Обоснование проектирования реактивных элементов преобразовательных устройств электропитания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Спиридонов, Евгений Игоревич

• Спиридонов, Евгений Игоревич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Спиридонов, Евгений Игоревич

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы разработки реакторов преобразовательных устройств.

§1.1. Назначение реакторов, их основные функции и особенности режимов работы в преобразовательной технике.

§1.2. Существующие методы расчета реакторов преобразовательных устройств.

Постановка задачи.

Глава 2. Динамические явления в обмотках реакторов.

§2.1. Поверхностный эффект и добавочные потери в проводах обмоток при периодической форме тока.

2.1.1. Реакторы без магнитопровода.

2.1.2. Реакторы с магнитопроводом.

§2.2. Поверхностный эффект и добавочные потери в проводах обмоток при импульсной форме тока.

2.2.1. Реакторы с магнитопроводом.

2.2.2. Реакторы без магнитопровода.

§2.3. Поверхностный эффект и добавочные потери в обмотках из ленточного провода (фольги).

2.3.1. Реакторы с магнитопроводом.

2.3.2. Реакторы без магнитопровода.

§2.4. Плотность тока и выбор сечений проводов обмоток при повышенных частотах и значительных мощностях ЭЭ.

§2.5. Тепловой расчет ЭЭ.

§2.6. Выводы по главе 2.

Глава 3. Критериальные комплексы теории подобия для реакторов.

§3.1. Критерии подобия для реакторов.

3.1.1. Основы теории подобия.

3.1.2. Параметры реакторов.

3.1.3. Критерии подобия для реакторов на магнитопроводе.

§ 3.2. Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование и расчет реакторов электротехнических комплексов.

§4.1. Расчет реакторов фильтров.

§ 4.2. Расчет реакторов переменного тока и коммутирующих реакторов.

§ 4.3. Особенности расчета реакторов при несинусоидальном периодическом и импульсном воздействии на повышенной частоте.

4.3.1. Несинусоидальное периодическое воздействие.

4.3.2. Импульсное воздействие.

§ 4.4. Расчет реакторов без магнитопровода.

§ 4.5. Граничная частота для реакторов переменного тока.

§ 4.6. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование проектирования реактивных элементов преобразовательных устройств электропитания»

Реактивные элементы (РЭ), в частности коммутирующие реакторы и дроссели фильтров, являются непременными элементами многих электротехнических комплексов и систем различного промышленного назначения, в том числе и преобразовательных устройств. В силу разнообразных требований, предъявляемых к реакторно-трансформаторному оборудованию, электромагнитные элементы наименее унифицированы. Они проектируются индивидуально по конкретным условиям, обусловленным спецификой их работы.

В настоящее время потребность промышленности в совершенствовании методов проектирования реакторов возрастает, ибо в этом одно из условий конкурентноспособности продукции (скорость, качество, быстрое и точное соблюдение требований заказчика).

Совокупность разработок в данном направлении показывают видимую возможность решения задач на общих физических и методических принципах.

Данная работа является дальнейшим развитием идей и концепций, направленных на создание методов достоверного расчета, основанных на получении новых знаний о физике процессов в реакторах и совершенствовании компьютерных процедур их проектирования. Работа неоднократно включалась в координационные планы и ведомственные программы.

Повышение частоты тока, протекающего по обмотке проектируемых преобразователей, использование произвольных форм воздействующих напряжений и токов потребовало дополнить существующую теорию новыми разработками, учесть те факторы, которые ранее можно было бы не учитывать вообще или учитывать приближенно. В основном они связаны с поверхностным эффектом в обмотках и в магнитопроводе и с их последствиями. Анализ потерь в обмотках электромагнитных элементов при синусоидальном и несинусоидальном воздействиях широкого спектра частот — актуальная задача правильного учета указанных факторов.

Создание ресурсосберегающих технологий и конструкций является другой весьма актуальной в настоящее время задачей. Средством решения этой задачи является разработка такой методики расчета реактора, при проектировании по которой, реактор был бы оптимальным по массо-габаритным показателям, расход материалов, требуемых для его изготовления, был минимальным, чтобы потери энергии в нем были бы минимальны, и чтобы для реализации расчета требовалось минимальное рабочее время.

В основу алгоритмов расчета и проектирования реакторов положены критерии подобия оптимальных РЭ, разработанных на основе теории подобия. Числовые значения критериев найдены из анализа параметров разработанных ранее РЭ, то есть на основании рекомендаций, полученных из практики проектирования. В определенном диапазоне мощностей (от нескольких десятков В А до 4 - 5 кВА), частот (от 50 Гц до 30 - 40 кГц), напряжений (до 1000 В) критерии подобия имеют одинаковые численные значения. Использование критериев подобия позволяет определить главную величину - объем магнитопровода, на котором может быть реализован РЭ, удовлетворяющий исходным требованиям, в том числе и заданному перегреву.

Целью диссертации является повышение достоверности априорной оценки параметров реакторов, с учетом добавочных потерь в обмотках на этапе проектирования и разработка эффективной методики расчета реакторов, оптимальных по массо-габаритным показателям, позволяющей снизить временные затраты на проектирование электромагнитных элементов и уменьшить себестоимость опытных образцов.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением ряда частных задач:

• анализ факторов, определяющих адекватность методики расчета реактивных элементов и достоверность априорных оценок;

• разработка методики определения площади сечений токонесущих элементов по совокупности физических и геометрических параметров реактора;

• разработка методики для реакторов с ленточной обмоткой;

• разработка методики массогабаритной оптимизации реакторов; разработка алгоритмов и программного обеспечения для расчета, проектирования и изготовления реактивных элементов.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории подобия, математический аппарат дифференциальных уравнений в частных производных, методы теории функций комплексного переменного, методы структурного анализа и проектирования.

Научная иовизна:

Признаки научной новизны содержат следующие результаты исследований:

• анализ факторов, влияющих на массогабаритные характеристики типовых реакторов;

• физический механизм влияния профиля токонесущих элементов и частоты протекающих токов на уровень потерь в реакторах;

• алгоритмы априорной оценки добавочных потерь в реакторах;

• алгоритмы оптимизации конструктивных параметров реакторов по совокупности требований к ним;

• методика прогнозирования характеристик реактора по фактическим параметрам его элементов на определенных стадиях изготовления;

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается физической и математической корректностью постановки задачи и методами их решения, организацией экспериментов, хорошим совпадением расчетных значений функциональных параметров электромагнитных элементов с измерениями на готовых образцах.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные методики и алгоритмы обеспечивают:

• повышение функциональной полноты систем автоматизированного проектирования и изготовления реакторов, оптимальных по массо-габаритным показателям;

• априорную оценку параметров изделия на любой стадии проектирования и изготовления;

• снижение затрат (а во многих случаях полное исключение) на проведение стендовых испытаний и изготовление опытных образцов;

• создание ресурсосберегающих конструкций реакторов;

• сокращение потерь энергии в реакторах.

Реализация результатов.

Результаты работы используются в ЗАО «Электротехнические системы 1» при проектировании и изготовлении реакторов серийных и модернизированных конструкций.

Апробация работы.

Отдельные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку

- на IV Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы преобразовательной техники», г. Чернигов, 1987г.;

- на III Всесоюзном научно-техническом совещании «Применение вычислительной техники для исследования и автоматизации проектирования преобразователей», г. Николаев, 1989 г.;

- на II Международной научно-технической конференции «Проблемы создания подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями», г. Рига, 1990 г.;

- на научной конференции ВНВТУ им. Каблешкова, г.София, Болгария, 1990 г.;

- на заседаниях кафедры «Компьютерных технологий и программного обеспечения» СЗТУ, 2003-2006 гг.

- на заседаниях кафедры «Теоретические основы электротехники» ПГУПС, 2001-2007 гг.

Публикации:

Основные положения диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа изложена на 119 страницах. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Содержит 19 рисунков и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Спиридонов, Евгений Игоревич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации представлено комплексное решение задачи достоверного определения параметров реактивных элементов (РЭ), в частности коммутирующих реакторов и дросселей фильтров, являющихся непременными элементами многих электротехнических комплексов и систем различного промышленного назначения, в том числе и преобразовательных устройств, на этапе их проектирования по заданным техническим условиям.

В основу решения указанной задачи положена созданная автором методика расчета и проектирования реакторов, оптимальных по критерию минимального объема, с учетом добавочных потерь в обмотках.

Разработанные решения доведены до практической реализации и обеспечивают возможность эффективного функционирования системы автоматизированного расчета и проектирования реакторов.

Наиболее существенные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Сформированы критериальные комплексы, отображающие фактологическую основу (прежний опыт) для проектирования типовых реакторов.

2. Предложены способы повышения достоверности априорных оценок параметров реакторов по критериям подобия путем введения коэффициентов, учитывающих влияние несинусоидальности и добавочных энергетических потерь.

3. Разработаны методики определения величины сечения токонесущих элементов по совокупности влияющих факторов с учетом прежнего опыта (критериев подобия), что по существу представляют собой методики выбора оптимальной плотности тока.

4. На основе разработанных методик расчета отдельных параметров и критериальных комплексов созданы алгоритмы и программное обеспечение для автоматизации процедур массо-габаритной оптимизации реакторов и прогнозирования их функциональных характеристик по фактическим параметрам структурных компонентов.

5. Разработанные алгоритмы и программы автоматизированного расчета реакторов получили практическую реализацию в ЗАО «Электротехнические системы 1» при проектировании и изготовлении серийных изделий, и на других предприятиях России.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Спиридонов, Евгений Игоревич, 2008 год

1. Русин, Ю.С. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры: справочник / Ю.С.Русин, С.Я.Гликман, А.Н.Горский. М.: Радио и связь, 1991. - 224 с.

2. Горский, А.Н. Методы расчета реакторно-трансформаторного оборудования преобразовательных устройств при минимизации массы и габаритов: автореф. дис.докт. техн. наук / Горский Анатолий Николаевич; Петерб. гос. ун-т путей сообщ. СПб., 1994. - 24 с.

3. Руденко, B.C. Основы преобразовательной техники: 2-е изд. / В.С.Руденко, В.Н.Сенько, И.М.Чиженко. М.: Высшая школа, 1980. - 424 с.

4. Розанов, Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты / Ю.К.Розанов. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 184 с.

5. Горский, А.Н. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания / А.Н.Горский, Ю.С.Русин, Н.Р.Иванов, Л.А.Сергеева. М.: Радио и связь, 1988. - 176 с.

6. Буланов, О.Г. Тиристорно-конденсаторные преобразователи / О.Г.Буланов, А.И.Царенко. М.: Энергоиздат, 1982. - 216 с.

7. Исследование и оценка характеристик систем электроснабжения и их компонентов на основе выбора облика комплекса: отчет по НИР / Военно-инженерная академия им. Ф.Э. Дзержинского; рук. Гуров А.А. М., 1990. -123с. - А/125992-90.

8. Видмар, М. Трансформаторы / М.Видмар. М.: ГОНТИ, 1931. - 592 с.

9. Петров, Г.Н. Трансформаторы: в 2 т. / Г.Н.Петров т.1. Основы теории. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1934. - 446 с.

10. Петров, Г.Н. Электрические машины: в 2 т. / Г.Н.Петров. М.: Госэнергоиздат, 1956.-296 с.

11. Пиотровский, Л.М. Трансформаторы / Л.М.Пиотровский. Л.: Кубуч, 1933. -257 с.

12. Булгаков, Н.Н. Расчет трансформаторов / Н.Н.Булгаков. М.: Госэнергоиздат, 1950.-302 с.

13. Сапожников, А.В. Конструирование трансформаторов / А.В.Сапожников. М.: Госэнергоиздат, 1959. - 360 с.

14. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов / П.М.Тихомиров. М.: Энергия, 1976.-544 с.

15. Васютинский, С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов/ С.Б.Васютинский. Л.: Энергия, 1970. - 432 с.

16. Лейтес, Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов / Л.В.Лейтес. М.: Энергия, 1981. - 392 с.

17. Буткевич, Г.В. Реакторы / Г.В.Буткевич, В.В.Михайлов, И.И.Ратгауз. М.: Госэнергоиздат, 1933.-291 с.

18. Стернин, В.Г. Сухие токоограничивающие реакторы / В.Г.Стернин, А.К.Карпенский. -М. -Л.: Энергия, 1965. 256 с.

19. Бальян, Р.Х. Трансформаторы малой мощности / Р.Х.Бальян. — Л.: Судпромгиз, 1961. 367 с.

20. Цыкин, Г.С. Трансформаторы низкой частоты / Г.С.Цыкин. М.: Связьиздат, 1955.-431 с.

21. Ицхоки, Я.С. Импульсные трансформаторы / Я.С.Ицхоки. М.: Связьиздат, 1950.-216 с.

22. Бальян, Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники / Р.Х.Бальян. М.: Советское радио, 1971. - 720 с.

23. Белопольский, И.И. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности / И.И.Белопольский, Е.И.Каретникова, Л.Г.Пикалова. М.: Энергия, 1973.- 399с.

24. Бертинов, А.И. Тороидальные трансформаторы статических преобразователей/ А.И.Бертинов, Д.В.Кофман. М.: Энергия, 1970. - 96 с.

25. Ермолин, Н.П. Расчет трансформаторов малой мощности / Н.П.Ермолин. Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1969. - 192 с.

26. Бамдас, A.M. Дроссели переменного тока радиоэлектронной аппаратуры (катушки со сталью) / А.М.Бамдас, Ю.А.Савиновский. М.: Советское радио, 1969.-248 с.

27. Бамдас, A.M. Дроссели фильтров радиоаппаратуры / А.М.Бамдас, Ю.А.Савиновский. М.: Советское радио, 1962. - 176 с.

28. Матханов, П.Н. Расчет импульсных трансформаторов / П.Н.Матханов, Л.З.Гоголицын. Л.: Энергия, Ленингр.отд-ние, 1980. - 109 с.

29. Баев, Е.Ф. Индуктивные элементы с ферромагнитными сердечниками / Е.Ф.Баев, Л.А.Фоменко, В.С.Цимбалюк. М.: Советское радио, 1976. - 320 с.

30. Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей: справочник / П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. - 488 с.

31. Русин, Ю.С. Расчет электромагнитных систем / Ю.С.Русин. Л.: Энергия, 1968.- 131 с.

32. Русин, Ю.С. Трансформаторы звуковой и ультразвуковой частоты / Ю.С.Русин. Л.: Энергия, 1973. - 151 с.

33. Русин, Ю.С. Проектирование индуктивных элементов приборов / Ю.С.Русин, А.М.Чепарухин. Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние, 1981. - 172 с.

34. Гликман, И.Я. Расчет характеристик элементов цепей РЭА / ИЛ.Гликман, Ю.С.Русин. М.: Советское радио, 1976. - 160 с.

35. Русин, Ю.С. Электропитание гидроакустической аппаратуры / Ю.С.Русин. -Л.: Судостроение, 1986. 104 с.

36. Трансформаторы силовые на кольцевых магнитопроводах. Метод расчета: ГОСТ 22412-77 -М.: Изд.стандартов, 1977.

37. Горский, А.Н. Расчет трансформаторов при синусоидальном напряжении повышенной частоты / А.Н.Горский, Н.Р.Иванов, Ю.С.Русин, Е.И.Спиридонов // Электромеханика. 1990. - № 11. - С. 67.

38. Горский, А.Н. Выбор материалов для магнитопроводов трансформаторов повышенной частоты / А.Н.Горский, Н.Р.Иванов, В.А.Топильский // Электронная техника. Сер.5, Радиодетали и радиокомпоненты. 1988. -Вып. 1(70). - С. 42-44.

39. Манькин, Э.А. Добавочные потери на вихревые токи в обмотках трансформаторов / Э.А.Манькин // Электротехника. 1965. - № 10. - С. 16.

40. Зоммерфельд, А. Электродинамика: пер. с англ. / А.Зоммерфельд. М.: Изд.ин.лит., 1958.-501 с.

41. Ламмеранер, И. Вихревые токи: пер. с англ. / И.Ламмеранер, М.Штафль. М.: Энергия, 1967.-208 с.

42. Справочник по радиотехнике: справочник / Б.А.Смиренин и др.; под ред. Б.А.Смиренина. М. - Л.: ГЭИ, 1950. - 784 с.

43. Крогерис, А.Ф. Эквивалентное сопротивление проводов дросселей коммутации тиристорных преобразователей / А.Ф.Крогерис, К.К.Решевиц,

44. Я.К.Шинка // Изв.АН Латв.ССР. Физико-технические проблемы энергетики. -1983. -№2. С.86.

45. Парселл, Э. Электричество и магнетизм: пер. с англ. / Э.Парселл. М.: Наука, 1971.-448 с.

46. Карасев, В.В. Влияние вытеснения поля на потери от вихревых токов в проводах обмоток трансформаторов / В.В.Карасев, Л.В.Лейтес // Вопросы трансформаторостроения под ред. Э.А. Манькина. М.: Энергия, 1969, с.113-128.

47. Спиридонов, Е.И. Увеличение сопротивления обмоток электромагнитных элементов на повышенной частоте / Е.И.Спиридонов, А.Н.Горский // Электронная техника. Сер.5, Радиодетали и радиокомпоненты. 1988. -Вып.4(73). -С. 39-44.

48. Горский, А.Н. Сопротивление обмотки из ленточного провода на повышенной частоте / А.Н.Горский, Ю.С.Русин, Е.И.Спиридонов // Электронная техника. Сер.5. Радиодетали и радиокомпоненты. 1990. - Вып. 4. - С. 57-59.

49. Морозов, А.В. Сопротивление обмотки из ленточного провода на повышенных частотах / А.В.Морозов, Е.И.Спиридонов // Пробл. машиноведения и машиностроения: Межвуз.сб. СПб.: СЗТУ, - 2006. - Вып.36. - С. 30-35.

50. Русин, Ю.С. Расчет перегрева трансформаторов и дросселей / Ю.С.Русин // Известия вузов. Электромеханика. 1965. — № 12. - С. 1365-1371.

51. Седов, Л.И. Методы подобия и размерностей в механике / Л.И.Седов. М.: Наука, 1972.-268 с.

52. Веников, В.А. Теория подобия и моделирование применительно к задачам электродинамики / В.А.Веников. М.: Высшая школа, 1966. - 196 с.

53. Русин, Ю.С. Об условиях соразмерности трансформаторов и дросселей / Ю.С.Русин // Известия вузов. Энергетика. 1976. - № 3. - С. 30-34.

54. Спиридонов, Е.И. Синтез критериев подобия для систем автоматизированного управления качеством производства реакторов преобразовательных устройств // Изв.вузов. Электромеханика. 2007. - №3. - С. 67-71.

55. Лебедев, А.Н. Простейший формальный метод определения критериев подобия при анализе размерностей / А.Н.Лебедев // Изв.вузов СССР. Энергетика. 1977. - №4. - С. 57-68.

56. Тулин, А.С. Обобщенные условия соразмерности электромагнитных систем / А.С.Тулин // Автоматика и телемеханика. 1960. - T.XXI, №3. - С. 123-127.

57. Горский, А.Н. Расчет дросселей фильтров / А.Н.Горский, Ю.С.Русин, Е.И.Спиридонов // Радиотехника. 1991. - №2. - С. 91-93.

58. Горский, А.Н. Расчет оптимальных реакторов / А.Н.Горский, Е.И.Спиридонов // Пробл. машиноведения и машиностроения: Межвуз.сб. СПб.: СЗТУ, - 2006. -Вып.36. - С. 42-52.

59. Горский, А.Н. Расчет дросселей переменного тока / А.Н.Горский, Е.И.Спиридонов // II младежка научна сессия. Тезисы докл., София. 1990. - С. 45-46.

60. Карасев, В.В. Потери в электротехнической стали при наличии постоянной и переменной составляющих магнитного поля / В.В .Карасев, С.Б.Семенов // Электротехника. 1975. - №4. - С.28.

61. Карасев, В.В. / В.В. Карасев // Электротехника. 1973. - № 3. - С. 42-44.

62. Спиридонов, Е.И. Выбор сечений проводов обмоток трансформаторов и реакторов повышенной частоты / Е.И.Спиридонов, А.Н.Горский, Н.Р.Иванов // Электронная техника. Сер.5, Радиодетали и радиокомпоненты. 1989. - Вып.2 (75). - С.39 - 42.

63. Разработка методов автоматического проектирования реакторно-трансформаторного оборудования источников вторичного электропитания: отчет о НИР / ЛИИЖТ; рук. А.Н.Горский; отв.исполн. Н.Р.Иванов,

64. Е.И.Спиридонов, В.Л.Белозеров, В.А.Топильский, З.Ф.Кузнецова,

65. A.М.Безбородов. Л., - 1988. - 186 с. - № ГР 01860001120.

66. Горский, А.Н. Коммутирующие реакторы и дроссели фильтров с магнитопроводом из порошкового магнитного материала / А.Н.Горский,

67. B.Е.Лакидо, Е.И.Спиридонов; ЛИИЖТ. Ленинград, 1991. - 9 с. - Деп. в ЛЦНТИ 23.11.1991, Инф. листок № 399-01.

68. Горский, А.Н. Потери в обмотках трансформаторов импульсных преобразователей / А.Н.Горский // Электротехн. пром-сть. Сер. Преобразоват. техника. 1984. - Вып.З. - С. 6-8.

69. Иванов, Н.Р. Потери мощности в области немагнитного зазора / Н.Р.Иванов; ЛИИЖТ Ленинград, 1982. - 7 с. - Деп. в ЦНИИ ТЭИ МПС 03.08.82, № 1951.

70. Иванов, Н.Р. Исследование магнитного поля вблизи зазора магнитопровода / Н.Р.Иванов, А.Н.Горский // В сб.: Полупроводниковая техника в устройствах электрических железных дорог. ЛИИЖТ. 1981. - С. 87.

71. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике: 15-е изд. / И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев М.: Наука, 1998. - 608 с.119

72. Спиридонов, Е.И. Автоматизация процедур управления качеством изготовления реакторных компонентов преобразовательных устройств // Вестник Воронежского гос. тех. университета. Сер. Выч. и инф.-телекомуникац. системы. 2007. - Том 3. - №1. - С. 175-178.

73. Спиридонов, Е.И. Методика автоматизированного управления качеством изготовления реакторов преобразовательных устройств // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2007. - Вып.6. - С. 53-56.