Вторинні системи електропостачання діагностичних комплексів промислових підприємств

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси і системи

УДК 621.311: 621.314.57

Вторинні системи електропостачання діагностичних комплексів промислових підприємств

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Густаво Абарка Авіла

Київ 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теоретичної електротехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти України, м. Київ.

Захист відбудеться “18” жовтня 1999 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.002.06 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти України, за адресою: 252056, Київ-56, пр.Перемоги 37, телефон 241-77-15.

З дисертацією можно ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “10” вересня 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Б. М. Кондра

АНОТАЦІЇ

Густаво Абарка Авіла. Вторинні системи електропостачання діагностичних комплексів промислових підприємств. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси і системи. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 1999.

Дисертація присвячена рішенню наукової задачі дослідження та створення систем електропостачання діагностичних комплексів промислових підприємств з різним видом вихідної енергії на основі перетворювачів частоти з квазіоднополосною модуляцією, що мають покращені технікоекономічні характеристики. В роботі розроблено нові технічні рішення модуляторів змінної і випрямленної напруги, які дозволяють усунути перенапруги на силових елементах систем електроживлення і на навантаженні як в квазіусталених режимах, так і на інтервалах їх вимикання. Запропоновані математичні моделі процесів формування вихідних напруг систем електроживлення дозволили провести детальний аналіз електромагнітних процесів в силовому тракті перетворювачів. Розроблено спосіб асинхронного управління модуляторами, який дозволив створити высокоефективні системи електропостачання діагностичних комплексів з лінійними характеристиками регулювання по середньому значенню вихідної напруги при можливості багатозонного її регулювання. Результати роботи використані при створенні спеціальних типів джерел живлення сучасних енергозберігальних технологій і в навчальному процесі.

Ключові слова: системи електропостачання, перетворювачі частоти, силовий модулятор, квазісінусоїдна напруга, математична модель.

Gustavo Abarca Avila. Secondary Systems of Electrical power Supply for Industrial Diagnostic Complexes. - Manuscript.

The Thesis for receipts the scientific degree of Philosophycal Doctor in speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - The National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 1999.

The purpose of Thesis is solving scientific problem of searching and creating supply systems for industrial diagnostic complexes with various types output energy, based on frequency converters with quasi simple pole's modulation with enhanced technical and economic characteristics. The new technical decisions of alternate and rectified voltages modulators that permits to liquidate overvoltage on power units supply systems and on loading equipment in quasistable regimes and time intervals of stopping are elaborated. The mathematical models of forming processes of output voltages for supply systems were proposed. They are permits to make detailed analysis of electromagnetic processes in power tract of converters. The means of asynchronous control of modulators that allows to create high effective supply systems for industrial diagnostic complexes with linear control characteristics on average significance of output voltage and on possibility multizone's it control was elaborated. The work results were used for creation special types of power supply source for modern power thrifty technologies and in educational process.

Keywords: Power supplies systems, frequency converters, power modulator, quasisinusoidal voltage, mathematical model.

Густаво Абарка Авила. Вторичные системы электроснабжения диагностических комплексов промышленных предприятий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 1999.

Диссертация посвящена исследованию и созданию систем электроснабжения диагностических комплексов промышленных предприятий с различным видом выходной энергии на основе преобразователей частоты с квазиоднополосной модуляцией, обладающих улучшенными техніко-экономическими характеристиками. Созданные на основе разработанных модуляторов переменного и выпрямленного напряжения преобразователи частоты с квазиоднополосной модуляцией образуют централизованную структуру систем электроснабжения испытательно-диагностических комплексов, обладающих улучшенными технико-экономическими характеристиками. Предложены новые технические решения модуляторов переменного и выпрямленного напряжений, которые позволяют устранить перенапряжения на силовых элементах систем электропитания и на нагрузке как в квазиустановившихся режимах, так на интервалах их выключения. Разработанные математические модели процессов формирования квазисинусоидальных напряжений и знакопостоянных напряжений стали основой анализа электромагнитных процессов созданных систем электроснабжения.

В работе предложены математические модели процессов формирования квазисинусоидальных и знакопостоянных напряжений, в основу которых положен алгоритм их формирования с представлением искомых переменных в многопараметрической форме. Показано, что математические модели позволяют получать графическое представление и математическую форму записи полного процесса формирования выходных напряжений систем электроснабжения с любым числом модуляторов в составе силовых модуляторов при возможности отображения как конечного результата, так и промежуточных выкладок.

Предложенное асинхронное управление модуляторами в структуре преобразователей частоты с квазиоднополосной модуляцией позволяет получать при высокочастотном промежуточном преобразовании постоянное напряжение с высоким качеством выходной энергии в системах электропитания с постоянным выходным напряжением. Показано, что асинхронное управление модуляторами в структурах преобразователей частоты с квазиоднополосной модуляцией позволяет создавать высокоэффективные системы электропитания диагностических комплексов с линейными регулировочными характеристиками по среднему значению выходного напряжения при многозонном его регулировании.

Предложенный в работе принципа линеаризации статических нелинейностей с применением математического аппарата гармонического синтеза позволил создать математическое описание процесса линеаризации регулировочных характеристик систем электроснабжения по действующему значению выходного напряжения с учетом полного его гармонического состава.

Полученные в работе теоретические и практические результаты позволили заменить многообразие технических решений сетевых преобразователей с различным видом выходной энергии и с единых методологических позиций разработать основы теоретических исследований и принципы построения преобразователей систем электроснабжения диагностических комплексов промышленных предприятий. Созданные схемные модели модуляторов переменного и выпрямленного напряжений позволяют исследовать электромагнитные процессы в установившихся и переходных режимах преобразовательных установок различного функционального назначения. Разработанные модуляторы переменного и выпрямленного напряжений позволяют обеспечить функционирование преобразователей систем электроснабжения диагностических комплексов без возникновения перенапряжений на их элементах и на нагрузке как в установившихся режимах, так и на интервалах их выключения.

Ключевые слова: системы электроснабжения, преобразователи частоты, силовой модулятор, квазисинусоидальное напряжение, математическая модель.

квазіоднополосний електропостачання мережевий

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. В наш час у різноманітних областях техніки існує величезна кількість споживачів електричної енергії, що вимагають достатньо гнучкого і швидкого регулювання та високого ступеня стабілізації параметрів енергії, що підводиться. Формування та передача такої енергії споживачам здійснюється вторинними системами електропостачання, невід'ємною частиною яких є різноманітного вигляду перетворювальні установки.

Актуальність теми. Значимість перетворювальної техніки і силової електроніки визначається тим, що більш ніж 60 електричної енергії, що виробляється, споживається при параметрах, що відрізняються від параметрів промислової мережі (по роду струму, частоті, стабільності, діапазону регулювання напруги і т. п.).

У повній мірі вищезгадане відображується в сучасних діагностичних комплексах електротехнічного обладнання, навігаційної та радіоелектронної апаратури, що містять велику кількість споживачів різного типу електричної енергії. Різноманітність споживачів діагностичних комплексів призвела до розробки та створення великої кількості мережевих перетворювачів з різним типом вихідної енергії і струму ,що споживається, об'єднаних в умовах промислових підприємств в єдині мережі вторинних систем електропостачання.

Істотне значення, в зв'язку з цим, надається подальшій розробці та вдосконаленню вторинних систем електропостачання, створенню їх на основі уніфікованих блоків і вузлів з максимальним використанням стандартних елементів. Оскільки функціональні блоки та вузли сучасних мережевих перетворювачів достатньо глибоко досліджені, добре відпрацьовані у схемотехнічному плані і сприймаються розробниками та користувачами в деякій мірі сталими, то особлива увага при рішенні задач з вдосконалення перетворювальних приладів приділяється дослідженню технічних рішень, здатних стати центральною ланкою систем електрпостачання діагностичних комплексів з різним видом вихідної енергії.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з розділами державних бюджетних тем: “Системи безперебійного електроживлення технічних комплексів при довгострокових відключеннях електроенергії” (№ 2847, номер державної реєстрації - 0195U027095), “Теоретичне обгрунтування створення спеціальних типів джерел живлення сучасних енергосберігальних технологій”(№ 2039, номер державної реєстрації - 0196U009074), згідно з координаційним планом НАН України по комплексній програмі “Наукові основи електроенергетики” (код 1.9.2.2.1.2.8; 1.9.2.2.2.2.17; 1.9.2.2.2.3.4), а також у відповідності з Державною науково-технічною програмою Міністерства України у справах науки і технологій на 1997 - 1998 р.р. “Високоефективні енергозберігаючі енерготехнологічні та електротехнічні системи” (шифр 04.08 “Екологічно чиста енергетика та ресурсо-зберігаючі технології), що виконувалися кафедрою теоретичних основ електро-техніки НТУУ “КПІ”.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є рішення наукової задачі дослідження та створення систем електропостачання діагностичних комплексів промислових підприємств з різним видом вихідної енергії на основі перетворювачів частоти з квазіоднополосною модуляцією, що мають покращені техніко-економічні характеристики.

Поставлена мета вимагає вирішення таких наукових задач:

аналіз та класифікація вторинних систем электропостачання діагностичних комплексів як різноманітності мережевих перетворювачів з різним типом вихідної енергії;

побудова, структурна організація та аналіз перетворювачів частоти з квазіоднополосною модуляцією (ПЧ з КМ);

теоретичні дослідження, моделювання та розробка засобів захисту від перенаруг силових модуляторів;

розробка математичної моделі процесу формування вихідних змінних напруг та математичної моделі формування знакопостійної напруги для систем електропостачання з постійною вихідною напругою;

аналіз електромагнітних процесів у силових модуляторах систем електропостачання змінної напруги;

розробка компенсаційно-параметричної системи регулювання напруги в системах електропостачання діагностичних комплексів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

на основі класифікаційного аналізу вторинних систем електропостачання діагностичних комплексів показана доцільність використання ПЧ з КМ в якості центральної ланки при побудові перетворювачів систем електропостачання з різним видом вихідної енергії;

на основі розрахунку перехідних процесів у силових модуляторах на інтервалах їхнього вимикання, а також моделювання в них электро-магнітних процесів енергообміну між навантаженням та живлячою мережею обгрунтована необхідність розробки та установках спеціальних засобів захисту від перенапруг силових транзисторів та навантаження;

розроблена математична модель процесу формування вихідних напруг систем електропостачання діагностичних комплексів, що дозволяє визначати, поряд з вихідними квазісинусоїдними напругами (КСН), вигляд і тимчасове розташування вихідних напруг будь-яких силових модуляторів, що входять до їх складу, і, крім того, аналізувати процес синтезу вихідних КСН дволанкових перетворювачів частоти;

визначені засоби асинхронного управління силовими модуляторами змінної та випрямленої пульсуючої напруги, які дозволяють здійснювати багатозонне формування та регулювання постійної напруги;

розроблена математична модель процесу формування знакопостійної напруги, яка дозволяє відобразити його регулювання від максимального до нульового значення;

показано, що розроблені моделі процесів формування вихідних напруг систем електропостачання зі змінною та постійною вихідними напругами можуть бути ефективно використані при аналізі електромагнітних процесів в області визначення характеру вихідних та вхідних струмів;

отримані спрощені аналітичні вирази для аналізу регулювальних характеристик перетворювачів систем електропостачання з постійною вихідною напругою по середньому значенню високочастотного КСН, а також вирази, що дозволяють аналізувати електромагнітні процеси у високочастотних модуляторах змінної та випрямленої пульсуючої напруги.

Практичне значення одержаних результатів. В результаті виконання теоретичних досліджень показана доцільність використання ПЧ з КМ в якості центральної ланки систем електропостачання замість великої кількості існуючих технічних рішень мережевих перетворювачів з різним видом вихідної енергії, що дозволяє з єдиних методологічних позицій розробити основи теоретичних досліджень та принципи побудови систем електропостачання діагностичних комплексів промислових підприємств. Створено схемні моделі силових модуляторів змінної та випрямленої пульсуючої напруги, які дозволяють досліджувати електромагнітні процеси як у перехідних так і в усталених режимах, в перетворювальних установках різноманітного функціонального призначення. Розроблено модулятор змінної напруги з зворотним випрямлячем, який дозволяє забезпечити функціонування перетворювачів систем електропостачання діагностичних комплексів без виникнення перенапруг на його елементах та на навантаженні як в усталених режимах, так і на інтервалах їх вимикання. Розроблені математичні моделі процесів формування вихідних напруг перетворювачів систем електропостачання діагностичних комплексів уніфікують та прискорюють аналіз і синтез формованих напруг з різноманітним видом вихідної напруги за рахунок загального системного підходу подання їх у багатопараметричній формі запису. Проведено лініарізацію регулювальних характеристик ПЧ з КМ, яка дозволила побудувати компенсаційно-параметричну САР у системах електропостачання з фазовим регулюванням вихідної напруги, що значно підвищує швидкодію та стійкість їх функціонування. Розроблені засоби асинхронного управління силовими модуляторами змінної та випрямленої пульсуючої напруги дозволяють створити в системах електропостачання постійної напруги ланку підвищеної частоти, здійснюючу гнучке швидкодіюче регулювання постійної напруги. Розроблено модулятор випрямленої пульсуючої напруги з накопичувальним конденсатором, встановленим на вході випрямляча, що підвищує якість вихідної напруги. Отримані в результаті теоретичних досліджень спрощені аналітичні вирази дозволяють прискорити аналіз електромагнітних процесів систем електропостачання з різним видом вихідної напруги.

Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при розробці перетворювачів для державних бюджетних тем №2847 і №2039. Теоретичні і практичні результати роботи впроваджені в навчальний процес НТУУ “КПІ”.

Особистий внесок автора. Самостійно розробив принципи побудови перетворювачів систем електропостачання діагностичних комплексів з різним видом вихідної енергії на основі ПЧ з КМ; обґрунтував реалізацію принципу енергообміну в модуляторах постійної напруги для силових модуляторів змінної напруги; запропонував багатопараметричні форми запису виразів при математичному моделюванні процесів формування вихідних напруг перетворювачів систем електропостачання з різним видом вихідної напруги єдиним системним підходом їхнього подання; розробив способи асинхронного управління силовими модуляторами змінної та випрямленої напруги з багатозонним формуванням та регулюванням постійної напруги; здійснив лініарізацію регулювальних характеристик перетворювачів з змінною вихідною напругою по діючому значенню КСН з урахуванням повного їх спектрального складу в усьому діапазоні регулювання. Автор отримав спрощені аналітичні вирази і провів обгрунтування коректності їх використання для аналізу регулювальних характеристик перетворювачів систем електропостачання з постійною вихідною напругою по середній величині високочастотної КСН, а також вирази для аналізу електромагнітних процесів у високочастотних модуляторах систем електропостачання з різним видом вихідної напруги.

В роботах, опублікованих в співавторстві, дисертанту належить: [1] - аналітичні вирази процесу лініарізації регулювальних характеристик перетворювачів по діючому значенню КСН з урахуванням повного їх спектрального складу; [2, 3] - результати аналізу перехідних і усталених режимів в модуляторах змінної напруги, які отримані в процесі схемного моделювання електромагнітних процесів в модуляторах за допомогою пакету прикладних програм “Designer Center”; обгрунтувано використання та реалізація принципу енергообміну для модуляторів постійної напруги в силових модуляторах змінної напруги; розробка ланцюгів енергообміну в модуляторі випрямленої напруги; [4] - обгрунтовано використання ПЧ з КМ в якості центральної ланки систем електропостачання з постійною вихідною напругою; отримані аналітичні вирази для аналізу середніх значень вихідних напруг перетворювачів з багатозонним регулюванням напруги; [5] - запропонована структурна схема компенсаційно-параметричної САР вихідної напруги у перетворювачах з фазовим регулюванням вихідної напруги; [6, 7] - запропонована багатопараметрична форма запису математичної моделі процесу формування вихідних напруг систем електропостачання з різнним видом вихідної енергії; [8, 9] - розроблені окремі вузли силової частини слідкуючого модулятора напруги; [10, 11] - аналіз типів перенапруг, джерел виникнення та засобів захисту від них; аналітичні вирази для аналізу електромагнітних процесів у перетворювачах систем електропостачання з різним видом вихідної напруги; [12, 13] - запропоновані: вигляд додаткових транзисторних ключів та конфігурація їх підключення в блоці реверса зворотного випрямляча, а також введення схеми синхронізації та конфігурацію її зв'язків з блоками системи управління силовим модулятором.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертації доповідались на: Міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка та енергоефективність”, Алушта, 1998 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизованого електропривода”, Алушта, 1998 р.; Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми фізичної та біомедичної електроніки”, Київ, 1998, 1999 рр.; Наукових семінарах НАН України по комплексній проблемі “Наукові основи електроенергетики” (1997,1998 рр.).

Публікації результатів наукових досліджень. За темою дисертації опубліковано 13 наукових робіт, в тому числі 8 статей в фахових наукових виданнях, 2 звіти по держбюджетних ДКР за номерами державної реєстрації, дві заявки на патенти України, 1 інформаційний випуск в збірнику про закінчені науково-дослідні роботи НТУУ “КПІ”.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатка. Загальний обсяг роботи складає 187 сторінок, у тому числі на 49 сторінках розміщені 75 рисунків, 3 таблиці, список літератури з 110 найменувань та 1 додаток.

Автор висловлює подяку науковому консультанту, доценту кафедри теоретичної електротехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, к.т.н. Макаренку М.П.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми та сформульована мета досліджень, ступінь новизни отриманих результатів; викладено зв'язок роботи з державними бюджетними темами, державною науковою програмою; надано коротку анотацію нових наукових положень, запропонованих автором особисто; наведено відомості про практичне значення отриманих результатів; зазначено особистий внесок здобувача у наукових працях; вказано апробацію результатів досліджень та публікації.

У першому розділі проведено класифікаційний аналіз основних типів перетворювачів систем електропостачання діагностичних комплексів промислових підприємств. Результати аналізу показали, що з урахуванням спільності споживачів по параметрам енергії, що підводиться, багатовид наведених технічних рішень перетворювачів можна об'єднати і подати в чотирьох основних групах. Подальший аналіз функціональних можливостей перетворювачів зазначених чотирьох груп показав, що загальним в структурологічному плані технічним рішенням при побудові перетворювачів діагностичних комплексів з різним видом вихідної напруги, яке забезпечує принцип незмінності структури централізованої силовий частини при можливості її складання на основі невеликого числа компонентів з уніфікованих блоків і вузлів з максимальним використанням стандартних елементів, є рішення з використанням ПЧ з КМ (рис. 1), працюючих як на частоті формування низькочастотної КСН, так і на високій частоті при використанні діодного демодулятора.

Викладені принципи побудови ПЧ з КМ, що відображають різні види модулюючих дій. На підставі порівняльного аналізу структурної організації систем електропостачання з змінною і постійною вихідними напругами, побудованих на основі ПЧ з КМ, зазначено, що якість їх віхідної напруги при використанні ступеневої модуляції еквівалентних модулюючих діянь і багатоканального способу перетворення електромагнітної енергії мережі залежить від кількості модуляторів, що складають силові модулятори фазних напруг.

Попередньо аналізуються силові модулятори змінної напруги, а також особливості процесів енергообміну в них між активно-індуктивним навантаженням і живлячою мережою. Відзначається необхідність прийняття спеціальних заходів для усунення перенапруг, що виникають на елементах силового перетворювального тракту та на навантаженні на інтервалах вимикання перетворювачів.

У другому розділі розглянуто питання побудови перетворювачів систем електропостачання діагностичних комплексів з змінною вихідною напругою. Приводяться результати схемного моделювання модуляторів змінної напруги за допомогою пакету прикладних програм “Designer Center”, які показують, що область безпечної роботи силових модуляторів ПЧ з КМ, побудованих на сучасній елементній базі, без прийняття спеціальних захисних заходів лежить в діапазоні cos 0,95 1. Описані варіанти нових розробок модуляторів змінної напруги, а також побудова на їх основі силових модуляторів ПЧ з КМ. Показано, що введення в структурну організацію модулятора змінної напруги зворотного випрямляча і блоку реверсу його підключення до живлячої мережі дозволяє усунути перенапруги на силових елементах перетворювального тракту та на навантаженні як в усталених режимах роботи, так і на інтервалах вимикання.

Запропонована математична модель процесу формування КСН, в основу якої покладений алгоритм його формування з поданням змінних в багатопараметричній формі запису

, (1)

де: Еm - амплітудне значення фазної напруги; N - загальне число n-х модуляторів, що складають силовий модулятор фазної напруги; i= 1, 2, 3 - фази живлячої напруги; 0 - половина часового інтервалу дії нульової паузи в кривій вихідної напруги n-ного модулятора; 1(t)- кут управління, зміна якого в часі забезпечує ШІР вихідної напруги кожного з модуляторів і тим самим регулювання вихідної напруги ПЧ з КМ; В- число, яке визначає величину оптимального значення початкової фази вихідної напруги модулятора, забезпечуючій найкращий гармонічний склад КСН; 1, 2 - відповідно частоти живлячої мережі і еквівалентного модулюючого діяння.

Вихідна напруга системи електропостачання відповідно (1) приведена на рис. 2.

Показано, що математична модель дозволяє отримати графічне зображення і математичну форму запису повного процесу формування вихідних напруг перетворювачів з будь-яким числом модуляторів в складі силових модуляторів при можливості відображення як кінцевого результату, так і проміжних викладок і, крім того, синтезувати вихідні КСН дволанкових перетворювачів частоти.

При фазовому регулюванні КСН математична модель має вигляд

, (2)

де = 0 - (/2) -кут зсуву фаз між двома КСН, що підсумовуються в контурі навантаження.

Діаграми формування вихідної напруги відповідно (2) представлені на рис. 3.

На основі аналізу характеристик регулювання діючого значення вихідної напруги систем електропостачання на основі ПЧ з КМ робиться висновок про необхідність їхньої лініарізації.

У третьому розділі розглянуто питання побудови перетворювачів систем електропостачання діагностичних комплексів з постійною вихідною напругою. Показано, що використання єдиної централізованої структури ПЧ з КМ в силовому тракті формування і регулювання вихідної напруги систем електропостачання дозволило подати в багатопараметричній формі запису як і для систем електропостачання з змінною вихідною напругою математичну модель процесу формування знакопостійних напруг, що дозволяє відобразити їх регулювання від максимального до нульового значень. При використанні ШІР вихідної напруги в кожному модуляторі для регулювання вихідної напруги системи електропостачання математична модель формування знакопостійної напруги описується виразом

. (3)

При фазовому регулюванні математична модель формування знакопостійної напруги має вигляд

. (4)

В той же час математичні моделі (1) і (2) можна ефективно використовувати для аналіза процесу регулювання напруг в силовому тракті попереднього формування вихідної напруги системи електропостачання з постійною вихідною напругою.

Проаналізовано характеристики регулювання перетворювачів по середньому значенню КСН з використанням отриманого спрощеного аналітичного виразу, описуючого залежність середніх значень КСН від кута управління. Відзначено, що при високій якості проміжного високочастотного КСН для лініарізації регулювальних характеристик по середньому значенню КСН можна скористуватися технічними засобами, які забезпечують лініарізацію КСН по діючому значенню напруги.

Описано запропоновані способи асинхронного управління силовими модуляторами, які дозволяють в структурі ПЧ з КМ отримати постійну напругу з високою якістю при високочастотному проміжному перетворенні в системах електропостачання з постійною вихідною напругою.

Запропоновано технічне рішення модулятора випрямленої напруги з накопичувальним конденсатором, встановленим на вході випрямляча, та з ланцюгами енергообміну, що зв'язують живлючу мережу і навантаження. Такий підхід дозволив: по-перше, підвищити якість вихідної і енергії, що споживається; по-друге, усунути можливі перенапруги на елементах силового тракту перетворювачів систем електропостачання; по-третє, створювати модулі силових модуляторів для використання в високоефективних перетворювачах систем електропостачання з різним видом вихідної напруги.

В четвертому розділі проведено аналіз електромагнітних процесів у перетворювачах систем електропостачання діагностичних комплексів. Показано, що використання апарату подання математичної моделі процесу формування КСН при аналізі електромагнітних процесів в модуляторах змінної і випрямленої напруги дозволило з єдиних позицій подати в координатах вихідних напруг часові діаграми струмів навантаження, струмів, що споживаються, а також струмів через силові елементи модуляторів змінної і випрямленої напруг.

Для знаходження струму навантаження розглянуто диференційні рівняння виду

, (5)

де: - знаходиться з начальних умов; r і L - відповідно активний опір і індуктивність навантаження; напруга визначається відповідною математичною моделлю з (1) або (2) - для систем елекропостачання змінного струму і з (3) або (4) - для систем елекропостачання постійного струму.

Рішення (5) знаходимо у вигляді

, (6)

де: - вектор початкових умов; 0, k - часовий інтервал рішень; p - кількість точок на часовому інтервалі рішень; D - вектор-функція диференційних рівнянь.

З урахуванням функцій перетворення напруги модуляторами і (6) вирішується питання знаходження вхідних струмів. Так, наприклад, для модулятора змінної напруги вхідний струм визначається з з виразу

, (7)

де: - функція перетворення напруги (співпадає з еквівалентним модулюючим діянням).

Використання обчислювальної техніки (програмного забезпечения “Basic”, “Mcad”) при графічному поданні (6) і (7) дозволяє оцінити амплитудні значення струмів, що дає можливість проводити вибір елементної бази перетворювачів систем електропостачання.

Для аналітичного запису струмів навантаження модуляторів змінної і випрямленої напруги запропоновано і обгрунтовано в випадку високочастотного перетворення електромагнітної енергії використовувати відомі вирази, отри мані за допомогою дискретного перетворення Лапласа для анализу струмів навантаження модуляторів постійної напруги.

Асинхронне управління модуляторами в структурах ПЧ з КМ дозволило створити високоефективні системи електропостачання діагностичних комплексів (рис. 4) з лінійними характеристиками регулювання по середньому значенню вихідної напруги при багатозонному його регулюванні (рис.5).

Знакопостійна напруга в цьому випадку визначається виразом

, (8)

де: - величина кута управлення в -тій зоні регулювання напруги; L - кількість зон регулювання; - початкова фаза еквівалентного модулюючого діяння.

Розглянуто процес лініарізації регулювальних характеристик перетворювачів по діючому значенню КСН з урахуванням повного їх спектрального складу. Запропонована технічна реалізація розгортаючих напруг, що забезпечують лініарізацію регулювальних характеристик по діючому значенню КСН. Обгрунтовано доцільність побудови перетворювача з фазовим регулюванням вихідної напруги по схемі компенсаційно-параметричної САР. Наведена та проаналізована структурна схема ПЧ з КМ з компенсаційно-параметричною САР вихідної напруги.

ВИСНОВКИ

В роботі розвинута теорія дослідження і створення систем електропостачання діагностичних комплексів промислових підприємств з різним видом вихідної енергії на основі перетворювачів частоти з квазіоднополосною модуляцією (ПЧ з КМ). Створені на основі розроблених модуляторів змінної і випрямленої напруги ПЧ з КМ утворюють централізовану структуру систем електропостачання діагностичних комплексів, що мають покращені техніко-економічні характеристики. Розроблені математичні моделі процесів формування КСН і знакопостійних напруг стали основою аналізу електромагнітних процесів створених систем електропостачання. Отримані нові науково обгрунтовані результати в сукупності є істотними для розвитку теорії систем електропостачання з різним видом вихідної напруги.

1. Класифікаційний аналіз основних типів мережевих перетворювачів, проведений з урахуванням спільності споживачів по параметрам підведеної енергії, показав, що багато видів технічних рішень перетворювачів діагностичних комплексів можна об'єднати і подати в чотирьох основних групах.

2. Показано, що загальним в структурологічному плані технічним рішенням при побудові перетворювачів діагностичних комплексів з різним видом вихідної енергії, забезпечуючим принцип незмінності структури централізованої силовий частини при можливості її складання на основі невеликого числа компонентів з уніфікованих блоків і вузлів з максимальним використанням стандартних елементів, є рішення з використанням ПЧ з КМ, працюючих як на частоті формування низькочастотного КСН, так і на високій частоті з використанні діодного демодулятора. При цьому якість вихідної напруги як перетворювачів з змінною, так і перетворювачів з постійною вихідною напругами при використанні ступеневої модуляції еквівалентних модулюючих діянь і багатоканального способу перетворення електромагнітної енергії мережі залежить від кількості модуляторів, що складають силові модулятори фазних напруг.

3. На основі порівняння процесів енергообміну в модуляторах постійної і змінної напруг показано, що на інтервалах вимикання на силових елементах модулятора змінної напруги і на його навантаженні можливо виникнення значних перенапруг, якщо не приймати спеціальних заходів по замиканню реактивного струму навантаження. Аналіз результатів моделювання процесів енергообміну в модуляторах змінної напруги між активно-індуктивним навантаженням і мережею змінної напруги, проведений за допомогою пакету прикладних програм “Designer Center”, показав, що область їх безпечної роботи, а отже і силових модуляторів ПЧ з КМ, побудованих на сучасній елементній базі, без прийняття спеціальних захисних заходів лежить в діапазоні

4. Показано і обгрунтовано за допомогою схемного моделювання, що введення в структурну організацію модулятора змінної напруги зворотного випрямляча і блоку реверса зворотного випрямляча дозволяє усунути перенапруги на його силових елементах, на елементах силових модуляторів ПЧ з КМ і на навантаженні як в квазіусталених режимах, так і на інтервалах вимикання.

5. Запропоновано математичну модель процесу формування КСН, в основу якої покладено алгоритм їх формування з визначенням змінних в багатопараметричній формі. Показано, що математична модель дозволяє отримати графічне подання і математичну форму запису процесу формування вихідних напруг перетворювачів з будь-яким числом модуляторів у складі силових модуляторів при можливості відображення як кінцевого результату, так і проміжних викладень.

7. Показано, що використання єдиної централізованої структури ПЧ з КМ в силовому тракті формування і регулювання вихідних напруг систем электропостачання з змінною і постійною вихідною напругою дозволило визначити в багатопараметричній формі запису математичну модель процесу формування знакопостійних напруг, що відображає їх регулювання від максимального до нульового значень. Запропоновано математичну модель процесу формування КСН використовувати для аналізу процесу регулювання напруги в силовому тракті попереднього формування вихідної напруги систем електропостачання з постійною вихідною напругою.

8. Отримано і обгрунтовано спрощений аналітичний вираз, що визначає узагальнену залежність середніх значень знакопостійних КСН в залежності від кута регулювання. Це дозволило значно спростити аналітичний вид узагальнених виразів, що описують характеристики регулювання систем електропостачання по середньому значенню КСН.

9. Показано, що асинхронне управління модуляторами в структурі ПЧ з КМ дозволяє одержувати при високочастотному проміжному перетворенні постійну напругу з високою якістю вихідної енергії в системах електропостачання з постійною вихідною напругою.

10. Запропоновано структурну організацію модулятора випрямленої напруги з блоком реверса зворотного випрямляча і енергообмінним накопичувальним конденсатором, встановленим на вході вхідного випрямляча, що дозволяє: підвищити якість вихідної енергії і споживаної енергії; усунути можливі перенапруги на елементах модулятора, силових модуляторів і перетворювачів на інтервалах їх вимикання; створити модулі силових модуляторів, що використовуються при побудові высокоефективних перетворювачів систем електропостачання з різним видом вихідної енергії.

11. Запропоновано при аналізі електромагнітних процесів на періоді повторення живлячої напруги для визначення миттєвих значень струмів навантаження, вхідних струмів і струмів через силові елементи модуляторів, а також перетворювачів систем електропостачання з змінною і постійною вихідною напругою, в тому числі і з асинхронним управлінням, використовувати математичну модель процесу формування КСН, подану в багатопараметричній формі запису, зручній для машинного аналіза.

12. Обгрунтована можливість використання відомих виразів, отриманих за допомогою дискретного перетворення Лапласа для аналіза струмів навантаження модуляторів постійної напруги, а також для визначення миттєвих значень струмів навантаження модуляторів випрямленої і змінної напруг.

13. Показано, що асинхронне управління модуляторами в структурах ПЧ з КМ дозволило створити високоефективні системи електропостачання діагностичних комплексів з лінійними характеристиками регулювання по середньому значенню вихідної напруги при багатозонному її регулюванні.

14. Запропоновано використовувати принцип лініарізації статичних нелінійностей і математичний апарат гармонічного синтезу для створення математичного опису процесу лініарізації характеристик регулювання систем електропостачання по діючому значенню вихідної напруги з урахуванням повного її гармонічного складу. Показано, що отримані закони зміни розгортуючих напруг фазозсуваючого блока можна здійснити простими технічними засобами.

15. Обгрунтовано доцільність використання в системах електропостачання діагностичних комплексів з лініарізованими характеристиками регулювання і фазовим способом регулюванням компенсаційно - параметричних САР вихідної напруги, що дозволить здійснити швидкодіюче відпрацювання збурних діянь як за рахунок зміни живлячої напруги, так і за рахунок струму навантаження.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Макаренко М.П., Абарка Г. Аналіз безпосередніх перетворювачів частоти, як основи багатофункціональних перетворювачів електромагнітної енергії з лінеаризованими характеристиками регулювання// Наукові вісті національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. - 1998. - №1 (2). - С.17-21.

2. Макаренко Н.П., Сенько В.И, Терновой В.М., Абарка Г. Моделирование єлектромагнитных процессов энергообмена в инверторах переменного на-пряжения // Электроника и связь. - 1998. - №4, ч. 3. - С.482-486.

3. Макаренко Н.П., Сенько В.И, Терновой В.М., Абарка Г. Непосредственные преобразователи частоты с обратными выпрямителями//Технічна електро-динаміка. - 1998. - Спец. випуск, №2, т.1. - С.68-71.

4. Макаренко Н.П., Сенько В.И, Абарка Г. Непосредственные преобразовате-ли частоты в системах электропитания постоянного тока//Технічна елек-тродинаміка. - 1998. - Спец. випуск, №2, т.1. - С.64-67.

5. Макаренко Н.П., Сенько В.И, Абарка Г. Компенсационно-параметрические системы автоматического регулирования выходного напряжения непосред-ственных преобразователей частоты // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник Харьковского государствен-ного политехнического университета. - 1998.- С.291-292.

6. Макаренко Н.П., Абарка А.Г. Математическая модель процесса формиро-вания выходных напряжений преобразователей частоты // Электроника и связь. - 1999. - №6, т. 2. - С.60-64.

7. Макаренко Н.П., Абарка Г., Небрат Е.В. Экологические вопросы сетей вто-ричных систем электростанций промышленных предприятий /Вісник УБЕНТЗ. - 1999. - №5. - С.7-12.

8. Сенько В.И., Макаренко М.П., Терновий В.М., Абарка Г. Безперебійні сис-теми електроживлення технічних засобів при довгострокових відключеннях електроенергії//Звіт про дослідно-конструкторську роботу № 2847, №держреєстрації 0195U027095. - К., 1997. - 72 с.

9. Безперебійні системи електроживлення технічних засобів при довгостроко-вих відключеннях електроенергії/ Сенько В.И, Макаренко М.П., Терновий В.М., Абарка Г.//Зб. анотацій наук.-техн. розр., - К. - 1998. - С.37.

10. Сенько В.И, Макаренко М.П., Терновий В.М., Абарка Г. Теоретичне об-грунтування та створення спеціальних джерел живлення енергозберігаючих технологій//Звіт про дослідно-конструкторську роботу № 2039, №держреєстрації 0196U009074. - К., 1997. - 107 с.

11. Сенько В.И., Абарка Г., Жаруша Х. Анализ электромагнитных режимов в инверторах напряжения // Электроника и связь. - 1999. - № 6, т. 2. - С. 50 - 54.

12. Макаренко М.П., Абарка Г. Інвертор напруги. Позит. решення по заявці № 98010493 на патент України від 29.01.1998 р.

13. Макаренко М.П., Абарка Г. Силовий модулятор. Позит. Решення по заявці № 98073422 на патент України від 01.07.1998 р.

Размещено на Allbest.ru