Введение к работе
Актуальность. В настоящее время силовые полупроводниковые выпрямители (СППВ) мощностью от единиц до нескольких сотен киловатт относятся к наиболее востребованным типам преобразователей электрической энергии.
Источники бесперебойного питания компьютерных систем, систем автоматики и телемеханики, радиотехнических комплексов, источники питания оперативных цепей оборудования электрических станций и подстанций, электропривода постоянного тока, сварочного оборудования, судового электрооборудования и электрооборудования летательных аппаратов, систем электроосвещения с энергосберегающим светотехническим оборудованием, систем электрохимической защиты металлических подземных сооружений от коррозии, технологического оборудования сельскохозяйственного назначения – далеко не полный перечень оборудования и систем, в составе которых используются эти преобразователи. При этом область их применения постоянно расширяется.
Большинство современных СППВ выполняется по трехфазным схемам, которые, с одной стороны, представляют собой симметричную нагрузку по отношению к трехфазной сети, а с другой – в меньшей степени подвержены влиянию асимметрии питающих напряжений.
Вместе с тем известно, что полупроводниковые преобразователи с трехфазными схемами выпрямления имеют низкий коэффициент мощности (не более 0,7) и являются мощными источниками кондуктивных помех. При этом высшие гармоники в составе их входных токов приводят к дополнительным потерям на нагрев генераторов и линий электропередачи, вызывают сбои в работе вычислительной техники, устройств связи, автоматики, телемеханики и микропроцессорных систем управления различного назначения, в том числе, включая их собственные системы управления.
Поэтому применение СППВ, особенно в системах электроснабжения с источниками соизмеримой мощности, создает серьезные проблемы в части их электромагнитной совместимости (ЭМС) с оборудованием этих систем.
Известно, что одним из перспективных направлений повышения уровня ЭМС силовых полупроводниковые выпрямителей и улучшения качества преобразования трехфазного переменного тока в постоянный является увеличение фазности выпрямления силовых схем СППВ на базе преобразователей числа фаз или многофазных трансформаторов.
Первые работы в этом направлении были выполнены Климовым Н.С., Бамдасом А.М., Размадзе Ш.М., Ворфоломеевым Г.Н. В этих работах, как правило, рассматривались многофазные СППВ на базе традиционных однофазных или трехфазных трансформаторов с пульсирующим магнитным полем, применение которых на практике не позволяло создать симметричную многофазную систему с приемлемыми удельными технико-экономическими показателями.
Новый импульс развития многофазные СППВ получили в 80-90-е годы после разработки современных технологичных конструкций многофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВП). Первые разработки таких ТВП были выполнены научными коллективами под руководством профессора Н.Н. Левина, а затем – профессора Б.Х. Гайтова. На базе новых конструкций ТВП были изготовлены опытные образцы многофазных СППВ, экспериментальные исследования которых подтвердили перспективность применения ТВП. При этом следует отметить, что в процессе разработки ТВП использовались традиционные методы расчета трехфазных выпрямителей и электрических машин, не учитывающие особенности конструкции и работы ТВП в составе СППВ.
Поэтому диссертационная работа, направленная на разработку теоретических и схемотехнических основ многофазных СППВ на базе ТВП, является актуальной.
Цель работы состоит в решении проблемы повышения качества преобразования трехфазного переменного тока в постоянный в системах электроснабжения ограниченной мощности за счет разработки теоретических положений и схемотехнических решений силовых полупроводниковых выпрямителей на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем, внедрение которых имеет важное отраслевое и хозяйственное значение и вносит значительный вклад в экономику страны.
Задачи исследования.
-
Разработать новые конструкции ТВП и схемотехнические решения многофазных СППВ на их основе.
-
Исследовать особенности работы ТВП в составе многофазных СППВ.
-
Разработать теоретические положения для проектирования многофазных СППВ на базе ТВП с учетом особенностей их работы.
-
Разработать и исследовать математические модели ТВП и СППВ на их основе в статических и динамических режимах работы.
-
Провести экспериментальные исследования многофазных СППВ на базе ТВП в статических и динамических режимах работы и дать сравнительную оценку их энергетическим характеристикам.
-
Разработать рекомендации по практическому применению СППВ на основе ТВП.
Методы исследования. В диссертационной работе, исходя из постановок решаемых задач и с учетом особенностей исследуемого объекта, использованы классические методы теории электрических и магнитных цепей, методы гармонического анализа и матричного исчисления, численные методы математического моделирования и моделирования в среде MatLab-Simulink, методы теории вероятностей и математической статистики, методы теории планирования эксперимента, а также экспериментальные исследования.
Объект исследования: силовые полупроводниковые выпрямители на базе многофазных ТВП.
Предмет исследования: электромагнитные процессы в силовых полупроводниковых выпрямителях на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
- систематизированы принципы формирования многофазных систем ЭДС в многофазных трансформаторах;
- разработаны новые конструкции многофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем для СППВ, характеризующиеся полной симметрией магнитных и электрических цепей;
- разработаны математические модели, адекватно отображающие электромагнитные процессы в ТВП и СППВ на их основе, которые позволяют исследовать статические и динамические режимы работы СППВ на базе ТВП;
- выявлены особенности работы ТВП в составе СППВ, позволяющие улучшить их технико-экономические показатели при использовании как в двухтактных (мостовых), так и в однотактных (полумостовых) схемах выпрямления;
- разработаны новые схемы соединения многофазных вторичных обмоток ТВП, получены аналитические выражения для их расчета и сформулированы рекомендации по их практическому применению;
- предложена методика расчета ТВП и силовой части СППВ на базе ТВП с учетом особенностей их совместной работы;
- разработаны рекомендации по практическому применению новых схемотехнических решений СППВ на базе ТВП.
Практическая ценность диссертационной работы определяется следующими результатами:
- разработаны новый способ и технология изготовления ТВП с высокими технико-экономическими показателями;
- предложена методика определения оптимальных геометрических размеров ТВП по критерию минимума стоимости активных материалов;
- разработана принципиальная электрическая схема СППВ с девятифазным ТВП;
- разработан девятифазный сварочный выпрямитель типа МСВ-301 с улучшенными по сравнению с аналогами КПД (на 8-10%) и коэффициентом мощности (на 5-8%) и уменьшенным на 15-20% электропотреблением.
Реализация научно-технических результатов в промышленности. По результатам исследований на предприятии ДОАО «Электрогаз» ОАО «Газпром» в филиале «Афипэлектрогаз» изготовлена серия сварочных выпрямителей типа МСВ-301.
Производственные испытания полуавтоматов ПДГМ-301 с источниками питания на базе сварочных выпрямителей МСВ-301 в течение 2007-2010 г.г. показали, что данные полуавтоматы имеют более высокие энергетические и эксплуатационные показатели, чем полуавтоматы ПДГ с источниками питания ВДУ-3020, и могут быть рекомендованы для внедрения в промышленное производство.
Методики расчета ТВП и силовых схем СППВ на их основе, а также математические модели ТВП и СППВ применяются при разработках сварочного оборудования в ДОАО «Электрогаз» ОАО «Газпром» и унифицированных силовых полупроводниковых источников постоянного тока многоцелевого назначения в ООО «Атомэлектроприбор» (г. Белгород), а также используются в учебном процессе на факультете нефти, газа, энергетики и безопасности КубГТУ по дисциплинам «Электрические машины» и «Электромеханика» кафедры электротехники и электрических машин. Образцы сварочного оборудования с МСВ на основе ТВП экспонировались на специализированной выставке-ярмарке «Сварка-2007» (10-12 мая 2007 г., г. Сочи) и были удостоены медали «За отличное качество продукции» и диплома «За оригинальные схемотехнические решения, реализованные в сварочном выпрямителе МСВ-301».
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждаются корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, строгостью выполненных математических преобразований, высокой сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований, признанием результатов исследований научным сообществом, апробацией и результатами внедрения в промышленном производстве.
На защиту выносятся:
1. Новые конструкции многофазных ТВП.
2. Способ и технология изготовления ТВП с высокими технико-экономическими показателями.
3. Математические модели ТВП и СППВ на базе ТВП, которые позволяют исследовать статические и динамические режимы работы СППВ на базе ТВП.
4. Основные теоретические положения по расчету силовой части СППВ на базе ТВП и методика расчета ТВП с учетом особенностей их работы в составе СППВ.
5. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований СППВ на базе девятифазных ТВП в статических и динамических режимах работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и, после их обсуждения, одобрены: на научно-технической конференции РВ (Ростов-на-Дону, Ростовское ВВКИУ, 1983), на II-ом Всесоюзном научно-технической семинаре МО СССР (в/ч 67947, 1989), на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения» (Киев, АН УССР, 1991), на I-й научно-технической конференции РВ (Краснодар, Краснодарское ВВКИУРВ, 1992), на II-й научно-технической конференции РВ (Краснодар, Краснодарское ВВКИУРВ, 1993), на научно-техническом семинаре РВ «Энергетика 2005» (Краснодар, Краснодарское ВВКИУРВ, 1994), на III-й научно-технической конференции РВ (Краснодар, Краснодарское ВВКИУРВ, 1995), на II-й краевой научной конференции молодых ученых «Современная проблема экологии» (Геленджик, Краснодарский край, 1995), на IV-й научно-технической конференции РВ (Краснодар, Краснодарское ВВКИУРВ, 1996), на научно-практической конференции КубГТУ (Краснодар, 1996), на II-й Международной конференция по электромеханике и электротехнологии (Крым, 1996), на научно-техническом семинаре РВ «Энергетика 2005» (Краснодар, Краснодарское ВВКИУРВ, 1996), на V-й научно-практической конференции РВ (Краснодар, Краснодарское ВВКИУРВ, 1997), на 11-й научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-98, 24-26 февраля 1998 г. (Екатеринбург, Уральский ГТУ), на III-й Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Клязьма, 1998), на научной конференции КубГАУ по итогам 1998 г. (Краснодар, Министерство c/х и продовольствия РФ, КубГАУ, 1999), на XXVIII-й научной конференции студентов и молодых ученых вузов Юга России (Краснодар, 2001), на XXVIII-й сессии Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем», г. Новочеркасск, 25-26 октября 2006 г., на II-й международной научно-практической конференции «Образование и наука без границ – 2006» (Днепропетровск, 2006), на 12-й Всероссийской научно-технической конференции «Пути повышения надежности, эффективности и безопасности энергетического производства», 01-05 июня 2009 г. (Краснодарский край, Геленджикский район, с. Дивноморское), на международной научной конференции «Технические и технологические системы» (Краснодар, КубГАУ, 2009), на I-й Межвузовской научно-практической конференции «Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы» (Краснодар, КубГТУ, 2010), на IХ-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» в рамках выставки «Энергетика и электротехника – 2010» (г. Екатеринбург, 2010 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 120 печатных работах, включая: 1 монографию, 1 учебник, 38 авторских свидетельств и патентов на изобретения, полезные модели и промышленный образец, а также 14 статей в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 256 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 314 страницах машинописного текста, содержит 139 рисунков и 21 таблицу.
