Содержание к диссертации
Глава 1. Обзор электрохимических процессов, проводимых с использованием асимметричного переменного тока, и реализующих их систем электропитания
Характеристики и параметры асимметричного переменного тока, используемого в электрохимических процессах 11
Области применения асимметричного переменного тока 19
Исследование импеданса электрохимической ячейки -электрокоагулятора 28
Требования, предъявляемые к источникам питания для электрохимических технологий 34
Обзор способов формирования и схемотехники формирователей асимметричного синусоидального тока 39
Глава 2. Анализ индуктивно-ключевого формирователя асимметричного квазисинусоидального тока
Анализ переходных процессов в схеме однотактного индуктивно-ключевого формирователя 66
Получение приближенных расчетных соотношений 84
Индуктивно-ключевой формирователь асимметричного квазисинусоидального тока 96
Оценка динамических потерь в ключах формирователя тока 105
Моделирование формирователя асимметричного квазисинусоидального тока 113
Коэффициент гармоник асимметричного квазисинусоидального тока 123
Глава 3. Практическая реализация и экспериментальные исследования формирователя асимметричного квазисинусоидального тока
Практическая реализация индуктивно-ключевого формирователя асимметричного квазисинусоидального тока 135
Экспериментальные исследования формирователя асимметричного квазисинусоидального тока 142
Инженерная методика расчета индуктивно-ключевого формирователя асимметричного квазисинусоидального тока 148
Заключение 158
Список литературы 160
Приложения 170
Введение к работе
В настоящее время в различных областях промышленности, науки и техники широко применяются электротехнологические установки различного назначения (индукционный нагрев материалов, электросварка, электроэрозионная обработка металлов, заряд накопителей электрической энергии, электрохимическая активация воды и т.д.). Неотъемлемой частью любой электротехнологической установки является источник питания, преобразующий электрическую энергию первичного источника в энергию требуемого для нормального функционирования установки вида и качества. Источник питания занимает до 80% общего объема оборудования и в значительной мере определяет массо-габаритные и стоимостные параметры, а также надежность всей установки [63]. В зависимости от величины внутреннего сопротивления источники электропитания делятся на две группы: источники напряжения и источники тока. Наибольшее распространение на практике получили источники напряжения, характеризующиеся относительно малым значением внутренного сопротивления. Схемотехника этих устройств хорошо разработана и подробно описана в технической литературе [22, 34, 53, 54, 57, 58, 74, 76, 93, 94, 100]. Источники тока, обладающие относительно большим внутренним сопротивлением, напротив, изучены достаточно слабо и распространены на практике в меньшей степени, что объясняется сложностью электромагнитных процессов, протекающих в этих устройствах. Однако, в ряде областей электротехники (электрофизика, электрохимия и пр.) имеются задачи, эффективное решение которых возможно лишь с помощью источников тока.
Целесообразность применения источников питания с характеристиками источника тока может быть обусловлена следующими соображениями [75]:
1) существуют определенные типы электрических нагрузок, для которых принципиально невозможно питание от источника напряжения, поскольку при этом не обеспечивается работоспособность и получение требуемых технических характеристик. Так, например, источники, формирующие ток нужной формы с требуемыми параметрами, успешно применяются в системах
5 питания ускорителей заряженных частиц, среди которых особое место
занимают бетатроны. Обеспечение оптимального закона изменения
намагничивающего тока позволяет рационально формировать ускоряющее
магнитное поле, что дает эффект увеличения интенсивности излучения [14];
2) ряд нагрузок допускает питание от источника напряжения, однако
использование источника тока обнаруживает новые свойства, технические
возможности и удобства, а также обеспечивает экономическую эффективность,
не достижимые при питании их от источника напряжения. Так, например, в
электротехнологических установках, используемых в электрохимии
(электролизеры, установки размерной электрохимической обработки,
гальванотехнические установки и т.п.), эффективность протекающих процессов
определяется количеством электричества, пропускаемым через электролит [25,
3 8]. Количество электричества (заряд) прямо пропорционально току. В течение
электрохимического процесса сопротивление нагрузки достаточно сильно
(обычно в несколько раз [73]) меняется, например, возрастает, что при питании
от источника напряжения ведет к уменьшению рабочего тока, а, следовательно,
к снижению производительности процесса. Применение источника
неизменного тока в этом случае стабилизирует технологический процесс и
устраняет влияние описанного эффекта на производительность [25, 75, 109,
112].
Разработка источников питания с характеристиками источника тока относится к направлению силовой электроники «преобразование источников напряжения в источники тока». Это направление возникло и получило бурное развитие в 60-80 годы XX века в связи с повышенным интересом к источникам питания электротехнологических установок, широко востребованных в то время в промышленности. Наибольший вклад в развитие данного направления внесли ученые Милях А.Н., Волков И.В., Булатов О.Г., Багинский Б.А. и другие [14,27,28,31,32,75].
Широкое распространение источники тока получили в системах электропитания для электрохимических технологий. Предпочтительной
формой тока в целом ряде широко использующихся на практике электрохимических технологий является асимметричный переменный ток. Это обусловлено тем, что электрохимические процессы, проводимые с использованием переменного тока, обладают несомненными преимуществами по сравнению с процессами на постоянном токе: уменьшается время протекания процесса, появляется возможность селективного выделения химических элементов из многокомпонентных растворов, улучшается качество конечного продукта и т.д. [2-4, 9-11, 42, 43, 46-49, 68, 73, 78, 80, 82, 84, 92, 111]. Исследования по использованию асимметричного переменного тока в различных областях прикладной химии велись в течение ряда лет в НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете с участием кандидата технических наук Сергея Викторовича Образцова, который и в настоящее время активно занимается данной тематикой.
Появление в последнее время повышенного интереса к электротехнологиям, основанным на использовании тока, изменяющегося по определенному закону, и современных полупроводниковых приборов с уникальными ключеввіми свойствами [108] открывает новые возможности для создания источников питания, формирующих ток заданной' формы, на базе новых технических решений, обеспечивающих устройству высокую эффективность.
Учитывая большое социально-экономическое значение
электрохимических технологий (очистка природных и сточных вод, электрохимическая^-активацият--катодное- оісаждение~~и—а"НОдная~~обработка" металлов и др.), а также практическое отсутствие ввхсокоэффективных систем электропитания для их реализации, задача создания простых, надежных источников питания с характеристиками источника тока для ведения электрохимических процессов, обладающих хорошими технико-экономическими показателями, является актуальной.
Целью работы является разработка и исследование индуктивно-ключевого формирователя асимметричного квазисинусоидального тока для
7 электрохимических технологий.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
исследование импеданса электрохимической ячейки-электрокоагулятор а, как нагрузки формирователя тока;
выявление требований, предъявляемых к источникам питания асимметричным синусоидальным током, используемым для ведения электрохимических процессов;
разработка схемотехнического решения формирователя асимметричного квазисинусоидального тока;
анализ схемы формирователя и получения основных расчетных соотношений;
создание математических и натурных моделей формирователя;
исследование с помощью моделей предложенного формирователя;
разработка инженерной методики расчета схемы формирователя асимметричного квазисинусоидального тока.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений, содержит 169 страницы основного машинописного текста, 8 страниц приложений, список литературы из 116 наименований, 57 рисунков и 14 таблиц.
В первой главе рассмотрены характеристики и параметры асимметричного переменного тока (АПТ), используемого в ряде электрохимических процессов. Проведен обзор областей применения асимметричного переменного тока и выявлены требования к параметрам АПТ ряда электрохимических процессов. Описано исследование импеданса электрохимической ячейки, в качестве которой выступал электрокоагулятор, являющийся нагрузкой источника питания для ведения электрохимических процессов. Выявлены требования, предъявляемые к источникам питания для электрохимических процессов. Проведен сравнительный анализ методов формирования асимметричного синусоидального тока и реализующих. их устройств.
8 Вторая глава посвящена исследованию индуктивно-ключевого
формирователя асимметричного квазисинусоидального тока. Проведен анализ
переходных процессов в базовой схеме индуктивно-ключевого формирователя
однополярного тока и получены расчетные соотношения. Рассмотрена схема
индуктивно-ключевого формирователя асимметричного квазисинусоидального
тока и обоснован выбор величины напряжения дополнительного источника. С
помощью схемотехнического моделирования проведена верификация
математической модели формирователя. Сформулированы требования к
качеству формируемой синусоиды, даны рекомендации по их реализации.
В третьей главе содержатся сведения об экспериментальном исследовании и практической реализации источников питания для электрохимических процессов. Описаны действующие образцы источников питания электрохимических ванн, выполненных на базе индуктивно-ключевого формирователя асимметричного квазисинусоидального тока с выходной мощностью до 250 Вт; до 2.5 кВт. Приведена инженерная методика расчета формирователя тока.
Методы исследования. Теоретические выкладки и выражения получены с использованием аппарата дифференциальных уравнений и численных методов. При расчетах и моделировании широко применялись программы математического моделирования MathCAD и схемотехнического моделирования РSpice. Результаты расчетов и моделирования подтверждены экспериментально.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением разработанных математических моделей с исследованиями, проведенными на действующем образце прибора.
В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе.
Список литературы содержит 116 пунктов, в том числе 17 работ автора.
В приложении к диссертации приводятся результаты исследования влияния асимметрии на коэффициент гармоник асимметричного переменного тока, а также акты об использовании результатов диссертационной работы.
9 Научная новизна состоит в том, что:
получены расчетные соотношения для определения основных параметров предложенной схемы формирователя асимметричного квазисинусоидального тока;
обосновано введение в схему формирователя асимметричного квазисинусоидального тока дополнительного источника питания для формирования малой полуволны выходного тока; определена величина напряжения дополнительного источника, обеспечивающая одинаковый спектральный состав большой и малой полуволн формируемого тока;
созданы математические модели, адекватно, с учетом принятых допущений, отражающие процессы, происходящие в исследуемой схеме формирователя;
проведена оценка качества формы тока, формируемого индуктивно-ключевым преобразователем, по величине коэффициента гармоник выходного сигнала.
Практическая ценность проведенных исследований заключается в следующем:
предложена и исследована новая схема индуктивно-ключевого формирователя асимметричного квазисинусоидального тока, защищенная свидетельством на полезную модель;
разработана инженерная методика расчета формирователя асимметричного квазисинусоидального тока;
на основе предложенной схемы формирователя разработаны действующие образцы преобразователей, внедренные в производство.
Основные положения, выносимые на защиту:
Предложенный индуктивно-ключевой преобразователь позволяет эффективно формировать асимметричный квазисинусоидальный ток с требуемыми для электрохимических технологий параметрами.
Для получения коэффициента гармоник симметричного квазисинусоидального тока, формируемого индуктивно-ключевым преобразователем, не более 12%, при коэффициенте пульсаций тока, не
10 превышающим 30%, необходимо обеспечить превышение периода
формируемого тока над постоянной времени токоформирующей цепи не
менее чем на порядок при минимальном сопротивлении нагрузки.
3. Для снижения динамических потерь в ключах формирование малой
полуволны асимметричного квазисинусоидального тока целесообразно
осуществлять от дополнительного источника, постоянное напряжение
которого меньше напряжения основного источника в число раз, равное
коэффициенту асимметрии полуволн формируемого тока.
