Содержание к диссертации
Список условных обозначений 4
ВВЕДЕНИЕ ' 7
ГЛАВА К Общие сведения о полупроводниковых преобразователях и их силовой структуре
1.1 Обзорный анализ полупроводниковых преобразователей электрической энергии с трансформаторами пульсирующего магнитного поля
1.2 Особенности схемотехнического моделирования силовых схем полупроводниковых преобразователей
1.3 Схемотехнические модели полупроводниковых преобразователей с ТПМП 21
1.4 Полупроводниковые преобразователи электрической энергии на базе ТВМП 25
1.4.1 Принцип построения ТВМП 25
1'.4ї2:' Электромагнитные процессы в ТВМП 28
1.4.3 Магнитное поле:ТВМП 34-
1.4.4 Реакция круговой обмотки, 35
1.4.5 Размагничивающее действие поперечного поля КО 38
1.4.6 Реакция КО при смещении плоскости коммутирующих ключей относительно условной геометрической нейтралшТВМП
1.5 Влияние конструктивного исполнения трансформаторов вращающегося магнитного поля на качество электроэнергии.
1.6 Пульсации напряжения на отводах КО 50
Выводы по главе 1 53
ГЛАВА 2' Анализ электромагнитных процессов в управляемом вьшрямителе с ТВМП 55
2.1 Электромагнитные процессы в управляемом выпрямителе с ТВМП при различном числе пар СКЛ.
2.2 Аналитическое описание управляемого выпрямителях ТВМП на базе операторно-рекуррентного метода*
2.3 Моделирование управляемых выпрямителей с трансформатором вращающегося магнитного поля в MICRO-CAP 8
2.3.1 Описание макромодели ТВМП 75
2.3;2 Описание макромодели силовой части УВ с ТВМП 80
2.3.3 Описание макромодели системы управления тиристорным коммутатором в составе УВ с ТВМП
2.3.4 Исследование УВ с ТВМП в схемотехнических моделях 83
2.3.5 Исследование качества выпрямленного напряженияУВ с ТВМП в схемотехнических моделях
Исследование качества питающего напряжения УВ с ТВМП в
схемотехнических моделях
2.3.7 Анализ энергетических характеристик УВ с ТВМП: 103
Выводы по главе 2 106
ГЛАВА 3" Анализ электромагнитных процессов в автономном инверторе с ТВМП 108
3.1 Описание электромагнитных процессов в автономном инверторе с ТВМП 108
3.1.1 Автономные инверторы с ТПМП 109
3.1.2 Автономные инверторы с ТВМП 111
3.2 Аналитическое описание автономного инвертора с ТВМП на основе операторно-рекуррентного метода
3.3 Схемотехническая модель автономного инвертора с ТВМП в MICRO-CAP 8 136
3.3.1 Описание макромодели ТВМП 136
3.3.2 Описание макромодели силовой части АИ с ТВМП 142
3.3.3 Описание макромодели системы управления транзисторным коммутатором в составе АИ с ТВМП
3.3.4 Результаты экспериментальных исследований схемотехнических моделей инверторов на базе ТВМП в MICRO-CAP 8
3.3.5 Исследование энергетических характеристик на выходе АИ с ТВМП 151 Выводы по главе 3 152
ГЛАВА 4 Управление полупроводниковыми преобразователями, построенными на базе ТВМП
4.1 Особенности управления выходным напряжением преобразователей построенных на базе трансформаторов с пульсирующими и вращающимися магнитными полями
4.1.1 Управление выходным напряжением классических выпрямителей с ТПМП 154
4.1.2 Управление выходным напряжением классических инверторов тока и напряжения
4.1.3 Микропроцессорные системы управления выпрямителями и инверторами 159
4.2 Системы управления УВ с ТВМП 160
4.2.1 Разомкнутая система управления У В с ТВМП 160
4.2.2 Замкнутая система управления УВ с ТВМП 169
4.3 Управление АИ с ТВМП 181
4.3.1 Разомкнутая система управления АИ с ТВМП 181
4.3.2 Следящая система управления автономным инвертором с ТВМП 186 Выводы по главе 4 193
ГЛАВА5 Экспериментальные исследования форм кривых тока и напряжений и вибрационных характеристик УВ и АИ с ТВМП при различном числе пар СКЛ
Общие сведения о конструкции и причинах искажений форм кривых токов и напряжений ПП с ТВМП
Схема эксперимента
Экспериментальные исследования форм кривых выходных напряжений УВ и АИ с ТВМП
Исследование вибрационных характеристик УВ с ТВМП
Сравнительный анализ вибрационных характеристик трансформаторов со стержневым и цилиндрическим магнитопроводами
Выводы по главе 5
Заключение
Список использованных источников
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Введение к работе
Автономные судовые электротехнические комплексы и системы (АСЭКиС) это, как правила системы двойного рода тока, содержащие в своем составе потребители постоянного и переменного тока одной или нескольких частот, что требует наличия устройств, связывающих сети переменного и постоянного тока, а также переменного тока разных частот.
На кораблях ВМФ и судах гражданского отечественного флота до середины 80-х годов ХХ-го века для этих целей применялись электромашинные обратимые преобразователи (ЭОП), а в настоящее время для связи сетей переменного и постоянного тока применяются полупроводниковые (статические) преобразователи (1111) - выпрямители и инверторы, при чем их установочная единичная мощность достигает 15-20% от мощности корабельных синхронных генераторов.
Как ЭОП, так и ПП имеют свои достоинства и недостатки. Недостатки ЭОП заключаются в значительной инерционности, шумности и высокой виброактивности, а 1111, выполненные на нелинейных полупроводниковых элементах (тиристорах, IGBT-транзисторах) значительно ухудшают качество напряжения в трехфазной сети за счет искажения форм кривых токов и напряжений. Кроме того, инверторы напряжения требуют для своей работы значительных емкостей, что вызывает рост корабельных емкостей «фаза-фаза», «фаза-корпус» и, таким образом, повышает вероятность возникновения резонансных явлений на высших гармониках и повышает пожароопасность в АСЭКиС.
Из, сказанного следует, что разработка новых принципов• построения ПП, не требующих для своей работы дополнительных емкостей и обеспечивающих высокое качество напряжения в 3-хфахной сети переменного тока и сетях постоянного тока, является актуальной задачей.
Цель настоящей работы — повышение показателей КЭ в автономных ЭК и С за счет построения силовых схем ПП на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП) с обмотками, выполненными по схеме «Y/круговая обмотка (КО)» и «KO/Y», что требует:
1. Разработки теории электромагнитных процессов для управляемых выпрямителей (УВ) и автономных инверторов (АИ), построенных на базе ТВМП с различным числом пар силовых ключей (СКЛ) транзисторных (ТК) и тиристорных коммутаторов (ТирК), переключающих отводы КО ТВМП, и методики оценки качества выходного напряжения УВ и АИ с ТВМП при различном числе пар СКЛ коммутаторов.
2. Разработки алгоритмов, способов управления и структурных схем систем управления СКЛ ТК УВ - и АИ, построенных на базе ТВМП, когда коммутатор содержит различное число пар СКЛ.
3. Разработки схемотехнических моделей УВ и АИ, построенных на базе ТВМП с различным числом пар СКЛ для исследования эффективности их работы в установившихся и аварийных режимах работы с целью ускорения, создания нового класса УВ-и АИ, построенных на базе 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 схемотехническим моделированием в среде Micro-Cap 8 на ПЭВМ. Достоверность теоретических положений подтверждена результатами исследований лабораторных - макетов и промышленных образцов ПП с ТВМП, разработанных изготовленных с участием.автора.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на разработку и создание 1111 с ТВМП в частности:
- представлены новые теоретические результаты по исследованию электромагнитных процессов в 1111, построенных на базе ТВМП, на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар СКЛ, переключающих отводы КО ТВМП;
- разработаны схемотехнические модели ПП с ТВМП, адекватно отображающие реальные электромагнитные процессы в АИ и УВ, построенных на базе ТВМП, которые позволяют исследовать симметричные, несимметричные и аварийные режимы работы ПП с ТВМП, при различных характерах нагрузки, различном числе пар СКЛ ТК и получать спектральные характеристики их выходных токов и напряжений. Новизна моделей подтверждена их регистрацией во ВНТИЦ РФ;
- теоретически обоснованы, и разработаны новые способы управления СКЛ ТК отводов круговых обмоток ТВМП, пригодные для любого числа пар СКЛ и позволяющие обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС) ПП с питающей сетью.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
1) Разработано аналитическое описание электромагнитных процессов в УВ с ТВМП на основании операторно-рекуррентного метода; позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар СКЛ, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных режимах работы ПП с ТВМП.
2) Разработано аналитическое описание электромагнитных процессов в АИ с ТВМП на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар СКЛ ТК, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных режимах работы ПП с ТВМП.
3) Разработаны новые схемотехнические модели УВ с ТВМП в программной, среде MicroCAP-8 на различное число пар СКЛ, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели качества электроэнергии (КЭ) и вибрационных характеристик (ВХ).
4) Разработаны новые схемотехнические модели АИ с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар СКЛ ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и ВХ.
5) Разработаны схемотехнические модели обратимого преобразователя с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар СКЛ, ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках.
6) Произведено исследование энергетических характеристик работы 1111 на базе ТВМП с различным числом пар СКЛ ТК.
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» и СПбГМТУ, в дисциплинах «Полупроводниковые преобразователи» и «Автоматизация проектирования систем и средств управления».
На защиту выносятся;
1) Теория процессов- в УВ с ТВМП; разработанная- на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар СКЛ ТК, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных.режимах работы ПП с ТВМП.
2) алгоритмы и схемотехнические модели УВ и АИ с ТВМП в программной среде МісгоСАР-8 на различное число пар СКЛ, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и ВХ
3) схемотехнические модели обратимого преобразователя с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар СКЛ ТК, позволяющие исследовать их работу в различных режимах.
4) способы управления и алгоритмы построения систем управления АИ и УВ с ТВМП; пригодные для любого числа пар СКЛ ТК;
5) методики расчета параметров трехфазной обмотки (ТО) и КО УВ и. АИ с ТВМП, позволяющих определять оптимальное соотношение чисел витков фазных обмоток и секций КО ТВМП при произвольном числе пар СКЛ ТК;
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Международных, конференциях:
Динамика систем, механизмов и машин, Омск, 2004;
V-ой, международной (16-ой ВНТК) конференции по автоматизированному электроприводу, С.-Петербург, 2007г.
Всероссийских- конференциях:
ЭМС технических средств, С.Петербург, 2000; (два доклада), ЭМС технических средств, С.Петербург, 2004; ЭМС технических средств, С.Петербург, 2006;
Всероссийской научно-практической конференции «100 лет подводному флоту России», Северодвинск, 2006 г.
а также на - конференциях «Перспективные технологии строительства и. утилизации судов на предприятиях Государственного Российского Центра Атомного Судостроения (ГРЦАС)». - Северодвинск: 2000 - 2007 гг.
Публикации.
Научные результаты отражены в 35-ти опубликованных соискателем работах, в том числе: в патенте РФ и в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК; 25 зарегистрированных в ВНТИЦ РФ моделях и программах; 3 монографиях, а также в материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.
Личный вклад. Постановка и решение теоретических вопросов, основные научные результаты работы принадлежат лично автору. Разработка схемотехнических моделей АИ, УВ и ОП с ТВМП в программной среде Micro-Cap-8 выполнена совместно с Научным руководителем Черевко А.И. Исследования установившихся и аварийных режимов АИ и УВ с ТВМП на моделях реализованных в программной среде Micro-Cap-8, выполнены лично автором.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 246 страниц, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений на 15 страницах.
Похожие диссертации на Совершенствование полупроводниковых преобразователей с трансформаторами с вращающимися магнитными полями в судовых электротехнических системах
