CC BY
28
5. A.c. № 826538 СССР. Устройство для управления электродвигателем судовой лебедки/ Г.Е Кувшинов, К.П.Урываев Бюллетень № 16,1981.
6. Спуско-подъемное устройство, пат. 2114756С1 Рос. Федерация: МПК7 6 В 63 В27/08 / Кувшинов Г.Е., Чупина К.В.; патентообладатель ДВГТУ. - N° 95114874/28; заявл. 21 08.95; опубл. 10.07.98, Бюл. № 19.
7. Устройство и способ управления глубиной погружения подводных объектов: пат. 2261191С1 Рос. Федерация: МПК7 В 63 B27/Ü8 / Кувшинов Г.Е., Чупина К.В.; патентообладатель ДВГТУ. - № 2004103234/11; заявл. 04 02.2004; опубл. 27.09.2005, Бюл. № 27.
8. Чупина К.В Управление глубиной погружения буксируемого подводного объекта с помощью установленной на нем лебедки: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.07: защищена 20.11.97. -Владивосток, 1997,- 181 с.
9. Кувшинов Г.Е.. Наумов Л.А., Чупина К.В. Системы управления глубиной погружения буксируемых объектов. - Владивосток: Дальнаука, 2006,312 с.
В.В.Копылов ,Г.Е. Кувшинов, А.Ю. Филоженко, А.Н.Шеин УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Управляемые" выпрямители напряжения (УВН), которые также известны под названиями: активные выпрямители или четырёхквадрантные преобразователи, применяются в качестве выпрямителя для питания потребителей постоянного тока или, вместе с автономными инверторами, в составе преобразователей частоты. У любых управляемых выпрямителей напряжения каждое вентильное плечо может проводить ток в обоих направлениях и представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа с односторонней проводимостью и диода, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлению. В анодную группу наиболее распространённого мостового управляемого выпрямителя напряжения входят вентильные плечи, у которых аноды диодов соединены с отрицательным выходным зажимом выпрямителя, а в катодную группу - вентильные плечи, у которых катоды диодов соединены с положительным выходным зажимом выпрямителя. К выходным зажимам такого выпрямителя подключён выходной конденсатор, являющийся обязательным элементом любого управляемого выпрямителя напряжения, и нагрузка. Катод диода каждого вентильного плеча анодной группы соединён с анодом диода вентильного плеча одной из катодных, групп и с одним из входных зажимов выпрямителя. Входные зажимы выпрямителя соединены с источником напряжения переменного тока. Эти выпрямители, под действием поступающих на электронные ключи сигналов, преобразуют энергию переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе. В этом случае такие выпрямители работают в выпрямительном режиме, как и простейшие, составленные только из диодов, выпрямители тока. При изменении направления потока энергии в нагрузке, когда она не потребляет энергию, а отдаёт её, переходя в генераторный режим, такие выпрямители способны, под действием управляющих сигналов, преобразовывать энергию постоянного тока, поступающую от нагрузки к выходу управляемого выпрямителя напряжения, в энергию переменного тока. Эта энергия передаётся с входных зажимов выпрямителя в источник напряжения переменного тока. В этом случае такие выпрямители работают в инверторном режиме.
После подключения входных зажимов выпрямителя к источнику переменного тока выходной конденсатор сначала заряжается в неуправляемом режиме, через диоды, до амплитудного значения напряжения источника. При этом имеет место короткое замыкание цепи, в которой последовательно включены ЭДС источника, диоды и ЭДС выходного конденсатора. Ток и ЭДС конденсатора в неуправляемом режиме направлены встречно. Дальнейший процесс заряда конденсатора происходит в управляемом режиме путём управления моментами включения и отключения электронных ключей с частотой, которая во много раз превосходит частоту источника. При этом обеспечивается близкая к синусоиде форма входного тока выпрямителя Во время включённого состояния электронных ключей имеет место короткое замыкание цепи, в которой последовательно включены ЭДС источника и ЭДС выходного конденсатора. В управляемом режиме при включенном состоянии электронных ключей ток и ЭДС конденсатора направлены согласно. Когда ключи отключаются, то входные токи
управляемого выпрямителя переходит на диоды, при этом ток и ЭДС конденсатора в неуправляемом режиме направлены встречно, как в неуправляемом режиме Для ограничения входного тока выпрямилеля в неуправляемом режиме и скорости нарастания тока короткого замыкания в управляемом режиме при замыкании электронных ключей в указанной короткозамкнутой цепи должны содержаться токоограничивающие элементы. Они защищают диоды, электронные ключи и конденсаторы управляемого выпрямителя от разрушения под действием сверхтоков.
В качестве обязательного токоограничивающего элемента используется индуктивный элемент, индуктивное сопротивление которого на частоте источника напряжения во много раз превосходит активное сопротивление этого элемента [1, 2]. Роль индуктивного элемента, полностью или частично, может играть токоограничивающий реактор, включаемый на входе управляемого выпрямителя напряжения* а также индуктивное сопротивление коммутации синхронного генератора или индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора, которые предназначены именно для питания указанного выпрямителя. Индуктивность индуктивного элемента должна быть не больше такой, которая обеспечивает достижение максимального значения производной заданной синусоиды входного тока выпрямителя в управляемом режиме его работы.
Недостаток такого решения заключается в том, что индуктивное сопротивление этого индуктивного элемента оказывается слишком малым для ограничения пускового тока, возникающего при подключении управляемого выпрямителя напряжения с незаряженным выходным конденсатором к источнику переменного нерегулируемого напряжения. Большой входной ток выпрямителя, являющийся, по сути, током короткого замыкания источника на токоограничивающие индуктивные элементы, может вывести из строя диоды выпрямителя, внутренние проводники выходного конденсатора и соединительные провода. Этот способ подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику может безопасно применяться при постепенном увеличении напряжения источника по мере заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения. Такой процесс может быть осуществлён, например, при питании управляемого выпрямителя напряжения непосредственно от синхронного генератора, в частности, от генераторов ветроэлекгрических станций [3].
Для подключения УВН к источнику большой мощности со стабильным напряжением применяют известное старинное средство токоограничивающие резисторы, которые после окончания неуправляемого процесса заряда выходного конденсатора выключают из входной цепи УВН или замыкают накоротко [4]. Основные недостатки этого способа заключаются в следующем.
1. В пусковых резисторах выделяется большая энергия в виде тепла, и возникает проблема его отвода. Потери энергии в пусковых резисторах за время заряда выходного конденсатора УВН близки к электрической энергии, запасённой в этом конденсаторе.
2. Время заряда выходного конденсатора велико. Оно составляет несколько значений постоянной времени, которая примерно равна произведению ёмкости выходного конденсатора на удвоенное сопротивление пускового резистора.
3. После неуправляемого заряда конденсатора, прежде, чем можно перевести УВН в рабочий режим, необходимо продолжить заряд конденсатора до напряжения, которое больше амплитуды напряжения источника при возможных «забросах» его напряжения.
Наши исследования показали, что можно избавиться от перечисленных недостатков, если производить заряд с помощью специального индуктивно-ёмкостного фильтра, включённого между источником и входом УВН. Схема разработанного устройства в однофазном варианте показана на рисунке.
Рисунок. Функциональная схема устройства для подключения УВН к источнику напряжения
Устройство 1 для подключения управляемого выпрямителя 2 напряжения к источнику 3 напряжения переменного тока содержит токоограничивающне цепи, соединяющие входные зажимы 4 и выходные зажимы 5 устройства 1. Для трёхфазного варианта таких цепей три, а в однофазном варианте содержится одна токоограничивающая цепь. Входные зажимы 4 устройства 1 подключены к выходным зажимам 6 источника 3 напряжения переменного тока, а выходные зажимы 5 устройства 1 подключены к входным зажимам 7 управляемого выпрямителя напряжения 2. Каждая токоограничивающая цепь содержит первые реакторы 8 (дополнительные токоограничивающне элементы), вторые реакторы 9, индуктивные элементы 10, конденсаторы 11, первые выключатели 12 и вторые выключатели 13. Первые реакторы 8 могут выполняться в виде катушек, как помещённых на отдельных магнитопроводах, так и не имеющих магнитол роводов. Катушки первого и второго реакторов 8 и 9 помещены на общий однофазный магнитопровод, на который может помещаться и катушка индуктивного элемента 10. Размещение нескольких катушек на одном сердечнике позволяет значительно сократить массу суммарную элементов 8, 9 и 10 (из-за влияния взаимных индуктивностей между этими элементами происходит уменьшение их суммарной расчётной мощности). ,
В управляемом выпрямителе 2 дополнительно обозначены следующие элементы: 22 - конденсатор; 23 ~ диоды; 24 - электронные ключи; 25 - выходные зажимы.
До подключения к источнику 3 напряжение ит конденсатора 22 управляемого выпрямителя 2 равно нулю, а оба выключателя 12 и 13 разомкнуты. При замыкащш первого выключателя 12 начинается неуправляемый процесс заряда конденсатора 22: по цепям устройства 1, диодам 23 и конденсатору 22 начинают проходить токи. Каждый фазный входной ток 12 , проходящий по реакторам 8 и 9, разделяется на два тока: ток гс конденсатора 11 и проходящий по индуктивному элементу 10 входному току гвх выпрямителя 2. Ток ¿вх преобразуется неуправляемым (составленным из диодов 23) выпрямителем в выходной ток /3, который, при равенстве нулю тока нагрузки гИГ , равен току ¿к , заряжающему конденсатор 22. В результате напряжение ииг конденсатора 22 начинает возрастать. Ёмкость конденсатора 22 настолько велика, что время его заряда превосходит период напряжения источника 2 напряжения переменного тока в тысячи раз. Анализ столь медленных процессов можно производить методом медленно меняющихся амплитуд, рассматривая действие первых гармоник токов и напряжений в устройстве 1. В этом случае внешняя характеристика устройства 1 определяется выражением
в котором использованы обозначения действующих значений первых гармоник напряжений: входного ивх выпрямителя 2 и источника 3 [/-и входных токов выпрямителя 2: текущего 1ВХ и начального 1КЗ . Напряжение Vвх и ток 1ВХ пропорциональны средним значениям напряжения ииг и тока г3 на выходе выпрямителя 2. Выражение (1) получено при пренебрежении потерями мощности в конденсаторах 11, а также в обмотках и магнитопроводах реакторов 8 и 9 и индуктивного элемента 10. Ток 1КЗ является наибольшим входным током выпрямителя 2. Благодаря большому значению индуктивности реактора 8 (оно в несколько раз больше индуктивностей реактора 9 и индуктивного элемента 10) ток 1Ю не выходит за допустимые, безопасные для диодов 23 и конденсатора 22, пределы. Коэффициент к определяется значениями сопротивлений устройства 1:
где Хс - сопротивление конденсатора 11, Хх и Х2 - сопротивления первого и второго реакторов 8 и 9. Все сопротивления соответствуют частоте источника 3. Сопротивление конденсатора 11 намного больше суммарного сопротивления реакторов 8 и 9. Поэтому коэффициент к больше единицы, он равен, например 1 Д.
График внешней характеристики (1) - это выпуклая кривая, а в том случае, когда вместо реакторов используются пусковые резисторы, она представляет собой отрезок прямой линии.
(Г)
Поэтому для всех относительных значений входного напряжения UBX, кроме нуля, входной ток 1ВХ выпрямителя 2 с рассматриваемым устройством 2 больше, чем с устройством с пусковыми
резисторами (UBX и 1ИХ = Следовательно, устройство 2 обеспечивает предварительный
U ¡КЗ
заряд конденсатора 22 за гораздо меньшее время по сравнению с устройством с пусковыми резисторами.
Когда действующее входное напряжение выпрямителя 2 достигнет значения к U , его
выходное напряжение станет равным номинальному значению UHFu =j2kU , которое равно входного напряжения. При этом первые выключатели 12 отключаются, а вторые выключатели замыкаются. Так как первый реактор с сопротивлением Х1 , которое во много раз больше сопротивления Хг второго реактора, выключается из токоограничивающей цепи, то, в соответствии с выражениями (1) и (2), входное напряжение выпрямителя 2 снизится. Оно станет превосходить напряжение источника 3 совсем немного, например, на 1%. Входные токи выпрямителя, пока к электронным ключам -24 не подводятся управляющие импульсы, отсутствуют, так как напряжение конденсатора 22 в к раз больше амплитуды линейного входного напряжения, действующее значение которого немногим больше U. Управляемый выпрямитель 2 готов к немедленному подключению нагрузки и переходу в управляемый режим работы.
В управляемом режиме работы к выходным зажимам 25 выпрямителя 2 подключена нагрузка, потребляющая ток 1]]Г , который проходит в указанном на рисунке направлении, (или генерирующая
этот ток, тогда его направление изменяется на противоположное). У выпрямителя 2 ток проводят но очереди электронные ключи 24 и диоды 23. Микропроцессор, по заложенной в нём программе, включает и отключает электронные ключи 24. Частота коммутации, которая определяет интервалы времени включения очередного ключа 24, в сотни (и даже тысячи) раз превосходит частоту источника 3 напряжения. Программа микропроцессора реализует выполнение следующих условий: первое - практически синусоидальная форма токов igx; второе - заданный фазовый сдвиг первой гармоники этого тока (обычно нулевой при работе выпрямителя 2 в выпрямительном режиме или 180е при его работе в инверторном режиме); третье - неизменное среднее значение напряжение конденсатора 22 (при этом среднее значение тока iK равно нулю).
Напряжение на входных зажимах 7 выпрямителя 2 формируется электронными ключами. Это напряжение имеет вид последовательности прямоугольных импульсов, повторяющихся с частотой коммутации. Амплитуда импульсов равна напряжению конденсатора 22. Их продолжительность изменяется так, чтобы в указанном напряжении не содержались высшие гармоники, близкие к первой, имеющей частоту источника 3. Ближайшие к первой высшие гармоники имеют частоты, примерно в два раза превышающие частоту первой гармоники. Совокупность высших гармоник образуют пульсации, максимальная амплитуда которых близка к напряжению конденсатора 22. Относительно небольшая индуктивность индуктивного элемента 10, по сравнению с индуктивностью первого реактора, обеспечивает весьма большое значение индуктивного сопротивления для токов, генерируемых высшими гармониками входного напряжения выпрямитеця 22. В то же время относительно небольшая ёмкость конденсатора 11 обеспечивает весьма малое значение ёмкостного сопротивления для токов указанных высших гармоник. Поэтому пульсации напряжения на этом конденсаторе крайне малы, это напряжение имеет практически синусоидальную форму. Высокое, для высших гармоник, сопротивление второго реактора 8 дополнительно подавляет высшие гармоники входного тока и выпрямителя 1, делает их ничтожно малыми. Тем самым обеспечивается электромагнитная совместимость управляемого выпрямителя напряжения с другими потребителями, подключёнными к источнику 3 напряжения переменного тока. Т-образный фильтр, образованный вторыми реакторами 9, индуктивными элементами 10 и конденсаторами 11 также подавляет те высшие гармоники токов, проходящих по элементам указанного Т-образного фильтра, которые вызваны внешними, по отношения к выпрямителю 2, причинами. Эти высшие гармоники создаются отклонениями формы кривой ЭДС источника 3 от синусоиды или наличием высших гармоник в токах других потребителей. Такое действие Т-образного фильтра уменьшает потери мощности в его элементах, увеличивая их ресурс.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электротехника. - В 3-х книгах. Книга Г1 Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления/ Под ред ПЛ. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина. АЛ. Шестакона - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с.
2. N, Mohan, Г.М Underland, W.P Robbins, Power electronics, John Wile)' & Sons, Inc., New York, 2003.
3. Grid integration of wind energy conversion systems / Siegfried Heier; translated by Rachel Waddmgton. John Wiley & Sons, inc., New York, 1998.
4. Sibest Auxiliary Converter for Electric Locomotives. Transportation Systems. SIEMENS. www.siemens.com/transportation.
В.П.Севрюк
ВЗАИМОСВЯЗЬ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИСТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
Динамические закономерности. При наличии начальных условий и уравнения движения (состояния) определяется однозначно и полностью положение системы в пространстве и во времени (последующее состояние системы).
Статистические закономерности. Речь идет только о вероятности нахождения положения системы (ее состояния).
Ю.И.Алимов и Ю.А.Кравцов в [1] пишут: «Любой физик видит в вероятности как физическую, так и математическую величину. Однако если математическая концепция вероятности представляется ему солидной и непререкаемой, то с вероятностью как физической величиной часто ощущаются какие-то неудобства и недоговоренности»
В основе статистических закономерностей функционируют функции распределения: интегральные и дифференциальные. В физике функции распределения относя г к фундаментальным законам природы. Например, существует фундаментальный закон природы - закон Максвелла - закон распределения молекул газа по скоростям.
С законами распределения мы сталкиваемся повседневно.
При обучении преподаватель имеет дело с рядом функций распределения: распределение обучаемых по зрительному восприятию информации, распределение обучаемых по слуховому восприятию информации, распределение обучаемых по знаниям изучаемого предмета, по техническим способностям (что является очень важным для технического вуза), по математическим способностям и г.д. [3]
В квантовой механике в основном занимаются тем, что находят соответствующие функции распределения, а именно, функции распределения плотности вероятности нахождения частицы в соответствующих квантовых состояниях потенциальных ям: одномерной, трехмерной (твердое тело), сферической (атом, ядро).
В теории измерения получаются случайные величины, которые группируются в окрестности их среднего значения (истинного значения), а в теории вероятностей они группируются в окрестности математического ожидания.
Рассмотрим ансамбль частиц с дифференциальной функцией распределения плотности вероятности объекта по параметру £• (частиц по энергиям, обучаемых по знаниям физики и т.д.),
заданной в форме где - среднее арифметическое значение параметра
(среднее значение энергии молекулы, среднее значение знаний студента и студентов и т.д.), -
постоянная - среднее квадратичное отклонение от среднего арифметического.
График такой функции приведен на Рис.1.
Введенная функция, поскольку она объявлена дифференциальной функцией распределения, удовлетворяет следующим условиям:
