Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
Глава I. СХЕМНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЧАСТОТНЫХ
ТИРИСТОШО ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 13
1.1. Вводные замечания и постановка задачи 13
1.2. Схемная реализация и принцип действия простейших преобразователей
1.3. Сравнительная оценка частотных возможностей преобразователей
1.3.1. Схемное время восстановления управляющей способности тиристоров и максимально возможная частота модуляции преобразователей
1.3.2. Потери мощности в силовых элементах преобразователей
1.4. Схемная реализация, характеристики и частотные возможности преобразователя с дополнительным контуром перезаряда дозирующего конденсатора Ц8
1.5. Схемы преобразователей с расширенными функциональными возможностями 62
1.5.1. Преобразователи с рекуперацией энергии, накопленной индуктивной нагрузкой 63
1.5.2. Преобразователи с рекуперацией энергии, накопленной двигательной нагрузкой т7/
1.5.3. Преобразователи с широтно-импульсным регулированием напряжения га
1.6. Выводы 8?
Глава 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ВЫХОДНОЙ СГЛАЖИВАЩЕЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ
2.1. Вводные замечания и постановка задачи 89
2.2. Схемная реализация и метод анализа преобразователей 90
2.3. Математическая модель преобразователей 92
2.4. Приближенные аналитические расчетные соотношения
2.4.1. Внешние и регулировочные характеристики /08
2.4.2. Пульсации тока нагрузки /
2.4.3. Пульсации входного напряжения и тока источника питания и
2.5. Анализ статических характеристик /20
2.5.1. Внешние характеристики /20
2.5.2. Пульсации тока нагрузки /3d
2.5.3. Пульсации тока источника питания и входного напряжения преобразователей
2.6. Рекомендации по расчету параметров реактивных элементов преобразователей 7
2.7. Выводы
Глава 3. АНАЛИЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ТОКА В НАГРУЗКЕ №
3.1. Вводные замечания и постановка задачи
3.2. Характеристики стабилизаторов тока с однопозиционное следящей системой управления
3.2.1. Схемная реализация и принцип действия
3.2.2. Методика анализа 4бО
3.2.3. Внешние характеристики и статическая ошибка регулирования /61
3.2.4. Динамические свойства стабилизаторов тока
3.3. Характеристики стабилизаторов тока с системой управления интегрального типа 16?
3.3.1. Схемная реализация и принцип действия
3.3.2. Внешние характеристики и статическая ошибка регулирования 17/
3.3.3. Устойчивость регулирования. Динамические свойства стабилизаторов тока 1
3.4. Схемное время восстановления управляющей способности тиристоров в переходных режимах 194
3.5. Рекомендации по выбору параметров элементов силовой части и параметров системы управления стабилизаторов 199
3.6. Основные результаты и выводы ZOO
Глава 4. АНАЛИЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ НАПРШЕШЯ НА НАГРУЗКЕ 202
4.1. Вводные замечания и постановка задачи Z02
4.2. Схемная реализация и принцип действия преобразователя 203
4.3. Методика исследования. Математическая модель преобразователя
4.4. Статические характеристики 2
4.4.1. Приближенные аналитические соотношения Z12
4.4.2. Анализ статических характеристик 2
4.5. Устойчивость системы регулирования 220
4.6. Динамические характеристики 22,
4.6.1. Динамические свойства системы при работе на активную нагрузку 22
4.6.2. Динамические свойства системы при работе на активно-индуктивную нагрузку 23
4.7. Основные результаты и выводы 244
Глава 5. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ К УСТАНОВКАМ ДЛЯ СТЫКОВОЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ СВАРКИ НЕПРЕРЫВНЫМ ОПЛАВЛЕНИЕМ
5.1. Вводные замечания и постановка задачи 246
5.2. Основные требования и выбор схемотехнического решения преобразователя
5.3. Силовая часть и система управления источника питания ИТ250/400 мощностью 100 кВт 250
5.4. Силовая часть и система управления преобразовательного блока ПБ600/400 мощностью 250 кВт
5.5. Выводы Z84
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Z88
Введение к работе
Электрофикация и автоматизация промышленного производства и транспорта на основе современных достижений науки и техники является одним из основных комплексов работ по созданию материально-технической базы коммунистического общества. Среди средств автоматизации промышленного производства особое место занимают преобразователи электрической энергии, в частности, статические вентильные преобразователи. Достижения в области теории вентильных преобразователей /I-I4/, а также совершенствование силовых полупроводниковых приборов и другого электротехнического оборудования способствовали интенсивному внедрению преобразователей в различных областях техники.
Улучшение технико-экономических показателей и расширение областей применения систем с вентильными преобразователями связано с использованием импульсного способа регулирования параметров электрической энергии /9-Ю;14-22/. На больших и средних мощностях данный способ регулирования реализуется при помощи тиристорних импульсных преобразователей (ТИП) /9,15-22/.
Успехи в развитии теории импульсных преобразователей и разработка вопросов конкретного их применения /9,15-23;57-59/ способствовали их успешному внедрению в таких областях, как электропривод постоянного и переменного тока, источники питания научно-исследовательской и радиотехнической аппаратуры, источники питания на подвижных объектах, источники гарантированного питания ответственных потребителей, источники питания электротехнологи-ческих установок.
Особенностью использования ТИП в новых высокоэффективных электротехнологических установках, таких как сварочные дуговые и электроконтактные машины, установки нанесения износостойких покрытий, установки электрохимической обработки металлов и т.п., а также ряда других областей применения является работа на высокодинамичную нагрузку с широким диапазоном изменения вплоть до к.з. При этом поддержание заданного технологического режима требует высоких динамических показателей ТИП, что сопряжено с увеличением частоты модуляции, уменьшением индуктивности сглаживающих фильтров, ростом токовых нагрузок, использованием быстродействующих систем управления.
Поэтому создание ТИП, обеспечивающих высокие динамические показатели при работе на нагрузку с резкопеременными параметрами, изменяющуюся в широких пределах, является в настоящее время актуальной задачей.
Наиболее полно указанным выше требованиям отвечают тиристор-но-конденсаторные импульсные преобразователи (ТКИП) с дозированной передачей энергии /15,16/. Характерной особенностью ТКИП является то, что на этапе проводимости тиристоров в цепь тока источника питания и нагрузки последовательно включен конденсатор. Это однозначно определяет запирание тиристоров после перезаряда конденсатора независимо от величины нагрузочного тока, т.е. высокую коммутационную устойчивость ТКИП при токовых перегрузках. Возможность иметь значительное схемное время восстановления тиристоров определяет высокую частоту модуляции ТКИП. При этом, как показывает, проведенный в /15,22/, сравнительный технико-экономический анализ на повышенной частоте работы массо-габаритные показатели и к.п.д. ТКИП выше, чем у преобразователей, использующих принудительную коммутацию тиристоров. Это объясняется облегченным режимом работы силовых элементов ТКИП, а также отсутствием дополнительных потерь в узлах коммутации, соизмеримых с потерями в основных тиристорах.
Практическое использование ТКИП требует во многих случаях стабилизации их выходных параметров (тока, напряжения), т.е. обеспечения характеристик регулируемого "источника тока", либо "источника напряжения". При этом возникают вопросы схемной реализации и выбора параметров элементов силовой части и системы управления ТКИП с точки зрения обеспечения высокого быстродействия и требуемого качества регулирования при работе на нагрузку, изменяющуюся в широких пределах. Первые публикации, посвященные разработке и исследованию ТКИП относятся к началу 70-х годов. Однако не все перечисленные выше вопросы были решены к настоящему времени. Последнее является одним из условий, тормозящих внедрение ТКИП в источниках питания ряда высокоэффективных электротехнологических установок. В частности, решение этих вопросов необходимо при разработке специальных источников питания для установок стыковой электроконтактной сварки непрерывным оплавлением. Создание таких источников позволяет увеличить производительность сварочной установки, улучшить качество сварного соединения, равномерно загрузить питающую сеть.
Целью работы является разработка и исследование автономных тиристорно-конденсаторных импульсных преобразователей с дозированной передачей энергии с высокими динамическими показателями, обеспечивающих устойчивую работу на нагрузку с резко переменными параметрами, изменяющуюся в широких пределах.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
- проведение сравнительной оценки частотных возможностей известных ТКИП;
- разработка новых схемотехнических решений ТКИП с улучшенными динамическими показателями и расширенными функциональными возможностями, сравнительный анализ с известными схемными решениями;
- анализ ТКИП с выходной сглаживающей индуктивностью и стабилизацией тока нагрузки по мгновенному и среднему значениям;
- анализ ТКИП с индуктивно-емкостным выходным фильтром и стабилизацией напряжения по мгновенному значению;
- решение вопросов , связанных с внедрением мощных ТКИП для систем электропитания технологических установок для стыковой электроконтактной сварки непрерывным оплавлением.
Методы исследований. В работе используется цифровое математическое моделирование, метод разностных уравнений, классический операторный метод и экспериментальные исследования преобразователей. При математическом моделировании для анализа переходных процессов применен кусочно-припасовочный метод, решение дифференциальных уравнений на межкоммутациояных интервалах проводилось численными методами Рунге-Кутта и Эйлера.
Научная новизна. Проведена сравнительная оценка частотных возможностей известных ТКИП с учетом схемного времени восстановления тиристоров и потерь мощности в силовых элементах.
Разработаны, защищенные авторскими свидетельствами на изобретение /47-51, 77, 80-83,86/ схемы ТКИП с улучшенными динамическими показателями и расширенными функциональными возможностями.
Проведен анализ преобразователя с дополнительным контуром перезаряда дозирующего конденсатора. Получены расчетные выражения и рекомендации по выбору параметров его реактивных элементов.
Проведен сопоставительный анализ статических и динамических характеристик ТКИП постоянного тока с выходной сглаживающей индуктивностью, силовая часть которых выполнена по обычной мостовой двухтактной схеме и схеме с дополнительным контуром перезаряда дозирующего конденсатора. Показаны целесообразные области применения каждой из схем в зависимости от характера и диапазона изменения тока нагрузки.
Впервые проанализированы ТКШ, использующие интегральный принцип регулирования тока нагрузки и дана сравнительная оценка с однопозиционно следящими ТКЙП. Показана целесообразность применения каждого из указанных способов регулирования в зависимости от диапазона изменения тока и его параметров.
Проведен анализ статических и динамических режимов ТКШ с однопозиционным слежением за напряжением на нагрузке.
Проведены исследования тиристорно-конденсаторного импульсного преобразователя применительно к режимам работы мощных технологических установок для стыковой электроконтактной сварки непрерывным оплавлением.
Практическая ценность. Предложены силовая часть и система управления преобразователей источников питания установок для стыковой электроконтактной сварки непрерывным оплавлением . Дана методика расчета параметров силовых элементов преобразователей.
Получены расчетные соотношения для внешних характеристик и статической ошибки регулирования однопозиционно следящих тирис-торно-конденсаторных стабилизаторов тока, а также выражения для пульсаций тока, позволяющие произвести выбор выходной сглаживающей индуктивности.
Получены расчетные соотношения для внешних характеристик и статической ошибки регулирования, а также аналитические и графические зависимости для оценки устойчивости и динамических свойств тиристорно-конденсаторных импульсных стабилизаторов тока с системой регулирования интегрального типа, позволяющие произвести выбор параметров системы регулирования, обеспечивающих заданную точность и максимальное быстродействие.
Получены выражения для расчета внешних характеристик и статической ошибки регулирования однопозиционно следящего тиристорно-конденсаторного импульсного стабилизатора напряжения. Дано расчетное выражение и рекомендации по выбору емкости конденсатора выходного фильтра.
Получены аналитические зависимости для оценки устойчивости однопозиционно следящей системы регулирования напряжения, а также графические и аналитические зависимости для оценки динамических свойств системы при работе на активную и активно-индуктивную нагрузку. Даны расчетные выражения и рекомендации по выбору индуктивности дросселя выходного фильтра из условия обеспечения максимального быстродействия системы.
Енедрение результатов работы. Результаты работы использованы ВНИИ по строительству магистральных трубопроводов и Производственным объединением "Уралэлектротяжмаш" при создании мощных источников питания установок для стыковой электроконтактной сварки оплавлением, а также Производственным объединением "Динамо" при проектировании унифицированного тягового электропривода для городского транспорта.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1. Всесоюзный научно-технический семинар "Устройства передачи и преобразования энергии в автономных системах электропитания". Киев, 1982 г.
2. Шестая всесоюзная межвузовская конференция по теории и методам расчета нелинейных цепей. Ташкент, 1982 г.
3. Отраслевой научно-технический семинар "Электронные средства преобразования электрической энергии". Москва, 1982 г.
4. Юбилейная научно-техническая конференция МЭИ, посвященная 60-летию образования СССР. Москва, 1982 г.
5. Межотраслевая научно-техническая конференция "Источники питания с высокими технико-экономическими показателями, как средство совершенствования современных электротехнологических устано - 12 вок". Москва, 1983 г.
6. Всесоюзное научно-техническое совещание "Вентильные автоматизированные электроприводы и преобразователи с улучшенными характеристиками", Запорожье, 1978 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 5 печатных работ и получено 10 авторских свидетельств на изобретение. Отдельные вопросы, связанные с диссертационной работой, отражены в 2 отчетах по НИР.
Диссертация выполнена на кафедре промышленной электроники Московского энергетического института и связана с научно-исследовательскими работами № гос.регистрации 01820068554 и 01828007739, проводимыми в рамках целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.006 (задание 03.09) по постановлению ЦК КПСС и СМ СССР № 419 от 29.05.80, и работами по решению научно-технической проблемы 0.16.08, задание 03.03 ( № гос.регистрации НИР 080012632), выполняемыми по постановлению СМ СССР Л 524 от 07.06.79.
