Содержание к диссертации
Введение
1 Области применения и методы исследования полупроводниковых комплексов для электротехнологии 11
1.1 Способы заряда и основные звенья системы емкостных накопителей энергии
1.2 Возможные схемы построения источников питания емкостных накопителей энергии 15
1.3 Определение наиболее рациональной структуры источника питания для термообработки металла с помощью индукционного нагрева 22
1.4 Особенности выбора параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов 27
1.5 Модель трансформатора в среде OrCad 33
Выводы по первой главе 40
2 Разработка математических моделей для исследования работы резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов 41
2.1 Особенности высоковольтных трансформаторов для электротехнологических комплексов 41
2.2 Математическая модель высокочастотного высоковольтного трансформатора 47
2.3 Исследование зарядных устройств емкостных накопителей энергии 64
Выводы и результаты по второй главе 80
3 Исследование и выбор параметров электротехнологических комплексов с улучшенными выходными характеристиками 81
3.1 Исследование автономного инвертора со стабилизированным выходным напряжением 81
3.2 Система тиристорныЙ регулятор напряжения - специальный высоковольтный трансформатор - озонатор 87
3.3 Определение режима работы, электромагнитных и геометрических параметров специального трансформатора 95
Выводы и результаты по третьей главе 109
4 Выбор электромагнитных параметров электротехнологических комплексов и их экспериментальное исследование 110
4.1. Алгоритм методики расчета электромагнитных параметров резонансного инвертора с двухобмоточным входным дросселем 110
4.2 Экспериментальное исследование модели высоковольтного высокочастотного модуля 117
Выводы и результаты по четвертой главе 134
Заключение 135
Список литературы 137
Приложения
Приложение А. Фрагмент листинга программы «Расчет индуктивного модуля с
учетом реальных магнитных и электрических параметров» 149
Приложение Б. Расчет специального трансформатора для озонаторной
установки 165
- Способы заряда и основные звенья системы емкостных накопителей энергии
- Особенности высоковольтных трансформаторов для электротехнологических комплексов
- Исследование автономного инвертора со стабилизированным выходным напряжением
- Алгоритм методики расчета электромагнитных параметров резонансного инвертора с двухобмоточным входным дросселем
Введение к работе
Актуальность. Одним из перспективных направлений в области электротехнологии является разработка устройств и установок, в которых используется преобразование параметров электрической энергии. Мощность импульсов потребляемой электрической энергии достигает весьма больших значений, превышающих во много раз установленную мощность автономных источников. К такому направлению можно отнести зарядные устройства и установки, которые потребляют энергию в виде кратковременных импульсов, а так же установки для индукционного нагрева, использующие токи высокой частоты. Важнейшей составной частью таких электротехнологических комплексов является высокочастотный, высоковольтный индуктивный модуль совместно с полупроводниковым преобразователем частоты.
Главной задачей проектирования и эксплуатации, резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов повышенной частоты с высоковольтным выходом, является правильный выбор параметров каждого элемента схемы и оптимальное согласование режимов работы преобразователя и нелинейной нагрузки.
Отмечено, что в научно-технической литературе уровень технической проработки вопросов исследования резонансных высоковольтных высокочастотных источников питания с индуктивными модулями не достаточно широк. Хотя вопросы, связанные с проектированием такого рода устройств, глубоко рассмотрены в трудах, монографиях и статьях таких ученых, как В. А. Кныш, Д. А. Бут, О. Г. Булатов, А. С. Васильев, Ю. М. Гусев, Л. Э. Рогинская, Ю. И. Болотовский, а в НПП «Вихрь» (г. Уфа) и ВНИИ ТВЧ им. Волощина (г. Санкт-Петербург) разрабатываются аналогичные комплексы.
Существует ряд задач, которые являются актуальными, это например: определение рациональной структуры высокочастотного преобразователя с повышенным коэффициентом трансформации по напряжению, регулирование и стабилизация напряжения в тиристорных преобразователях, проектирование и расчет специальных высоковольтных высокочастотных трансформаторов.
Специфика решения этих вопросов такова, что требует применения современной компьютерной техники, специально разработанных программных продуктов, позволяющих наиболее точно, быстро и эффективно моделировать и изучать процессы в резонансных полупроводниковых преобразователях.
Таким образом, разработка и проектирование резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов повышенной частоты для электротехнологии являются актуальными, особенно с расширением областей их применения.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов на основе
решения задач по их исследованию и моделирования их электромагнитных процессов.
Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследование возможных схем построения, определение наиболее рациональных структур применительно к резонансным трансформаторно-полупроводниковым комплексам, требующим согласования выходных параметров с параметрами нагрузки.
Разработка математических моделей для исследования резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов с каскадным повышением напряжения и учетом реальных электрических и магнитных параметров индуктивных модулей.
Исследование и оптимизация параметров высокочастотных источников питания.
Уточнение методики расчета специальных трансформаторов на основе учета дополнительных факторов и экспериментальное исследование резонансного трансформаторно-полупроводникового комплекса.
Методы исследований. Перечисленные задачи решены с помощью численно-аналитических и численных методов решения сложных нелинейных дифференциальных уравнений электрических систем, с помощью программирования на языках Delphi 7 и РSpice, и имитационного моделирования в средах OrCad 9.2 uMatLab 6.5.
На защиту выносится:
Обоснование целесообразности применения различных структур электротехнологических комплексов повышенной частоты с коэффициентом усиления по напряжению до 10 .
Модели полупроводниковых преобразователей частоты для электротехнологии с согласующим трансформатором и измерительным индуктивным модулем с учетом нелинейного характера нагрузки.
Результаты, полученные в ходе имитационного моделирования резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов.
Методика расчета и проектирования индуктивных модулей для полупроводниковых преобразователей частоты с учетом реальных электрических и магнитных параметров.
Научная новизна:
Доказано, что для получения коэффициента усиления по напряжению до 10 , наиболее рационально произвести каскадное соединение резонансного инвертора и высоковольтного высокочастотного трансформатора.
Показана эффективность применения индуктивно-емкостных преобразователей в качестве реактивных блоков трансформаторных преобразователей частоты с высоковольтным выходом, обладающих, вследствие резонансных явлений, по сравнению с другими схемами максимального увеличения напряжения, минимальным значением
напряжения на транзисторах и возможностью уменьшения коэффициента трансформации трансформатора.
Создан оригинальный источник питания для индукционного нагрева со стабилизированным выходным напряжением, отличающийся от аналогичных устройств повышенными технико-экономическими показателями.
Разработана методика расчета и оптимизации индуктивных модулей резонансных источников питания, отличающаяся от других методик расчета уточненными значениями переменных, вследствие учета влияния реальных значений электрических и магнитных параметров.
Практическая ценность:
Рекомендации по применению наиболее рациональных схем источников питания для электротехнологических комплексов с коэффициентом усиления по напряжению до 10 , что позволяет расширить граничные значения выходного напряжения, при оптимальных параметрах высоковольтных трансформаторов, с ЗОкВ до бОкВ.
Исследование электромагнитных процессов в резонансных высоковольтных высокочастотных источниках питания для электротехнологии с применением индуктивно-емкостных преобразователей, что позволяет получить коэффициент усиления по напряжению источника питания до 10 , при этом напряжение на транзисторах остается равным напряжению источника питания.
Применение фильтрового дросселя в тиристорных преобразователях для стабилизации напряжения при изменении частоты в диапазоне ±5% от номинальной.
Уточненная методика расчета и проектирования высоковольтных высокочастотных индуктивных модулей, которая позволяет уменьшить погрешность расчета параметров в 2 раза.
Реализация результатов работы. В научном конструкторско-технологическом бюро «Вихрь» (г. Уфа), в учебном процессе на кафедре «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 7 и 8 международных молодежных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Уфа, 2001, 2002; на международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», г. Уфа, 2001, 2003; в межвузовском научном сборнике «Электротехнические комплексы и системы», г. Уфа, 2001, 2005; в межвузовском научном сборнике «Электромеханика, электротехнические комплексы и системы», г. Уфа, 2002, 2003, 2006; в известиях Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова, г.г. Москва-Н.Новгород, 2005; в журнале «Технична электродинамика», г. Киев, 2004; в журнале «Вестник УГАТУ», г. Уфа, 2006.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 статей, 3 тезиса, патент на изобретение РФ и программа для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 187 стр. В работе содержится 75 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 119 наименований.
Способы заряда и основные звенья системы емкостных накопителей энергии
Наиболее широкое распространение для питания целого ряда ИП получил способ накопления электрической энергии в электрическом поле конденсатора [27, 28, 4]. В настоящее время применяются следующие типы ИП, использующие импульсы мощности за счет энергии, накопленной в конденсаторах: установки для создания кратковременных сильных магнитных полей при исследованиях в ядерной физике; установки, создающие электрогидравлический эффект; устройства радиолокационной техники; генераторы импульсов звука для передачи сигналов и для геологической разведки; устройства, генерирующие импульсы световой энергии для передачи сигналов, измерения видимости; установки, генерирующие кратковременные импульсы рентгеновских излучений; установки для обработки металлов (электроэрозионная обработка, импульсная конденсаторная сварка, микроиндукционная закалка); намагничивающие приборы с конденсаторным разрядом; установки для испытаний импульсной прочности изоляции электрооборудования; установки для накачивания оптических квантовых генераторов [29-33]; установки для генерирования озона и так далее.
Импульсные устройства и установки как потребители электрической энергии характеризуются рядом свойств, существенно отличающих их от потребителей обычного типа. Основное отличие, согласно [27], обусловлено непрерывным накоплением энергии в конденсаторе при периодической реализации этой энергии импульсной установкой. Время, предоставляемое для передачи энергии от источника в накопительный конденсатор, на два-три и более порядка превышает время длительности разрядного импульса. Поэтому процессы в цепях разряда практически не оказывают влияния на процессы передачи энергии от источника в накопитель. Следовательно, исследование электроэнергетических процессов при передаче энергии от источника в накопитель можно производить в предположении мгновенного разряда накопительного конденсатора.
Введение понятия «импульсная нагрузка», а также допущение о мгновенном разряде накопительного конденсатора позволяют определить систему заряда как совокупность элементов и устройств, предназначенных для генерирования электрической энергии, преобразования и передачи ее в конденсатор, периодически разряжаемый на импульсную нагрузку. Сформулированное таким образом определение, согласно [4], позволяет разработать оптимальную структуру рассматриваемой системы, исследовать происходящие в ней процессы независимо от типа и назначения конкретных импульсных установок. Так же оно существенно облегчает проектирование системы, так как при расчетах достаточно учитывать минимальное число параметров самой импульсной установки: частоту следования разрядных импульсов, емкость накопительного конденсатора и его напряжение в начале каждого разрядного импульса.
Особенности высоковольтных трансформаторов для электротехнологических комплексов
Характер нагрузки электротехнологических комплексов (зарядных устройств емкостных накопителей энергии, установок для индукционного нагрева, источников питания озонаторов) является важнейшим фактом при расчете и выборе параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов (ВВТ), входящих в эти схемы.
При выходном напряжении более ивьк \кВ необходимо учитывать следующие факторы: выбор сечения провода высоковольтной обмотки и сечения магнитопровода высоковольтного трансформатора сравнительно небольшой мощности производится по технологическим соображениям, а не по условиям минимума целевой функции; увеличение собственной емкости высоковольтной обмотки, что ведет к возрастанию паразитного емкостного тока, который при высоких напряжениях и повышенных частотах может превышать ток нагрузки [58].
Рассмотрим влияние каждого из вышеприведенных факторов на параметры высоковольтного трансформатора. Если диаметр провода, выбранного по плотности тока определенной, например, по [42], меньше предельно допустимого, то провод выбирается по технологическим соображениям (0=const). Следовательно, при заданном напряжении и уменьшении мощности ниже некоторого значения, масса вторичной обмотки будет отличаться от оптимальной. Обозначив предельное сечение провода через qlip, определим предельную величину выходного напряжения, при котором сечение провода определяется рациональной плотностью тока соответственно выходные мощность, напряжение и ток; j2,v плотность тока характерная для заданных условий и мощности.
Таким образом, граничное напряжение (выходное напряжение), при котором сечение провода выбирается по плотности тока, пропорционально мощности.
Определим влияние напряжения на геометрические параметры высоковольтного трансформатора. Как известно, линейные размеры и соотношения между ними для силовых трансформаторов выбираются в зависимости от мощности, заданных ограничений (по нагреву, падению напряжения и т.д.) и оптимума целевой функции. В зарядных устройствах целевой функцией выбрана масса активных материалов трансформаторного модуля. При высоких напряжениях, ограниченной мощности и выборе сечения стержня в соответствии с вышеуказанными принципами, число витков высоковольтной обмотки получается настолько большим, что их выбирают так же по технологическим соображениям.
Исследование автономного инвертора со стабилизированным выходным напряжением
Индукционные установки, созданные на базе тиристорных преобразователей частоты, являются необходимой составной частью крупных механизированных агрегатов, автоматических линий, целых цехов и заводов. Следовательно, тиристорный преобразователь частоты, объект управления (нагрузочный колебательный контур) и система управления, образуют сложную техническую систему - индукционную установку, которую часто называют управляемым тиристорно - индукционным комплексом ( 1.3).
Тиристорный преобразователь частоты является основной составной частью любой индукционной установки. От надежности его работы зависит надежная работа установки в целом, а значит и результат выполняемого технологического процесса.
Поэтому так важно при создании тиристорного преобразователя частоты правильно определить параметры его составных элементов и узлов, спроектировать такую систему управления, которая бы обеспечивала надежную работу преобразователя в широком диапазоне изменения параметров нагрузочного колебательного контура.
После проведенного анализа различных вариантов схем, исследуемых в [97-101] и 1.3, для исследования выбрана схема мостового последовательного инвертора со встречно - параллельными диодами и удвоением частоты [40]. Основные достоинства рассматриваемой схемы инвертора заключаются в постоянстве напряжения на тиристорах при изменении параметров нагрузки в широком диапазоне и значительном времени, предоставляемом тиристорам на восстановлении их управляющих свойств.
Основными недостатками используемых на практике инверторов такого типа, могут являться: наличие управляемого выпрямительного моста, измерительного трансформатора, большое количество элементов, что не только увеличивает массогабаритные и стоимостные показатели, но так же индуктивность измерительного трансформатора оказывает влияние на работу инвертора в разных режимах.
Поэтому, разработан оригинальный источник питания для индукционного нагрева, на базе тиристорного преобразователя с удвоением частоты, защищенный патентом РФ №№2216090 (рисунок 3.1) [102].
Схема на рисунке 3.1 обладает по сравнению с аналогичными устройствами, улучшенными технико-экономическими показателями за счет уменьшения числа элементов и устранения влияния индуктивности измерительного трансформатора на работу инвертора.
Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением состоит из резонансного мостового тиристорного инвертора и нагрузки, включенной в цепь фильтрового конденсатора, и отличается от аналогичных схем преобразователей частоты тем, что во входной дроссель введена измерительная катушка, индуктивно связанная с дросселем, последовательно соединенным с резонансным мостовым тиристорным инвертором, параллельно которому подключена цепь, состоящая из фильтрового конденсатора и нагрузки, при этом измерительная катушка соединена с выпрямителем, который в свою очередь подключен к входу блока управления, выход которого подключен к управляющим электродам тиристоров.
Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением работает следующим образом. Фильтровый конденсатор С заряжается через дроссель LB и нагрузку 2Н до напряжения U источника питания. Пусть коммутирующий конденсатор Q имеет полярность напряжения, указанную на рисунке 3.1. При подаче управляющих импульсов на тиристоры VS\ и VS4 они начинают пропускать ток.
Алгоритм методики расчета электромагнитных параметров резонансного инвертора с двухобмоточным входным дросселем
Расчет оригинальной схемы (рисунок 4.1), защищенной патентом РФ, ведется по специальной предложенной методике. Сначала рассчитываются основные электромагнитные параметры тиристорного инвертора, затем ведется расчет индуктивного модуля.
Индуктивный модуль представляет собой ферритовый сердечник с двумя обмотками с коэффициентом связи близким к 1. Первая обмотка - фильтровый дроссель схемы, вторая - измерительная катушка. Вследствие большой индуктивности входного дросселя порядка 500мкГн, к нему прикладывается все напряжение нагрузочного контура. Таким образом, связанная с ним измерительная катушка может служить датчиком напряжения и использоваться в качестве устройства для регулирования и стабилизации.
Характерной особенностью высоковольтных высокочастотных трансформаторов (ВВТ) являются значительные изоляционные промежутки, как в межслоевой изоляции, так и межсекционных и межобмоточных промежутках, что отражено в работах [41, 116, 117]. В свою очередь высокая рабочая частота трансформатора вносит свои особенности при конструировании с целью снижения потерь от влияния паразитных емкостей.
При высоком напряжении и высокой частоте в многослойной цилиндрической обмотке, наматываемой в этом случае тонким проводом, в каждом слое укладывается большое число витков и вследствие этого получается высокое напряжение между соседними слоями. Это требует увеличения толщины межслоевой изоляции. Однако простое увеличение числа слоев кабельной бумаги приводит к низкому коэффициенту заполнения окна магнитопровода и слабой намотке обмоток. Последнее объясняется тем, что трудно осуществить необходимое натяжение тонкого провода и обмотки получаются рыхлыми, т.е. механически непрочными.
Для устранения этого недостатка цилиндрическую обмотку разделяют в осевом направлении на несколько секций и, таким образом, получается многослойная дисковая катушечная обмотка. В такой обмотке число витков в слое, а, следовательно, и напряжение между слоями уменьшается пропорционально числу секций обмотки и, кроме того, намотка получается более плотной и компактной, так как уменьшается толщина межслоевой изоляции. Схематически такая обмотка изображена на рисунке 4.3. Каркас 3 обмотки разделен изолирующими щечками 4 на секции. Катушки соединены между собой начальными (внутренними) витками 2 в двух средних секциях каркаса. Таким образом, избегают того, чтобы соединяющий две соседние секции провод проходил мимо всех слоев этих секций, этим предотвращается возможность пробоя изоляции между соединительным проводом той и другой секции. Кроме того, при таком соединении выводные концы полученной двойной катушки или пары секций оказываются снаружи, это удобно для присоединения их к выводам 1. В двух крайних секциях расположена первичная обмотка с выводами 5 и 6.
Намотка и соединение секций обмотки на намоточном станке производится в следующем порядке. Сначала наматывают одну секцию обмотки, затем ее снимают и переворачивают и устанавливают на станок другим концом. После этого наматывают следующую секцию обмотки, предварительно припаяв начало секции к началу уже намотанной секции. Такое перевертывание обмотки необходимо, чтобы обеспечить направление тока в витках обеих секций обмотки. Число секций обмотки должно быть четным. Разделение высоковольтной обмотки на секции позволяет не только снизить напряжение между соседними слоями обмотки, но и резко снизить распределенную паразитную емкость обмотки и соответственно емкостные потери в трансформаторе, которые в высокочастотном трансформаторе с большим коэффициентом трансформации могут достигать значительных величин.
