Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема формирования токов, изменяющихся по определенным законам, является одной из фундаментальных проблем энергетической электроники. В её решении важную роль играют индуктивные элементы, являющиеся токовыми по своей природе. Многообразие устройств, использующих индуктивные токоформирующие цепи, можно разделить на две большие группы. В первой из них индуктивный характер носит нагрузка и необходимо обеспечить требуемую форму тока именно в ней. Во второй группе специально введенный индуктивный элемент используется для формирования тока во внешних по отношению к нему цепях. Характерными представителями первой группы являются системы создания импульсных магнитных полей, электромагнитные двигатели возвратно-поступательного движения, индукторы, а второй - как классические преобразователи напряжения (выпрямители, инверторы, конверторы), так и специализированные электротехнологические устройства (зарядные, сварочные и т.д.). Несмотря на существенное различие функций, выполняемых перечисленными устройствами, используемые в них цепи формирования токов имеют близкую топологию. Поэтому оригинальные решения, предложенные разработчиками одного типа устройств, могут быть эффективно использованы в других.
Научные основы формирования токов в нагрузке индуктивного характера были заложены, в основном, при разработке систем питания ускорителей заряженных частиц трудами ряда зарубежных и отечественных ученых. Среди них: Westendorp W.E., Kerst D.W., Si рек L, Ананьев Л.М., Гусев О.А., Ивашин В.В., Комар Е.Г., Сипайлов Г.А., Столов A.M., Фурман Э.Г., Чахлов В.Л., Чучалин И.П. и др. Большая часть работ проводилась применительно к стационарным ускорительным комплексам, как правило уникальным.
Среди ускорителей особое место занимают бетатроны, получившие широкое применение в промышленности, медицине и научных исследованиях во многих странах. Главный недостаток первого поколения бетатронов — относительно низкая интенсивность излучения, в значительной мере устраняется за счет разработки и внедрения специальных генераторов, обеспечивающих рациональное формирование ускоряющего магнитного поля. Добротность основного элемента бетатрона — электромагнита
практически не зависит от мощности, передаваемой пучку ускоренных электронов, а определяется используемыми материалами, конструкцией и режимом возбуждения, т. е. законами изменения намагничивающего тока. Целесообразность формирования однополярных импульсов магнитного поля и, соответственно, тока была показана еще основателями бетатроностроения. Однако реализация импульсного режима, тем более с законом изменения тока, отличным от синусоидального, связана с проблемой коммутации больших мощностей. Поэтому активная разработка и практическое внедрение соответствующих генераторов начались в конце 60" - начале 70"* годов, когда отечественная промышленность освоила выпуск тиристоров. Начало научной деятельности автора совпало с запуском первых генераторов этого типа и исследования в данной области проводились при его непосредственном участии. Поскольку бетатрон является массовым типом ускорителя и ряд его моделей выпускается серийно, то при создании соответствующих генераторов потребовались детальные исследования режимов работы электромагнита, накопительных конденсаторных батарей, тиристорных коммутаторов, а также цепей согласования с питающей сетью. Комплексное решение данных вопросов является актуальной задачей, имеющей важное значение для электромагнитных импульсных систем.
Управляемый токовый выход должны иметь системы электропитания целого ряда электрофизических и электротехнологических устройств и установок. При этом одной из наиболее характерных является задача заряда емкостных накопителей. Несмотря на значительное число работ, посвященных её решению (авторы: Бенедиктов Г.В., Бертинов А.И., Булатов О.Г., Волков И.В., Кныш В.А., Пентегов И.В., и др.) до настоящего времени остается актуальной проблема построения зарядных устройств (ЗУ), работающих в режиме источника мощности. Эта проблема связана с технической реализуемостью требуемой зависимости между зарядными током и напряжением и сводится к необходимости формирования зарядного тока, изменяющегося по определенному закону. В известных типах ЗУ, построенных на базе емкостных и индуктивных дозаторов, колебательных контуров (в т. ч. индуктивно-емкостных преобразователей ), формирователей ступенчатого напряжения в основном реализуется режим с постоянством только "гладкой" составляющей зарядной мощности. Вследствие 'импульсного характера зарядных токов мгновенное значение указанной мощности изменяется в больших пределах, что
в общем случае нежелательно. В то же время с помощью современных ключей и индуктивных элементов можно формировать непрерывный зарядный ток, изменяющийся по требуемому закону. Практическое внедрение ЗУ на базе индуктивно-ключевых структур сдерживается недостаточной разработкой как теоретических основ их построения, так и эффективной схемотехники.
На фоне достижений по созданию устройств, осуществляющих преобразование электроэнергии на повышенной частоте, особенно четко проявились проблемы построения сетевых бестрансформаторных выпрямителей. Во — первых, современные требования, предъявляемые к качеству потребляемой энергии, трудно реализовать классической схемой, содержащей вентильный блок и сглаживающий индуктивно-емкостной фильтр. Во — вторых, высокочастотное звено, как правило реализующее сложные функции, зачастую имеет меньшие массу и габариты, чем включенное на его входе звено постоянного тока. Эти положения особенно проявляются при питании от однофазной промышленной сети. Качество потребляемой энергии непосредственно связано с законом изменения входного тока, который, наряду с массой и объемом выпрямителя зависит от сглаживающего фильтра.
Для удовлетворения жестких требований МЭК по электромагнитной совместимости выпрямителей с сетью создаются специализированные устройства активной коррекции коэффициента мощности. Эти устройства принудительно формируют синусоидальный входной ток и выполняются на базе высокочастотных индуктивно-ключевых структур. При этом функции сглаживания пульсаций выходного напряжения в основном выполняют емкостные фильтры. Данному направлению посвящены опубликованные в последние годы работы Лабунцова В.А., Мустафы Г.М., Флоренцева С.Н. и др. Однако близкий к синусоидальному входной ток, а также предпочтительную форму тока фильтровых конденсаторов можно обеспечить путем перевода сглаживающего дросселя классической схемы в режим индуктивно-ключевого формирователя тока, либо путем использования ряда дроссельно-ключевых цепей, работающих с фазовым сдвигом. К настоящему времени рядом ученых (V. Sarv, P. Tamkivi, J. Soojarv, Липковский К.А., Поликарпов А.Г., Шуваев Ю.Н., и др.), а также автором предложена серия схем преобразователей с токоформирующими вентильно-индуктивными цепями, в том числе выпрямителей понижающего и повышающего типов. Комплексный анализ их параметров — актуальная, практически значимая задача.
Цель работы и задачи исследований.
Основная цель работы - создание новых типов генераторов тока электромагнита бетатронов, устройств заряда емкостных накопителей и бестрансформаторных выпрямителей, улучшение характеристик которых достигается за счет рационального управления потоком энергии индуктивных элементов.
Для достижения поставленной цели решались следующие группы задач:
1. В области генераторов импульсов тока электромагнита (ГИТЭ)
бетатронов:
вывод соотношений для расчета потерь в электромагните и накопительной конденсаторной батарее для типовых режимов работы ГИТЭ; обоснование на основе анализа указанных соотношений рекомендуемых режимов;
классификация, разработка и сравнительный анализ тиристорных коммутационных узлов, обеспечивающих регулируемый обмен энергией между накопительной батареей и электромагнитом;
разработка устройств компенсации потерь (УКП) в элементах генераторов при питании от промышленной сети и автономных источников постоянного тока; анализ УКП по предложенным критериям и выработка рекомендаций по их применению.
2. В области устройств заряда емкостных накопителей:
— анализ физически реализуемых законов изменения
зарядного тока, обеспечивающих уменьшенную переменную
составляющую передаваемой мощности; исследование способов
формирования тока с помощью индуктивных элементов и ключей;
— разработка оптимальных схем преобразователей с
управляемым токовым выходом, а также принципов построения
зарядных устройств на базе типовых модулей
3. В области бестрансформаторных выпрямителей:
— разработка основ синтеза выпрямителей с управляемым
потоком энергии сглаживающих дросселей;
, — разработка и анализ вариантов однофазного мостового
выпрямителя:
а) при переводе сглаживающего дросселя в режим индуктивно-
ключевого формирователя тока;
б) при введении в состав фильтра, дополнительных
токо/рормирующих активных звеньев, емкостного и индуктивного
типов;
— разработка и исследование характеристик составных управляемых выпрямителей понижающего типа, а также выпрямителей с повышенным выходным напряжением с многообмоточными токоформирующими дросселями
Методы исследований
Теоретические положения работы получены на основе математического аппарата линейных дифференциальных уравнений с использованием кусочно — припасовочного метода, методов линейно—непрерывной аппроксимации, гармонического анализа, переключающих функций. Широко использованы численные методы машинного анализа с помощью программы MathCAD.
Достоверность разработанных теоретических положений обеспечена использованием различных методик и моделей при решении одной и той же задачи, а также сравнением расчетных данных с результатами моделирования с помощью пакета прикладных программ PSpice, а также результатами физического эксперимента.
Научная новизна работы
1. В единой системе параметров получены соотношения для
расчета потерь в электромагните, накопительной конденсаторной
батарее и коммутационном звене формирователя импульсов тока
электромагнита, позволяющие обоснованно подойти к выбору
предпочтительного режима работы. В частности, впервые показана
целесообразность формирования парных синусоидальных импульсов
тока для снижения потерь в диэлектрике емкостного накопителя
-
Проведена систематизация принципов построения устройств компенсации потерь в формирователях тока, проанализированы процессы в ряде оригинальных схем и получены уравнения для расчета их основных характеристик. Выведены соотношения для изменений амплитуды тока при колебаниях вводимой энергии и определены структуры устойчивых систем стабилизации тока.
-
Предложено в качестве параметра, характеризующего режим работы зарядных устройств, использовать коэффициент обменной энергии ЗУ. Получены выражения для расчета данного параметра при различных законах изменения зарядного тока.
4. Предложен способ токового регулирования
выпрямленного и постоянного напряжений путем управления
потоком энергии сглаживающих дросселей и на его основе
синтезированы новые схемы выпрямителей и конверторов,
обладающие улучшенной формой входного тока.
-
Введено понятие оптимального по энергоемкости сглаживающего фильтра. Показана неэффективность энергопроцессов в индуктивно-емкостном фильтре и для рационального управления ими предложено вводить дополнительные активные звенья емкостного и индуктивного типов. Разработаны математические модели для расчета данных устройств.
-
Созданы математические модели, оригинальных схем повышающих выпрямителей и численно определены их основные характеристики.
-
Сформулирован ряд аксиоматических положений, характеризующих общие свойства индуктивно-ключевых цепей.
Практическая ценность работы
1. Полученные данные о коэффициентах изменения потерь в элементах формирователя тока позволяют обосновать предпочтительный режим работы контура импульсного возбуждения электромагнита и схему коммутационного звена как вновь проектируемых, так и модернизируемых установок. Тип и параметры питающей сети, а также режим работы формирователя тока определяют целесообразную схему устройства компенсации потерь,, которая выбирается в соответствии с приведенными в диссертации рекомендациями. Предложенные группы схем позволяют реализовать эффективное согласование как с промышленной сетью, так и с автономными источниками низковольтного постоянного напряжения.
Результаты проведенных теоретических исследований и разработанных технических решений использованы при создании систем .импульсного возбуждения электромагнитов пяти типов бетатронов. Перевод бетатронов на импульсное питание позволил не только в 2...4 раза повысить интенсивность излучения без изменения массы электромагнита и величины потребляемой мощности, но и расширить функциональные возможности и области применения (в частности появилась возможность генерации импульса излучения в заданный момент времени). Малогабаритные бетатроны и соответствующие генераторы выпускаются серийно в
том числе Английской фирмой JOHN MAKLEOD ELECTRONICS LTD, а транспортабельные и стационарные ускорители — в виде партий. Генераторы тока стали неотъемлемой частью всех разрабатываемых бетатронов.
2. Предложен класс однотактных преобразователей с
трансформаторным токовым выходом, в которых энергия
токоформирующего дросселя используется для размагничивания
согласующего трансформатора. Обоснованы рекомендуемые режимы
работы данных устройств в качестве зарядных, в том числе режим
с переменной частотой преобразования, зависящей от напряжения
заряжаемого накопителя. При построении ЗУ для повышения
эффективности использования элементов токовых ячеек
предложено реализовывать ряд типовых трансформаторно-
выпрямительных выходов и в процессе заряда накопителя с
помощью триад вентилей переключать их с параллельного
соединения на последовательное. Это позволяет формировать
ступенчато-падающий ток и при фиксированной мощности,
коммутируемой ключами преобразователя (ей) увеличить выходную
мощность ЗУ.
На базе предложенных ячеек и обоснованных способов формирования тока разработан ряд зарядных устройств модульного типа в составе систем питания: малогабаритного импульсно-периодического С02 — лазера; установки электроразрядной очистки воды; ультрафиолетового облучателя (подготовлено серийное производство). Полученные в работе рекомендации по построению ЗУ с токоформирующим колебательным контуром использованы при разработке импульсных генераторов для получения ультрадисперсных порошков, систем питания технологического С02 — лазера и лазера на парах металлов (изготовлены опытные образцы).
3. Предложены новые схемы преобразователей переменного
напряжения в постоянное, позволяющее создавать:
понижающие управляемые выпрямители, обладающие высоким значением коэффициента мощности при широком диапазоне изменения выходного напряжения;
неуправляемые однофазные выпрямители с уменьшенной в 2...3 раза массой фильтрующих элементов и улучшенным качеством переходных процессов;
— бестрансформаторные однофазные и трехфазные
повышающие выпрямители с улучшенными энергетическими и
массогабаритными показателями.
Разработана методика расчета данных устройств с использованием введенной системы безразмерных параметров. Технические решения и методика расчета использованы при создании бестрансформаторных входных выпрямителей систем питания ряДа типов электрофизических и электротехнологических установок: малогабаритных бетатронов и лазеров; установок для обеззараживания воды, установок для ионной имплантации металлов.
4. Результаты работы используются в учебном процессе Томского политехнического университета при изучении дисциплин: "Основы преобразовательной техники", "Силовые вентильные преобразователи", "Транзисторные преобразователи напряжения", "Медицинская интроскопия".
Основные положения, выносимые на защиту
1. В формирователях импульсов тока электромагнита,
содержащих накопительную конденсаторную батарею и
тиристорный коммутационный узел, существует оптимальный по
потерям режим, который при заданной амплитуде тока и
используемой элементной базе зависит от частоты повторения
импульсов:
при низкой частоте (единицы, десятки Гц) целесообразно генерировать симметричные импульсы квазисинусоидальной или квазитреугольной формы, обеспечивая соответственно частичный перезаряд или частичный разряд емкостного накопителя;
при повышенной частоте (сотни Гц) предпочтительно формирование пар синусоидальных импульсов тока, когда емкостной накопитель работает с полным перезарядом, по увеличенной постоянной составляющей его напряжения.
2. Компенсацию потерь в контуре импульсного возбуждения
электромагнита целесообразно осуществлять путем подключения с
помощью тиристоров последовательно с элементами контура
непосредственно источника напряжения или источника с
токоформирующим дросселем, который может исполнять функции
промежуточного накопителя энергии. Если частота формируемых
импульсов тока совпадает с частотой полупериодов питающей сети,
то блок компенсации потерь целесообразно выполнять без явно
выраженного звена постоянного тока. ] J
3. Формирование ступенчато ^падающего тока является
эффективным принципом построения зарядных устройств,
работающих в близком к источнику мощности режиме. Эту задачу целесообразно осуществлять путем переключения с параллельного соединения на последовательное выходов токовых ячеек. В качестве таких ячеек могут быть успешно применены однотактные преобразователи, в которых энергия токоформирующего дросселя дополнительно используется для размагничивания согласующего трансформатора.
4. Перевод сглаживающего дросселя в режим формирователя
ступенчатого тока, а также введение в состав LC—фильтра активных
емкостных токоформирующих звеньев позволяют значительно
улучшить энергетические и массо—габаритные параметры
бестрансформаторных неуправляемых выпрямителей. Управляемые
выпрямители этого типа целесообразно строить на базе ряда
вентильно—индуктивных цепей.
5. Повышающие выпрямители, в которых поочередной
заряд выходных конденсаторов осуществляется током магнитно—
связанных вентильно — индуктивных цепей, обладают
улучшенными параметрами и могут быть более широко
использованы в качестве сетевых в современных системах питания
электрофизических установок и ускорителей.
Апробация работы и публикации
Материалы диссертации докладывались и обсуждались:
на V -м Международном симпозиуме по бетатронам (Бухарест, 1971г.), 14 -м Международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике (Москва, 1980г.), Всесоюзных Совещаниях с международным участием по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1985, 1988, 1992г.г.), конференции с международным участием "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул"(Томск, 1992, 1995г.г.).
на Всесоюзных научно—технических конференциях симпозиумах и семинарах: "Разработка и практическое применение электронных ускорителей"(Томск, 1973, 1975г.г.); "Проблемы преобразовательной техники" (Киев, 1979, 1983, 1987, 1991г.г.); "Источники питания с высокими технико—экономическими показателями как средство совершенствования современных электротехнологических установок (Москва, 1983г.); "Силовые импульсные системы", (Новосибирск, 1981г.); "Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной,
преобразовательной и сильноточной техники"(Москва, 1986г.); "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Свердловск, 1990г.); "Лазерное и аккустическое зондирование атмосферы" (Томск, 1987г.); "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей" (Таллин, 1984, 1990г.г.).
— на заседаниях научно—методического Совета по промышленной электронике при Минвузе СССР (Ташкент, 1981г.; Томск, 1986г.), региональных научно—технических конференциях по электронике (Томск, 1975, 1981, 1985, 1987, 1990, 1994г.г.), ряде отраслевых научных семинаров.
Основное содержание диссертации опубликовано в 90 печатных работах, в том числе 2 монографиях, 25 статьях и тезисах докладов Всесоюзных НТК, 60 авторских свидетельствах на способы и устройства, 3 информационных листках.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 234 наименований и приложения — актов внедрения разработок и рекомендаций автора. На 300 страницах изложен основной текст диссертации, включая 25 таблиц, 150 рисунков изображены на 96 страницах.
