CC BY
1
CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP WITH DYNAMIC LIQUID LEVEL COMPUTER K.M. Chubarov, I.A. Kosorlukov, A.V. Starikov, V.N. Kozlovsky
The article is devoted to the search for the analytical dependence of the dynamic liquid level in an oil well on the frequency and effective values ofphase and voltage at the output of a submersible pump control station. A control system for a centrifugal pump with a submersible asynchronous motor with a dynamic liquid level calculator has been proposed, which makes it possible to automatically bring an oil well to a stationary operating mode. The results of computer modeling are presented, confirming that the proposed system makes it possible to stabilize the dynamic fluid level in an oil well without the use of a specialized sensor.
Key words: submersible electric centrifugal pump, oil well, dynamic liquid level, control station, frequency converter.
Chubarov Kirill Mikhailovich, postgraduate, cool. chubarov@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical
University,
Kosorlukov Igor Andreevich, candidate of technical sciences, docent, head of department, aees@rambler. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Starikov Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, star58@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.314.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-2-345-346
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ЁМКОСТНЫМ ФИЛЬТРОМ
А.В. Фролов, П.А. Овчаренко, А.В. Васильев
В статье представлены результаты теоретического расчёта и моделирования в программе SimInTech работы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей с ёмкостным фильтром. Исследованы зависимости среднего значения и коэффициента пульсаций напряжения нагрузки от ёмкости фильтра и сопротивления нагрузки. Показано, что известные аналитические зависимости среднего значения и коэффициента пульсаций напряжения нагрузки от параметров нагрузки имеют очень ограниченную область применения и низкое значение точности аппроксимации (не более 0,6). Разработаны аппроксимирующие функции для описание вышеуказанных зависимостей с точностью аппроксимации не менее 0,999.
Ключевые слова: выпрямитель, ёмкостный фильтр, SimInTech, среднее напряжение, коэффициент пульсаций.
Исследования, изложенные в материале статьи, проводились в рамках гранта ФГБОУ ВО № ВН001/2023.
Работа источников вторичного электропитания, а также некоторых радиотехнических устройств (амплитудного демодулятора, детектора и др.) предусматривает выпрямление напряжения и его фильтрацию. В качестве амплитудных детекторов часто используются схемы однополупериодных выпрямителей с ёмкостным фильтром. В классических источниках вторичного электропитания без преобразования частоты наиболее часто применяются схемы мостовых выпрямителей. При небольших токах нагрузки и малой частоте пульсаций (до 1 кГц), вследствие технической и экономической целесообразности, наиболее часто применяются ёмкостные C-фильтры. А в импульсных прямоходовых и обратноходовых преобразователях применяются однополупериодные схемы выпрямителей.
Кроме того, в настоящее время активно развиваются автономные гибридные источники электропитания от возобновляемых источников электроэнергии, в составе которых имеются небольшие ветростанции и солнечные панели. Эти устройства нашли применение для электропитания удалённых сельскохозяйственных объектов, например, кочующих пасек, охотничьих зимовий, а также для автоматических метеостанций, точек экстренного вызова на удалённых дорогах и т.д. Недостатком таких автономных систем электропитания является сильная зависимость от погодных условий, наличия ветра и солнца, что снижает надёжность электроснабжения. Для решения этой проблемы сегодня гибридные автономные комплексы электроснабжения дополняются преобразователем энергии, работающим на основе перепада температур день-ночь [22-23]. В составе такого преобразователя имеется мостовой выпрямитель [21], работа которого в комплексе полностью не исследована, в частности, не исследованы зависимости пульсаций напряжения нагрузки от ёмкости фильтра и тока нагрузки. Вышеописанное обуславливает актуальность заявленной темы исследования.
Существующие методики расчёта работы выпрямителя с фильтром, как правило, раздельно анализируют работу выпрямителя (на холостом ходу или при работе на активную нагрузку) и работу сглаживающего фильтра. При этом считается, что фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, но не изменяет его среднего значения, так как применяемые фильтры являются пассивными элементами. То есть фактически схема выпрямителя представляется источником ЭДС заданной формы. Но выпрямитель содержит диоды, в результате чего заряд конденсаторов фильтра выполняется от выпрямителя, а разряд - через нагрузку, а не через внутреннее сопротивление выпрямителя, вопреки описанной модели с источником ЭДС. Поэтому режим работы реальной схемы выпрямителя с фильтром значительно отличается от расчётного и совпадает с ним только в случае больших токов нагрузки. Эти отличия касаются как величины среднего значения выходного напряжения, так и коэффициента его пульсаций. Так при работе однофазного мостового выпрямителя с ёмкостным фильтром на активную нагрузку его выходное напряжение значительно меняет свою форму в зависимости от тока нагрузки и от ёмкости фильтра (рис. 1) [6; 8; 10].
345
и с
Б
Рис.1. Диаграммы выходного напряжения мостового однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром при постоянных времени цепи: 1 мс (а); 500 мс (б)
Среднее значение выходного напряжения будет изменяться в пределах от — Увх до 42ивх (где Цвх - дей-
п
ствующее значение входного напряжения выпрямителя), то есть почти в два раза. Коэффициент пульсаций также может варьироваться от 0 на холостом ходу до расчётного 0,67 при больших токах нагрузки. Представленные на рис.1 диаграммы получены для ёмкости конденсатора фильтра 100 мкФ и сопротивлении нагрузки 10 Ом (при котором фильтр практически не сглаживает выходное напряжение) и 5 кОм (практически холостой ход для анализируемой схемы). При этом форма выходного напряжения становится сопоставимой с классически анализируемой лишь при достаточно низких сопротивлениях нагрузки - порядка 10 Ом.
Большинство методик расчёта режима работы мостового выпрямителя применяются при активной нагрузке. Также существуют методики расчёта выпрямителя на индуктивную нагрузку. Реже встречаются методики расчёта работы выпрямителя на чисто ёмкостную нагрузку. При этом выражения для среднего значения напряжения нагрузки и коэффициента пульсаций [2; 6; 8; 9; 10; 12; 13; 16; 17] достаточно приближённые. Часто они рассчитываются по сложным алгоритмам с помощью номограмм и только для ограниченных режимов работы [14], близких к режимам холостого хода или больших токов нагрузки. Формулы расчёта среднего напряжения нагрузки и коэффициента пульсаций напряжения нагрузки в зависимости от постоянной времени цепи активно-ёмкостной в литературных источниках нагрузки найти не удалось. Литературный поиск показывает [2; 3; 5; 6; 8; 10; 14; 15; 16; 17; 18], что при «классическом» расчёте мостового выпрямителя обычно применяются следующие формулы:
ин = ^ивх (1)
К" = 0,67 (2)
где Цн - среднее значение напряжения нагрузки, В; Цвх - действующее значение входного напряжения выпрямителя, В; Кп - коэффициент пульсаций напряжения в схеме без фильтра.
При «классическом» расчёте однополупериодного выпрямителя используются следующие формулы:
ин = (3)
п
Кп = | « 1,57 (4)
Для описания режима работы однофазного двухполупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром существует формула:
К = ^
[ СЯН >()
где/- частота напряжения сети, Гц; п - определяется типом выпрямителя (п = 1 для однополупериодного выпрямителя, п = 2 для двухполупериодного выпрямителя); С - ёмкость конденсатора фильтра, Ф; Я н - сопротивление нагрузки, Ом.
Но эта формула справедлива лишь для очень больших значений постоянной времени цепи нагрузки, когда режим работы схем практически соответствует режиму холостого хода.
Формул расчёта ёмкостного фильтра в современной литературе встречается несколько [2; 10; 15; 17] и они противоречивы. В большинстве работ приводится формула:
Кп _ 2пГ„СНИ (6)
Но встречаются и другие выражения:
Ксп _ V (.2п/пС^н)2 + 1 (7)
Кп _ ^3(4ГиСК„-1) (8)
Кс„ _ гпГсСЯн (9)
^сп "¡7"; ^ пГс,
где Кп - коэффициент пульсаций напряжения нагрузки с фильтром; & - коэффициент сглаживания пульсаций; Кпо -коэффициент пульсаций напряжения нагрузки без фильтра;/п - частота пульсаций, Гц;/с - частота сети, Гц.
Таким образом, существует проблема отсутствия достоверных методик прогнозирования среднего напряжения нагрузки и коэффициента пульсаций напряжения нагрузки при разных значениях активного сопротивления нагрузки и ёмкости сглаживающего фильтра. В связи с чем в статье приведены результаты теоретических исследований и математического моделирования работы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей с активно-ёмкостной нагрузкой.
Методика исследований. Теоретические исследования заключались в расчёте идеализированной электрической цепи выпрямителя с активно-ёмкостной нагрузкой с использованием законов электротехники. При расчётах принимались следующие допущения: нагрузка - идеальный резистор; внутреннее сопротивление выпрямителя равно нулю; диоды идеальные.
Расчёт среднего напряжения нагрузки мостового выпрямителя выполнялся по формуле:
ин.ср_
4
где Сн.ср - среднее напряжение нагрузки, В; Т - период напряжения, с; Сн(Г) - мгновенное напряжение нагрузки, В; а - момент открытия диода (аналог во временной области угла открытия диода), с. Относительное напряжение нагрузки:
ин _ V2 ^ _ ^ _ (10)
ит ивх ит' 4'
где ин - относительное напряжение нагрузки; ит - амплитуда входного напряжения выпрямителя, В; Пвх - действующее значение входного напряжения выпрямителя, В.
Расчёт коэффициента пульсаций напряжения выполнялся по формулам:
и _ и1.т
Р и
где кр - коэффициент пульсаций напряжения; и1.т - амплитуда первой гармоники, В.
Расчёт амплитуды первой гармоники выполняется с помощью преобразования Фурье:
А1_ ^£ (ина)ооз (^Р-))^
В1_% £ (ин(фт
ткТ \ \т )
4
Для проверки результатов теоретических расчётов полученные зависимости проверялись с помощью математического имитационного моделирования [1; 4; 11; 19]. Моделирование выполнялось с помощью симулятора ВМиТесИ (рис. 2).
Параметры элементов модели:
- источник входного сигнала (и) - ит _ 100 В (для того, чтобы можно было пренебречь падением напряжения на диодах по сравнению с входным напряжением);
- диод - с характеристиками диода Ш4004;
- сопротивление нагрузки R _ 200 Ом;
- ёмкость фильтра С _ 10 мкФ ... 0,1Ф .
Параметры расчёта: кт1п _ 5 • 10-6; ктах _ 10-4; БЬаНзЬер _ 0; [ШтеЬ _ ЯК45; БЬагШте _ 0; епйНте _ 109; ге1егг _ 10-4; аЬБегг _ 10-6; Ит_ге1_еггог _ 10-12; БупзЬер _ 10-4.
Для оценки точности предложенных аппроксимирующих функций применялся коэффициент детерминации:
Я2 _ 1 - ^ ББ^ _ £1(У1 - К)2; К _ ^ 5Бге5 _ £1{У1 - Уа(Х1))2
где Я2 - коэффициент детерминации; ¥ - экспериментальное значение функции при аргументе X; к - количество измерений; ¥а(Х) - значение аппроксимирующей функции.
При расчёте коэффициента детерминации использовалось к=100 измерений во всём анализируемом интервале - 0,01 <-< 100.
т
Для получения универсальных зависимостей среднего напряжения нагрузки и коэффициента пульсаций от характера нагрузки (которые можно распространить на цепи с разными амплитудами и частотами входных напряжений) все расчёты и результаты экспериментальных исследований приводились к относительным значениям - относительному напряжению нагрузки (см. формулу (10)) и отношению постоянной времени цепи нагрузки к периоду входного напряжения:
t_CRh_ = ^ = CRiifc
I г^п- j ¿h—
Щ—I
FT>outport_l '-*
H ¿¡¡s I
11 11
2\ Il
ZgO
isg-os ± Гк"
"(khj
fê i
- h
Pue. 2. Модели исследуемых схем однополупериодного (а) и двухполупериодного (б) выпрямителей
в программе SimInTech
Результаты исследований. Выходное напряжение исследуемой схемы (рис. 3) условно делится на: заряд конденсатора от сети через выпрямитель, и его разряд через сопротивление нагрузки.
Заряд конденсатора описывается выражением:
Ui(t) = \Umsrn(2nfct)\ (11)
где Ui(t) - выходное напряжение выпрямителя без фильтра, В.
Разряд конденсатора описывается выражением:
t-a t-a
U2(t) = U1(a)e-~ = Um sm(2nfa)e ~ (12)
t = CRH
где U2(t) - выходное напряжение схемы во время разряда конденсатора, В; а - момент времени начала разряда конденсатора (аналог угла отключения диода, но во временной области), с; т - постоянная времени цепи, с; C - ёмкость конденсатора, Ф; Ян - сопротивление нагрузки, Ом.
Разряд конденсатора происходит при закрытом диоде выпрямителя - в случае: U2(t) > U1(t). Поэтому точка коммутации «A» (угол коммутации) соответствует моменту времени (а), начиная с которого будет выполняться указанное неравенство.
10
и, В
о
Ul(t) / \ А V Л'
/ |\ / 1 У\ / ! \\и2ш j \ \\
/ ! \Ч/ \\ \ \ \ \ \
/В' 1 i \ л в 11 \ \ \ \
1 I 1 ! \ ! * ! 1 '' ! \ » \
о
0,005 О.
0,01 Р
0,015
0,02
t, с
Рис. 3. Выходное напряжение однофазного мостового выпрямителя с ёмкостным фильтром
, т
= - монс
йЬ1(Ь)
т т
Уравнение (11) на интервале - <t<-монотонно убывает, при повышении скорости убывания:
dt
■ = -Um2nfcos(2nft)
Функция (12) на указанном интервале времени монотонно убывает, но со снижением скорости:
аи2 (Ь) ит
--—— = — Бт(2п/а)е г
Точка коммутации соответствует моменту времени (а), в котором равны как указанные функции, так и их производные:
а
б
и^а) _ и2(а)
ли1(а) _ (Ш2(0) ц а-а гЛз.(-ыт)+ж
м _ м ; итшсоБ(ша) _ —- зт(й>а)е г ; а _ —-; ы _2п[с
т . ,т т ы
-<а<-
42
т т т
Точка коммутации «В» соответствует точке пересечения функций и(С) и №(Г) на интервале - <Ь < - + -
Т 5Т
для мостовой схемы и на интервале -<Ь< — для однополупериодной схемы. Точка коммутации для мостового выпрямителя находится из решения следующего уравнения:
р-а
|Утзт(й>уб)| _ итзт(й»а)е г Р - а -Б\п(шР)
т зт(й>а)
Т 3Т -<В < — ~ 4
Точка коммутации однополупериодного выпрямителя находится из решения уравнения:
р-а
итБ1п(шР) _ итБ1п(ша)е г Р — а Бт(а>р)
т зт(й>а)
Т 5Т -<В < — 2 - 4
Эти уравнения аналитически не разрешимы, поэтому применим численные методы.
Таким образом, напряжение нагрузки мостового выпрямителя описывается следующим образом:
и ()_ ¡и1(Ъпри и^) >и2(1)
и"(1) [ЪЮ,при и^х и-(г)
т
а <1<а+2
( т „ лл _ 11и™^п^)!, при р- - < £ < а
I *--а
\ит зт(й»а)е- т , при а <Ь < р
atg(—шт) + п
а _-
ш
Для однополупериодного выпрямителя:
и ()_ [и1(*)'при и1(*) >"-(г)
и"(1) [Ц-Ю,при и^)< и-(г) а<Ь<а+Т
Сравнение полученных зависимостей с известными формулами (1), (3) и (5) показывает, что формулы (1) и (3) справедливы лишь для малых значений постоянной времени цепи - - < 0,03, а формула (5) описывает исследуемые процессы при - > 100. Для диапазона 0,03Т < т < 100Т аналитических зависимостей в литературе найти не удалось, хотя, именно в этом интервале работает большое количество реальных схем.
Для определения зависимости напряжения нагрузки от параметров нагрузки авторами выведена эмпирическая зависимость вида:
у(х) _ а (1 - п. ) (13)
При значении х ^ 0 у(х) ^ при значении х ^ от у(х) ^ а. Для исследуемой зависимости напряжения нагрузки мостового выпрямителя справедливо следующее:
ин(0)_ ^ ин(от)_ VI.
Поэтому для выбранной аппроксимирующей функции а _ —2; Ь _ _ -. В результате получим следующую эмпирическую зависимость:
п 1
/Т\ —I ~- 1
и,
■4) _ -1-2 (1 -
2
Коэффициенты «и» и «с» подберём методом последовательного приближения таким образом, чтобы максимизировать точность аппроксимации (коэффициент детерминации). В результате получена следующая зависимость (рис. 4) с точностью аппроксимации Я2 _ 0,999:
ин(-) _ V2 ¡1--, ~-1 | (14)
Аналогично получим аппроксимирующую зависимость для однополупериодного выпрямителя с точностью аппроксимации Я2 _ 0,999:
о _ ^ {1 ) (15)
Щт)
135 13
125
Ш(т> 1г
105 1
095 0.9
Т б
✓ 3
У
/
1''
/
->
А У
м! 4
Рис. 4. Теоретически рассчитанная (1), эмпирическая (2) и экспериментальная (3) зависимости относительного напряжения нагрузки от постоянной времени цепи однополупериодного (а) и мостового (б) выпрямителей с ёмкостным фильтром
Проверка результатов расчётов выполнялась в программе БМпТесН. Из рис.4 следует, что расчётные диаграммы, полученная аппроксимирующая функция и результаты модельного эксперимента практически совпадают за исключением меньшего значения напряжения нагрузки на величину падения напряжения на диодах.
Сравнение результатов расчётов зависимости коэффициента пульсаций напряжения нагрузки от постоянной времени цепи с известными формулами (2), (4), (6) - (9) показывает, что формулы (2) и (4) применимы только для случая больших токов или при отсутствии фильтра. Формулы (6), (8), (9) могут применяться при т > 10Т. Формула (7) может использоваться во всём диапазоне г, но её точность достаточно низкая - Я2 =0,62.
Для получения более точной зависимости коэффициента пульсаций от постоянной времени цепи для мостового выпрямителя была использована зависимость вида (13), с учётом следующего:
Кп(0) = 3; КпЫ = 0.
Поэтому зависимость (13) модифицируется до следующего вида:
^ = п1,
Лс Э +1
Коэффициенты «п» и «с» подберём методом последовательного приближения таким образом, чтобы максимизировать точность аппроксимации (коэффициент детерминации). В результате получена следующая зависимость (рис. 5) с точностью аппроксимации Я2 > 0,999:
^ = 1 2
4,6±) +1
(16)
Аналогично для однополупериодного выпрямителя получим с точностью аппроксимации Я2 > 0,999:
КП^) = 1351, (17)
4,6±) +1
Проверка результатов расчётов также выполнялась в программе БМпТесЪ. Из рис.5 следует, что расчётные диаграммы, полученная аппроксимирующая функция и результаты модельного эксперимента совпадают с точностью более 99,9%.
а
16
1J2 144 1.36 1.2S 1.2 1.12 1.04
Кр(т) 0.96 0.SS 0.S 0.72 0.64 0 56 0.4S
04 0.32 024 0.16 0.0S
8.
т б
0.7 0.65 0.« 055
05 045
К*Т= 0.4 035 0.3 0.25 0.2 015 0.1 0.05
S.01 0.1 1 10 100
т Т
Рис. 5. Теоретическая (1), эмпирическая (2) и экспериментальная (3) зависимости коэффициента пульсаций напряжения нагрузки от постоянной времени цепи однополупериодного (а) и мостового (б) выпрямителей
с ёмкостным фильтром
Заключение.
1. Среднее напряжение нагрузки и коэффициент пульсаций напряжения нагрузки значительно зависят от постоянной времени цепи нагрузки выпрямителя с ёмкостным фильтром. Наибольшие изменения указанных показателей происходят в диапазоне 0,01Т < т < 10Т.
2. Аналитический расчёт зависимостей среднего значения напряжения нагрузки и коэффициента пульсаций от ёмкости фильтра представляется сложной задачей. Приводимые в литературе эмпирические формулы указанных зависимостей имеют очень низкую точность аппроксимации и применимы лишь для условий работы схемы, близких либо к холостому ходу, либо к короткому замыканию. Это обуславливает непригодность существующих формул для расчёта значительного количества реальных выпрямителей с ёмкостным фильтром.
3. Полученные эмпирические зависимости среднего напряжения нагрузки (14), (15) и коэффициента пульсаций напряжения нагрузки (16), (17) от постоянной времени цепи с точностью аппроксимации не менее 0,999 могут быть применены для расчёта цепей однополупериодных и двухполупериодных однофазных выпрямителей с ёмкостным фильтром с любыми значениями постоянной времени цепи.
4. Использование в полученных формулах вместо постоянной времени цепи (г) относительного значения этого параметра (^ ) позволяет применять указанные формулы для расчёта цепей с разной частотой сети.
Список литературы
1. Ахрамович С.А. Использование среды динамического моделирования технических систем SimInTech в задачах полунатурного моделирования / С. А. Ахрамович, А. В. Сычев, А. М. Колпаков, Е. А. Пономарев // Системный анализ, управление и навигация : Тезисы докладов, Евпатория, 30 июня - 07 2019 года. - Евпатория: Издательство МАИ-Принт, 2019. - С. 71-73. - EDN LPOEUN.
2. Бладыко Ю. В. Сглаживающие фильтры // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2010. № 2. С. 36-40. EDN SWKDUV.
3. Богданович Б., Ваксер Э. Краткий радиотехнический справочник. Минск: Беларусь, 1968. 560 с.
351
4. Болдырев В.В. Разработка интеллектуального модуля управления автоматизированной автономной системой энергообеспечения / В. В. Болдырев, М. А. Горькавый // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2020. № 3(43). С. 9-18. EDN HMGNWQ.
5. Борисов П.А. Расчет и моделирование выпрямителей Учебное пособие по курсу. Элементы систем автоматики : учебное пособие / П. А. Борисов, В. С. Томасов. Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, Часть I, 2009. 169 с.
6. Бурков А.Т. Электроника и преобразовательная техника. Т. 2: Электронная преобразовательная техника: Учебник. Москва: УМЦ ЖДТ, 2015. 307 с.
7. Воронцов И.Н. Моделирование в SIMINTECH устройств силовой электроники / И. Н. Воронцов, И. С. Ситников // Материалы 76-й студенческой научной конференции, Брянск, 25 марта 2021 года. Брянск: Брянский государственный технический университет, 2021. С. 597-598. EDN LDYHFM.
8. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет / Е.Н. Гейтенко. -Москва: СОЛОН-ПРЕСС, 2016. 448 с.
9. Егоров В.А. Микроконтроллерная система управления автономным инвертором с упрощённой пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией / В. А. Егоров, Ю. Г. Егорова, Е. В. Плотников // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2020. № 3(43). С. 36-42. EDN HHYVDE.
10. Ефимов И.П. Источники питания РЭА: Учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2002. 136 с.
11. Иванов С.Н. Анализ электромеханических систем методами имитационного моделирования / С. Н. Иванов, К. К. Ким, А. А. Просолович, М. И. Хисматулин // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2021. № 3(51). С. 29-38. DOI 10.17084/20764359-2021-51-29. EDN CLTWBH.
12. Иванов С.Н. Теоретические основы математического моделирования процессов преобразования мощности в совмещенных энергетических устройствах / С.Н. Иванов, К.К. Ким, О.В. Приходченко, А.А. Просолович // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2020. Т. 1, № 1(41). С. 3744. EDN AKBSNQ.
13. Климаш В.С. Разработка конденсаторных установок и способа регулирования реактивной мощности в системах промышленного электроснабжения / В. С. Климаш, Б. Д. Табаров // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2022. № 1(57). С. 7-14. DOI 10.17084/20764359-2022-57-7. EDN SLMLUK.
14. Коновалов Б.И. Основы преобразовательной техники : учебно-методическое пособие / Б. И. Коновалов, В. С. Мишуров, В. Д. Семенов. Москва: ТУСУР, 2006. 97 с.
15. Ллойд П. Справочник по полупроводниковой электронике: справочное издание. М.: Машиностроение, 1975. 508 с.
16. Петров А. Трансформаторы, выпрямители, фильтры. [Электронный ресурс] URL: https://www.radioradar.net/hand book/documentation/tran.html#5 (дата обращения: 22.02.2024).
17. Романов В.П. Электропитание средств вычислительной техники: Учебно-методический комплекс. Новокузнецк: ФГОУ СПО «Кузнецкий индустриальный техникум», 2008. 94 с.
18. Сажнев А.М., Рогулина Л.Г. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Сборник примеров и задач: учебное пособие. Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2012. 267 с.
19. Сочелев А.Ф. Математическая модель регулятора переменного напряжения с вольтодобавочным каналом // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2019. Т. 1, № 3(39). С. 27-37. EDN GPKIZN.
20. Фролов А.В. Исследование особенностей работы однополупериодного выпрямителя на ёмкостную нагрузку / А. В. Фролов, Н. Ю. Грунина // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2022. Т. 25, № 4. С. 134-139. DOI 10.21293/1818-0442-2022-25-4-134-139. EDN YFUBPX.
21. Челухин В.А. Оценка эффективности использования перепада температур день-ночь для целей энергетики / В. А. Челухин, Е. В. Абрамсон, М. С. Кружаев // Промышленная энергетика. 2018. № 6. С. 45-49. EDN XUSBKP.
22.Челухин В.А. Преобразователь энергии суточного перепада температур для электроснабжения удаленных сельскохозяйственных объектов / В. А. Челухин, А. В. Васильев, Е. В. Абрамсон [и др.] // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2022. Т. 69, № 2(47). С. 54-58. DOI 10.22314/2658-4859-2022-69-2-54-58. EDN SDGETD.
23. Челухин В. А. Электротепловой преобразователь низкопотенциальной энергии перепада температур / В. А. Челухин, Е. В. Абрамсон // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2014. № 4(35). С. 93-98. EDN TEQRGR.
Фролов Алексей Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, Afrolov.kms@mail. ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
Овчаренко Пётр Алексеевич, студент, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
Васильев Александр Владимирович, аспирант, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Ком-сомольский-на-Амуре государственный университет
SINGLE-PHASE RECTIFIERS WITH A CAPACITIVE FILTER OPERATION FEATURES A.V. Frolov, P.A. Ovcharenko, A. V. Vasilev
The article presents the results of theoretical calculations and SimInTech modeling of the half-wave and full-wave rectifiers with a capacitive filter. The average value and load voltage ripple factor dependences on the filter capacitance and load resistance were studied. It is shown that the known analytical dependences have a very limited application
352
area and a low value of approximation accuracy (no more than 0,6). Approximating functions have been developed to describe the above dependencies with an approximation accuracy of at least 0,999.
Key words: Rectifier, capacitive filter, SimlnTech, average load voltage, ripple factor.
Frolov Aleksei Valerevich, candidate of technical sciences, docent, Afrolov.kms@mail. ru, Russia, Komsomolskon-Amur, Komsomolsk-na-Amure State University,
Ovcharenko Petr Alekseevich, student, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-na-Amure State University,
Vasilev Aleksandr Vladimirovich, postgraduate, astrgan@gmail. com, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-na-Amure State University
УДК 621.314.57; 629.33.03-83
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-353-354
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ СОВМЕЩЕННОЙ ТОПОЛОГИИ ТЯГОВОГО ИНВЕРТОРА
И УСТРОЙСТВА УСКОРЕННОГО ЗАРЯДА
А.Г. Грищенко, К.М. Сидоров, Б.Н. Сидоров, В.Н. Козловский
Развитие перспективных транспортных средств с электрическим приводом - электромобилей и подключаемых гибридных автомобилей - неразрывно связано с развитием зарядной инфраструктуры. Мощные трехфазные сети доступны уже сегодня там, где станции ускоренного заряда появятся еще не скоро или не появятся вовсе. В этой связи актуальным является расширение базовых функций тяговых инверторов. Объединение задач управления электрической машиной и заряда тяговой батареи при максимальной мощности, но с использованием общей элементной базы, может явиться экономически эффективным решением указанной проблемы. В настоящей работе представлены результаты практической реализации подобного технического решения в тяговом преобразователе напряжения с интегрированным зарядным устройством.
Ключевые слова: преобразователь напряжения, инвертор, зарядное устройство, интеграция, электромобиль.
Система тягового электрооборудования транспортных средств с электрическим приводом, как правило, включает комплекс отдельных преобразователей напряжения, в том числе тяговый инвертор для управления электрической машиной и бортовое устройство для заряда тягового источника тока. Данные компоненты имеют своё функциональное предназначение и являются автономными. В отличие от тягового преобразователя напряжения (инвертора), бортовое зарядное устройство в режимах движения и остановок транспортного средства при эксплуатации не используется и является узлом, фактически бесполезно загружающим транспортное средство. Кроме того, мощность таких зарядных устройств не обеспечивает быстрого заряда тяговых источников тока, что снижает эксплуатационные показатели электромобилей и затрудняет использование последних для поездок на значительные расстояния. Указанные обстоятельства обуславливают, с одной стороны, актуальность вопросов улучшения массогабарит-ных показателей системы тягового и энергетического электрооборудования, повышения энергетической эффективности и эксплуатационных показателей электрических транспортных средств, с другой - повышают требования к зарядной инфраструктуре, доступность и уровень которой ограничены. Решение указанных проблем может быть осуществлено за счет оптимизации системы тягового электрооборудования и реализации многофункциональных схемных решений [1 - 5]. В настоящей работе представлены технические решения по объединению функций управления тяговым электродвигателем переменного тока и заряда бортовой высоковольтной батареи транспортного средства с использованием единой элементной базы и общей силовой цепи, описана конструкция тягового преобразователя напряжения с интегрированным зарядным устройством (ТПН с ИЗУ) [6 - 8].
Схемное исполнение и принцип действия ТПН с ИЗУ. Сущность технического решения для последующей практической реализации отражает представленная на рис. 1 принципиальная электрическая схема ТПН с ИЗУ [6 - 8].
Тяговый преобразователь напряжения с интегрированным зарядным устройством содержит:
- зарядный преобразователь, реализованный с использованием транзисторно-диодного модуля (Т7, Б7, Б8) и фильтра Ь1-С1;
- шестиключевой (Т1 -Т6) автономный инвертор напряжения;
- коммутационное переключающее устройство (81-83);
- блок управления.
Коммутационное переключающее устройство содержит три силовых переключающих контакта. В зависимости от режима работы ТПН с ИЗУ контакты 81-83 обеспечивают электрическое подключение фаз А1, В1, С1 тяговой электрической машины М1 или фаз А2, В2, С2 внешнего трехфазного источника переменного тока к силовым фазным выводам А0, В0, С0 инвертора.
ТПН с ИЗУ содержит силовой вывод минусовой шины постоянного тока инвертора БС2 для возможности подключения к внешнему источнику постоянного тока с целью заряда тяговой аккумуляторной батареи. В этом случае фазные выводы А2, В2, С2 коммутационного переключающего устройства объединяются в одну общую точку и подключаются к положительному полюсу источника постоянного тока [7]. Электрические схемы коммутационного устройства ТПН с ИЗУ для использования с внешним источником переменного и постоянного тока представлены на рис. 2.
