Резонансный трансформаторно-полупроводниковый комплекс для электротехнологии
1На 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.