Аналіз електромагнітних процесів у напівпровідникових перетворювачах з трансформаторним зв’язком між фазами. Електромагнітна сумісність цих перетворювачів з мережею живлення. Огляд алгоритму керування цим зв’язком і математичних моделей перетворювачів.
Аннотация к работе
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З МЕРЕЖЕЮРобота виконана на кафедрі електронних систем Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти та науки України, м. Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Паеранд Юрій Едуардович, Донбаський державний технічний університет, завідувач кафедри електронних систем Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Денисюк Сергій Петрович, Інститут електродинаміки Національної академії наук України, провідний науковий співробітник відділу моделювання електроенергетичних обєктів, м. Київ кандидат технічних наук, доцент Ластовка Олександр Петрович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, доцент кафедри промислової та біомедичної електроніки, м. Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра промислової електроніки Міністерства освіти і науки України, м.Напівпровідникові перетворювачі електроенергії за принципом своєї дії споживають електроенергію на основній частоті напруги мережі живлення та генерують її в мережу у вигляді вищих гармонік струму, що призводить до спотворення напруги. Отже, з ростом кількості електроенергії, параметри якої перетворюються за допомогою напівпровідникових перетворювачів зростає, актуальність поліпшення електромагнітної сумісності цих перетворювачів з мережею живлення. Проблема генерування вищих гармонік перетворювачами має суттєве техніко-економічне значення при порівняній з мережею живлення потужністю електроустановки або сумарній потужності декількох силових перетворювачів електроенергії. Дослідження за темою дисертаційної роботи проводилися в рамках комплексної міжвузівської програми МОН України „Розробка, створення та забезпечення постійної експлуатації мережі лазерно-локаційних станцій спостережень штучних супутників Землі на території України для вирішення завдань з геофізики, геодезії, картографії, навігації, геології, екології та метеорології”(ДР № UA02000468Р, шифр 09.04-МВ/03-92). вперше побудовані математичні моделі перетворювачів з керованим трансформаторним звязком, які дозволяють проводити оцінку впливу параметрів перетворювача на його електромагнітну сумісність з мережею;Використання широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) та енергонакопичиючих елементів на вході і виході напівпровідникових перетворювачів дозволяє формувати криву вхідного струму близьку до синусоїдальної. При глибокому регулюванні якість вхідних струмів цих перетворювачів різко знижується. Реактивні складові вхідних струмів, що зявляються при фазовому регулюванні вхідних струмів можуть бути компенсовані при зєднанні перетворювачів паралельно за входом та паралельно чи послідовно за виходом. Схема працює за умов, що кількість витків вторинних обмоток міжфазного трансформатора, який складається з трьох однофазних трансформаторів, може змінюватися вільно у часі. В дисертації показано, що одночасна зміна полярності підключення обмоток міжфазного трансформатора дозволяє реверсувати магнітний потік без впливу на вихідну напругу та вхідні струми.Проведені дослідження представляють собою рішення комплексу задач, які мають наукове та практичне значення для покращення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів з мережею живлення. Запропоновано та досліджено новий багатопульсний перетворювач з двома магнітними потоками, відмінними рисами якого є спрощена структура міжфазного трансформатора, можливість узгодження рівнів вхідної та вихідної напруги за допомогою міжфазного трансформатора, підвищена частота магнітного потоку та, як наслідок, знижені масогабаритні показники. Запропоновано алгоритми перемикання вентилів багатопульних перетворювачів з двома та трьома магнітними потоками, при яких перетворювачі споживать струми, наближені за формою до синусоїдальної. Запропоновано та досліджено компенсований перетворювач напруги, коефіцієнт потужності якого за рахунок покращення форми вхідного струму та виключення реактивної складової з вхідного струму не нижче 0,98 в широкому діапазоні регулювання вихідної напруги. Запропоновано принцип побудови систем керування багатопульсними перетворювачами, який дозволяє мінімізувати асиметрію імпульсів керування та, тим самим, підвищити симетрії струмів, що споживаються перетворювачем з мережі живлення.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
Проведені дослідження представляють собою рішення комплексу задач, які мають наукове та практичне значення для покращення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів з мережею живлення. Проведені дослідження дозволили досягнути мети дисертаційної роботи та вирішити всі поставлені задачі.
Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи: 1. Запропоновано та досліджено новий багатопульсний перетворювач з двома магнітними потоками, відмінними рисами якого є спрощена структура міжфазного трансформатора, можливість узгодження рівнів вхідної та вихідної напруги за допомогою міжфазного трансформатора, підвищена частота магнітного потоку та, як наслідок, знижені масогабаритні показники. Теоретичні дослідження форми вхідного струму перетворювача підтверджені на експериментальному макеті.
2. Запропоновано та досліджено новий багатопульсний перетворювач з трьома магнітними потоками. Відмінними рисами цього перетворювача є уніфікованість параметрів ключів вентильного комутатора, спрощений алгоритм перемикання силових вентилів та можливість використання міжфазного трансформатора для узгодження рівнів напруги живлення та напруги навантаження.
3. Запропоновано алгоритми перемикання вентилів багатопульних перетворювачів з двома та трьома магнітними потоками, при яких перетворювачі споживать струми, наближені за формою до синусоїдальної.
4. Запропоновано та досліджено компенсований перетворювач напруги, коефіцієнт потужності якого за рахунок покращення форми вхідного струму та виключення реактивної складової з вхідного струму не нижче 0,98 в широкому діапазоні регулювання вихідної напруги.
5. Визначені оптимальні відношення чисел витків обмоток міжфазних трансформаторів багатопульсних перетворювачів напруги, при яких форма вхідного струму є максимально наближеною до синусоїдальної.
6. Запропоновано принцип побудови систем керування багатопульсними перетворювачами, який дозволяє мінімізувати асиметрію імпульсів керування та, тим самим, підвищити симетрії струмів, що споживаються перетворювачем з мережі живлення.
7. Розроблена структурна модель перетворювача з двома магнітними потоками, в результаті дослідження якої визначені залежності коефіцієнта гармонік вхідного струму від параметрів перетворювача. За допомогою запропонованої моделі отримані залежності, які визначають область оптимальних значень параметрів міжфазного трансформатора та оцінюють вплив параметрів навантаження на енергетичні характеристики перетворювача.
8. Розроблена макромодель баготопульсних перетворювачів, що дозволяє дослідити енергетичні характеристики перетворювачів з різноманітними видами міжфазних трансформаторів та пульсністю схеми 4?n (n = 1,2,3,…).
9. Використання результатів дисертаційної роботи в проектній документації на розробку силових напівпровідникових перетворювачів Спільного підприємства ТОВ „Інвертор” (м. Алчевськ) при проектуванні силового напіпровідникового перетворювача, що входить до складу приводу постійного струму прокатного стану ПС 1000х750, дало змогу підвищити коефіцієнт потужності перетворювача змінної напруги у постійну на 7% у номінальному режимі та поліпшити спектральний склад вхідних струмів шляхом усунення 3, 5, 7 та 9 гармонік.
10. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі електронних систем Донбаського державного технічного університету при вивченні курсу „Електронні перетворювальні системи”.
Список литературы
1. Сафронов П.С., Анищенко А.И., Паэранд Ю.Э. Регулирование напряжения с управляемым межфазным энергообменом // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Вып 71. - С. 109-114.
Здобувачу належіть визначення умов наближення до синусоїдальної форми вхідних струмів напівпровідникових перетворювачів з трансформаторним звязком між фазами.
2. Сафронов П.С., Анищенко А.И., Паэранд Ю.Э. Преобразователи напряжения с улучшенными энергетическими показателями. // Технічна електродинаміка. - К., 2000. - Тем. вип., ч. 5. - С. 40-45.
Здобувачу належить аналіз сумісної роботи перетворювачів з позитивними та негативними кутами керування та одержані залежності коефіцієнта гармонік вхідного струму та коефіцієнта потужності при регулюванні напруги на навантаженні.
3. Сафронов П.С. Система импульсно-фазового управления многоимпульсными выпрямителями с широким диапазоном регулирования // Технічна електродинаміка - К., 2000. - №5. - С. 29-32.
4. Сафронов П.С., Паэранд Ю.Э Влияние параметров межфазного трансформатора и сопротивления нагрузки на энергетические характеристики многопульсных преобразователей напряжения // Технічна електродинаміка. - К., 2001. - Тем. вип., ч. 1. - С. 17-22.
Здобувачу належіть запропонований перетворювач з двома магнітними потоками, що звязують фази перетворювача, математична модель запропонованого перетворювача, аналітичні вирази, які відображають залежність форми вхідних струмів перетворювача від параметрів міжфазного трансформатора та навантаження, графічні залежності коефіцієнта гармонік, додаткового кута зсуву фази від параметрів міжфазного трансформатора та навантаження.
5. Сафронов П.С., Паэранд Ю.Э. Моделирование электромагнитных процессов, протекающих в многопульсных трансформаторно-ключевых преобразователях // Технічна електродинаміка. - К., 2002. - Тем. вип., ч. 8. - С. 38-41.
Здобувачу належіть макромодель багатопульсних перетворювачів з керованим міжфазним звязком, модель міжфазного трансформатора, яка враховує втрати електроенергії в багатопульсним перетворювачах.
6. Паэранд Ю.Э, Сафронов П.С. Учет влияния высших гармонических составляющих и фазы входного тока на коэффициент полезного действия полупроводниковых преобразователей // Технічна електродинаміка. - К., 2005. - Тем. вип., ч. 4. - С. 16-19.
Здобувачу належіть методика врахування додаткових втрат електроенергії у трансформаторах багатопульсних перетворювачів, що викликані вищими гармонійними складовими струмів.
7. Сафронов П.С., Паэранд Ю.Э., Эссельбах В.С. Устройство для зарядки емкостного накопителя энергии с микропроцессорной системой управления и улучшенной электромагнитной совместимостью // Вестник - С.-Пб., 2001. - №9 (45). - С. 27-29.
Здобувачу належіть пристрій для зарядження ємнісного накопичувача та алгоритм керування цим пристроєм.