Технические науки /6. Электротехника и радиоэлектроника
Дозоров С.А.
Инженер электролаборатории службы по
техническому обслуживанию и наладке энергооборудования ООО «Газпром трансгаз
Санкт-Петербург», ИТЦ.
Аспирант заочной формы обучения
Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»
(СПбГЭТУ) , Россия
Параметрические источники неизменного тока.
В электротехнике все более широкое
практическое применение находят системы неизменного (стабилизированного) тока,
то есть системы распределения и потребления электрической энергии,
обеспечивающие независимость тока нагрузки от количества и мощности включенных
потребителей электроэнергии. Интерес к таким системам обусловлен возможностями
их применения во многих областях электротехники и инженерной электрофизики,
которые условно можно подразделить на технические и экономические.
Применение систем стабилизированного тока
(ССТ) в электропроводах позволяет получить новый технический эффект:
электроприводы обретают оригинальные свойства управляемого «источника момента»,
что с успехом используется в различных электромеханических устройствах. В
электросварочной, электрометаллургической, плазменно-дуговой технологий новый
технический эффект при применении ССТ для питания дуговых разрядов заключается
в радикальном повышении статической и динамической устойчивости дуги как
рабочего технологического органа, так и в улучшении ее воспроизводимости,
условий инициирования, регулирования, увеличении износостойкости электродов.
Именно этим объясняется интенсивное и все увеличивающееся проникновение этих
систем в электротехнологическую практику.
Благодаря использованию
индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) системы стабилизированного тока
получили значительное распространение в электротехнологической практике.
Основные преимущества ИЕП – простота, надежность, экономичность. Однако они
имеют и недостатки: недостаточно хорошие массогабаритные показатели; сложность
при осуществлении плавного регулирования тока в широких пределах и др. Данные
недостатки были решены путем применения трансформаторно-емкостных
преобразователей (ТЕП).
а) параметрические источники неизменного тока на основе ИЕП.
В ИЕП для стабилизации тока нагрузки
используется явление резонанса напряжения в реактивных элементах на частоте
питающей сети. В этих источниках отсутствуют коммутирующие приборы и системы
управления, что существенно упрощает их применение. Классическая схема ИЕП
(схема Бушеро, рис.1), содержит индуктивность L, включенную последовательно с питающей сетью 
, конденсатор C,
включенный параллельно нагрузке, и диодный мост VD1-VD4.
Индуктивность L и конденсатор C образуют колебательный контур,
настроенный на круговую частоту питающей сети ω=2πf, причем
;
Нагрузка R подключается к ИЕП через силовой трансформатор и
выпрямитель. В итоге в нагрузке протекает постоянный и неизменный ток, величина
которого определяется только параметрами ИЕП [4].
Рис. 1
Недостатком ИЕП являются большие
массогабаритные показатели, т.к. в его состав входит дроссель, сравнимый по
массогабаритным показателям с трансформатором. Кроме этого ИЕП имеют низкий
коэффициент мощности, что иногда требует установки емкостных компенсаторов.
б) параметрические источники неизменного
тока на основе ТЕП.
В [1] предлагается совместить функции
дросселя и силового трансформатора в одном устройстве - трансформаторе с
целенаправленно обеспеченными величинами индуктивностей намагничивания и
рассеяния (рис.2).
Рис. 2
В данном случае колебательный контур,
также настроенный на частоту питающей сети, образуют конденсатор C и индуктивность L1, являющаяся суммой индуктивности намагничивания и индуктивности
рассеяния первичной обмотки трансформатора.
Предварительный анализ показывает, что
данное техническое решение имеет ряд существенных преимуществ перед ИЕП,
которые заключаются в следующем: отсутствует громоздкий дроссель, входной ток
ТЕП опережает напряжение сети и сам ТЕП является компенсатором реактивной
мощности. В ТЕП, как и в ИЕП, отсутствует сложная система управления. Кроме
этого следует учесть, что массогабаритные показатели ТЕП могут быть в 2,5-3
раза меньше таких же показателей ИЕП, что существенно.
Анализ электромагнитных процессов в
предлагаемом устройстве производился как аналитически, так и с помощью численного
моделирования.
Величины, используемые в дальнейшем для
подстановки в численные и аналитические модели, а так же, при проведении
экспериментов, соответствуют трансформатору типа ОСМ – 2,5 кВА.
Его параметры: магнитопровод - сталь 3413,
площадь сечения 0,0036 м², средняя длина магнитной линии 0,52 м,
количества витков 1-й и 2-й обмоток 176, коэффициент связи kc между обмотками
0,92, частота сети 50 Гц.
Математические модели вариантов данного ТЕП
реализованы в программах MATLAB 7.1, включающих пакет SIMULINK POWER SYSTEMS
(SPS) [5].
Для линейного трансформатора применен
операторный метод: запись параметров схемы в изображениях в виде матрицы
операторных сопротивлений Z и вектора изображений задающих
источников E с последующим решением уравнения относительно изображений
токов I:
Общие
выражения для изображений токов выведены в пакете MAPLE 9.5 [3] и переданы
в систему MATLAB.
Рис 3.
В результате обратного преобразования Лапласа
(оператор impulse) возвращаются оригиналы токов контуров по рис. 3.
ТЭП должен быть настроен на требуемую
величину тока нагрузки за счет
изменения величины индуктивности
намагничивания трансформатора путем вариации толщины немагнитного зазора в магнитопроводе.
При этом требуется определить емкость конденсатора, обеспечивающего резонанс на
частоте питающей сети f.
Соответствующая методика составлена и
реализована в программе расчета зависимостей в пакете MAPLE.
Получены зависимости индуктивности намагничивания
L1 и емкости
конденсатора С от параметров
конструкции трансформатора:
.
Здесь 
Гн/м- магнитная
постоянная, 
- относительная магнитная
проницаемость, 
- количество витков первичной обмотки, 
- площадь поперечного
сечения магнитопровода, м², 
- толщина немагнитного
зазора, м, 
- средняя длина магнитной силовой линии, м.
Пример численной математической модели
(ММ) показан на рис. 4., модель создана в пакете SPS.
Рис. 4 Численная математическая модель: 1-
источник тока; 2 – генератор гармонического сигнала; 3 - трансформатор; 4 –
измеритель импеданса; 5 – прибор наблюдения сигналов; 6 – конденсаторная
батарея с учетом потерь; 7 - нагрузка; 8 – измеритель тока ( «идеальный» шунт);
9 – блок Powergui (графический
интерфейс пользователя)
В пакете SPS создана ММ, которая имитирует
процесс заряда – разряда конденсатора емкостного накопителя (рис. 5).
Рис. 5
Проведен эксперимент на установке,
параметры которой соответствуют параметрам, приведенным выше.
Сравнение
с расчетной внешней характеристикой (пунктирная линия на рис. 6) констатирует
хорошее совпадение и, следовательно, адекватность моделей.
Рис. 6. Внешние
характеристики ИП. Расчет и эксперимент
Основным недостатком всех параметрических
источников неизменного тока является невозможность регулирования величины
выходного тока, который обычно определяется только величиной напряжения
питания.
Данный недостаток полностью устраняется в [2],
в котором реализована возможность изменения величины выходного неизменного
тока, что существенно расширяет область применения данного источника
неизменного тока.
Вывод:
·
предложенный ТЭП может
найти применение в системах питания различного электрооборудования, в котором
требуется режим источника тока;
·
регулирование выходного
тока, существенно расширяет возможную область применения;
·
предложенный ТЭП
обладает высокой надежностью;
·
разработано программное
обеспечение, позволяющее моделировать и проектировать подобные устройства.
Литература:
1. Патент РФ № 77517 /
Дозоров С.А., Кошелев П.А., Новик А.А., Опре В.М., , Парамонов С.В., Саенко
И.В. Индуктивно-емкостный преобразователь. Опубл. 20.10.2008. Бюлл. № 29.
2. Патент. РФ № 100687
/ Дозоров С.А., Кошелев П.А., Опре В.М., Парамонов С.В., Терещенко В.Н.
Источник неизменного тока. Опубл. 20.12.2010. Бюл. № 35
3. .MAPLE 9.5/10 в математике,
физике и образовании / В.П. Дьяконов. 2008. М: Солон-пресс. 720с.
4. Индуктивно-емкостные преобразователи
источников напряжения в источники тока. Милях А.Н., Кубышин Б.Е., Волков И.В.
1964. Киев: Наук. думка.- 306с.
5. Моделирование источников вторичного электропитания
в среде MATLAB7.X. / Худяков В.Ф., Хабузов В.С. 2008. Учеб. пособие. СПб.:
Редакционно-издательский центр ГУАП. 86с