НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
ШУЛЯК Сергій Анатолійович
УДК 621.314.6 (088.8)
ТРИФАЗНИЙ НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ВИПРЯМЛЯЧ
З КОНДЕНСАТОРНО-КЛЮЧОВОЮ
КОМУТУЮЧОЮ ЛАНКОЮ
Спеціальність 05.09.12 — напівпровідникові перетворювачі електроенергії
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ — 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі теоретичної електротехніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".
Науковий керівник | доктор технічних наук, професор
Бойко Валерій Степанович,
Національний технічний університет України "КПІ",
професор кафедри теоретичної електротехніки.
Офіційні опоненти: — |
доктор технічних наук, професор
Пентегов Ігор Володимирович,
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник відділу електротермії;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Губаревич Володимир Миколайович,
Інститут електродинаміки НАН України,
старший науковий співробітник відділу систем стабілізованого струму.
Провідна установа — | Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, кафедра промислової i бiомедичної електронiки, м. Харків.
Захист дисертації відбудеться "17" травня 2004 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.06 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м.Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 20, ауд. 4.
З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці НТУУ "КПІ" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.
Автореферат розісланий "_2_" квітня 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К26.002.06 Б.М. Кондра
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Ак-ту-а-ль-ність те-ми. Технічний прогрес і розвиток усіх галузей промисловості потребує все більшого використання електричної енергії, яка виробляється у вигляді трифазного змінного струму 50 Гц, в той же час більше 20% цієї енергії споживається у вигляді постійного струму.
Споживання електричної енергії на постійному струмі поширено у кольоровій металургії, хімічній промисловості (в електролізних установках), в електротранспорті (електропоїзди, метро, трамваї, тролейбуси), для живлення електроприводів різного роду механізмів.
Одним із суттєвих недоліків звичайних схем перетворення є те, що вони забезпечують роботу перетворювача тільки з відстаючим кутом зсуву за фазою між основними гармоніками струму і напруги на стороні змінного струму, через що такі перетворювальні пристрої є споживачами значної реактивної енергії. Це призводить до погіршення коефіцієнта потужності та зниження пропускної спроможності енергетичного обладнання.
В ро-бо-ті ви-рі-шу-єть-ся про-бле-ма під-ви-щен-ня яко-с-ті еле-к-т-ро-по-с-та-чан-ня тех-но-ло-гі-ч-них спо-жи-ва-чів за-со-ба-ми си-ло-вої еле-к-т-ро-ні-ки з на-го-ло-сом на ком-пе-н-са-цію ре-а-к-ти-в-ної по-ту-ж-но-с-ті.
Згідно з національною енергетичною програмою України, передбачається розвиток паливно-енергетичного комплексу України, як узгоджений з вимогами економіки держави розвиток енергетики, зменшення питомої ваги енергетики в загальній структурі господарських комплексів, мінімізація збитків, яких зазнає навколишнє природне середовище від діяльності енергетичних об’єктів. Зокрема, передбачається широке впровадження енергозберігаючих технологій та заходів підвищення енергоефективності технологічних процесів та установок.
Впровадження сучасних енергоефективних пристроїв перетворення електромагнітної енергії є одним із шляхів вирішення проблеми подолання енергетичної кризи в Україні. Від рівня розвитку силової електроніки значною мірою залежить прогрес електротехніки та електроенергетики. Пристрої силової електроніки забезпечують перетворення і досягнення необхідних параметрів електроенергії при високій електромагнітній сумісності з системами енергопостачання. У передових державах світу перетворення електроенергії за допомогою пристроїв силової електроніки оцінюється у 55%. В Україні у 1976 році цей показник становив 37%, а зараз зменшився до 30%. Слід зазначити наявність в Україні конкурентноспроможних розробок силових перетворювальних пристроїв, які можуть вироблятись на власній виробничій базі. Уже зараз українська промисловість випускає різноманітні керовані і некеровані потужні перетворювачі для електротранспорту, електротехнологій, прокатного виробництва та для електрометалургії. Розрахунки фахівців свідчать, що в Україні бажано довести рівень використання електроенергії в перетвореному вигляді, у 2005–2010 роках, до 60% (очікуваний рівень передових країн світу).
Використання силової електроніки дає можливість споживати необхідну форму електроенергії при максимальному ККД, що може досягати 95%. Використання силової електроніки в електроприводах, електротехнологіях і т.п. дозволило б заощадити близько 49,3 млрд. кВт/год. Така економія еквівалентна звільненню 8,2 млн. кВт встановленої потужності електростанцій.
Аналіз показує, що найбільш перспективними напрямками застосування пристроїв силової перетворювальної техніки є регульований електропривод змінного струму, електрометалургія, електротранспорт, системи управління кліматом, електрохімія та гальваніка. Особлива увага повинна приділятись підвищенню якості вихідної енергії силових перетворювачів та зменшенню їх впливу на електромережу, що зумовлює застосування компенсованих перетворювачів, компенсаторів реактивної енергії, фільтро–симетруючих пристроїв та пристроїв корекції.
За різними оцінками фахівців потенціал енергозбереження в Україні досягає 30-40% від загального обсягу енергоспоживання. Заходи щодо економії електроенергії у технічному відношенні можна підрозділити на такі напрямки:
-
підвищення ефективності режиму експлуатації обладнання, яке не потребує значних додаткових інвестицій;
-
економія електроенергії за рахунок інвестицій у відому технологію;
-
економія електроенергії за рахунок впровадження нових передових технологій при відповідних інвестиціях.
Зв'я-зок ро-бо-ти з на-у-ко-ви-ми про-гра-ма-ми, пла-на-ми, те-ма-ми. Дисертаційна робота виконана відповідно до розділів державної бюджетної теми "Розробка методів комп'ютерного аналізу електромагнітних процесів і синтезу алгоритмів керування ними в перетворювачах електроенергії сучасних енергозберігаючих технологій" (N ДР 0102U002201), згідно координаційного плану НАН України з комплексної проблеми "Наукові основи електроенергетики" (п.п.1.9.2.2.1.1.1, 1.9.2.2.1.1.8, 1.9.2.2.1.2.3), де автором проведені дослідження електромагнітних процесів у перетворювачі з покращеними техніко-економічними характеристиками.
Ме-та і за-да-чі до-слі-джен-ня. Метою дисертаційної роботи є подальший розвиток теорії електромагнітних процесів у компенсаційних перетворювачах і створення на цій основі перетворювальних пристроїв з покращеними масо-габаритними показниками та прийнятним рівнем електромагнітної сумісності з мережею живлення.
Для досягнення поставленої мети у роботі вирішені наступні наукові задачі:
–
здійснено співставлення різних методів дослідження комутаційних процесів у пристроях енергетичної електроніки компенсаційного типу;
–
досліджено електромагнітні процеси у трифазному напівпровідниковому випрямлячі з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою і доведено універсальні рівняння струму комутації для режимів, що відповідають шести комутаційним ситуаціям;
–
отримано режимні, регулювальні та зовнішні характеристики перетворювача за різних комутаційних ситуацій в режимах, де кут комутації менший за
і немає повторної роботи вентилів;
–
отримано співвідношення для розрахунку кутів регулювання та комутації і удосконалено методику їх розв’язку за рахунок обґрунтованого вибору початкових наближених значень;
–
досліджено особливості умов роботи обладнання трифазного напівпровідникового випрямляча з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою;
-
здійснено математичне, схемотехнічне та фізичне моделювання режимів роботи досліджуваного перетворювача.
Об’єкт досліджень – трифазний напівпровідниковий випрямляч, що складається з перетворювального трансформатора, двох трифазних груп силових діодів, конденсаторно-ключової комутуючої ланки та двофазного зрівноважувального реактора.
Предмет досліджень – електромагнітні процеси в трифазному напівпровідниковому випрямлячі з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою та особливості умов роботи його обладнання.
Методи досліджень. Аналіз електромагнітних процесів виконано на базі теорії диференційних рівнянь з використанням аналітичних і чисельних методів. Формування повних систем рівнянь здійснено на основі електротехнічних законів, а алгоритм комутації використано як механізм формування незмінної структури за парних та непарних комутаційних ситуацій. Комутаційні співвідношення, алгоритм комутації та алгоритм розв’язку систем нелінійних рівнянь використано для визначення кутів регулювання і комутації.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
–
вперше досліджені особливості електромагнітних процесів у трифазному напівпровідниковому випрямлячі з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою є подальшим розвитком теорії комутаційних процесів у пристроях енергетичної електроніки;
–
вперше розглянуто двоступеневу багатоетапну комутацію у компенсаційному перетворювачі і виведено універсальні рівняння струму комутації, що є теоретичною основою створення компенсаційних перетворювачів з ключовими елементами у комутуючій ланці;
–
отримано комутаційні співвідношення для визначення кутів регулювання та комутації у досліджуваному комутаційному процесі і запропоновано удосконалену методику їх розв’язку, яка виключає можливість похибки розрахунку, оскільки усуває неоднозначність результату враховуючи фізичну особливість комутаційного процесу;
–
вперше отримано режимні та регулювальні характеристики досліджуваного перетворювача, що дозволяє оптимізувати вибір робочих ситуацій відповідно до умов енергозабезпечення споживачів;
–
досліджено енергетичні характеристики перетворювача і виявлено раніше невідомі його можливості, обумовлені наявністю конденсаторно-ключової комутуючої ланки;
–
вперше отримано співвідношення для розрахунку параметрів обладнання трифазного напівпровідникового випрямляча з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою, що необхідно для оптимізації потужності елементів перетворювача при його практичній реалізації, підвищення енергетичних характеристик та покращення масогабаритних показників.
Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному: –
методика дослідження електромагнітних процесів у трифазному напівпровідниковому випрямлячі з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою, яка застосована в дисертаційній роботі, має високий рівень узагальнення і може бути розповсюджена на аналіз процесів і в інших перетворювачах з напівактивною комутуючою ланкою;–
результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі у Національному технічному університеті України ”КПІ” та Київському університеті економіки і технологій транспорту, що підтверджується довідками і публікаціями методичного характеру.
Особистий внесок здобувача. Усі теоретичні дослідження та експериментальна перевірка нових наукових положень, що виносяться на захист, виконані автором самостійно, а саме: автором дисертації виведено універсальні рівняння струму комутації; отримано комутаційні співвідношення для розрахунку кутів регулювання та комутації і запропоновано вдосконалену методику їх розв’язку; розроблено програмне забезпечення, що дозволяє досліджувати режимні, регулювальні, зовнішні та енергетичні характеристики перетворювача і здатне визначати межі можливого застосування; досліджено особливості умов роботи обладнання компенсаційного випрямляча і розроблено його схемотехнічну модель та виконано експериментальне дослідження режимів роботи.
Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, результати та висновки дисертаційної роботи доповідались на семінарах Наукової Ради НАН України за комплексною проблемою “Наукові основи електротехніки” (м. Київ, 2000-2003 р.р.), а також на 4-й Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці” (м. Львів, 2003р.)
Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 друкованих праць у тому числі: 4 статті у фахових наукових виданнях, 1 доповідь на Міжнародній науково-технічній конференції.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 117 найменувань та додатку. Загальний обсяг роботи складає 187 сторінок, у тому числі 121 сторінка основного тексту, 48 рисунків і 5 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність роботи, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дисертації, наведено відомості про апробацію та публікації.
У першому розділі розглянуті принципи побудови компенсаційних перетворювачів та методи дослідження електромагнітних процесів в цих пристроях енергетичної електроніки.
Компенсаційними називають перетворювачі, які за рахунок включення конденсаторів до контуру комутації здійснюють перетворення електричного струму з одночасним генеруванням реактивної потужності. Невід’ємним елементом таких перетворювачів є комутуюча ланка, яка складається з трифазної батареї конденсаторів, з’єднаної зіркою або трикутником, та комутатора, який є пристроєм, призначеним для забезпечення перезаряду конденсаторів струмами навантаження. Комутатор комутуючої ланки може бути пасивним, напівактивним та активним. Пасивним вважається комутатор, який виконує функції розподілу струму по фазах конденсаторної батареї без зміни її ємності. Пасивний комутатор не здійснює прямої регулюючої дії на режим перетворювання. Прикладом пасивного комутатора є трифазний зрівноважувальний реактор. Напівактивним комутатором є пристрій, котрий крім функцій розподілу струму по фазах конденсаторної батареї з метою її перезарядки, має можливість впливати на режим роботи перетворювача за рахунок зміни частки струму навантаження, який перезаряджає батарею конденсаторів. Прикладом напівактивного комутатора є трифазна ключова група, застосована в досліджуваному трифазному напівпровідниковому випрямлячі з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою (рис.1). Активний комутатор, виконуючи функції розподілу струму та перезаряду конденсаторної батареї, приймає участь у перетворенні електричного струму. Він являє собою вентильно-трансформаторний модуль. До перетворювачів з активним комутатором можна віднести всі схеми каскадних компенсаційних випрямлячів.
Дослідження електромагнітних процесів у компенсаційних випрямлячах почалося з миттєвої комутації, далі почали застосовувати лінійну та квадратичну апроксимацію струму комутації. Розвиток обчислювальної техніки дозволив здійснювати уточнений розрахунок струму комутації. Досліджені різні види комутації: проста комутації, накладання комутацій, подвійне накладання комутацій. Перелічені види комутації охоплюють можливі режими роботи компенсаційних перетворювачів з пасивним і активним комутатором. Що ж стосується компенсаційних перетворювачів з напівактивним комутатором, то комутаційні процеси в них мають більш складну фізичну природу. Їх багатоетапність не є наслідком накладання комутацій, а пов’язана зі зміною структури перетворювача за рахунок комутації ключів комутатора, тобто маємо двоступеневу багатоетапну комутацію.
Отже, незважаючи на великий обсяг досліджень електромагнітних процесів у компенсаційних перетворювачах, теорія комутаційних процесів у таких пристроях енергетичної електроніки потребує подальшого розвитку, оскільки вона є дослідженою тільки стосовно одноступеневої ємнісної комутації: її найпростішого випадку, накладання комутацій та подвійного накладання комутацій. Покращення масогабаритних характеристик компенсаційних перетворювачів, підвищення їх енергетичних показників та розширення можливостей щодо формування зовнішньої характеристики і досягнення прийнятного рівня електромагнітної сумісності з мережею живлення потребує розробки і дослідження перетворювачів з напівактивним комутатором. Трифазний напівпровідниковий випрямляч з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою є представником цього класу перетворювачів. Він перспективний для застосування як у нових електронних пристроях, так і в разі реконструкції існуючих.
У другому розділі наведені результати досліджень електромагнітних процесів у трифазному напівпровідниковому випрямлячі з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою у режимах, в яких кут комутації не перевищує та немає повторної роботи вентилів.
Наявність ключів у комутуючий ланці обумовлює особливості комутації вентилів досліджуваного перетворювача, а саме – залежно від кута керування ключами комутуючої ланки , існує шість варіантів комутації ключів комутуючої ланки відносно комутації вентилів перетворювача. Ці варіанти названі комутаційними ситуаціями. За непарних комутаційних ситуацій комутація вентилів відбувається впродовж роботи одного з ключів комутуючої ланки, а за парних комутаційних ситуацій впродовж комутації вентилів відбувається ще й комутація ключів. В цьому випадку комутація є двохетапною.
Дослідження електромагнітних процесів у досліджуваному перетворювачі дозволило отримати два універсальних рівняння струму комутації.
Перше рівняння характеризує закон зміни струму комутації за непарних комутаційних ситуацій та перших етапів комутації парних комутаційних ситуацій:
де:
Друге рівняння характеризує закон зміни струму комутації на другому етапі комутації парних комутаційних ситуацій:
де:
При аналізі електромагнітних процесів перетворювача у роботі застосована така система базисних величин: - базисний струм, - базисна напруга, - базисний індуктивний опір, - базисна кутова частота мережі живлення.
В рівняннях, наведених в роботі, застосовані такі позначення та співвідношення: - кут, що відміряється від моменту початку комутації з вентиля V1 на вентиль V3 і визначає наступний момент комутації ключів комутуючої ланки; - власна частота контуру комутації, - відносна частота контуру комутації, - приведена індуктивність розсіювання фазової обмотки трансформатора, - ємність фази конденсаторної батареї, - відносний індуктивний опір контуру комутації, - струм комутації у відносних одиницях, - відносне значення випрямленого струму перетворювача, - сталі коефіцієнти. Крім того, за прийнятої системи базисних величин:
Наведені результати досліджень отримані при розрахунках кутів комутації та регулювання за комутаційними співвідношеннями, які складені для кожної комутаційної ситуації окремо.
Перша комутаційна ситуація
Друга комутаційна ситуація
Третя комутаційна ситуація
Для визначення кутів регулювання та комутації за отриманими комутаційними співвідношеннями, що утворюють системи нелінійних рівнянь, застосовано метод Ньютона.
Дослідженнями встановлено, що при значному відхиленні наближених значень кутів регулювання та комутації метод Ньютона дає розв’язок, що не відповідає положенням для яких були складені комутаційні співвідношення для даної схеми. Так, наприклад, при значеннях , , в залежності від початкових значень кутів та метод Ньютона дає чотири різних розв’язки: перший - , другий - , третій - , четвертий - . З них тільки четвертий розв’язок відповідає реальним процесам в перетворювачі. Перший, другий та третій розв’язки відповідають режиму “повторної роботи вентилів”. Крім того для першого та другого розв’язків кут комутації , а рівняння, в роботі не описують процеси в перетворювачі за таких режимів.
Для подолання вищезгаданих проблем в роботі запропоновано вдосконалений алгоритм розрахунку кутів та , що базується на виборі їх початкових наближених значень з неперервних режимних характеристик та подальшого уточнення цих значень на кожній ітерації розрахунку. Режимні характеристики , та характеристика для значень та наведено на рис. 2.
Режимні характеристики доводять, що з точки зору генерації реактивної потужності найбільш вдалими є режими роботи, які відповідають першій, другій та третій комутаційним ситуаціям. Причому, за другої та третьої комутаційних ситуацій кут комутації може набувати значень, що наближаються до .
У третьому розділі наведені результати досліджень особливостей умов роботи обладнання трифазного напівпровідникового випрямляча з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою. Отримані рівняння напруги фаз конденсаторної батареї, зворотної напруги на вентилях та ключах комутуючої ланки, напруги на двофазному зрівноважувальному реакторі і випрямленої напруги по інтервалах постійності структури схеми за шести комутаційних ситуацій.
Досліджені умови переходу перетворювача в режим “повторної роботи вентилів”. Встановлено, що форма кривої напруги вентиля досліджуваного перетворювача (рис. 3) істотно змінюється при регулюванні кута керування ключами комутуючої ланки.
Він може переходити в режим “повторної роботи вентилів” не тільки при збільшенні чи , а й при регулюванні кута керування ключами комутуючої ланки за незмінних та .
В компенсаційних перетворювачах для визначення умов переходу в режим “повторної роботи вентилів” часто використовується той факт, що при збільшенні струму навантаження зростає і кут регулювання , тому існує критичне значення кута регулювання .
Для перетворювача, що досліджується, значення кута регулювання не може використовуватися для виявлення режиму “повторної роботи вентилів”, оскільки: по-перше кут змінюється при регулюванні ключів комутуючої ланки, по-друге напруга комутуючих конденсаторів змінюється за нелінійним законом і її форма також залежить від кута керування ключами комутуючої ланки , по-третє кут, через який закритий вентиль знову відкриється, може бути різним.
Отже, враховуючи складність процесів в перетворювачі, що досліджується, єдиним очевидним способом виявлення режиму “повторної роботи вентилів” є розрахунок рівнянь напруги на вентилі. Проте дослідженнями встановлено, що перетворювач переходить в зазначений режим в моменти, які співпадають з межами інтервалів постійності структури схеми, тому розрахунок напруги можна проводити лише на межах цих інтервалів, тобто в дев’яти точках за непарних комутаційних ситуацій і восьми точках за парних комутаційних ситуацій.
Зроблені дослідження дозволили отримати вирази для розрахунку середнього значення випрямленої напруги перетворювача для кожної комутаційної ситуації.
Перша комутаційна ситуація
Друга комутаційна ситуація
Третя комутаційна ситуація
Вирази для розрахунку середнього значення випрямленої напруги, рівняння струму комутації, комутаційні співвідношення та вдосконалений алгоритм розв’язку комутаційних співвідношень застосовано для побудови зовнішніх, регулювальних та енергетичних характеристик досліджуваного перетворювача. При побудові зазначених характеристик враховано межі можливого застосування теоретичних положень дисертаційної роботи. Тому характеристики досліджуваного перетворювача мають розриви в режимах, що відповідають “повторній роботі вентилів” чи значенням кута комутації більшим за.
На рис. 4 наведено зовнішні характеристики досліджуваного перетворювача та криві, що характеризують залежність кута зсуву між основними гармоніками вхідної напруги та струму перетворювача від величини відносного значення випрямленого струму , побудовані при значеннях відносної частоти контуру комутації та значеннях кута керування ключами комутуючої ланки .
В досліджуваному перетворювачі більшим значенням відносної частоти контуру комутації відповідають криві зовнішніх характеристик з меншою жорсткістю та меншою величиною максимального значення відносного випрямленого струму . В перетворювачі, що досліджується, можлива реалізація режимів, в яких відбувається стабілізація випрямленої напруги. Наприклад, на рис. 4 (г) коливання кривої середнього значення випрямленої напруги у відносних одиницях менше одного відсотка при зміні відносного випрямленого струму в діапазоні .
У четвертому розділі наведені результати моделювання режимів трифазного напівпровідникового випрямляча з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою на схемотехнічній та фізичній моделях.
Наведено огляд світового ринку приладів енергетичної електроніки, які можуть бути застосовані для технічної реалізації ключів комутуючої ланки досліджуваного перетворювача.
З метою оцінки точності схемотехнічного моделювання, виконане дослідження режимів простих шестипульсних перетворювачів. Порівняння результатів схемотехнічного моделювання з теоретичними розрахунками підтвердило їх високу точність, при цьому максимальне відхилення не перевищувало 2 %.
Схемотехнічне моделювання досліджуваного перетворювача виконано в двох режимах, які відповідають першій та третій комутаційним ситуаціям. Схемотехнічна модель досліджуваного перетворювача, з ключами комутуючої ланки реалізованими на IGBT, наведена на рис. 5. Результати моделювання режимів роботи досліджуваного перетворювача повністю підтвердили теоретичні положення дисертаційної роботи. Їх максимальне відхилення від розрахункових даних складає 4.13 % .
Фізичне моделювання, яке виконувалось за двох режимів, що відповідають другій та третій комутаційним ситуаціям, підтвердило працездатність досліджуваного перетворювача та відповідність форми струмів та напруг на його елементах теоретичним. Відхилення експериментальних даних від теоретичних виявилось більшим ніж при схемотехнічному моделюванні (в межах ), оскільки на фізичній моделі неможливо забезпечити прийняті у теоретичних дослідженнях допущення, що стосуються симетрії вхідної напруги та співвідношення між активним та реактивним опорами контуру комутації.
У додатку наведені матеріали впровадження результатів дисертації: довідка про використання результатів дисертаційної роботи в навчальному процесі НТУУ "КПІ" та КУЄТТ.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі подальший розвиток отримали базові положення теорії компенсаційних перетворювачів, призначених для енергоживлення постійним струмом технологічних споживачів. Отримані результати у сукупності є вагомим вкладом у розвиток теорії пристроїв енергетичної електроніки взагалі і компенсаційного типу зокрема та є основою створення перетворювачів з покращеними масогабаритними та енергетичними характеристиками.
1.
Аналіз стану проблеми дослідження електромагнітних процесів у пристроях енергетичної електроніки довів, що теорія комутаційних процесів у перетворювачах компенсаційного типу докладно розроблена для перетворювачів з пасивною та активною комутуючою ланкою. В той же час, перетворювачі з напівактивною (конденсаторно-ключовою) комутуючою ланкою досліджені мало.
2.
Дослідження особливостей комутаційних процесів у трифазному напівпровідниковому випрямлячі з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою, який є перетворювачем з напівактивним комутатором, довело, що комутаційні процеси в ньому мають складну фізичну природу і є двоступеневими і багатоетапними. Багатоетапність комутаційного процесу не є наслідком накладання комутацій, а обумовлена особливостями комутуючої ланки.
3.
Аналіз комутаційних процесів у досліджуваному перетворювачі дозволив отримати універсальні рівняння струму комутації, які узагальнюють дослідження режимів роботи перетворювача залежно від зміни структури схеми, що обумовлено алгоритмом комутації силових вентилів та ключів комутуючої ланки.
4.
Узагальнена методика досліджень дисертації дозволяє аналізувати роботу перетворювача у режимах, що відповідають шести різним комутаційним ситуаціям. Це дозволяє уніфікувати методику дослідження режимних, регулювальних, зовнішніх та енергетичних характеристик перетворювача.
5.
Дослідженнями встановлено, що чисельний розрахунок комутаційних співвідношень, залежно від початкових наближених значень кутів комутації та регулювання, може давати розв’язки, що не відповідають положенням для яких були складені комутаційні співвідношення. Тому в роботі розроблено алгоритм розрахунку кутів
та
, що базується на виборі їх початкових наближених значень з неперервних режимних характеристик та подальшого уточнення цих значень на кожній ітерації розрахунку.
6.
Доведено, що зміною кута керування ключами комутуючої ланки
у досліджуваному перетворювачі можна регулювати коефіцієнт потужності
і середнє значення випрямленої напруги
. Криві
та
близькі за формою і в режимах, що відповідають генерації реактивної потужності, діапазон їх регулювання приблизно однаковий. Крім того, в перетворювачі можлива реалізація режимів, в яких відбувається стабілізація випрямленої напруги.
7.
Для компенсаційного перетворювача, реалізованого на базі теоретичних положень дисертаційної роботи, досліджені особливості умов роботи основного обладнання за шести комутаційних ситуацій. Перетворювач має покращені масогабаритні та регулювальні характеристики порівняно з подібними перетворювачами з пасивною комутуючою ланкою. У ньому, в разі необхідності, можна забезпечити режими роботи з генерацією реактивної потужності, компенсований режим, режим зі зменшеним коефіцієнтом гармонік у вхідному струмі.
8.
Розроблена схемотехнічна модель досліджуваного перетворювача. Доведена висока точність схемотехнічного моделювання, розбіжність між результатами аналітичного дослідження та дослідження на моделі у найбільш складних режимах роботи не перевищує 5%.
9.
Результати досліджень застосовуються в навчальному процесі у вищих закладах освіти, а також рекомендуються для використання науковими і промисловими організаціями, які працюють над проблемами якості електропостачання, оптимізації режимів роботи електричних мереж з потужними перетворювальними пристроями і займаються розробкою пристроїв енергетичної електроніки.
10.
Вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена розробкою обґрунтованих математичних і схемотехнічних моделей та експериментальними дослідженнями на фізичній моделі і узгодженням отриманих результатів з висновками інших авторів.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Бойко В.С., Потяженко И.А., Сотник Н.И., Шуляк С.А., Бойко В.В. Сложная коммутация в компенсационных преобразовательных системах // Техн. электродинамика.— 2001.— N2.— С.30-35.
Здобувачем застосовано метод припасовування при визначенні сталих інтегрування.
2. Бойко В.С., Шуляк С.А. Трифазний напівпровідниковий випрямляч з тиристорно-конденсаторною комутуючою ланкою // Техн. електродинаміка. - 2002.- N3. - С. 23-27.
Здобувачем виведені універсальні рівняння струму комутації для режиму двоступеневої двохетапної комутації.
3. Бойко В.С., Шуляк С.А., Юрченко М.М. Регулювальна та зовнішя характеристики трифазного напівпровідникового випрямляча з тиристорно-конденсаторною комутуючою ланкою // Техн. електродинаміка. - 2003.- N2. - С. 22-28.
Здобувачем виконано теоретичні дослідження стосовно регулювальних і зовнішніх характеристик та отримана вдосконалена методика розв’язку комутаційних співвідношень.
4. Бойко В.С., Юрченко М.М., Сотник М.І., Шуляк С.А. Схемотехнічне моделювання компенсаційної перетворювальної системи // Вісник Нац. ун-ту “Львівська політехніка”: Зб. наук. пр. “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. –Львів, 2003. – № 485. – С.187-193.
Здобувачем створена схемотехнічна модель компенсаційного перетворювача та досліджена третя комутаційна ситуація.
5. Шуляк С.А. Особливості режимів роботи трифазного напівпровідникового випрямляча з тиристорно-конденсаторною комутуючою ланкою // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. – 2003. – №1(4). – С. 44-54.
АНОТАЦІЯ
Шуляк С.А. Трифазний напівпровідниковий випрямляч з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2004.
Дисертація присвячена проблемі підвищення якості електропостачання технологічних споживачів засобами енергетичної електроніки з наголосом на компенсацію реактивної потужності.
Досліджено електромагнітні процеси у трифазному напівпровідниковому випрямлячі з конденсаторно-ключовою комутуючою ланкою. Наведено режимні, регулювальні, зовнішні та енергетичні характеристики цього перетворювача. Досліджено особливості умов роботи обладнання.
Виконано математичне, схемотехнічне та фізичне моделювання режимів досліджуваного перетворювача.
Ключові слова: перетворювач, реактивна потужність, компенсація, комутація, моделювання, режим.
ABSTRACT
Shuljak S.A Three-phase semiconductor rectifier with a switch-capacitor commutative circuit. – Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.09.12 – semiconductor converters of the electric energy. – National technical university of Ukraine “Kyiv polytechnic institute”, Kyiv, 2004.
The dissertation is devoted to a problem of rising power supply quality by means of power electronic facilities with accent on reactive power compensation.
Electromagnetic processes in three-phase semiconductor rectifier with a switch-capacitor commutative circuit have been analyzed. Mode, control, external and power characteristics of this converter are obtained. The special features of equipment operation conditions are investigated.
The mathematics, physics modeling and circuit simulation for searching converter have been done.
Key words: converter, reactive power, compensation, commutation, simulation, mode.
АННОТАЦИЯ
Шуляк С.А. Трехфазный полупроводниковый выпрямитель с конденсаторно-ключевым коммутирующим звеном. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2004.
Диссертация посвящена проблеме повышения качества электроснабжения технологических потребителей средствами энергетической электроники с акцентом на компенсацию реактивной мощности.
В работе получили дальнейшее развитие базовые положения теории компенсационных преобразователей. Предметом исследований является трехфазный полупроводниковый выпрямитель с конденсаторно-ключевым коммутирующим звеном. Наличие ключевых элементов в коммутирующем звене улучшает массогабаритные показатели и расширяет возможности по формированию внешних и регулировочных характеристик компенсационных преобразователей.
Сопоставление различных методов анализа электромагнитных процессов в компенсационных преобразователях позволило сделать вывод, что ранее исследованные виды коммутации, а именно: простая коммутация, наложение коммутаций и двойное наложение коммутаций, не охватывают режимы роботы исследуемого преобразователя. Электромагнитные процессы в компенсационных преобразователях с конденсаторно-ключевым коммутирующим звеном имеют более сложную физическую природу. Их многоэтапность не является следствием наложения коммутаций, а связана со сменой структуры преобразователя за счет коммутации ключей коммутатора, то есть, коммутация является двухступенчатой многоэтапной.
В результате анализа электромагнитных процессов получены универсальные уравнения тока коммутации. Выведены коммутационные соотношения для расчета углов коммутации и регулирования. Исследованиями доказано, что в зависимости от начальных приближенных значений углов коммутации и регулирования численное решение коммутационных соотношений может давать решения, которые не удовлетворяют положениям, для которых выведены уравнения роботы. Поэтому, в диссертации разработан алгоритм расчета углов коммутации и регулирования, который базируется на обоснованном выборе их начальных приближенных значений из неразрывных режимных характеристик и дальнейшего уточнения этих значений на каждой итерации расчета.
Установлено, что в исследуемом преобразователе величины углов коммутации и регулирования существенно изменяются в зависимости от значения угла управления ключами коммутирующего звена.
Исследованы особенности условий роботы оборудования преобразователя. Получены уравнения для расчета напряжения на конденсаторах, обратного напряжения на вентилях и ключах коммутирующего звена, напряжения на двухфазном уравнительном реакторе, выпрямленного напряжения по интервалам постоянства структуры схемы. Определены условия перехода исследуемого преобразователя в режим “повторной работы вентилей”. Преобразователь переходит в этот режим в моменты, которые совпадают с границами интервалов постоянства структуры схемы.
Выведены уравнения для расчета среднего значения выпрямленного напряжения в относительных единицах измерения. Получены внешние, регулировочные, режимные и энергетические характеристики исследуемого преобразователя.
Доказано, что изменением угла управления ключами коммутирующего звена в исследуемом преобразователе можно регулировать коэффициент мощности и среднее значение выпрямленного напряжения. Кривые, характеризующие зависимость коэффициента мощности и среднего значения выпрямленного напряжения в относительных единицах от величины угла управления ключами коммутатора близки по форме и в режимах, которые соответствуют генерации реактивной мощности диапазон из регулирования приблизительно одинаковый. Кроме того, в преобразователе возможна реализация режимов, в которых осуществляется стабилизация выпрямленного напряжения.
Для подтверждения теоретических положений диссертационной работы приведены результаты схемотехнического и физического моделирования режимов исследуемого преобразователя.
Схемотехническое моделирование выполнено в двух режимах. Для реализации коммутирующего звена схемотехнической модели при моделировании первого режима использованы обычные тиристоры, а для второго режима – IGBT. Результаты схемотехнического моделирования полностью подтвердили теоретические положения диссертационной работы, их отклонение от расчетных данных не превысило .
Физическое моделирование, которое также выполнялось в двух режимах, подтвердило работоспособность исследуемого преобразователя и соответствие форм кривых на его элементах расчетным.
Ключевые слова: преобразователь, реактивная мощность, компенсация, коммутация, моделирование, режим.
