авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Резонансный трансформаторно-полупроводниковый комплекс для электротехнологии

1

На правах рукописи

РАХМАНОВА Юлия Владиславовна РЕЗОНАНСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ Специальность: 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2006 2

Работа выполнена на кафедре электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Рогинская Любовь Эммануиловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гизатуллин Фарит Абдулганеевич кандидат технических наук, доцент Мухортова Елена Ивановна

Ведущая организация: УНПП «Молния»

Защита диссертации состоится 27 декабря 2006г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д–212.288.02 в Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу:

450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «13» ноября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф Г. Н. Утляков РАХМАНОВА Юлия Владиславовна РЕЗОНАНСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ Специальность: 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук ЛР № 020258 от 08.01. Подписано в печать 09.11.2006. Формат 60 84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.

Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр. – отт. 1,0. Уч. – изд. л. 0,9.

Тираж 100 экз. Заказ № ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа – центр, ул. К. Маркса,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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. Вологдина (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:

1. Исследование возможных схем построения, определение наиболее рациональных структур применительно к резонансным трансформаторно полупроводниковым комплексам, требующим согласования выходных параметров с параметрами нагрузки.

2. Разработка математических моделей для исследования резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов с каскадным повышением напряжения и учетом реальных электрических и магнитных параметров индуктивных модулей.

3. Исследование и оптимизация параметров высокочастотных источников питания.

4. 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 PSpice, и имитационного моделирования в средах OrCad 9.2 и MatLab 6.5.

На защиту выносится:

1. Обоснование целесообразности применения различных структур электротехнологических комплексов повышенной частоты с коэффициентом усиления по напряжению до 104.

2. Модели полупроводниковых преобразователей частоты для электротехнологии с согласующим трансформатором и измерительным индуктивным модулем с учетом нелинейного характера нагрузки.

3. Результаты, полученные в ходе имитационного моделирования резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов.

4. Методика расчета и проектирования индуктивных модулей для полупроводниковых преобразователей частоты с учетом реальных электрических и магнитных параметров.

Научная новизна:

1. Доказано, что для получения коэффициента усиления по напряжению до 104, наиболее рационально произвести каскадное соединение резонансного инвертора и высоковольтного высокочастотного трансформатора.

2. 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.

3. Создан оригинальный источник питания для индукционного нагрева со стабилизированным выходным напряжением, отличающийся от аналогичных устройств повышенными технико-экономическими показателями.

4. 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:

1. 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 30кВ до 60кВ.

2. 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 102, при этом напряжение на транзисторах остается равным напряжению источника питания.



3. Применение фильтрового дросселя в тиристорных преобразователях для стабилизации напряжения при изменении частоты в диапазоне ±5% от номинальной.

4. 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. А.М. 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 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 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, представлены сведения об апробации работы, описаны структура и объем работы, кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первой главе представлен анализ устройств и установок, потребляющих электрическую энергию в виде кратковременных импульсов (емкостные накопители энергии) и установок для индукционного нагрева.

Рассмотрены возможные схемы построения источников питания емкостных накопителей энергии. Приведен принцип работы и особенности схемы с индуктивно-емкостным преобразователем. Определена наиболее рациональная структура источника питания для термообработки металла с помощью индукционного нагрева. Выявлены особенности выбора параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов.

Рассмотрена модель трансформатора, существующая в среде проектирования OrCad 9.2, и выявлены ее основные недостатки.

Во второй главе разработаны математические модели для исследования работы резонансных трансформаторно-полупроводниковых комплексов.

Наиболее значимыми элементами ряда современных установок для электротехнологии, являются высоковольтные высокочастотные индуктивные модули. Характер нагрузки электротехнологических комплексов является важным фактом при расчете и выборе параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов (ВВТ), входящих в эти схемы.

Если при выходном напряжении uвых3кВ конструкция и изоляционные расстояния не отличаются от таковых для трансформаторов с напряжением uвых1кВ, то при более высоких напряжениях необходимо учитывать следующие факторы: выбор сечения провода высоковольтной обмотки и сечения магнитопровода производится по технологическим соображениям, а не по условиям минимума целевой функции;

увеличение собственной емкости высоковольтной обмотки, что ведет к возрастанию паразитного емкостного тока.

Рассмотрено влияние каждого из вышеприведенных факторов на параметры высоковольтного трансформатора. Если диаметр провода, выбранного по плотности тока, меньше предельно допустимого, то провод выбирается по технологическим соображениям (=const). Обозначив предельное сечение провода через qпр, определим предельную величину выходного напряжения, при котором сечение провода определяется рациональной плотностью тока S 2 = U 2 I 2 ;

U 2 = S 2 / I 2 = S 2 /( j2 гр S гр ), где S2, U2, I2 – соответственно выходные мощность, напряжение и ток;

j2гр – плотность тока характерная для заданных условий и мощности.

Таким образом, граничное напряжение, при котором сечение провода выбирается по плотности тока, пропорционально мощности.

Определено 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 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.

При обычных упрощающих предположениях электромагнитная мощность равна:

Pэм S 2 Bm fkс kок Sст Sок / 2, (1) где BBm, f, kc, kок, Sст, Sок – соответственно индукция, частота, коэффициент заполнения магнитопровода и окна, сечения трансформатора Если N2= N2max, то сечение стержня равно Sст = U 2 / 2 fBm N 2max (2) Из (2) определено граничное значение напряжения Pэм м kок U 2гр = N 2 max 2 Bm f j ст kc (3) (2 + k1c / в )(2 + с / k1a ) = A1 Pэм / j.

(2k1 + c / a )(c / в + а / в ) Нетрудно заметить, что U 2гр Pэм / j, в то время как первое условие соответствует прямой пропорциональности между этими величинами.

Зависимости между u2 гр, u2 гр и Pэм для BBm=0,4Тл, f=5103Гц, с/в=1, с/а=1, (1) (2) а/в=0,5 стали 3424, с толщиной листа =0,08мм приведены на рисунке (кривые 1,2). Из сравнения этих кривых видно, что при малых мощностях более жестким является первое условие, а затем второе.

С увеличением выходного напряжения растет собственная емкость высоковольтного трансформатора, приведенная к первичной обмотке, вследствие чего увеличивается емкостный ток.

Пренебрегая величинами емкости первичной обмотки и межобмоточной емкости, получено значение приведенной емкости 4 ph 4 N 2 (m 1) 16 ph 2 N ' C2 т, 10,8 N12 2 m 2 10,8 N12 2 m где p, h, m, 2 – средний полупериметр, высота, число слоев, толщина межслоевой изоляции вторичной обмотки. Линейные размеры, судя по (3) пропорциональны (Pэм/j)1/4.

Емкостный ток и ток нагрузки соответственно равны 16 ph 1010 U I c = U1 C2 т = ;

10,8 U1 2 m I н = Pэм / u1.

при этом граничное значение напряжения, при котором ток не превышает * I с гр равно I с гр 10,8 m 2 Pэм * = (3) ( Pэм )1/ 4.

u (4) 6 ph 2 гр На рисунке 1 (кривая 3) приведена зависимость u2 гр = f ( Pэм ) при тех (3) же соотношениях, что и ранее. Отмечено, что если при выборе граничного значения напряжения по второму критерию, с ростом частоты величина u2гр растет пропорционально f, то граничное значение напряжения по третьему критерию падает пропорционально f 1/ 4.

Приведенные зависимости могут служить для определения удельных показателей высоковольтных трансформаторов. На рисунке 2 построена зависимость (Gоб + Gст ) / Pэм = f ( Pэм ) для напряжения u2=1кВ. При напряжениях (10…100)кВ удельные показатели определяются следующим образом: при U2U2гр активное сечение стержня выбирается в соответствии с оптимальными соотношениями;

при U 2(1) U 2 U 2(2), Sст выбирается в соответствии с рекомендациями;

при U 2 U 2(1) сечение провода вторичной обмотки выбирается по технологическим соображениям.

При масса U2 U2(1) высоковольтного трансформатора не уменьшается, так как Gобм, Gстconst и (Gобм+Gст)/Pэм – гипербола. На рисунке 2 (кривые 2,4) даны зависимости Mуд=f(Pэм) для U2=10,20,50,100кВ.

Расчет параметров высоковольтных высокочастотных трансформаторов производился при помощи специально созданной программы на Delphi 7 – «Индуктивный модуль с учетом реальных магнитных и электрических параметров». Программа обеспечивает выполнение следующих функций: расчет трансформаторов с сердечниками из различных марок электротехнической стали (включая аморфную), ферритов;

расчет обмоток выполненных из ленты, одножильного и многожильного провода, медных трубок;

расчет основных потерь в трансформаторе, индуктивности рассеяния и эквивалентной емкости.

Для исследования выбрана эквивалентная схема ВВТ (рисунок 3), состоящая из:

индуктивностей рассеяния L1s, L2s ;

активных сопротивлений r1, первичной и вторичной r обмоток;

индуктивности L намагничивания;

сопротивления, учитывающего потери в магнитопроводе Rc ;

емкостей C1T, C12T, C2T, приближенно эквивалентных соответствующим распределенным емкостям и приведенных к напряжению первичной обмотки. На основе выбранной схемы замещения предложена математическая модель ВВТ, учитывающая паразитные параметры и потери в сердечнике. Для ее исследования проведено моделирование по схеме на рисунке 4. Питание трансформатора осуществляется от синусоидального источника с частотой 20кГц, амплитудой 200В. Внутреннее сопротивление Ri равно 1Ом. Трансформатор нагружен активным источника сопротивлением Rn = 2 МОм.

Рисунок 4. Схема для исследования ВВТ Выявлено, что предложенная модель высоковольтного высокочастотного трансформатора достаточно хорошо отвечает требованиям, предъявляемым к модели, отражающей электромагнитные процессы в реальном трансформаторе, по форме и амплитуде полученных основных характеристик.

Индуктивные модули являются составной частью комплекса для питания ряда нелинейных нагрузок. Рассмотрены источники питания емкостных накопителей энергии. Наибольший интерес в этой области представляют высокочастотные преобразователи с повышенным коэффициентом трансформации по напряжению. Мощность исследуемых трансформаторно-полупроводниковых комплексов повышенной частоты относительно невелика, поэтому для получения максимального выходного напряжения и минимального времени заряда рационально использовать систему с предварительным повышением напряжения в звене постоянного тока, т.е. каскадное соединение резонансного инвертора и высоковольтного высокочастотного трансформатора. Для исследования выбран ряд схем, две из которых – мостовой последовательный резонансный инвертор (МС) и инвертор с индуктивно-емкостным преобразователем (МСИЕП), представлены на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. Схема последовательного мостового резонансного транзисторного инвертора Рисунок 6. Схема мостового транзисторного инвертора с индуктивно– емкостным преобразователем На рисунке 7 приведена модель мостового транзисторного инвертора с индуктивно–емкостным преобразователем, на рисунке 8 – кривая напряжения на емкостном накопителе этой модели, конденсатор полностью заряжается до значения 57,3кВ за 21,6 сек.

Рисунок 7. Модель мостового транзисторного инвертора с индуктивно– емкостным преобразователем Рисунок 8. Напряжение на емкостном накопителе инвертора с ИЕП Из зависимостей, полученных при моделировании мостового транзисторного инвертора с индуктивно–емкостным преобразователем, видно, что максимальное напряжение на транзисторах не превышает 23В, в то время как амплитуда напряжения на диагонали, равна 4кВ – в 200 раз превышает напряжение питания. Это объясняется тем, что напряжение транзисторов близко к арифметической разности напряжений uL1, uL2 и uС1, uС2, а напряжение диагонали – к арифметической сумме. При этом форма напряжения на этих элементах близка к синусоидальной. Коммутирующий конденсатор С3 заряжается до максимального значения за 4,02мс.

Напряжение на ЕНЭ (С1) изменяется по закону близкому к экспоненциальному, а ток в конденсаторе С3 имеет импульсную форму, то есть чередуются состояния открытого положения (U1, U2 и U3, U4) и полностью закрытого положения инверторного моста.

Данные, полученные в результате моделирования, сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Параметры схем при оптимизации по максимальному выходному напряжению t3*, Схема Параметры U3, кВ t3, мс UB, IB, mаx, E, Дж B B mаx, В А с МС Lk=38мкГн 48 2,3 1200 70 0,105 Ck=1мкФ МСИЕП Lk=27мкГн 57,3 4,02 23 185 0,08 21, Ck=0,25мкФ ОПН Lk=59мкГн 37,11 10 250 139 0,27 (однотактная Ck=0,38мкФ схема) Lвх=5мкГн ДПН Lk=190мкГн 53 9,4 1200 163 0,938 (двухтактная Ck=0,22мкФ схема) Согласно данным таблицы 1, можно сделать вывод, что схема преобразователя напряжения с ИЕП является наиболее приемлемой при оптимизации по максимальному выходному напряжению и по времени заряда.

Время заряда ЕНЭ в схемах однотактного и двухтактного преобразователей на порядок выше аналогичного значения в мостовой схеме и схеме с ИЕП, хотя по величине напряжения на ЕНЭ двухтактная схема мало уступает мостовой схеме с ИЕП. При одинаковом источнике питания и транзисторах, напряжение на ЕНЭ в 1,2 раза больше напряжения на конденсаторе обычной мостовый схемы, а время, затраченное на заряд емкости, в 2 раз меньше. Напряжение на транзисторе в схеме с ИЕП почти в 50раз меньше, чем на аналогичном приборе в мостовой схеме. По времени заряда коммутирующего конденсатора и величине тока на транзисторе, лучшей является схема мостового полупроводникового преобразователя. При исследовании схем коэффициент усиления по напряжению составил порядок до 104.

Третья глава посвящена исследованию и выбору параметров электротехнологических комплексов для индукционного нагрева и источников питания озонаторов.

Почти каждая современная электротехнологическая установка рассматриваемых классов, включает в свою схему преобразователь повышенной частоты и индуктивные модули. Причем схемное решение большинства преобразователей является хорошо известным. Однако, применение взаимоиндуктивных модулей позволяет улучшить технико экономические показатели подобных устройств. К таким установкам можно отнести источники питания для индукционного нагрева, использующие классическую схему с удвоением частоты и установки для генерирования озона со специальным трансформатором.

На рисунке 9 приведена схема оригинального автономного инвертора со стабилизированным выходным напряжением, защищенная патентом РФ № 2216090, обладающая по сравнению с аналогичными устройствами, улучшенными технико-экономическими показателями за счет уменьшения числа элементов и устранения влияния индуктивности измерительного трансформатора на работу преобразователя.

Рисунок 9. Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением 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.

Для исследования работы автономного инвертора со стабилизированным выходным напряжением разработана модель в прикладном пакете MatLab. В результате моделирования получено, что мгновенное значение напряжения на нагрузочном контуре равно примерно 420В. Вследствие большой индуктивности практически все напряжение нагрузочного контура прикладывается к входному дросселю, трансформируется на измерительную катушку и составляет 630В.

Рисунок 10. Зависимость напряжения на измерительной катушке от частоты управления Для исследования возможности использования входного дросселя в качестве устройства регулирования и стабилизации напряжения, проведен ряд измерений зависимости напряжения на измерительной катушке от частоты нагрузочного контура. Данные отображены на рисунке 10, где показано, что экспериментальная зависимость имеет линейный характер в области регулирования частоты ±5 % от расчетной (8кГц). Это доказывает возможность использования входного дросселя для регулирования и стабилизации напряжения.

Электромагнитные процессы в источниках питания озонаторов близки к электромагнитным процессам в емкостных накопителях энергии. Схема замещения источника питания емкостного накопителя представлена на рисунке 11а. Озонатор представляет собой, последовательно соединенные:

емкость барьера, емкость газового промежутка, параллельно которой включен диодный выпрямитель, нагруженный на противо–ЭДС, равную приведенному напряжению пробоя (рисунок 11б).

В прикладном пакете MatLab 6.5 создана модель источника питания с нелинейной нагрузкой в виде генератора озона и получены основные характеристики, необходимые для расчета трансформатора.

Рисунок 11. Схема замещения силовой части: а) емкостного накопителя, б) озонатора Для решения проблемы согласования источника питания и нелинейной нагрузки, предложена методика оптимизации параметров трансформатора по заданной индуктивности рассеяния, которая является одновременно коммутирующей индуктивностью. Так же предложенная методика позволяет определить электромагнитные и геометрические параметры трансформатора.

Особенности работы трансформатора – наличие нелинейной нагрузки, несинусоидальное питающее напряжение и токи, совмещенные в одном устройстве идеализированного трансформатора с U1 E1, E 2 = E1n21, где E1, E 2 - ЭДС первичной и вторичной обмоток и линейного дросселя, индуктивность которого равная индуктивности рассеяния LS.

В техническом задании на расчет трансформатора должны быть указаны: производительность озонатора, связанная с активной потребляемой мощностью, напряжение питающей сети, напряжение пробоя.

В четвертой главе предложен алгоритм методики расчета электромагнитных параметров резонансного инвертора со стабилизированным выходным напряжением на основе оригинальной схемы, рассмотренной в третьей главе, включающий в себя расчет и оптимизацию параметров взаимоиндуктивного модуля.

По предложенной методике расчета было изготовлено несколько высоковольтных высокочастотных трансформаторов различных мощностей и исследованы их характеристики, позволившие рассчитать дополнительные электромагнитные параметры необходимые для работы математической модели.

На рисунке 12 приведено сравнение зависимостей выходного напряжения от частоты, полученных для: модели ВВТ с учетом потерь и паразитных параметров, стандартной модели и реального трансформатора.

Рисунок 12. Зависимость выходного напряжения от частоты для: 1 – реальный трансформатор;

2 – стандартная модель;

3 – модель с учетом потерь.

Погрешность расчета на основе уточненной модели меньше погрешности расчета обычной модели в 2 раза. Таким образом, модель высоковольтного высокочастотного трансформатора с учетом потерь в сердечнике, наиболее полно отражает процессы, протекающие в реальном трансформаторе.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Исследованы возможные схемы построения и определены наиболее рациональные структуры резонансных трансформаторно полупроводниковых комплексов для электротехнологии, требующих согласования выходных параметров с параметрами нагрузки.

2. Разработаны математические модели для исследования работы трансформаторно-полупроводниковых комплексов с каскадным повышением напряжения и учетом реальных электрических и магнитных параметров индуктивных модулей. Предложена математическая модель высоковольтного высокочастотного трансформатора, учитывающая паразитные параметры и потери в сердечнике и программа расчета высоковольтных индуктивных модулей №2005612797.

3. Проведено исследование и оптимизация по максимальному выходному напряжению ряда наиболее рациональных схем источников питания емкостных накопителей энергии. По результатам моделирования доказана эффективность использования схемы с индуктивно – емкостным преобразователем в качестве реактивных блоков трансформаторных преобразователей частоты с высоковольтным выходом.

4. Разработан оригинальный источник питания для индукционного нагрева, на базе тиристорного преобразователя с удвоением частоты, защищенный патентом РФ №2216090. Доказана возможность использования входного индуктивного модуля для регулирования и стабилизации напряжения. Предложенная схема преобразователя с измерительной катушкой, обладает, по сравнению с аналогичными устройствами, улучшенными технико-экономическими показателями.

5. Предложена уточненная методика расчета специальных трансформаторов для электротехнологических комплексов с высоковольтным выходом, на основе учета эквивалентных нагрузочных емкостей и индуктивности рассеяния, при различном расположении обмоток на магнитопроводе, что позволяет сократить длительность этапа проектирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Имитационная модель источника питания для электротехнологии в среде MatLab / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Матер. международ. молодежн. науч. техн. конф. – Уфа, 2001. – С. 228.

2. Особенности электромагнитных процессов в согласующем трансформаторе, включенном в диагональ мостового транзисторного инвертора / Ю.В. Шуткова (Рахманова), А.А. Чепайкин, М.С. Фетисова // Электротехнические комплексы и системы: Межвузов. научн. сб. – Уфа, 2001. – С. 252-256.

3. Диагностика маслонаполненного трансформаторного оборудования / Ю.В. Шуткова (Рахманова), М.С. Фетисова // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 7 международ. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – М., 2001. – С. 221-222.

4. Исследование с помощью компьютерной модели высокочастотного трансформаторно-индукторного комплекса для индукционного нагрева металла / Ю.В. Шуткова (Рахманова), М.С. Фетисова // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 8 международ. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – М., 2002. – С. 62-63.

5. Моделирование индуктивно связанных цепей в программе PSpice / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвузов. научн. сб. – Уфа, 2002. – С. 100-104.

6. Имитационная модель устройства заряда емкостного накопителя энергии / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Электротехнические комплексы и системы: Межвузов. научн. сб. – Уфа, 2003. – С. 109-113.

7. Компьютерная модель зарядного устройства с высоковольтным высокочастотным трансформатором / Ю.В. Шуткова (Рахманова) // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Матер.

международ. молодежн. науч.-техн. конф. – Уфа, 2003. – С. 215.

8. Влияние выходных характеристик емкостных накопителей на параметры модулей, входящих в зарядное устройство / А.К. Белкин, Ю.М. Гусев, Ю.В. Рахманова, Л.Э. Рогинская, А.А. Шуляк // Технична электродинамика. – Киев, 2004. – Ч.2.– С. 30-34.

9. Особенности расчета высокочастотных трансформаторов для электротехнологии / Ю.В. Рахманова, Т.А. Гайнетдинов, Е.Н. Гуляев // Электротехнические комплексы и системы: Межвузов. научн. сб. – Уфа, 2005. – С. 252-256.

10. Исследование электромагнитных процессов в источниках питания для электротехнологических комплексов на основе компьютерных моделей / Ю.В. Рахманова, Н.В. Листова // Известия Академии инженерных наук им.

А.М. Прохорова. – М.–Н. Новгород, 2005. – Т. 15. – С. 121-124.

11. Модель согласующего высокочастотного трансформатора с учетом реальных магнитных и электрических параметров / Ю.В. Рахманова // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвузов.

научн. сб. – Уфа, 2006. – С. 259-264.

12. Пат. 2216090 Рос. Федерация. Автономный инвертор со стабилизированным выходным напряжением / Рогинская Л.Э., Шуткова (Рахманова) Ю.В., Фетисова М.С;

опубл. 10.11.03, Бюл. № 31.

13. Индуктивный модуль с учетом реальных магнитных и электрических параметров: программы / Рогинская Л.Э., Рахманова Ю.В. – № 2005612797;

опубл. 10.01.06.

14. Выбор параметров полупроводниковых источников питания с высоковольтным выходом / Л.Э. Рогинская, Ю.В. Рахманова // Вестник УГАТУ. – Уфа, 2006. – Т. 7. – № 4 (17). – С. 23-26.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.