Оцінка енергетичних характеристик аперіодичного і коливального заряду конденсаторів від формувача постійної напруги при змінюваній початковій напрузі на конденсаторі. Енергетично доцільний часовий інтервал для шунтування електроіскрового навантаження.
Аннотация к работе
Задачі дослідження енергетичних процесів в електроімпульсних установках значно ускладнюються при необхідності аналізу перехідних процесів в колах заряду й розряду ЄНЕ з урахуванням особливостей зміни електричного опору навантаження. В Інституті електродинаміки НАН України проводились дослідження перехідних процесів в електричних колах електроімпульсних установок, в яких конденсатори розряджаються на навантаження не повністю, причому залишкова напруга на конденсаторі використовувалась як інформація для корекції режимів наступного заряду конденсатора. В той же час залишались недослідженими можливості підвищення енергетичних характеристик електричних кіл заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок при змінюваних умовах перехідних процесів в цих колах та зменшення тривалості розрядних імпульсів у навантаженні. Тому тема дисертації, яка присвячена дослідженню перехідних процесів у зарядних і розрядних колах електроімпульсних установок з урахуванням реальних умов змінення таких процесів та розробці наукових рекомендацій та методик для підвищення енергетичних характеристик досліджуваних кіл та зменшення тривалості імпульсних струмів у навантаженні, є актуальною і має важливе значення для розвитку теоретичної електротехніки. Наукова новизна одержаних результатів: - набула подальшого розвитку теорія перехідних процесів у колах заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок у частині застосування цілеспрямованої зміни умов заряду та розряду, а також аналізу методів підвищення енергетичних характеристик таких кіл та зменшення тривалості перехідних процесів у навантаженні та розрядному колі;За таких умов ККД заряду (тобто відношення дози електричної енергії WC, що надходить у конденсатор, до енергії WФПН, що відбирається від ФПН за весь час заряду конденсатора) ? = 0,5 при будь-яких значеннях лінійних елементів кола R, L, С. З метою визначення найбільш доцільних енергетичних режимів заряду виконано аналіз аперіодичного заряду конденсатора від ФПН UФПН при змінюваних початкових напругах на конденсаторі U0C = var у діапазоні - UФПН <U0C < UФПН. Дози енергії, які надходять у конденсатор при його аперіодичному заряді від ФПН; величини енергії втрат у колі; дози енергії, що відбирається від ФПН і ККД при найбільш характерних значеннях початкових напруг U0С на конденсаторі, наведено в таблиці 1. Результати аналізу зміни дози енергії, що надходить у конденсатор, енергії втрат у колі, дози енергії, що відбирається від ФПН і ККД залежно від зміни початкової напруги U0С на конденсаторі при його коливальному заряді, наведено в таблиці 2. Отримано вираз для максимальної напруги, до якої зарядиться конденсатор при коливальному заряді від ФПН за час , і досліджено залежність цієї напруги від початкових напруг на конденсаторі.У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу подальшого розвитку теорії перехідних процесів у колах заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок у частині використання цілеспрямованої зміни умов таких процесів та розробки рекомендацій щодо підвищення енергетичних характеристик таких кіл та зменшення тривалості імпульсних струмів в навантаженні і перехідних процесів у розрядному колі. Розвинуто теорію перехідних процесів у колах заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок при змінюваних умовах таких процесів, що забезпечило розробку енергоефективних критеріїв оцінки характеристик аперіодичного і коливального зарядів конденсатора від формувача постійної напруги при зміні початкових умов зарядних процесів. Встановлено закономірності зміни ККД і дози енергії в елементах зарядного контуру конденсатора при зміні початкових умов перехідного процесу, які дають змогу здійснити вибір інтервалу зміни початкових напруг на конденсаторі з метою підвищення ККД аперіодичного процесу заряду на 20-30%, а напруги коливального заряду - в 1,6 раз. Визначено умови енергоефективного застосування зворотних звязків між напругою заряду конденсатора і характером його розряду в попередньому циклі, що дало змогу реалізувати в електроімпульсних установках регульовані параметричні залежності, які забезпечують швидкодіючу стабілізацію параметрів розрядних імпульсів. Обґрунтовано критерій вибору параметрів додаткового RL-ланцюга та моменту його підключення до конденсатора для підвищення добротності кола його розряду, що дає змогу зменшити тривалість імпульсних струмів у навантаженні при виникненні аперіодичних розрядів конденсатора.
План
Основний зміст роботи
Вывод
У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу подальшого розвитку теорії перехідних процесів у колах заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок у частині використання цілеспрямованої зміни умов таких процесів та розробки рекомендацій щодо підвищення енергетичних характеристик таких кіл та зменшення тривалості імпульсних струмів в навантаженні і перехідних процесів у розрядному колі. Отримані наукові і практичні результати у сукупності мають істотне значення для теоретичної електротехніки, зокрема для оптимізації режимів у електричних колах електророзрядних установок.
При цьому отримані такі основні наукові та практичні результати: 1. Обґрунтовано доцільність використання змінюваних умов заряду та розряду конденсаторів в електроімпульсних установках, що зумовило підвищення їх енергетичних характеристик та зменшення тривалості імпульсних струмів у технологічному навантаженні.
2. Розвинуто теорію перехідних процесів у колах заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок при змінюваних умовах таких процесів, що забезпечило розробку енергоефективних критеріїв оцінки характеристик аперіодичного і коливального зарядів конденсатора від формувача постійної напруги при зміні початкових умов зарядних процесів.
3. Встановлено закономірності зміни ККД і дози енергії в елементах зарядного контуру конденсатора при зміні початкових умов перехідного процесу, які дають змогу здійснити вибір інтервалу зміни початкових напруг на конденсаторі з метою підвищення ККД аперіодичного процесу заряду на 20-30%, а напруги коливального заряду - в 1,6 раз.
4. Визначено умови енергоефективного застосування зворотних звязків між напругою заряду конденсатора і характером його розряду в попередньому циклі, що дало змогу реалізувати в електроімпульсних установках регульовані параметричні залежності, які забезпечують швидкодіючу стабілізацію параметрів розрядних імпульсів.
5. Обґрунтовано критерій вибору параметрів додаткового RL-ланцюга та моменту його підключення до конденсатора для підвищення добротності кола його розряду, що дає змогу зменшити тривалість імпульсних струмів у навантаженні при виникненні аперіодичних розрядів конденсатора.
6. Виявлено, що стрибкоподібне зростання опору електроіскрового навантаження значно збільшує тривалість як аперіодичного, так і коливального розрядів конденсатора. Так при зростанні опору навантаження в 5-20 разів тривалість аперіодичного розряду збільшується в 4-12 разів, а коливального - в 7-23 рази.
7. Обґрунтовано, що зміна моменту включення тиристора, який шунтує електроіскрове навантаження, може бути покладена в основу методу енергоефективного регулювання тривалості імпульсних струмів у навантаженні незалежно від зміни його опору.
Встановлено, що часовий інтервал, за який в електроіскровому навантаженні поглинається 90% енергії накопичувального конденсатора, майже в 9 разів менший тривалості аперіодичного розряду конденсатора. Включення після закінчення зазначеного часу тиристора, що шунтує навантаження, дає змогу в 2-4 рази зменшувати тривалість аперіодичних розрядів і тим самим збільшити частоту зарядно-розрядних циклів.
8. Розроблено методику розрахунку енергетичних і часових характеристик перехідних процесів у колах заряду, розряду, перезаряду конденсатора та колі шунтування електроіскрового навантаження, яка дає змогу за заданими вихідними даними визначити необхідну частоту розрядних імпульсів, потужність формувача розрядних імпульсів і розробити рекомендації щодо підвищення енергоефективності зарядного та розрядного кіл конденсатора.
9. Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджено узгодженням результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними та відомими раніше даними з літературних джерел.
10. Результати роботи з підвищення енергетичних параметрів зарядних і розрядних кіл ємнісних накопичувачів енергії були використані при виконанні міжнародних науково-технічних проектів STCU #2346, INTAS #493 та в інститутах НАН України (електродинаміки, металофізики, імпульсних процесів та технологій) - при розробках електроімпульсних установок електроіскрового диспергування металів у рідинах.
Подальше використання результатів роботи пропонується в інститутах НАН України (електродинаміки, електрозварювання, імпульсних процесів та технологій, металофізики і проблем металознавства) для підвищення енергетичних характеристик і зменшення тривалості перехідних процесів у розрядноімпульсних установках. Результати пропонується також використати в навчальних процесах кафедр теоретичної електротехніки, електрофізики та техніки високих напруг НТУУ «Київський політехнічний інститут», НТУ «Харківський політехнічний інститут», кафедри електротехнології та електропостачання Миколаївського державного аграрного університету для розширення курсу теорії лінійних та нелінійних електричних кіл з урахуванням використання змінюваних умов перехідних процесів.
Список литературы
1. Супруновская Н.И. Энергетические характеристики при изменении начальных условий колебательного заряда конденсатора от источника постоянного напряжения / Н.И. Супруновская // Техн. електродинаміка. - 2008. - №4. - С. 27-33.
2. Подольцев А.Д. Моделирование и анализ электроразрядных процессов в нелинейной RLC цепи / А.Д. Подольцев, Н.И. Супруновская // Техн. електродинаміка. - Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2006. - Ч. 4. - С. 3-8.
3. Супруновская Н.И. Переходные процессы при разряде конденсатора на электроискровую нагрузку и ограничении длительности протекающих в ней импульсных токов / Н.И. Супруновская // Техн. електродинаміка. - 2008. - №5. - С. 20-26.
4. Супруновская Н.И. Энергетические параметры цепи приуменьшении длительности переходных процессов разряда накопительного конденсатора на электроискровую нагрузку / Н.И. Супруновская // Техн. електродинаміка. - Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2008. - Ч. 2 - С. 27 - 30.
5. Математическое моделирование динамических параметров при электроразрядном взрыве проводников / А.А. Щерба, Д.Е. Куприн, Н.И. Кускова, С.В. Петриченко, Н.И. Супруновская // Техн. електродинаміка. - Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2006. - Ч. 5. - С. 94-97.
6. Супруновская Н.И. Моделирование и анализ импульсных процессов в электроискровой нагрузке и разрядном контуре конденсатора / Н.И. Супруновская, А.Д. Подольцев, Н.И. Шевченко // Техн. електродинаміка. Тем. вип. «Силовая электроника и энергоэффективность». - 2008. - Т. 3. - С. 109-114.
7. Анализ уравнений преобразования трехфазных напряжений при каскадном соединении фильтров симметричных составляющих / [Щерба А.А., Маков Д.К., Захарченко С.М., Супруновская Н.И.] // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: зб. наук. пр. - К.: ІЕД НАНУ, 2005. - Вип.3 (12). - С. 8-15.
8. Супруновская Н.И. Анализ нестабильности переходных процессов при разряде конденсатора на электроискровую нагрузку / Н.И. Супруновская // Техн. електродинаміка. - Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2008. - Ч. 3. - С. 29-32.
9. Щерба А.А. Повышение энергетических характеристик при апериодической зарядке конденсатора от источника постоянного напряжения за счет изменения начальных напряжений на конденсаторе / А.А. Щерба, Н.И. Супруновская // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: зб. наук. пр. - К.: ІЕД НАНУ, 2008. - Вип. 19. - С. 113-119.