Дискретні стабілізатори напруги змінного струму з двотрансформаторними виконавчими структурами

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Дискретні стабілізатори напруги змінного струму з двотрансформаторними виконавчими структурами

Можаровський Анатолій Григорович

Київ -2009

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Споживання електроенергії здійснюється переважно на змінному струмі, при цьому всі електротехнічні пристрої розраховуються для роботи за певних найбільш прийнятних для них параметрах електричної енергії. На шляху від джерела до споживача вона зазнає неодноразових змін і її параметри не завжди задовольняють всім необхідним вимогам. Особливо це стосується величини напруги, відхилення або коливання якої відносно номінального значення може погіршити нормальну роботу обладнання, а іноді приводить до виходу його з ладу.

Актуальність теми. Зараз, особливо в умовах існуючого стану вітчизняних розподільчих електромереж, залишається актуальним створення та використання перетворювачів для стабілізації величини напруги живлення окремих споживачів.

Одним з ефективних засобів, що в багатьох випадках застосовується в якості виконавчого органу таких перетворювачів, є трансформаторно-ключові виконавчі структури (ТКВС), у більшості з яких характеристика вхід-вихід реалізується множиною нетотожних коефіцієнтів передачі, що залишаються незмінними на окремих її піддіапазонах. Це так звані дискретні стабілізатори (ДС), які підтримують величину напруги в межах певного поля стабілізації (ПС) характеристики вхід-вихід.

Серед них чільне місце, завдяки застосуванню принципу розділення потужностей на регульовану та нерегульовану частини, займає клас структур, які мають в своєму складі вольтододавчий трансформатор (ВДТ) та багатофункціональний автотрансформатор (АТ), що працюють на частоті мережі, а ключі винесені з кола силового струму й комутуються з частотою нижчою ніж струм в мережі.

В межах цього класу структур існує багато схемотехнічних рішень, які відрізняються кількістю електромагнітних елементів (ЕМЕ) та силових ключів, конфігурацією їх з'єднань. Дослідження таких структур переважно стосувалось конкретних пристроїв і не мало узагальнюючого характеру. Особливо при розв'язанні в загальному вигляді задач їх функціонування в якості виконавчого органу дискретного стабілізатора змінної напруги у випадку варіацій його вхідної й вихідної напруг та при розрахунку структур. Крім того, мало уваги приділялось максимально ефективному використанню трансформаторів. Вирішення кола цих задач дозволить покращити техніко-економічні показники стабілізаторів, що має суттєве значення для підвищення якості живлення відповідальних споживачів.

Тому розробка методу розрахунку виконавчих структур дискретних стабілізаторів, що містять в своєму складі трансформаторно-ключові виконавчі структури даного класу, є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в Інституті електродинаміки НАНУ в рамках державних тем науково-дослідних робіт, що проводились згідно постанов Бюро ВФТПЕ НАНУ: "Дослідити та розробити системи регулювання змінної напруги, що забезпечують гарантований рівень електромагнітної сумісності споживача з мережею" (шифр "Система-П") № ДР UA01008508P (1992-1994); "Комплексний аналіз та оптимізація складу та структури локальних систем електроживлення відповідальних споживачів по заданим критеріям" (шифр "Рестал") № ДР 0195U015220 (1995-1999); "Розробка та оптимізація високоефективних систем регулювання напруги за допомогою імітаційного й об'єктно-орієнтованого візуального моделювання з використанням нових засобів та ідеологій управління" (шифр "Рестал-2") № ДР 0100854308P (2000-2004); "Дослідження та оптимізація процесів в перетворювачах напруги змінного струму, орієнтованих на використання в електротехнологічному та електро-механічному обладнанні" (шифр "Ренап") № ДР 0105U002318 (2005-2009). У цих роботах дисертант був одним з відповідальних виконавців розділів тем.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії виконавчих структур дискретних стабілізаторів напруги змінного струму з розділенням потужностей на регульовану та нерегульовану, розробка метода їх розрахунку, орієнтованого на модернізацію схемотехнічних рішень, та створення на цій основі стабілізаторів з покращеними техніко-економічними показниками.

Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні задачі:

– аналіз та обґрунтування раціональних законів формування характеристики вхід-вихід виконавчої структури стабілізатора, інваріантних до її реалізації;

– визначення можливості реалізації характеристики вхід-вихід стабілізатора;

– визначення загальних співвідношень для розрахунку напруг та струмів обмоток (секцій обмоток) електромагнітних елементів виконавчої структури;

– розробка способів зменшення встановленої потужності багатофункціонального секціонованого автотрансформатора виконавчої структури;

– розробка алгоритмів керування дискретного стабілізатора змінної напруги з двотрансформаторним виконавчим органом;

– розробка методичних засад розрахунку основних вузлів дискретних стабілізаторів напруги з використанням сучасних програмних засобів.

Об'єктом дослідження є дискретні стабілізатори напруги на основі трансформаторно-ключових виконавчих структур, які мають в своєму складі вольтододавчий трансформатор, багатофункціональний автотрансформатор, що працюють на частоті напруги мережі, та ключі, які винесені з кола силового струму та комутуються з частотою нижче, ніж у мережі.

Предметом дослідження є електричні, енергетичні та економічні характеристики дискретних стабілізаторів напруги змінного струму.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувались методи теорії електричних кіл, структурно-топологічні та методи математичного й фізичного моделювання. Математичне моделювання роботи виконавчого органу та вузлів системи керування виконані з залученням програмного пакету Orcad, який дозволяє аналізувати процеси в електричних схемах, а розробка, моделювання та трасування проекту для програмуємої логіки - пакету MAX+PLUS II Baseline.

Наукова новизна одержаних результатів:

– отримала подальший розвиток теорія проектування дискретних стабілізаторів, що мають в своєму складі трансформаторно-ключові виконавчі структури, на основі чого розроблено новий метод їх розрахунку;

– встановлено, що закон вибору коефіцієнтів передачі характеристики вхід-вихід стабілізатора за геометричною прогресією забезпечує задану точність стабілізації з незмінною відносною, а запропонована його модифікація - абсолютною шириною необхідних петель гістерезису цієї характеристики;

– вперше визначено єдино можливі співвідношення секцій обмоток трансформаторів виконавчої структури, які дозволяють в об'єктивних умовах перевищення числа станів (порядку системи рівнянь, що відповідає її математичній моделі) над кількістю секцій обмоток (числом незалежних змінних) реалізувати закон вибору коефіцієнтів передачі за геометричною прогресією та синтезувати топологію структури;

– вперше створено математичні моделі типових трансформаторно-ключових виконавчих структур, за допомогою яких отримано загальні аналітичні залежності для визначення напруг та струмів обмоток електромагнітних елементів при будь-яких параметрах поля стабілізації;

– вперше встановлено, що існують умови, за яких можливо зменшення встановленої потужності автотрансформатора виконавчого органу за рахунок переформування крайніх секцій його обмоток;

– встановлено, що секції обмоток автотрансформатора в різних станах неоднаково завантажені по струму, з урахуванням чого визначено його реальну розрахункову встановлену потужність.

Практичне значення одержаних результатів:

– розроблено інженерну методику розрахунку виконавчого органу дискретних стабілізаторів напруги змінного струму, що реалізована у вигляді низки програм, яка дозволяє вибрати топологію трансформаторно-ключової виконавчої структури при максимально ефективному використанні електромагнітних елементів;

– розроблено та створено дискретні стабілізатори змінної напруги, які серед пристроїв з тим же принципом регулювання напруги мають меншу вартість і характеризуються вищою надійністю, поліпшеною електромагнітною сумісністю з навантаженням та мережею живлення в порівнянні з однотрансформаторними структурами;

– запропоновано схемотехнічні рішення виконавчих структур для використання в регуляторах змінної напруги та стабілізаторах з рівнем напруги, що змінюється.

Результати досліджень впроваджено у спільній з НДІ "Перетворювач" (м. Запоріжжя) розробці стабілізатора змінної напруги та у блоках керування напівавтоматів для зварювання в середовищі інертних газів НВП "Плазма" (м. Ростов на Дону, Росія). Основні результати роботи доцільно використовувати при розробці засобів нормалізації параметрів електроенергії різного функціонального призначення.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення та результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

В друкованих працях, що опубліковані у співавторстві, особисто здобувачу належить: в [1, 2, 3, 4] - розробка алгоритмів та моделювання роботи вузлів дискретного стабілізатора; [5, 6] - обґрунтування вибору закону формування характеристики вхід-вихід; [7, 8, 9] - розробка програм для розрахунку параметрів виконавчого органу; [10] - проведення аналізу залежностей струмів в обмотках від параметрів поля стабілізації; [11] - отримання аналітичних виразів для визначення встановленої потужності електромагнітних елементів; [12, 13, 14, 15] - проведення розрахунку встановлених потужностей електромагнітних елементів.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Міжнародних науково-практичних конференціях "Енергозбереження в Україні: законодавство, теорія, практика" (Київ, 2004 та 2006 рр.); Міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми сучасної електротехніки" (Київ, 2006 та 2008 рр.), семінарах Наукової ради НАН України "Наукові основи електроенергетики".

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 15 статтях у фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, додатків і списку літератури. Загальний обсяг дисертації становить 258 сторінок, у тому числі 186 сторінок основного тексту, 59 рисунків, 57 таблиць, 5 додатків та список використаних джерел із 107 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, відзначено зв'язок роботи з науковими програмами та планами, розглянуто стан наукової задачі, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення результатів роботи, зазначено особистий внесок здобувача в друкованих працях, приведено відомості про апробацію отриманих результатів і публікації.

У першому розділі проведено аналіз впливу на роботу споживачів електроенергії відхилення величини напруги живлення змінного струму від номінального значення і показано негативні наслідки, що виникають при цьому.

Розглянуто технічні засоби для регулювання та стабілізації величини напруги. З аналізу їх переваг та недоліків зроблено висновок, що існує відносно простий у практичній реалізації, але ефективний спосіб регулювання напруги, що базується на дискретній зміні коефіцієнта передачі виконавчого органу, в якості якого використовується трансформаторно-ключова виконавча структура. Вона має в своєму складі електромагнітні елементи - трансформатори, автотрансформатори та напівпровідникові ключі (тиристори або триаки), що комутуються з частотою нижче частоти мережі живлення, а електромагнітні елементи працюють на частоті мережі.

На цьому принципі побудована значна кількість перетворювачів для стабілізації величини напруги змінного струму - дискретних стабілізаторів. Під цим терміном слід розуміти пристрій, реалізація характеристики вхід-вихід U₂=f(U₁) якого (рис. 1) здійснюється з J коефіцієнтів передачі по напрузі К_j, які незмінні на окремих піддіапазонах, тобто, під час роботи стабілізатор знаходиться в одному з J станів. Для забезпечення працездатності пристрою на ділянках переходу між сусідніми станами необхідно мати гістерезис.

Якщо напруга змінюється в допустимих межах, перетворювач знаходиться в статичному стані - замкнено відповідні ключі, стабілізатор має коефіцієнт передачі К_j. При цьому у живлячу мережу та у напругу на навантаженні не вноситься ніяких спотворень. Коли величина напруги виходить за допустимі межі, замикаються інші ключі, змінюється К_j і вона повертається в задані межі. Такі перетворювачі мають високий коефіцієнт корисної дії - більше 0,95 і можуть працювати за умов перевантажень, що є важливо для споживачів.

До цього часу розрахунок конкретної структури перетворювачів цього класу проводився чисельними методами, що кожного разу вимагало визначення не тільки топології структури, але й нових виразів для проведення обчислень. Тому виникла необхідність розробки аналітичного методу розрахунку виконавчих органів дискретних стабілізаторів при будь-яких варіаціях параметрів поля стабілізації та навантаження, сутність якого полягає у виконанні сукупності таких операцій: визначення потрібного числа станів J; вибір типу структури; знаходження виткових співвідношень електромагнітних елементів, орієнтоване на модернізацію схемотехнічних рішень; визначення в загальному вигляді струмів, напруг у виконавчому органі та реальної встановленої потужності електромагнітних елементів.

На практиці величина напруги знаходиться у певній області, що обмежена по горизонталі границями зміни вхідної напруги U₁ - від U_1min до U_1max, а по вертикалі - відхиленнями U₂ (U_2min та U_2max), яку названо "полем стабілізації" (рис. 1). Введено позначення: =U_1min/U_ном; G=U_1max/U_1min; g=U_2max/U_2min=(1+U₂)/(1-U₂), де U₂=U₂/U_2ном, а U_2ном= U_1ном= U_ном - номінальне значення напруги.

Далі користуємося відносними напругою та струмом, щоб отримати параметри стабілізатора незалежно від значення потужності навантаження. Тоді нормована максимальна вихідна напруга U^*_2max=U_2max/U_ном=2g/(g+1) й мінімальна - U^*_2min =2/(g+1), аналогічно для струму: I^*_2max =2g/(g+1), I^*_2min =2/(g+1).

При розробці дискретного стабілізатора необхідно сформувати характеристику вхід-вихід, що задовольняє обмеженням поля стабілізації. Для цього треба визначити правила вибору коефіцієнтів передачі К_j структури, що можна зробити по різному.

Один з варіантів передбачає розбиття діапазону зміни U₁ на піддіапазони однакової ширини U₁=const, тоді J=(U_1max-U_1min)/U₁, або, врахувавши введені позначення, J=Е[1+(G-1)/(g-1)], де Е - ціла частина числа, що знаходиться в квадратних дужках. Коефіцієнти передачі вибираються згідно закону K_j=K₁g(1+j(g-1)), де K₁ - перший коефіцієнт передачі. Перехід між сусідніми станами відбувається з "петлею гістерезису", величина якої: U_Пj=U_П1j для j=1…(J-1), де U_П1=U_1min (g-1)²/g- ширина першої (найвужчої) петлі.

В ІЕД НАНУ запропонвано варіант вибору K_j, коли забезпечується гранично можлива точність U₂, а коефіцієнти передачі вибираються за законом геометричної прогресії: K_(j+1)=K_j/, для j=1…J, де =U_2рmax / U_2рmin - коефіцієнт, що характеризує розрахункову нестабільність (похибку стабілізації), а U_2рmin та U_2рmах, відповідно, мінімальне та максимальне розрахункове значення U₂. При цьому: U_Пj=U_П1^j-1, для j=1…(J-1), а U_П1=U_1min(G/^J-1). Число J при заданих параметрах ПС лежить в межах від J_min до J_max.

Дослідження цих варіантів вибору K_j показує, що останній має значні переваги: U_П1 в кілька разів більша, що знижує при переході між станами ймовірність ефекту підсилення незначних змін U₁; ту ж саму похибку отримано при меншому числі J; при тому ж діапазоні - вища точність; при однаковій точності можлива робота при ширшому вхідному діапазоні.

Запропоновано модернізований спосіб побудови U₂=f(U₁), при якому ширина петель гістерезису однакова U_Пj=const, а К_j визначається за формулою: К_j=K₁(g^J-g)[(g^J-G)+g^j-1(G-g)]. В цьому випадку вдається отримати ширину найвужчої петлі на чверть більшу в порівнянні з попереднім варіантом та виграш по встановленій потужності трансформаторів.

Всі схемотехнічні рішення виконавчого органу можна умовно поділити на два принципово відмінні класи. До першого належать структури з ключами у колі силового струму. У другому - ключі винесені з цього кола, що надає їм ряд переваг: через замкнені ключі протікає значно менший струм, нижчі й теплові втрати на них; у разі аварії і виході ключів з ладу напруга на навантаженні не зникає, що збільшує надійність електропостачання споживачів; допустима природна комутація ключів. Але можливість побудови характеристики U₂=f(U₁) за допомогою структур цього класу потребує розрахункового підтвердження.

Реалізації пристроїв цього класу різноманітні. З аналізу їх переваг та недоліків слідує, що найбільш ефективними для використання є дискретні стабілізатори, що мають в своєму складі вольтододавчий трансформатор, багатофункціональний автотрансформатор та ключі, винесені з кола силового струму, проте такі структури вимагають поглибленого дослідження.

В результаті аналізу визначено коло питань, необхідних для вивчення.

Другий розділ присвячено розв'язанню задачі реалізації вибраного закону формування характеристики вхід-вихід за допомогою двотрансформаторної структури та визначенню необхідних для цього співвідношень між основними параметрами виконавчого органу. Показано, що топології з'єднань її елементів - багатоваріантні. Їх можна розділити по місцю включення вторинної обмотки вольтододавчого трансформатора відносно автотрансформатора.

Включення одного з приєднаних до первинної обмотки W₀₁ ВДТ ключів V(0,5J+1) або V(0,5J+2) реалізує реверс напруги на вторинній обмотці W₀₂, а інших - задає величину напруги, що живить ВДТ. При загальній кількості ключів N можливе число станів структури J=2(N-2). Реалізація запропонованого модифікованого закону за допомогою структур цього типу можлива лише шляхом суттєвих схемотехнічних ускладнень, тому далі вибір значень K_j здійснюється за законом геометричної прогресії, використання якого є більш раціональним. Щоб сформувати потрібні K_j, треба знати виткові співвідношення обмоток обох трансформаторів, для визначення яких створено математичну модель структури.

У структурі варіанту А коефіцієнт трансформації ВДТ позначено =W₀₂/W₀₁, обмотку АТ, до якої приєднується його вторинна обмотка, названо вхідною W_вх=. Напруга навантаження знімається з вихідної обмотки W_вих пропорційної W_вх: W_вих=W_вх. При певних параметрах поля стабілізації для узгодження величини U₂ у структурі з'являється обмотка зміщення W_зм. Для переходу до відносних величин чисел витків секцій обмоток АТ вони пронормовані по W_вх (W^'_i=W_i/W_вх).

Для математичної моделі структури складено системи рівнянь, що відповідають точкам характеристики вхід-вихід з U₂=U_2min. В режимі вольтододавання напруги для станів j=1…0,5J маємо:

U_2min= U_1min+ U_2min (1- W^'_0,5J+1) (1+)-¹,

U_2min= U_1min+ U_2min (1- W^'_0,5J+1- W^'_0,5J) (1+)-¹,

……………………………………………………….

U_2min= U_1min+ U_2min (1- W^'_0,5J+1-... -W^'₂) (1+)-¹,

а в режимі вольтовіднімання для станів j=(0,5J+1)…J:

U_2min= U_1min^0,5J - U_2min (W^'_0,5J+1) ,

U_2min= U_1min^0,5J+1 - U_2min (W^'_0,5J+1+W^'₂) ,

……………………………………………………..

U_2min= U_1min^J-1 - U_2min (W^'_0,5J+1+ W^'_0,5J+... +W^'₂) .

Кількість рівнянь J більша числа змінних в них, тому система при узгодженні обох режимів може мати розв'язки тільки за певних умов. Для цього необхідно, щоб m-тий коефіцієнт передачі при вольтододаванні був у ^0,5J раз більший (m+0,5J)-того коефіцієнта при вольтовідніманні, а саме: K_m=K_(m+0,5J) ^0,5J. Система рівнянь має розв'язок, якщо 1+=^0,5J. Оскільки за означенням ^J=G, то =-1, тобто визначається лише співвідношенням між границями зміни вхідної напруги G і не залежить від інших параметрів.

Для автотрансформатора з рівняння для K_J маємо: W^'₁=. З виразу для K_J-1, врахувавши формулу для W^'₁, отримаємо W^'₂. Аналогічно знайдено числа витків секцій обмоток з номерами i=2…0,5J: W^'_i =^J-ⁱ, а з рівняння для K₁ - для останньої (0,5J+1)-ої секції автотрансформатора: W^'_0,5J+1=. Величини K₁, K_J, та G однозначно задають параметри поля стабілізації, залишається невизначеним .

Виходячи з того, що показники вольтододавчого трансформатора будуть найліпшими, коли напруги на його первинній обмотці у граничних режимах (при U₁=U_1min це U^'_W01, а при U₁=U_1max це U^"_W01) однакові, тобто U^'_W01= U^"_W01, знайдено =2K₁/(+G). Структури з таким вибором позначено як А1. Можливий вибір , наприклад, при вилученні однієї з крайніх секцій автотрансформатора: варіант, коли W₁=0, названо А2.1, а коли W_0,5J+1=0 - A2.2.

Аналогічним чином знайдено співвідношення секцій обмоток для варіанту Б (рис. 3,б) та В (рис. 3,в), які дозволяють реалізувати вибрану характеристику вхід-вихід та розрахувати напруги на секціях обмоток обох трансформаторів.

Для визначення струмів навантаження прийнято незмінним (Р₂=const), ключі - ідеальними, втрати відсутні (Р₁=Р₂). Максимальна нормована потужність на навантаженні: P^'_2max= U^'_2max I^'_2max =(2/(+1))². Вхідний струм I₁ в j-тому стані I_1j=P₂/U_1j. Оскільки U_1(j+1)=U_1j, то I₁ для кожного наступного стану зменшується в разів (I_1(j+1)=I_1j/). Максимальну величину I₁ має в першому стані при напрузі U_1min, тоді I_1max=P₂/(U_1min)=P₂/(U_2ном). Нормуючи I_1max, отримано I^'_1max =4(+1)-²-¹. Аналіз показав, що множник 4(+1)-² близький до одиниці. Для спрощення виразів для всіх нормованих максимальних струмів і напруг (вони позначено зірочкою у верхньому індексі) він вважається рівним одиниці. Тоді маємо I^*₁=1/, I^*₂=0,5(+1), U^*₂=0,5(+1).

Щоб отримати вирази для струмів в обмотках трансформаторів в усіх режимах роботи стабілізатора для будь якого J проаналізовано варіанти структур з конкретними J, що дозволило, застосувавши метод індукції, виявити закономірності та записати вирази для струмів автотрансформатора в загальному вигляді. Наприклад, для варіанта конфігурації А1:

I*Wij=		- 0,5(+1)	j=1n, i=1(n+1-j);
		- 0,5(+1)	j=1n, i=(n+2-j) (n+1)	Та	j=(n+1) 2n, i=1 (2n+1-j);
		n - 0,5(+1)	j=(n+1) 2n, i=(2n+2-j) (n+1).

Аналогічно отримано формули для струмів автотрансформатора в загальному вигляді інших варіантів структур, звідки можна розрахувати їх абсолютне значення для конкретних параметрів поля стабілізації.

Введено параметр, який наочно показує, як завантажена окрема секція обмотки у кожному з станів (струмове завантаження секцій обмоток) K_ij=I^*_Wij/I^*_Wimax100%. Значення цього параметру для автотрансформатора (варіант А1, U_1min=140B, G=2, J=12) приведено в табл. 1. Видно, що кожна секція максимально завантажена в одному з станів (крім випадків, коли значення струмів при вольтододаванні співпадає з вольтовідніманням), а в інших - суттєво відрізняється по величині. Не існує стану, коли одночасно всі обмотки завантаженні максимально (не більше двох). Зауважимо, що зміна параметрів поля стабілізації змінює K_ij, але стан, в якому струм набуває максимального значення, переважно не змінюється.

Третій розділ присвячено дослідженню величин встановлених потужностей електромагнітних елементів. При проектуванні основним параметром, який визначає масогабаритні показники всього пристрою, є саме їх встановлена потужність, що зазвичай розраховують як напівсуму добутків максимальних струмів в обмотках на максимальні напруги на них. Такий хід розрахунку взято за базовий.

Аналіз нормованих встановлених потужностей обох трансформаторів свідчить, що з ростом точності вони збільшуються й основний вклад вносить автотрансформатор. Причому для різних варіантів змінюється мало, а має різні значення (рис. 3). Характер зміни потужностей окремих секцій автотрансформатора подібний, а абсолютні значення можуть суттєво відрізнятися. Значної зміни зазнає співвідношення потужностей обмоток. Виділяються крайні обмотки, в яких у порівнянні з іншими струми найбільші, а напруга на них - найменша.

Щоб прослідкувати окремо вплив основних параметрів поля стабілізації введено показники: U^'₁ - відносна ширина зміни діапазону U₁: U^'₁=(U_1max-U_1min)/U_1ном=(G-1) та K_с - коефіцієнт зсуву середини діапазону відносно номінального значення U₁: K_с=(U_1max+U_1min)/2U_1ном= 0,5(G+1).

Досліджено вплив на сумарну потужність для J=12 варіації U^'₁ від 0,6 (ДU₁=132B) до 0,7 (ДU₁=154B) при K_с=0,9545 (U_1ср=210В, U_1ном=220В) (рис. 4) та K_с від 0,9 (U_1ср=198В) до 0,97 (U_1ср=213,4В) при U^'₁=0,6363 (ДU₁=140B) (рис. 5). Як видно, з розширенням вхідного діапазону (ростом U^'₁) для всіх варіантів зростає. Причому, між варіантами А1 й А2.2 та Б2.1 й В ця різниця незначна. При зменшенні різниці між величинами відхилень границь зміни U₁ (збільшенні K_с) зменшується і хоча абсолютна різниця зміни вхідного діапазону постійна (ДU₁=140B) при незначному зростанні K_с (близько 8%) значно зменшується потужність трансформаторів (для варіанту А1: P^*_AT - на 40%, а - на 20%).

Аналіз отриманих виразів для виткових співвідношень свідчить, що при певних параметрах поля стабілізації (G и ) в останній секції W_(n+1) варіанту А1 та в першій W₁ для Б1 величина витків автотрансформатора може мати від'ємний знак, хоча в інших секціях він завжди додатній. Фізична суть цього полягає в тому, що її фазування протилежне обмотці, яку прийнято за додатну.

З виразу для визначення нормованої величини останньої секції обмотки W^*_(n+1) для варіанту А1, отриманого раніше, знаходиться критичне значення _кр1=G/(2-1): при <_кр1 з'являється "від'ємна" обмотка. На рис. 6, наведено фрагмент схеми автотрансформатора, на якому показано його три останні секції обмоток: якщо >_кр1, то W^*_(n+1) >0 (рис 6,а), якщо  < _кр1, то W^*_(n+1) < 0 (рис 6,б).

При зменшенні (підвищенні точності стабілізації) число витків цієї секції буде збільшуватись і при деякому =_кр2, стане рівним числу витків передостанньої секції обмотки.

Для зменшення сумарної встановленої потужності секцій W_n й W_(n+1) та автотрансформатора в цілому в порівнянні з рис. 6,а запропоновано реалізувати "від'ємну" секцію не як окрему, а використавши передостанню W_n (рис. 6,в). Аналіз потужностей цих секцій показує, що для такої реалізації при типовому вхідному діапазоні і J=8 (точність близько 4%) виграш по потужності незначний (близько 1%), але при J=16 (точність близько 2%) він суттєво збільшується (до 10%). Для варіанту Б1, відповідно, маємо 5% та 35%. Таким чином, у запропонованій реалізації зменшено встановлену потужність автотрансформатора.

Вище було показано, що струмове завантаження обмоток автотрансформатора в різних станах неоднакове, що є передумовою для більш коректного розрахунку його встановленої потужності.

Для конкретного прикладу (варіант А1 при J=8, 12, 16), який реалізовано згідно з запропонованим схемним рішенням при U_1min=140B й U_1max=280B, знайдено відносну встановлену потужність автотрансформатора в кожному з станів P^*_AT(j), визначивши її як напівсуму добутків відносних значень струмів в секціях обмотки в даному j-тому стані на максимальні відносні напруги на них (по суті, це та потужність автотрансформатора, на котру він би розраховувався, якби працював тільки в цьому j-тому стані) (рис. 7). При аналізі за 100% взято його потужність для випадку базового ходу розрахунку. Видно, що різниця складає від 20% (J=8) до 30% (J=16) (для інших структур ці величини близькі).

Слід зазначити, що при наявності нерівномірності струмового завантаження реальні втрати в обмотках автотрансформатора менші в порівнянні з базовим, а оцінка їх величини (для конкретного прикладу навантаження 1кВА) показує, що вони сягають близько 70% базового випадку. Це дозволяє скоригувати параметри вибору конструктивних елементів автотрансформатора при розрахунку на допустимий перегрів. Можна збільшити густину струму обмоток, зменшивши переріз проводу обмотки, що дає змогу при тому ж осерді зменшити кількість міді, яка використовується для обмотки, або перейти до меншого типорозміру магнітопроводу. Зміна конструктивних елементів проводиться до межі, при якій не перевищуються допустимі теплові втрати.

Як свідчить аналіз ринку дискретних стабілізаторів напруги змінного струму, значна їх частина використовує в якості виконавчого органу однотрансформаторні структури, у яких силові ключі розміщено, як правило, на вході трансформатора або його виході. Перший варіант має явні переваги по потужності. Якщо порівняти його з двотрансформаторними структурами, то оцінка встановлених потужностей трансформаторів обох структур показує, що вони близькі за значеннями. При зміщенні вхідного діапазону вверх їх величини майже не відрізняються (різниця складає до 2%), а вниз - більша потужність двотрансформаторних (до 10%). Хоча маса останніх (оскільки вони мають в своєму складі два трансформатори) дещо більша. Аналіз показує, що при навантаженні 5кВА ця різниця близько 20%, але з зростанням навантаження вона зменшується і при 15кВА складає лише 10%.

Невід'ємною складовою трансформаторно-ключових виконавчих структур є ключі (в якості яких використовують тиристори або триаки), що значною мірою визначають такі її показники, як теплові втрати при роботі та ціна. Дослідження струмів у ключах одно- та двотрансформаторних структур показує, що у перших їх величина в три-п'ять разів більша, ніж в останніх, звідки можна зробити висновок про більші втрати тепла на них, що вимагає застосування більших радіаторів. Ці фактори суттєво впливають на обсяг коштів, необхідних при виготовленні пристрою. Аналіз ціни основних елементів порівнюваних структур для навантаження 5кВА представлено на гістограмах (рис. 8). Для різних вхідних діапазонів ліворуч показана ціна елементів одно-, а праворуч - двотрансформаторних структур. Більш темному кольору відповідає ціна автотрансформатора, подвійній штриховці - ВДТ, одинарній - радіатора, а світлому кольору - ключів. Видно, що по вартості структури мають суттєву різницю - двотрансформаторні значно дешевші за однотрансформаторні. Так, найменше значення економії у випадку найширшого вхідного діапазону (G=2) складає біля 25%, а при вужчому діапазоні (G=1,4) збільшується до 35%. При підвищенні навантаження до 10кВА різниця збільшується і складає, відповідно, 30% та 45%. Найбільшу складову в цю величину вносять ключі, а вартість трансформаторів близька.

Таким чином, двотрансформаторні структури по сукупності параметрів переважають однотрансформаторні, тому їх доцільно застосовувати в якості виконавчих органів дискретних стабілізаторів напруги змінного струму.

У четвертому розділі розглянуто інженерну методику розрахунку електромагнітних елементів двотрансформаторних структур з врахуванням нерівномірності струмового завантаження секцій обмоток автотрансформатора в різних станах. Основні вихідні дані для розрахунку: параметри поля стабілізації та навантаження. Реальний виконавчий орган має деякий внутрішній опір, який впливає на фактичну характеристику вхід-вихід. Беручи до уваги цей фактор, знаходиться розрахункове значення поля стабілізації, потім обчислюються основні параметри характеристики вхід-вихід і проводиться вибір типу структури.

Використавши отримані в роботі вирази, знаходиться виткові співвідношення секцій обмоток обох трансформаторів та значення напруг і струмів його обмоток, які є вихідними для конструктивного розрахунку ВДТ, що проводиться за загальновідомою методикою: з врахуванням їх максимальних величин. За цими даними попередньо обчислено встановлену потужність автотрансформатора Р_АТ. Знаходиться її реальна найбільша величина в окремому стані Р_АТ(j)max. На проміжному етапі, виходячи з Р_АТ, вибирається необхідний магнітопровід.

Приймаючи за розрахунковий максимально можливий струм в обмотках та отримані конструктивні параметрів, визначаються розрахункові сумарні теплові втрати в усіх обмотках Р_сум max та їх величина в найбільш завантаженому стані Р_(j)max. Оцінюється різниця між ними: якщо вона суттєва, то можливо або зменшити переріз обмотувального провода, збільшивши густину струму в ньому, або взяти магнітопровід з меншим перерізом. При цьому, в порівнянні з загальновідомою методикою, в першому випадку будуть менші витрати міді, а в другому - електротехнічної сталі. В кожному з випадків втрати порівнюються з Р_(j)max. Зміна конструктивних елементів проводиться доти, поки різниця не стане мінімальною, чому відповідатиме оптимальний варіант побудови автотрансформатора. Цей розрахунок дає орієнтовний результат і в конкретному випадку вимагає уточнення. Крім того, оскільки підприємства виготовляють в певній степені дискретизований ряд магнітопроводів та обмотувальних проводів, то на цей фактор також слід зважати при розрахунку.

Визначено принципи побудови системи керування дискретного стабілізатора змінної напруги. Для оцінки величини U₂ часто достатньо вимірювання середньовипрямленої напруги за фіксований проміжок часу, а достовірність інформації забезпечується шляхом статистичної обробки даних. Важливою задачею є правильне управління комутацією силових ключів, які є неповнокеруємими елементами, тобто існує часова затримка реакції системи на керуючий сигнал, що вимагає прийняття певних заходів для запобігання аварійної ситуації. Оскільки в структурах ключі винесені з кола силового струму, ця проблема спрощується, а при застосуванні додаткових алгоритмічних заходів забезпечується електромагнітна сумісність з мережею живлення.

Моделювання виконавчого органу підтвердило, що отримані в роботі вирази для обчислення виткових співвідношень трансформаторів дозволяють розрахувати значення параметрів характеристики вхід-вихід для її формування. Дослідження роботи стабілізатора показало, що застосування пристроїв даного класу розширює межі гарантованого функціонування навантаження. Проведено моделювання основних вузлів системи керування. Підтверджено, що при використанні в якості елемента вимірювача інтегратора, який працює синхронно з мережею, зменшується вплив зовнішньої температури і коливань частоти мережі на його роботу при ефективному виконанні своїх функцій.

Проведено моделювання реакції системи на характерні випадки відхилення U₂, результати якого показали, що вибрана побудова вузлів пристрою та логіка їх роботи дозволяють ефективно виконувати стабілізацію U₂ при його відхиленнях та коливаннях (нижче 5Гц). Найбільш складний вузол - логічний пристрій - раціонально виконувати із застосуванням програмуємих логічних інтегральних схеми (ПЛІС), наприклад, виробництва фірми Altera, що підвищує надійність системи керування та спрощує її конструкцію. Моделювання підтвердило правильність та достовірність вибраних методів та підходів для практичної реалізації дискретних стабілізатора.

Отримані в даній роботі результати використовувались при впровадженні дискретних стабілізаторів, зокрема, при спільній з НДІ "Перетворювач" (м.Запоріжжя) розробці зразків стабілізаторів напруги змінного струму потужністю 3,3кВА та у блоках керування напівавтоматів для зварювання в середовищі інертних газів НВП "Плазма" (м. Ростов на Дону, Росія).

У додатках наведено фрагменти програм для обчислення основних параметрів виконавчих органів, таблиці результатів розрахунків, фотографії плати керування та зовнішній вигляд дискретного стабілізатора напруги змінного струму потужністю 3,3кВА, акти впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

дискретний стабілізатор напруга струм

В дисертаційній роботі вирішено науково-прикладну задачу розвитку теорії виконавчих структур дискретних стабілізаторів напруги змінного струму з розділенням потужностей на регульовану та нерегульовану, розроблено метод їх розрахунку, що дозволило створювати стабілізатори з поліпшеними техніко-економічними показниками, і яка має суттєве значення для підвищення якості живлення відповідальних споживачів.

Основні наукові та практичні результати полягають в наступному:

1. Обґрунтовано необхідність розвитку теорії виконавчих структур дискретних стабілізаторів змінної напруги з розділенням потужностей на регульовану та нерегульовану, розробки метода розрахунку для їх вдосконалення та підвищення якості живлення відповідальних споживачів.

2. Обґрунтовано раціональність і визначено особливості застосування законів формування характеристики вхід-вихід дискретних стабілізаторів.

3. Створено математичні моделі типових виконавчих структур та отримано аналітичні вирази для визначення єдино можливих виткових співвідношень секцій обмоток електромагнітних елементів, які дозволяють сформувати оптимальну характеристику вхід-вихід і синтезувати топологію структур, запропоновано критерії для їх вибору.

4. Отримано загальні вирази для визначення нормованих значень струмів і напруг виконавчого органу незалежно від конкретних величин номінальної вихідної напруги та потужності перетворювача.

5. Розроблено та реалізовано у вигляді програм методики, що дозволяють провести розрахунок виткових співвідношень секцій обмоток електромагнітних елементів та їх встановлених потужностей, величин струмів і напруг, а також встановлено вплив на них змін параметрів поля стабілізації.

6. Визначено умови, при яких в автотрансформаторі може виникнути, так звана "від'ємна обмотка" та встановлено, що при її конструктивній реалізації не як окремої, а як частини суміжної секції, встановлена потужність автотрансформатора зменшується на величину, що складає до 10%.

7. Визначено, що струмове завантаження секцій обмоток автотрансформатора неоднакове і залежить від поля стабілізації, внаслідок чого реальна розрахункова встановлена потужність автотрансформатора менша на 15-30%, в порівнянні з обчисленою по максимальним струмам і напругам секцій обмоток; нижчі й теплові втрати, що дозволяє покращити його масогабаритні показники.

8. Встановлено, що в двотрансформаторних структурах, в порівнянні з однотрансформаторними з ключами в колі силового струму, величина струмів в ключах значно менша, що суттєво знижує вимоги до ключів та їх вартість. Зменшуються і витрати по забезпеченню відводу тепла від ключів, що в сукупності дає змогу знизити вартість стабілізатора на 20-35%.

9. Розроблено алгоритми управління дискретних стабілізаторів, які при природній комутації ключів дозволяють отримати прийнятний рівень електромагнітної сумісності з мережею та навантаженням.

10. Розроблено методичні засади розрахунку основних вузлів дискретних стабілізаторів напруги (електромагнітних елементів, силових ключів, вузлів системи керування) з використанням математичного моделювання.

11. Результати виконаних досліджень впроваджено у спільній з НДІ "Перетворювач" (м.Запоріжжя) розробці стабілізаторів змінної напруги потужністю 3,3кВА, які характеризуються високими техніко-економічними показниками, та у блоках керування напівавтоматів для зварювання в середовищі інертних газів НВП "Плазма" (м. Ростов на Дону, Росія). Результати роботи рекомендується застосовувати при розробці засобів перетворення параметрів електроенергії.

12. Вірогідність та обґрунтованість наукових досліджень, висновків та рекомендацій підтверджуються узгодженням теоретичних результатів з отриманими практичними й експериментальними даними.

ЛІТЕРАТУРА

1. Халіков В.А. Імовірнісні характеристики відхилень напруги в мережах загального користування і їх врахування в цифрових системах регулювання змінної напруги / В.А. Халіков, А.Г. Можаровський // Технічна електродинаміка. - 2000. - №1. - С. 39-43.

2. Липківський К.О. Особливості використання об'єктно-орієнтованих засобів САПР при розробці перетворювачів змінної напруги на основі трансформаторно-ключових виконавчих структур / К.О. Липківський, В.А. Халіков, А.Г. Можаровський // Технічна електродинаміка: тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2000. - Ч. 1. - С. 97-99.

3. Липківський К.О. Сучасний апарат імітаційного та об'єктно-орієнтованого моделювання та його застосування в практиці розробки та дослідження систем регулювання змінної напруги / К.О. Липківський, В.А. Халіков, А.Г. Можаровський // Технічна електродинаміка: тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки". - 2000. - Ч. 2. - С. 56-59.

4. Липківський К.О. Фазове регулювання напруги ключами із природною комутацією та її дослідження в системі MATLAB / К.О. Липківський, В.А. Халіков, А.Г. Можаровський // Технічна електродинаміка: тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки". - 2002. - Ч. 2. - С. 72-79.

5. Липківський К.О. Особливості побудови розрахункової характеристики дискретного стабілізатора напруги змінного струму / К.О. Липківський, В.А. Халіков, А.Г. Можаровський // Технічна електродинаміка. - 2003. - №1. - С. 32-36.

6. Липковский К.А. Модернизация закона выбора коэффициентов передачи трансформаторно-ключевой исполнительной структуры дискретного стабилизатора напряжения переменного тока / К.А. Липковский, А.Г. Можаровский // Технічна електродинаміка: тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефектвність". - 2005. - Ч. 1. - С. 69-72.

7. Липківський К.О. Порівняльна оцінка трансформуючих елементів дискретних стабілізаторів напруги змінного струму / К.О. Липківський, В.А. Халіков, А.Г. Можаровський // Технічна електродинаміка: тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2003. - Ч. 4. - С. 29-32.

8. Липковский К.А. Выбор электромагнитных элементов исполнительных структур дискретных стабилизаторов напряжения переменного тока / К.А. Липковский, В.А. Халиков, А.Г. Можаровский, И.П. Липковская // Технічна електродинаміка. - 2004. - №2. - С. 21-25.

9. Липковский К.А. Сравнение стабилизаторов напряжения дискретного действия по установленной мощности силовых трансформирующих элементов / К.А. Липковский, В.А. Халиков, А.Г. Можаровский // Технічна електродинаміка: тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки". - 2004. - Ч. 1. - С. 125-127.

10. Липковский К.А. Обобщенные зависимости токов в обмотках секционированного автотрансформатора дискретного стабилизатора напряжения от параметров поля стабилизации / К.А. Липковский, А.Г. Можаровский // Технічна електродинаміка. - 2007. - №2. - С. 20-24.

11. Липковский К.А. Исполнительные структуры стабилизаторов напряжения с двумя электромагнитными элементами / К.А. Липковский, А.Г. Можаровский // Технічна електродинаміка. - 2006. - №1. - С. 31-38.

12. Липковский К.А. Расчет установленной мощности трансформирующих элементов дискретных стабилизаторов напряжения переменного тока / К.А. Липковский, В.А. Халиков, А.Г. Можаровский // Технічна електродинаміка. - 2004. - №1. - С. 30-35.

13. Халиков В.А. Расчет установленной мощности двухтрансформа-торных стабилизаторов напряжения дискретного действия / В.А. Халиков, А.Г. Можаровский // Технічна електродинаміка. - 2006. - №4. - С. 35-40.

14. Липківський К.О. Дискретні стабілізатори напруги змінного струму - зони стабілізації та зони гарантованого функціонування споживачів / К.О. Липківський, А.Г. Можаровський // Технічна електродинаміка: тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки". - 2008. - Ч. 2. - С. 87-88.

15. Липковский К.А. Двухтрансформаторная ТКИС - эффективный исполнительный орган дискретных стабилизаторов переменного напряжения / К.А. Липковский, В.А. Халиков, А.Г. Можаровский // Технічна електродинаміка: тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки". - 2008. - Ч. 4. - С. 59-63.

Размещено на Allbest.ru

...