CC BY
7
Key words: ferromagnetic materials, skin effect, Bessel equation.
Filonovich Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, filon8@yandex. ru, Russia, Kursk, South-West State University,
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, docent, vornairina2008@yandex. ru, Russia, Kursk, South-West State University,
Chuichenko Artem Andreevich, docent, chuichenkoaa@mail.ru, Russia, Kursk, South-West State
University,
Stepanova Victoria Valeryevna, lecturer, Stepanova.viktor@mail.ru, Russia, Kursk, South-West State University,
Voinash Sergey Alexandrovich, leading engineer of the research laboratory "Intellectual Mobility" of the Institute of Design and Spatial Arts, sergey_yoi@mail.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sokolova Victoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolova_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, r.r.zagidullin@mail.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sabitov Linar Salikhzanovich, doctor of technical sciences, docent, l.sabitov@bk.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University, Kazan State Power Engineering University
УДК 621.314.63
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-528-533
ПОДХОД К СИНТЕЗУ И РЕАЛИЗАЦИИ ТРЕХФАЗНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
А.В. Новаков, В.Е. Дубальский, В.В. Гладков
В статье предлагается подход к формированию структуры с последующим составлением схемы управляемого трехфазного мостового выпрямителя. Предлагаемая структура выпрямителя состоит из силовой части, выходного фильтра, блока питания, тиристорного драйвера, формирователя импульса сброса, генератора линейно изменяющихся напряжений и узла сравнения. Рассматриваемый вариант реализации предназначен для работы с трехфазной сетью частотой 50 Гц и линейным напряжением 80 Вольт. Выпрямитель управляется аналоговым сигналом, на выходе получаем среднее значение выпрямленного напряжения, сглаженное фильтром. Угол запаздывания управляющего напряжения лежит в диапазоне от 30, до 210 градусов.
Ключевые слова: трехфазный выпрямитель, система управления, тиристор.
Схемы управляемых выпрямителей (УВ) на тиристорах дают возможность изменять выпрямленное напряжение в широких пределах. А системы управления позволяют достигнуть высокой стабилизации. Управляемый выпрямитель состоит из 3 диодов и 3 тиристоров, соединенных по схеме Ларионова [1], [2]. По схеме Ларионова возможно получить сравнительно малый коэффициент пульсаций на выходе. Возможно получение зависимости среднего значения выпрямленного напряжения при управлении тремя вентилями в режиме как прерывистого тока, так и в режиме непрерывного тока, так как эти зависимости определяются одним и тем же соотношением [3]. Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать без сглаживающего фильтра.
Предполагается, что разрабатываемый выпрямитель будет применен в системе управления приводом постоянного тока [4], [5], но так же может быть использован в других целях. Для управления различными электроприводами с использованием двигателей постоянного тока необходим управляемый выпрямитель, способный менять среднее значение выходного напряжения в некотором диапазоне, в нашем случае этот диапазон будет составлять от 0, до 130 Вольт. Предлагается структура построения управляемого трехфазного выпрямителя в виде блок-схемы представленной на рис. 1.
528
UOx Силойая часть Выходной фильтр —ty-y-v_|_ Цйых
t «—1 т
Блок питания 1 ч Тиристорный драйвер За
Формирователь импульса сброса Т п п П. - ГШ U-u-i - Узел сравнения
Рис. 1. Блок-схема управляемого трехфазного выпрямителя
На рис. 1: силовая часть предназначена для коммутаций питающего напряжения; выходной фильтр [6], для сглаживания пульсаций; блок питания, для обеспечения питающими напряжениями всех элементов системы управления; формирователь импульса сброса, для синхронизации генератора линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН) [7] с питающей сетью; ГЛИН, для формирования напряжений пилообразной формы; узел сравнения, для выработки управляющих импульсов, в зависимости от соотношений сигналов задания и сигнала с ГЛИН; тиристорный драйвер, для усиления управляющих сигналов.
Для регулировки выходного напряжения силовая часть составлена из трех тиристоров для анодной группы и трех диодов для катодной группы трехфазного мостового управляемого выпрямителя (рис. 2). Регулирование средневыпрямленного значения напряжения на выходе выпрямителя осуществляется за счет изменения угла запаздывания включения (а) управляющего напряжения (иупртир) для каждого из трех тиристоров в диапазоне от 30, до 210 градусов. При этом угол запаздывания включения для каждого из тиристоров синхронизируется с фазой напряжения на этом же тиристоре, отсчитывая (а), от точки естественного включения тиристора (диода).
СилоВая часть
VD1 2 Зф 110 В- \VD2l IVD31 \ RH\ \ 1 UL
А В С У31 Т1 \ Т2 \ тз 1
У32 УЗ 3 +
К схеме управления
Рис. 2. Силовая часть управляемого трехфазного выпрямителя
На рис. 2 элементы: Т1-Т3 - тиристоры ТЧ50-4; VD1-VD3 - диоды Д132-50-12, а сопротивление RH=2,2 кОм, необходимое для создания тока отпирания тиристоров на холостом ходу (без нагрузки).
Для создания сигнала иупртир необходимо наличие следующих элементов: формирователь сигнала сброса, ГЛИН и компаратор сравнивающий сигнал с ГЛИН, с сигналом задания.
Формирователь сигнала сброса необходим для создания краткосрочного сигнала (импульса), необходимого ГЛИН, для синхронизации его с сетью (рис.3).
На рис. 3 элементы: VD1-VD9 - диоды 1N4007, предназначены для предотвращения обратного протекания тока; U1-U3 - оптопары PC817 [8], создают гальваническую развязку между питающей сетью и системой управления и передают сигналы сброса; DA1 - счетверенный операционный усилитель LM2902 [9], работает в режим компаратора и сравнивает опорное напряжение создаваемое подстроеч-ным резистором R4 с напряжениями на диодах VD1-VD3; R4 - построечный резистор с номиналом сопротивления 10 кОм, создает опорное напряжение для компараторов; С - помехоподавляющая емкость, номиналом 0,1 мкФ.
Для расчета ограничительных сопротивлений Ra, Rb, Rc необходимо воспользоваться формулой (1).
тт2 802
Ra = RB = RC = = 1600 Ом, (1)
A B C 4p 4
где U - напряжение питающей сети (U=80 В); P - располагаемая рассеиваемая мощность резистора (P=1 Вт).
№
НЯ-№ чз-
Ш6
43-
сигнала сброса
Цпит (12 В)
ЯВ
-сз-
УО!\7_ \Ю2\7_ ш\7_ т М*-^
ли ч=ь
лг
ПАИ
Р412 яг т
::£>н=ни-
> п-й"
6
ип\7
о
Рис. 3. Формирователь сигнала сброса
Для получения необходимого значения сопротивления токоограничивающих резисторов R1, Я2 и R3 может быть использована формула (2).
Л — Л2 — Лз —
Ч
3
ипит - иБЛ1. - иУБ7 - иот _ 12-1 - 0,5-1,05
360^
(2)
0,51 тахи 0,5 • 0,05
где ипит - напряжение источника (ипит=12 В); UDA1.1 - потери напряжения на операционном усилителе (^А1.1=1В); UvD7 - потери напряжения на диоде (UvD7=0,5 В); UDU1 - потери напряжения на диод оптопа-ры (UDU1=1,05 В); 1тахи- максимально допустимый выходной ток оптопары (1тахи=0,05 А).
Генератор линейных напряжений предназначен для создания сигнала и„ш на выходе для дальнейшего сравнения данного сигнала с некоторым задаваемым с помощью потенциометра иупр(вх). В основе работы генератора лежит использование источника постоянного тока, а также полевого транзистора с изолированным затвором УГ3 для наиболее быстрой разрядки конденсатора ввиду небольшого сопротивления открытого канала данного транзистора (рис.4).
Для фазы А
щ
/?27
?
т
-Ф
М УТ1
УТ2
"ипит 15 В
чц/ УТЗ
1 т
I____
иглн/А!
Для фазы В
1
Для фазы С
______I I_____
ЦглнЮ
•—
: I
1
На компаратор
Рис. 4. Генератор линейных напряжений
На рис. 4 указаны элементы для фазы А (для фаз В и С схемы строятся таким же образом). Ш-оптопара РС817; R1, R3 и R5 - подтягивающие резисторы, имеющие сопротивление по 10 кОм, R1 предназначен для создания потенциала на затворе транзистора УГ1, R3 предназначен для разряжения переходов база - эмиттер транзисторов УГ4 и УГ5 с целью предотвращения сквозных токов; на транзисторе УГ1 построен источник постоянного тока компенсационного типа; УГ2, УТ4 - биполярные транзисторы ВС337, имеющие высокий коэффициент усиления и ток до 0,8 А; УГ3-полевой транзистор с изолированным затвором способный коммутировать большой ток для быстрой разрядки конденсатора С1; УГ5-транзистор ВС327; С1 - конденсатор, имеющий емкость 10 пФ.
Сопротивление резистора R2l рассчитаем по формуле (3), исходя из того. что в установившемся значении ток через транзистор оптопары должен составлять половину максимального.
R = Uпит - UUV1 = 15 - 0,75 = 570Ом, (3)
21 Q,5/max U 0,025 где ипит - напряжение источника (ипит=15 В); Uuvi - потеря напряжения на транзисторе оптопары (Uuvi=0,75 В); Imaxu- максимально допустимый ток оптопары (Imaxu=0,05 А).
Для получения величины сопротивления R4, предназначенного для ограничения тока транзистора VT3, воспользуемся формулой (4).
r4 = ипит -Uvt3 = 15-1,5 = 12 10 Ом, (4)
4 0,513 max 0,5 * 2,1 где ипит - напряжение источника (ипит=15 В); Uvt3 - потеря напряжения на транзисторе VT3 (Uvt3=1,5 В); I3max- максимальный ток затвора транзистора VT3 (I3max=2,1 А).
Для принятого значения емкости конденсатора С1 также необходимо определить скорость нарастания напряжения, за единицу времени. Так как частота питающей сети составляет 50 Гц, период соответственно 20 мс. Управление необходимо синхронизировать каждую половину периода. Тогда получаем интервал управления между синхронизирующими импульсами 10мс. Для устойчивой работы операционных усилителей ограничим напряжение заряда конденсаторов, на уровне 5 Вольт. Расчетная скорость нарастания будет равен 5 В за 0,01 секунду, т.е. 500 В за 1 секунду. Таким образом, возможен расчет величины тока заряда конденсатора по формуле (5).
I = uchcL = 5 *10-5t = 5 *10-5A (5) dt dt
Величину сопротивления R2 на рис. 4 определим по формуле (6).
R2 = uvt2 = __U_ = 22000 °м (6)
1 5*10-5
где Uvt2 - потеря напряжения на транзисторе VT2 (Uvt2=1,1 В); I - ток, проходящий через транзистор 5*10-5 А.
Узел сравнения выполнен на трех операционных усилителях, включенных по схеме компараторов, с выпрямительными диодами на выходе, для предотвращения подачи отрицательной составляющей питающего напряжения на тиристорный драйвер. Компараторы (рис.5) используются для сравнения сигналов иглн и иупр(вх).
иглн(А) DAZ1 VD1 Uynpmup(A)
|f Uynpifa
-ен——
\\UynpfOx/ '(В) DA2.;
7=FH*
\\Uynp(bx
иглн(В) о а2.1 VD2 ЦпртирЮ
иглнЮ DA21 VD3 ЦупртирЮ
\\UynpfBxJ '(О ПА 2/1
м
\\Uynpfdx/
Рис. 5. Принципиальная схема узла сравнения
На рис. 5 изображена схема устройства сравнения, включающая в себя следующие элементы: VD1-VD3 - диоды Ш4007; DA2 - счетверенный операционный усилитель LM2902. Тиристорный драйвер построен по схеме, представленной на рис. 6.
Uynpmp
R1 R2 VD чз
U
Рис. 6. Тиристорный драйвер
На рис. 6 представлена схема тиристорного драйвера для управления одним из тиристоров, включающая в себя следующие элементы: ограничительный резистор R1 номиналом 510 Ом; и - опто-пара гальванической развязки типа МОС3023 [10]; резистор ограничения тока симистора оптопары, номиналом 360 Ом; УВ -диод Ш4007 для предотвращения обратного тока.
В результате реализации предложенного управляемого выпрямителя была получена характеристика зависимости среднего значения выходного напряжения, от управляющего напряжения (рис. 7).
Г/упр
Рис. 7. Зависимость выходного напряжения, от входного управляющего
Полученная зависимость выходного напряжения, от напряжения управления (рис. 7) имеет нелинейную связь, при этом максимальное значение выходного напряжения составило 136 Вольт. Нелинейность полученного выпрямителя может создать определенные трудности, для дальнейшего его применения в системе управления электроприводом.
Список литературы
1. Евдокимов А.С., Русаков М.Г. Система управления трехфазным управляемым выпрямителем // Интеграция науки в условиях глобализации и цифровизации: сборник трудов конференции. 2021. №. 8. С. 295-298.
2. Атрощенко В.А., Крылов А.Л., Суртаев Н.А. Трехфазный управляемый выпрямитель. 2006.
3. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи (основы промышленной электроники). Часть 3. Цепи питания и управления ионных приборов // Государственное энергетическое издательство. 1956. С. 302-306.
4. Ковалева Ю.В. Компьютерное моделирование режима прерывистых токов электропривода постоянного тока с трехфазным управляемым выпрямителем // Электротехника и электромеханика. 2018. №. 4. С. 20-23.
5. Ломакин Г.К., Копейкин Е.Г., Сухарев П.Н. Электропривод постоянного тока. 1997.
6. Турпак А.М., Ключников А.Т. Расчёт параметров LC-фильтра с учётом параметров нагрузки и длинного кабеля // Фундаментальные исследования. 2016. №. 8-2. С. 272-276.
7. Вольсков А.А., Борисов В.М. Схемотехническая модель генератора линейно изменяющегося напряжения // Инжиниринг и технологии. 2021. Т. 6. №. 2. С. 47-51.
8. Optocoupler C. PC817 Photo-Coupler IC.
9. Quad S. S. LM324, LM324A, LM224, LM2902, LM2902V, NCV2902. 2002.
10. Instruments T. MOC3020 THRU MOC3023 Optocouplers/Optoisolators // Dallas, Texas. 1998.
Новаков Александр Викторович, аспирант, sanyatopor87@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Дубальский Вячеслав Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, dubal@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Гладков Вячеслав Валерьевич, магистр, slava. gladkov00@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPROACH TO SYNTHESIS AND IMPLEMENTATION OF A THREE-PHASE CONTROLLED RECTIFIER
A.V. Novakov, V.E. Dubalsky, V.V. Gladkov
The article proposes an approach to the formation of a structure with subsequent drawing up a circuit of a controlled three-phase bridge rectifier. The proposed structure of the rectifier consists of a power section, an output filter, a power supply, a thyristor driver, a reset pulse shaper, a linearly varying voltage generator, and a comparison unit. The implementation option under consideration is designed to work with a three-phase network with a frequency of 50 Hz and a line voltage of 80 Volts. The rectifier is controlled by an analog signal, at the output we get the average value of the rectified voltage, smoothed by the filter. The control voltage lag angle ranges from 30 to 210 degrees.
Key words: three-phase rectifier, control system, thyristor.
532
Novakov Alexander Victrovich, postgraduate, sanyatopor87@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Dubalsky Vyacheslav Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, dubal@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gladkov Vyacheslav Valer'evich, undergraduate, slava.gladkov00@mail.ru, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-533-537
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЪЕКТОВ НАЗЕМНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РОССИИ
С.И. Богомолов, В.Н. Щельников
В статье изложены принципы повышения энергоэффективности объектов наземной космической инфраструктуры арктической зоны России. Исследованы особенности применения дизельных электрических станций совместно с ветроэнергетическими установками, фотоэлектрическими преобразователями и тепловыми насосами.
Ключевые слова: арктическая зона, объекты наземной космической инфраструктуры, возобновляемые источники энергии, комплексная система энергоснабжения.
В настоящее время объекты наземной космической инфраструктуры (ОНКИ), расположенные в арктической зоне (АЗ) Российской Федерации (РФ), обеспечиваются энергией тепловыми и электрическими станциями, которые используют невозобновляемые источники энергии и требуют большого их запаса. Поэтому применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является актуальной задачей повышения энергоэффективности ОНКИ.
В арктической зоне РФ можно условно выделить четыре климатических района [1].
Первый климатический район - западный район, охватывающий Баренцево и Карское море, архипелаги Земля Франца-Иосифа и Новая Земля.
Второй климатический район - сибирский, в который входят восточная часть Карского моря с архипелагом Северная Земля, море Лаптевых с Новосибирскими островами и большая часть ВосточноСибирского моря.
Третий климатический район - восточный район, охватывающий восточную часть ВосточноСибирского моря и все Чукотское море.
Четвертый климатический район - высокоширотный район Арктического бассейна, ограниченный с юга островами и архипелагами, а с севера - северным полюсом.
Характерными особенностями арктической природы являются [1, 2]:
низкий солнечный радиационный потенциал в пределах от 10 Вт/м2 до 250 Вт/м2;
близкие к 0°С средние температуры летних месяцев при средней годовой температуре ниже
0°С;
минимальные зимние температуры: от -35°С до -15°С;
длительные градусо-сутки отопительного периода (5600-7700);
ветровые напоры воздуха - постоянные с минимальными значениями 5-6 м/с, кратковременные - более 30 м/с (шторм) и 60 м/с (ураган).
Современная энергетика характеризуется усилением тенденций диверсификации источников на базе развития новых технологий. Возобновляемая энергетика занимает особое место среди всех видов энергии. В составе ВИЭ могут использоваться ветроэнергетические установки (ВЭУ), гидроэнергетические станции (ГЭС) (в т. ч. микро-, мини- и малые ГЭС), солнечные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), биогазовые установки (БГУ), а в числе нетрадиционных источников энергии (тепла) - тепловые насосы (ТН) с использованием в испарителе низкопотенциального тепла грунта, сбросных подземных вод, вод озер, рек, морей [3, 4]. Для повышения эффективности и надежности энергообеспечения объектов ОНКИ необходимо применять перспективные комплексные системы (КС) ВИЭ с расширенным набором разных видов источников энергии: традиционных (передвижных и стационарных), нетрадиционных и гибридных.
Все КС ВИЭ условно могут быть отнесены к одному из пяти основных типов [5], каждый из которых должен надежно обеспечить определенный задаваемый уровень мощности (долю энергетических потребностей) от полной потребности в энергозатратах по объекту, независимо от отсутствия какого-либо одного из источников энергии (табл.1).
