Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ МЕТОДОВ И СХЕМ ЗАРЯДКИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 10
1.1. Основные звенья построения зарядных преобразователей для питания устройств импульсной электротехнологии 10
1.2. Эффективность зарядных преобразователей 14
1.3. Сравнительный анализ способов зарядки и схем зарядных преобразователей 16
1.4. Выбор схем зарядных преобразователей и методов их исследований 37
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАРЯДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ДОЗИРУЩИМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ РЕЗОНАНСНЬМ КОНТУРОМ И РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИЙ..41
2.1. Высокочастотная обобщенная схема 41
2.1.1. Эквивалентная электрическая схема и уравнение на интервале проводимости 41
2.1.2. Анализ статических и динамических характеристик...47
2.1.3. Эффективность зарядного преобразователя 62
2.2. Низкочастотная обобщенная схема 66
2.2.1. Эквивалентная электрическая схема и процессы в режиме многополупериодной зарядки 66
2.2.2. Исследование методом противо-ЭДС. Точность метода.72
2.2.3. Коэффициент полезного действия 85
2.3. Выводы по главе 89
3. СЕТЕВЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ 91
3.1. Особенность питания импульсных промышленных ускорителей на базе трансформатора Тесла 91
3.2. Трехфазный беетрансформаторный зарядный преобразователь на базе схемы с дозирующим последовательным резонансным контуром 92
3.3. Влияние разрядного контура на КПД преобразователя...107 .
3.4. Влияние зарядного преобразователя на качество потребляемой электроэнергии 116
3.5. Экспериментальные исследования тиристорного преобразователя мощностью 10 кВт 122
3.6. Пути повышения мощности импульсных промышленных ускорителей и качества потребляемой электроэнергии 125
3.7. Выводы по главе 136
4. ЗАРВДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ПИТАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 137
4.1. Принципиальная схема зарядного преобразователя 137
4.2. Исследование процессов в зарядном преобразователе с учетом тока намагничивания инверторного трансформатора 142
4.3. Зарядный преобразователь с улучшенной коммутационной способностью 146
4.4. Методика расчета 150
4.5. Экспериментальные исследования зарядного преобразователя мощностью 20 кВт 163
4.6. Способы повышения эффективности использования первичного источника питания 175
4.7. Выводы по главе 1 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 187
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 189
7. ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года записано: "... На основе достижений науки и техники:... использовать электрохимические, плазменные, лазерные, радиационные и другие высокоэффективные методы обработки металлов, материалов и изделий с целью существенного улучшения их свойств..." /I/.
Прогресс науки и техники, неуклонное развитие народного хозяйства вызывают ускоренное развитие импульсных радиационных и лазерных методов обработки.
Промышленное применение импульсных гпромышленных ускорителей (ИЛУ) и импульсных оптических квантовых генераторов (ЙОКГ)-устройств импульсной электротехнологии предъявляет особые требования к их мощности, надежности, простоте обслуживания и стоимости. Эти факторы в значительной степени являются производными простоты и надежности источников питания, их КПД, массо-габаритных показателей и т.д.
В качестве вторичных источников питания импульсных электротехнологических установок средней мощности (ИЛУ, ИОКГ) применяются емкостные накопители энергии /2,3,4,5/.
Развитие и усовершенствование установок и устройств, потребляющих энергию, накопленную в электрическом поле конденсатора, ставят задачу разработки систем заряда емкостных накопителей энергии и исследование процессов в этих системах с целью повышения энергетических и массо-габаритных показателей, так как существующие схемы зарядных преобразователей, использующие известные методы зарядки, к настоящему времени не удовлетворяют высоким требованиям к импульсным источникам питания электротехнологических установок.
Основные усилия разработчиков направлены на улучшение энерге - 5 -тических и массо-габаритных показателей зарядных преобразователей, а отсутствие обоснованных методов проектирования приводит либо к ухудшению качественных показателей, либо к необоснованному увеличению стоимости источников питания.
Поэтому, вопросы разработки эффективных преобразователей для зарядки накопительных конденсаторов представляются актуальными в решении важной народно-хозяйственной проблемы- оснащении науки и производства современной электротехнологической базой.
Целью работы является разработка эффективных зарядных преобразователей для питания импульсных электротехнологических установок.
Основная идея: использование последовательного колебательного контура в качестве токоформирующего элемента регулируемых зарядных преобразователей.
Независимо от того, является ли накопительный конденсатор элементом последовательного колебательного контура в высокочастотных зарядных преобразователях или включен с ним последовательно, что справедливо для схем зарядных преобразователей с низкой частотой следования разрядных импульсов, колебательный контур дозирует передачу энергии от первичного источника питания к нагрузке.
Такой контур в дальнейшем будем называть дозирующим последовательным резонансным контуром (ДПРК). Зарядные преобразователи с ДПРК обеспечивают:
- дозированную передачу энергии;
- режим естественной коммутации тиристоров,плавное изменение тока;
- возможность работы на короткозамкнутую нагрузку.
Особенность разряда накопительного конденсатора на трубку импульсного промышленного ускорителя на базе трансформатора с ударным возбуждением заключается в том, что в процессе разряда часть энергии уносится пучком заряженных частиц, а часть рекупе - 6 рируется обратно в накопительный конденсатор.
В случае разряда накопительного конденсатора на трубку импульсного оптического квантового генератора можно считать, что вся энергия, запасенная в накопительном конденсаторе, расходуется в нагрузке. Однако возникает необходимость в устранении "раскачки" напряжения на коммутирующем конденсаторе ДПРК. С этой целью часть энергии, запасаемой в коммутирующем конденсаторе, на каждом такте преобразования энергии рекуперируется в источник питания.
До сих пор, вопросы, связанные с разработкой зарядных преобразователей с ДПРК и рекуперацией энергии не рассматривались.
Задачи, решаемые в диссертации:
- обоснование эффективности применения в системах питания импульсных электротехнологических устройств (ИЛУ, ИОКГ) методов зарядки, основанных на использовании схем с ДПРК и рекуперацией энергии;
- исследование схем зарядных преобразователей с ДПРК и рекуперацией энергии и разработка методик их расчета;
- разработка на базе схем с ДПРК зарядных преобразователей для питания ИПУ и ИОКГ;
- экспериментальная проверка результатов теоретических исследований и внедрение разработанных преобразователей.
Направление научных исследований:
- изучение электромагнитных процессов в обобщенных схемах с ДПРК в режиме с рекуперацией энергии;
- определение на основе изученных закономерностей условий получения максимальных энергетических и массо-габаритных показателей для различных режимов работы;
- установление математических зависимостей для определения конкретных значений параметров при расчетах зарядных преобразователей с ДПРК и рекуперацией энергии;
Методы исследований.
В работе использованы методы теоретического анализа (операторный, припасовочный, противо-ЭДС, гармонический), численные методы решения трансцендентных уравнений на ЭЕМ, а также экспериментальные методы исследования разработанных схем.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических исследований электромагнитных процессов и энергетических характеристик в зарядных преобразователях с ДЇЇРК и рекуперацией энергии;
- схемы высокочастотных и низкочастотных зарядных преобразователей с ДПРК и рекуперацией энергии для питания импульсных электротехнологических устройств;;
- способы стабилизации напряжения зарядки, повышения коммутационной устойчивости зарядных преобразователей и эффективности использования электроэнергии.
Научная новизна:
- найдены оптимальные, с точки зрения энергетических характеристик, режимы колебательной однополупериодной зарядки ДПРК при питании от источника синусоидального напряжения, а также условия параметрической стабилизации длительности процесса зарядки и напряжения на накопительном конденсаторе;
- получены условия оптимальной зарядки накопительного конденсатора при максимальном КПД и минимальных токовых нагрузках в мно-гополупериодном режиме зарядки при питании от источника прямоугольного напряжения (инвертора с двусторонней проводимостью) с частичной рекуперацией энергии ДПРК в источник питания;
- исследовано влияние режимов работы ИПУ на КПД системы питания в целом и на показатели качества электроэнергии, потребляемой от промышленной сети переменного тока;
- разработаны способы повышения мощности;
- предложены способы повышения коммутационной способности инверторного зарядного преобразователя с ДПРК и эффективности использования источника ограниченной мощности.
Практическая ценность:
- показаны преимущества зарядных преобразователей с ДПРК в системах питания импульсных электротехнологических установок средней мощности;
- предложены методики расчета обобщенных схем зарядных преобразователей с ДПРК, охватывающих широкий диапазон частот следования разрядных импульсов (от долей Герц до единиц кГц);
- разработан сетевой бестрансформаторный зарядный преобразователь средней мощности для питания высокочастотных импульсных потребителей электроэнергии;
- предложены схемы сетевых зарядных преобразователей, позволяющие повысить как частоту следования разрядных импульсов ИПУ, так и напряжение зарядки;
- разработан зарядный преобразователь для питания инфранизко-частотных импульсных потребителей средней мощности, обеспечивающий высокий КПД и массо-габаритные показатели.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы:
- при разработке сетевого тиристорного преобразователя для питания ИПУ в СКТБ ППЧ УАИ (г. УФА), где предполагается выпуск опытной партии подобных преобразователей;
- при внедрении опытного образца зарядного преобразователя (мощность 10 кВт, частота следования разрядных импульсов 300 Гц) в Институте высоких температур АН СССР (ЙВТАН);
- при внедрении опытного зарядного преобразователя (мощность 20 кВт, частота следования разрядных шшульсов 2,5 Гц) для питания ИОКГ в Московском НИИ Радиосвязи (преобразователь запускается в
-серийное производство).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на ІУ Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, Томск, 1982 г.; на научной конференции, посвященной 60-летию образования СССР, Москва, 1982 г.; на городской конференции молодых ученых "Молодежь Киева в борьбе за экономию электроэнергии", Киев, 1982 г.; на Всесоюзной конференции "Импульсные источники энергии для физических и термоядерных исследований", Москва, 1983 г.; на У Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического и радиоэлектронного оборудования, Москва, 1983 г.
Публикации .
По теме диссертации опубликовано б печатных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, /""списка литературы и приложений, изложенных на 201 странице. Содержит 122 страницы печатного текста, 78 рисунков, перечень литературы из 83 наименований и 5 приложений.
