Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред

Проанализированы методы повышения точности регулирования напряжения емкостных накопителей энергии и варианты их технической реализации. Приведены модели узлов зарядного устройства генератора разрядных импульсов установки плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред и рассчитаны перехо...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2016
Main Authors:	Захарченко, С.Н., Руденко, Ю.В., Черкасский, А.П.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електродинаміки НАН України 2016
Series:	Технічна електродинаміка
Subjects:	Перетворення параметрів електричної енергії
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141970
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред / С.Н. Захарченко, Ю.В. Руденко, А.П. Черкасский // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 6. — С. 30-37. — Бібліогр.: 21 назв. — pос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-141970
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1419702018-09-20T01:23:00Z Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред Захарченко, С.Н. Руденко, Ю.В. Черкасский, А.П. Перетворення параметрів електричної енергії Проанализированы методы повышения точности регулирования напряжения емкостных накопителей энергии и варианты их технической реализации. Приведены модели узлов зарядного устройства генератора разрядных импульсов установки плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред и рассчитаны переходные процессы в них. Для идеального зарядного LC-контура найдена зависимость погрешности регулирования напряжения емкостного накопителя от его волнового сопротивления и отношения начальных условий на его элементах. Предложены алгоритмы управления порогом ограничения зарядного тока, обеспечивающие высокую точность регулирования напряжения емкостных накопителей при высокой скорости их заряда. Показано, что использование режимов, в которых частота следования импульсов заряда емкостных накопителей на порядки выше частоты следования разрядных импульсов, позволяет уменьшить погрешность регулирования напряжения на них до ± (1 - 3) % и менее. Проаналізованo методи підвищення точності регулювання напруги ємнісних накопичувачів енергії та варіанти їхньої технічної реалізації. Показано моделі вузлів зарядного пристрою генератора розрядних імпульсів установки плазмоерозійної обробки гетерогенних струмопровідних середовищ та обчислено перехідні процеси в них. Для ідеального LC-контуру знайдено залежність похибки регулювання напруги ємнісного накопичувача від його хвильового опору та співвідношення початкових умов на його елементах. Запропоновано алгоритми керування граничною величиною зарядного струму, яка забезпечує високу точність регулювання напруги ємнісних накопичувачів при високій швидкості їхнього заряду. Показано, що використання режимів, в яких частота слідування імпульсів заряду ємнісних накопичувачей на порядки вище, ніж частота слідування розрядних імпульсів, дозволяє зменшити похибку регулювання напруги на них до ±(1÷3)% та нижче. The methods for improving the accuracy of voltage regulation in capacitive energy storage devices and variants of their technical implementation were analyzed. With the use of the proposed models of charging device units of discharge pulse generator for plasma-erosion treatment of heterogeneous conductive media a transients in them were calculated. For the ideal charging LC-circuit the dependency of the of voltage regulation imprecision value in capacitive energy storage device from its characteristic impedance and correlation between the initial conditions on its parts was determined. The algorithms for adjusting the charging current threshold value were developed. Suggested algorithms provide highly accurate voltage regulation in capacitive energy storage devices while those devices are charged with a high speed. It is shown that the use of working mode of capacitive energy storage devices for which charge pulse repetition rate is much higher than discharge pulse repetition rate allows to reduce the voltage control imprecision value for such devices to ±(1÷3)% or less. 2016 Article Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред / С.Н. Захарченко, Ю.В. Руденко, А.П. Черкасский // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 6. — С. 30-37. — Бібліогр.: 21 назв. — pос. 1607-7970 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141970 621.314: 621.373.54 ru Технічна електродинаміка Інститут електродинаміки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Перетворення параметрів електричної енергії Перетворення параметрів електричної енергії
spellingShingle	Перетворення параметрів електричної енергії Перетворення параметрів електричної енергії Захарченко, С.Н. Руденко, Ю.В. Черкасский, А.П. Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред Технічна електродинаміка
description	Проанализированы методы повышения точности регулирования напряжения емкостных накопителей энергии и варианты их технической реализации. Приведены модели узлов зарядного устройства генератора разрядных импульсов установки плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред и рассчитаны переходные процессы в них. Для идеального зарядного LC-контура найдена зависимость погрешности регулирования напряжения емкостного накопителя от его волнового сопротивления и отношения начальных условий на его элементах. Предложены алгоритмы управления порогом ограничения зарядного тока, обеспечивающие высокую точность регулирования напряжения емкостных накопителей при высокой скорости их заряда. Показано, что использование режимов, в которых частота следования импульсов заряда емкостных накопителей на порядки выше частоты следования разрядных импульсов, позволяет уменьшить погрешность регулирования напряжения на них до ± (1 - 3) % и менее.
format	Article
author	Захарченко, С.Н. Руденко, Ю.В. Черкасский, А.П.
author_facet	Захарченко, С.Н. Руденко, Ю.В. Черкасский, А.П.
author_sort	Захарченко, С.Н.
title	Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред
title_short	Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред
title_full	Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред
title_fullStr	Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред
title_full_unstemmed	Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред
title_sort	повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред
publisher	Інститут електродинаміки НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Перетворення параметрів електричної енергії
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141970
citation_txt	Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред / С.Н. Захарченко, Ю.В. Руденко, А.П. Черкасский // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 6. — С. 30-37. — Бібліогр.: 21 назв. — pос.
series	Технічна електродинаміка
work_keys_str_mv	AT zaharčenkosn povyšenietočnostiregulirovaniânaprâženiânaemkostnyhnakopitelâhénergiisistemimpulʹsnojplazmoérozionnojobrabotkigeterogennyhtokoprovodâŝihsred AT rudenkoûv povyšenietočnostiregulirovaniânaprâženiânaemkostnyhnakopitelâhénergiisistemimpulʹsnojplazmoérozionnojobrabotkigeterogennyhtokoprovodâŝihsred AT čerkasskijap povyšenietočnostiregulirovaniânaprâženiânaemkostnyhnakopitelâhénergiisistemimpulʹsnojplazmoérozionnojobrabotkigeterogennyhtokoprovodâŝihsred
first_indexed	2025-07-10T13:52:21Z
last_indexed	2025-07-10T13:52:21Z
_version_	1837268251673886720
fulltext	30 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 УДК 621.314: 621.373.54 ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ СИСТЕМ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ГЕТЕРОГЕННЫХ ТОКОПРОВОДЯЩИХ СРЕД С.Н. Захарченко, докт.техн.наук, Ю.В. Руденко, канд.техн.наук, А.П. Черкасский Институт электродинамики НАН Украины, пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина. E-mail: snzakhar@bk.ru, rudenko@ied.org.ua, cherkassky_a@ukr.net Проанализированы методы повышения точности регулирования напряжения емкостных накопителей энергии и варианты их технической реализации. Приведены модели узлов зарядного устройства генератора разрядных импульсов установки плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред и рассчитаны пере- ходные процессы в них. Для идеального зарядного LC-контура найдена зависимость погрешности регулиро- вания напряжения емкостного накопителя от его волнового сопротивления и отношения начальных условий на его элементах. Предложены алгоритмы управления порогом ограничения зарядного тока, обеспечивающие вы- сокую точность регулирования напряжения емкостных накопителей при высокой скорости их заряда. Пока- зано, что использование режимов, в которых частота следования импульсов заряда емкостных накопителей на порядки выше частоты следования разрядных импульсов, позволяет уменьшить погрешность регулирова- ния напряжения на них до ±(1÷3)% и менее. Библ. 21, рис. 6. Ключевые слова: точность регулирования напряжения, емкостной накопитель энергии, зарядный контур, вол- новое сопротивление, переходной процесс, начальные условия. Введение. Точность регулирования напряжения заряда емкостных накопителей энергии (ЕНЭ) во многом определяет как качество стабилизации напряжения импульсных источников пита- ния [2, 5, 8, 9, 11], так и девиацию параметров разрядных импульсов генераторов, работающих на технологические нагрузки и, как следствие, разброс параметров переходных процессов в них и свойств получаемой продукции [1, 3, 4, 10, 11, 13-21]. Генераторы разрядных импульсов с зарядом ЕНЭ от источника регулируемого постоянного напряжения с помощью не полностью управляемых вентилей [12] и цепей ограничения тока зарекомендовали себя как простые и надежные устройства, способные обеспечить значительную мощность при высоком коэффициенте полезного действия для широкого класса технологических нагрузок [10, 11, 13-21]. Однако точность регулирования и стаби- лизации напряжения на ЕНЭ генераторов импульсов, построенных по такому принципу при работе на нелинейную технологическую нагрузку, сопротивление которой может изменяться стохастически в широких пределах [6], невысока, поскольку зависит от оперативности и точности регулирования напряжения источника питания, от которого осуществляется ЕНЭ, а также от начальных условий на самом накопителе, существенное влияние на которые, в свою очередь, оказывают переходные про- цессы в нагрузке, протекающие перед его зарядом [13, 14, 16]. Нестабильность напряжения заряда ЕНЭ таких генераторов существенно возрастает, если час- тота следования разрядных импульсов превышает частоту пульсаций выпрямленного напряжения се- ти, которым заряжается опорная емкость источника регулируемого постоянного напряжения. При указанном соотношении данных частот в таких генераторах оперативное регулирование напряжения ЕНЭ возможно только в следующем периоде за счет коммутации перезарядных цепей накопителя [7, 13], однако, точность такого регулирования крайне низкая [16]. Существенно повысить точность ста- билизации и импульсного регулирования напряжения ЕНЭ можно, если частота следования зарядных импульсов будет на порядки превосходить частоту следования разрядных импульсов. Кроме того, использование в зарядных цепях полностью управляемых ключей позволяет дополнительно повы- сить точность регулирования напряжения за счет регулирования длительности последнего зарядного импульса в каждой их серии [7, 14, 15]. Кроме особенностей цепей обратной связи по напряжению и алгоритма их функционирования, точность регулирования напряжения в таких устройствах будет оп- ределяться постоянством соотношений реактивных параметров дросселя, ограничивающего заряд- © Захарченко С.Н., Руденко Ю.В., Черкасский А.П., 2016 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 31 ный ток и ЕНЭ, а также начальных условий в них, поскольку энергия, запасенная в индуктивном эле- менте в момент размыкания ключа преобразователя при достижении установленного верхнего порога напряжения накопителя переходит в энергию ЕНЭ за вычетом незначительных потерь в силовых це- пях. Целью настоящей работы является дальнейшее развитие теории зарядных устройств емкостных накопителей с высокочастотным преобразованием энергии в направлении повышения точности регу- лирования их напряжения и установления ее корреляции с отношениями реактивных параметров эле- ментов зарядного контура и начальных условий на них. Переходные процессы в зарядном устройстве с широтно-импульсной модуляцией тока и релейным регулированием напряжения рассмотрим на примере зарядного устройства (ЗУ) генератора разрядных импульсов экспериментальной технологической установки очистки поверхностных вод методом плазмоэрозионной коагуляции, разработанного и изготовленного авторами в рамках кон- курсной тематики [7]. Упрощенная функциональная схема его силовой части показана на рис. 1. ЗУ питается от однофазного неуправляемого выпрямителя с C-фильтром и устройством пуска, пред- ставленного на рис. 1 источником напряжения Ud. Биполярные транзисторы с изолированным за- твором VT1–VT4 и обратные диоды VD1–VD4 представляют собой силовую часть высокочастотного однофазного мостового инвертора напряжения. Высокочастотный трансформатор TV1 осуществляет гальваническую развязку ЕНЭ (C на рис. 1) от питающей сети и согласование уровней напряжения на нем с уровнем напряжения на выходе мостового инвертора. Диоды VD5-VD8 представляют собой высокочастотный однофазный мостовой выпрямитель инвертированного напряжения. Высокочас- тотный дроссель L выполняет функцию ограничения зарядного тока, а нулевой диод VD9 обеспе- чивает протекание тока дросселя с минимальными потерями при передаче его энергии в ЕНЭ в моменты времени, когда напряжение на выходе трансформатора TV1 отсутствует. Система управле- ния зарядным устройством (СУЗУ) управляет мостовым инвертором по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ) зарядного тока с ограничением его амплитуды на установленном уровне в со- ответствии с сигналом датчика тока RT [7]. Управление напряжением ЕНЭ осуществляется по ре- лейному алгоритму. Детально СУЗУ и алгоритм ее функционирования описаны в [7]. Особенностью генераторов эксперименталь- ных и лабораторных технологических установок является необходимость регулирования напряже- ния, длительности и частоты следования разрядных импульсов в широких диапазонах, что необходимо для поиска оптимальных технологических режи- мов. Как следствие, емкость батареи конденсаторов C регулируется в широком диапазоне (в нашем слу- чае от 10 до 330 мкФ) их коммутацией механиче- скими переключателями. Напряжение заряда накопителя UC регулируется в диапазоне от 20 до 600 В, а частота следования разрядных импульсов f – от 0,1 до 2000 Гц. Для таких генераторов крайне важно обеспечить отсутствие перерегулирования напряжения на батарее рабочих конденсаторов C при ма- лых значениях её емкости и при этом не допустить существенного снижения средней мощности, т.е. среднего тока заряда. Эти два условия находятся в антагонизме, поскольку повышение точности ре- гулирования напряжения заряда за счет минимизации напряжения перезаряда требует уменьшения энергии, запасенной в токоограничивающем дросселе L, а, следовательно, и зарядного тока, а обес- печение значительной выходной мощности, напротив, требует увеличения зарядного тока, особенно, при низких значениях напряжения конденсатора C, что обеспечивает высокую скорость увеличения его заряда Δ ΔCq t . Упрощенная OrCad-модель, адекватно воспроизводящая переходной процесс в выходном LC- контуре ЗУ рис. 1, показана на рис. 2 [7]. Частота коммутации транзистора VT1 на рис. 2 равна удвоенной частоте коммутации транзисторов VT1–VT4 инвертора напряжения на рис. 1. Транзистор VT1 в соответствии с напряжением управления UУ осуществляет широтно-импульсную модуляцию зарядного тока IL аналогично инвертору VT1–VT4 на рис. 1. На рис. 2 ограничивающий зарядный ток iL дроссель L и накопитель энергии C полностью соответствуют аналогичным дросселю и конден- сатору на рис. 1, диод VD1 − диоду VD9; источник напряжения UВХ − приведенному ко вторичной обмотке трансформатора TV1 источнику напряжения Ud на рис. 1. Резистивные датчики токов транзистора VT1 – iвх и дросселя L – iL обозначены RSi и RSL соответственно. Резистор Rd необходим для разряда ЕНЭ с целью демонстрации релейного алгоритма стабилизации напряжения на нем. Рис. 1 32 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 На рис. 3 показаны синхронные машинограммы зарядного тока iL и напряжения на конденсаторе uC, полученные в результате рас-чета переходного процесса в пакете OrCad 9.2 для модели рис. 2 при сле- дующих значениях параметров: частота коммутации VT1 f=10 кГц, L=250 мкГн, C=300 мкФ, RSi=RSL=0,1 Ом, Rd=2,7 кОм, порог ограни- чения тока дросселя ILm=50 А, верхний и нижний пороги релейного ог- раничения напряжения конденсатора UС0=100 В и UСmin=97 В соответ- ственно, напряжение источника питания UВХ=300 В. Как следует из рис. 3, в момент вре- мени t1≈0,7 мс напряжение на конденсаторе C достигает заданного значения верхнего порога релейного ограничения 01 100 BC Ctu U= = , и СУЗУ выдает сигнал на запирание транзистора VT1. При этом ток дросселя L (рис. 3) составляет 1 28,7 AL ti ≈ . Даже при закрытом транзисторе VT1 этот ток продолжает протекать по цепи L-RSL- VD1-C-L с ответвлением в резистор Rd, продолжая «дозаряжать» конденсатор C. Если на этапе заряда пренебречь наличием резистора Rd (ввиду малого тока в нем по сравнению с током конденсатора C), то схема замещения зарядного контура на интервале времени при закрытом транзисторе VT1 примет вид рис. 4. Как следует из анализа переходных процессов в цепи рис. 4, энергия 2 1 0,5L L t W Li= , запасенная в дросселе L к моменту времени t1, рассеивается в виде тепловой энергии в резисторе R, который моделирует суммарные потери в контуре, и расходуется на излишний «дозаряд» конденсатора C. В рассмотренном конкретном случае (рис. 3) к моменту спада тока дросселя iL до нуля (t2≈0,77 мс) на- пряжение на конденсаторе составило 2 103,5ВC tu ≈ , а величина излишнего «дозаряда» конденсатора 02 2C C Ct tu u UΔ = − − около 3,5 В, т.е. 02 2100% 3,5%C C Ct tu u Uδ = ⋅ Δ ≈ от заданного значения UС0=100 В. В момент времени t3≈69,25 мс (рис. 3) вследствие разряда конденсатора C через резистор Rd напряжение на нем падает и становится меньше нижнего порога релейного ограничения UСmin=97 В, после чего СУЗУ открывает транзистор VT1 (рис. 2), что приводит к появлению импульса зарядного тока. В момент времени t4≈69,3 мс напряжение на конденсаторе достигает заданного значения верх- него порога релейного ограничения UС0=100 В (рис. 3), и СУЗУ, как и в момент времени t1, запирает транзистор VT1. Зарядный ток в момент времени t4 составляет 4 33 AL ti ≈ , обуславливая энергию дросселя L, которая дополнительно передается в конденсатор C и приводит к его излишнему «доза- ряду» к моменту времени t5≈69,37 мс на величину 5 4,5ВC tuΔ ≈ , т.е. 5 4,5%C tuδ ≈ . Как видно из приведенного примера, рассмотренная двухконтурная система автоматического регулирования напряжения на конденсаторе, состоящая из внутреннего контура регулирования тока и внешнего контура регулирования напряжения [7], не обеспечивает одно и то же значение зарядного тока во все моменты запирания транзистора VT1. Это приводит к тому, что значение энергии, запа- сенной в дросселе L к моменту запирания VT1, есть величина случайная, принимающая значение в диапазоне от 0 до 20,5Lm LmW LI= . Поэтому она и не может быть однозначно учтена с помощью по- стоянной аддитивной погрешности регулирования напряжения заряда конденсатора. Отметим, что описанные выше двухконтурные системы автоматического регулирования применяются во многих устройствах преобразовательной техники, и повышение точности их регулирования является акту- альным и важным. Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 33 Влияние энергетических процессов в зарядном контуре на точность регулирования на- пряжения на конденсаторе. Поскольку значение зарядного тока iL в моменты времени запирания транзистора VT1 не является детерминированной величиной, все дальнейшие расчеты будем про- водить для наихудшего случая, когда он принимает свое максимально возможное значение ILm. Если в схеме на рис. 4 пренебречь потерями энергии в резисторе R и диоде VD, что вполне допустимо для инженерных расчетов в реальных устройствах, то уравнение энергетического баланса можно записать 0Lm C CW W W= − , (1) где 20,5C CW CU= – энергия, запасенная в конденсаторе к моменту полного окончания переходного процесса в цепи; 2 0 00,5C CW CU= – энергия, запасенная в конденсаторе к моменту начала запирания транзистора VT1. Обозначим для рассматриваемого наихудшего случая абсолютную величину напряжения из- лишнего «дозаряда» конденсатора 0C C CU U UΔ = − , а его относительную величину 0100%C C CU U Uδ = ⋅ Δ и запишем (1) в виде 2 2 02 0C C C LmU U U I L CΔ Δ+ − = . (2) Уравнение (2) имеет два действительных корня, один из которых всегда положителен, а вто- рой – всегда отрицателен. Первый корень уравнения (2) отражает случай, когда напряжение на кон- денсаторе C и ЭДС самоиндукции дросселя L направлены встречно, что справедливо для реальной ситуации в цепи рис. 4 ( )2 2 1 0 01 1C C Lm CU U L I C UΔ ⎛ ⎞= + ⋅ ⋅ −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . (3) Второй корень уравнения (2) ( )2 2 2 0 01 1C C Lm CU U L I C U⎛ ⎞Δ = − + + ⋅ ⋅⎜ ⎟ ⎝ ⎠ соответствует случаю, когда напряжение на конденсаторе C и ЭДС самоиндукции дросселя L направлены в одну сторону. Такая ситуация могла бы возникнуть в следующем полупериоде колебаний в LC-контуре, если бы он не содержал диод VD. Поскольку для цепи с диодом (рис. 4) верным является только первый корень, в дальнейшем будем рассматривать только его, а индекс в обозначении записывать не будем. Разделив выражение (3) на 0CU и умножив на 100%, перейдем к относительным величинам ( )2 2 0100% 1 1C Lm CU L I C Uδ ⎛ ⎞= ⋅ + ⋅ ⋅ −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . (4) Обозначим волновое сопротивление зарядного контура L Cρ = , а отношение заданных уровней тока дросселя и напряжения на конденсаторе (начальных условий на них) 0CLm UIg = , перепишем (4) в виде ( )2100% 1 1CU gδ ρ⎛ ⎞= ⋅ + ⋅ −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . (5) На рис. 5 показан график зависимости (5), из анализа которого следует, что для обеспечения погрешности регулирования напряжения заряда конденсатора не более 10% волновое сопротивление зарядного контура не должно превышать 0,9 Ом, а соотношение начальных условий на его реактив- ных элементах – 0 0,5СмLm CI U ≤ . Заметим, что существенное уменьшение волнового сопротивле- ния зарядного контура, во-первых, повышает скорость нарастания тока в нем, поэтому ограничива- ется быстродействием внутреннего контура управления по току СУЗУ, а во-вторых, приводит к уменьшению добротности реального зарядного контура, в котором есть потери, а, следовательно, и КПД процесса заряда конденсатора. Исходя из сказанного выше, для рассматриваемого класса уст- ройств волновое сопротивление зарядного контура рекомендуется в диапазоне от 0,4 до 0,9 Ом. Значительно уменьшить погрешность регулирования напряжения конденсатора в таких устройствах можно, снизив отношение начальных условий на реактивных элементах зарядного контура g до уров- 34 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 ня 0,3 См и ниже. Без существенного уменьшения мощ- ности зарядного устройства это возможно только для режимов относительно высоких напряжений на конден- саторе UC0>100 В. В противном случае необходимо уменьшать значения параметров ρ и g к концу процес- са заряда. Уменьшение значения ρ по мере приближения напряжения на конденсаторе к заданному уровню UC0 технически реализовать сложно, поскольку это потре- бует, например, переключения отпаек обмотки дросселя L либо иного метода управления его индуктивностью. Уменьшение параметра g может быть реализовано в рамках СУЗУ либо с помощью введения непрерывной зависимости ILm от разности текущего напряжения на конденсаторе и его заданного уровня UC0 ( )( )Lm CI F u= Δ , либо с помощью дискретного умень- шения ILm в момент времени, когда CuΔ снизится до заданного значения. В рассматриваемом уст- ройстве нами был применен второй способ ввиду простоты его технической реализации. На рис. 6 а и б представлены максимально возможные значения относительных погрешностей регулирования напряжения конденсатора CUδ в зависимости от его заданного уровня UC0 для разных значений емкости C при ограничении зарядного тока ILm значениями 50 и 5 А соответственно. Дан- ные получены при L=250 мкГн, UВХ=300 В, f=10 кГц в результате численного расчета переходных процессов в модели на рис. 2. Как следует из анализа рис. 6, увеличение емкости конден- сатора C и, особенно, напряжения на нем UC0 способствуют снижению погрешности регулирования его на- пряжения, что полностью согласу- ется с данными рис. 5. Уменьшение уровня ограничения зарядного тока ILm с 50 до 5 А позволило в десятки раз уменьшить погрешность регули- рования напряжения при заряде конденсатора во всех рассмотрен- ных режимах. При значениях UC0 свыше 60 В погрешность регулиро- вания напряжения на конденсаторе емкостью C от 100 мкФ и выше при ILm=5 А в рассмотренных условиях не превышала 1%. Погрешность релейного регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии в рас- смотренных системах, как правило, не превышает ±(1÷3)% (рис. 3) и может быть уменьшена за счет оптимизации алгоритмов работы и параметров СУЗУ. Как следует из рис. 6, погрешность регули- рования напряжения, обусловленная излишним «дозарядом» конденсатора, при неправильном выбо- ре волнового сопротивления зарядного контура и начальных условий на его реактивных элементах может достигать 10% и более (рис. 6, а). Однако правильный выбор этих параметров в результате анализа рис. 5 позволяет уменьшить ее до 1% и менее (рис. 6, б). В этом случае она не будет ос- новной составляющей суммарной погрешности регулирования напряжения конденсатора. Таким об- разом, использование высокочастотного заряда емкостных накопителей энергии [7, 14, 15], частота которого на порядки выше частоты их разряда, позволяет уменьшить погрешность регулирования напряжения на них до ±(1÷3)% и менее, что на порядок меньше, чем у распространенных сегодня ти- 0 2 4 6 8 10 12 14 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,30,40,50,60,70,80,91,0 δ U C , % ОмCL , СмUI CLm ,0 Рис. 5 UCO, B 0 100 200 300 400 500 600 δUC, % 0 2 4 6 8 10 C=100 мкФ C=200 мкФ C=300 мкФ ILm=50 A UCO, B 0 100 200 300 400 500 600 δUC, % 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 C=100 мкФ C=200 мкФ C=300 мкФ ILm=5 A а б Рис. 6 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 35 ристорных зарядных устройств (±10÷20%), в которых частота следования зарядных импульсов равна частоте следования разрядных [14, 16]. Выводы. 1. Использование в системах импульсной плазмоэрозионной обработки гетероген- ных токопроводящих сред высокой частоты следования импульсов заряда емкостных накопителей энергии, которая на порядки выше частоты следования разрядных импульсов, позволяет уменьшить погрешность регулирования напряжения на них до ±(1÷3)% и менее, а также обеспечивает индиф- ферентность к условиям предыдущего процесса разряда. 2. Для зарядного LC-контура без потерь энергии найдена аналитическая зависимость погреш- ности регулирования напряжения емкостного накопителя энергии от его волнового сопротивления и отношения начальных условий на его элементах. Определены оптимальные значения диапазонов из- менения этих параметров ( 0,5Омρ ≤ , 0 0,5СмLm CI U ≤ ), обеспечивающие высокие значения ско- рости заряда конденсатора ( 30 ACq tΔ Δ ≥ ) и точности регулирования напряжения на нем ( %3≤CUδ ) в рассмотренных условиях. 3. С целью расширения диапазонов возможного изменения волнового сопротивления заряд- ного контура (до 1 Ом и выше) при обеспечении высоких значений скорости заряда емкостных на- копителей энергии ( 20 ACq tΔ Δ ≥ ) и точности регулирования напряжения на них ( %3≤CUδ ) пред- ложены алгоритмы непрерывного и дискретного управления порогом ограничения зарядного тока в зависимости от разницы текущего и установленного значений напряжения на емкостном накопителе энергии. 1. Божко І.В., Кобильчак В.В. Джерело живлення для імпульсних електророзрядних технологій обробки води // Технічна електродинаміка. – 2014. – № 3. – С. 76–82. 2. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И., Вашкевич Е.И., Никитин А.В. Разработка систем заряда емкостных накопителей энергии. Ч.2 // Силовая электроника. – 2009. – № 1. – С. 34–45. 3. Вовченко А.И., Дивак Н.П., Тертилов Р.В. Оптимизация электрогидроимпульсных технологий и вы- бор соответствующих режимов работы источников энергии для них // Технічна електродинаміка. – 2009. – № 6. – С. 54–60. 4. Волков І.В., Зозульов В.І., Шолох Д.О. Принципи побудови компресійних магніто-напівпровідникових пристроїв для імпульсних технологій та лазерів // Технічна електродинаміка. – 2011. – № 3. – С. 10–18. 5. Денисов Ю.А., Велигорский А.А. Качество стабилизации напряжения в системах силовой электроники с пропорциональным и пропорционально-интегральным регуляторами // Технічна електродинаміка. Тематич- ний випуск "Проблеми сучасної електротехніки". – 2004. – Ч. 3. – С. 81–86. 6. Захарченко С.М. Статистичні дослідження еквівалентного електричного опору гетерогенного струмо- провідного середовища при його електроерозійній обробці на прикладі гранул алюмінію у воді // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2013. – № 1 (133). – С. 62–67. 7. Захарченко С.Н., Руденко Ю.В. Сравнительный анализ алгоритмов импульсного заряда емкостных накопителей энергии для систем плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред // Праці Ін- ту електродинаміки НАН України. – 2014. – Вип. 37. – С. 100–108. 8. Коршунов А. Динамический расчет стабилизированного понижающего преобразователя напряжения постоянного тока // Силовая электроника. – 2005. – № 3. – С. 88–91. 9. Коршунов А. Повышение точности стабилизации выходного напряжения повышающего преобразо- вателя постоянного тока // Силовая электроника. – 2011. – № 9. – С. 118–126. 10. Лопатько К.Г., Мельничук М.Д. Фізика, синтез та біологічна функціональність нанорозмірних об’єк- тів. – К.: Видавничий центр НУБіП України, 2013. – 297 с. 11. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. – Киев: Наукова думка, 1982. – 424 c. 12. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника. – К.: Вища Школа. – 1983. – 431 с. 13. Шидловский А.К., Щерба А.А., Супруновская Н.И. Энергетические процессы в электроимпульсных установках с емкостными накопителями энергии. – К.: Интерконтиненталь-Украина, 2009. – 208 с. 14. Щерба А.А., Захарченко С.Н. Полупроводниковые адаптивные системы объемной электроискровой обработки материалов и сред // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. Електроенергетика. – 1999. – Вип. 2. – С. 66–73. 15. Щерба А.А., Захарченко С.Н. Стабилизация и регулирование параметров разрядных импульсов в си- стемах объёмной электроискровой обработки гетерогенных токопроводящих сред // Праці Ін-ту електро- динаміки НАН України. Електродинаміка. – 2001. – С. 30–35. 36 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 16. Щерба А.А., Захарченко С.М., Супруновська Н.І., Шевченко Н.І., Монастирський Г.Є., Перетят- ко Ю.В., Петрученко О.В. Стабілізація режимів електротехнологічних систем для отримання іскроерозійних мікро- та нанопорошків // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефек- тивність". – 2006. – Ч. 1.– С. 120–123. 17. Щерба А.А., Захарченко С.Н., Яцюк С.А., Кучерявая И.Н., Лопатько К.Г., Афтандилянц Е.Г. Анализ методов повышения эффективности электроэрозионной коагуляции при очистке водных сред // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефективність". – 2008. – Ч .2. – С. 120–125. 18. Carrey J., Radousky H.B., Berkowitz A.E. Spark-eroded particles: influence of processing parameters // J. Appl. Phys. – 2004. – Vol. 95. – No 3. – Pp. 823–829. 19. Danilenko N.B., Savelev G.G., Yavorovskii N.A., Yurmazova T.A., Galanov A.I., Balukhtin P.V. Composition and Formation Kinetics of Erosion Products of the Metallic Charge in an Electric-Discharge Reactor // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2005. – Vol. 78. – No 9. – Pp. 1438–1443. 20. Locke B.R., Sato M., Sunka P., Hoffmann M.R., Chang J.-S. Electrohydraulic Discharge and Nonthermal Plasma for Water Treatment // Ind. Eng. Chem. Res. – 2006. – Vol. 45. – Pp. 882–905. 21. Nguyen P.K., Jin S., Berkowitz A.E. Mn-Bi particles with high energy density made by spark erosion // J. Appl. Phys. – 2014. – Vol. 115. – Pp. 17A756-1 – 17A756-3. ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ РЕГУЛЮВАННЯ НАПРУГИ НА ЄМНІСНИХ НАКОПИЧУВАЧАХ ЕНЕРГІЇ СИСТЕМ ІМПУЛЬСНОЇ ПЛАЗМО ЕРОЗІЙНОЇ ОБРОБКИ ГЕТЕРОГЕННИХ СТРУМОПРОВІДНИХ СЕРЕДОВИЩ С.М. Захарченко, докт.техн.наук, Ю.В. Руденко, канд.техн.наук, О.П. Черкаський Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна, E-mail: snzakhar@bk.ru, rudenko@ied.org.ua, cherkassky_a@ukr.net Проаналізованo методи підвищення точності регулювання напруги ємнісних накопичувачів енергії та варіанти їхньої технічної реалізації. Показано моделі вузлів зарядного пристрою генератора розрядних імпульсів уста- новки плазмоерозійної обробки гетерогенних струмопровідних середовищ та обчислено перехідні процеси в них. Для ідеального LC-контуру знайдено залежність похибки регулювання напруги ємнісного накопичувача від його хвильового опору та співвідношення початкових умов на його елементах. Запропоновано алгоритми керування граничною величиною зарядного струму, яка забезпечує високу точність регулювання напруги ємнісних накопичувачів при високій швидкості їхнього заряду. Показано, що використання режимів, в яких частота слідування імпульсів заряду ємнісних накопичувачей на порядки вище, ніж частота слідування розрядних імпульсів, дозволяє зменшити похибку регулювання напруги на них до ±(1÷3)% та нижче. Бібл 21, рис 6. Ключові слова: точність регулювання напруги, ємнісний накопичувач енергії, зарядний контур, хвильовий опір, перехідний процес, початкові умови. IMPROVING THE ACCURACY OF THE VOLTAGE REGULATION IN THE CAPACITIVE ENERGY STORAGE DEVICES FOR PULSE PLASMA-EROSION TREATMENT SYSTEMS OF HETEROGENEOUS CONDUCTIVE MEDIA S.N. Zakharchenko, Yu.V. Rudenko, A.P. Cherkassky Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine, рr. Peremohy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine. E-mail: snzakhar@bk.ru, rudenko@ied.org.ua, cherkassky_a@ukr.net The methods for improving the accuracy of voltage regulation in capacitive energy storage devices and variants of their technical implementation were analyzed. With the use of the proposed models of charging device units of discharge pulse generator for plasma-erosion treatment of heterogeneous conductive media a transients in them were calculated. For the ideal charging LC-circuit the dependency of the of voltage regulation imprecision value in capacitive energy storage device from its characteristic impedance and correlation between the initial conditions on its parts was determined. The algorithms for adjusting the charging current threshold value were developed. Suggested algorithms provide highly accurate voltage regulation in capacitive energy storage devices while those devices are charged with a high speed. It is shown that the use of working mode of capacitive energy storage devices for which charge pulse repetition rate is much higher than discharge pulse repetition rate allows to reduce the voltage control imprecision value for such devices to ±(1÷3)% or less. References 21, figures 6. Key word: accuracy of a voltage regulation, capacitive energy store, charge circuit, wave resistance, transient, entry conditions. ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 37 1. Bozhko I.V., Kobylchak V.V. Power supply for pulse electric discharge technology in water treatment // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2014. – No 3. – Pp. 76–82. (Ukr) 2. Bolotovskyi Yu.I., Tanazly H.Y., Vashkevich E.Y., Nikitin A.V. Development of charge systems for capacitive energy storages // Silovaia Elektronika. – 2009. – No 1. – Pp. 34–45. (Rus) 3. Vovchenko A.I., Divak N.P., Tertilov R.V. Optimization of electric hydro pulse technologies and selection of appropriate modes of energy sources for them // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2009. – No 6. – Pp. 54–60. (Rus) 4. Volkov I.V., Zozulov V.I., Sholokh D.O. Design principals of compression magnetic semiconductor units for pulse technologies and lasers // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2011. – No 3. – Pp. 10–18. (Ukr) 5. Denisov Yu.A., Velihorskiy A.A. Voltage stabilization quality at power electronics systems proportional (P) and proportional-integral (PI) regulators // Tekhnichna Elektrodynamika. Tematychnyi vypusk "Problemy suchasnoi elektrotekhniky". – 2004. – Vol. 3. – Pp. 81−86. (Rus) 6. Zakharchenko S.N. Statistical studies of equivalent electrical resistance of the current-carrying heterogeneous medium at its electriс-erosive processing on the example of aluminum pellets in water // Naukovyi visnyk Natsionalnoho hirnychoho universytetu. – 2013. – No 1 (133). – Pp. 62–67. (Ukr) 7. Zakharchenko S.N., Rudenko Yu.V. Comparative analysis of capacitors pulse charge algorithms at the systems of plasma-erosive treatment for heterogenic current-conductive mediums // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. – 2014. – No 37. – Pp. 100–108. (Rus) 8. Korshunov A. Dynamic calculation of stabilized DC voltage downconverter // Silovaia Elektronika. – 2005. – No 3. – Pp. 88–91. (Rus) 9. Korshunov A. Accuracy improving of the output voltage stabilization at step-up DC converter // Silovaia Elektronika. – 2011. – No 9. – Pp. 118–126. (Rus) 10. Lopatko K.G., Melnichuk M.D. Physics, synthesis and biological functionality of nanosize objects. − Kyiv: Vydavnychyi Tsentr Natsionalnoho Universytetu Bioresursiv i Pryrodokorystuvannia Ukrainy, 2013. – 297 p. (Ukr) 11. Pentehov I.V. Basis of theory for charging circuits of capacitive energy storage. − Kyiv: Naukova dumka, 1982. – 424 p. (Rus) 12. Rudenko V.S., Senko V.I., Chizhenko I.M. Conversion technics. – Kyiv: Vyshcha shkola, 1983. – 431 p. (Rus) 13. Shidlovskiy A.K., Shcherba A.A., Suprunovska N.I. Power processes in electrical pulse devices with capacitive energy storages. – Kyiv: Interkontinental-Ukraina, 2009. – 208 p. (Rus) 14. Shcherba A.A., Zakharchenko S.N. Semiconductor adaptive systems of volume electric spark processing of materials and mediums // Pratsi Instytutu Еlektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. Elektroenerhetyka. – 1999. – No 2. – Pp. 66–73. (Rus) 15. Shcherba A.A., Zakharchenko S.N. Stabilization and regulation of discharge pulses parameters at the systems of volume electric spark processing of heterogenic current-conductive mediums // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. Elektrodynamika. – 2001. – Pp. 30–35. (Rus) 16. Shcherba A.A., Zakharchenko S.N., Suprunovska N.I., Shevchenko N.I., Monastyrskiy G.Е., Peretyatko Yu.V., Petruchenko O.V. Stabilization of modes of electrotechnological systems of obtaining spark-eroded micro and nano powders // Tekhnichna Elektrodynamika. Tematychnyi vypusk “Sylova elektronika ta enerhoefektyvnist”. – 2006. – Part. 1. – Pp. 120−123. (Ukr) 17. Shcherba A.A., Zakharchenko S.N., Yatsiuk S.A., Kucheriava I.N., Lopatko K.H. Aftandyliants E.H. Method analysis for effectiveness improve of electric erosion coagulation with water medium treatment // Tekhnichna Elektrodynamika. Tematychnyi vypusk "Sylova elektronika ta enerhoefektyvnist". – 2008. – Part. 2. – Pp. 120–125. (Rus) 18. Carrey J., Radousky H.B., Berkowitz A.E. Spark-eroded particles: influence of processing parameters // J. Appl. Phys. – 2004. – Vol. 95. – No 3. – Pp. 823–829. 19. Danilenko N.B., Savelev G.G., Yavorovskii N.A., Yurmazova T.A., Galanov A.I., Balukhtin P.V. Composition and Formation Kinetics of Erosion Products of the Metallic Charge in an Electric-Discharge Reactor // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2005. – Vol. 78. − No 9. – Pp. 1438−1443. 20. Locke B.R., Sato M., Sunka P. Hoffmann M.R., Chang J.-S. Electrohydraulic Discharge and Nonthermal Plasma for Water Treatment // Ind. Eng. Chem. Res. – 2006. – Vol. 45. – Pp. 882−905. 21. Nguyen P.K., Jin S., Berkowitz A.E. Mn-Bi particles with high energy density made by spark erosion // J. Appl. Phys. – 2014. – Vol. 115. – Pp. 17A756-1 – 17A756-3. Надійшла 06.06.2016 Остаточний варіант 07.07.2016

Повышение точности регулирования напряжения на емкостных накопителях энергии систем импульсной плазмоэрозионной обработки гетерогенных токопроводящих сред

Institution

Similar Items