Дослідження трифазного мостового компенсаційного перетворювача
| dc.contributor.advisor | Бойко, Валерій Степанович | |
| dc.contributor.author | Шкардун, Олександр Володимирович | |
| dc.date.accessioned | 2024-05-27T12:20:26Z | |
| dc.date.available | 2024-05-27T12:20:26Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Шкардун О.В. Дослідження трифазного мостового компенсаційного перетворювача. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача розвитку теорії електромагнітних процесів у засобах силової електроніки для створення нових та удосконалення існуючих перетворювальних пристроїв з підвищеними енергетичними характеристиками та покращеними масо-габаритними показниками. У першому розділі проведено аналіз існуючих схем реалізації потужних перетворювачів електричної енергії, призначених для живлення технологічних споживачів постійного струму. Особливу увагу приділено компенсаційним та компенсованим перетворювачам електричної енергії, з метою обґрунтування необхідності вирішення науково-прикладної задачі, яка розглядається у роботі. За результатами аналітичного огляду встановлено, що серед пристроїв енергетичної електроніки великої потужності, які працюють у режимі випрямляча, досить поширеними є ті, дія яких ґрунтується на застосуванні трифазної мостової схеми. Вона має багато переваг перед більшістю відомих в енергетичній електроніці схем, але не позбавлена й недоліків. Основний з них полягає у тому, що навіть при діодній реалізації і роботі у режимі випрямляча, вона має невисокий коефіцієнт потужності за рахунок нескомпенсованої потужності комутаційного процесу. Компенсаційні перетворювачі попереднього покоління, розроблені у Київському політехнічному інституті, зарекомендували себе як високоефективні пристрої силової електроніки, призначені для живлення потужних споживачів у кольоровій металургії, хімічних виробництвах, електрифікованому транспорті і т. ін. Характерною особливістю електромагнітних процесів, що мають місце у режимі електроживлення такими перетворювачами, є особливі умови комутації струму силовими електричними вентилями. Їх основним недоліком було те, що комутуюча ланка складалася з трифазної конденсаторної батареї і трифазного зрівноважувального реактора (ТЗР). Останній був потужним, габаритним та високовартісним елементом перетворювача і місцем додаткових втрат електричної енергії. Викладене свідчить про необхідність і можливість розробки нових технічних рішень, які б не мали зазначених вище недоліків та були орієновані на застосування сучасних засобів силової електроніки. Одним із таких нових технічних рішень, яке досліджується у дисертаційній роботі, є трифазний мостовий компенсаційний перетворювач [1]. Охоронним документом захищені два варіанти його схемної реалізації: з однією комутуючою ланкою та з двома. У другому розділі досліджується питання стосовно формування комутуючої напруги (напруги на фазах конденсаторів комутуючої ланки), однієї з найважливіших характеристик електромагнітного процесу будь-якого компенсаційного перетворювача. Результати досліджень цього розділу показують, як змінюється величина і форма комутуючої напруги залежно від частоти та моменту подачі імпульсів керування на транзистори комутуючої ланки. Дослідження стосовно зміни форми комутуючої напруги компенсаційних перетворювачів, при зміні характеристик технологічного процесу живлення споживачів постійного струму, раніше не проводилися. Це пояснюється тим, що у перетворювачах попереднього покоління з ТЗР у комутуючій ланці, можливості змінювати форму комутуючої напруги не було. Вона була однаковою за формою в усіх режимах і могла змінюватись лише за величиною. Отримані результати досліджень розділу доводять, які умови перезаряду конденсаторів комутуючої ланки не забезпечують ефективної роботи перетворювача та яка динаміка зміни комутуючої напруги за величиною і формою у режимах ефективної роботи, рекомендованих для застосування і меж регулювання технологічного процесу. У третьому розділі досліджуються особливості електромагнітних процесів у варіантах реалізації трифазного мостового компенсаційного перетворювача. Вони обумовлені можливістю зміни величини і форми комутуючої напруги протягом інтервалу часу живлення технологічного споживача. Тому, змінюється і характер електромагнітного процесу та закономірність зміни струму комутації силових електричних вентилів впродовж протяжності інтервалу комутації, який у роботі визначається як кут комутації y. Такі комплексні дослідження електромагнітних процесів стосовно компенсаційних перетворювачів проведені вперше, а результатом їх аналізу стало отримання нового узагальненого рівняння комутаційного процесу. На основі даних щодо особливостей комутаційних процесів у варіантах компенсаційного перетворювача, проведено дослідження величини комутуючої напруги в момент початку комутації у різних режимах його роботи, та отримано нове узагальнене рівняння для розрахунку цієї характеристики електромагнітного процесу. Узагальнені рівняння комутаційного процесу та величини комутуючої напруги в момент початку комутації покладені в основу методики розрахунку основних енергетичних характеристик компенсаційного перетворювача: випереджаючого кута регулювання a та кута комутації y. У четвертому розділі досліджуються умови роботи силового обладнання варіантів реалізації трифазного мостового компенсаційного перетворювача та випрямлена напруга. Показано, що стосовно перетворювального трансформатора будь-яких специфічних умов не висувається. З великого обсягу досліджень стосовно максимальної величини зворотної напруги силових електричних вентилів зроблено висновок, що комутуюча напруга, яка накладається на лінійну напругу перетворювального трансформатора у вентилях, що працюють у компенсаційному режимі, до перенапруг не призводить. Тобто максимальне значення зворотної напруги вентилів практично не перевищує величину лінійної напруги трансформатора. Доведені рівняння для розрахунку максимального значення зворотної напруги силових електричних вентилів. Показано, що максимальне значення напруги на транзисторах комутуючої ланки дорівнює величині комутуючої напруги у момент комутації. Доведені рівняння для розрахунку середнього значення випрямленої напруги перетворювача з однією комутуючою ланкою і перетворювача з двома. Розрахунки ілюстровані побудовою форми кривих випрямленої напруги. У п’ятому розділі з метою верифікації отриманих результатів теоретичних досліджень, проведено схемотехнічне моделювання режимів роботи варіантів реалізації досліджуваного перетворювача. Для цього використана система схемотехнічного моделювання MicroCap12. Дослідження стосовно основних енергетичних характеристик компенсаційного перетворювача, а саме випереджаючого кута регулювання a та кута комутації y показали, що при невеликих кутах затримки подачі імпульсів керування на транзистори комутуючої ланки, точність аналітичного розрахунку цих кутів вища точності схемотехнічного моделювання. Це пояснюється тим, що форма кривої комутуючої напруги, яка формується моделлю, дещо відрізняється від теоретичної. В основних робочих режимах досліджуваних варіантів реалізації перетворювачів, розбіжність між результатами аналітичного розрахунку кутів регулювання і комутації та їх схемотехнічного моделювання не перевищує 5%. Дослідженням величини і форми комутуючої напруги доведено, що при незмінності струму навантаження, їх можна змінювати, регулюючи момент подачі імпульсів керування на транзистори комутуючої ланки чи змінюючи величину ємності фаз комутуючих конденсаторів. Вперше досліджено питання стосовно зміни показників ефективності (Кеф) використання конденсаторної батареї за рахунок регулювання моменту подачі імпульсів керування на транзистори комутуючої ланки. Показано, що узгодження між величиною ємності конденсаторів комутуючої ланки та вибором моменту подачі імпульсів керування на транзистори може підвищити ефективність використання конденсаторів майже удвічі. Виявлені такі режими роботи трифазного мостового компенсаційного перетворювача, у яких силові електричні вентилі вступають в роботу повторно. Причиною цього є відповідна величина і форма кривої комутуючої напруги. Результати роботи впроваджено в освітній процес у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» для удосконалення лекційних курсів та оновлення циклів лабораторних робіт з курсів «Основи теорії поля» та «Енергоефективність процесів в електротехнологічних комплексах» та у відділі 15 «Транзисторних перетворювачів» Інституту електродинаміки НАН України. Подальше впровадження результатів дисертації рекомендується на підприємствах кольорової металургії та хімічних виробництвах. | |
| dc.description.abstractother | Shkardun O.V. Research of a three-phase bridge compensation rectifier. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 – Electric power engineering, electrical engineering and electromechanics. - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. In the dissertation work, the actual scientific problem of developing the theory of electromagnetic processes in power electronics devices for the creation of new and improvement of existing conversion devices with increased energy characteristics and improved mass-dimensional indicators is solved. The first section, an analysis of the existing implementation schemes of powerful electrical energy converters intended for powering direct current technological consumers was carried out. Special attention is paid to compensating and compensated converters of electrical energy, in order to justify the need to solve the scientific and applied problem, which is considered in the work. Based on the results of the analytical review, it was established that among high-power power electronics devices that work in rectifier mode, those whose action is based on the use of a three-phase bridge circuit are quite common. It has many advantages over most schemes known in power electronics, but it is not without disadvantages. The main one is that even with diode implementation and operation in rectifier mode, it has a low power factor due to the uncompensated power of the switching process. Compensating converters of the previous generation, developed at the Kyiv Polytechnic Institute, have proven themselves as highly efficient power electronics devices intended for powering powerful consumers in non-ferrous metallurgy, chemical industries, electrified transport, etc. A characteristic feature of the electromagnetic processes that take place in the mode of power supply by such converters are the special conditions of current commutation by power electric valves. Their main drawback was that the commutation link consisted of a three-phase capacitor bank and a three-phase balancing reactor (TBR). The latter was a powerful, large and expensive element of the converter and a place of additional losses of electrical energy. The above testifies to the necessity and possibility of developing new technical solutions that would not have the above-mentioned shortcomings and would be oriented towards the use of modern means of power electronics. One of such new technical solutions, which is investigated in the dissertation work, is a three-phase bridge compensation converter [1]. The security document protects two versions of its schematic implementation: with one switching link and with two. In the second section examines the question of the formation of the switching voltage (voltage on the phases of the capacitors of the switching link), one of the most important characteristics of the electromagnetic process of any compensating converter, is investigated. The research results of this section show how the magnitude and shape of the switching voltage changes depending on the frequency and moment of control pulses applied to the transistors of the switching circuit. Research on the change in the form of the commutation voltage of compensating converters, when the characteristics of the technological process of feeding direct current consumers, have not been carried out before. This is explained by the fact that in the converters of the previous generation with TZR in the switching circuit, it was not possible to change the form of the switching voltage. It was the same in shape in all modes and could change only in size. The obtained results of the research of the section prove which conditions of overcharging of the capacitors of the switching link do not ensure the effective operation of the converter and what are the dynamics of the change of the switching voltage in terms of magnitude and shape in the modes of effective operation recommended for application and limits of technological process regulation. In the third section examines the peculiarities of electromagnetic processes in the implementation options of a three-phase bridge compensating converter are investigated. They are due to the possibility of changing the value and form of the switching voltage during the time interval of powering the technological consumer. Accordingly, the nature of the electromagnetic process and the regularity of the change in the commutation current of the power electric valves change over the length of the commutation interval, which is defined in the paper as the commutation angle y. Such complex studies of electromagnetic processes in relation to compensating converters were conducted for the first time, and the result of their analysis was obtaining a new generalized equation of the switching process. Based on the data on the features of the switching processes in the variants of the compensating converter, a study of the value of the switching voltage at the moment of the start of switching in different modes of its operation was carried out, and a new generalized equation was obtained for calculating this characteristic of the electromagnetic process. The generalized equations of the commutation process and the magnitude of the commutation voltage at the moment of the initiation of commutation are the basis of the methodology for calculating the main energy characteristics of the compensating converter: the anticipatory adjustment angle a and the commutation angle y. In the fourth section examines the operating conditions of the power equipment of three-phase bridge compensating converter implementation options and rectified voltage are investigated. It is shown that there are no specific conditions for the conversion transformer. From a large volume of research on the maximum value of the reverse voltage of power electric valves, it was concluded that the switching voltage applied to the line voltage of the converting transformer in the valves operating in the compensation mode does not lead to overvoltages. That is, the maximum value of the reverse voltage of the valves practically does not exceed the value of the line voltage of the converting transformer. Proved equations for calculating the maximum value of the reverse voltage of power electric valves. It is shown that the maximum value of the voltage on the transistors of the switching link is equal to the value of the switching voltage at the moment of switching. Proved equations for calculating the average value of the rectified voltage of a converter with one switching link and a converter with two. The calculations are illustrated by plotting the shape of the rectified voltage curves. In the fifth section, in order to verify the obtained results of theoretical studies, schematic modeling of the modes of operation of the implementation variants of the investigated converter was carried out. For this, the MicroCap12 circuit modeling system was used. Research on the main energy characteristics of the compensating converter, namely the anticipatory adjustment angle a and the switching angle y showed that with small delay angles of the supply of control pulses to the transistors of the switching link, the accuracy of the analytical calculation of these angles is higher than the accuracy of circuit modeling. This is explained by the fact that the shape of the switching voltage curve, which is formed by the model, is slightly different from the theoretical one. In the main operating modes of the investigated variants of converters, the discrepancy between the results of the analytical calculation of the adjustment and commutation angles and their circuit modeling does not exceed 5%. The study of the magnitude and shape of the switching voltage proved that, with the constant load current, they can be changed by adjusting the timing of the control pulses to the transistors of the switching circuit or by changing the capacitance of the phases of the switching capacitors. For the first time, the issue of changing the efficiency indicators (Kef) of the use of a capacitor bank due to the adjustment of the moment of supply of control pulses to the transistors of the switching link was investigated. It is shown that matching the capacitance of the capacitors of the switching link and the choice of the moment of supplying the control pulses to the transistors can increase the efficiency of the use of capacitors by almost two times. The following modes of operation of the three-phase bridge compensating converter were identified, in which the power electric valves come into operation repeatedly. The reason for this is the corresponding value and shape of the switching voltage curve. The results of the work were implemented in the educational process at the National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorskyi Kyiv Polytechnic Institute" to improve lecture courses and update cycles of laboratory work from the courses "Fundamentals of Field Theory" and "Energy Efficiency of Processes in Electrotechnological Complexes" and in Department 15 "Transistor Converters" » of the Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine. Further implementation of the results of the dissertation is recommended at nonferrous metallurgy enterprises and chemical industries. | |
| dc.format.extent | 187 с. | |
| dc.identifier.citation | Шкардун, О. В. Дослідження трифазного мостового компенсаційного перетворювача : дис. … д-ра філософії : 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Шкардун Олександр Володимирович. – Київ, 2024. – 187 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/66912 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | перетворювач | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | електромагнітні процеси | |
| dc.subject | напівпровідниковий елемент | |
| dc.subject | напруга і струм | |
| dc.subject | реактивна енергія | |
| dc.subject | електромагнітна сумісність | |
| dc.subject | вищі гармоніки струму та напруги | |
| dc.subject | компенсаційний перетворювач | |
| dc.subject | алгоритм | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | ємність | |
| dc.subject | комутатор | |
| dc.subject | комутуюча напруга | |
| dc.subject | rectifier | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | electromagnetic processes | |
| dc.subject | semiconductor element | |
| dc.subject | voltage and current | |
| dc.subject | reactive energy | |
| dc.subject | electromagnetic compatibility | |
| dc.subject | higher current and voltage harmonics | |
| dc.subject | compensation rectifier | |
| dc.subject | algorithm | |
| dc.subject | mathematical modeling | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | capacitance | |
| dc.subject | commutator | |
| dc.subject | commutation voltage. | |
| dc.subject.udc | 621.314.1 | |
| dc.title | Дослідження трифазного мостового компенсаційного перетворювача | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: