи
Развить методику проектирования ферромагнитных структур ТВМП при различном числе пар силовых ключей (СКЛ) транзисторного коммутатора (ТК), заключающуюся в создании алгоритмов и программ в среде Mathcad по расчету конструктивных, массогабаритных и электромагнитных характеристик ТВМП, построенных по схеме «звезда/круговая обмотка»
Разработать алгоритмы и программы в среде Mathcad по расчету потерь мощности и теплового нагрева магнитопроводов и обмоток ТВМП
Создать математические модели управляемых выпрямителей (УВ) с ТВМП с различным числом пар СКЛ ТК в среде MATLAB-Simuhnk для исследования эффективности их работы в установившихся, переходных и аварийных режимах
Построить модели ТВМП в программной среде ANSYS для расчета электромагнитных и тепловых характеристик УВ с ТВМП, позволяющие корректировать аналитические методы проектирования ферромагнитных структур ТВМП при различном числе пар силовых ключей
Разработать алгоритмы и программы в среде Mathcad по расчету виброакустических характеристик УВ с 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 математическим моделированием в среде MathCad, MatLab-Simuhnk, ANSYS на ПЭВМ Достоверность теоретических положений подтверждена результатами исследований лабораторных макетов ПП с ТВМП, разработанных и изготовленных с участием автора настоящей диссертационной работы
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основании проведенных исследований обоснованы теоретические положения,
совокупность которых направлена на создание ПП выпрямителей, построенных на базе ТВМП, в частности
развита методика проектирования ферромагнитных структур ТВМП при различном числе пар СКЛ ТК, заключающаяся в создании алгоритмов и программ в среде Mathcad по расчету конструктивных, массогабаритных и электромагнитных характеристик ТВМП, построенных по схеме «звезда/круговая обмотка»,
предложены алгоритмы и программы по расчету тепловых потерь в магнитопроводах и обмотках ТВМП в среде Mathcad,
разработаны математические модели УВ, построенные на базе ТВМП с различным числом пар СКЛ ТК в среде MATLAB-Simulink для исследования эффективности их работы в установившихся, переходных и аварийных режимах Новизна моделей подтверждена их регистрацией во ВНТИЦ РФ,
построены модели ТВМП в программной среде ANSYS, положенные в основу методики проектирования ТВМП, позволяющие автоматизировать расчеты их электромагнитных и тепловых характеристик при различном числе пар СКЛ, что позволило корректировать и проверять аналитические методы проектирования ферромагнитных структур ТВМП,
- разработаны алгоритмы и программы в среде Mathcad по расчету
виброакустических характеристик УВ с ТВМП
Практическая значимость работы и реализация.
Созданы новые математические модели УВ с ТВМП на различное число пар СКЛ ТК в программной среде MATLAB-Simulmk, позволяющие исследовать электромагнитные процессы в УВ с ТВМП при различных нагрузках с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и уровни виброакустических характеристик
Разработаны методики, алгоритмы и программы проектирования и расчета, конструктивных, массогабаритных и электромагнитных характеристик ферромагнитных структур ТВМП в программной среде MathCad и ANSYS, позволяющие оценивать реальные состояния ферромагнитных структур согласующих трансформаторов, а также выполнена экспериментальная проверка электромагнитных характеристик ТВМП при различном числе пар СКЛ
Предложена методика расчета тепловых потерь и виброакустических характеристик ТВМП при различном числе пар СКЛ в программной среде Mathcad
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», в дисциплинах «Полупроводниковые преобразователи» и «Методы и модели анализа и принятия решений»
На защиту выносятся:
методика проектирования ферромагнитных структур ТВМП при произовольном числе пар СКЛ ТК,
математические модели УВ, построенные на базе ТВМП с минимальным четным и удвоенным числом пар СКЛ ТК в среде MATLAB-Simuhnk для исследования эффективности их работы в установившихся, переходных и аварийных режимах,
3 модели ТВМП в программной среде ANSYS для расчета
электромагнитных и тепловых характеристик УВ с ТВМП, позволяющие
уточнять аналитические методы проектирования ферромагнитных структур
ТВМП при различном числе пар СКЛ,
4 алгоритмы и программы в среде Mathcad, позволяющие рассчитывать
потери в магнитопроводах и обмотках, а также тепловые характеристики ТВМП,
5 алгоритмы и программы в среде Mathcad по расчету
виброакустических характеристик УВ с ТВМП
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Международных конференциях: Моринтех-2001 (1 докл ), С Петербург, Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы, Екатеринбург, 2003 (1 докл), Динамика систем, механизмов и машин, Омск, 2004 (1 докл )
Всероссийских конференциях: ЭМС технических средств, С Петербург, - 2004 (3 докл), 2006 (1 докл ),
а также на - конференциях «Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях ГРЦАС», Северодвинск 2002 - 2006 гг
Публикации
Основные научные результаты работы отражены в 12 научных работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК для докторских диссертаций, 6 запатентованных моделях и программах, 1 монографии
Личный вклад.
Постановка задачи по развитию теории электромагнитных процессов в У В с ТВ МП, обсуждалась с научным руководителем дтн, профессором Черевко А И, а решение теоретических вопросов, основные научные результаты работы принадлежат лично автору Разработка математических моделей УВ с ТВМП в программной среде MatLab-Simulmk, MathCad и ANSYS, выполнена совместно с научным руководителем
Структура и объем работы. Диссертация содержит 223 страницы, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и приложения на 32 страницах Основной текст составляет 191 страницу и включает 100 иллюстрации (в тч осциллограммы) на 75 страницах и 14 таблиц на 15 страницах
