Енергетичні процеси в колах заряду і розряду конденсаторів електроімпульсних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Енергетичні процеси в колах заряду і розряду конденсаторів електроімпульсних установок

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Застосування накопичувачів електричної енергії дозволяє створити електроімпульсні установки для реалізації у навантаженні таких великих імпульсних потужностей, які не можна отримати від електричної мережі. Для реалізації у навантаженні значних швидкостей зростання імпульсних струмів у більшості випадків використовують ємнісні накопичувачі енергії (ЄНЕ), які заряджають від формувачів постійної напруги (ФПН) через струмообмежувальні елементи. Задачі дослідження енергетичних процесів в електроімпульсних установках значно ускладнюються при необхідності аналізу перехідних процесів в колах заряду й розряду ЄНЕ з урахуванням особливостей зміни електричного опору навантаження.

Дослідженнями перехідних процесів в електроімпульсних установках з ЄНЕ займались такі відомі вчені, як О.М. Мілях, І.М. Чиженко, А.К. Шидловський, І.В. Пентегов, І.В. Волков, В.Ф. Рєзцов, А.А. Щерба, Л.А. Юткін, Г.А. Гулий, О.І. Вовченко, Є.В. Кривицький, Г. Кнопфель, В.С. Комельков, Н.А. Рой, Б.Р. Лазаренко, Ю.А. Поліщук, М.Ш. Отто, В.С. Песоцький, Г.С. Бердинських, Д.І. Панфілов, Ю.І. Курашко, В.А. Книш, В.Б. Фрейман. Було отримано важливі результати щодо аналізу енергетичних характеристик в зарядних і розрядних колах конденсаторів при повному їх розряді на навантаження.

В Інституті електродинаміки НАН України проводились дослідження перехідних процесів в електричних колах електроімпульсних установок, в яких конденсатори розряджаються на навантаження не повністю, причому залишкова напруга на конденсаторі використовувалась як інформація для корекції режимів наступного заряду конденсатора. Так, у колах напівпровідникових формувачів розрядних імпульсів (ФРІ) технологічних установок об'ємного електроіскрового диспергування (ОЕІД) шару струмопровідних гранул у рідині використовували коливальний заряд конденсаторної батареї від ФПН та її розряд на навантаження з незначним перезарядом, що дозволяло виключати тиристорні ключі без пристроїв примусової комутації. Використання залишкової ненульової напруги на конденсаторі дозволяло при його заряді реалізувати як підвищення, так і зниження напруги ФРІ. В той же час залишались недослідженими можливості підвищення енергетичних характеристик електричних кіл заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок при змінюваних умовах перехідних процесів в цих колах та зменшення тривалості розрядних імпульсів у навантаженні.

Тому тема дисертації, яка присвячена дослідженню перехідних процесів у зарядних і розрядних колах електроімпульсних установок з урахуванням реальних умов змінення таких процесів та розробці наукових рекомендацій та методик для підвищення енергетичних характеристик досліджуваних кіл та зменшення тривалості імпульсних струмів у навантаженні, є актуальною і має важливе значення для розвитку теоретичної електротехніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота проводилася відповідно до планів фундаментальних НДР, які виконувались в Інституті електродинаміки НАН України за рішенням Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України: «Лоція» (№ДР 0194U026048, 1994-97 рр.), «Елдін» (№ДР 0198U007297, 1997-02 рр.) і «Еліс» (№ДР 0103U000257, 2003-07 рр.); НДР «Розробка енергозберігаючих методів і засобів перетворення електричної енергії для прогресивних електроімпульсних технологій та технологій прямого нагріву» програми «Енергозбереження» (розпорядження Президії НАН України від 26.06.06 р. №428, 2006-08 рр.) і пошукових НДР, виконуваних за рішенням вченої ради Інституту електродинаміки НАН України: «Дельта-П» (№ДР 0101U003395, 2001-2003 рр.) і «Елма-П» (№ДР 0101U003395, 2004-06 рр.).

У НДР «Лоція», «Елдін», «Еліс» та «Енергозбереження» здобувачка була відповідальним виконавцем досліджень, спрямованих на підвищення енергетичних параметрів у зарядних і розрядних колах ЄНЕ електроімпульсних установок, у НДР «Дельта-П» та «Елма-П» - розробляла методи зменшення тривалості перехідних процесів розрядних імпульсів у колах з нелінійними навантаженнями.

Мета і задачі наукових досліджень. Метою роботи є подальший розвиток теорії перехідних процесів у колах заряду і розряду конденсаторів електроімпульсних установок у частині застосування цілеспрямованої зміни умов заряду і розряду та розробка рекомендацій щодо підвищення енергетичних характеристик таких кіл і зменшення тривалості імпульсних струмів у навантаженні.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- обґрунтувати доцільність використання змінюваних умов заряду та розряду конденсаторів в електроімпульсних установках для підвищення їхніх енергетичних характеристик і зменшення тривалості імпульсних струмів у навантаженні;

- розробити критерії оцінки енергетичних характеристик аперіодичного і коливального заряду конденсаторів від формувача постійної напруги при змінюваній початковій напрузі на конденсаторі;

- установити закономірності зміни ККД і дози енергії, що надходить у конденсатор, та напруги його заряду при зміні початкових умов перехідних процесів;

- дослідити енергетичні процеси розряду конденсатора на електроіскрове навантаження при стрибкоподібній зміні його опору на часових інтервалах, близьких до закінчення розряду;

- визначити умови реалізації від'ємного і додатного зворотних зв'язків напруги заряду конденсатора від характеру його розряду в попередньому циклі;

- розробити рекомендації з визначення енергетично доцільного часового інтервалу для шунтування тиристорним комутатором електроіскрового навантаження з метою стабілізації тривалості в ньому імпульсних струмів;

- розробити методику розрахунку електричних характеристик у колах заряду і розряду накопичувального конденсатора та рекомендації щодо підвищення енергетичних характеристик установок електроіскрового диспергування металів;

- оцінити узгодження теоретичних та експериментальних результатів.

Об'єктом дослідження є електричні кола заряду та розряду ємнісних накопичувачів енергії електроімпульсних установок.

Предметом дослідження є перехідні процеси при зміні умов заряду та розряду конденсаторів в електроімпульсних установках зі стрибкоподібною зміною опору навантаження.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених у роботі задач використовувались: теорія електричних кіл та лінійних диференціальних рівнянь, методи комутаційних функцій, кусочної апроксимації, гармонійного аналізу, аналізу лінійних та нелінійних електричних кіл, математичного та фізичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

- набула подальшого розвитку теорія перехідних процесів у колах заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок у частині застосування цілеспрямованої зміни умов заряду та розряду, а також аналізу методів підвищення енергетичних характеристик таких кіл та зменшення тривалості перехідних процесів у навантаженні та розрядному колі;

- розроблено нові критерії оцінки енергетичних характеристик аперіодичного та коливального заряду конденсатора від формувача постійної напруги при зміні напруги на конденсаторі на початку та наприкінці перехідного процесу;

- уперше встановлено закономірності зміни ККД і дози енергії в елементах зарядного кола конденсатора при змінюваних початкових умовах перехідного процесу;

- визначено нові умови реалізації від'ємних та додатних зворотних зв'язків напруги заряду конденсатора від характеру його розряду в попередньому циклі;

- установлено критерій вибору параметрів перезарядного RL-ланцюга, шунтуючого конденсатор для зменшення тривалості розрядних імпульсів при стрибкоподібному збільшенні опору навантаження на часових інтервалах, близьких до закінчення розряду;

- обґрунтовано новий метод стабілізації струмів в електроіскровому навантаженні за рахунок шунтування його тиристорним комутатором і визначено енергетично доцільний часовий інтервал для такого шунтування.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці рекомендацій для підвищення енергетичних характеристик кіл заряду та розряду конденсаторів в установках зі змінюваним опором навантаження та методики розрахунку перехідних процесів у колах накопичувальних конденсаторів електроімпульсних установок. Використання рекомендованих критеріїв і співвідношень забезпечує зменшення тривалості перехідних процесів у навантаженні та розрядному контурі електроімпульсної установки.

Результати роботи з підвищення енергетичних параметрів зарядних і розрядних кіл ЄНЕ були використані при виконанні міжнародних науково-технічних проектів STCU #2346 і INTAS #493, а також в організаціях НАН України: Інституті електродинаміки, Інституті металофізики, Інституті імпульсних процесів і технологій при розробленні електроімпульсних установок електроіскрового диспергування металів у рідинах.

Особистий внесок здобувача. Всі теоретичні й практичні результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто. Роботи [1,3,4,8] написані здобувачкою самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачці належать: у [2, 5, 6] - виконання моделювання й аналізу імпульсних розрядних процесів; у [7, 9] - дослідження шляхів підвищення енергетичних характеристик електрообладнання за рахунок початкових напруг на конденсаторі та зменшення впливу неідентичності елементів на нестабільність режимів обладнання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-практичних конференціях: «Удосконалювання електричного обладнання та засобів автоматизації технологічних процесів промислових підприємств» (м. Комсомольск - на - Амурі, 1986); «Силова електроніка та енергоефективність» (м. Алушта, 1998 р., 2001 р., 2005 р, 2006 р., 2007 р., 2008 р.); «Second world congress on engineering asset management and Fourth international conference on condition monitoring», (Harrogate, UK, 2006); «Проблеми сучасної електротехніки» (м. Київ, 2006 р., 2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових статей у фахових наукових виданнях (з них 4 самостійно).

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатку та списку використаних джерел. Повний обсяг роботи становить 205 сторінок, в тому числі 168 сторінок основного тексту, 43 рисунки, 13 таблиць, список використаних джерел із 157 найменувань та 1 додаток.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено сутність і стан розв'язуваної наукової задачі, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію результатів дисертаційних досліджень, наведено дані про їх апробацію та публікацію.

У першому розділі розглянуто використання накопичувачів електромагнітної енергії в розрядноімпульсних установках. Показано, що найбільш поширеними у джерелах живлення різних імпульсних навантажень є ЄНЕ, заряд яких здійснюється від ФПН через струмообмежувальні елементи. Відзначено актуальність наукової задачі підвищення енергетичних параметрів зарядних і розрядних кіл ЄНЕ та зменшення тривалості імпульсних струмів у навантаженні.

Аналіз відомих підходів збільшення ККД зарядного кола показав, що вони пов'язані з певними труднощами. Наприклад, зарядні пристрої із джерелами, регульованими за певним законом напруги, є складними і їхнє застосування може бути виправдано лише у виняткових випадках. При використанні резонансних зарядних пристроїв необхідно забезпечувати точну синхронізацію частоти та фази напруги живлення із частотою розрядних імпульсів. У більшості випадків енергетичні процеси заряду конденсатора аналізувались при нульових початкових умовах. В Інституті електродинаміки НАН України розробляють напівпровідникові електроімпульсні установки, в яких використовують неповний розряд конденсатора на навантаження та ненульову початкову напругу на конденсаторі при його коливальному заряді від ФПН. Це дає можливість підвищувати напругу та ККД заряду конденсатора. Величина та знак початкової напруги на конденсаторі можуть бути засобом регулювання параметрів зарядного імпульсу та енергії конденсатора для зміни параметрів наступного розрядного імпульсу. Такий підхід дає змогу реалізувати необхідний закон регулювання параметрів розрядних імпульсів.

Розглянуто особливості змінення електричного опору навантаження установок ОЕІД металів у рідині. Зазначено, що під час характерного для іскрового навантаження стрибкоподібного збільшення електричного опору у декілька разів розряд конденсатора з коливального може стати аперіодичним, що призведе до збільшення тривалості розрядного імпульсу, зменшення середньої імпульсної потужності та частоти зарядно-розрядних циклів. Тому для підвищення енергетичної ефективності установок ОЕІД металів дуже важливим є розробка методів зменшення тривалості імпульсних струмів у навантаженні навіть при стохастичній зміні його опору в декілька разів.

Наведені вище обставини обґрунтовують доцільність проведення досліджень, спрямованих на вирішення наукової задачі підвищення енергетичних характеристик зарядних і розрядних кіл електроімпульсних установок, а також зменшення тривалості розрядних струмів в електроіскровому навантаженні та перехідних процесів в розрядному колі ЄНЕ.

У другому розділі досліджено вплив початкових напруг на конденсаторі на енергетичні характеристики кіл його заряду від ФПН. В попередніх роботах аналізувались енергетичні процеси у колах заряду конденсатора ємністю С від ФПН з вихідною напругою U_ФПН через активний опір R та індуктивність L при нульових початкових умовах U_C(t=0)=0 та i_C(t=0)=0. За таких умов ККД заряду (тобто відношення дози електричної енергії W_C, що надходить у конденсатор, до енергії W_ФПН, що відбирається від ФПН за весь час заряду конденсатора) з = 0,5 при будь-яких значеннях лінійних елементів кола R, L, С. Показано, що ККД зарядного процесу може бути істотно підвищено при використанні ненульових початкових напруг на конденсаторі.

Конденсатор ємністю С заряджається від ФПН U_ФПН через резистор R, котушку індуктивності L і тиристорний комутатор VТ.

З метою визначення найбільш доцільних енергетичних режимів заряду виконано аналіз аперіодичного заряду конденсатора від ФПН U_ФПН при змінюваних початкових напругах на конденсаторі U_0C = var у діапазоні - U_ФПН < U_0C < + U_ФПН. При цьому нульові та кінцеві умови для струму в зарядному колі ФПН-R-VT-C-L-ФПН залишалися попередніми: . У колі використовувався тиристорний комутатор VT, енергетичні втрати в якому не враховувались, але його введення обмежувало тривалість аперіодичного заряду конденсатора. Заряд закінчувався, коли струм у колі ставав меншим струму утримання тиристорного ключа у включеному стані (для тиристорів типу ТБ 353-250 (1000) струм утримання ). Параметри зарядного кола вибиралися такими, щоб виконувалася умова , де Q - добротність зарядного кола.

Дози енергії, які надходять у конденсатор при його аперіодичному заряді від ФПН; величини енергії втрат у колі; дози енергії, що відбирається від ФПН і ККД при найбільш характерних значеннях початкових напруг U_0С на конденсаторі, наведено в таблиці 1.

Визначено яким чином треба змінювати частоту f, яка визначається кількістю циклів заряду конденсатора за одиницю часу, при С = const (або ємність С при f = const) при зміненні величини U_0C, для того щоб усереднена за тривалий час Т доза енергії, що відбирається від ФПН, не змінювалась. При цьому приймалось, що T>>T₁, де T₁ - тривалість одного зарядно-розрядного циклу конденсатора. Отримано залежності f = F(U_0C /U_ФПН) та С = F(U_0C /U_ФПН) за умови, що доза енергії, яка відбирається від ФПН за час t = Т, залишається незмінною і рівною дозі енергії, що відбирається від ФПН при нульовій початковій напрузі на конденсаторі . Ці залежності показано на рис. 3.

Результати аналізу зміни дози енергії, що надходить у конденсатор, енергії втрат у колі, дози енергії, що відбирається від ФПН і ККД залежно від зміни початкової напруги U_0С на конденсаторі при його коливальному заряді, наведено в таблиці 2.

Як і для аперіодичного заряду, було визначено, яким чином треба змінювати кількість циклів (частоту f) заряду конденсатора за одиницю часу (або ємність конденсатора С при f = const) при зміненні величини U_0C, для того щоб доза енергії, що відбирається від ФПН за деякий один і той же час Т, не змінювалась. Отримано залежності f = F(U_0C /U_ФПН) та С = F(U_0C /U_ФПН) за умови, що доза енергії, яка відбирається від ФПН за час t = Т, має залишатися незмінною та рівною дозі енергії, що відбирається від ФПН при нульовій початковій напрузі на конденсаторі U_C0 = 0: .

Встановлено, що частота циклів заряду f при С = const (або ємність конденсатора С при f = const) не залежить від добротності кола Q, а математичні вирази, які визначають f і С^* для аперіодичного й коливального процесів, ідентичні.

Отримано вираз для максимальної напруги, до якої зарядиться конденсатор при коливальному заряді від ФПН за час , і досліджено залежність цієї напруги від початкових напруг на конденсаторі. На рис. 5 наведено залежності максимальної напруги заряду конденсатора (приведеної до U_ФПН) від початкової напруги конденсатора (приведеної до U_ФПН) для Q₁ = 2; 5; 30, які визначаються за формулою

Таким чином, при заряді (як аперіодичному, так і коливальному) конденсатора ємністю С від формувача постійної напруги ККД зарядного процесу з лінійно збільшується зі збільшенням величини початкової напруги на конденсаторі U_0C.

Це дає змогу здійснювати заряд з високим ККД (з > 0,9). Аналіз співвідношення між дозою енергії, що надходить у конденсатор , та енергією втрат показав, що в аперіодичному зарядному колі при збільшенні напруги U_0C у діапазоні від 0 до +U_ФПН співвідношення між і зростає.

В коливальному колі відношення до зростає при збільшенні напруги U_0C у всьому діапазоні від - U_ФПН до +U_ФПН, причому, чим вища добротність Q зарядного кола, тим більшим є це зростання.

При незмінній дозі енергії, яка споживається від ФПН за час t = Т₀ = f_i•Т_i, можна реалізувати заряд конденсатора з високим ККД (з > 0,5 як для аперіодичних, так і для коливальних режимів), збільшуючи початкову напругу на конденсаторі U_0C та частоту зарядних циклів f_i конденсатора при C_i = const (або ємність конденсатора C_i при f_i = const). Слід зазначити, що для коливальних кіл з високою добротністю (Q > 10) ККД є високим (з > 0,9) на всьому розглянутому інтервалі зміни U_0C. В той же час реалізація від'ємних початкових напруг на конденсаторі дає можливість підвищити напругу його заряду до значень  > 2 U_ФПН.

Третій розділ присвячено аналізу процесів розряду конденсатора на нелінійне електроіскрове навантаження при підключенні шунтувальних елементів.

Для аналізу процесів у розрядному колі установок ОЕІД використовувався еквівалентний опір навантаження , який є таким лінійним активним опором, потужність в котрому дорівнює потужності в нелінійному навантаженні за час протікання одного розрядного імпульсу.

Враховано, що електричний опір навантаження може змінюватись не тільки при розряді конденсатора, але й у проміжках між розрядами. Причому, як випливає з експериментальних досліджень, навіть усереднене за час розрядного імпульсу значення активного опору такого навантаження, яке визначається за формулою (10), може змінюватись від одного розрядного імпульсу до іншого.

При роботі на електроіскрове навантаження параметри розрядного кола підбираються таким чином, щоб був реалізований коливальний розряд накопичувального конденсатора. Це дає змогу формувати у навантаженні іскророзрядні імпульси тривалістю 20 - 80 мкс, реалізувати високі частоти розрядних циклів і значну продуктивність диспергування. Характерне для такого навантаження стрибкоподібне збільшення його електричного опору в декілька разів призводить до того, що коливальний процес може стати аперіодичним, а тривалість імпульсних струмів у навантаженні може зрости в 20 і більше разів, що є неприпустимим. Одним з найпоширеніших методів стабілізації тривалості розрядних імпульсів в електророзрядних установках є метод, заснований на підключенні паралельно навантаженню шунтуючого резистора, в якому втрати електроенергії становлять більше 50%. При цьому тривалість розрядних імпульсів у навантаженні змінювалась в 2-4 рази.

Досліджена зміна тривалості розрядних імпульсів при шунтуванні конденсатора зворотним діодом з метою запобігання перезаряду конденсатора до великих від'ємних значень, що викликають неприпустиме підвищення напруги його наступного заряду. Проведений аналіз показав, що підключення такого діода можливе для лабораторних установок, які забезпечують невеликі частоти зарядно-розрядних циклів, оскільки його включення збільшує тривалість розрядних імпульсів.

Також був досліджений розряд конденсатора на електроіскрове навантаження при його шунтуванні в деякий момент часу RL - ланцюгом. Введення такого ланцюжка зберігає працездатність установки в умовах, коли з технологічних міркувань навантаження віддалене від формувача розрядних імпульсів, тому активний опір та індуктивність розрядного кола є великими. Отримано аналітичні вирази для струмів в такому колі.

Проведені дослідження підтвердили необхідність розробки нового більш енергоефективного методу зменшення тривалості імпульсних струмів в електроіскровому навантаженні.

У четвертому розділі наведені результати досліджень енергетичних процесів у колі розряду конденсатора (С-Vt₁-R_н--R₁-L₁-C, рис. 1) при регулюванні тривалості імпульсних струмів в електроіскровому навантаженні. Відзначено характерне для такого навантаження виникнення так званих холостих розрядів (тобто тривалих розрядів з малим струмом без електроіскрінь) на часових інтервалах, близьких до закінчення розрядного струму. Під час таких розрядів електричний опір навантаження стрибкоподібно збільшується в декілька разів. При цьому виникає новий перехідний процес при ненульових початкових значеннях струму в індуктивності кола і напруги на конденсаторі. Проведено аналіз такого перехідного процесу у колі розряду конденсатора на активно-індуктивне навантаження та отримано вирази для напруги на конденсаторі та струму в розрядному контурі при ненульових початкових умовах і за напругою, і за струмом для всіх можливих режимів розряду конденсатора.

Проведено аналіз збільшення тривалості перехідних процесів в розрядному колі конденсатора при стрибкоподібному збільшенні опору навантаження в 5, 10, 20 разів у момент часу, близький до закінчення імпульсного струму у навантаженні при коливальних розрядах. Аналіз показав, що стрибкоподібне збільшення опору навантаження при розрядному струмі, рівному за величиною 85% свого амплітудного значення, призводить до значного подовження процесу розряду конденсатора. Так, збільшення R_н0 в 5 разів збільшило тривалість ф_РІ в 7 разів. При збільшенні R_н0 в 10 та 20 разів тривалість ф_РІ збільшилась відповідно в 13 та 23 рази.

На рис. 6 показано як змінюється енергія (приведена до W_С0 - енергії, накопиченої в конденсаторі при нульовій початковій напрузі), розсіювана в навантаженні, при різних добротностях розрядного контуру Q₁. Аналіз перехідних процесів, представлених на рис. 6, показав, що при досить великих струмах у контурі (від 40 до 60% від амплітудного значення) більша частина (від 77 до 95%) енергії конденсатора вже розсіялась у навантаженні.

При цьому час, впродовж якого відбулося розсіювання енергії у навантаженні, для аперіодичних режимів розряду конденсатора в багато разів менший тривалості цього розрядного процесу (до 9 разів). У зв'язку з цим зроблено висновок про енергетичну доцільність переривання розрядного процесу з метою зменшення тривалості імпульсного струму в електроіскровому навантаженні.

Досліджено можливість регулювання та стабілізації тривалості імпульсних струмів у навантаженні за рахунок вмикання шунтуючого тиристора.

На рис. 7 показано розрядне коло накопичувального конденсатора, в якому в певний момент підключається шунтуючий тиристор VT₂. На рис. 8 показано залежності: а) струму i_н(t), що проходить через опір навантаження R_н; б) струму i₂(t), що проходить через тиристорний комутатор VT₂ після його включення в момент t = t₁ = 60 мкс; в) струму в колі i₁(t) з урахуванням обох перехідних процесів: першого - включення VT₁ і другого - включення VT₂. Початкова добротність контуру Q₁ = 0,3, а після включення тиристора VT₂ добротність кола стала рівною Q₁ =30.

На рис. 9 представлено залежності: а) струму в колі i₁(t); б) напруги на конденсаторі u(t) з урахуванням обох перехідних процесів (першого - включення VT₁ і другого - включення VT₂) при різних значеннях початкової добротності контуру Q ₁ від 0,3 до 1,5.

У табл. 3 наведено результати аналізу тривалості розряду конденсатора з використанням тиристорного ключа VT₂, що шунтуює навантаження (і без його використання), та значення залишкової напруги на конденсаторі після закінчення розрядного процесу та приведених енергій та для різних початкових добротностей розрядного кола Q₁ (0,3; 0,5; 0,7; 1; 1,5).

Важливою перевагою шунтування електроіскрового навантаження тиристором VT₂ є можливість жорстко регулювати час протікання імпульсного струму через навантаження. Це дає змогу виключити можливість утворення крупнодисперсних електроерозійних порошків, що виникають при великих тривалостях імпульсних струмів у навантаженні.

Отримані результати показали, що змінення моменту включення тиристора VT₂, який шунтує електроіскрове навантаження, може бути покладене в основу методу енергоефективного регулювання тривалості імпульсних струмів у навантаженні незалежно від стохастичного змінення його опору.

У розділі 5 наведено розроблену методику розрахунку енергетичних і часових характеристик перехідних процесів у колах заряду, розряду, перезаряду конденсатора та колі шунтування електроіскрового навантаження. Вона дає змогу за заданими вихідними даними визначити необхідну частоту розрядних імпульсів, потужність ФРІ та розробити рекомендації щодо підвищення енергоефективності зарядного і розрядного кіл конденсатора.

Представлено результати чисельного моделювання розрядних процесів накопичувального конденсатора на електроіскрове навантаження з урахуванням його нелінійного характеру з використанням пакета MATLAB/ SIMULINK/SPS (Personal licence's password 16-11194-26164-52495-54221-19414) та результати експериментальних досліджень розряду конденсатора на електроіскрове навантаження, яким є шар алюмінієвих гранул між електродами, зануреними у воду.

При моделюванні електроіскрового навантаження лінійним опором помилка не перевищувала 0,5%, при моделюванні нелінійним опором - 3,1%, а в порівнянні з експериментальними результатами - 5,6%.

Аналіз перехідних процесів у навантаженні (проведений у розділі 4 та при моделюванні в середовищі SIMULINK і фізичних експериментах) підтвердив, що включення шунтуючого тиристора VT₂ після розрядного тиристора VT₁ реалізує енергоеффективный метод жорсткого регулювання тривалості імпульсного струму в електроіскровому навантаженні незалежно від характеру зміни його електричного опору.

У розділі наведено також загальний вигляд та технічні характеристики імпульсних джерел електроживлення, у яких використані результати дисертаційних досліджень.

В додатку наведено акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу подальшого розвитку теорії перехідних процесів у колах заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок у частині використання цілеспрямованої зміни умов таких процесів та розробки рекомендацій щодо підвищення енергетичних характеристик таких кіл та зменшення тривалості імпульсних струмів в навантаженні і перехідних процесів у розрядному колі. Отримані наукові і практичні результати у сукупності мають істотне значення для теоретичної електротехніки, зокрема для оптимізації режимів у електричних колах електророзрядних установок.

При цьому отримані такі основні наукові та практичні результати:

1. Обґрунтовано доцільність використання змінюваних умов заряду та розряду конденсаторів в електроімпульсних установках, що зумовило підвищення їх енергетичних характеристик та зменшення тривалості імпульсних струмів у технологічному навантаженні.

2. Розвинуто теорію перехідних процесів у колах заряду та розряду конденсаторів електроімпульсних установок при змінюваних умовах таких процесів, що забезпечило розробку енергоефективних критеріїв оцінки характеристик аперіодичного і коливального зарядів конденсатора від формувача постійної напруги при зміні початкових умов зарядних процесів.

3. Встановлено закономірності зміни ККД і дози енергії в елементах зарядного контуру конденсатора при зміні початкових умов перехідного процесу, які дають змогу здійснити вибір інтервалу зміни початкових напруг на конденсаторі з метою підвищення ККД аперіодичного процесу заряду на 20-30%, а напруги коливального заряду - в 1,6 раз.

4. Визначено умови енергоефективного застосування зворотних зв'язків між напругою заряду конденсатора і характером його розряду в попередньому циклі, що дало змогу реалізувати в електроімпульсних установках регульовані параметричні залежності, які забезпечують швидкодіючу стабілізацію параметрів розрядних імпульсів.

5. Обґрунтовано критерій вибору параметрів додаткового RL-ланцюга та моменту його підключення до конденсатора для підвищення добротності кола його розряду, що дає змогу зменшити тривалість імпульсних струмів у навантаженні при виникненні аперіодичних розрядів конденсатора.

6. Виявлено, що стрибкоподібне зростання опору електроіскрового навантаження значно збільшує тривалість як аперіодичного, так і коливального розрядів конденсатора. Так при зростанні опору навантаження в 5-20 разів тривалість аперіодичного розряду збільшується в 4-12 разів, а коливального - в 7-23 рази.

7. Обґрунтовано, що зміна моменту включення тиристора, який шунтує електроіскрове навантаження, може бути покладена в основу методу енергоефективного регулювання тривалості імпульсних струмів у навантаженні незалежно від зміни його опору.

Встановлено, що часовий інтервал, за який в електроіскровому навантаженні поглинається 90% енергії накопичувального конденсатора, майже в 9 разів менший тривалості аперіодичного розряду конденсатора. Включення після закінчення зазначеного часу тиристора, що шунтує навантаження, дає змогу в 2-4 рази зменшувати тривалість аперіодичних розрядів і тим самим збільшити частоту зарядно-розрядних циклів.

8. Розроблено методику розрахунку енергетичних і часових характеристик перехідних процесів у колах заряду, розряду, перезаряду конденсатора та колі шунтування електроіскрового навантаження, яка дає змогу за заданими вихідними даними визначити необхідну частоту розрядних імпульсів, потужність формувача розрядних імпульсів і розробити рекомендації щодо підвищення енергоефективності зарядного та розрядного кіл конденсатора.

9. Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджено узгодженням результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними та відомими раніше даними з літературних джерел.

10. Результати роботи з підвищення енергетичних параметрів зарядних і розрядних кіл ємнісних накопичувачів енергії були використані при виконанні міжнародних науково-технічних проектів STCU #2346, INTAS #493 та в інститутах НАН України (електродинаміки, металофізики, імпульсних процесів та технологій) - при розробках електроімпульсних установок електроіскрового диспергування металів у рідинах.

Подальше використання результатів роботи пропонується в інститутах НАН України (електродинаміки, електрозварювання, імпульсних процесів та технологій, металофізики і проблем металознавства) для підвищення енергетичних характеристик і зменшення тривалості перехідних процесів у розрядно-імпульсних установках. Результати пропонується також використати в навчальних процесах кафедр теоретичної електротехніки, електрофізики та техніки високих напруг НТУУ «Київський політехнічний інститут», НТУ «Харківський політехнічний інститут», кафедри електротехнології та електропостачання Миколаївського державного аграрного університету для розширення курсу теорії лінійних та нелінійних електричних кіл з урахуванням використання змінюваних умов перехідних процесів.

Публікації за темою дисертації

1. Cупруновская Н.И. Энергетические характеристики при изменении начальных условий колебательного заряда конденсатора от источника постоянного напряжения / Н.И. Cупруновская // Техн. електродинаміка. - 2008. - №4. - С. 27-33.

2. Подольцев А.Д. Моделирование и анализ электроразрядных процессов в нелинейной RLC цепи / А.Д. Подольцев, Н.И. Cупруновская // Техн. електродинаміка. - Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2006. - Ч. 4. - С. 3-8.

3. Cупруновская Н.И. Переходные процессы при разряде конденсатора на электроискровую нагрузку и ограничении длительности протекающих в ней импульсных токов / Н.И. Cупруновская // Техн. електродинаміка. - 2008. - №5. - С. 20-26.

4. Cупруновская Н.И. Энергетические параметры цепи при уменьшении длительности переходных процессов разряда накопительного конденсатора на электроискровую нагрузку / Н.И. Cупруновская // Техн. електродинаміка. - Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2008. - Ч. 2 - С. 27 - 30.

5. Математическое моделирование динамических параметров при электроразрядном взрыве проводников / А.А. Щерба, Д.Е. Куприн, Н.И. Кускова, С.В. Петриченко, Н.И. Супруновская // Техн. електродинаміка. - Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2006. - Ч. 5. - С. 94-97.

6. Cупруновская Н.И. Моделирование и анализ импульсных процессов в электроискровой нагрузке и разрядном контуре конденсатора / Н.И. Cупруновская, А.Д. Подольцев, Н.И. Шевченко // Техн. електродинаміка. Тем. вип. «Силовая электроника и энергоэффективность». - 2008. - Т. 3. - С. 109-114.

7. Анализ уравнений преобразования трехфазных напряжений при каскадном соединении фильтров симметричных составляющих / [Щерба А.А., Маков Д.К., Захарченко С.М., Супруновская Н.И.] // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: зб. наук. пр. - К.: ІЕД НАНУ, 2005. - Вип.3 (12). - С. 8-15.

8. Cупруновская Н.И. Анализ нестабильности переходных процессов при разряде конденсатора на электроискровую нагрузку / Н.И. Cупруновская // Техн. електродинаміка. - Тем. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2008. - Ч. 3. - С. 29-32.

9. Щерба А.А. Повышение энергетических характеристик при апериодической зарядке конденсатора от источника постоянного напряжения за счет изменения начальных напряжений на конденсаторе / А.А. Щерба, Н.И. Cупруновская // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: зб. наук. пр. - К.: ІЕД НАНУ, 2008. - Вип. 19. - С. 113-119.

Размещено на Allbest.ru