Введение к работе
Актуальность темы. Вторичные источники импульсного питания (ВИИП) с емкостным накопителем, обладающие большой разрядно-импульсной мощностью (десятки МВт), находят широкое распространение в системах питания твердотельных лазеров, средств радиоэлектронной борьбы, конденсаторных сварочных аппаратов, антиобледенительных и других вибраторов, источников питания ионных и плазменных двигателей и проблесковых вспышек, имитаторов источников мощных и сверхмощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) и других.
К основным проблемам, возникающим при разработке ВИИП с первичным питанием от автономных систем электроснабжения (АСЭС) переменного трехфазного тока, в частности авиационных, авиационно-космических и судовых, относятся обеспечение электроэнергетической и электромагнитной совместимости (ЭЭС и ЭМС) с первичной сетью (обычно 115/200 В, 400 ГЦ или 220/380 В, 50 Гц), снижение массы и габаритов, повышение среднециклического КПД, надежности и точности регулирования выходных параметров.
Главной задачей обеспечения электроэнергетической и электромагнитной совместимости ВИИП с первичной сетью является выбор способа и схемотехнического решения для периодической зарядки емкостного накопителя от нулевого (режим к.з.) до высокого (1 ... 5) кВ предразрядного напряжения (режим, близкий к х.х.) при сохранении качества электроэнергии питающей сети, регламентируемое требованиями ГОСТ и другими нормативными документами (обеспечение постоянства амплитуды, частоты и формы кривой напряжения, допустимого уровня помех, а также минимальной загрузки реактивной мощностью).
Проблема сохранения качества электроэнергии питающей сети при работе ВИИП еще более усложняется при наличии предразрядной и послеразрядной пауз в зарядном токе накопительного конденсатора для стабилизации предразрядного напряжения на нем и восстановления электрической прочности (деионозации) импульсной нагрузки.
Неучет вышеуказанной проблемы на всех стадиях проектирования и разработки ВИИП практически всегда приводит к большим неоправданным затратам времени и средств на их доработку и испытания в составе АСЭС.
Построению и анализу ВИИП с первичным питанием от систем электроснабжения переменного и постоянного тока посвящены работы таких отечественных ученых как Алексеев И.И., Алиевский Б.Л., Булатов О.Г., Вольский СИ., Ечеистов Б.А., Зечихин Б.С, Конев Ю.И., Коняхин С.Ф., Лаптев Н.Н., Лившиц Э.Я., Лукин А.В., Малышков Г.М., Машуков Е.В., Мизюрин СР., Милях А.Н., Моин B.C., Молочников Ш.Р., Мустафа Г.М., Мыцык Г.С, Овчинников Д.А., Резников СБ., Розанов Ю.К., Цишевский В.А., Юхнин М.М..
Однако в опубликованных отечественных и зарубежных работах не уделено достаточного внимания исследованию воздействий ВИИП на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения переменного тока и разработке универсальных и высокоэффективных схемотехнических средств для его
сохранения. В последнее десятилетие получили широкое распространение новые эффективные сильноточные, высоковольтные и относительно высокочастотные ключевые полупроводниковые приборы (IGBT и МОСФЕТ-транзисторы, а также запираемые тиристоры). Они позволяют пересмотреть известные схемотехнические решения при построении ВИИП с целью повышения их эффективности при сохранении качества питающей электроэнергии, что представляется актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение и способствующей созданию перспективных автономных электротехнических комплексов, в частности - авиационных, авиационно-космических и судовых.
Цель диссертационной работы - исследование воздействий вторичных источников импульсного питания на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения переменного трехфазного тока, модернизация существующих и разработка эффективных схемотехнических средств для повышения качества электроэнергии.
Исходя из указанной цели были выполнены следующие задачи:
проведен обзор, систематизация и анализ схемотехнических средств (по выбранным критериям их эффективности), выбор наиболее эффективных средств и перспективных направлений их модернизации;
выполнена модернизация известных и разработка новых схемотехнических средств с повышенной эффективностью;
произведены математическое (аналитическое) и компьютерное (программно-вычислительное и «квазифизическое») моделирования ВИИП в составе АСЭС, адекватные решаемым задачам;
осуществлен выбор рациональных структур и схем ВИИП, их комплексное исследование и экспериментальное подтверждение достоверности теоретических положений, расчетов и результатов моделирования;
предложены рекомендации к проектированию и опытно-промышленному освоению.
Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы: общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая метод переменных состояний, классический и операторный методы расчета переходных процессов, метод гармонических составляющих и спектрального анализа, а также методы компьютерного моделирования (программно-вычислительного и «квазифизического»). Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов моделирования подтверждена согласованностью с физическими законами, экспериментальными исследованиями на макетах и опытных образцах, а также путем анализа работы промышленных образцов в условиях испытаний и эксплуатации. Научная новизна.
1. Разработаны методики аналитического моделирования индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) с выпрямительно-емкостной нагрузкой: а)
по уравнению статической внешней характеристики (для относительно медленных процессов) в режимах стабилизации входного или выходного токов, а также при произвольных параметрах; б) в режиме фильтрокомпенсирующего стабилизатора тока (в частности - на базе сформулированного и доказанного свойства).
Сформулированно и доказано свойство инвариантности входного коэффициента мощности Т-образного L-C-L фильтра относительно активной нагрузки .
Разработана методика аналитического исследования совместной работы ВИИП с промежуточным накопителем и сети соизмеримой мощности на базе метода «припасовывания», позволяющая определять зависимость коэффициента модуляции от основных параметров системы . Погрешность расчетов не более 2% и не более 5% по упрощенным уравнениям.
Предложена методика аналитического расчета рабочих процессов в регулируемом зарядном преобразователе на базе трансформаторного инвертора напряжения с предвключенным конвертором и выходным резонансным фильтрокомпенсирующим ИЕП .
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты сопоставительного анализа известных схемотехнических средств снижения воздействий статических преобразователей на качество электроэнергии автономных систем электроснабжения (АСЭС) и выбор перспективных направлений повышения их эффективности.
Модернизированные и вновь разработанные структуры и рациональные варианты схем вторичных источников импульсного питания (ВИИП), обеспечивающих сохранение качества питающей электроэнергии при удовлетворительных массо-энергетических характеристиках.
Методики расчетно-аналитического и компьютерного моделирования основных узлов ВИИП и их воздействий на качество электроэнергии АСЭС, призванные дополнить теорию и практику вторичных преобразователей с импульсно-циклической нагрузкой и их взаимодействия с первичной энергосистемой соизмеримой мощности.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований макетных и опытно-промышленных образцов ВИИП .
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием исходных теоретических и экспериментальных данных, вычислительными экспериментами и поэтапной верификацией теоретических выкладок и гипотез с экспериментальными данными, полученными в ходе лабораторно-стендовых и всесторонних типовых испытаний макетов и опытных образцов.
Практическая значимость
Разработана таблица причинно-следственных связей основных показателей качества электроэнергии АСЭС и на входе потребителей с источниками возмущений и характеристиками бортового оборудования (в дополнение к существующей таблице основных методов обеспечения ЭМС импульсных источников питания).
Выявлены и предложены приближенные среднециклические критерии оценки массо-энергетических, надежностных и помеховносимых (генерирующих) характеристик полупроводниковых ключей и преобразовательных узлов ВИИП (результирующие коэффициенты загрузки однотипных ключей, коэффициент мощности на входе, приведенные коэффициенты: модуляции напряжения, нелинейных искажений напряжения, модуляции потребляемой активной мощности (акт. тока).
Произведено исследование взаимозависимости между остаточным напряжением емкостного накопителя (Uo), массо-габаритными и помеховносимыми характеристиками ВИИП, а также новые схемы обеспечения Uo.
Применено последовательно-ступенчатое («многофазное») расщепление модулирующей коммутации для снижения генерируемых помех и обеспечения высоковольтности (нагрузки или питания) , а также применены новые схемы Виенна-выпрямителей с ККМ на базе составных обратимых модуляторов и секционированного (комбинированного) емкостного накопителя .
Разработаны схемы трансреакторных и трансформаторных ККМ и зарядных преобразователей на базе инверторов тока с цепью рекуперации коммутационной энергии рассеивания .
Предложена схема зарядного ИЕП с высоковольтным шунтирующим модулятором .
Предложены схемы бестрансформаторных зарядных высоковольтных конверторов .
Разработаны схемы комбинированных коммутационно-демпфирующих
dU dl цепей снижения — и — в диодно-транзисторных узлах . dt dt
Реализация результатов работы.
Результаты исследований использованы: а) при разработке на каф. 309 и 310 МАИ ряда макетных и серийных образцов ВИИП в рамках НИР и НИОКР для предприятий ОАО «АКБ «Якорь»» и ФГУП ПО «УОМЗ»; б) в рамках НИОКР каф. 310 МАИ для ЗАО «Спецремонт» при разработке, изготовлении и всесторонних испытаниях вариантов макетов и опытных образцов трансформаторных конверторных модулей, входящих в состав преобразователей СТП-12-У1(3); в) в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ в рамках курса «Электромагнитная совместимость комплексов ЛА»; г) в инициативном проекте «Фундаментальное исследование: Новые принципы и методы имитации источников мощных электромагнитных импульсов с поражающим воздействием на информационные линии систем управления» РФФИ, 2006-2007г. (основной
исполнитель - каф. 309 МАИ). Соответствующие акты о внедрении приведены в Приложении.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: на XIV и XV Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г. Алушта, 2005 и 2006г.); на 4й и 5х Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (г.Москва, 2005 и 2006г.); на VI и VII Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (г. Санкт - Петербург, 2006 и 2007г.); на семинарах, совещаниях и научно-технических советах предприятий ОАО «АКБ «Якорь»», ФГУП ПО «УОМЗ» и кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в их числе 10 статей, 5 патентов на изобретения (полезные модели).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 195 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 74 наименования, в том числе 4 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 203 страницы.
