НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

„ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

На правах рукопису

Сафронов Павло Сергійович

УДК 621.314.63

ПОКРАЩЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ СУМІСНОСТІ

НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З МЕРЕЖЕЮ

ЗА ДОПОМОГОЮ МІЖФАЗНОГО ЕНЕРГООБМІНУ

Спеціальність 05.09.12 – напівпровідникові

перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі електронних систем Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти та науки України, м. Алчевськ.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

Паеранд Юрій Едуардович,

Донбаський державний технічний уні-вер-ситет,

завідувач кафедри електронних систем

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Денисюк Сергій Петрович,

Інститут електродинаміки Національної академії наук України,

провідний науковий співробітник відділу моделювання електроенергетичних об’єктів, м. Київ

кандидат технічних наук, доцент

Ластовка Олександр Петрович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

доцент кафедри промислової та біомедичної електроніки, м. Харків

Провідна установа | Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

кафедра промислової електроніки

Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “6” квітня 2006 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м. Харків, вул.. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “4” березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Осичев О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напівпровідникові перетворювачі електроенергії за принципом своєї дії споживають електроенергію на основній частоті напруги мережі живлення та генерують її в мережу у вигляді вищих гармонік струму, що призводить до спотворення напруги. Отже, з ростом кількості електроенергії, параметри якої перетворюються за допомогою напівпровідникових перетворювачів зростає, актуальність поліпшення електромагнітної сумісності цих перетворювачів з мережею живлення.

Викривлення форми кривої напруги живлення є слідством несинусоїдальності струмів, що споживаються. Проблема генерування вищих гармонік перетворювачами має суттєве техніко-економічне значення при порівняній з мережею живлення потужністю електроустановки або сумарній потужності декількох силових перетворювачів електроенергії. Найбільш негативного впливу на електрообладнання завдають вищі гармоніки низьких порядків (третя, п’ята, сьома). Гармонічні складові більш високих порядків теж негативно впливають на різні види обладнання, що потрібно враховувати при забезпеченні можливості роботи електроустановок без завад та пошкоджень.

В енергетичному обладнанні, трансформаторах, реакторах небезпеку являє ефект підвищеного нагріву за рахунок впливу вищих гармонік. З ростом частоти та перетину проводів збільшуються втрати, обумовлені скін-ефектом, великих значень набувають втрати в сталі трансформаторів та електричних машин. Крім того, вищі гармоніки викликають збої у роботі цифрових систем обробки та передачі інформації, призводять до помилкової роботи контрольно-вимірювальної апаратури.

Отже, все вищезазначене підкреслює суттєвість та актуальність проблеми підвищення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів електроенергії, які є найбільшим джерелом спотворення напруги у мережі живлення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослідження за темою дисертаційної роботи проводилися в рамках комплексної міжвузівської програми МОН України „Розробка, створення та забезпечення постійної експлуатації мережі лазерно-локаційних станцій спостережень штучних супутників Землі на території України для вирішення завдань з геофізики, геодезії, картографії, навігації, геології, екології та метеорології”(ДР № UA02000468Р, шифр 09.04-МВ/03-92). У програмі здобувач брав участь у якості виконавця.

Мета і задачі дослідження

Метою дослідження є покращення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів за допомогою введення у силові схеми перетворювачів керованого електромагнітного зв’язку між фазами та формування відповідних алгоритмів керування цим зв’язком.

Для досягнення цієї мети в роботі розв’язані такі задачі:–

розробка та дослідження нових силових схем багатопульсних перетворювачів з покращеною електромагнітною сумісністю;–

розробка та дослідження силових напівпровідникових перетворювачів з підвищеним коефіцієнтом потужності;–

розробка алгоритмів перемикання вентилів силових перетворювачів, які забезпечують найкращу електромагнітну сумісність напівпровідних перетворювачів з мережею;–

виявлення параметрів міжфазних трансформаторів, які забезпечують роботу багатопульсних напівпровідникових перетворювачів в режимах споживання струмів, форма яких наближається до синусоїдальної;–

розробка математичних моделей напівпровідникових перетворювачів з міжфазним енергообміном, які дозволяють забезпечити вибір оптимальних параметрів міжфазних трансформаторів багатопульсних напівпровідникових перетворювачів;–

розробка математичних моделей, які забезпечують оцінювання впливу параметрів навантаження на енергетичні характеристики багатопульсних перетворювачів з керованим трансформаторним зв’язком.

Об’єктом дослідження є напівпровідникові перетворювачі з керованим обміном електроенергії між фазами.

Предметом дослідження є електромагнітні процеси у напівпровідникових перетворювачах з трансформаторним зв’язком між фазами та електромагнітна сумісність цих перетворювачів з мережею живлення.

Методи дослідження. Теоретичні розробки у дисертації виконані на базі фундаментальних положень теорії електричних та електронних кіл. При дослідженні запропонованих перетворювачів використані методи чисельного розв’язання систем алгебраїчних комплексних рівнянь, методи математичного та фізичного моделювання, спектральний метод.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:–

запропоновані нові схеми напівпровідникових перетворювачів з поліпшеною електромагнітною сумісністю;–

вперше виконано аналіз сумісної роботи напівпровідникових перетворювачів з міжфазним енергообміном за умов повної компенсації реактивних складових вхідного струму;–

визначено нові фактори впливу параметрів міжфазних трансформаторів на форму вхідного струму багатопульсних перетворювачів;–

отримані нові залежності коефіцієнту гармонік вхідного струму від параметрів навантаження багатопульсних перетворювачів з керованим трансформаторним зв’язком між фазами;–

вперше побудовані математичні моделі перетворювачів з керованим трансформаторним зв’язком, які дозволяють проводити оцінку впливу параметрів перетворювача на його електромагнітну сумісність з мережею;–

встановлені раніше невідомі співвідношення додаткових втрат електроенергії, які обумовлені вищими гармонічними складовими вхідних струмів багатопульсних перетворювачів;–

отримали подальший розвиток дослідження електромагнітної сумісності перетворювачів з міжфазним енергообміном.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, знайшли практичне застосування в проектній документації на розробку силових напівпровідникових перетворювачів Спільного підприємства ТОВ „Інвертор” (м. Алчевськ) при проектуванні силового напіпровідникового перетворювача, що входить до складу приводу постійного струму прокатного стану ПС 1000х750. Перетворювач було впроваджено за договором №0504 від 12.07.2004 на ТОВ “Інтермет” (м. Стаханов). Використання результатів дисертаційної роботи дало змогу підвищити коефіцієнт потужності перетворювача змінної напруги у постійну на 7% у номінальному режимі та поліпшити спектральний склад вхідних струмів шляхом усунення 3, 5, 7 та 9 гармонік.

Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі електронних систем Донбаського державного технічного університету при вивченні курсу „Електронні перетворювальні системи”.

Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, що виносяться на захист:–

розробка та дослідження багатопульсних схем перетворювачів з керованим міжфазним енегрообміном;–

розробка та дослідження компенсованого багатопульсного перетворювача з підвищеним коефіцієнтом потужності;–

побудова математичних моделей багатопульсних перетворювачів з керованим трансформаторним зв’язком;–

запропонований принцип побудови систем керування багатопульсними перетворювачами;–

виявлення залежностей коефіцієнта гармонік вхідного струму від параметрів міжфазного трансформатора;–

виявлення впливу параметрів навантаження на енергетичні характеристики перетворювачів з керованим трансформаторним зв’язком між фазами.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції „Автоматика – 99” (м. Харків, 1999 р.), Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми сучасної електротехніки” (м. Київ, 2000, 2002 рр.), Міжнародній науково-технічній конференції „Сучасна електроніка та енергоефективність”(м. Алушта, 2001, 2005 рр.), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу науковців і аспірантів ДГМІ (м. Алчевськ, 2000 – 2004 рр.).

Публікації. За основними результати дисертації опубліковано 8 праць, з них 6 у фахових виданнях ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків та 2 додатків. Повний обсяг дисертації складає 155 сторінок, з них 65 ілюстрацій по тексту, 10 ілюстрацій на 3 сторінках; 5 таблиць по тексту, 2 додатки на 2 сторінках, 97 найменувань викоростаних літературних джерел на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність і доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, наведені дані про зв’язок роботи з науковими програмами, викладені наукова новизна, практичне значення результатів дисертаційних досліджень, наведені дані про апробацію та публікації.

У першому розділі розглянуті способи покращення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів з мережею живлення.

Мінімізацію рівнів вищих гармонік струму, що генеруються окремим напівпровідниковим перетворювачем, можливо здійснити декількома способами.

Встановлення пасивних протизавадних фільтрів (ППЗФ) є одним з ефективних способів зменшення несинусоїдальності напруги мережі живлення при роботі потужних перетворювальних пристроїв. Найбільшого розповсюдження набули силові резонансні фільтри, які складаються з реакторів та конденсаторів, параметри яких добираються так, щоб для обраних частот мав місце резонанс напруг. Резонансний контур, таким чином, генерує на основній частоті реактивну потужність, що дозволяє поліпшити коефіцієнт потужності, та частково шунтує вищі гармоніки, на частоту яких він налагоджений. Але недопустимих значень може набувати цілий ряд вищих гармонік, тому необхідно застосовувати декілька резонансних контурів, налагоджених на різні частоти. При великій кількості таких контурів коефіцієнт гармонік напруги в місці підключення фільтра може не тільки не зменшитися, а й значно підвищитися. Неефективність використання ППФ обумовлена також значним збільшенням маси і габаритів через вимоги до основних параметрів зосереджених LC-кіл.

З метою поліпшення якості електроенергії та компенсації гармонік струму в мережах електроживлення використовуються силові активні фільтри (САФ) з ключовим режимом роботи активних елементів та гібридні фільтри (ГФ). Принцип дії таких пристроїв заключається в тому, що напівпровідниковий перетворювач формує у свої фазах струм, що за гармонічним складом є аналогічним струму навантаження (окрім першої гармоніки), але протилежний за знаком. В результаті відбувається взаємокомпенсація спотворюючих гармонік струмів напівпровідникового перетворювача. Через складну побудову, обумовлену використанням трифазних інверторів, САФ мають обмеження у використанні за потужністю споживача. Також до недоліків САФ можно віднести складність системи керування та інерційність при компенсації.

При використанні безперервного режиму роботи активних елементів буде відсутня генерація власних гармонік на частоті перемикання. Але найбільш суттєвий недолік, що витікає з безперервного режиму роботи активних елементів, є низький к.к.д.

Крім того, САФ та ГФ являють собою додаткове обладнання з додатковими втратами електроенергії та експлуатаційними видатками, тому використання цих пристроїв у ряді випадків може бути збитковим.

Використання широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) та енергонакопичиючих елементів на вході і виході напівпровідникових перетворювачів дозволяє формувати криву вхідного струму близьку до синусоїдальної. Але для перетворювачів з поліпшеною ЕМС за рахунок ШІМ властива м’яка зовнішня характеристика у режимі підвищення напруги через наявність ємнісного вихідного фільтру. Крім того, низький коефіцієнт гармонік (близько 5%) перетворювачі з ШІМ підтримують тільки в номінальних режимах. При глибокому регулюванні якість вхідних струмів цих перетворювачів різко знижується.

Використання багатопульсних схем перетворення електроенергії дозволяє суттєво знизити генерацію вищих гармонік до мережі живлення. Багатопульсні перетворювачі можуть працювати без елементів, що накопичують енергію, і за рахунок цього мають жорстку зовнішню характеристику. Реактивні складові вхідних струмів, що з’являються при фазовому регулюванні вхідних струмів можуть бути компенсовані при з’єднанні перетворювачів паралельно за входом та паралельно чи послідовно за виходом. При цьому перетворювачі керуються за законом:

(1)

де б1, б2 – кути керування перетворювачами, які з’єднані паралельно.

У другому розділі розглянуто регулювання випрямленої та змінної напруги за допомогою міжфазного енергообміну. Розглянутий принцип формування напівпровідниковими перетворювачами спотворюючих гармонік. Не існує такого режиму роботи ключа, коли струм та напруга ключа містять тільки основну гармоніку або основну гармоніку та постійну складову. Тому у випадках, коли ключі є основними перетворювальними елементами, генерування спотворюючих гармонік є неминучим. У ключових колах перетворення з ненульовими повними потужностями поліпшення електромагнітної сумісності зводиться до зменшення спотворень струму та напруги ключа до можливої або доцільної межі.

У дисертації проаналізована можливість регулювання абсолютно згладженої випрямленої напруги та трифазної напруги в навантаженні при споживанні синусоїдальних струмів з мережі та за відсутності елементів, що накопичують енергію.

На рис. 1 наведено схему ідеального перетворювача трифазної змінної напруги у постійну. Схема працює за умов, що кількість витків вторинних обмоток міжфазного трансформатора, який складається з трьох однофазних трансформаторів, може змінюватися вільно у часі. Під негативною кількістю витків мається на увазі зміна полярності підключення обмотки. Якщо припустити, що кількість витків первинних обмоток однакова, то вихідна напруга буде дорівнювати

(2)

де w1 – кількість витків первинних обмоток.

Для отримання абсолютно згладженої випрямленої напруги за умов симетричної системи вхідних струмів числа витків вторинних обмоток повинні змінюватися пропорційно первинним струмам відповідних фаз

, (3)

де б – кут зсуву фази струми відносно напруги мережі живлення.

Через рівність м.д.с. первинних та вторинних обмоток

;; (4)

Вираз для випрямленої напруги

(5)

показує, що при відповідній зміні кількості витків вторинних обмоток можливе регулювання напруги навантаження при зміні кута б.

Активна потужність кожної фази становить одну третину сумарної вихідної потужності. Миттєві фазні потужності змінюються періодично у широких межах. При цьому у загальному випадку фазні потужності змінюють знак, що свідчить про зміну направлення передачі енергії через обмотки міжфазного трансформатора. Якщо дві вторинні обмотки генерують більше енергії, ніж споживаються у навантаженні, то енергетична рівновага досягається за рахунок того, що третя вторинна обмотка споживає зайву енергію та передає її назад в джерело живлення. Таким чином, керування обміном енергії між фазами дозволяє регулювати абсолютну згладжену напругу у навантаженні при споживанні перетворювачем симетричних синусоїдальних струмів.

У роботі показано, що аналогічним чином може бути здійснене регулювання трифазної напруги. На рис. 2 наведена схема ідеального регулятора змінної напруги. Всі обмотки міжфазного трансформатору зчеплені одним магнітним потоком.

(6)

Міжфазний трансформатор не накопичує енергію

(7)

У відповідності до виразу (7) та першого закону Кирхгофа

(8)

. (9)

Вирази (8) та (9) показують, що зміна міжфазних коефіцієнтів трансформації дозволяє змінювати співвідношення струмів та напруг у регуляторі.

В дисертації показано, що одночасна зміна полярності підключення обмоток міжфазного трансформатора дозволяє реверсувати магнітний потік без впливу на вихідну напругу та вхідні струми. Підвищена частота магнітного потоку дозволяє зменшити масогабарітні показники міжфазного трансформатора.

Для отримання трифазної симетричної системи синусоїдальних струмів співвідношення (3) повинно задовольнятися у кожний момент часу. Це потребує плавної зміни коефіцієнтів міжфазної трансформації. На практиці можлива лише дискретна зміна кількості витків (коефіцієнтів трансформації), що робить неможливим повне усунення спотворюючих гармонік. Але відповідне регулювання міжфазним енергообміном дозволяє формувати квазісинусоїдальні криві вхідних струмів. Наближення форми вхідного струму до синусоїди буде залежати від кількості ступенів регулювання.

Третій розділ присвячено побудові та дослідженню напівпровідникових перетворювачів електроенергії з поліпшеною ЕМС.

У роботі запропонована схема дванадцятипульсного перетворювача з двома магнітними потоками, яка наведена на рис. 4.

Перетворювач має спрощений міжфазний трансформатор, який складається з двох однофазних трансформаторів. Кількість витків первинних обмоток є однаковою. Кількість витків вторинних обмоток обирається з умов забезпечення максимального наближення кривої вхідного струму до синусоїди. Одночасно в роботі знаходяться три двонаправлені електронні ключі відповідно до алгоритму переключення, наведеному у таблиці 1. Інтервали провідності ключів кратні часу відповідному 30 ел. град. Алгоритм керування силовими електронними ключами забезпечує частоту магнітного потоку міжфазного трансформатору в три рази вище, ніж частота мережі живлення, що позитивно відображається на масогабаритних показниках перетворювача. Міжфазний трансформатор, крім ділення вхідних струмів, виконує функцію узгодження вихідної напруги та напруги джерела живлення.

З метою спрощення вентильного комутатору розроблена схема дванадцятипульсного перетворювача з трьома магнітними потоками, що зв’язують фази, яка наведена на рис. 5.

Таблиця 1. Алгоритм роботи перетворювача з двома магнітними потоками

Номер інтервалу роботу схеми | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12

Номера силових вентилів, що знаходяться у відкритому стані | 3 | 2 | 1 | 1 | 2 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 | 2 | 3

4 | 4 | 5 | 6 | 6 | 5 | 4 | 4 | 5 | 6 | 6 | 5

8 | 9 | 9 | 8 | 7 | 7 | 8 | 9 | 9 | 8 | 7 | 7

Між-фазний тра-нс-форматор складається з трьох однофазних трансформаторів з додаткови-ми сек-ціями вторин-них обмоток. Електрон-ні клю-чі вентильного комутатору є напів-керовани-ми. У кожний момент часу у відкритому стані знаходиться один на-пів-ке-ро-ва-ний однонаправлений елек-трон-ний ключ від-повідно до алгоритму, наведеному у таблиці 2. Інтервал провідності одно-го вентиля становить час відпо-відний 30 ел. град.

У роботі проведено пошук оптимальної форми вхідного струму запронованих перетворювачів. У якості критерію оптимальності було прийнято вираз

, (10)

де А – амплітуда ступеню вхідного струму;

б – початковий кут ступеню;

в – кінцевий кут ступеню.

Таблиця 2. Алгоритм роботи перетворювача з трьома магнітними потоками

Номер інтервалу роботи схеми | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12

Номер силового вентиля, що знаходиться у відкритому стані | 3 | 10 | 12 | 5 | 7 | 2 | 4 | 9 | 11 | 6 | 8 | 1

Відносне значення оптимального ступеню струму

, (11)

де Ам – амплітуда максимального ступеню струму.

Проведені теоретичні дослідження перетворювачів з міжфазним енергообміном дозволили отримати аналітичні вирази вхідного струму при активному навантаженні для схем з довільною пульсністю

(12)

де nI – номер ступеню струму на першій чверті періоду;

nII – номер ступеню струму на другій чверті періоду.

При активному навантаженні спектральний склад вхідного струму змінюється в залежності від кута керування. Залежність коефіцієнту гармонік вхідного струму наведена на рис. 6.

При активно-індуктивному навантаженні (випадок повного згладження струму навантаження) вхідний струм описується виразом (13). Дослідження довели незмінність форми вхідного струму перетворювачів при активно-індуктивному навантаженні (). Отже, спектральний склад вхідного струму залишається незмінним на повному інтервалі регулювання вихідної напруги.

(13)

Запропоновані перетворювачі можуть працювати як з позитивними, так і з негативними кутами керування. При цьому вхідні струми будуть мати активно-індуктивний та активно-ємнісний характер. Використовуючи принцип компенсації реактивних складових вхідного струму побудовано компенсований багатопульсний перетворювач, функціональна схема якого наведена на рис 7. Перетворювачі змінної напруги (ПЗН1, ПЗН2) керуються однаковими за модулем та протилежними за знаком кутами керування. Вихідна напруга ПЗН1 та ПЗН2 сумується за допомогою некерованих випрямлячів. Залежність коефіцієнту гармонік вхідного струму компенсованого перетворювача від кута керування наведена на рис. 8.

У роботі запропоновано принцип послідовного зсуву фази СІФУ, при якому пристрій зсуву фази розбивається на окремі ланки, кожна з котрих зсуває фазу імпульсу керування на рівні інтервали. Це дозволило отримати одноканальну СІФУ з глибоким регулюванням та високою симетрією імпульсів керування.

Четвертий розділ присвячено математичному та фізичному моделюванню процесів у перетворювачах з міжфазним енергобміном.

У роботі побудована структурна модель перетворювача з двома магнітними потоками (див. рис. 9), у якій враховано параметри міжфазного трансформатора. В якості моделей двонаправлених ключів було використано S-моделі. Для опису стану силових ключів використовувалися комутаційні функції, відповідно до алгоритму перемикання, наведеному в таблиці 1. Модель міжфазного трансформатора являє собою магнітозв’язані індуктивності, що дозволяє уникнути наявності гальванічного зв’язку в класичних Т-подібній та Г-подібній моделях. Математичний опис моделі зроблено з використанням законів Кирхгофу

В результаті математичного моделювання були одержані залежності коефіцієнта гармонік вхідного струму, додаткового кута зсуву фази струму, вихідної напруги від параметрів міжфазного трансформатора. Моделювання дозволило виявити енергетичні характеристики перетворювача при різноманітних параметрах навантаження.

У роботі за допомогою структурної моделі виявлені області оптимальних значень параметрів міжфазного трансформатора, які забезпечують найкращу ЕМС перетворювача з мережею живлення. Виявлено вплив індуктивностей обмоток міжфазного трансформатора та коефіцієнту зв’язку між ними на форму кривої та фазу вхідного струму. Проаналізовані регулювальні та зовнішні характеристики при варіації параметрів перетворювача.

Для моделювання процесів у вхідних та вихідних колах перетворювачів з міжфазними енергобміном була побудована макромодель багатопульсних перетворювачів з довільною пульсністю, яка наведена на рис. 12. Вхідні струми моделюються за допомогою залежних джерел струму, а вихідна напруга – за допомогою залежного джерела е.р.с. Розроблена модель дозволяє досліджувати ЕМС багатопульсних перетворювачів з різноманітними видами міжфазних трансформаторів. Крім того, в моделі можуть бути враховані параметри реального міжфазного трансформатора та навантаження.

У роботі зроблена оцінка додаткових втрат енергії, що викликаються вищими гармоніками та розроблена методика уточненого розрахунку к.к.д. багатопульсних перетворювачів. Відносні додаткові втрати

(15)

Відносні активні опори вищим гармонікам у проводах з урахуванням скін-ефекту

(16)

(17)

Втрати в сталі складаються з втрат на перемагнічування та вихрові струми. На частотах до 20 кГц переважають втрати на перемагнічування, які є пропорційними частоті магнітного потоку

Втрати в сталі на перемагнічування

(18)

Еквівалентні відносні опори фаз трансформатора

(19)

Додаткові втрати від вищих гармонік можуть складати до 97% від втрат на основній частоті, що необхідно враховувати при оцінюванні к.к.д. перетворювачів, до складу яких входять трансформатори.

Дослідження фізичної моделі перетворювача підтвердили правильність знайдених аналітичних виразів та адекватність математичної моделі. Неспівпадіння результатів фізичного моделювання, аналітичних виразів та результатів математичного моделювання не перевищує 4,8%.

ВИСНОВКИ

Проведені дослідження представляють собою рішення комплексу задач, які мають наукове та практичне значення для покращення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів з мережею живлення. Проведені дослідження дозволили досягнути мети дисертаційної роботи та вирішити всі поставлені задачі.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи:

1. Запропоновано та досліджено новий багатопульсний перетворювач з двома магнітними потоками, відмінними рисами якого є спрощена структура міжфазного трансформатора, можливість узгодження рівнів вхідної та вихідної напруги за допомогою міжфазного трансформатора, підвищена частота магнітного потоку та, як наслідок, знижені масогабаритні показники. Теоретичні дослідження форми вхідного струму перетворювача підтверджені на експериментальному макеті.

2. Запропоновано та досліджено новий багатопульсний перетворювач з трьома магнітними потоками. Відмінними рисами цього перетворювача є уніфікованість параметрів ключів вентильного комутатора, спрощений алгоритм перемикання силових вентилів та можливість використання міжфазного трансформатора для узгодження рівнів напруги живлення та напруги навантаження.

3. Запропоновано алгоритми перемикання вентилів багатопульних перетворювачів з двома та трьома магнітними потоками, при яких перетворювачі споживать струми, наближені за формою до синусоїдальної.

4. Запропоновано та досліджено компенсований перетворювач напруги, коефіцієнт потужності якого за рахунок покращення форми вхідного струму та виключення реактивної складової з вхідного струму не нижче 0,98 в широкому діапазоні регулювання вихідної напруги.

5. Визначені оптимальні відношення чисел витків обмоток міжфазних трансформаторів багатопульсних перетворювачів напруги, при яких форма вхідного струму є максимально наближеною до синусоїдальної.

6. Запропоновано принцип побудови систем керування багатопульсними перетворювачами, який дозволяє мінімізувати асиметрію імпульсів керування та, тим самим, підвищити симетрії струмів, що споживаються перетворювачем з мережі живлення.

7. Розроблена структурна модель перетворювача з двома магнітними потоками, в результаті дослідження якої визначені залежності коефіцієнта гармонік вхідного струму від параметрів перетворювача. За допомогою запропонованої моделі отримані залежності, які визначають область оптимальних значень параметрів міжфазного трансформатора та оцінюють вплив параметрів навантаження на енергетичні характеристики перетворювача.

8. Розроблена макромодель баготопульсних перетворювачів, що дозволяє дослідити енергетичні характеристики перетворювачів з різноманітними видами міжфазних трансформаторів та пульсністю схеми 4?n (n = 1,2,3,…).

9. Використання результатів дисертаційної роботи в проектній документації на розробку силових напівпровідникових перетворювачів Спільного підприємства ТОВ „Інвертор” (м. Алчевськ) при проектуванні силового напіпровідникового перетворювача, що входить до складу приводу постійного струму прокатного стану ПС 1000х750, дало змогу підвищити коефіцієнт потужності перетворювача змінної напруги у постійну на 7% у номінальному режимі та поліпшити спектральний склад вхідних струмів шляхом усунення 3, 5, 7 та 9 гармонік.

10. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі електронних систем Донбаського державного технічного університету при вивченні курсу „Електронні перетворювальні системи”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сафронов П.С., Анищенко А.И., Паэранд Ю.Э. Регулирование напряжения с управляемым межфазным энергообменом // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ. – 1999. – Вып 71. – С. 109–114.

Здобувачу належіть визначення умов наближення до синусоїдальної форми вхідних струмів напівпровідникових перетворювачів з трансформаторним зв’язком між фазами.

2. Сафронов П.С., Анищенко А.И., Паэранд Ю.Э. Преобразователи напряжения с улучшенными энергетическими показателями. // Технічна електродинаміка. – К., 2000. – Тем. вип., ч. 5. – С. 40-45.

Здобувачу належить аналіз сумісної роботи перетворювачів з позитивними та негативними кутами керування та одержані залежності коефіцієнта гармонік вхідного струму та коефіцієнта потужності при регулюванні напруги на навантаженні.

3. Сафронов П.С. Система импульсно-фазового управления многоимпульсными выпрямителями с широким диапазоном регулирования // Технічна електродинаміка – К., 2000. – №5. – С. 29-32.

4. Сафронов П.С., Паэранд Ю.Э Влияние параметров межфазного трансформатора и сопротивления нагрузки на энергетические характеристики многопульсных преобразователей напряжения // Технічна електродинаміка. – К., 2001. – Тем. вип., ч. 1. – С. 17-22.

Здобувачу належіть запропонований перетворювач з двома магнітними потоками, що зв’язують фази перетворювача, математична модель запропонованого перетворювача, аналітичні вирази, які відображають залежність форми вхідних струмів перетворювача від параметрів міжфазного трансформатора та навантаження, графічні залежності коефіцієнта гармонік, додаткового кута зсуву фази від параметрів міжфазного трансформатора та навантаження.

5. Сафронов П.С., Паэранд Ю.Э. Моделирование электромагнитных процессов, протекающих в многопульсных трансформаторно-ключевых преобразователях // Технічна електродинаміка. – К., 2002. – Тем. вип., ч. 8. – С. 38-41.

Здобувачу належіть макромодель багатопульсних перетворювачів з керованим міжфазним зв’язком, модель міжфазного трансформатора, яка враховує втрати електроенергії в багатопульсним перетворювачах.

6. Паэранд Ю.Э, Сафронов П.С. Учет влияния высших гармонических составляющих и фазы входного тока на коэффициент полезного действия полупроводниковых преобразователей // Технічна електродинаміка. – К., 2005. – Тем. вип., ч. 4. – С. 16-19.

Здобувачу належіть методика врахування додаткових втрат електроенергії у трансформаторах багатопульсних перетворювачів, що викликані вищими гармонійними складовими струмів.

7. Сафронов П.С., Паэранд Ю.Э., Эссельбах В.С. Устройство для зарядки емкостного накопителя энергии с микропроцессорной системой управления и улучшенной электромагнитной совместимостью // Вестник – С.-Пб., 2001. – №9 (45). – С. 27-29.

Здобувачу належіть пристрій для зарядження ємнісного накопичувача та алгоритм керування цим пристроєм.

8. Деклараційний пат. 42455А Україна. 7Н02М7/17. Перетворювач трифазної змінної напруги у постійну. / Паеранд Ю.Е., Сафронов П.С. (Україна); Донбаський гірничо-металургійний інститут. – №2001031494; Заявл. 05.03.2001; Опубл. 15.10.2001. – Бюл. №9. – 3 с.

Здобувачу належіть розробка схеми багатопульсного перетворювача з трьома магнітними потоками.

АНОТАЦІЇ

Сафронов П.С. Покращення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів з мережею за допомогою міжфазного енергообміну. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2005.

Дисертація присвячена поліпшенню електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів з мережею живлення за рахунок введення у силові схеми перетворювачів керованого електромагнітного зв’язку між фазами. Керування цим зв’язком дозволяє формувати квазісинусоїдальні вхідні струми силових напівпровідникових перетворювачів.

Запропоновані та досліджені нові схеми напівпровідникових перетворювачів з поліпшеною формою вхідного струму. Визначено вплив параметрів міжфазних трансформаторів та навантаження на форму вхідного струму багатопульсних перетворювачів. Побудовані математичні моделі перетворювачів з керованим трансформаторним зв’язком між фазами, за допомогою яких був проведений аналіз впливу параметрів перетворювача на його електромагнітну сумісність з мережею живлення. Проведене фізичне моделювання, за допомогою якого перевірена адекватність основних теоретичних висновків і результатів математичного моделювання реальним електромагнітним процесам.

Ключові слова: напівпровідниковий багатопульсний перетворювач, багатофазний керований випрямляч, компенсаційний випрямляч, електромагнітна сумісність, міжфазний енергообмін.

Сафронов П.С. Улучшение электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с сетью с помощью межфазного энергообмена. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена улучшению электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с сетью питания за счет введения в силовые схемы преобразователей управляемой электромагнитной связи между фазами. Эту связь обеспечивают межфазные трансформаторы. Полупроводниковые вентили, подключаемые к обмоткам межфазных трансформаторов, позволяют управлять обменом энергией между фазами сети во времени. Управление трансформаторной связью между фазами позволяет формировать входные квазисинусоидальные токи силовых полупроводниковых преобразователей.

Предложены и исследованы новые схемы полупроводниковых преобразователей с улучшенной формой входного тока. Использование межфазных трансформаторов с двумя связывающими магнитными потоками позволяет значительно упростить структуру преобразователя, увеличить частоту магнитного потока и тем самым снизить массогабаритные показатели. Использование трансформаторов с тремя связывающими магнитными потоками позволяет значительно упростить вентильный коммутатор преобразователя.

В диссертации определено влияние параметров межфазных трансформаторов и нагрузки на электромагнитную совместимость преобразователей с сетью. Выявлены зависимости коэффициента гармоник входного тока от параметров многопульсного преобразователя.

Разработан компенсированный многопульсный преобразователь, во входных токах которого полностью исключена реактивная составляющая, что в свою очередь позволяет существенно увеличить коэффициент мощности.

Предложена одноканальная система управления многопульсными преобразователями с последовательным смещением фазы, что позволило получить широкий диапазон регулирования при малой асимметрии импульсов управления.

Ключевые слова: полупроводниковый многопульсный преобразователь, многофазный управляемый выпрямитель, компенсированный выпрямитель, электромагнитная совместимость, межфазный энергообмен.

Safronov P.S. Improvement electromagnetic compatibility semiconductor converters with network by means of inter-phase energy exchange. – Manuscript.

Thesis for candidate degree of technical science of specialty 05.09.12 – Semiconductor Converters of Electric Energy. – National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”, Kharkov, 2005.

This thesis is dedicated improvement electromagnetic compatibility semiconductor converters with electrical network by means of entering controlled electromagnetic communication between the phases to the power schemes of converters. Control of this communication allow to form quasi-sinusoidal input currents of power semiconductor converters.

New schemes semiconductor converters with improvement shape of input current are proposed and researched. Influence of inter-phase transformer for the shape of current multi-step converters is determinate. With the aid of the created mathematical models analysis of influence of parameters of converters on the electromagnetic compatibility was made. Adequacy of results of physical and mathematical simulations was tested.

Key words: semiconductor multi-step converter, multi-phase controlled rectifier, compensation rectifier, electromagnetic compatibility, inter-phase energy exchange.

Підп. до друку 12.01.2006. Формат 60х90 . Папір офс.

Друк RISO. Ум. друк. арк. 1. Зам. № 22. Наклад 100 пр.

Видавництво не несе відповідальності за зміст матеріалу, наданого автором до друку.

Видавець та виготівник:

Донбаський державний технічний університет

94204, Луганська обл., м. Алчевськ, пр. Леніна, 16. (ТВО „Ладо”, ауд. 2113, т/факс 2-02-59)

Свідоцтво Держкомтелерадіо серія ДК, № 2010 від 12.11.20004.