Повышение качества электрической энергии в судовых электротехнических комплексах за счет применения преобразователей с трансформаторами вращающегося магнитного поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор технических наук Черевко, Александр Иванович

• Черевко, Александр Иванович
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Черевко, Александр Иванович

Список условных обозначений

ВВЕДЕНИЕ 7 РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 13 И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

§1.1 Влияние полупроводниковых преобразователей на питающую сеть

§1.2 Качество напряжения в СЭЭС с мощными преобразователями с учетом регулирования напряжения на шинах СГ

§1.3 Высшие гармоники в фазном и линейном напряжениях на входе преобразователей при симметричном и несимметричном управлении

§1.4 Высшие гармоники при несимметрии питающих напряжений

§1.5 Высшие гармоники обусловленные высокочастотными колебаниями

§1.6 Высшие гармоники напряжения при модуляции питающих напряжений

§1.7 Особенности резонансных явлений в автономных электроэнергетических системах с полупроводниковыми преобразователями

§1.8 Виброаккустические характеристики электрооборудования

§ 1.9 Ущерб от высших гармоник, генерируемых полупроводниковыми преобразователями

Выводы по разделу

РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ 79 ВЫПОЛНЕННЫХ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ

§2.1 Конструктивное исполнение ТВМП

§2.2 Конструирование обмоток ТВМП для инверторного режима

§2.3 Работа ТВМП в выпрямительном режиме

2.3.1 Формирование магнитного поля ТВМП

2.3.2 Реакция магнитного поля круговой обмотки

2.3.3 Размагничивающее действие поперечного поля КО

2.3.4 Реакция КО при смещении плоскости коммутирующих ключей 102 относительно условной геометрической нейтрали ТВМП

§2.4 Расчет габаритной мощности тороидального трансформатора с вращающимся магнитным полем

§2.5 Геометрические параметры тороидального трансформатора с вращающимся магнитным полем

2.5.1 Уравнение геометрического фактора, содержащее температуру перегрева 111 катушки ТТ

2.5.2 Уравнение геометрического фактора, не содержащее температуру перегрева 114 катушки ТТ

§2.6 Сравнительный анализ массогабаритных характеристик трансформаторов с пульсирующими и вращающимися магнитными полями

2.6.1 Зависимости напряжения, токов, мощности и массы трансформатора с 115 пульсирующим магнитным полем от его размеров

2.6.2 Зависимости напряжения, токов, мощности и массы трансформаторов с 117 вращающимся магнитным полем от его размеров

2.6.3 Мощности, потери и масса геометрически подобных ТВМП

§2.7 Основные свойства управляемых реакторов и трансформаторов

§2.8 Регулировочные свойства тороидальных реакторов и трансформаторов с поперечным подмагничиванием

Выводы по разделу

РАЗДЕЛ 3 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АВТОНОМНОМ ИНВЕРТОРЕ С ВЫХОДНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

§3.1 Работа автономного инвертора с трансформатором вращающегося магнитного поля в установившемся режиме

§3.2 Анализ качества выходного напряжения инвертора с трансформатором с вращающимся магнитным полем, когда напряжение формируется ступенчатыми сигналами, квантованными по времени

§3.3 Анализ качества выходного напряжения инвертора с трансформатором с вращающимся магнитным полем, когда напряжение формируется ступенчатыми сигналами, квантованными по уровню

§3.4 Теория коммутации силовых ключей коммутатора отводов круговой обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем

§3.5 Электромагнитные процессы в инверторе с выходным трансформатором вращающегося магнитного поля Выводы по разделу

РАЗДЕЛ 4 УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С СОГЛАСУЮЩИМ

ТРАНСФОРМАТОРОМ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

§4.1 Особенности работы управляемого выпрямителя с трансформатором с вращающимся магнитным полем

§4.2 Основные расчетные соотношения управляемого выпрямителя с трансформатором вращающегося магнитного поля

§4.3 Качество выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя с трансформатором вращающегося магнитного поля

§4.4 Электромагнитные процессы в УВ с ТВМП

§4.5 Сравнительное исследование виброаккустических характеристик трансформаторов с пульсирующими и вращающимися магнитными полями Выводы по разделу

РАЗДЕЛ 5 ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КОММУТАТОРОМИ АИ И УВ ПОСТРОЕННЫХ НА БАЗЕ ТВМП

§5.1 Система управления транзисторным коммутатором автономного инвертора построенного на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем

§5.2 Система управления транзисторным коммутатором выпрямителя построенного на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем

§5.3 Функциональная и принципиальная схемы системы управления транзисторным коммутатором АИ и УВ

5.3.1 Устройство и работа блоков СУ ТК

5.3.2 Электронная приставка к СУ ТК

§5.4 Микропроцессорные системы управления ПП с ТВМП

5.4.1 Микропроцессорная СУ коммутатором инвертора на базе ТВМП

5.4.2 Микропроцессорная система управления коммутатором выпрямителя на базе ТВМП

Выводы по разделу РАЗДЕЛ 6 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПП С ТВМП В МС

§6.1 Модель инвертора с трансформатором вращающегося магнитного поля в

MICRO-CAP

§6.2 Особенности работы схемотехнических моделей инверторов на базе ТВМП

§6.3 Результаты экспериментальных исследований схемотехнических моделей инверторов на базе ТВМП в MICRO-CAP

§6.4 Схемотехническое моделирование выпрямителей на базе ТВМП в MICRO

§6.5 Система управления ТК в составе выпрямителя построенного на базе ТВМП

§6.6 Взаимодействие элементов модели в статике и динамике

§6.7 Особенности схемотехнического моделирования управляемого выпрямителя

§6.8 Результаты экспериментальных исследований качества выходного напряжения выпрямителей на базе ТВМП в схемотехнических моделях

§6.9 Исследование аварийных режимов работы инверторов с ТВМП

§6.10 Исследование аварийных режимов работы выпрямителей с ТВМП

§6.11 Исследование режимов работы полупроводниковых преобразователей с 318 ТВМП в MatLab-Simulink

Выводы по разделу

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества электрической энергии в судовых электротехнических комплексах за счет применения преобразователей с трансформаторами вращающегося магнитного поля»

В автономных электроустановках, в силу особо тяжелых условий работы электрооборудования (ЭО) и повышенных требований к его надежности, внедрение полупроводниковых преобразователей (ПП), по сравнению с промышленностью, железнодорожным транспортом и линиями электропередач, началось со значительной задержкой [3-5,17,29,32,33,35, 49,50,57-61,64-70,74,81,85,92-96,100-110,121,122,125,130,133,140,142-144,146, 147,152,154, 159,166,168,170-172,208-211,214-216].

Основные вопросы, которые решались в 60-е годы, были связаны с обеспечением требуемого качества выпрямленного напряжения и защиты вентилей ПП во всем диапазоне регулирования выходного напряжения [3-8, 15,20-23,28,32,36-38,45,85,86,98,101,130,139,142,152,214-216,221,223,224, 235]. Качество электроэнергии (КЭ), ее нормирование и контроль в этот период определялись ГОСТ 13109-67 и Морским Регистром СССР.

В 70-х годах XX века начинается широкое внедрение на судах и плавсооружениях тиристорных преобразователей (ТП) рода тока, напряжения и частоты с мощностями, достигавшими 25% и более от мощности источников электроэнергии автономных электроустановок [38,17,21,22,28,32,33,46,69,70,74,81,85,94-96,100-105,139,141-143,148,152,154, 208-211,214-216,219-226]. Большинство выпрямителей и инверторов в этот период выполняются по трехфазным мостовым схемам, которые в наименьшей мере подвержены влиянию асимметрии питающих напряжений и управления [3-8,15,20,28,68,76-81,85,97,98,101,116,120-122,130,133,137-139,141-150,154-159,195-197,200-204,207, 210,213-216].

Мощные ПП искажали формы кривых токов и напряжений, загружали сеть дополнительной реактивной мощностью и мощностью искажения [38,17,21-25,27-29,33,35,37,42,44,49,57-60,64,65,68,69,70,73,74,76-79,84,92,100-110,114-116,121,122,125,138-140,148,166,168,170-173,189,190-192,208211,227-229, 231-234,235]. Высшие гармоники в составе кривых токов и напряжений приводили к дополнительному нагреву статорных и роторных обмоток генераторов, потребителей переменного тока и кабельных трасс [5,8,42,60,64,68,69,73,74,100,103-105,114-116,121,134,142-144,146,152,207, 211,214-216], стали вызывать сбои в работе устройств автоматики, вычислительной техники и систем управления самих ПП [3,8,15,20,23,29, 32,36-38,40,45,59,68,74,79,80,86,97,98,100-104,107,115,117,120,134,138-140, 144,152,168,214,230,236].

Исследования, выполненные в середине 80-х годов XX века, показали, что при увеличении коэффициента гармоник по напряжению (Кга) до 10% происходит резкий рост виброаккустических характеристик (ВАХ) трансформаторно-реакторного оборудования на частотах пульсаций 6со,12со,18со, что соответствует 5-й и 7-й, 11-й и 13-й, 17-й и 19-й гармоникам [2,5,26,123,124,217], кроме того повышается виброактивность асинхронных двигателей (АД) на шестикратной частоте питающей сети (6fj) в 3-5 раз [26]. Было установлено, что при длительном воздействии шума и вибрации на персонал [2,5,26,123,124,137], производительность труда падает примерно на 60%. В работах Вилесова Д.В., Фоминича Э.Н. и др. [27,145] показано, что в закрытых помещениях существенно возрастает влияние электромагнитных полей на персонал дежурно-вахтенных служб.

В конце 90-х годов ГОСТ на КЭ был вновь пересмотрен и приведен в соответствие с международными стандартами МЭК. Постановлением Госкомитета РФ по стандартизации, метрологии и сертификации от 28 августа 1998 г. № 338 ГОСТ 13109-97 введен в действие в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 01.01.1999. При этом Морской Регистр Судоходства РФ утвердил Kra на уровне не более 10%.

В настоящее время благодаря работам Глинтерника С.Р., Глебова И.А., Глазенко Т.А., Демирчяна К.С., Исаева И.М., Инькова Ю.М. Каганова И.Л., Ковалева Ф.И., Крайчика Ю.С., Крогериса А.Ф., Поссе А.В., Размадзе Ш.М., Лутидзе Ш.И., Тимофеева Д.В., Толстова Ю.Г., Чалого Г.В., Чиженко И.М., Шехтмана М.Г., Шипилло В.П., Эттингера Е. Л., Анисимова Я.Ф., Мыцыка Г.С. в основном сформирована теория работы ПП в симметричных и несимметричных режимах. Жежеленко И.В., Розанов Ю.К., Козярук А.Е., Рябенький В.М., Яценко Г.С., Агунов А.В. предложили практически важные решения по компенсации высших гармоник. Значительный вклад в развитие теории энергетических процессов в ПП внесли Маевский О.А., Зиновьев Г.С., Агунов М.В. [7,8,21,61,84], а в развитие динамики ПП - Булгаков А.А., Поздеев А.Д., Донской Н.В., Исхаков А.С. [21,46,66,69,74,83,126,142,209, 210]. Джюджи Л., Пелли Б., Шрейнер Р.Т., Дмитриев Б. Ф., Скачков Ю.В. внесли существенный вклад в развитие теории построения многоячейковых преобразователей [7,8,21,61,84].

Розанов Ю.К., Агунов А.В. и др. [1,47,130,131,132,212] отмечают, что создание и освоение промышленностью новых силовых приборов позволит расширить функции силовых электронных устройств, используемых для регулирования КЭ, создавать ПП, работающие в 4-х квадрантах комплексной плоскости, что позволит управлять потоками энергии в любом направлении по любому закону. На новой элементной базе создаются мощные активные фильтры, работающие в режиме как бы генераторов антигармоник, а также корректоры, которые встраиваются непосредственно в ПП.

Исследования, выполненные автором, показали, что для повышения КЭ в автономных ЭК и С, с мощными ПП требуется совершенствование силовых схем самих ПП. Первые работы в этом направлении были выполнены Свиридовым Г.М., Шукаловым В.Ф., Гайтовым Б.Х., Сингаевским Н.А. и др. [9,14,62,83,88,111-114,237,238].

Цель настоящей работы - повышение показателей КЭ в автономных ЭК и С за счет построения силовых схем ПП на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП) с обмотками, выполненными по схеме «Y/круговая обмотка (КО)» и «КО/Y», что требует:

1. Разработки теории электромагнитных процессов для управляемых выпрямителей (УВ) и автономных инверторов (АИ), построенных на базе ТВМП с различным числом пар силовых ключей (CKJ1) транзисторных коммутаторов (ТК), переключающих отводы КО ТВМП, и методики оценки качества выходного напряжения УВ и АИ с ТВМП при различном числе пар СКЛ ТК.

2. Разработки теории и технологии исполнения ТВМП для УВ и АИ, а также методов расчета габаритных мощностей ТВМП, построенных по схеме «звезда/круговая обмотка».

3. Разработки алгоритмов, способов управления и структурных схем систем управления СКЛ ТК УВ и АИ, построенных на базе ТВМП, когда ТК содержит различное число пар СКЛ.

4. Разработки схемотехнических и математических моделей УВ и АИ, построенных на базе ТВМП с различным числом пар СКЛ ТК для исследование эффективности их работы в установившихся и аварийных режимах работы с целью ускорения создания нового класса УВ и АИ, построенных на базе ТВМП.

Методы исследований. Исследования проводились с применением современного математического аппарата, соответствующего решаемым задачам: методов теории электрических и магнитных цепей, методов теории гармонического анализа, операционного и матричного исчисления.

Теоретические результаты подтверждаются математическим и схемотехническим моделированием в среде MatLab-Simulink и Micro-Cap 7 на ПЭВМ. Достоверность теоретических положений подтверждена результатами исследований лабораторных макетов и промышленных образцов ПП с ТВМП, разработанных и изготовленных на основе научных работ автора и положений данной диссертационной работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых может рассматриваться как крупное научное достижение в развитии теории ПП, построенных на базе ТВМП в судовых ЭК и С, в частности:

- представлены новые теоретические результаты по исследованию электромагнитных процессов в ПП, построенных на базе ТВМП, позволяющие получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, включая высшие гармоники, при произвольном числе пар CKJ1 ТК, переключающих отводы КО ТВМП;

- разработаны математические и схемотехнические модели ПП с ТВМП, адекватно отображающие реальные электромагнитные процессы в АИ и УВ, построенных на базе ТВМП, которые позволяют исследовать симметричные, несимметричные и аварийные режимы работы ПП с ТВМП, при различных характерах нагрузки, различном числе пар CKJ1 ТК и получать спектральные характеристики их выходных токов и напряжений. Новизна моделей подтверждена их регистрацией во ВНТИЦ РФ;

- теоретически обоснованы и разработаны новые способы управления CKJ1 ТК отводов круговых обмоток ТВМП, пригодные для любого числа пар CKJ1 и позволяющие обеспечить ЭМС ПП с питающей сетью.

Практическая значимость работы состоит в том, что сформулированы принципы построения и разработаны новые ПП на базе ТВМП, у которых в выпрямительном режиме (при 8 парах CKJ1 ТК) коэффициент гармоник напряжения (К^) и тока (Kri) не превышает 1%, а коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (Кри) не превышает 3,3% во всем диапазоне регулирования, а в ииверторном режиме коэффициент гармоник Кги и Krj (при 8 парах CKJ1 ТК) не превышает 19,8% и 4,5% соответственно, что позволяет обеспечить у АИ с ТВМП, по сравнению с классическими АИ, более высокое КЭ и снизить уровень ВАХ судового ЭО на 10-20 Db.

Разработаны новые схемотехнические и математические модели ПП с ТВМП на различное число пар CKJ1 ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и ВАХ.

Разработаны методики анализа показателей КЭ ПП на базе ТВМП, позволяющие определять Kri, Кщ, Кри, регулировочные характеристики выпрямителей при произвольном числе пар «N» CKJIТК.

Разработаны методики расчета реакторов с ортогональными управляющими магнитными потоками и габаритных мощностей ТВМП, когда входная (выходная ) обмотка ТВМП выполнена в виде трехфазной, а выходная (входная) в виде КО с отводами.

Представленная работа выполнялась в соответствии с госбюджетными НИР в филиале «Севмашвтуз» - Санкт Петербургского государственного морского технического университета по заказам предприятий Государственного Российского центра атомного судостроения (ГРЦАС) в рамках федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» при непосредственном участии автора за период с 1980 по 2005г.

Результаты работы используются предприятиями ГРЦАС: ФГУП «ПО «СЕВМАШ», ФГУП «МП «ЗВЕЗДОЧКА», ФГУП «СПО «АРКТИКА», в учебном процессе филиала «Севмашвтуз» и СПбГМТУ, в дисциплинах «Полупроводниковые преобразователи» и «Основы теории сигналов». На защиту выносятся:

1) теория направленной коммутации силовых ключей УВ и АИ транзисторных коммутаторов, переключающих отводы КО ТВМП;

2) способы управления и алгоритмы построения систем управления АИ и УВ с ТВМП, пригодные для любого числа пар CKJI ТК;

3) алгоритмы, схемотехнические и математические модели ПП с ТВМП в программной среде Micro-Cap 7 и MatLab-Simulink, позволяющие исследовать симметричные, несимметричные и аварийные режимы работы АИ и УВ с ТВМП, при различных характерах нагрузки и различном числе пар СКЛ у ТК;

4) методики оценки показателей качества выходного напряжения УВ и АИ с ТВМП и аналитические соотношения для расчета высших гармоник напряжения при фиксированном и произвольном числе пар СКЛ ТК и различных законах формирования выходного напряжения;

5) методика расчета габаритных мощностей ТВМП и их геометрических факторов, когда входная (выходная ) обмотка выполнена в виде трехфазной, а выходная (входная) в виде круговой обмотки с отводами;

6) методика расчета параметров реакторов и трансформаторов с вращающимися магнитными полями при наличии и отсутствии ортогонального управляющего магнитного потока.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:

Всесоюзных конференциях: Проблемы создания мощных электроэнергетических систем для судов ледового плавания и плавучих буровых установок, Л., 1983; Проблемы преобразовательной техники, Киев, 1987; Повышение эффективности и качества электроснабжения, Мариуполь, 1990; Проблемы преобразовательной техники, Киев, 1990, и 1992. Всероссийских конференциях: ЭМС технических средств, С.Петербург, -1994 (1 докл.); 1996 (2 докл.); 1998 (1 докл.); 2000 (3 докл.); 2004 (7 докл.). Меяедународных конференциях: Морские интеллектуальные технологии: Моринтех-97 (2 докл.), Моринтех-99 (2 докл.), Моринтех-2001 (3 докл.), С.Петербург; Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы, Екатеринбург, 2003; Динамика систем, механизмов и машин, Омск, 2004, а также на - конференциях «Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях ГРЦАС», Северодвинск: 1984 - 2004 гг.

Публикации: Основные научные результаты работы отражены в 51 научной работе, в том числе: в 10 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций; 4 АС на изобретение; 22 запатентованных моделях и программах; 6 монографиях, а также в трудах НТО им.акад. А.Н. Крылова, СПбГМТУ, ж. ЭЛЕКТРО и других известных изданиях.

Личный вклад. Постановка и решение теоретических вопросов, основные научные результаты работы принадлежат лично автору. Разработка схемотехнических моделей АИ и УВ с ТВМП в программной среде Micro-Cap 7 выполнена совместно с Казакевичем А.И, Семеновым Д.Н. и Музыкой М.М. Исследования установившихся и аварийных режимов АИ и УВ с ТВМП на моделях реализованных в программной среде Micro-Cap 7, выполнены лично автором.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 350 страниц, состоит из введения, шести разделов (глав), заключения, списка литературы из 238 наименований и приложения на 23 страницах. Работа содержит 327 страниц основного текста, в том числе 154 иллюстрации (включая осциллограммы) на 87 страницах и 36 таблиц на 29 страницах.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Черевко, Александр Иванович

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

Разработанные макромодели КО, ТО, ТВМП, ТК, СУ ТК инверторов и выпрямителей на базе ТВМП позволяют:

1) Ускорить разработку теории электромагнитных процессов в АИ и УВ с ТВМП и упростить исследование инверторов и выпрямителей с ТВМП в симметричных и несимметричных режимах работы при различных видах нагрузки.

2) Исследовать статические, динамические и аварийные режимы работы инверторов и выпрямителей с ТВМП;

3) Определить оптимальное количество пар СКЛ ТК при котором обеспечивается требуемое ГОСТ 13109-97 и отраслевыми стандартами качество напряжения на выходе инверторов и выпрямителей с ТВМП;

4) Провести сравнительный анализ предлагаемых АИ и УВ с ТВМП с классическими выпрямителями, инверторами тока и напряжения, содержащими трансформаторы с пульсирующими магнитными полями;

5) Ускорить разработку способов и алгоритмов построения СУ ТК для инверторов и выпрямителей с ТВМП;

6) Упростить подбор оптимальных значений активных сопротивлений и индуктивностей фаз ТО и секций КО ТВМП;

7) Исследовать влияние длительности времени совместной работы смежных транзисторных пар (времени t3ad задержки переключения СКЛ) на характер коммутационных процессов в ТК и КО ТВМП;

8) Математическое моделирование КО, ТО, ТВМП, ТК, СУ ТК инверторов и выпрямителей на базе ТВМП в MatLab-Simulink показало, что с ростом числа пар СКЛ ТК возрастает количество дифференциальных уравнений (ДУ) описывающих процессы и режимы переключения вентилей ТК, а также количество самих систем ДУ, увеличение же числа систем ДУ описывающих промежуточные состояния реальных ПП усложняет схему переключения расчетных этапов, приводит к уменьшению времени на расчет каждого промежуточного этапа и к увеличению скорости переключения, с одного этапа на другой. В этом случае для составления математических моделей ПП лучше применять программы, реализующие численные методы решения ДУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. На основании предварительных исследований установлено:

1) Технологический и экономический ущерб в судовых электротехнических комплексах и системах обусловлен в основном каноническими высшими гармониками, которые полупроводниковые преобразователи генерируют в питающую сеть и нагрузку. В общем случае их можно скомпенсировать примерно на 40-50% за счет повышения фазности ПП, общесистемных и индивидуальных защитных мероприятий, однако в реальных СЭЭС КЭ оказывается хуже, так как не учитываются: а) законы стабилизации напряжений СГ; б) возбуждение дополнительных боковых гармонических на входе и выходе ПП из-за модуляции напряжений СГ; в) возбуждение в схемах ПП высокочастотных колебаний, вызывающих сбои в работе устройств автоматики и вычислительной техники; г) генерирование ПП неканонических гармоник из-за несимметрии управления и несимметрии питающих напряжений; д) загрузка питающей сети дополнительной реактивной мощностью и мощностью искажения; е) возможность возникновения в СЭЭС резонансных явлений на высших гармониках и, наконец, в результате снижения качества напряжения и тока: а) резко возрастают виброаккустические характеристики трансформаторно-реакторного оборудования, как самих ПП, так и всего судового электрооборудования; б) ухудшается электромагнитная экология в замкнутых объемах, что оказывает негативное влияние на персонал дежурно-вахтенных служб судов и кораблей ВМФ.

2) Для комплексного решения проблемы повышения показателей КЭ и ЭМС требуется совершенствование силовых схем самих ПП, для чего необходимо вернуться к развитию идей, изложенных в работах Свиридова Г.М., Шукалова В.Ф., Лутидзе Ш.И., Гайтова Б.Х., Сингаевского Н.А. и др., предлагавших применять в ПП трансформаторы с вращающимися магнитными полями и коммутаторы. Возможность создания реальных ПП с ТВМП открылась в связи с разработкой и созданием новой высокоэффективной элементной базы - IGBT транзисторов.

3) С целью проверки эффективности ПП выполненных на базе ТВМП ФГУП «СПО «АРКТИКА» совместно с Филиалом «Севмашвтуз», в рамках выполнения федеральной целевой программы «Национальная технологическая база», была разработана технологическая оснастка для

324 штамповки листов электротехнической стали из которых изготовлены магнитопроводы ТВМП, а на их основе действующие макеты ПП с ТВМП на 1,5; 3,0 и 5,0 кВт.

II. В результате исследований ПП, выполненных на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями:

1) Разработана теория коммутации силовых ключей ТК, переключающих отводы КО ТВМП в составе УВ и АИ, а также теория электромагнитных процессов в УВ и АИ с ТВМП. Установлено, что при реализации выпрямительного режима работы УВ с ТВМП, форма кривой выпрямленного напряжения УВ не содержит разрывов первого рода, что связано с особенностями электромагнитных процессов в УВ, и чем УВ с ТВМП выгодно отличаются от классических мостовых тиристорных выпрямителей. Получены аналитические соотношения для расчета среднего значения и высших гармоник выпрямленного напряжения при 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 и произвольном числе пар «N» CKJI в составе ТК, что позволило установить минимально необходимое число пар CKJI, при котором без дополнительных мероприятий обеспечивается коэффициент пульсаций на выходе УВ с ТВМП не более 5%. Кроме того, получены аналитические соотношения для расчета гармоник и оценки качества выходного напряжения АИ с ТВМП, при различных законах формирования выходных напряжений АИ, что позволило установить минимально необходимое число пар CKJI в составе ТК, при котором коэффициент гармоник выходного напряжения АИ с ТВМП (без дополнительных мероприятий) не превысит 10% порог, установленный ГОСТом 13109-97 и Морским Регистром Судоходства РФ. Показано, что за счет конструктивных мероприятий, которые стали возможны с применением цилиндрических магнитопроводов, можно обеспечить коэффициенты гармоник выходных токов и напряжений АИ с ТВМП не более 1%.

2) Разработаны схемотехнические и математические модели КО и ТО

ТВМП, ТК и их СУ в программных средах Micro-Cap 7 и MatLab-Simulink, которые позволяют исследовать установившиеся, переходные и аварийные режимы работы инверторов и выпрямителей с ТВМП, при различных характерах нагрузки, различном числе пар силовых ключей и получать спектральные характеристики их выходных токов и напряжений.

Макромодели КО, ТО, ТВМП, ТК, СУ ТК инверторов и выпрямителей на

325 базе ТВМП не имеют аналогов в программной среде Micro-Cap 7 и MatLab-Simulink, что подтверждается их регистрацией во ВНТИЦ РФ. Модели позволяют: а) ускорить разработку и проверку теории электромагнитных процессов в АИ и УВ с ТВМП; б) исследовать поведение инверторов и выпрямителей с ТВМП в симметричных и несимметричных режимах работы при различных видах нагрузки; в) исследовать статические, динамические и аварийные режимы работы инверторов и выпрямителей с ТВМП; г) определять оптимальное число пар СКЛ ТК при котором обеспечивается требуемое ГОСТ 13109-97 и отраслевыми стандартами качество напряжения и тока на выходе инверторов и выпрямителей с ТВМП; д) проводить сравнительный анализ предлагаемых АИ и УВ с ТВМП с классическими выпрямителями, инверторами тока и напряжения, содержащими трансформаторы с пульсирующими магнитными полями; е) ускорять разработку способов и алгоритмов построения СУ ТК для инверторов и выпрямителей с ТВМП; ж) подбирать оптимальные значения активных сопротивлений и индуктивностей фаз ТО и секций КО ТВМП; з) исследовать влияние длительности времени совместной работы смежных транзисторных пар (времени t3ad задержки переключения СКЛ) на характер коммутационных процессов в ТК и КО ТВМП.

3) Предложены способы и алгоритмы построения систем управления (СУ) ПП на базе ТВМП, отличающиеся наличием специального информационного канала, - дополнительной разомкнутой КО, благодаря которой СУ синхронизируются с моментом перехода через нуль мгновенного значения магнитной индукции вращающегося магнитного поля Bn(t), созданного КО или ТО ТВМП, что повышает точность и надежность работы ПП с ТВМП.

4) Разработаны структурная и функциональная схемы микропроцессорных систем управления ТК АИ и УВ с ТВМП, реализующие адаптивные принципы управления, которые учитывают современные тенденции и перспективы развития и применения микропроцессорного управления в преобразовательной технике и могут быть положены в основу разработки принципиальных схем МП СУ ПП с ТВМП.

5) Разработана методика расчета габаритной мощности и геометрических факторов ТВМП для случая, когда одна обмотка выполняется в виде трехфазной, а вторая в виде круговой, и показано, что масса «т», габаритный объем «V» и стоимость «Ст» ТВМП изменяются обратно пропорционально их линейным размерам.

6) Разработана методика расчета основных параметров реакторов и трансформаторов с вращающимися магнитными полями при наличии и отсутствии ортогонального управляющего магнитного потока. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что магнитопроводы ТВМП позволяют подавлять высшие гармоники тока и напряжения не только за счет поперечного подмагничивания магнитопроводов, но и за счет применения конструктивных мероприятий, например, сокращения шага обмотки по пазам, выбора оптимального числа пазов на полюс и фазу, скоса пазов, чего в принципе невозможно добиться у стержневых трансформаторов с пульсирующими магнитными полями.

7) Экспериментальное исследование ВАХ трансформаторов с пульсирующими и вращающимися магнитными полями показало, что ТВМП имеет уровень вибрации (на разных частотах) на 10, 15, 20 dB ниже, чем трехфазный трансформатор с пульсирующими магнитными полями одинаковой с ним мощности.

8) Применение ПП, построенных на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями, особо значимо для автономных корабельных электротехнических комплексов и систем с повышенными требованиями к виброаккустическим характеристикам судовых потребителей. Внедрение ПП с ТВМП в корабельные электротехнические комплексы и системы позволит: а) повысить показатели КЭ и улучшить ЭМС всего судового электрооборудования; б) снизить виброактивность судового электрооборудования и повысить, за счет этого, скрытность плавания судов; в) улучшить электромагнитную экологию на судах и кораблях ВМФ; г) уменьшить собственную емкость СЭЭС и тем самым улучшить электро и пожаробезопасность кораблей и судов отечественного флота.

III. Возможные направления дальнейших исследований:

1) Разработка и исследование обратимых преобразователей на базе ТВМП.

2) Исследование ПП на базе ТВМП в несимметричных режимах.

3) Разработка методик проектирования ферромагнитных структур ТВМП с использованием программы ANSYS.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Черевко, Александр Иванович, 2006 год

1. Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранский В.А. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. Л. Судостроение, 1986,276 с.

2. Анисгшов Я. Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках. Л.: Судостроение, 1973,232 с.

3. Анисгшов Я. Ф. Судовая силовая полупроводниковая техника //Л.Судостроение, 1979,192 с.

4. Анисимов Я. Ф., Васильев ЕЛ. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок // Л., Судостроение, 1990, 264 с.

5. Анисимов Я. Ф., Жук А. К., Черевко А.И. Искажение напряжения в судовой электроэнергетической системе СЭЭС, содержащей тиристорные преобразователи //Межреспубликанский сборник «Судостроение», вып. 24, «ВИЩА ШКОЛА» Киев-Одесса 1975, с.76-84.

6. Агунов М.В. Энергетические процессы в электрических цепях с несинусоидальными режимами и их эффективность //Кишинев-Тольяти: МолдНИИТЭИ, 1997,- 84 с.

7. Агунов М.В., Агунов А.В., Вербова Н.М. Новый подход к измерению электрической мощности. // Промышленная энергетика, №2, 2004., с 30 33.

8. А. С. №524234 Статический регулируемый трансформатор с вращающимся магнитным полем.// В.Ф. Шукалов, Н.А. Иванова // Б. И., 1976, №29.

9. А. С. № 1372466 Устройство для регулирования компенсатора реактивной мощности // Власов Е.В., Едемский С.Н., Матигоров В.А., Черевко А.И., Кононов О.Н., Прокофьев ЕЯ.//БИ. № 5,1988.

10. А.С. №1599848 Устройство для компенсации реактивной мощности.// Власов Е.В., Едемский С.Н., Матигоров В.А., Черевко А.И., //, БИ № 41. 1989.

11. А.С. № 1520627 Устройство для компенсации реактивной мощности // Власов Е.В., Едемский С.Н., Матигоров В.А., Черевко А.И., от 15.06.1990 г.

12. А.С. №1647764 Адаптивный регулятор компенсатора реактивной мощности // Едемский С.Н. Матигоров В.А. Черевко A.M., от 08.01 1991 г.

13. А.С. № 855892 Устройство для компенсации высших гармоник.//Кузнецов Л.Е., Свиридов Г.М., Хомяк В.А. и др.//Б.И. №30 от 15.01.81.

14. Баранова Э. Г., Вчерашний В. П., Лукьянов Л. М. Применение интегральных схем для реализации цифровых систем управления вентилями преобразователей. — «Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника», 1971, вып. 22, с. 36—28.

15. Бертинов А. И., Кофман Д.Б. Тороидальные трансформаторы статических преобразователей.//М., Энергия, 1970, 96 с.

16. Борисов Б. П., Вагин Г. Я. Электроснабжение электротехнических установок. Киев: Наукова думка, 1985. 242 с.

17. Бронштейн КН., Семендяев К.А. Справочник по математике // М., Наука, 1986,544 с.

18. Брускин Д.Э., ЗороховичА.Е., Хвостов B.C. Электрические машины // М., Высшая школа, 1979, ч.1 288 с, ч,2, 304 с.

19. Булатов О. Г., Лабунцов В. А., Пономаренко А. И. Развитие одноканальных систем управления вентильными преобразователями //Электричество, 1980, № 9, с. 14-19.

20. Булгаков А.А. Новая теория управляемых выпрямителей//М.,Наука,1970,320с.

21. Быков Ю. М. Непосредственные преобразователи частоты с автономным источником питания. М.: Энергия, 1977, 144 с.

22. Быков Ю. М., Василенко В. С. Помехи в системах с вентильными преобразователями // М.: Энергоатомиздат, 1986, 152 с.24