Бойко, Валерій СтепановичШкардун, Олександр Володимирович2024-05-272024-05-272024Шкардун, О. В. Дослідження трифазного мостового компенсаційного перетворювача : дис. … д-ра філософії : 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Шкардун Олександр Володимирович. – Київ, 2024. – 187 с.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/66912Шкардун 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.187 с.ukперетворюваченергоефективністьелектромагнітні процесинапівпровідниковий елементнапруга і струмреактивна енергіяелектромагнітна сумісністьвищі гармоніки струму та напругикомпенсаційний перетворювачалгоритмматематичне моделюваннямоделюванняємністькомутаторкомутуюча напругаrectifierenergy efficiencyelectromagnetic processessemiconductor elementvoltage and currentreactive energyelectromagnetic compatibilityhigher current and voltage harmonicscompensation rectifieralgorithmmathematical modelingmodelingcapacitancecommutatorcommutation voltage.Thesis Doctoral621.314.1