CC BY
33
Ларин Е.В. Михайлюк Д. Л. Феоктистов Н.А. ИГУПИТ (Москва) Ходжаев В.Д. НИИТП (Москва)
Исследования режимов и электромагнитной совместимости аппаратов на базе электролизно-водных генераторов большой мощности
Исследование и разработка аппаратов на базе электролизно-водных генераторов (ЭВГ) ограничивается малыми мощностями (до 1-2 кВт) и в основном их применение ограничивается в быту и при ремонте изделий народного потребления: ремонт ювелирных изделий зубопротезное производство и т.д. [1]. Однако, учитывая экологичность и экономичность ЭВГ, применение аппаратов на базе ЭВГ в автосервисе, жилищно-коммунальном хозяйстве, ремонте холодильной и другой аппаратуры, требует увеличения мощности и производительности [1, 2, 3]. В этом случае целесообразно использование трехфазной сети и трехфазных систем управления. Электромагнитные процессы в схемах выпрямления от трехфазной сети зависят от применяемой схемы управления и эквивалентной схемы электролизера. При общем подходе к анализу т-фазной схемы и принятой эквивалентной схеме электролизера (Е0, Яэ) (рис.1) получены основные соотношения для расчета электрических параметров.
Среднее значение тока электролизера
т +о т +о^7П и т
= т 01 эdJ=т I ^-ЧообЯ- €ОБв)й# = ^ • ~(1%в - в) (1)
2р -о 2 р-о г г р
где т - фазность схемы выпрямления; в = —г=^— угол отсечки; V2и7 -
л/ 2и 2
амплитуда выходного напряжения; иё = Е0 - противоэдс; г - эквивалентное внутреннее сопротивление вентилей и обмоток.
Среднее значение тока через вентиль I
йэ
в .ср.
а)
Ео
и3
т
► и
б)
УБ1
V У ™ V _ V
УБ2
УБ3
"УБ4
V
УБш
1йэ
Яэ
О
Рис. 1. Вольтамперная характеристика электролизера и многофазная схема выпрямления при
работе на электролизер.
Из выражения (1) можем определить
гл1й _ гл1й ГР
(80-0
т ий тЕ0 тЯэ
Разлагая переменную составляющую напряжения по отношению к
периоду повторяемости т в ряд, получаем, что гармоническая первой
кратности по отношению к периоду повторяемости является т-ой гармоникой по отношению к 2п. При этом к-тая гармоника уложится по отношению к периоду повторяемости в кт-раз, т.е. частота этой гармоники равна ^к = кт .
Гармонические наиболее полно представлены, если энергия, накопленная в электролизере (как эквивалентной емкости) достаточна для непрерывного тока нагрузки. В этом случае амплитуда п-ой гармоники (п = кт):
e=p
m m i— 2U.
Umn =— J 42U2cosJcosmtidJ=—^ (2)
mn ~ j - 2 2 7
2p в=_p n -1
Из последнего выражения определим коэффициент пульсаций или
U„_ 2
отношение
Ud (km)2 — 1
Из полученного выражения следует, что при трехфазной сети для шестифазных схем отношения амплитуд k-тых гармоник к постоянной составляющей равны:
k 1 2 3
U
mn
Ц- 0,05 0,014 0,06.
d
Частота основной гармоники в этом случае при fc=50 Гц равно 300 Гц.
Если энергия, накопленная в электролизере (как эквивалентной емкости мала, то ток электролизера становится прерывистым и каждая фаза работает через вентиль независимо от других фаз.
Амплитуда m-ной высшей гармонической
тт m +0 (V2U2(cosJ — cosd) 7 п1 . Ud 2\smkwd cos в — kmcoskwdsmd\
Umn =— J -----coskmvdv = —-г-2-T-=
2p —o kmwcr kmwcr p[(kw) — 1\cose (3)
= Udf(6) rc kwm
Режим работы схемы при различных в зависит от соотношения встречной эдс Е0 и среднего значения выпрямленного напряжения Ud. Если эквивалентная схема электролизера представлена как Е0 и Яэ, то при E0>Ud ток электролизера будет прерывистый, а при E0<Ud ток электролизера не прерывистый. Как уже отмечено, управление или стабилизацию давления в ЭВГ целесообразно производить полупроводниковыми элементами: транзисторами, тиристорами, симисторами, двухоперационными тиристорами, модульными элементами и т.д. [2]. Как известно, с наименьшими потерями электроэнергии можно управлять параметрами электролизера тиристорами или симисторами [2, 3].
m
Сравнение трехфазных вариантов управляемых выпрямителей показывает, что при высоких напряжениях (>100 В) целесообразно применение мостовой схемы, а при больших токах и низких напряжениях (<50^100 В) целесообразно применение кольцевой схемы [4]. Несмотря на некоторые недостатки включения управляемых элементов на стороне переменного тока или на первичной стороне трансформатора при его применении для согласования параметров электролизера и сети, это включение позволяет совместить функции регулирования, коммутации и защиты ЭВГ одними и теми же элементами.
При включении шести тиристоров анализ электромагнитных процессов произведен достаточно подробно [5]. Представляет интерес практическая реализация схемы с неполным числом тиристоров или тремя тиристорами (рис.2, а).
Рис.2 - Схема (а) и линейные диаграммы токов и напряжений мостовой схемы и неполным числом тиристоров (б).
При регулировании тремя тиристорами система управления и линейные диаграммы токов и напряжений приведены на рис.2, б.
Мгновенное значение тока через электролизер имеет следующие составляющие:
I =
иав - Ео
13 =
К
и ас - Е0
К
и, - Е
вс о
14 =
К
и.„ - Е
ва о
К
и а - Ео
К
исв - Ео
Я
р
а<у<- + в; 6
р-в<у<р+в 2 2
— + а<у<-р + в; 3 6
7 7
-р-в<у<-р + в; 66
2
р + а<у <—р + в;
3
—р-в<у< —р + в. 66
(4)
Ток фазы
р
1 6 12,Р-в<$<Р + в;
2
2
14,7р-в<^< 7р + в; 4 6 6
3р
¡,,р + а<$<— + в. 5 2
(5)
2
5
6
а
Ток через тиристор
1УТ 1а
Р
1 6 1?,Р-в<$<Р + в.
(6)
2
2
Среднее значение тока через тиристор в относительных единицах: 2р
I
т1ср
( и л 1т1ср
V КЭ ;
р р
Эбш в + соБ(а + —) - (— + 3в - а) соб в. 3 6
(7)
Действующее значение тока через тиристор в относительных единицах:
" =1
2л
с/1 -г —>/1 ят(2а-\--) , / \
л 30 7ят20 а [ зу .л. 1 2 Л л „„] (<ц\
— + — +---+----соя0соя(а + —) + — соя2 0\--а + 30 I • (8)
24 4 8 4 8 3 2 I 6 I
Действующее значение тока фазы
1а // + 12 + 142 + 15 :
л „ л „ 7л „ 3л „
—■+0 —+0 —+0 —+0
1 6 1 6 1 6 12 — Г /'2й?п +— Г /22й?п +— Г/42ёп +— Г¡5-
2л а 1 2л л_0 2 2л л; 2л лГа (9)
-V2(/2 +122) -42412 +12 •
Тиристорные системы управления ЭВГ имеют высокие энергетические показатели, надежность, быстродействие, позволяют функции регулирования, коммутации и защиты обеспечить одними и теми же элементами-тиристорами. Однако, наряду с достоинствами они имеют и существенный недостаток -являются источником радиопомех, которые при определенных частотах могут достигать значительного уровня [1]. Выполнение требований «Общесоюзных норм допустимых индустриальных радиопомех» приводит к необходимости теоретического и экспериментального исследования уровней радиопомех тиристорных систем электропитания и управления ЭВГ и целесообразности введения их в схемотехнических решения помехоподавляющих устройств или применения определенных законов управления тиристорами. Общепризнанным является сложность анализа факторов, влияющих на уровень радиопомех и обеспечение помехоподавления на широком диапазоне частот. Ввиду импульсного характера токов и напряжений в эксплуатационных режимаз ЭВГ, а также паразитных индуктивностей и емкостей монтажа указанные системы можно рассматривать как колебательные. Наиболее целесообразно тиристорную систему при регулировании на стороне переменного тока рассматривать по отношению к сети как источник несинусоидального напряжения и тока.
Как показатели предварительные экспериментальные результаты измерений радиопомех и исследования, проведенные в [1], наибольший уровень радиопомех наблюдается при углах а = 75-90 эл.град. По этой причине
проведены экспериментальные исследования при а = 90°. Теоретически совокупность гармоник в полосе пропускания определяется по формуле:
и п =л I' ? и 2
=Гн
где и I = а2к + Ь1~ амплитуда к-той гармоники, ак, Ьк - амплитуды косинусоидальной и синусоидальной составляющих, /в и /н - высшая и низшая частота в полосе пропускания измерителя помех.
Общесоюзными нормами принято считать измерение поля помех и напряжения помех. В первом случае измерения производятся специальным измерителем с антенной при питании от автономного источника энергии. ВО втором случае измерение ведется измерителем помехи. Методика измерений рассмотрена в [3]. В качестве измерителя использован прибор первого класса Т-8МУ-6,1. Помехи сетевые при проведении измерений не превышали 10. При отсутствии помехоподавляющих устройств для трехфазной мостовой схемы при включении тиристоров на первичной стороне результаты измерений сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Уровень радиопомех
Фазы МГц 0,15 0,25 0,5 1 1,5 3 6 10
А дБ 108 100 99 98 95 85 60 54
В дБ 106 100 100 103 95 83 58 45
С дБ 106 101 101 95 94 83 63 45
На рис.3 представлены зависимости расчетных и экспериментальных характеристик для исследуемой схемы, которые позволяют сопоставить их и показать превышение над требованиями. С целью снижения уровня радиопомех проведена серия экспериментов с емкостными фильтрами (Приложение ), которые показали, что снижение уровня
Анализ экспериментальных характеристик показывает, что наиболее эффективно включение емкостных фильтров между фазами. Наиболее трудно
подавляемыми частотами для емкостных фильтров являются частоты / = 0,5^3 МГц, и на практике защита от помех в этом диапазоне не обеспечивается.
Известно, что на уровень радиопомех влияет крутизна переднего фронта напряжения на тиристорах и в отдельных случаях параметры ЯС-цепочек включенные для защиты тиристоров от перенапряжений.
С целью повышения эффективности емкостных фильтров был проведен ряд экспериментов, в которых для повышения эффективности использовались
дополнительные типовых безвитковые дроссели для защиты от & .
и^гЬ
130 -120 ПО "" 100 90 "" 80 70 60 50
ОД5 0:25 0:5 1 1,5 3 6 10
I
Рис. 3 Уровень радиопомех в мостовой схеме с регулированием тиристорами на стороне переменного тока: 1 - допустимые нормы; 2 - расчетные; 3 - экспериментальные.
Основным достоинством ЬС-фильтров является эффективность подавления радиопомех. Как показали исследования, требуемое подавление помех может быть обеспечено однозвенным П-образным ЬС-фильтром (рис.4, а) или однозвенным Г-образным ЬС-фильтром (рис.4, б) с электрическими параметрами Ь - 20 мкГ, С = 2 мкФ.
ХЖл
Для проверки справедливости полученных результатов были собраны П-образный и Г-образный ЬС-фильтры с этими параметрами. Индуктивность была выполнена как воздушный дроссель из медной шины 4 х 40, конденсаторы типа МЗГЧ и Н-75-П. Результаты подавления радиопомех П-образным и Г-образным ЬС-фильтрами с расчетными параметрами приведены в таблицах 2, 3 и изображены на рис.5, 6. Анализ результатов экспериментов показывает, что Г-образный фильтр более эффективен на частотах 1 МГц, однако не обеспечивает запаса в начале защищаемого диапазона (0,15 МГц). П-образный фильтр обеспечивает запас в 10 Дб на всей шкале частот защищаемого диапазона. Его использование для подавления радиопомех позволит обеспечить выполнение «Общесоюзных норм допустимых индустриальных радиопомех» и при разбросе параметров агрегатов, влияющих на уровень радиопомех.
ГУ~У~\__
Рис. 4. Эквивалентная
схема замещения тиристорной системы регулирования, как источника радиопомех с П-образным (а) и Г-образным (б) ЬС-фильтром
Таблица 2
В каждой фазе включен П-образный ЬС- фильтр С = 2 мкФ, Ь = 20 мкГ
Уровень радиопомех
Фазы МГц 0,15 0,25 0,5 1 1,5 3 6 10
А дБ 67 52 51 46 50 49 32 25
В дБ 69 56 59 60 60 56 44 26
С дБ 72 62 63 55 64 59 46 26
В каждой фазе включен Г-образный фильтр С = 2 мкФ, L = 20 мкГ
Уровень радиопомех
Фазы МГц 0,15 0,25 0,5 1 1,5 3 6 10
А дБ 81 59 68 57 55 52 25 23
В дБ 82 62 61 63 59 52 26 21
С дБ 82 63 63 65 55 55 25 22
Рис. 5. Уровень радиопомех. Г-образный ^-фильтр С = 2 мкФ L = 20 мкГ.
Рис. 6. Уровень радиопомех. П-образный LC-фильтр С = 2 мкФ L = 20 мкГ.
Список литературы:
1. Феоктистов Н.А. Научные основы создания ЭВГ для сварки и пайки // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2001. № 1. С.56-59.
2. Варламов И.В., Феоктистов Н.А., Теодорович Н.Н. Электролизно-водные генераторы кислородно-водородной смеси в технологии пайки и сварки // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2001. № 1. С.60-63.
3. Феоктистов Н.А. Тиристорные устройства управления и защиты бытовых аппаратов и электротехнологических установок.- М.: МГУс, 1996.- 222 с.
4. Закс М.И. Сварочные выпрямители. Л.: Энергоатомиздат, 1983. -96 с.
5. Режимы работы электронных систем управления электролизно-водным генератором большой мощности / Д.А. Михайлюк, Е.В. Ларин, Н.А. Феоктистов и др. // Сб. научн. статей «Инновационные технологии», вып.2.- М.: ИГУПИТ, РосНОУ, 2009. С. 20-30.
