Совершенствование полупроводниковых преобразователей с трансформаторами с вращающимися магнитными полями в судовых электротехнических системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Музыка, Михаил Михайлович

• Музыка, Михаил Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Музыка, Михаил Михайлович

Список условных обозначений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Общие сведения о полупроводниковых преобразователях и их силовой структуре

1.1 Обзорный анализ полупроводниковых преобразователей электрической энергии с трансформаторами пульсирующего магнитного поля

1.2 Особенности схемотехнического моделирования силовых схем полупроводниковых преобразователей

1.3 Схемотехнические модели полупроводниковых преобразователей с ТПМП

1.4 Полупроводниковые преобразователи электрической энергии на базе ТВМП

1.4.1 Принцип построения ТВМП

1.4.2 Электромагнитные процессы в ТВМП

1.4.3: Магнитное поле ТВМП 34

1.4.4 Реакция круговой обмотки

1.4.5 Размагничивающее действие поперечного поля КО

1.4.6 Реакция КО при смещении плоскости коммутирующих ключей относительно условной геометрической нейтрали;ТВМП

1.5 Влияние конструктивного исполнения трансформаторов вращающегося магнитного поля на качество электроэнергии.

1.6 Пульсации напряжения на отводах КО ■

Выводы по главе

ГЛАВА 2 Анализ электромагнитных процессов в управляемом выпрямителе с ТВМП

2.1 Электромагнитные процессы в управляемом выпрямителе с ТВМП при1 55различном числе пар CKJI.

2.2 Аналитическое описание управляемого выпрямителяс ТВМП на базе операторно-рекуррентного метода

2.3 Моделирование управляемых выпрямителей с трансформатором вращающегося магнитного поля в MICRO-CAP

2.3.1 Описание макромодели ТВМП

2.3.2 Описание макромодели силовой части УВ с ТВМП

2.3.3 Описание макромодели системы управления тиристорным коммутатором в составе УВ с ТВМП

2.3.4 Исследование УВ с ТВМП в схемотехнических моделях

2.3.5 Исследование качества выпрямленного напряженияУВ с ТВМП в схемотехнических моделях

2.3.6 Исследование качества п итающего напряжения У В с ТВМП в схемотехнических моделях

2.3.7 Анализ энергетических характеристик УВ с ТВМП:

Выводы по главе

ГЛАВАЗ Анализ электромагнитных процессов в автономном инверторе с ТВМП

3.1 Описание электромагнитных процессов в автономном инверторе с ТВМП

3.1.1 Автономные инверторы с ТПМП

3.1.2 Автономные инверторы с ТВМП

3.2 Аналитическое описание автономного инвертора с ТВМП на основе операторно-рекуррентного метода

3.3 Схемотехническая модель автономного инвертора с ТВМП в MICRO-CAP

3.3.1 Описание макромодели ТВ МП

3.3.2 Описание макромодели силовой части АИ с ТВ МП

3.3.3 Описание макромодели системы управления транзисторным коммутатором 144 в составе АИ с ТВМП

3.3.4 Результаты экспериментальных исследований схемотехнических моделей 145 инверторов на базе ТВМП в MICRO-CAP

3.3.5 Исследование энергетических характеристик на выходе АИ с ТВМП 151 Выводы по главе

ГЛАВА 4 Управление полупроводниковыми преобразователями, построенными на 154 базе ТВМП

4.1 Особенности управления выходным напряжением преобразователей 154 построенных на базе трансформаторов с пульсирующими и вращающимися магнитными полями

4.1.1 Управление выходным напряжением классических выпрямителей с ТПМП

4.1.2 Управление выходным напряжением классических инверторов тока и 158 напряжения

4.1.3 Микропроцессорные системы управления выпрямителями и инверторами

4.2 Системы управления УВ с ТВМП

4.2.1 Разомкнутая система управления У В с ТВМП

4.2.2 Замкнутая система управления УВ с ТВМП

4.3 Управление АИ с ТВМП

4.3.1 Разомкнутая система управления АИ с ТВМП

4.3.2 Следящая система управления автономным инвертором с ТВМП 186 Выводы по главе

ГЛАВА 5 Экспериментальные исследования форм кривых тока и напряжений и 195 вибрационных характеристик УВ и АИ с ТВМП при различном числе пар СКЛ

5.1 Общие сведения о конструкции и причинах искажений форм кривых токов и напряжений ПП с ТВМП

5.2 Схема эксперимента

5.3 Экспериментальные исследования форм кривых выходных напряжений УВ 201 и АИ с ТВМП

5.4 Исследование вибрационных характеристик УВ с ТВМП

5.5 Сравнительный анализ вибрационных характеристик трансформаторов со 219 стержневым и цилиндрическим магнитопроводами

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование полупроводниковых преобразователей с трансформаторами с вращающимися магнитными полями в судовых электротехнических системах»

Автономные судовые электротехнические комплексы и системы (АСЭКиС) это, как правила системы двойного рода тока, содержащие в своем составе потребители постоянного и переменного тока одной или нескольких частот, что требует наличия устройств, связывающих сети переменного и постоянного тока, а также переменного тока разных частот.

На кораблях ВМФ и судах гражданского отечественного флота до середины 80-х годов ХХ-го века для этих целей применялись электромашинные обратимые преобразователи (ЭОП), а в настоящее время для связи' сетей переменного и постоянного тока применяются полупроводниковые (статические) преобразователи (ГШ) - выпрямители и инверторы, при чем их установочная единичная мощность достигает 15-20% от мощности корабельных синхронных генераторов.

Как ЭОП, так и ПП имеют свои достоинства и недостатки. Недостатки ЭОП заключаются в значительной инерционности, шумности и высокой виброактивности, а 1111, выполненные на нелинейных полупроводниковых элементах (тиристорах, ЮВТ-транзисторах) значительно ухудшают качество напряжения в трехфазной сети за счет искажения форм кривых токов и напряжений. Кроме того, инверторы напряжения требуют для своей работы значительных емкостей, что вызывает рост корабельных емкостей «фаза-фаза», «фаза-корпус» и, таким образом, повышает вероятность возникновения резонансных явлений на высших гармониках и повышает пожароопасность в АСЭКиС.

Из, сказанного следует, что разработка новых принципов' построения 1111, не требующих для своей работы дополнительных емкостей и обеспечивающих высокое качество напряжения в 3-хфахной сети переменного тока и сетях постоянного тока, является актуальной задачей.

Цель настоящей работы — повышение показателей КЭ в автономных ЭК и С за счет построения силовых схем 1111 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 (CKJI) транзисторных (ТК) и тиристорных коммутаторов (ТирК), переключающих отводы КО ТВМП, и методики оценки качества выходного напряжения УВ и АИ с ТВМП при различном числе пар CKJI коммутаторов.

2. Разработки алгоритмов, способов управления и структурных схем систем управления OKJI ТК УВ и АИ, построенных на базе ТВМП, когда коммутатор содержит различное число пар GKJI.

3. Разработки схемотехнических моделей УВ и АИ, построенных на базе ТВМП с различным числом пар CKJI для1 исследования 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 схемотехническим моделированием в среде Micro-Cap 8 на ПЭВМ. Достоверность теоретических положений подтверждена результатами исследований' лабораторных - макетов и промышленных образцов ПП с ТВМП, разработанных изготовленных с участием.автора.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на разработку и создание ПП с ТВМП в частности:

- представлены новые теоретические результаты по исследованию электромагнитных процессов в ПП, построенных на базе ТВМП, на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар CKJI, переключающих отводы КО ТВМГТ;

- разработаны схемотехнические модели ГШ 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 CKJI 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'8 CKJI ТК отводов круговых обмоток ТВМП, пригодные для любого числа пар CKJI и позволяющие обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС) ПП с питающей сетью.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1) Разработано аналитическое описание электромагнитных процессов в УВ с ТВМП на основании операторно-рекуррентного метода; позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар CKJI, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных режимах работы ПП с ТВМП.

2) Разработано аналитическое описание электромагнитных процессов в АИ с ТВМП. на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при произвольном числе пар CKJI ТК, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных режимах работы ПП с ТВМП.

3) Разработаны новые схемотехнические модели УВ с ТВМП в программной, среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели качества электроэнергии (КЭ) и вибрационных характеристик (ВХ).

4) Разработаны новые схемотехнические модели АИ с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и ВХ.

5) Разработаны схемотехнические модели обратимого преобразователя с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI, ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках.

6) Произведено исследование энергетических характеристик работы 1111 на базе ТВМП с различным числом пар CKJI ТК.

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 2002 по 2006 г.

Результаты работы используются предприятиями ГРЦАС: ФГУП' «МП «ЗВЕЗДОЧКА», ФГУП «СПО «АРКТИКА», в учебном процессе филиала «Севмашвтуз» и СПбГМТУ, в дисциплинах «Полупроводниковые преобразователи» и «Автоматизация проектирования систем и средств управления».

На защиту выносятся:

1) Теория процессов- в УВ с ТВМП; разработанная- на основании операторно-рекуррентного метода, позволяющего получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, при'произвольном числе пар CKJI ТК, переключающих отводы КО в переходных, установившихся и в аварийных.режимах работы 1Ш с ТВМП.

2) алгоритмы и схемотехнические модели УВ и АИ с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и ВХ

3) схемотехнические модели обратимого преобразователя с ТВМП в программной среде MicroCAP-8 на различное число пар CKJI ТК, позволяющие исследовать их работу в различных режимах.

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

5) методики расчета параметров трехфазной обмотки (ТО)' и КО УВ и, АИ с ТВМП, позволяющих определять оптимальное соотношение чисел витков фазных обмоток и секций КО ТВМП при произвольном числе пар CKJI ТК;

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

Динамика систем, механизмов и машин, Омск, 2004; V-ой, международной (16-ой ВНТК) конференции по автоматизированному электроприводу, С.-Петербург, 2007г. Всероссийских- конференциях:

ЭМС технических средств, С.Петербург, 2000; (два доклада), ЭМС технических средств, С.Петербург, 2004; ЭМС технических средств, С.Петербург, 2006;

Всероссийской научно-практической конференции «100 лет подводному флоту России», Северодвинск, 2006 г. а также на - конференциях «Перспективные технологии строительства и. утилизации судов на предприятиях Государственного Российского Центра Атомного Судостроения (ГРЦАС)». - Северодвинск: 2000 - 2007 гг. Публикации.

Научные результаты отражены в 35-ти опубликованных соискателем работах, в том числе: в патенте РФ и в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК; 25 зарегистрированных в ВНТИЦ РФ моделях и программах; 3 монографиях, а также в материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

Личный вклад. Постановка и решение теоретических вопросов, основные научные результаты работы принадлежат лично автору. Разработка схемотехнических моделей АИ, УВ и ОП с ТВМП в программной среде Micro-Cap-8 выполнена совместно с Научным руководителем Черевко А.И. Исследования установившихся и аварийных режимов АИ и УВ с ТВМП на моделях реализованных в программной среде Micro-Cap-8, выполнены лично автором.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 246 страниц, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений на 15 страницах.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Музыка, Михаил Михайлович

Выводы по главе 5.

1 Экспериментальные исследования УВ с ТВМП подтвердили результаты схемотехнического моделирования, приведенные в главе 2, в части более высокого качества выходного напряжения УВ с ТВМП при нечетном числе пар СКЛ, что связано с удвоением числа пульсаций за один период питающего напряжения по сравнению со случаем четного числа пар СКЛ.

2 Экспериментальные исследования УВ с ТВМП подтвердили результаты схемотехнического моделирования, приведенные в главе 2, в части более низкого качества выходного напряжения УВ с ТВМП при активно-индуктивной нагрузке вне зависимости от числа пар СКЛ по сравнению с активной нагрузкой.

3 Экспериментальные исследования вибрационных характеристик УВ с ТВМП показали, что виброактивность УВ с ТВМП с нечетным числом пар СКЛ, по сравнению с УВ с ТВМП с четным числом пар ключей в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц, как правило, на 3-5 дБ оказывается ниже.

4 Сравнительные исследования вибрационных характеристик трансформаторов со стержневым и цилиндрическим магнитопроводами показали меньшую виброактивность цилиндрических магнитопроводов, на базе которых строятся ТВМП на 4-5 дБ по сравнению со стержневыми магнитопроводами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования полупроводниковых преобразователей, построенных на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями:

1 Выполнено математическое описание электромагнитных процессов для управляемых выпрямителей и автономных инверторов с ТВМП с различным числом пар силовых ключей коммутаторов, переключающих отводы КО ТВМП, на базе операторно-рекуррентного метода.

2 Разработаны схемотехнические модели УВ и АИ, построенных на базе ТВМП с различным числом пар СКЛ ТК на основании упрощенных моделей ключевых элементов, для исследования эффективности их работы в установившихся и аварийных режимах работы с целью ускорения создания нового класса УВ и АИ, построенных на базе ТВМП. Новизна моделей подтверждена их регистрацией во ВНТИЦ РФ.

3 На основании геометрической интерпретации круговой обмотки ТВМП разработаны методики расчета параметров ТО и КО УВ и АИ с ТВМП, позволяющие определять оптимальное соотношение чисел витков фазных обмоток и секций КО ТВМП для заданного числа пар СКЛ.

4 С использованием разработанных схемотехнических моделей проведено исследование энергетических характеристик и показателей качества питающего и выходного напряжения УВ с ТВМП при различном числе пар СКЛ и различных характерах нагрузки, которое показало, что управляемые выпрямители при нечетном числе пар СКЛ имеют лучшие показатели качества напряжения, тока и энергетические характеристики, чем при четном числе пар СКЛ.

5 Исследования энергетических характеристик и показателей качества напряжения и тока АИ с ТВМП с использованием разработанных схемотехнических моделей подтвердили, что АИ с ТВМП при нечетном числе пар СКЛ, также как и УВ с ТВМП, имеют лучшие показатели качества напряжения, тока и энергетические характеристики, чем при четном числе пар СКЛ, что позволяет выработать рекомендации по выбору оптимальных

224 силовых структур ПП с ТВМП с точки зрения показателей качества, массогабаритных и стоимостных показателей.

6 Предложены алгоритмы, способы управления, структурные и принципиальные схемы разомкнутых и замкнутых систем управления CKJI ТК УВ и АИ, построенные на базе ТВМП, когда ТК содержит различное число пар CKJI, проведено их схемотехническое моделирование и проверена эффективность их работы при набросах и сбросах нагрузки.

7 Проведены экспериментальные исследования форм кривых выходных напряжений лабораторных макетов УВ с ТВМП с различным числом пар СКЛ, подтвердившие результаты схемотехнического моделирования.

8 Выполнены сравнительные исследования вибрационных характеристик трансформаторов со стержневыми и цилиндрическими магнитопроводами а также экспериментальные исследования вибрационных характеристик УВ с ТВМП, при различном числе пар СКЛ и различном характере нагрузки.

Возможные направления дальнейших исследований:

1 Исследование работы УВ с ТВМП в режиме ведомого сетью инвертора.

2 Разработка реверсивного и обратимого преобразователей с ТВМП.

3 Исследование УВ, АИ, реверсивных и обратимых преобразователей с ТВМП в различных режимах работы.

4 Разработка микропроцессорных СУ УВ, АИ реверсивного и обратимого преобразователей с ТВМП.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Музыка, Михаил Михайлович, 2008 год

1. АваиесовВ.М. Инвариантное управление следящим инвертором напряжения.// «Электротехнка», №4,1999, с 34-40.

2. Агунов М.В. Энергетические процессы в электрических цепях с несинусоидальными режимами и ихэффективность.Кишинев-Тольятти: МолдНИИТЭИ, 1997 г.- 84с.

3. Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранскгш В.А. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. — Л.: Судостроение, 1986.

4. Амелина М., Амелин С. Основные правила моделирования электронных устройств с использованием программ схемотехнического анализа. http://microcap-model.narod.ru

5. АнисгшовЯ.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. — Л.: Судостроение, 1990. -264 с. ил.

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

7. Анисгшов 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.

8. Анхимюк В. Л., Ильин О. П., Шейна Г. П. и др.Одноканальная система управления выпрямителем с широким диапазоном регулирования угла зажигания.//Электротехника.1970, № 11,с.8-10.

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

10. 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.

11. Брускин Д.Э., Зорохович.А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины,.// М., Высшая школа, 1979,4.1 288 с, ч.2, 304 с.

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

13. Влияние статических преобразователей и мощных нагрузок на питающую сеть.//Свиридов Г.М., Кузнецов Л.Е., Малышев Н.Г., Хомяк В.А.//Л., Судостроение, № 5, 1976, с. 41-53.

14. Вольдек А.И. Электрические машины.// Л., Энергия, 1974, 840 с.

15. Вчерашний В. П., Баранова Э. Г., Лукьянов Л. М. Одноканальные системы управления многофазными вентильными преобразователями. — «Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника», 1970, вып. 7, с. 110—14

16. Гармонический анализ кривой МДС трансформатора с вращающимся магнитным полем.// Атрощенко В.А.и др.//Изв. Вузов Электромеханика, №1-2,1997, с.9-12.

17. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. MatLab 6.0 //С.Пб., КОРОНА принт, 2001, 320 с.

18. Голъдберг О.Д. Испытания электрических машин. Учебник для вузов. 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2000.

19. Деревянченко А.Е. и др. Подавление радиопомех, создаваемых мощными статическими преобразователями// Электротехника, 1973, № 6, с. 32-34.

20. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока.// Л., Энергия, 1974, 504 с.

21. Донской А.В., Кулик В.Д. Теория и схемы тиристорных инверторов повышенной частоты с широтным регулированием напряжения.//Л., Лизд. Энергия, 1980, 158 с.

22. ЕфгшовА.А., ШрейнерР.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с.

23. Зюбин В. Ф., Лабунцов В. А. Построение цифровых систем управления24.