ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-2-310-319ipolytech-609Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGУправление мощностью электронагревательных элементов тиристорными преобразователями напряжения и сопротивленияPower control of electric heating elements using thyristor voltage and resistance convertershttps://orcid.org/0000-0001-9836-6753РудыхА. В.RudykhA. V.

Альбина Владимировна Рудых, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры

кафедра электрооборудования и физики

664038

Иркутская область

Иркутский р-н

п. Молодежный, 1/1

Albina V. Rudykh, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department

Department of Electrical Equipment and Physics

664038

Irkutsk region

Irkutsk district

1/1, Molodezny settlement

avr3004@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7369-5593СукьясовС. В.SukyasovS. V.

Сергей Владимирович Сукьясов, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры

кафедра электрооборудования и физики

664038

Иркутская область

Иркутский р-н

п. Молодежный, 1/1

Sergey V. Sukyasov, and. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department

Department of Electrical Equipment and Physics

664038

Irkutsk region

Irkutsk district

1/1, Molodezny settlement

sukyasov@mail.ruИркутский государственный аграрный университет им. А. А. ЕжевскогоРоссияIrkutsk State University of Agriculture named after A. A. EzhevskyRussian Federation202206072022262310319Copyright © Рудых А.В., Сукьясов С.В., 20222022Рудых А.В., Сукьясов С.В.Rudykh A.V., Sukyasov S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/609

   Цель – исследование энергетической эффективности использования тиристорных преобразователей с активной нагрузкой. Преобразование электрической энергии в установке тиристорный преобразователь –электронагревательный элемент рассмотрены с позиции теории электромагнитного поля. Для расчета энергетических характеристик установки тиристорный преобразователь – электронагревательный элемент была использована программа MatLab. Установлено, что при использовании тиристорных преобразователей напряжения в режимах управления мощностью активной нагрузки во время непроводящего состояния преобразователя (тиристор заперт) на входе установки возникает пассивная мощность. Показано, что за счет полного использования напряжения, без увеличения потребления тока, с помощью пассивной мощности можно получить дополнительную тепловую энергию. С увеличением глубины регулирования мощностью электронагревательных элементов тиристорными преобразователями напряжения пассивная мощность значительно возрастает. В диапазоне управления активной мощностью (50–100 % от номинальной величины) значение коэффициента, учитывающего изменение полной мощности в преобразователе из-за неполного использования напряжения на входе электроустановки, уменьшается с 1,0 до 0,93. Это вызывает снижение коэффициента мощности преобразователя с нагрузкой с 0,97 до 0,925. Показано, что, несмотря на высокое значение коэффициента мощности нагрузки (в интервале управления 0–50 % от номинального значения мощности), коэффициент, отвечающий за изменение полной мощности, уменьшается до 0,66, вследствие чего коэффициент мощности преобразователя с нагрузкой снижается ~ на 33 %. С целью повышения эффективности преобразования электрической энергии для управления мощностью активной нагрузки предлагается использовать тиристорные преобразователи сопротивления, которые во времени изменяют электрическое сопротивление нагрузки. Показано, что причиной неудовлетворительной работы тиристорного преобразователя напряжения является неэффективное использование напряжения на входе установки тиристорный преобразователь–электронагревательный элемент. При использовании тиристорных преобразователей сопротивления коэффициент несинусоидальности тока не превышает 1,5 %, а коэффициент несинусоидальности напряжения в сети 0,38 кВ не превышает 0,2 %.

  This article investigates the energy efficiency of thyristor converters with an active load. The conversion of electric energy in a “thyristor converter – electric heating element” installation is considered from the standpoint of electromagnetic theory. The energy characteristics of the considered installation was calculated in the MATLAB environment. When thyristor voltage converters are operated under the mode of controlling the power of active load, passive power was found to be generated at the input during the non-conductive state of the converter (thyristor is locked). The use of passive power allows additional thermal energy to be obtained by means of an extensive use of voltage, without increasing the current consumption. An increase in the depth of power control of electric heating elements by thyristor voltage converters leads to a significant increase in passive power. In the active power control range (50–100% of the nominal value), the factor accounting for variations in the total power in the converter due to an incomplete use of the voltage at the input of the considered installation decreases from 1.0 to 0.93. This reduces the power factor of the load converter from 0.97 to 0.925. Despite the high value of the load power factor (in the control interval 0–50% of the rated power value), the factor accounting for variations in the total power was found to be reduced to 0.66. As a result, the power factor of the converter with the load is reduced by ~ 33%. In order to increase the efficiency of converting electrical energy to control the active load power, it is proposed to use thyristor resistance converters that vary the electrical resistance of the load over time. It is shown that unsatisfactory operation of a thyristor voltage converter can be caused by inefficient use of voltage at the input of the “thyristor converter – electric heating element” installation. When using thyristor resistance converters, the current non-sinusoidality factor does not exceed 1.5 % and the voltage non-sinusoidality factor in a 0.38 kV network does not exceed 0.2 %.

тиристорный преобразовательактивная нагрузкамощностьэлектрическая цепьсиловые полупроводниковые приборыэнергетические характеристики установкиthyristor converteractive loadpowerelectrical circuitpower semiconductor devicesplant energy characteristicsReferencesConrad H., Krampitz R. Elektrotechnik. Berlin: VEB Verlag Technik, 1983. 362 р.Conrad H., Krampitz R. Elektrotechnik. Berlin: VEB Verlag Technik; 1983, 362 p.Рудых А. В. Возможность управления электрическим обогревом с помощью преобразователей сопротивления / А. В. Рудых, В. В. Боннет // Климат, экология, сельское хозяйство Евразии: тр. VIII Междунар. науч.-практ. конф. (г. Иркутск, 23–24 мая 2019 г.). – Изд-во Иркутского ГАУ им. А. А. Ежевского, 2019. – С. 51–56.Rudykh A. V., Bonnet V. V. Control capability of electric heating by means of resistance converters. Klimat, ekologiya, sel'skoe hozyajstvo Evrazii: trudy VIII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii = Climate, ecology, agriculture of Eurasia: proceedings of the 8th International scientific and practical conference. 23–24 May 2019, Irkutsk, Irkutsk State Agrarian University named after A. A. Ezhevsky; 2019, р. 51-56. (In Russ.).Klimash V. S., Thu Ye Min. Generalized mathematical description and simulation of grid-tied thyristor converters // International Journal of Energy and Power Engineering. 2017. Vol. 11. No. 11. Р. 1135–1142. https://doi.org/10.5281/zenodo.1132767.Klimash V. S., Thu Ye Min. Generalized mathematical description and simulation of grid-tied thyristor converters. International Journal of Energy and Power Engineering. 2017; 11 (11): 1135-1142. https://doi.org/10.5281/zenodo.1132767.Bakas P., Okazaki Yuhei, Shukla A., Patro S. K., Ilves K., Dijkhuizen F., et al. Review of Hybrid Multilevel Converter Topologies Utilizing Thyristors for HVDC Applications // IEEE Transactions on Power Electronics. 2021. Vol. 36. Iss. 1. P. 174–190. https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.2997961.Bakas P., Okazaki Yuhei, Shukla A., Patro S. K., Ilves K., Dijkhuizen F., et al. Review of hybrid multilevel converter topologies utilizing thyristors for HVDC applications. IEEE Transactions on Power Electronics. 2021; 36 (1): 174-190. https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.2997961.Huang W. A new control for multi-phase buck converter with fast transient response // Sixteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. 2001. https://doi.org/10.1109/APEC.2001.911660.Huang W. A new control for multi-phase buck converter with fast transient response. In: Sixteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. 2001. https://doi.org/10.1109/APEC.2001.911660.Jalili K., Weitendorf N., Bernet S. Behavior of PWM active front ends in the presence of parallel thyristor converters // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Vol. 55. Iss. 3. P. 1035–1046. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.917079.Jalili K., Weitendorf N., Bernet S. Behavior of PWM active front ends in the presence of parallel thyristor converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008; 55 (3): 1035-1046. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.917079.Алексеева Т. Л. Повышение эффективности рекуперации электрической энергии в электрических сетях переменного тока / Т. Л. Алексеева [и др.] // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2019. – № 2 (62). – С. 86–97. https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-effektivnosti-rekuperatsii-elektricheskoy-energii-v-elektricheskie-seti-peremennogo-toka?ysclid=l59b02epkm761788785.Alekseeva T. L., Ryabchenok N. L., Astrakhantsev L. A., Tikhomirov V. A., Alekseev M. M. Increase of efficiency of electric energy recovery into acelectrical net-works. Sovremennye tehnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanie = Modern technologies. System analysis. Modeling. 2019; 2 (62): 86-97. https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-effektivnosti-rekuperatsii-elektricheskoy-energii-v-elektricheskie-seti-peremennogo-toka?ysclid=l59b02epkm761788785.Patro S. K., Shukla A. Highly efficient fault-tolerant modular embedded thyristor directed converter for HVDC applications // IEEE Transactions on Power Delivery. 2020. Vol. 35. Iss. 1. P. 349–363. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2019.2951535.Patro S. K., Shukla A. Highly efficient fault-tolerant modular embedded thyristor directed converter for HVDC applications. IEEE Transactions on Power Delivery. 2020; 35 (1): 349-363. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2019.2951535.Judge P. D., Merlin M. M. C., Green T. C., Trainer D. R. Thyristor/diode-bypassed submodule power groups for improved efficiency in modular multilevel converters // IEEE Transactions on Power Delivery. 2018. Vol. 34. Iss. 1. P. 84–94. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2018.2843390.Judge P. D., Merlin M. M. C., Green T. C., Trainer D. R. Thyristor/diode-bypassed sub-module power groups for improved efficiency in modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Delivery. 2018; 34 (1): 84-94. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2018.2843390.Алексеева Т. Л. Энергетическая эффективность в электрических цепях с полупроводниковыми приборами / Т. Л. Алексеева [и др. ]// Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2020. – Т. 20. – № 2. – С. 89–98. https://doi.org/10.14529/power200208.Alekseyeva T. L., Ryabchenok N. L., Astrakhantsev L. A., Tikhomirov V. A. Energy efficiency of electrical circuits carrying semiconductor devices. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika = Bulletin of South Ural State University. Series: Power Engineering. 2020; 20 (2): 89-98. (In Russ.). https://doi.org/10.14529/power200208.Vobecky J. The bidirectional phase control thyristor // IEEE Transactions on Electron Devices. 2020. Vol. 67. Iss. 7. P. 2844–2849. https://doi.org/10.1109/TED.2020.2991690.Vobecky J. The bidirectional phase control thyristor. IEEE Transactions on Electron Devices. 2020; 67 (7): 2844-2849. https://doi.org/10.1109/TED.2020.2991690.Голодный И. М. Исследование трехфазного асинхронного электропривода с тиристорным регулятором напряжения с фазоимпульсным управлением / И. М. Голодный, А. Ю. Синявский, А. В. Санченко // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства. – 2017. – № 4. – С. 139–143.Golodnyi I., Sinyavsky A., Sanchenko A. Investigation of three-phase asynchronous electric drive with phase-pulse control thyristor voltage regulator. Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta elektrifikacii sel'skogo hozyajstva. 2017;4:139-143. (In Russ.).Wang Shuren, Massoud A. M., Williams B. W. A t-type modular multilevel converter // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2021. Vol. 9. Iss. 1. Р. 843–857. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2019.2953007.Wang Shuren, Massoud A. M., Williams B. W. A t-type modular multilevel converter. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2021; 9 (1): 843-857. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2019.2953007.Кадомский Д. Е. Активная и реактивная мощности – характеристики средних значений работы и энергии периодического электромагнитного поля в элементах нелинейной цепи / Д. Е. Кадомский // Электричество. – 1987. – № 7. – С. 39–43.Kadomskij D. E. Active and reactive power as characteristics of average values of periodic electromagnetic field efficiency and energy in nonlinear circuit elements. Elektrichestvo. 1987; 7: 39-43. (In Russ.).Пястолов А. А. Эффективность способов управления активной мощностью сопротивлений / А. А. Пястолов, Л. А. Астраханцев // Техника в сельском хозяйстве. – 1990. – № 6. – С. 35–37.Pyastolov A. A., Astrahancev L. A. Efficiency of resistance active power control methods. Tekhnika v sel'skom hozyajstve. 1990;6:35-37. (In Russ.).Пат. № 2367082, Российская Федерация, МПК Н20М 7/19. Способ регулирования напряжения и устройство трехфазного выпрямителя / А. В. Рудых [и др.] ; заявитель и патентообладатель Иркутский государственный университет путей сообщения. – № 2008103618/09. – Заявл. 29. 01. 2008; опубл. 10. 09. 2009. Бюл. № 25.Rudykh A. V., Alekseeva T. L., Ryabchenok N. L., Astrahanceva N. M., Orlenko A. I., Ryabchenok K. P., et al. Voltage control method and a three-phase rectifier. Patent RF, no. 2367082; 2009. (In Russ.).Heumann K. Grundlagen der Leistungselektronik. Stuttgart: Teubner, 1989. 407 р.Heumann K. Grundlagen der Leistungselektronik. Stuttgart: Teubner; 1989, 407 р.Шустов М. А. Основы силовой электроники / М. А. Шустов. – М.: Изд-во «Наука и техника», 2017. – 336 с.Shustov M. A. Fundamentals of power electronics. Moscow: Nauka i tekhnika; 2017, 336 р. (In Russ.).Tian Shuilin, Lee Fred C., Li Qiang, Yan Yingyi. Unified equivalent circuit model and optimal design of V2 controlled buck converters // IEEE Transactions on Power Electronics. 2015. Vol. 31. Iss. 2. P. 1734–1744. https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2424913.Tian Shuilin, Lee Fred C., Li Qiang, Yan Yingyi. Unified equivalent circuit model and optimal design of V2 controlled buck converters. IEEE Transactions on Power Electronics. 2015; 31 (2): 1734-1744. https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2424913.Redl R., Sun Jian. Ripple-based control of switching regulators – an overview // IEEE Transactions on Power Electronics. 2009. Vol. 24. Iss. 12. P. 2669–2680.Redl R., Sun Jian. Ripple-based control of switching regulators – an overview. IEEE Transactions on Power Electronics. 2009; 24 (12): 2669-2680. https://doi.org/10.1109/TPEL.2009.2032657.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.