Полупроводниковый комплекс для импульсного электропитания частотно-регулируемых озонаторов

На правах рукописи

Кузнецов Кирилл Юрьевич

Полупроводниковый комплекс для импульсного электропитания частотно-регулируемых озонаторов

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2008

Работа выполнена на кафедре «Электрооборудование судов» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Научный руководитель:	Заслуженный деятель науки РФ, дДоктор технических наук, профессор Титов Владимир Георгиевич
Официальные оппоненты:	Доктор технических наук, профессор Белов Геннадий Александрович ДокторКандидат технических наук, доцент Бурда Евгений Мордкович
Ведущая организация:	ФГУП НКТБ «Вихрь», г.Уфа

Защита состоится « _26 ___» __________июня 200__ 8 года в ____14:00 на заседании диссертационного совета _____ Д212.165.02 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, ГСП-41, г. Н.ижний Новгород, ул. Минина, 24.

Отзывы на авторефераты, заверенные печатью организации, просим направить по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.165.02 или по факсу (831) 436-93-79

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат диссертации размещен на сайте:

http://www.nntu.ru/rus/aspir_doktor/avtoreferat

Автореферат разослан « 24 » мая 200 8 года«____» __________ 200__ года

Ученый секретарь

диссертационного совета ____________________ В.В. Соколов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время наблюдается значительный рост интереса к применению озона в различных областях. Озон применяется для очистки питьевой и сточных вод, увеличения сроков хранения продуктов, при обработке овощей и фруктов, в технологиях уничтожения паразитов и грызунов и др. Озонные технологии используются в военно-полевой хирургии, в медицине катастроф, системах жизнеобеспечения в районах с неблагоприятной санитарно-эпидемиологической обстановкой.

Затраты на производство озона не превышают затраты на другие виды окислителей и дезинфекторов (хлор, перекись водорода, формалин, марганцевые соли). Главной проблемой при производстве озона в промышленных объемах становятся большие капитальные затраты на оборудование, поэтому снижение стоимости применяемого оборудования является наиболее актуальным при расширении областей применения озона.

Актуальность работ в области создания генераторов озона (ГО) медицинского назначения подтверждается действующим приоритетным национальным проектом «Современное здравоохранение», Постановлениями Правительства РФ, приказами и распоряжениями Министерств здравоохранения РФ и Нижегородской области.

Производимые в настоящее время типы озонаторных агрегатов промышленного назначения различаются по геометрии камеры коронного разряда, источникам питания (ИП), методам отвода тепла и рабочим условиям. Коллективами ученых по всему миру ведутся научные исследования по совершенствованию существующих и разработке новых реакторных камер ГО. Исследуются различные способы охлаждения реакторных камер.

Наиболее перспективным направлением в изучении и разработке ИП для ГО признано применение токов повышенной частоты. Работы по созданию высокочастотных озонаторов ведутся в фирмах-производителях многих стран: НПП «ТЕХОЗОН» г. Дзержинск, ОАО «Курганхиммаш», ООО «Озония» (Россия), Ozotech Inc (Украина), Cyclopss Corporation (USA), Millennium 2100 (USA), Nissuii Co., LTD (Japan), Sosiete des Eaux du Nord (France), Suez - Lyonnaise des Eaux (France), Union Pumps (Canada), Water Corporation (Australia). Среди отечественных и зарубежных специалистов, работающих в этой области, следует назвать Ю. В. Филиппова, В. Г. Емельянова, Т.П. Костюкову, Ю.И. Махина, В. И. Пантелеева, С. В. Шапиро, Л. Э. Рогинскую, А.С. Серебрякова, В.И. Семенова, В.Г. Самойловича, С.Г. Ткаченко., Mr. Javier EZQUERRA MARTINEZ (Sistemas у Equipos de Ozonisacion, Spain), Dr. Jasper GAHRS (Messer Griesheim GmbH, Germany), Mr. Bruno LANGLAIS (Guigues S.A., France), Mr. Joe Phillips (Zentox Corporation, USA).

Разработка источников питания (ИП) озонаторов сопряжена с необходимостью расчета специализированных полупроводниковых устройств, преобразующих параметры электрической энергии, высоковольтных разделительных трансформаторов, имеющих повышенные относительные значения магнитных потоков рассеяния, а также с разработкой математических моделей реакторной разрядной камеры зоны озонатора. Вместе с тем, в области стационарных и динамических режимов остаются недостаточно исследованными электромагнитные процессы в системе, образованной каскадным соединением первичного ИПисточника питания, трехфазного выпрямителя, электрического фильтра выпрямленного напряжения, резонансного инвертора, канала циркуляции энергии, высоковольтного трансформатора (ВТ), ГОгенератора озона. Не изучено влияние структуры и параметров канала, обеспечивающего циркуляцию энергии между нелинейными емкостными элементами ГОгенератора озона и, индуктивными элементами высоковольтного трансформатора– ВТ и и частотного фильтрома выпрямителя. В области регулировочных свойств системы с импульсным ИП не исследованы процессы при частотном регулировании производительности озонатора.

Учитывая высокую стоимость экспериментальных исследований, электрических и осциллографических измерений, изучения свойств системы на физических моделях, актуальными являются научные исследования в области создания высокоэффективных и адекватных математических моделей электрической части и электрохимического преобразования ГО генераторов озона, каскадов импульсного ИПисточника питания, имитационных математических моделей всей системы, а также разработка тактики вычислительного эксперимента.

Актуальность работ в области создания генераторов озона медицинского назначения также подтверждается действующим приоритетным национальным проектом «Современное здравоохранение», Постановлениями Правительства РФ, приказами и распоряжениями Министерств здравоохранения РФ и сельского хозяйства Нижегородской области.

Цель работы заключается в разработке и создании новых алгоритмов работы источников питания и схемотехнических решений для отдельных блоков комплекса алгоритмов работы источников питания, базирующихся на исследовании динамических и стационарных режимов работы полупроводникового преобразователя для импульсного электропитания частотно-регулируемых озонаторов, позволяющих улучшить массогабаритные и энергетические показатели источника питания генератора озона.

Цель работы - исследование динамических и стационарных режимов работы полупроводникового преобразователя импульсного электропитания частотно-регулируемых озонаторов, разработка и создание новых алгоритмов работы источников питания и на их основе схемотехнических решений для отдельных блоков комплекса.

Для достижения цели работы решались следующие задачи:

1. Анализ Исследование электромагнитных процессов в полупроводниковом преобразователе, содержащем каскадно-соединенные первичный источник питания, тиристорный мостовой выпрямитель, электрический частотный фильтр, тиристорный резонансный инвертор, высоковольтный трансформатор и, генератор озона в установившихся и переходных режимах при регулировании амплитуды и частоты импульсов напряжения на входе генератора озона.
2. Разработка и исследование способов стабилизации режима генератора озона, разработка математической модели датчика производительности генератора озона, программ компьютерного имитационного моделирования силовой электрической части источника питания генератора озона, разработка математической модели датчика производительности генератора озона и программы компьютерного имитационного моделирования комплекса, снабженного датчиком.
3. Оценка влияния характеристик канала циркуляции энергии в контуре «генератор озона – электрический фильтр» на условия перемагничивания ВТ высоковольтного трансформатора и разработка уточненной методики его расчета.
4. Реализация результатов и полученных практических рекомендаций при разработке и внедрении опытных и промышленных образцов генераторов озона различного назначения.

Методы исследования. Исследования выполнены на основе теории нелинейных электрических цепей, теории полупроводниковых преобразователей. Использован математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, матричных вычислений, программирования в интегрированной среде MATLAB. Экспериментальные исследования проведены на опытных образцах озонаторов в лабораторных и производственных условиях.

На защиту выносятся следующие результаты:

• математические модели генератора озона, датчика электрохимического преобразования удельной активной мощности, потребляемой генератором озона, в производительностьи генератора озонатора, высоковольтного трансформатора и систем озонаторов;
• программы компьютерного имитационного моделирования систем озонаторов;
• новые схемы электрической части озонаторов с регулируемыми каналами циркуляции мощностиэнергии;
• результаты исследования динамических и стационарных режимов озонатора при питании от импульсного источника питания при амплитудном и частотном регулировании;
• алгоритм расчета высоковольтного трансформатора озонатора.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Выполнены исследования свойств системы при амплитудном и частотном способах регулирования производительности озонатора с импульсным источником питания, а также определено влияние структуры и параметров каналов циркуляции энергии между фильтром и емкостными элементами генератора озона.
2. Разработаны имитационные математические модели системы и программы их компьютерного анализа, адаптированные к условиям работы с постоянной составляющей магнитного потока высоковольтного трансформатора и позволяющие в явной форме задавать и варьировать величину немагнитного зазора в магнитопроводе трансформатора, с помощью которых в дальнейшем исследованы динамические и стационарные режимы работы озонатора при амплитудном и частотном регулировании.
3. Разработана математическая модель датчика электрохимического преобразования входной удельной электрической энергии в удельную производительность генератора озона, позволяющая проводить поиск критериев номинального режима работы генератора озона и проведение оптимизационных расчетов.
4. Разработаны алгоритмы и оригинальные схемы силовой электрической части озонатора с каналами циркуляции энергии, защищенные патентом РФ, позволяющие уменьшить массу вторичной обмотки и магнитопровода высоковольтного трансформатора и улучшить массогабаритные показатели.
5. Разработаны алгоритмы и оригинальные схемы силовой электрической части озонатора с каналами циркуляции энергии, позволяющие уменьшить массу вторичной обмотки и магнитопровода высоковольтного трансформатора и улучшить массогабаритные показатели.Научная новизна заключается в следующем:
6. Уточнены свойства системы при амплитудном и частотном способах регулирования производительности озонатора с импульсным источником питания.
7. Определено влияние структуры и параметров каналов циркуляции мощности между фильтром и емкостными элементами генератора озона.
8. Разработаны имитационные математические модели системы и программы их компьютерного анализа, разработана математическая модель датчика электрохимического преобразования входной удельной электрической мощности в удельную производительность генератора озона, предназначенная для имитационного компьютерного моделирования замкнутой системы, с помощью которых исследованы динамические и стационарные режимы работы озонатора при амплитудном и частотном регулировании.
9. Разработаны алгоритмы и оригинальные схемы силовой электрической части озонатора с каналами циркуляции энергии, позволяющие уменьшить массу вторичной обмотки и магнитопровода высоковольтного трансформатора и улучшить массогабаритные показатели

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. созданы электрические блоки силовой части и системы управления для озонаторов серии ТМ и ТС мощностью от 5 до 50 кВт;
2. разработаны программы компьютерного имитационного моделирования системы, ориентированные на использование на стадии НИиОКР при создании серии озонаторов;
3. внедрены научно обоснованные алгоритмы работы, а также методики расчета и выбора полупроводниковых приборов и электромагнитных элементов электрической силовой части серийных озонаторов.

Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы:

• при разработке и проектировании электрической части озонаторов серий ТМ и ТС мощностью от 5 до 50 кВт;
• в учебном процессе в виде инженерных методик расчета электрической части озонаторов с частотно-регулируемым импульсным источником питания в НГТУ и в Волжской Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии водного транспорта (ВГАВТНГСХА) г. Нижний Новгород.

Публикация и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе получен патент РФ на полезную модель и 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

• Всероссийской научно-технической конференции Н.Новгород-Арзамас: НГТУ-АПИ НГТУ,2004.
• на научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электроэнергетики», НГТУ, 2004, 2005 и 2006 годах.
• В Ивановском государственном энергетическом университете в 2005 на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологий».
• В 2005 году на Международном конгрессе «Великие реки 2005» в Нижегородской архитектурно-строительной академии.

Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

• Всероссийская научно-техническая конференция Н.Новгород-Арзамас: НГТУ-АПИ НГТУ,2004. Доклад «Анализ переходных процессов в системе «преобразователь частоты – озонатор».
• XXIII научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики», НГТУ, 2004г. Доклад «Особенности частотного регулирования производительности озонатора».
• Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологий», Ивановский государственный энергетический университет. – Иваново, 2005. Доклад «Режимы работы трансформатора в системе «преобразователь частоты – озонатор».
• Международный конгресс «Великие реки 2005». Н.Новгород. -ННГАСУ, 2005 г. Доклад «Снижение энергозатрат озонных технологий».
• Научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электромеханики и электроэнергетики». Н.Новгород, НГТУ, 2005 г. Доклад «Промышленные озонаторы серий ТМ и ТС с ИП повышенной частоты».
• Научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электромеханики и электроэнергетики». Н. Новгород, НГТУ, 2005 г. Доклад «Имитационное моделирование электрической части озонаторов».
• Научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электромеханики и электроэнергетики». Н.Новгород, НГТУ, 2006 г. Доклад «Анализ энергетических процессов в высокочастотном озонаторе».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем работы составляет 175 страниц, в том числе 157 страниц основного текста, включая 81 рисунок и 1 таблицу. Библиографический список содержит 105 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы. Сформулирована цель работы, определен круг исследовательских задач, их научная новизна и практическая значимость, положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены свойства озона и области его применения. На примере ГО генератора озона трубчатого типа рассмотрен процесс работы ГО генератора озона и физико-химические процессы, возникающие при синтезе озона. Выявлены наиболее перспективные направления техники производства озона и причины, в значительной степени сдерживающие дальнейший рост производительности высокочастотных ГОгенераторов озона. Изучены различные конструкции генераторов озона.

Дан обзор исследований и разработок в области озонаторостроения. Подробно рассмотрена конструкция трубчатого генератора озона. В работах Пичугина Ю.П., Филиппова В.Г., Перунова А.А., и др. рассмотрены безбарьерные генераторы озона. Исследования Соломонова Ю.С., Карягина Н.В., Кулюкина В.М. и др. посвящены генераторам озона с плоскими электродами. Различные варианты генераторов озона с подвижным барьером предложены в работах Ю.П. Пичугина и М.И. Воронина, В.М. Руденка и А.М. Парамонова, а генераторы озона на поверхностном разряде – в трудах Калинина А.В., Козлова М.В. и Панюшкина В.В.

Особое внимание в главе уделено рассмотрению электрических характеристик и электрических схем замещения ГОгенераторов озона. Учитывая непосредственное влияние ИП как на энергетические характеристики технологического процесса производства озона, так и на производственные показатели весьма важным и необходимым представляется признан вопрос разработки и анализа специализированных ИП.

Автором диссертации предложена усовершенствованная схема ИП ГОгенератора озона, в которой между выводом анодной группы диодного моста и катодной шиной инвертора схемы подключен источник постоянного напряжения, плюсовой вывод которого соединен с катодной шиной инвертора ЕР (рис. 1рис. 1рис. 1).

По мнению автора, введение вспомогательного источника позволяет уменьшить амплитуду обратного тока, возвращаемого посредством диодного моста в конденсатор фильтра. Поскольку обратный ток является приведенным к первичной стороне ВТ током ГО, снижается и ток разряда емкостных элементов. Вследствие чего на входе ГО повышается напряжение, что вызывает, увеличение амплитуды токов перезаряда его емкостных элементов и разрядного промежутка, а также выделяемой в разрядной камере активной мощности. Это позволяет уменьшить массу вторичной обмотки и магнитопровода ВТ, улучшить массогабаритные и энергетические показатели озонатора.

Рис. 1 Структурная электрическая схема ИП с ПЧ преобразователем частоты на базе РИН с регулируемым возвратом энергии