Исследование электромагнитных процессов в компенсированном преобразователе частоты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат технических наук Дзюба, Михаил Александрович

• Дзюба, Михаил Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дзюба, Михаил Александрович

Введение

1 Анализ схемных решений преобразователей частоты со звеном постоянного тока

1.1 Схемы выпрямителей, используемые в составе преобразователей частоты

1.2 Сравнение вариантов схем автономных инверторов

1.3 Анализ существующих исследований преобразователей частоты со звеном постоянного тока

1.4 Выводы по главе

2 Исследование статических характеристик компенсированного преобразователя частоты

2.1 Аналитическая связь параметров выпрямителя и автономного инвертора тока

2.2 Внешние и энергетические характеристики выпрямителя и их влияние на автономный инвертор

2.3 Входные и внешние характеристики автономного инвертора тока

2.4 Выводы по главе

3 Исследование электромагнитных процессов в компенсированном преобразователе частоты в установившихся и переходных режимах

3.1 Представление комплекса «питающая сеть -компенсированный выпрямитель - сглаживающий дроссель - автономный инвертор тока - нагрузка» цепью с многополюсными компонентами

3.2 Формирование полной системы уравнений комплекса

3.3 Анализ свойств компенсированного преобразователя частоты в установившихся режимах

3.4 Динамические процессы в компенсированном преобразователе частоты

3.5 Выводы по главе 90 4 Подтверждение теоретических выводов и инженерная методика расчета

4.1 Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в компенсированном преобразователе частоты

4.2 Инженерная методика расчета компенсированного преобразователя частоты

4.3 Пример расчета компенсированного преобразователя частоты

4.4 Выводы по главе 109 Заключение 111 Литература 113 Приложение № 1 122 Приложение №2 129 Приложение №

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электромагнитных процессов в компенсированном преобразователе частоты»

Актуальность проблемы. Одной из важнейших в политике энергосбережения является проблема снижения потерь и повышения качества электрической энергии в электрических сетях энергоемких производств. Современные тенденции развития технологий требуют использования систем электроснабжения на основе устройств силовой преобразовательной техники (СПТ). Большой шаг, сделанный в последние годы в области создания новых классов электронных приборов, таких структур как GTO, IGCT тиристоры и IGBT транзисторы, определяет направление совершенствования СПТ. Создаются системы электроснабжения с мощными выпрямителями на основе указанных приборов. Улучшаются уже известные способы повышения электромагнитной совместимости СПТ с питающей сетью (ПС) за счет новых схемных решений, алгоритмов и способов управления на базе современных силовых вентилей. Однако наряду с хорошей управляемостью процессами такие системы пока еще имеют ряд недостатков, связанных со сложностью как схемных решений, проектированием, наладкой и эксплуатацией, так и с достаточно высокими экономическими затратами. Поэтому по-прежнему остается актуальной задача создания простых как в исполнении, так и в эксплуатации, но вместе с тем и эффективных устройств СПТ, использующих принципы полезного применения естественных физических свойств индуктивно-емкостных схем. Это позволяет проектировать максимально надежные, не требующие больших затрат системы электроснабжения на основе СПТ, удовлетворяющие всем современным требованиям по энергосбережению.

Уже существует ряд хорошо проработанных в этом направлении теорий компенсированных выпрямителей. Однако область возможного использования этого класса выпрямителей становится шире, если учесть, что в качестве нагрузки может выступать не только элемент с неизменной топологией в виде двигателя постоянного тока, электролизной серии и других подобных им, но и автономный инвертор, составляющий в купе с выпрямителем преобразователь частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока.

Все чаще для электротехнологий требуются источники питания с регулируемой частотой на основе эффективных, энергосберегающих преобразователей. В связи с этим актуальной задачей развития современной преобразовательной техники является проведение дополнительных исследований по работе компенсированных выпрямителей на нагрузку с изменяемой топологией, оказывающую влияние на процессы, происходящие во всем комплексе «питающая сеть -компенсированный выпрямитель — сглаживающий реактор - автономный инвертор — нагрузка».

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование нового типа ПЧ со звеном постоянного тока, построенного на основе совместной работы компенсированного выпрямителя и автономного инвертора тока.

Идея работы заключается в использовании компенсированных выпрямителей в составе ПЧ со звеном постоянного тока.

Методы исследования. В основу анализа статических характеристик комплекса на математической модели положен метод основной гармоники. Для анализа электромагнитных процессов в компенсированном преобразователе частоты (КПЧ) с помощью цифровой модели при формировании полной системы уравнений применялись теория графов и смешанный контурно-узловой метод (СКУ). Численное решение полной системы уравнений на ЭВМ проводилось с помощью метода Рунге-Кутта. При оценке спектрального состава напряжений и токов использован метод гармонического анализа. Так же были применены элементы дифференциального и интегрального исчислений.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту: — возможность совместной работы компенсированного выпрямителя с автономным инвертором тока; для снижения уровня потребления реактивной мощности ПЧ со звеном постоянного тока целесообразно использовать схемы на основе компенсированных выпрямителей; установленное оборудование ПЧ с двенадцатифазными компенсированными выпрямителями с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы нечетнократных - пятой и седьмой гармоник токов преобразовательных блоков используется эффективнее, чем при традиционных способах компенсации реактивной мощности; результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных процессов в КПЧ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием метода основной гармоники при общепринятых допущениях в математической модели, смешанного контурно-узлового метода и метода Рунге-Кутта при цифровом моделировании, а так же удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными. Научное значение работы: впервые получено аналитическое выражение связи основных параметров компенсированного выпрямителя и автономного инвертора тока; впервые разработана цифровая модель КПЧ с учетом конечного значения индуктивного сопротивления сглаживающего реактора, активных сопротивлений и токов намагничивания трансформатора и реакторов; результаты анализа электромагнитных процессов в КПЧ позволили сформулировать критерии выбора элементов силовой части предложенной схемы.

Практическое значение работы: предложена новая энергоэффективная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока; разработана инженерная методика расчета, позволяющая рассчитать параметры основных элементов, предложенной схемы КПЧ; разработана и реализована физическая модель КПЧ, с помощью которой подтверждены теоретические выводы.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к использованию ОАО «Южноуральский арматурно-изоляторный завод» при реконструкции установки плавки металла на основе тиристорного преобразователя частоты.

Оформленные в виде отдельных разделов и математических моделей результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ЮУрГУ в курсах «Основы энергосберегающей энергетической электроники», «Системы электроснабжения на основе устройств силовой преобразовательной техники».

Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях ЮУрГУ, на Международной научно-технической конференции «Уральская металлургия на рубеже тысячелетий» (ЮУрГУ, г. Челябинск, 1999), научно-практической конференции «Энергосбережение в промышленности и в городском хозяйстве» (ЮУрГУ, г. Челябинск, 2000), Межотраслевой научно-технической конференции «Дни науки ОТИ МИФИ» (г. Озерск, апрель 2002), Научно-технической конференции «Электроснабжение, электрооборудование, энергосбережение» (г. Новомосковск, 2002).

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 печатных трудов.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 80 стр. основного текста, 47 иллюстраций, 9 стр. списка литературы из 75 наименований, 3 приложения. Общий объем работы составляет 157 стр.

Заключение диссертации по теме «Силовая электроника», Дзюба, Михаил Александрович

§4.4 Выводы по главе

1. Разработана и изготовлена физическая модель КПЧ.

2. На физической модели подтверждена работоспособность исследуемого комплекса.

3. Экспериментальные исследования, проведенные на физической модели подтвердили выводы второй главы о влиянии внешних характеристик компенсированного выпрямителя на статические характеристики КПЧ.

4. КПЧ способен функционировать при любом режиме работы компенсированного выпрямителя (некомпенсированном, компенсированном, с повторной проводимостью и без повторной проводимости), что подтверждают полученные осциллограммы.

5. Разработана инженерная методика, позволяющая рассчитать основные параметры всех элементов комплекса.

6. Практическое применение разработанной инженерной методики реализовано при расчете и изготовлении физической модели КПЧ.

Заключение

В диссертационной работе представлено новое решение актуальной научно-технической задачи — исследование работы компенсированных выпрямителей на нагрузку с изменяемой топологией. При этом получены следующие основные результаты:

1. Анализ современного состояния проблемы создания энергоэффективных ПЧ подтвердил необходимость исследования комплекса на основе компенсированного выпрямителя и АИТ.

2. Предложена новая схема ПЧ со звеном постоянного тока, обладающего высокими показателями электромагнитной совместимости с ПС и выгодными массогабаритными показателями.

3. Получена аналитическая связь основных параметров компенсированного выпрямителя с параметрами АИТ при общепринятых допущениях. Это позволило обобщить теорию КПЧ, где вариант питания АИТ от некомпенсированного выпрямителя является частным случаем.

4. Анализ результатов, полученных с помощью цифровой модели, показал, что КПЧ может устойчиво работать во всех известных номинальных режимах выпрямителя и АИТ.

5. Разработана инженерная методика расчета КПЧ с оптимальными параметрами схемы и массогабаритными показателями, учитывающая требования технологии, системы электроснабжения и параметры ПС.

6. Выработаны рекомендации по использованию предложенной схемы КПЧ.

7. Эксперименты, проведенные на разработанной и выполненной физической модели КПЧ, подтвердили теоретические исследования и показали возможность эффективной компенсации реактивной мощности, потребляемой ПЧ.

8. Результаты теоретических исследований приняты к использованию «Южноуральским арматурно-изоляторным заводом» в перспективе развития производства и внедрены в учебный процесс ЮУрГУ в курсах «Основы энергосберегающей энергетической электроники» и «Системы электроснабжения на основе устройств силовой преобразовательной техники».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дзюба, Михаил Александрович, 2004 год

1. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. — М.: Высшая школа, 1980. — 423 с.$. Гельман М.В. Преобразовательная техника. 4.2. — Челябинск: ЮУрГУ, 2002. — 104 с.

2. Поссе А.В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока. — Л.: Энергия, 1973. — 303 с.

3. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. — М.: Высшая школа, 1967. — 527 с.

4. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их роль на промышленных предприятиях. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 167 с.

5. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качества электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 297 с.

6. Добрусин Л.А. Широкополосные фильтрокомпенсирующие устройства для тиристорных преобразователей //Электричество, 1985. —№4. —С. 27-30.

7. Патент 2643934 (ФРГ). Einrichtung zur Kompensation der Blindleistung eines Verbrauchers, der aus einem mehrphasigen Wechselspannungsnetz gespeist ist, und/oder zum Verminden der Unsymmetrie in diesem Wechselspannungsnetz //Siemens AG, 1978.

8. Ворфоломеев Г.Н., Мятеж С.В. Шуров Н.И. Многопульсовые выпрямители с трансформаторными преобразователями числа фаз //Электрика, 2001. — №9. — С.25-28.

9. Брайловский М.И., Жемеров Г.Г. Управляемый выпрямитель на запираемых тиристорах. //Техническая электродинамика, 1990. — №3. —С. 43-48.

10. Жемеров Г.Г., Ильин Н.А., Крылов Д.С. Преобразователь с единичным коэффициентом мощности. //Техшчна електродинамша, тематичшй выпуск: Проблеми сучасноТ електротехшки. — 4.4, 2000.

11. Жемеров Г.Г., Соколов Е.И., Крылов Д.С. Новый класс преобразователей перменного напряжения в постоянное, электромагнитно совместимых с питающей сетью. //Техшчна електродинамша, тематичнш випуск: Силовая електрошка та енергоефективнють. — 4.1, 2001.

12. Жемеров Г.Г., Крылов Д.С. Характеристики управляемого выпрямителя в режиме полной компенсации реактивной мощности. //Электричество, 2002. — №11. — С.40^16.

13. Жемеров Г.Г., Крылов Д.С. Гармоники в сетевом токе компенсированного управляемого выпрямителя. //Техшчна електродинамша, 2001. — №6. — С.26-31.

14. Глинтерник C.P. Тиристорные преобразователи со статическими компенсирующими устройствами. — Л.: Энергоатомиздат, 1988. — 240 с.

15. Глинтерник С.Р. Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей. — Л.: Изд-во Наука, 1968. — 308 с.

16. Булатов О.Г., Шитов В.А. Вентильный преобразователь с высоким коэффициентом мощности и уменьшенным влиянием на питающую сеть //В кн.: Уменьшение искажений в цепях с силовымиу* полупроводниковыми преобразователями. — Таллин: АН ЭССР,1981. —С. 59-64.

17. Булатов О.Г., Лабунцов В.А., Шитов В.А. Особенности применения принудительной коммутации в ведомых сетью преобразователях //Электричество, 1985. —№12. — С. 30-37.

18. Мишин В.Н., Кузьмин В.Л., Леонов В.В. Исследование ^ электромагнитных процессов двухмостового компенсационногопреобразователя //В кн.: Электромеханические системы и устройства автоматического управления. — Томск: ТГУ, 1977. — С. 97-101.

19. Глинтерник С.Р., Ушаков Ю.А. Электромагнитные процессы в преобразователе с сериесными конденсаторами при учете пульсаций выпрямленного тока //Электромеханика, 1974. — №4. — С. 28-36.

20. Вентильные преобразователи с конденсаторами в силовых цепях /А.В. Баев, Ю.К. Волков, В.П. Долинин, В.Я. Корнеев. — М.: Энергия,1. Ъ 1969. —256 с.

21. Хумадханов М.З., Палванов В.Г. Компенсационные выпрямители. — Ташкент: АН УзССР, 1973. — 192 с.

22. Pirog S. Sterowanie trojfazowego mostkowego prostownika tyrystorowego zmniejszajace skladow^ biernq. podstawowej harmonieznej pr^du zrodfa. //Prz.elektrotechn., 2000, 76. — №9. — C. 213-218.

23. Zhang Xing, Zhang Chongwei Diangong jishu xuebao. //Trans. China Elektrotech. Soc., 2001, 16. — №3. — C. 39-43.

24. Хохлов Ю.И. Компенсированные преобразовательные системы электропитания с нечетнократной составляющей спектра тока блоков в коммутирующих конденсаторах в статике и динамике //Силовая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве:к

25. Тезисы докладов VIII Всесоюзной научно-технической конференции. — Челябинск: ЧПИ, 1989. — С. 153-154.

26. Хохлов Ю.И. Компенсированные многофазные преобразователи //Электротехника, 1989. —№7. —С. 12-17.

27. Хохлов Ю.И., Красногорцев И.Л. Схемы и характеристики компенсированных многофазных преобразовательных систем с конденсаторами, работающими при повышенной частоте

28. Электричество, 1985. — №4. — С. 38-42.

29. Хохлов Ю.И., Красногорцев И.Л. Электромагнитные процессы в компенсированном преобразователе с резонансными явлениями в контуре уравнительного тока //Электричество, 1988. — №4. —1. С. 34-41.

30. Хохлов Ю.И. Схемные варианты двенадцатифазных компенсированных преобразовательных систем с пятой и седьмой гармониками тока в конденсаторах //Промышленная энергетика, 1985. —№4. —С. 29-33.

31. Хохлов Ю.И. Компенсированные выпрямители с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы нечетнократных гармоник токов преобразовательных блоков. — Челябинск: ЧГТУ, 1995. — 355 с.

32. Хохлов Ю. И., Титов И. П., Никулин Д. Н., Дзюба М.А., Прохоров В.В. Энергосбережение в системах электроснабжения //В кн.: Стратегия энергосбережения. Региональный подход. — Челябинск: Южно-Уральский издательско-торговый дом, 1999. — С.178-185.

33. Автономные тиристорные резонансные инверторы с комбинированной рекуперацией энергии для электротехнологических нагрузок /Шипицын В.В., Лузгин В.И., Волков И.В., Губаревич В.Н. — Киев, 1991. — 56 с.

34. Раскин Л.Я. Стабилизированные автономные инверторы тока на тиристорах. — М.: Энергия, 1970. — 95 с.

35. Ф 44. Ковалев Ф.И., Мосткова Г.П., Чванов В.А., Толкачев А.И.

36. Стабилизированные автономные инверторы с синусоидальнымвыходным напряжением. — М.: Энергия, 1972. — 151 с.

37. А.с. 862339 (СССР). Резонансный последовательно-параллельныйинвертор /В.В. Шипицын, В.И. Лузгин, А.А. Новиков, А.В. Абрамов,

38. Д.В. Чуркин //Бюл. изобр., 1981. — №33.j 46. Шипицын В.В., Лузгин В.И., Новиков А.А, Слепухин И.А.,т

39. Акодис М.М., Шипицын В.В., Антонова В.Н., Дягилев В.И., Ухов B.C. Исследование двухмостового последовательного инвертора. — Известия вузов. — Изд-во «Энергетика», 1976. — №2. — С.76-79.

40. А.с. 1598086 (СССР). Автономный последовательный инвертор /В.И. Лузгин, В.А. Глухих, В.В. Шипицын, А.А. Рухман //Бюл. изобр., 1990. —№37.

41. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок /Е.И. Беркович, Г.В. Ивенский, Ю.С. Иоффе, А.Т. Матчак, В.В. Моргун. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. —208 с.

42. Бальян Р.Х., Сивере М.А. Тиристорные генераторы и инверторы. — Л.: Энергоиздат, 1982. — 223 с.

43. Сандлер А.С. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями /А.С. Сандлер, Ю.М. Гусяцкий. — М.:Энергия, 1968. — 95 с.

44. Васильев А.С., Гуревич С.Г., Нестеров С.А. Особенности работы выпрямителей, питающих статические преобразователи средней частоты //Электричество, 1981. — №2. — С. 40-44.

45. Аллилуев А.А., Шинкаренко Г.В. Переходные режимы в преобразовательных системах «выпрямитель реактор — инвертор» //Электричество, 1981. — № 1. — С. 38-51.

46. W. Berkman, P. Berowski, S. Serafin, К. Zymmer Optimization of D.C. link reactor of indirect frequency converter for induction heating //Техшчна електродинамжа, 2000. — №10. — С. 81-84.

47. Кантер И.И. Преобразовательные устройства в системах электроснабжения. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. — 258 с.

48. Лузгин В.И. Многоинверторные средне-частотные преобразователи в системах электропитания индукционных установок /В .И. Лузгин, А.Ю.Петров,В .В .Шипицын,К.В .Якушев //Электротехника, 2002. — N9. — С.57-63.

49. Модель комплекса тиристорных преобразователей с учетом звена постоянного тока /Ю.М. Голембиовский, Г.Э Суманеев //Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода /Сарат. политехи, ин-т. — Саратов, 1992. — С.35-42.

50. Хохлов Ю.И., Дзюба М.А. Статические характеристики компенсированного преобразователя частоты //Вестник ЮУрГУ,119серия «Энергетика» .— Выпуск 3. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003. —№ П. —С. 30-35.

51. Дзюба М.А., Хохлов Ю.И. Компенсированные преобразователи частоты //Межотраслевая научно-техническая конференция «Дни науки ОТИ МИФИ»: Тезисы докладов. — Озерск Челябинской обл.: Изд-во ООО «Форт Диалог Исеть», 2002. — С.138-139.

52. Хохлов Ю.И., Дзюба М.А., Хусаинов Ш.Н. Исследование компенсированного преобразователя частоты //Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика» . — Выпуск 1.— Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001, —№4. —С.38-43.

53. Хохлов Ю.И., Хусаинов Ш.Н. Анализ сложных многофазных вентильных цепей контурно-узловым методом //Электричество, 1989. —№2. —С. 43-51.

54. Слухоцкий А. Е. Индукторы. — JL: Машиностроение, 1979. — 72 с.

55. Простяков А. А. Индукционные нагревательные установки. — М.: Энергия, 1970.

56. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. — Л.: Энергоатомиздат, 1988. — 271 с.

57. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. — JI.: Энергия, 1975. — 183 с.

58. Владимиров С. Н., Земан С. К, Уваров А. Ф. Аналитические соотношения для практического расчета индукционных установок высокочастотного нагрева /Сборник под ред. Ю. А. Шурыгина. — Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2000. — 297с.

59. Хусаинов Ш.Н. Смешанный контурно-узловой метод анализа электрических схем с многополюсными элементами //Теоретическая электротехника, 1976. — №20. — С. 53-59.

60. Кузнецов Ю.И. Построение и анализ РК-схем /под ред. С.С. Артемьева; АН СССР, Сиб. отд-ние ВЦ. — Новосибирск: ВЦ CP АН СССР, 1990. — 132 с.

61. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: ГОСТ 13109-97. — Взамен ГОСТ 13109-87; введ. 01.01.99.

62. Аранчий Г.В., Жемеров Г.Г., Эпштейн И.И. Тиристоные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов. — М.: Энергия, 1968. — 128 с.

63. Донской А.В., Ивенский Г.В. Электротермические установки с ионными преобразователями повышенной частоты. — Л.: Энергия, 1964. —211 с.

64. Расчет пульсаций тока в реакторах шестифазного и двенадцатифазного преобразователей /Зборовский И.А. //Электричество, 1992. — №11. — С. 28-36.