Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗУЕНЭ 15
1.1. Классификация и принципы управления 15
1.2. Выбор методов исследования и постановка задач 32
1.3. Электромагнитные процессы в ЗУЕНЭ с широтно-импульс-ным регулированием тока 41
1.3.1. Зарядное устройство с неизменным током накопителя 41
1.3.2. Зарядное устройство с неизменной мощностью накопителя 50
1.4. Электромагнитные процессы в ЗУЕНЭ с релейным регули рованием тока 64
1.4.1. Зарядное устройство с неизменным током накопителя 65
1.4.2. Зарядное устройство с неизменной мощностью накопителя и постоянной амплитудой пульсаций тока 67
1.4.3. Зарядное устройство с неизменной мощностью накопителя и переменной амплитудой пульсаций тока 70
Выводы 79
2. МАГНИТНЫЙ РЕЖИМ И ПОТЕРИ В СТАЖ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМА ТОРОВ ЗУЕНЭ 81
2.1. Симметрирование магнитного режима силовых трансформаторов ЗУЕНЭ 81
2.2. Математическая модель потерь в стали 94
2.3. Гармонический анализ выходного напряжения инверторов ЗУЕНЭ 101
2.4. Зависимость мощности потерь в стали от способа управления и параметров схем 112
Выводы 121
3. УСТАНОВЛЕННЫЕ МОЩНОСТИ .ЭЛЕМЕНТОВ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗУЕНЭ 123
3.1. Установленные мощности электромагнитных элементов ЗУЕНЭ и коэффициент полезного действия зарядной .цепи 123
3.2. Установленные мощности полупроводниковых приборов ЗУЕНЭ 138
3.3. Сравнение характеристик регулируемых и нерегули-. руемых ЗУЕНЭ 143
Выводы 154
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ЗУЕНЭ . ДНЯ МОРСКИХ ИШМЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ 155
4.1. Описание экспериментальной установки 155
4.2. Измерение временных параметров ЗУЕНЭ 163
4.3. Измерение удельных потерь в магнитопроводе силового трансформатора 167
4.4. ЗУЕНЭ для морских инженерно-геологических изысканий 171
4.5. Методика проектирования ЗУЕНЭ с регулируемыми инверторами 180
Выводы ••• 184
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 185
ЛИТЕРАТУРА . 187
ПРИЛОЖЕНИЕ I. ПАКЕТ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ ГАРМОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИНВЕРТОРА И РАСЧЕТА ПОТЕРЬ В СТАЖ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ЗУЕБЭ 201
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРІШЦИШШШНЬІЕ СХЕМЫ ЗУЕНЭ ДЛЯ МОРСКИХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ 211
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 217
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. В различных отраслях народного хозяйства широкое применение находят установки и устройства, потребляющие электрическую энергию в виде кратковременных импульсов значительной мощности. К числу таких потребителей относятся [ 18,20,64,65,72Д04,Пб :
- импульсные источники света;
- импульсные рентгеновские установки;
- устройства импульсной конденсаторной сварки;
- импульсные намагничивающие устройства;
- устройства накачки лазеров;
- электрогидравлические установки дня обработки материа,-лов;
- невзрывные источники упругих акустических колебаний для морских инженерно-геологических изысканий.
Для питания таких потребителей необходимо предварительное накопление энергии, поскольку величина, импульсной мощности соизмерима или превышает установленную мощность первичных источников питания, либо непосредственное их подключение к первичному источнику приводит к недопустимому ухудшению качества электроэнергии. Наиболее широкое распространение получили емкостные накопители энергии (ЕНЭ).
Электроэнергетические системы, представляющие собой совокупность первичного источника питания, зарядного устройства и ЕНЭ (ЗУЕНЭ) отличаются разнообразием схемных решений и имеют целый ряд специфических особенностей. Область применения таких систем постоянно расширяется. Это дает основание говорить о том, что к настоящему времени сложилась новая область электроэнергетики - импульсная электроэнергетика [б4,6б].
Важнейшим звеном импульсной электроэнергетической системы, в значительной мере определяющим её энергетические, массо-габаритные и эксплуатационные показатели, является ЗУЕНЭ, обеспечивающее регулирование потока, энергии, передаваемой от первичного источника питания в накопитель.
Особенностью импульсных электроэнергетических систем является то, что процессы, происходящие при разрядке ЕЮ на нагрузку, как правило, не оказывают влияния на ЗУЕНЭ, так как длительность процесса зарядки ЕНЭ значительно превышает время его разрядки. Параметры ЕНЭ и предъявляемые к нему требования определяются исключительно назначением и условиями работы импульсной установки [59j, и при разработке импульсной электроэнергетической системы являются заданными величинами. Тип и параметры первичного источника питания, как правило, также, предопределены. Поэтому задача исследования и разработки импульсной электроэнергетической системы в значительной мере сводится к исследованию и разработке ЗУЕНЭ.
В настоящей работе рассматривается наиболее обширный и, вместе с тем, наименее исследованный класс ЗУЕНЭ - инфранизко-частотные ЗУЕНЭ, [бб] у которых зарядка накопителя до заданно-го напряжения происходит не менее чем за 10 + 10 периодов напряжения источника, питания, или, если в ЗУЕНЭ используются полупроводниковые инверторы, за 10 + 10 периодов выходного напряжения инвертора.
Исследованием и разработкой инфранизкочастотных ЗУЕНЭ различных типов успешно занимаются научные коллективы в таких ведущих организациях, как Институт электродинамики АН УССР, Всесоюзный электротехнический институт, Московский авиационный институт, Московский энергетический институт, Томский политехнический институт, Томский научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики и других.
В работах известных советских ученых А.И.Бертинова, И.В. Волкова, М.Б.Коновалова, В.А.Кныша, Д.Б.Кофмана, А.М.Миляха, В.П.Обрусника, И.В.Пентегова, И.М.Чиженко и многих других разработаны основы теории и принципы построения ЗУЕНЭ, предложен ряд достаточно эффективных схемных решений и разработок.
Вместе с тем, постоянно расширяющаяся область применения импульсных электроэнергетических систем, совершенствование технологических процессов, в которых они используются, требуют повышения эффективности ЗУЕНЭ. В частности повышаются требования к управляемости ЗУЕНЭ - диапазону изменения предраз-рядного напряжения ЕНЭ, точности его стабилизации, диапазону регулирования длительности цикла зарядки.
Высокие требования к энергетическим и массогабаритным показателям предъявляются к ЗУЕНЭ эксплуатируемым на подвижных объектах, в частности к ЗУЕНЭ для морских инженерно-геологических изысканий проводимых сейсмоакустическими методами. В настоящее время преимущественное распространение получили невзрывные источники сейсмоакустических колебаний [7,97j , в качестве которых используются искровые разрядники (спаркеры). Для получения необходимой мощности акустических волн питание разрядника осуществляется от ЕНЭ. Подобные устройства эксплуатируются в полевых условиях на малых судах. Питание ЗУЕНЭ осуществляется от автономных источников как постоянного, так и переменного тока, с нестабильной частотой, а напряжение и длительность цикла зарядки ЕНЭ могут изменяться в широком диапазоне. В зависимости от задач, решаемых при изысканиях, емкость накопителя может изменяться в значительных пределах.
Важным обстоятельством является то, что в соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС и пленумов ЦК КПСС предусматривается значительный рост производительности труда, который должен быть достигнут путем широкого внедрения управляющей вычислительной техники и систем автоматизации научных исследований. В таких системах, в том числе и в автоматизированных системах для морских инженерно-геологических изысканий, ЗУЕНЭ и аппарат-тура регистрации данных управляются от ЭЦВМ, которая на основании поставленной цели и получаемых результатов осуществляет изменение напряжения и длительности цикла зарядки ЕНЭ. Таким образом, при использовании ЗУЕНЭ в автоматизированных системах, необходимо, чтобы оно допускало электронное управление параметрами.
Наиболее распространенные ЗУЕНЭ с индуктивно-емкостными преобразователями и линейными токоограничивающими дросселями не в полной мере удовлетворяют этим требованиям, так как реализуют только закон зарядки с неизменным током ЕНЭ, а также имеют ограниченные возможности регулирования длительности цикла зарядки, напряжения ЕНЭ и изменения емкости ЕНЭ. Рассматриваемые в работе ЗУЕНЭ с регулируемыми инверторами наиболее полно удовлетворяют указанным требованиям, однако в теоретическом плане они являются наименее изученными, что не позволяет в полной мере реализовать их положительные качества - спо собность работы с первичными источниками питания постоянного и переменного тока, возможность реализации различных законов зарядки, регулирования в широких пределах длительности цикла зарядки и напряжения ЕНЭ.
В известных работах, посвященных исследованию ЗУЕНЭ с регулируемыми инверторами, недостаточное внимание уделяется осо бенностям протекания электромагнитных процессов, обусловленных тем, что инвертор работает в квазиустановившемся режиме при значительном, близком к предельному, диапазоне изменения коэффициента заполнения выходного напряжения. Это приводит к ухудшению энергетических характеристик ЗУЕНЭ, а в некоторых случаях к возникновению аварийных режимов. Разработка рекомендаций по построению ЗУЕНЭ, обеспечивающих требуемые показатели при заданных энергетических характеристиках, создание действующих эффективных систем зарядки ЕНЭ требуют проведения теоретических и экспериментальных исследований, определения условий функционирования системы и её элементов.
На, необходимость развития исследований, направленных на создание высокоэффективных преобразовательных устройств указывает целевая комплексная научно-техническая программа 0.Ц.023 "Создание и широкое использование в народном хозяйстве силовой полупроводниковой техники", утвержденная постановлением Госплана СССР, ГКНТ и АН СССР. Самостоятельным разделом этой программы является межвузовская целевая программа "Разработать и создать новые элементы и схемные структуры силовых полупроводниковых преобразователей" ("Оптимум"). Работа выполнена в рамках раздела этой программы 03.05.НЗ "Исследование и разработка систем электропитания с регулируемыми полупроводниковыми преобразователями", исполнителем которого является Красноярский политехнический институт.
Таким образом, приведенные сведения позволяют считать тему работы актуальной.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание математической модели и разработка, методики проведения аналитических исследований ЗУЕНЭ с регулируемыми инверторами, определение особенностей протекания
электромагнитных процессов, получение сравнительных результатов исследования и создание действующих систем с учетом полученных результатов и ограничений потребителя (автономные источники постоянного и переменного тока, изменяемая длительность цикла зарядки и напряжения ЕГО, изменяемая емкость накопителя) .
, Для достижения поставленной цели решаются следующие вопросы:
- разработка, математической модели ЗУЕНЭ, позволяющей получить аналитические зависимости для основных электрических величин, а также учесть процессы квантования энергии, обусловленные дискретным характером работы ключей инвертора;
- проведение анализа электромагнитных процессов при зарядке ЕГО с неизменным током и неизменной мощностью при широт-но-импульсном и релейном регулировании;
- исследование магнитного режима силового трансформатора и разработка способов его симметрирования;
- определение зависимости удельных потерь в стали силового трансформатора от закона зарядки ЕНЭ и способа, регулирования тока,;
- исследование зависимостей энергетических характеристик и установленных мощностей элементов ЗУЕНЭ от параметров схем, закона зарядки и способа регулирования тока ЕНЭ;
- разработка схемных решений, обеспечивающих создание высокоэффективных мобильных ЗУЕНЭ для морских инженерно-геологических изысканий и методики их расчета.
МЕТОДИ ИССУЩЦШАНИЯ. В работе используются методы непре-рнвно-линейной аппроксимации, припасовнвания и численные методы решения дифференциальных и трансцендентных уравнений. Для гармонического анализа выходного напряжения инверторов и определения удельных потерь в магнитопроводах силовых трансформаторов применен метод быстрого преобразования Фурье.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получены следующие новые научные результаты:
- определены законы изменения коэффициента заполнения и частоты выходного напряжения инверторов ЗУЕНЭ и показано, что при широтно-импульсном регулировании тока существует погрешность воспроизведения заданного закона зарядки ЕГО, пропорцио \ нальная амплитуде напряжения синхронизации;
- показано, что в ЗУЕНЭ с широтно-импульсным регулированием возможно возникновение аварийного режима высокочастотных автоколебаний и получены соотношения для выбора параметров элементов, при которых он отсутствует;
- показано, что причиной режима глубокого насыщения маг-нитопровода силового трансформатора ЗУЕНЭ является изменение коэффициента заполнения и частоты выходного напряжения инвертора и предложен способ симметрирования магнитного режима трансформатора,;
- предложена методика и разработаны программы гармонического анализа выходного напряжения инвертора с применением быстрого преобразования Фурье и расчета потерь в магнитопроводах силовых трансформаторов ЗУЕНЭ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработанные математические модели и программы позволяют определять основные характеристики ЗУЕШ. Полученные аналитические зависимости обеспечивают проведение инженерных расчетов электромагнитных процессов, магнитного режима силового трансформатора. Разработана структура силовой части ЗУЖЭ, которая при питании от первичных источников с различным выходным напряжением позволяет значительно уменьшить установленную мощность ключей инвертора. Разработана методика расчета ЗУЕНЭ с регулируемыми инверторами. Новизна схемных решений подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований,, выполненных в работе, нашли применение при проектировании источника питания для зарядки накопительных конденсаторов, внедренного в институте "СОЮЗМОРНИИПРОЕКТ" (г.Москва) и используемого при проведении морских инженерно-геологических изысканий сейсмоакустическиш методами. Разработанный источник питания дает возможность использовать автономные первичные источники питания постоянного тока с различным выходным напряжением, а также1источник переменного тока, имеет большой диапазон регулирования напряжения ЕНЭ, лучшие массогаба-ритные и энергетические характеристики, чем существующие источники.
Результаты диссертации использованы при создании статического преобразователя частоты для питания электродинамических вибраторов, внедренного на предприятии п/я Г-4736 и разработке систем электропитания ЛЕВ на предприятии п/я A-I8I9.
ТЕЗИСЫ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
- для автономных устройств с изменяемой емкостью накопителя, регулируемой длительностью цикла зарядки и универсальным питанием необходимо применение ЗУЕНЭ с регулируемыми инверторами;
- для исключения режима глубокого насыщения магнитопро-вода силового трансформатора в высоковольтных ЗУЕНЭ симметрирование магнитного режима необходимо осуществлять путем формирования выходного напряжения инвертора с равными вольт-секундными площадями полуволн противоположной полярности;
- предпочтительным является применение ЗУЕНЭ с релейным регулированием, поскольку они имеют больший к.п.д. и меньшую установленную мощность полупроводниковых и электромагнитных элементов, чем ЗУЕНЭ с широтно-шпульсным регулированием;
- при питании ЗУЕНЭ от первичных источников с различным выходным напряжением необходимо применение предложенной структуры силовой части, состоящей из однотипных инверторннх ячеек, способ соединения которых определяется величиной напряжения питания.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах лаборатории морской инженерной геофизики института "С0ЮЗМ0РНИИПР0ЕКГ (г.Москва) в 1977 и 1978 г.г. и краевых НТК "АВТОМАТИЗАЦИЯ: ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ" (г.Красноярск) в 1977, 1979 и 1982 г.г.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе получено 4 авторских свидетельства на изобретения.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 116 наименований, приложений и содержит 225 страниц, в том числе 136 страниц основного машинописного текста, 60 рисунков, 9 таблиц.
