Полупроводниковые преобра зователи для инновационных технологий

УДК 621.38 НЛ. Рябченок, ТЛ. Алексеева,

Н.М. Астраханцева, Л.А. Астраханцев

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В статье рассматриваются вопросы разработки полупроводниковых преобразователей нового поколения. В качестве управляемой величины приводится входное электрическое сопротивление электроустановки для изменения параметров электрической энергии, управления технологическим процессом, что, по мнению авторов, улучшает энергетические показатели технологических установок.

Ключевые слова: полупроводниковый преобразователь, технологический процесс, преобразователь сопротивления, коэффициент мощности.

N.L. Ryabchenok, T.L. Alekseeva, N.M. Astrakhantseva, L.A. Astrakhantsev

SEMI-CONDUCTOR CONVERTERS FOR THE INNOVATIVE TECHNOLOGIES

Issues of the development of semi-conductor converters of new generation are considered in the article. Entrance electric resistance of the electroinstallation for the electric energy parametres change and the technological process management is given as the operated value that, according to the authors’ point of view, improves power indicators of the technological installations.

Key words: semi-conductor converter, technological process, resistance converter, power factor.

Сбережение энергетических, материальных и трудовых ресурсов в агропромышленном комплексе с обеспечением высокого качества выполнения технологических требований сельскохозяйственного производства может обеспечиваться полупроводниковыми преобразователями, которые являются обязательным элементом инновационных электрифицированных технологических процессов (рис.).

Структура ресурсосберегающих технологических процессов

Преобразователями Пр выполняется изменение параметров энергоносителя (Э) и регулируется поток энергии, поступающий на технологическую установку (ТУ), а такие преобразователи принято называть силовыми преобразователями. С помощью датчиков и информационных преобразователей, образующих блок системы датчиков (СД), выполняется регистрация, идентификация, хронометраж и данные о параметрах

материальных (М), трудовых ресурсов (Т) и энергоносителя. Информация с СД в виде цифровых кодов поступает на микроконтроллеры, микропроцессоры и компьютеры (МП), где хранится информация, выполняется ее обработка и математические расчеты алгоритмов управления. Управляющие сигналы поступают на полупроводниковый преобразователь и на исполнительные элементы отдельных участков технологической установки.

Полупроводниковые преобразователи позволяют изменять параметры энергоносителя для непосредственного воздействия на обрабатываемый материал и получения требуемого качества продукции, энергосбережения, повышения производительности труда и по сути открывают возможности разработки и внедрения высоких технологий во все сферы человеческой деятельности.

По энергоемкости ведущее место занимают электротермические установки. Решение социальных проблем в сельском хозяйстве и ресурсосбережение можно обеспечить за счет децентрализованного производства тепловой энергии из электрической энергии в местах ее потребления и автоматического управления преобразователями температурным режимом в помещениях и в технологических установках. Использование полупроводниковых преобразователей в качестве исполнительных элементов автоматизированных систем управления электротермическими установками позволяет снизить расход энергии до 20-40% от их общего энергопотребления. С помощью токов высокой частоты, которые генерируются преобразователем, в индукционном плазматроне можно нагреть газ до температуры 6000-10000 К и осуществлять «чистые» технологии. При таких температурах вещества находятся в ионизированном состоянии, химически очень активны и приобретают новые свойства.

Комплектные электроприводы с преобразователями, с согласованными техническими и конструктивными характеристиками составных элементов используются в ведущих отраслях промышленности - металлургической, горной, машиностроительной, текстильной, на транспорте и в других отраслях. Современный управляемый электропривод необходим в сельскохозяйственном производстве для плавного управления рабочими машинами и для энергосбережения.

Электронные преобразователи применяются для управления электрическим освещением, используются в блоках питания источников излучения различного спектра для направленного воздействия на животных, растения и др. Электромагнитные поля высоких, сверхвысоких и инфранизких частот можно формировать с помощью преобразователей для сушки материалов, стимуляции семян, очистки продуктов и деталей, окраски поверхностей, качественной пропитки и перемешивания материалов, для воздействия на живую материю. Тлеющий и коронный разряд находят применение для синтеза озона, являющегося сильнейшим окислителем, и используется при модификации поверхностных свойств материала, а также для решения других практических задач. Производительность озонаторов повышается в 3 раза при работе их на частоте 2,4 кГц по сравнению с производительностью на частоте 50 Гц. Поэтому преобразователи частоты мощностью несколько сотен киловатт являются одним из важных элементов озонаторных установок. На частотах 18-22 кГц наиболее ярко проявляется явление кавитации, способствующее наиболее эффективной ультразвуковой обработке для очистки деталей, при пропитке обмоток изоляционными лаками, для выполнения других производственных операций.

Различным по назначению и по мощности силовым полупроводниковым преобразователям, разработанным в России и за рубежом, характерны одинаковые недостатки: ухудшение энергетических показателей технологических установок с увеличением глубины регулирования параметров и отрицательное воздействие на питающие сети, на потребители электрической энергии из-за нелинейных искажений тока и напряжения. Они являются источниками электромагнитных помех, которые загрязняют окружающую среду. Все эти недостатки дают основание для разработки и использования фильтро-компенсирующих устройств, которые усложняют конструкцию технических решений, снижают надежность оборудования и увеличивают стоимость технологических установок. Применение преобразователей, изготавливаемых серийно, в условиях сельскохозяйственного производства сдерживается из-за снижения эффективности преобразования электрической энергии в другой вид энергии, а коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в электрической сети общего назначения превышает установленный ГОСТом допустимый уровень.

Нами выбран принципиально новый подход к решению проблем применения преобразовательной техники и внедрения инновационных технологий в сельское хозяйство, заключающийся в разработке полупроводниковых преобразователей, которые улучшают энергетические показатели технологических установок в режимах управления по сравнению с номинальным режимом работы и снижают или исключают электромагнитные помехи во время работы. Реализация данного подхода стала возможной благодаря теории энергетических процессов в системе: «электрическая сеть - полупроводниковый преобразователь - нагрузка», разработанной в Иркутском государственном университете путей сообщения [1-2].

Для электрических цепей с силовыми полупроводниковыми приборами (СПП) мгновенные значения напряжения на входе преобразователя и(Ц можно выразить через составляющие

u(t) = uBbix(t) + un(t),

к=да k=W

u{t) = 2 иЛ {krnt) + 2 unk {kat),

k=0 k=0

где u^(kut) - мгновенное значение напряжения k-й гармоники на входе преобразователя во время проводящего состояния СПП;

k - номер составляющих ряда Фурье, целые числа;

ы - угловая частота гармонических составляющих ряда Фурье;

unk(kwt) - мгновенное значение напряжения k-й гармоники на входе преобразователя во время непроводящего состояния СПП.

Выражение (1) записано без учета потерь мощности и коммутационных процессов в силовых элементах преобразователя, для того, чтобы не заслонять суть рассматриваемой проблемы дополнительными подробностями.

Под действием напряжения ^ыхИ в электрической цепи протекает ток

k=w

i{t) = 2h {kat) ,

к=0

где ik(kwt) - мгновенное значение тока k-й гармоники на входе преобразователя.

Мгновенное значение мощности на входе преобразователя можно получить, если умножить левую и правую часть выражений (1)-(2):

k=w k=w k=w k=w

^вх{t) = u{t) •i{t) = 2 u«к{kat) • 2 h{kat) + 2 unk{kat) • 2 h{kat).

k=0 k=0 k=0 k=0

Мгновенная мощность на выходе преобразователя обеспечивается за счет первой слагаемой правой

части выражения (3):

к =го

^вьых {t) =2 u«k {kat) • 4 {kat) .

к=0

В зависимости от устройства и принципа действия преобразователя составляющие рядов Фурье и их величины в выражениях (3)-(4) могут отличаться. В дальнейшем будет доказано, что с учетом принятых допущений полная мощность на входе преобразователя во время проводящего состояния СПП равна полной мощности на выходе преобразователя.

В выражении (4) суммы произведений постоянных составляющих ряда на гармонические составляющие с частотой кы и суммы произведений гармонических составляющих разных частот равны нулю. Тогда мгновенную мощность на выходе преобразователя можно записать в виде

к=го

^ВЬЬХ {t) = U0 • i> +2 Uk {kat) • 4 {kat) ,

к=1

где k - номер одноименной гармонической составляющей напряжения и тока.

Полная мощность на выходе преобразователя равна

к=го

^вых = U0 • ^0 + 2Uик • 1к = ивых • 1вы .

к=1

где ^ых, U - соответственно действующее значение напряжения тока на выходе преобразователя.

Каждую k-ю гармонику в выражении (5) можно разложить на косинусную и синусную составляющую ряда.

Произведения постоянных составляющих и произведения косинусных составляющих ряда (5) в сумме образуют среднее значение полной мощности на выходе преобразователя, которое в электротехнике принято называть активной мощностью.

к

Р = ио • 10 +2^ик • 4 • СОФк ,

к=1

где U0, Uиk - соответственно среднее значение напряжения и действующее значение напряжения к-й гармоники на выходе преобразователя;

!о, 1к - соответственно среднее значение тока и действующее значение тока одноименной к-й гармоники на выходе преобразователя;

фк - угол сдвига по фазе к-й гармоники тока относительно одноименной гармоники напряжения на выходе преобразователя.

Как известно, активная мощность характеризует часть электрической энергии, которая преобразована в иной вид энергии.

Произведения синусных гармонических составляющих ряда в выражении (5) образуют синусоидальные составляющие мгновенной мощности на выходе преобразователя, которые принято называть реактивной мощностью.

к=го

б = 2иик • 1к • Фк.

к=1

С помощью реактивной мощности обычно оценивают интенсивность энергообмена в электрических цепях между реактивными элементами и источниками энергии.

Таким образом, полная мощность на выходе преобразователя с учетом выражений (7)-(8) равна

к=ад ---------

= 2и« •Ь =и,ы, • ЧР2 + О2 .

к=0

Другую составляющую мгновенной мощности на входе преобразователя в выражении (3) обозначим

Дз(1):

к=да к=да

^0) = 2 мпк

к=0 к=0

В выражении (10), так же как и в выражении (5), содержатся произведения одноименных составляющих ряда Фурье, тогда еще одна составляющая полной мощности на входе преобразователя, выраженная через действующие значения напряжения и тока, равна

к=ад

АЯ = 2и*-1к =и„ I,

к=0

где ипк - действующее значение напряжения к-й составляющей ряда Фурье на входе преобразователя во время непроводящего состояния СПП;

1к - действующее значение одноименной к-й гармоники тока на входе преобразователя;

ип - действующее напряжение, которое прикладывается к преобразователю во время непроводящего состояния СПП;

I - действующее значение тока на входе преобразователя.

В качестве единицы измерения мощности АS следует использовать (ВА), так как с учетом принятых допущений она представляет собой разность полной мощности на входе преобразователя Эвх и полной мощности на выходе преобразователя Звых.

ая Ч С - Я2„ .

Таким образом, полная мощность на входе преобразователя технологических установок может быть выражена через ее составляющие:

Потери мощности в силовых элементах и на коммутационные процессы в преобразователе можно прибавить к мощности Р и О.

Из выражений (11)-(12) следует, что реализация перспективного направления развития преобразовательной техники возможна за счет разработки технических решений, которыми обеспечивается наиболее полное использование действующего напряжения источников энергии для выполнения работы в технологических процессах.

Техническое обеспечение инновационных технологий можно выполнить с помощью полупроводниковых преобразователей нового поколения, если в качестве управляемой величины использовать входное электрическое сопротивление электроустановки для изменения параметров электрической энергии и для управления технологическим процессом, а такие устройства можно называть преобразователями сопротивления. Для электротермических установок нами разработаны преобразователи [3-4], которые ступенчато изменяют их входное электрическое сопротивление в режимах управления. Преобразователи сопротивления разработаны для ступенчатого управления производительностью вентиляторов [5]. Экспериментальной проверкой работы данных устройств в производственных условиях установлено, что коэффициент мощности технологических установок в режимах управления преобразователем сопротивления выше, чем в номинальных режимах работы. Коэффициент искажения синусоидальности кривой тока и напряжения в питающих сельских электрических сетях снижается в режимах управления технологическими установками с помощью преобразователей сопротивления по сравнению с коэффициентами искажения синусоидальности кривой тока, напряжения во время работы технологических установок, оснащенных известными полупроводниковыми регуляторами напряжения, без использования фильтро-компенсирующих устройств [6].

В настоящее время нами разработаны полупроводниковые преобразователи, позволяющие изменять параметры электрической энергии и управлять технологическими процессами за счет плавного изменения входного электрического сопротивления технологических установок [7-9]; полупроводниковые преобразователи сопротивления для плавного регулирования мощности электрических машин переменного тока, что является основой для широкого применения управляемого электропривода в сельскохозяйственном производстве; трехфазные выпрямители и инверторы для стабилизации параметров и согласованной работы возобновляемых источников энергии с другими источниками и с централизованной системой сельскохозяйственного электроснабжения, принцип действия которых основан на согласовании электрических сопротивлений различных систем во время приема энергии и во время рекуперации избыточной энергии. Данные технические решения позволяют снизить потери электрической энергии в системах электроснабжения, улучшить качество электрической энергии в сетях, повысить надежность аппаратов и элементов оборудования.

1. Астраханцев Л.А., Астраханцева Н.М. Расчет энергетических характеристик электроустановок с преобразователями. - Иркутск: Изд-во ИРИИТ, 1999. - 94 с.

2. Основы энергосберегающего управления технологическими установками / Л.А. Астраханцев, Б. Чулу-унзоригт, Т.Л. Алексеева [и др.] // Энергосберегающие технологии и окружающая среда: сб. науч. тр. - Афины ; Иркутск: ИрГУПС, 2004. - С. 122-128.

3. А.С. №1676035 (СССР). Способ регулирования электрической мощности на п-параллельно включенных нагрузках / А.А. Пястолов, Л.А. Астраханцев, А.Д. Родченко // БИ. - 1991. - № 33.

4. Пат. №2030084 Российская Федерация. Устройство для регулирования мощности на т-фазной нагрузке / Л.А. Астраханцев, Н.М. Астраханцева // БИ. - 1995. - № 6.

5. Пат. №2161362 Российская Федерация. Делитель напряжения / Л.А. Астраханцев, Н.Л. Рябченок,

П.Е. Рябченок// БИ. - 2000. - № 36.

6. Рудых А.В., Алексеева Т.Л., Рябченок Н.Л. Математическая модель энергетических процессов в режимах управления электронагревателями животноводческих помещений // Вестн. КрасГАУ. - 2008. -№ 5. - С. 297-301.

7. Пат. №2367082 Российская Федерация. Способ регулирования напряжения и устройство трехфазного

выпрямителя / Т.Л. Алексеева, Н.Л. Рябченок, Н.М. Астраханцева [и др.] // БИ. - 2009. - № 25.

8. Пат. №2377631 Российская Федерация. Способ регулирования мощности и устройство трехфазного

инвертора / Т.Л. Алексеева, Л.А. Астраханцев, В.А. Тихомиров. К.П. Рябченок // БИ. - 2009. - № 36.

Литература

9. Пат. №2377632 Российская Федерация. Способ регулирования мощности и устройство однофазного инвертора I Н.Л. Рябченок, Н.М. Астраханцева, А.И. Орленко [и др.] II БИ. - 2009. - № 36.

--------♦----------

УДК 631.52:538.6 М.В. Самохвалов

АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

В статье рассматриваются моделирование электротехнологических процессов и изучение реакции растительного объекта на действие электромагнитного поля с созданием методики и аппаратнопрограммного комплекса для исследования электрофизических свойств растительного объекта и почвенных средств.

Ключевые слова: растительный объект, масса, плод, электротехнология, электромагнитное поле, адаптивное управление, метод контроля, доза воздействия, аналитическая модель.

M.V. Samokhvalov ADAPTIVE MANAGEMENT OF VEGETATIVE OBJECTS BY THE ELECTROMAGNETIC FIELD

Electrotechnological processes modeling and studying the vegetative object reaction on an electromagnetic field action with initiation of the technique and hardware-software complex for research of the electrophysical properties of vegetative object and soil resources is considered in the article.

Key words: vegetative object, mass, fruit, electrotechnology, electromagnetic field, adaptive management, quality technique, influence dose, analytical model.

В сельскохозяйственном производстве для реализации концепции точного земледелия существует необходимость локального воздействия на растительные объекты (РО), которыми являются как культурные, так и сорные растения. Причем необходимо осуществлять воздействие как с точки зрения стимуляции роста определенных растений, так и с точки зрения угнетения и даже гибели отдельных органов или растения в целом. Существует также проблема воздействия с целью получения информации о РО. В настоящее время наряду с механическими и химическими методами воздействия на растения появился большой интерес к использованию электротехнологий в сельском хозяйстве, в частности, электромагнитного поля (ЭМП), в качестве эффективного экологически безопасного воздействующего фактора, позволяющего осуществлять адаптивное управление свойствами РО.

По определению, адаптивное управление - совокупность методов, позволяющих синтезировать системы управления, которые имеют возможность изменять параметры регулятора или структуру регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления [1]. В нашем случае объектом управления являются РО (семена, растения, плоды, растительная масса), которые изменяют свои параметры (электрофизические свойства) в результате воздействия на них регулятора, т.е. ЭМП. Важной задачей исследований является изучение электрофизических свойств РО с целью создания измерительной (контролирующей) аппаратуры как звена в цепочке управления РО.

Систематизация методов и техники воздействия ЭМП на РО весьма затруднительна и существуют различные подходы к классификации способов и соответственно многообразных и разнотипных установок. Электрические способы воздействия на РО разделяют по назначению, наличию электрического контакта электродной системы (ЭС) с РО, источнику ЭМП, форме электрического тока, рабочей частоте. По режимам работы техника электрического воздействия используется на постоянном и переменном токе, низкочастотная и высокочастотная.