Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение эффективности производства, улучшение качества продукции в условиях усиления режима экономии предполагают создание и внедрение в производство новой техники и материалов, прогрессивных технологий, а также увеличение в оптимальных пределах единичной мощности выпускаемых машин и оборудования при одновременном уменьшении габаритов, металлоемкости и энергопотребления. Реализация указанных мероприятий сопровождается увеличением доли электроэнергии, которая используется в преобразованном виде.
Существует большой класс технологического оборудования, для функционирования которого необходима электрическая энергия трехфазного переменного тока повышенной частоты. Это, прежде всего, станки и инструменты, использующие высокоскоростные асинхронные двигатели (АД). Широкая гамма таких двигателей, которая охватывает диапазон частот от 300 до 2050 Гц при уровнях напряжений от 220 до 380 В, применяется на предприятиях подшипниковой промышленности в качестве электрошпинделей шлифовальных станков. Трехфазные АД с рабочей частотой 200 Гц и напряжением 36 или 42 В применяются в химической промышленности для привода веретен прядильных станков. Аналогичные по параметрам питающего напряжения двигатели являются основой широкой номенклатуры ручного электрифицированного инструмента, используемого в основном и вспомогательном производствах.
До последнего времени энергоснабжение технологического оборудования с высокоскоростными АД осуществлялось, в основном, на базе электромашинных генераторов. С развитием силовой полупроводниковой техники наметилась устойчивая тенденция замены такігх генераторов на тиристорные и транзисторные источники, обладающие широкими возможностями экономичного преобразования параметров электрической энергии.
Наиболее универсальной является схема электроснабжения машиностроительного предприятия, согласно которой между сетью промышленной частоты 50 Гц и высокоскоростными АД включается преобразователь частоты (ПЧ), позволяющий изменять режим работы двигателя согласно программе технологического процесса за счет регулирования частоты и величины напряжения на статорных обмотках. При отсутствии требований по регулированию скорости вращения ротора схема электроснабжения упрощается, так как идентичные по частоте и напряжению двигатели могут быть подключены к общей сети. Характерным примером является участок шлифовально-сборочного цеха, состоящий из нескольких десятков внут-ришлифовальных станков. Возникающая при этом задача централизован-
ного электроснабжения высокоскоростных АД наиболее эффективно решается повышением в оптимальных пределах единичной мощности ПЧ и созданием на их базе гибких комплексов, что позволяет не только высвободить производственные площади, уменьшить затраты на обслуживание и ремонт, заметно снизить уровни шума на рабочих местах, но и существенно улучшить энергетические и эксплуатационные характеристики цеховых сетей электроснабжения.
В последнее время широкое распространение получили технологические процессы, использующие энергию электромагнитных колебаний микроволнового диапазона. При этом в установках с распределенным рабочим пространством, например, конвейерного типа для термообработки сельскохозяйственной продукции, сушки древесины, керамических изделий заданная мощность СВЧ колебаний обеспечивается использованием определенного количества магнетронных генераторов. Актуальная проблема улучшения массогабаритных показателей электротермических СВЧ установок модульного типа эффективно решается за счет централизованного электроснабжения модулей на повышенной частоте.
Потребителями электрической энергии трехфазного тока повышенной частоты являются также предприятия, осуществляющие техническое обслуживание и ремонт авиационной техники. Для этих предприятий необходимы стабилизированные источники синусоидального напряжения с частотой 400 Гц. В качестве таких источников все чаще, взамен электромашинных генераторов, применяются статические ПЧ. Опыт их эксплуатации показал целесообразность организации централизованного электроснабжения цехов и лабораторий авиапредприятий, а также мест стоянок летательных аппаратов. В последнем случае от одного или нескольких ПЧ при их параллельной работе с учетом коэффициента одновременности обслуживаются несколько самолетов.
Из вышеизложенного следует, что разработка и создание высоко-экономичных и надежных ПЧ и комплексов на их основе для централизованного электроснабжения технологического оборудования на повышенных частотах является актуальной проблемой, решение которой способствует повышению эффективности производства в различных отраслях народного хозяйства.
В диссертации решаются задачи комплексного исследования и разработки систем централизованного электроснабжения технологического оборудования на базе ПЧ и обобщены результаты работ в этой области, которые ведутся на протяжении ряда лет в Саратовском государственном техническом университете и Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете. Исследования, результаты которых являются основой диссертации, проводились в рамках научно-технических программ "Экономия электроэнергии" Минвуза СССР (раздел 5.11),
"Технологии, машины и производства будущего" (раздел 2 направления "Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция") и "Трансферные технологии, комплексы и оборудование" Госкомитета РФ по высшему образованию, а также более десяти хоздоговорных НИР, выполнявшихся под руководством и при участии автора по заказам предприятий Саратова, Москвы, Курска, Оренбурга.
Целью работы является развитие теории построения, моделирования и расчета стабилизированных ПЧ с улучшенной формой кривой выходного напряжения и методов эффективного управления этими преобразователями в составе комплексов для централизованного электроснабжения технологического оборудования с учетом реального характера нагрузки.
Реализация поставленной цели достигается решением следующих задач:
разработка принципов построения стабилизированных ПЧ большой единичной мощности, обеспечивающих получение заданного качества выходного напряжения и селективное отключение поврежденных потребителей при их централизованном электроснабжении;
разработка способа регулирования реактивной мощности в системах электроснабжения ограниченной мощности, обеспечивающего высокую надежность функционирования преобразователей при случайном характере изменения параметров нагрузки, создание технических решений, реализующих этот способ при минимальном количестве силовых аппаратов;
развитие теории построения и анализа двухмостовых ПЧ с трансформаторным и конденсаторным суммированием мощности; разработка методик исследования и расчета этих устройств, проведение исследований;
разработка методов управления группами ПЧ при работе на общую сеть потребителей, обеспечивающих улучшение массогабаритных, стоимостных и энергетических показателей системы электроснабжения при глубоких изменениях параметров нагрузки;
создание технических решений, реализующих методы эффективного управления ПЧ в составе комплексов для централизованного электроснабжения на повышенных частотах;
разработка принципов построения систем электроснабжения повышенной частоты, позволяющих повысить нагрузочную способность ПЧ и улучшить его массогабаритные и энергетические показатели;
развитие теории анализа и расчета ПЧ для электроснабжения групповой нагрузки с учетом реального характера образующих ее компонентов.
4 .
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы были применены метод основной гармоники и математическое моделирование на основе метода одного интервала в сочетании с блочным принципом построения моделей. Метод основной гармоники используется на начальном этапе исследований для выявления основных закономерностей, оценки установленной мощности силового оборудования и нахождения начальных приближений параметров схемы, уточняемых на дальнейших этапах расчета. Математическое моделирование применяется для исследования электромагнитных процессов в схеме в статических и динамических режимах для получения уточненных характеристик преобразователя при различных сочетаниях параметров нагрузки и силовых элементов схемы, а также при различных законах управления силовыми полупроводниковыми приборами. Исследования с использованием- математических моделей проведены численными методами с помощью ЭВМ. Достоверность теоретических положений подтверждена результатами исследований, полученных с помощью физических моделей ПЧ, а также результатами испытаний и промышленной эксплуатации преобразовательных устройств, разработанных на основе научных работ автора и положений данной диссертационной работы.
На защиту выносятся:
1.Теория построения и анализа двухмостовых ПЧ с трансформаторным и конденсаторным суммированием мощности, математические модели для исследования статических и динамических режимов работы.
2.Результаты теоретических исследований стабилизированных двухмостовых ПЧ с квазисинусоидальной формой выходного напряжения, которые позволили установить закономерности распределения нагрузки между компонентами схемы, влияние структуры и параметров ПЧ на статические и динамические характеристики.
3.Способ регулирования реактивной мощности в системах электроснабжения ограниченной мощности, обеспечивающий высокую надежность функционирования преобразователей при случайном характере изменения параметров нагрузки.
4.Методы и схемы управления комплексами ПЧ при работе на общую сеть потребителей, обеспечивающие улучшение массогабаритных, стоимостных и энергетических показателей системы электроснабжения при глубоких изменениях параметров нагрузки.
5.Теория построения, анализа и расчета систем электроснабжения повышенной частоты с учетом реального характера нагрузки, позволившая повысить нагрузочную способность преобразователей и улучшить их мас-согабаритные и энергетические показатели.
б.Новые технические решения ПЧ и комплексов на их основе с улучшенными технико-экономическими показателями.
Научная новизна
В диссертационной работе впервые сформулирована и решена круп
ная научная проблема комплексного исследования и разработки систем
централизованного электроснабжения повышенной частоты на базе ПЧ,
включающая в себя развитие теории двухмостовых ПЧ с улучшенной
формой выходного напряжения и разработку методов эффективного
управления группами ПЧ в составе комплексов при работе на общую сеть
потребителей. . -
В частности:
1.Сформулированы принципы построения стабилизированных ПЧ большой единичной мощности с квазисинусоидальной формой генерируемого напряжения и абсолютной коммутационной устойчивостью.
2.Разработан способ стабилизации выходных параметров ПЧ, основанный на двухканальном регулировании реактивной мощности в системе электроснабжения, предложены схемы инверторов с улучшенными массо-габаритными показателями, реализующими этот способ.
3.Разработаны теоретические основы анализа двухмостовых ПЧ с трансформаторным и конденсаторным суммированием мощности, построены их математические модели и проведены исследования статических и динамических режимов.
4.Выявлены закономерности распределения нагрузки между компонентами многомостовых ПЧ, проанализированы факторы, влияющие на качество генерируемого напряжения, определена область абсолютной коммутационной устойчивости ПЧ с конденсаторным суммирующим устройством.
5.Предложен подход к построению адаптивных систем централизованного электроснабжения на основе группы ПЧ, предусматривающий изменение их количества, а также перестройку структуры силовых цепей в зависимости от степени загрузки выходной сети.
б.Разработаны методы управления ПЧ при их параллельной работе, обеспечивающие заданное распределение нагрузки между отдельными агрегатами и устойчивость многоагрегатного преобразовательного комплекса.
7.Предложены варианты построения устройств, реализующих методы адаптивного управления группами ПЧ в составе комплекса для централизованного электроснабжения.
8.Разработана математическая модель и проведены исследования в системе электроснабжения группы магнетронных генераторов с промежуточным звеном повышенной частоты на базе стабилизированного ПЧ.
Практическая ценность диссертационной работы
Полученные результаты исследований являются основой для расчета и проектирования ПЧ и комплексов для систем централизованного электроснабжения широкого класса технологического оборудования. Разработанные математические модели дают возможность производить расчет стабилизированных преобразователей с квазисинусоидальной формой выходного напряжения с учетом технологического разброса параметров комплектующих изделий и реального характера нагрузки. Реализация принципа построения преобразовательного комплекса в виде группы универсальных модулей, состояние которых изменяется в зависимости от параметров нагрузки, позволяет существенно уменьшить установленную мощность силового оборудования. Применение разработанных схем электроснабжения групповой двигательной нагрузки повышает нагрузочную способность ПЧ при одновременном улучшении его массогабаритных показателей.
Внедрение результатов работы
Значимость выводов, рекомендаций работы и промышленной реализации подтверждаются эффективностью, высоким уровнем разработок и положительным опытом эксплуатации. Новизна технических решений подтверждена более чем 50 авторскими свидетельствами. Образцы выполненных разработок демонстрировались в 1991 году на ВДНХ СССР, где были отмечены серебряной медалью, а также на международной выставке в Германии (г. Берлин, 1995 год), на выставке "Технопарки-инновации-конверсия-96" в г. Уфе.
Значительный объем внедрения разработок, выполненных при участии автора и под его руководством, приходится на ПЧ для централизованного электроснабжения шлифовально-сборочных цехов предприятий подшипниковой промышленности. Комплексы таких преобразователей внедрены и успешно эксплуатируются в течение ряда лет на Саратовском и Курском подшипниковых заводах. Результаты работы использованы также при разработке и создании энергосберегающего оборудования для предприятий топливно-энергетического комплекса, ПЧ для электропитания средств наземного обслуживания и ремонта авиационной техники, технологических установок диэлектрического нагрева, электрифицированного инструмента.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе (Ташкент, 1979), Всесоюзной научно-технической конференции "Применение в технологических процессах машиностроительного производства полупровод-
никовых преобразователей частоты" (Уфа, 1980), Республиканской конференции "Вопросы анализа и синтеза устройств электропитания на ЭВМ" (Киев, 1983), Межотраслевой научно-технической конференции "Применение автоматизированных полупроводниковых преобразователей частоты для экономии материалов, трудовых и энергетических ресурсов в ма-шиностроении*(Уфа, 1983), V Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация новейших электротехнологических процессов в машиностроении на основе применения полупроводниковых преобразователей частоты" (Уфа, 1984), Всесоюзной школе-семинаре "Системное моделирование процессов интенсификации общественного производства" (Горький, 1987), IV и V Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы преобразовательной техники" (Киев, 1987, 1991), Всесоюзной научно-технической конференции "Распределенные информационно-управляющие системы" (Саратов, 1988), Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое моделирование в энергетике" (Киев, 1990), VI Всесоюзной научно-практической конференции "Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях" (Саратов, 1991), Международных научно-технических конференциях "Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения" (Крым, Алушта, 1993, 1996), Международной научно-технической конференции по проблемам электронного приборостроения" (Саратов, 1996).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 62 работы, из них 1 монография, 3 учебных пособия, 26 статей, 9 тезисов докладов на конференциях и 23 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 260 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 209 страницах машинописного текста. Работа содержит 102 рисунка и 1 таблицу.
