Управление мощностью электронагревательных элементов тиристорными преобразователями напряжения и сопротивления

   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 %.

1. Conrad H., Krampitz R. Elektrotechnik. Berlin: VEB Verlag Technik, 1983. 362 р.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Пястолов А. А. Эффективность способов управления активной мощностью сопротивлений / А. А. Пястолов, Л. А. Астраханцев // Техника в сельском хозяйстве. – 1990. – № 6. – С. 35–37.

16. 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.

17. Heumann K. Grundlagen der Leistungselektronik. Stuttgart: Teubner, 1989. 407 р.

18. Шустов М. А. Основы силовой электроники / М. А. Шустов. – М.: Изд-во «Наука и техника», 2017. – 336 с.

19. 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.

20. 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.